DE10312051A1

DE10312051A1 - Mantelflächensensor sowie Abbildungsoptik hierfür

Info

Publication number: DE10312051A1
Application number: DE10312051A
Authority: DE
Inventors: Norbert Lehn; Martin Schumacher
Original assignee: Vitronic Dr Ing Stein Bildverarbeitungssysteme GmbH
Current assignee: Vitronic Dr Ing Stein Bildverarbeitungssysteme GmbH
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-09-30
Also published as: US20060176474A1; WO2004083777A1; US7522277B2; DE502004007225D1; AU2004221688A1; DK1606579T3; CA2517633A1; JP4695589B2; JP2006520486A; EP1606579A1; EP1606579B1; ES2305750T3; ATE396379T1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abbildungsoptik für das Abbilden der umlaufenden Seitenflächen (9) eines Objektes (10) auf eine Abbildungsebene mit einem reflektierenden Element (6) und einem in Strahlrichtung hinter dem reflektierenden Element angeordneten ersten winkelreduzierenden Element (3, 17), das den Winkel zwischen einem von dem Objekt (10) ausgehenden Lichtstrahl und der optischen Achse (12) reduziert. Um eine Abbildungsoptik für die Abbildung der umlaufenden Seitenflächen von Objekten zu schaffen, die sowohl einfach und kostengünstig zu fertigen ist als auch einen großen Akzeptanzwinkel für die einfallende Strahlung aufweist und die tolerant gegenüber einer ungenauen Positionierung des Objekts ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in Strahlrichtung vor dem reflektierenden Element (6) ein zweites winkelreduzierendes Element (13) angeordnet ist, das den Winkel zwischen einem von dem Objekt (10) ausgehenden Lichtstrahl (11) und der optischen Achse (12) reduziert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abbildungsoptik zum Abbilden der umlaufenden Seitenflächen eines Objektes auf eine Abbildungsebene mit einem reflektierenden Element und einem in Strahlrichtung hinter dem reflektierenden Element angeordneten ersten winkelreduzierenden Element, das den Winkel zwischen einem von dem Objekt ausgehenden Lichtstrahl und der optischen Achse reduziert.
In verschiedenen Produktionsprozessen ist eine Inspektion der umlaufenden Seitenflächen rotationssymmetrischer Objekte notwendig. Beispielsweise müssen die Flaschenhälse von Getränkeflaschen nach dem Abfüllen auf Verunreinigungen hin untersucht werden. Dabei gilt es, das Objekt von allen Seiten zu erfassen, so daß eine einzelne seitlich angeordnete Kamera nicht ausreichend ist.
Sollen Markierungen, beispielsweise Datumsaufdrucke, auf den Seitenflächen von Objekten mit Rotationssymmetrie erfaßt werden, so kann während eines Produktionsprozesses nur mit gro ßem Aufwand sichergestellt werden, daß das Objekt, z. B. auf einem Transportband, so ausgerichtet ist, daß der Aufdruck in Richtung der einen Kamera zeigt.
Versucht man hingegen den gesamten Umfang des Objekts beispielsweise durch Anordnen von vier Kameras, die jeweils einen Umfangswinkel von 90° erfassen, so ist die Auswertung der Bilder vor allem dann erschwert, wenn z. B. der aufgedruckte Schriftzug derart positioniert ist, daß er in Teilen von unterschiedlichen Kameras erfaßt wird. Die Auswertung der von den vier Kameras gewonnenen Informationen ist vor allem in den Überlappungsbereichen sehr aufwendig, da es gerade in diesen Bereichen zu einer erheblichen Verzerrung der Einzelbilder kommt.
Daher finden sich im Stand der Technik Inspektionssysteme, die es erlauben, sowohl die inneren als auch die äußeren umlaufenden Seitenflächen eines Objektes mit einer über dem Objekt angeordneten Kamera mit Hilfe einer symmetrischen Linsen- oder Spiegeloptik zu erfassen.
In der Druckschrift DE 31 09 270 wird beispielsweise ein Inspektionssystem zur Kontrolle von Flaschenhälsen auf Verunreinigungen und Beschädigungen mit einer einzigen Fernsehkamera dargestellt. Dabei besteht die die Außenwand der Flasche abbildende Optik alternativ aus einer Sammellinse mit großem Durchmesser oder einem innenverspiegelten Rohr, das zumindest teilweise über den Flaschenhals geschoben werden kann.
