DE10262076B4

DE10262076B4 - Device for taking pictures of metallic, partially liquid-wetted surfaces

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Publication number: DE10262076B4
Application number: DE10262076A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2022-06-19

Abstract

Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern von metallischen Oberflächen, die ganz oder teilweise mit einer Flüssigkeit benetzt sein können, wobei die Oberfläche durch Licht in einem Winkel ALPHA von ca. 50 DEG zur Oberflächennormalen bestrahlt wird, und das von der Oberfläche reflektierte Licht in der Gegenrichtung unter einem Winkel BETA von ca. 50 DEG zur Oberflächennormalen mit einer Betrachtungseinrichtung aufgenommen wird, und sich zwischen Beleuchtung und Betrachtungseinrichtung entweder ein einzelnes Polarisationsfilter befindet oder mehrere Polarisationsfilter, die so ausgerichtet sind, dass das durch einen ersten Filter durchgelassene Licht im Wesentlichen auch durch ein zweites Filter durchgelassen wird.Device for taking pictures of metallic surfaces which may be wholly or partially wetted with a liquid, the surface being irradiated by light at an angle ALPHA of about 50 ° to the surface normal, and the light reflected from the surface in the opposite direction an angle BETA of about 50 ° to the surface normal is recorded with a viewing device, and between illumination and viewing device is either a single polarizing filter or a plurality of polarizing filters, which are aligned so that the light transmitted through a first filter substantially also by a second Filter is allowed through.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern von metallischen Oberflächen, die ganz oder teilweise mit einer Flüssigkeit benetzt sein können, insbesondere zum automatischen Lesen von Markierungen auf solchen Oberflächen. Dies betrifft sowohl die Aufnahme von Bildern mit einer Kamera als Bildaufnahmeeinrichtung zur automatischen Auswertung oder zur visuellen Auswertung durch einen Menschen, als auch eine Bildaufnahmeeinrichtung zur direkten Betrachtung durch einen Menschen, also ohne eine zwischengeschaltete Kamera.The The invention relates to a device for taking pictures of metallic surfaces that wholly or partially with a liquid can be wetted, in particular for the automatic reading of markings on such Surfaces. This concerns both the taking of pictures with a camera as Image recording device for automatic evaluation or visual Evaluation by a human, as well as an image recording device for direct viewing by a human, so without an intermediary Camera.

Die Aufgabe tritt beispielsweise beim Lesen von optischen Kennzeichnungen von Oberflächen in der mechanischen Fertigung auf. Die Oberflächen sind mit Flüssigkeiten benetzt, typischerweise mit Öltropfen oder einem Ölfilm, was die optische Darstellung der Kennzeichnung erschwert. Beleuchtungs- und Bildaufnahmeanordnungen, die speziell für ölbenetzte Werkstücke optimiert werden (z.B. streifendes Licht von der Seite), benötigen viel Platz und sind nicht optimal, wenn die Werkstücke trocken oder nur teilweise benetzt sind.The Task occurs, for example, when reading optical markings of surfaces in mechanical production. The surfaces are with liquids wetted, typically with oil drops or an oil film, which makes the optical representation of the marking more difficult. Lighting and lighting Image pickup assemblies optimized specifically for oil wetted workpieces (for example, grazing light from the side) will take a lot Place and are not optimal when the workpieces dry or only partially are wetted.

Bisher bekannte Beleuchtungen, die für trockene und benetzte Werkstücke geeignet sind (diffuse Beleuchtungen aus vielen Richtungen), nehmen sehr viel Platz ein, sind inbetriebnahmetechnisch schwierig zu handhaben und sind bei trockenen, glatten Oberflächen ungünstiger als homogene Beleuchtungen unter Reflexionsbedingung. Helligkeitsadaptive Verfahren versagen bei teilweise benetzten Werkstücken, da sie Reflexionen auf Oberfläche und Benetzung auf die gleiche Weise verarbeiten.So far well-known lighting for dry and wetted workpieces are suitable (diffuse illuminations from many directions), take a lot a lot of space, are technically difficult to handle and are less favorable on dry, smooth surfaces than homogeneous illuminations under reflection condition. Brightness adaptive methods fail for partially wetted workpieces, as they reflect on surface and wetting process in the same way.