Die DE 42 09 417 zeigt eine optische Prüfvorrichtung für Innengewinde, bei der das Innengewinde mit Hilfe eines Kegelspiegels auf die senkrecht zur Symmetrieachse des Gewindes angeordnete Sensorfläche einer Kamera abgebildet wird.
In der DE 30 35 082 wird ein Inspektionssystem beschrieben, das auch solche Oberflächenbereiche erfassen können soll, die im Schatten der Blickrichtung einer Fernsehkamera liegen. Dazu werden die an der Oberfläche des Objekts reflektierten Lichtstrahlen zunächst symmetrisch zur Rotationsachse des Objekts zweifach mit unterschiedlichem Winkel gespiegelt und bei der zweiten Spiegelung in eine senkrecht zur Rotationsachse liegende Ebene projiziert. Die Spiegelung erfolgt mit Hilfe eines in sich und zur Rotationsachse des Objekts rotationssymmetrischen Spiegelsystems, das aus einem kegelförmigen Spiegel und einem kegelstumpfförmigen Hohlspiegel besteht. Dabei sind die beiden Spiegel konzentrisch um die Rotationsachse des Objekts angeordnet. Die spiegelnde Fläche des kegelförmigen Spiegels ist der Fernsehkamera zugekehrt und gegenüber der Rotationsachse des Objekts stärker geneigt als die spiegelnde Fläche des kegelstumpfförmigen Hohlspiegels, die dem rotationssymmetrischen Objekt zugekehrt ist.
In der auf der DE 30 35 082 aufbauenden DE 197 26 967 wird ein Inspektionssystem beschrieben, dessen Umlenkoptik dahingehend verändert ist, daß sich die außenliegende Reflexionsfläche im wesentlichen rohrförmig um die optische Achse erstreckt und die innenliegende Reflexionsfläche konzentrisch unter Belassung eines Lichtdurchgangs umgibt, wobei die innenliegende Reflexionsfläche einen der außenliegenden Reflexionsfläche entsprechenden Querschnitt senkrecht zur optischen Achse aufweist und in einem zum Objekt hin offenen spitzen Winkel zur optischen Achse verläuft, so daß parallel zur optischen Achse verlaufende Lichtstrahlen von der innenliegenden Reflexionsfläche auf die außenliegende Reflexionsfläche umgelenkt und dort mit einem spitzen Betrachtungswinkel auf die umlaufende Seitenfläche reflektiert werden.
Dem zuvor genannten Stand der Technik ist die Schwierigkeit gemeinsam, daß die beiden konzentrischen Spiegelelemente aufwendig relativ zueinander fixiert werden müssen. Darüber hinaus ist der Akzeptanzwinkel der Spiegeloptik für die vom Objekt ausgehenden Lichtstrahlen durch den Abstand zwischen äußerem und innerem Spiegel begrenzt. Die Begrenzung des Akzeptanzwinkels führt dazu, daß bei der in der DE 197 26 967 beschriebenen Anordnung die vom Objekt ausgehenden Strahlen unter einem flachen Winkel auf die außenliegende Reflexionsfläche treffen. Geringe Abweichungen der Position des Objekts von der symmetrischen Position, in der die Symmetrieachse des Objekts und der Umlenkoptik zusammenfallen, führen daher bereits dazu, daß die Seitenflächen nicht mehr auf die Kamera abgebildet werden.
In der DE 197 26 967 wird darüber hinaus eine Ausführungsform der Vorrichtung beschrieben, bei der die Lichtstrahlumlenkeinrichtung aus einem zylindrischen oder polygonförmigen Prismakörper gebildet wird. Die außenliegende Reflexionsfläche wird von der totalreflektierenden äußere Grenzfläche des Prismakörpers gebildet und die innenliegende Reflexionsfläche von der totalreflektierenden Grenzfläche einer zu dem Objekt hin offenen kegel- oder kegelstumpfförmigen bzw. polygonalen pyramiden- oder pyramidenstumpfförmigen Ausnehmung des Prismakörpers. Die Ausnehmung ist so ausgeführt, daß die vom Objekt ausgehenden Strahlen unter einem rechten Winkel auf die Seitenflächen der Ausnehmung fallen. Bei dieser Ausführungsform des Standes der Technik wird der Akzeptanzwinkel der Umlenkoptik für die einfallenden Lichtstrahlen durch den kritischen Einfallswinkel der Totalreflexion beschränkt. Dieser darf weder bei der Totalreflexion an der äußeren Grenzfläche des Prismakörpers noch bei der Totalreflexion an der Ausnehmung unterschritten werden. Nur sehr flach auf die Grenzflächen des Prismakörpers fallende Lichtstrahlen werden totalreflektiert. Bei diesem Strahlengang führt jedoch eine geringe Verschiebung des Objekts in Bezug auf die optische Achse der Abbildungsoptik bereits dazu, daß nicht mehr das gesamte Bild der Seitenflächen des Objekts auf die Kamera abgebildet wird.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abbildungsoptik für die Abbildung der umlaufenden Seitenflächen von Objekten zu schaffen, die sowohl einfach und kostengünstig zu fertigen ist als auch einen großen Akzeptanzwinkel für die einfallende Strahlung aufweist und die tolerant gegenüber einer ungenauen Positionierung des Objekts ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Abbildungsoptik für das Abbilden der umlaufenden Seitenflächen eines Objektes auf eine Abbildungsebene ein reflektierendes Element und ein in Strahlrichtung hinter dem reflektierenden Element angeordnetes erstes winkelreduzierendes Element, das den Winkel zwischen einem von dem Objekt ausgehenden Lichtstrahl und der optischen Achse reduziert, aufweist und daß in Strahlrichtung vor dem reflektierenden Element ein zweites winkelreduzierendes Element angeordnet ist, das den Winkel zwischen einem von dem Objekt ausgehenden Lichtstrahl und der optischen Achse reduziert. Diese Ausgestaltung der Abbildungsoptik ist zweckmäßig, da die in die Abbildungsoptik einfallenden Lichtstrahlen zunächst an dem zweiten winkelreduzierenden Element abgelenkt werden und so ihr Winkel zur optischen Achse reduziert wird. Daher können auch Strahlen, die unter einem flachen Winkel in die Optik eintreten, abgebildet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Reflexionsfläche des reflektierenden Elements in einer senkrecht zu der optischen Achse verlaufenden Ebene einen rotationssymmetrischen, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt auf. Dies ist vorteilhaft, da eine solche Symmetrie der Symmetrie umlaufender Seitenflächen angepaßt ist. Dies gilt sowohl für Körper mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt als auch für Körper mit nicht orientierten polygonalen Grundflächen. Zweckmäßig ist es dabei, wenn zumindest eines der winkelreduzierenden Elemente in einer senkrecht zu der optischen Achse verlaufenden Ebene ebenfalls einen rotationssymmetrischen, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt hat. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die beiden winkelreduzierenden Elemente in einer zu der optischen Achse senkrechten Ebene einen rotationssymmetrischen Querschnitt haben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das zweite winkelreduzierende Element durch eine Grenzfläche eines transparenten Körpers gebildet, so daß die Winkelreduzierung durch die Brechung des Lichtstrahles beim Eintritt des Lichtstrahles in den transparenten Körper erfolgt. Dies erlaubt eine einfache Ausgestaltung des zweiten winkelreduzierenden Elements, da bereits eine plane Fläche eine Brechung in Richtung auf die optische Achse hin bewirkt.
Es ist vorteilhaft, wenn die brechende Grenzfläche des transparenten Körpers mit der optischen Achse einen Winkel zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 80° und 100°, besonders bevorzugt zwischen 85° und 95° und am besten einen Winkel von etwa 90° einschließt. Diese Wahl des Winkels zwischen der Grenzfläche des transparenten Körpers und der optischen Achse in dem genannten Bereich ermöglicht einen optimalen Akzeptanzwinkel der Abbildungsoptik.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Reflexionsfläche des reflektierenden Elements durch die Grenzfläche eines transparenten Körpers gebildet. Solche transparenten Körper können preiswert mit hoher Oberflächengüte gefertigt werden. Die Reflexion an der Grenzfläche kann aufgrund von interner Totalreflexion erfolgen, so daß keine Verspiegelung der Grenzfläche erfolgen muß. Wird die Grenzfläche hingegen zusätzlich verspiegelt, so vergrößert sich der Akzeptanzwinkel der Abbildungsoptik, da keine Grenzwinkel für die Totalreflexion beachtet werden müssen.