Diese Probleme haben bisher verhindert, dass im Bereich der mechanischen Fertigung (Fräsmaschinen, Hohnmaschinen, Bearbeitungszentren, Transferstrassen..) in größerem Stil eine automatische Teileverfolgung realisiert werden konnte anhand des Lesens von unverlierbar auf der Oberfläche angebrachten Markierungen (Klarschrift, Barcode, Matrix-Code... – oberflächlich aufgebracht mittels z.B. Laser oder verformend z.B. mittels Ritzen).These Problems have prevented so far in the field of mechanical Production (milling machines, Scrapers, machining centers, transfer lines ..) on a larger scale an automatic parts tracking could be realized using reading marks on the surface that can not be lost on the surface (Plain text, barcode, matrix code ... - superficially applied by means of e.g. Laser or deforming e.g. by means of cracks).

Aus der Fotografie ist bekannt, dass mit etwas Glück Glanzlichter durch Vorsetzen eines Polarisationsfilters unterdrückt werden können, z.B. bei Aufnahmen im Schnee, und bei Aufnahmen von Glas (z.B. bei Fenstern von Gebäuden)- und Wasseroberflächen (z.B. bei einem See).Out The photography is known to, with a bit of luck, highlights by presets of a polarizing filter can be suppressed, e.g. when shooting in snow, and when taking pictures of glass (such as windows of buildings) - and water surfaces (for example by a lake).

Es ist bekannt, dass mit gekreuzten Polarisatoren Totalreflexion unterdrückt werden kann, wodurch der Streulichtanteil des erfassten Lichts erhöht werden kann:
Zum Lesen von Symbolen auf Oberflächen, die teilweise glänzend reflektieren, wird nach der DE 19 510 257 A1 zur Unterdrückung der sich daraus ergebenden sehr hohen Dynamik, und um die vorteilhafte Beleuchtung im Glanzwinkel beibehalten zu können, das Licht durch ein erstes Filter polarisiert. Mit einem zweiten, zwischen Oberfläche und Kamera sitzenden und geeignet gedrehten Polarisationsfilter werden Totalreflexionen unterdrückt.It is known that with crossed polarizers total reflection can be suppressed, whereby the scattered light portion of the detected light can be increased:
To read symbols on surfaces that reflect in part brilliantly, after the DE 19 510 257 A1 To suppress the resulting very high dynamics, and to be able to maintain the advantageous illumination in the glancing angle, the light is polarized by a first filter. With a second, sitting between the surface and the camera and suitably rotated polarization filter total reflections are suppressed.

Die Anordnung nach der DE 19 510 257 A1 ist zur Lösung des hier geschilderten Problems ungeeignet, da Totalreflexion auf der Flüssigkeit und auf Oberfläche gleichermaßen unterdrückt werden. Beim Drehen eines der beiden Filter wird das Bild bei glänzender Metalloberfläche also nur insgesamt dunkler.The arrangement after the DE 19 510 257 A1 is unsuitable for solving the problem described here, since total reflection on the liquid and on the surface are equally suppressed. When turning one of the two filters, the picture becomes darker when the metal surface is shiny.

Zum Lesen von Barcodes auf Wafern und zur Lösung von diversen, in der Waferherstellung auftretenden Leseproblemen wird nach der DE 4 114 925 A1 eine Anordnung mit gekreuzten Polarisatoren vorgeschlagen, mit dem Unterschied, dass Laserlicht verwendet wird, unter Ausnutzung der Tatsache, dass Laserlicht polarisiert ist. Durch Verwenden von Laserlicht kann man das hier vorliegende Problem ebenso wenig lösen wie mit zwei Polarisationsfiltern.For reading barcodes on wafers and for solving various reading problems that occur in wafer production, the DE 4 114 925 A1 proposed an arrangement with crossed polarizers, with the difference that laser light is used, taking advantage of the fact that laser light is polarized. By using laser light you can solve the problem as well as with two polarizing filters.