Es ist zweckmäßig, wenn die Grenzflächen, die das reflektierende und das zweite winkelreduzierende Element bilden, Grenzflächen des selben transparenten Körpers sind. Es muß dann nur ein Element gefertigt werden, welches beide Aufgaben erfüllt. Besonders bevorzugt wird dabei eine Ausführungsform bei der der transparente Körper ein transparenter Zylinder ist. Ein solches Element läßt sich einfach auch in großen Stückzahlen herstellen und ist aufgrund seiner hohen Symmetrie hervorragend zur Abbildung rotationssymmetrischer Objekte geeignet und kann darüber hinaus auch mit Vorteil zur Abbildung von Objekten an beliebig anderer Symmetrie verwendet werden.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der transparente Körper aus Glas besteht. Durch die Wahl eines Glases mit entsprechendem Brechungsindex läßt sich die Winkelreduzierung anpassen. Zweckmäßig kann es auch sein, den transparenten Körper aus einem transparenten Kunststoff zu fertigen, so daß die Abbildungsoptik in ihrem Gewicht reduziert wird.
Zweckmäßig ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das erste winkelreduzierende Element eine reflektierende oder brechende Fläche hat, die derart ausgerichtet ist, daß die Winkelreduzierung durch Reflexion oder Brechung des Lichtstrahls erfolgt.
Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die reflektierende oder brechende Fläche des ersten winkelreduzierenden Elements die Mantelfläche eines Kegels oder Kegelstumpfes ist. Eine solche Form ist aufgrund ihrer Symmetrie den rotationssymmetrischen Objekten angepaßt und ermöglicht eine gleichmäßige Ablenkung aller auftreffender Strahlen.
Es ist zweckmäßig, wenn das erste winkelreduzierende Element aus Metall, vorzugsweise Aluminium, besteht und seine reflektierenden Flächen vorzugsweise poliert sind. Ein solches Element läßt sich einfach fertigen und weist bereits eine ausreichende Oberflächengüte für eine aberrationsfreie Abbildung auf. Um besonders hohe Oberflächengüten zu erzielen kann es zweckmäßig sein, das erste winkelreduzierende Element aus Kunststoff oder Glas mit verspiegelten reflektierenden Flächen zu fertigen. Wird das Element aus Kunststoff gefertigt, so ergibt sich zusätzlich eine vorteilhafte Gewichtsreduzierung.
Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Fläche des ersten winkelreduzierenden Elements die Mantelfläche eines Kegelstumpfes ist und die Deckelfläche des Kegelstumpfes eine zentrale Bohrung aufweist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es neben der Abbildung der Seitenflächen des Objekts mit Hilfe der Abbildungsoptik auch die Deckelfläche des Objekts mit einem direkten Strahlengang durch das Loch in dem Kegelstumpf auf die Kamera abzubilden. Bei dieser Ausführungsform ist es zweckmäßig, wenn der Glaskörper ebenfalls eine zentrale Bohrung in Verlängerung der zentralen Bohrung des Spiegelkörpers besitzt. Damit ist ein direkter Strahlengang von der Deckelfläche des Objektes zur Kamera möglich ohne Verluste an den reflektierenden Flächen des Glaskörpers.
Es kann zweckmäßig sein, wenn das erste winkelreduzierende Element durch die Grenzfläche eines transparenten Körpers gebildet wird, so daß die Winkelreduzierung durch die Brechung des Lichtstrahles beim Austritt des Lichtstrahles aus dem transparenten Körper erfolgt. Eine solche Ausgestaltung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Grenzflächen der transparenten Körper, die das reflektierende und das erste und das zweite winkelreduzierende Element bilden, Grenzflächen des selben transparenten Körper sind. Die Abbildungsoptik besteht dann nur aus einem Element, das einfach zu montieren ist und nach der Fertigung nicht weiter justiert werden muß.
Bevorzugt wird eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Verhältnis der Durchmessers des ersten winkelreduzierenden Elements zu dem Durchmesser des zweiten winkelreduzierenden Elements kleiner ist als 1 und vorzugsweise zwischen 1/2 und 1/4 beträgt. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine optimale Abbildung vor allem der Seitenflächen von Deckelkappen mit einem typischen maximalen Durchmesser von ca. 30 mm.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Höhe des transparenten Körpers zwischen 10 mm und 100 mm, vorzugsweise zwischen 20 mm und 90 mm, besonders bevorzugt zwischen 30 mm und 80 mm und am Besten etwa 45 mm beträgt.
Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das erste winkelreduzierende Element eine Höhe zwischen 5 mm und 35 mm, vorzugsweise zwischen 10 mm und 30 mm, besonders bevorzugt zwischen 15 mm und 25 mm und am Besten eine Höhe von etwa 20 mm hat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abbildungsoptik in einen Mantelflächensensor integriert, der die umlaufenden Seitenflächen eines Objekts mit einem Bildsensor, vorzugsweise einer Kamera erfaßt. Eine solche Anordnung kann in laufende Produktionsprozesse integriert werden um die Seitenflächen von rotationssymmetrischen Objekten zu erfassen und auszuwerten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Mantelflächensensor eine Lichtschranke, die die Objekte unter der Abbildungsoptik erfaßt, auf. Dies ermöglicht es, den Zeitpunkt der Aufnahme so zu steuern, daß sich die, sich beispielsweise auf einem Förderband befindenden, Objekte zum Zeitpunkt der Aufnahme unter der Ablenkoptik befinden, so daß die Symmetrieachsen der Abbildungsoptik und des Objekts aufeinanderfallen.
Es kann weiterhin zweckmäßig sein, das der Mantelflächensensor mit einer vorzugsweise ringförmigen, blitzartigen Beleuchtung, die vorzugsweise dafür vorgesehen ist, Lichtblitze zu erzeugen, ausgestattet ist. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Helligkeit des von der Kamera aufgenommenen Bildes. Alternativ zu einer Beleuchtung mit Lichtblitzen kann es vorteilhaft sein, wenn die Kamera mit einer kurzen Belichtungszeit betrieben werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der vorliegenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine seitliche Schnittansicht einer ersten Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform und
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform.
In 1 ist eine Ausführungsform der Abbildungsoptik gezeigt, die einen kegelförmigen Spiegelkörper 3 und einen transparenten zylindrischen Glaskörper 4 aufweist. Die Komponenten sind so angeordnet, daß ihre optischen Achsen 12 mit der Symmetrieachse des ebenfalls zylindrischen Objektes 10 zusammenfallen. Der zylindrische Glaskörper 4 und der kegelförmige Spiegelkörper 3 sind oberhalb des Objektes 10 angeordnet. Die von den Seitenflächen 9 des Objekts 10 ausgehenden Lichtstrahlen 11 treten unter einem großen zum Einfallslot hin gemessenen Einfallswinkel in den Glaskörper 4 ein. An der unteren Deckelfläche 13 des Glaskörpers werden die Strahlen 11 gebrochen. Sie treffen daraufhin sehr flach auf die Mantelfläche 6 des Glaskörpers 4. Da sie den kritischen Winkel in Bezug auf das Lot der Mantelfläche überschreiten, werden sie an der Grenzfläche zwischen optisch dichterem und optisch dünnerem Medium totalreflektiert. Dabei erfahren die Strahlen 11 eine Ablenkung auf die Symmetrieachse 12 der Anordnung hin. Die Strahlen 11 treten an der oberen Deckelfläche 14 des Glaskörpers 4 aus dem Glaskörper 4 aus. Dabei erfahren sie eine weitere Brechung in Richtung auf die Symmetrieachse 12. Der kegelförmige Spiegelkörper 3 sitzt direkt auf der oberen Deckelfläche 14 des Glaskörpers 4 und ist vorzugsweise durch Verkleben mit dem Glaskörper 4 verbunden. An der kegelförmigen Mantelfläche 7 des Spiegelkörpers 3 werden die Lichtstrahlen 11 nun so reflektiert, daß sie unter spitzem Winkel auf eine Kamera 1, treffen. Für Objekte mit einem Durchmesser von etwa 33 mm beträgt der Durchmesser des Glaskörpers 4 vorzugsweise 100 mm und der Durchmesser der Grundfläche 5 des kegelförmigen Spiegelkörpers 3 vorzugsweise 30 mm. Um in diesem Fall die etwa 7 mm hohe Mantelfläche 9 des Objekts 10 unter vollständiger Ausnutzung der Auflösung vollständig abbilden zu können, weist der Glaskörper 4 vorzugsweise eine Höhe von 45 mm und der kegelförmige Spiegelkörper 3 vorzugsweise eine Höhe von 20 mm auf. Der Akzeptanzwinkel der Abbildungsoptik für die von den Seitenflächen 9 des Objekts 10 ausgehenden Strahlen beträgt bei dieser Anordnung etwa 63,2°.