DE 195 37 807 C1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen von Farb- oder Lackschichten auf metallischen Oberflächen. Dabei wird die metallische Oberfläche bzw. die darauf befindliche Schicht beleuchtet und das reflektierte Licht empfangen. Dabei erfolgt die Beleuchtung und das Empfangen unter dem so genannten Brewster-Winkel gegenüber der Oberflächennormalen. Weiterhin erfolgt in wenigstens einem der Beleuchtungs- und Empfangsstrahlengänge eine Polarisation des Lichts in der Einfallsebene. Dort, wo sich keine Farb- oder Lackschicht auf der metallischen Oberfläche befindet, wird Licht empfangen und dort wo sich eine Farb- oder Lackschicht auf der metallischen Oberfläche befindet, wird kein Licht empfangen. DE 195 37 807 C1 relates to a method and apparatus for detecting paint or varnish layers on metallic surfaces. In this case, the metallic surface or the layer located thereon is illuminated and receive the reflected light. The illumination and the reception take place at the so-called Brewster angle with respect to the surface normal. Furthermore, in at least one of the illumination and reception beam paths, a polarization of the light takes place in the plane of incidence. Where no paint or varnish layer is on the metallic surface, light is received and where there is a paint or varnish layer on the metallic surface, no light is received.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit ein und derselben Anordnung eine sichere Darstellung der Oberflächen zu ermöglichen bei einem Mischbetrieb mit (meist unvorhersehbar) benetzten, teilweise benetzten und trockenen Oberflächen.task The invention is, with one and the same arrangement a safe Representation of the surfaces to enable in a mixed operation with (mostly unpredictable) wetted, partially wetted and dry surfaces.

Die Aufgabe wird gelöst mit der Vorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen bestimmt.The Task is solved with the device according to claim 1. Advantageous embodiments of Invention are in the dependent claims certainly.

Die Anordnung wird gezeigt in 1 mit der Oberfläche 1, dem aktiv verwendeten Bildfeld 2, einer Oberflächenbenetzung 3, der Beleuchtung 4, der Betrachtungseinrichtung 5, dem Polarisationsfilter 6.The arrangement is shown in FIG 1 with the surface 1 , the actively used image field 2 , a surface wetting three , the lighting 4 , the viewing device 5 , the polarization filter 6 ,

Die Winkel ALPHA und BETA sind optimal mit ca. 50 Grad, aber auch mit davon abweichenden Winkeln von ca. 35 bis ca. 65 Grad kann man noch passable Ergebnisse erreichen. Die Winkel ALPHA und BETA liegen gegenüber und sollten gleich oder etwa gleich sein, damit die Reflexionsbedingung erfüllt ist.The Angle ALPHA and BETA are optimal with about 50 degrees, but also with Deviating angles of about 35 to about 65 degrees can still passable Achieve results. The angles ALPHA and BETA are opposite and should be equal or about equal to the reflection condition Fulfills is.

Im praktischen Betrieb kann die optimale Drehstellung des Polarisationsfilters ermittelt werden, indem man ihn so dreht, dass die Flüssigkeits-Reflexionen minimal sind.in the Practical operation can be the optimal rotational position of the polarizing filter be determined by turning it so that the liquid reflections are minimal.

Das Polarisationsfilter kann sich wahlweise auf Beleuchtungsseite oder auf Betrachtungsseite (wie 1) befinden. Man kann zur Erhöhung der Trennschärfe mehrere hintereinander geschaltete Polarisationsfilter verwenden, die sich ebenso wahlweise auf Beleuchtungsseite und/oder auf Betrachtungsseite befinden können, die parallel oder näherungsweise parallel ausgerichtet sind, also nicht gekreuzt zueinander ausgerichtet sind, d.h. so ausgerichtet sind, dass das durch einen ersten Filter durchgelassene Licht im Wesentlichen auch durch ein zweites Filter durchgelassen wird.The polarizing filter can be placed either on the illumination side or on the viewing side (like 1 ) are located. It is possible to use a plurality of successively connected polarizing filter to increase the selectivity, which can also be optionally on the illumination side and / or on viewing side, which are aligned parallel or approximately parallel, so are not crossed aligned with each other, ie are aligned so that by a transmitted through the first filter is also transmitted substantially through a second filter.

In 1 sind die Grenzlinien 7 der Totalreflexion eingezeichnet: Die Metalloberfläche wird an allen Stellen des betrachteten Oberflächenabschnitts 2 von irgendeinem Teil der Beleuchtung im Glanzlicht (Reflexionsbedingung) beleuchtet. Bei Zentralprojektion muss die Beleuchtung 4 etwas größer sein als der Oberflächenabschnitt 2 (bei einem telezentrischen Strahlengang theoretisch mindestens gleich groß). Sind Kamera und Beleuchtung gleich weit entfernt, so muss die Beleuchtung je nach Neigung etwa doppelt so groß sein wie der Oberflächenabschnitt 2, um die o.g. Bedingung einzuhalten.In 1 are the borderlines 7 the total reflection is drawn: The metal surface is at all points of the considered surface section 2 from any part of the lighting in the highlight (reflection condition) lights. For central projection, the lighting must be 4 be slightly larger than the surface section 2 (theoretically at least the same size for a telecentric beam path). If the camera and lighting are at the same distance, the lighting must be about twice as large as the surface section, depending on the inclination 2 to comply with the above condition.