In 2 ist eine seitliche Schnittansicht durch einen Mantelflächensensor gezeigt, der mit der in 1 schematisch dargestellten Abbildungsoptik ausgestattet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist ringförmig um den Glaskörper 4 eine Beleuchtung 2 aus periodisch angeordneten Leuchtdioden angebracht. Die Dioden sind so ausgerichtet, daß sie in erster Linie die Mantelfläche 9 des Objekts 10 beleuchten. Bewegen sich die Objekte unter der Abbildungsoptik schnell, so ist es zweckmäßig, die Dioden so zu betreiben, daß sie Lichtblitze erzeugen. In 2 ist deutlich eine Aussparung 18 in dem Gehäuse 19 zu erkennen, die den Glaskörper 4 ringförmig umgibt. Die Aussparung 18 verhindert, daß die Bereiche der Mantelfläche 6 des Glaskörpers 4 mit dem Gehäuse 19 in Berührung kommen. Auf diese Weise bleibt der für die interne Totalreflexion notwendige Brechungsindexübergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium gewährleistet. Darüber hinaus ermöglicht die Aussparung 18 eine Reduzierung des Gewichts des Mantelflächensensors. Oberhalb des kegelförmigen Spiegelkörpers 3 ist in 2 deutlich die Kamera 1 mit dem aufgesetzten Objektiv 20 zu erkennen. Die Kamera 1 ist an einer Halterung 8 in der Höhe verstellbar befestigt. Mit Hilfe der Höhenverstellung der Kamera läßt sich die Apparatur an unterschiedliche Durchmesser des Objekts 10 unter Beibehaltung der Größe der Abbildung anpassen. Je kleiner der Durchmesser des Objekts 10 ist, desto größer muß der Abstand zwischen der Kamera 1 und dem kegelförmigen Spiegelkörper 3 gewählt werden.
In der gezeigten Ausführungsform besteht der transparente Körper 4 aus Glas. Er kann jedoch auch aus einem transparenten Kunststoff, vorzugsweise TPX oder PE, gefertigt werden, um die Masse des Mantelflächensensors zu reduzieren. Der Spiegelkörper 3 wird vorzugsweise aus Aluminium gedreht und die Mantelfläche 7 des Kegels nachträglich poliert.
Die gesamte in 2 gezeigte Vorrichtung wird so gehaltert, daß sie in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 12 des Objektes 10 vorzugsweise mit Hilfe eines Motors bewegt werden kann, um die Umlenkachse zentrisch über dem Objekt 10 justieren zu können. In diesem Fall ist eine Ausführungsform der verwendeten Optiken mit geringem Gewicht zweckmäßig.
In 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der der kegelförmige Spiegelkörper 3 durch einen kegelstumpfförmigen Spiegelkörper 15 ersetzt wurde. Der Kegelstumpf ist mittig mit einer zentrischen Bohrung 16 versehen. Durch die Bohrung 16 wird ein Strahlengang nahe an der optischen Achse 12 eröffnet, der es ermöglicht, zusätzlich zu dem umgelenkten Strahlengang, der von der Seitenflächen 9 des Objektes 10 ausgeht, auch einen von der Deckelfläche 14 des Objekts 10 ausgehenden Strahlengang direkt auf die Kamera 1 abzubilden. Zusätzlich kann (in 3 nicht dargestellt) der Glaskörper 4 ebenfalls mit einer zu der Bohrung 16 in dem kegelstumpfförmigen Spiegelkörper 15 konzentrischen Bohrung versehen werden. Dies reduziert die Reflexionsverluste, die ansonsten an den Deckelflächen des Glaszylinders 4 auftreten.