Die Sicherheit gegen Störlicht kann erhöht werden durch Verwenden spektral schmalbandigen Lichts, entsprechend Anspruch 8.The Safety against stray light can be increased by using spectral narrowband light, according to the claim 8th.

Mit der geschilderten Anordnung können, ohne die Beleuchtungsgeometrie zu ändern, voll benetzte, teilweise benetzte und unbenetzte metallische Oberflächen sicher dargestellt werden, ohne dass sich einerseits störende Glanzlichter auf der Flüssigkeitsoberfläche ergeben und ohne dass andererseits die Kontraste auf der Metalloberfläche nennenswert verringert werden. Dies gilt insbesondere auch, wenn die Metalloberfläche selbst glänzend reflektiert. Überraschenderweise wer den bei der geschilderten Geometrie nur die Reflexionen auf der Flüssigkeit unterdrückt, und die auf der Oberfläche nicht oder nur gering – und das unter Einsparung eines Polarisationsfilters bzw. unter Verwendung einer einfachen Lampe anstelle eines Lasers. Je nach Oberflächencharakteristik (Bearbeitung) des Metalls ergibt sich seltsamerweise sogar ein vorteilhaft gegenläufiges Verhalten der Reflexion auf Metall- und Flüssigkeitsoberfläche (Flüssigkeit dunkler, Metall heller) beim Drehen des Filters.With the described arrangement can, without to change the lighting geometry, fully wetted, partially wetted and unwetted metallic surfaces safely can be represented, without resulting on the one hand disturbing highlights on the liquid surface and without, on the other hand, the contrasts on the metal surface worth mentioning be reduced. This is especially true when the metal surface itself glittering reflected. Surprisingly Who in the described geometry only the reflections on the liquid suppressed and not on the surface or only slightly - and while saving a polarizing filter or using a simple lamp instead of a laser. Depending on the surface characteristics (Processing) of the metal strangely even results in an advantageous counter-rotating Behavior of reflection on metal and liquid surface (liquid darker, lighter metal) when turning the filter.

Die Anordnung gestattet die für glänzende Oberflächen optimale Beleuchtung mit einer flächigen, homogenen Lichtquelle (die größer ist als der betrachtete Oberflächenabschnitt), obwohl sich gerade dann auf einer flüssigkeitsbenetzten Oberfläche störende Totalreflexionen ergeben.The Arrangement allows for shiny surfaces optimal Lighting with a flat, homogeneous light source (which is larger as the considered surface section), although just then on a liquid-wetted surface disturbing total reflections result.

Da nur ein Filter vor der Kamera erforderlich ist, können bei Anwendungen, die Großflächenleuchten erforderlich machen, einfache und preiswerte Lampen eingesetzt werden.There only a filter in front of the camera is required Applications, the large area lights make necessary, simple and inexpensive lamps are used.

Claims

Device for taking pictures of a metallic surface ( 1 ), wholly or partly containing a translucent liquid ( three ), the surface being exposed to light ( 4 ) is irradiated at an angle (ALPHA) of 35 to 65 degrees to the surface normal, the light reflected from the metallic surface in the opposite direction at an angle (BETA) of 35 to 65 degrees to the surface normal with a viewing device (Fig. 5 ) and between the illumination and the viewing device a polarizing filter ( 6 ), wherein both the light reflected from the unwetted metallic surface and the light reflected from the wetted metallic surface are received and substantially only reflections on the liquid surface are suppressed.

Device according to claim 1, characterized in that that the angle (ALPHA) and the angle (BETA) are approximately 50 degrees.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the polarization filter ( 6 ) is made up of a plurality of polarizing filters that are alignable such that the light transmitted through a first filter is substantially transmitted through the remaining filters.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the recording of images for automatically reading marks on the metallic surface ( 1 ) he follows.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized by a homogeneous or close approximately homogenous light source whose active luminous area is larger than the size of the image field to be evaluated ( 2 ).

Device according to claim 5, characterized in that that all points of the surface section to be evaluated in the highlight lie.

Apparatus according to claim 6, characterized by a homogeneous light source ( 4 ) whose active luminous area is at least approximately twice the size of the image field to be evaluated (FIG. 2 ) corresponds.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized by - the Use of monochromatic light, optionally by using a corresponding light source or by using an optical filter between light source and surface, - the use an optical filter between the surface and the viewing device, that for the color of the monochromatic light is permeable.