In 4 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Abbildungsoptik nur aus einem zylindrischen Glaskörper 4 besteht, der, ausgehend von der oberen Deckelfläche 14, eine zentrische Aussparung 17 in Form eines Kegelstumpfes aufweist. Strahlen, die von den Seitenflächen 9 des Objektes 10 ausgehen, werden beim Eintritt in den Glaskörper 4 durch die untere Deckelfläche 13 so gebrochen, daß sie beim Auftreffen auf die Mantelfläche 6 des Glaskörpers 4 totalreflektiert werden und in Richtung der Symmetrieachse 12 abgelenkt werden. Die Strahlen treten durch die Mantelfläche 21 der kegelstumpfförmigen Ausnehmung 17 in der Dekkelfläche 14 des Glaskörpers 4 aus dem Glaskörper 4 aus. Dabei werden die Strahlen 11 so gebrochen, daß sie unter einem spitzen Winkel auf die Kamera 1 treffen. Gleichzeitig ist ein Strahlengang ausgehend von der Deckelfläche 14 des Objekts 10 durch die Deckelfläche 22 der kegelstumpfförmigen Ausnehmung 17 möglich, der die Deckelfläche 14 des Objekts 10 direkt auf die Kamera 1 abbildet.

1: Kamera
2: ringförmige Beleuchtung
3: kegelförmiger Spiegelkörper
4: zylindrischer Glaskörper
5: Grundfläche des Spiegelkörpers
6: Mantelfläche des Glaskörpers
7: Mantelfläche des Spiegelkörpers
8: Halterung
9: umlaufende Seitenflächen
10: Objekt
11: Lichtstrahlen
12: optische Achse
13: untere Deckelfläche des Glaskörpers
14: obere Deckelfläche des Glaskörpers
15: kegelstumpfförmiger Spiegelkörper
16: zentrale Bohrung
17: zentrische Ausnehmung
18: Aussparung
19: Gehäuse
20: Objektiv
21: Mantelfläche der Ausnehmung
22: Deckelfläche der Ausnehmung

Claims

Abbildungsoptik für das Abbilden der umlaufenden Seitenflächen (9) eines Objektes (10) auf eine Abbildungsebene mit einem reflektierenden Element (6) und einem in Strahlrichtung hinter dem reflektierenden Element angeordneten ersten winkelreduzierenden Element (3, 17), das den Winkel zwischen einem von dem Objekt (10) ausgehenden Lichtstrahl und der optischen Achse (12) reduziert, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung vor dem reflektierenden Element (6) ein zweites winkelreduzierendes Element (13) angeordnet ist, das den Winkel zwischen einem von dem Objekt (10) ausgehenden Lichtstrahl (11) und der optischen Achse (12) reduziert.
Abbildungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche (6) des reflektierenden Elements (4) in einer senkrecht zu der optischen Achse (12) verlaufenden Ebene einen rotationssymmetrischen, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt hat.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein winkelreduzierendes Element (3, 13) bzw. (17, 13) in einer senkrecht zu der optischen Achse (12) verlaufenden Ebene einen rotationssymmetrischen, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt hat.
Abbildungsoptik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden winkelreduzierenden Elemente (3, 13) bzw. (17, 13) in einer senkrecht zu der optischen Achse (12) verlaufenden Ebene einen rotationssymmetrischen, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt haben.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite winkelreduzierende Element durch eine Grenzfläche (13) eines transparenten Körpers gebildet wird, so daß die Winkelreduzierung durch die Brechung des Lichtstrahles beim Eintritt des Lichtstrahles in den transparenten Körper erfolgt.
Abbildungsoptik nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die brechende Grenzfläche (13) mit der optischen Achse (12) einen Winkel zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 80° und 100°, besonders bevorzugt zwischen 85° und 95° und am besten einen Winkel von etwa 90° einschließt.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche des reflektierenden Elements durch eine Grenzfläche (6) eines transparenten Körpers gebildet wird.
Abbildungsoptik nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexion aufgrund der Totalreflexion des Lichtstrahles an der Grenzfläche erfolgt.
Abbildungsoptik nach Anspruch 7 oder 8 soweit von Anspruch 5 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen (6, 13) der transparenten Körper, die das reflektierende Element und das zweite winkelreduzierende Element bilden, Grenzflächen des selben transparenten Körpers (4) sind.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper (4) ein transparenter Zylinder ist.
Abbildungsoptik nach Anspruch 7, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (6) des transparenten Körpers (4) verspiegelt ist.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper (4) aus Glas besteht.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper (4) aus einem transparenten Kunststoff, vorzugsweise aus TPX oder PE, besteht.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste winkelreduzierende Element (3) eine reflektierende oder brechende Fläche hat, die derart ausgerichtet ist, daß die Winkelreduzierung durch die Reflexion oder Brechung des Lichtstrahles erfolgt.
Abbildungsoptik nach einem der Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende oder brechende Fläche (7, 21) des ersten winkelreduzierenden Elements (3, 17) die Mantelfläche eines Kegels oder Kegelstumpfes ist.
Abbildungsoptik nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erste winkelreduzierende Element (3) aus Metall, vorzugsweise Aluminium, besteht und seine reflektierenden Flächen (7) vorzugsweise poliert sind.
Abbildungsoptik nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erste winkelreduzierende Element (3) aus Glas oder Kunststoff besteht und seine reflektierenden Flächen (7) verspiegelt sind.
Abbildungsoptik nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erste winkelreduzierende Element die Form eines Kegelstumpfes (15) hat, dessen Mantelfläche die reflektierende Fläche (7) bildet, wobei der Kegelstumpf eine durchgehende zentrale Bohrung (16) von der Deckel- bis zur Grundfläche aufweist.
Abbildungsoptik nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper (4) eine im wesentlichen zentrale Bohrung aufweist, die im wesentlichen konzentrisch zu der zentralen Bohrung (16) des ersten winkelreduzierenden Elements (3) angeordnet ist.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erste winkelreduzierende Element (17) durch die Grenzfläche (21) eines transparenten Körpers (4) gebildet wird, so daß die Winkelreduzierung durch die Brechung des Lichtstrahles beim Austritt des Lichtstrahles aus dem transparenten Körper (4) erfolgt.
Abbildungsoptik nach Anspruch 20 soweit von Anspruch 9 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen (6, 13, 21) der transparenten Körper, die das reflektierende Element und das erste und das zweite winkelreduzierende Element bilden, Grenzflächen desselben transparenten Körpers (4) sind.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 4 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers der Grundfläche (5) des vorzugsweise als Kegel oder Kegelstumpf ausgebildeten ersten winkelreduzierenden Elements (3, 15, 17) zu dem Durchmesser des vorzugsweise als Zylinder ausgebildeten reflektierenden Elements (4) kleiner ist als 1 und vorzugsweise zwischen 1/2 und 1/3 beträgt.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 2 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des zu vermessenden Objektes zu dem Durchmesser des reflektierenden Elements (4) kleiner ist als 1, vorzugsweise zwischen 1/5 und 1/2 und am besonders bevorzugt 1/3 beträgt.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 5 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper (4) eine Höhe zwischen 10 mm und 100 mm, vorzugsweise zwischen 20 mm und 90 mm, besonders bevorzugt zwischen 30 mm und 80 mm und am Besten eine Höhe von etwa 45 mm hat.
Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 5 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das erste winkelreduzierende Element (3, 17) eine Höhe zwischen 5 mm und 35 mm, vorzugsweise zwischen 10 mm und 30 mm, besonders bevorzugt zwischen 15 mm und 25 mm und am Besten eine Höhe von etwa 20 mm hat.
Mantelflächensensor zur Erfassung der umlaufenden Seitenflächen (9) eines Objekts (10) mit einem Bildsensor, vorzugsweise einer Kamera (1), und einer Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 1 bis 23.
Mantelflächensensor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Lichtschranke aufweist, die die Objekte unter der Abbildungsoptik erfaßt.
Mantelflächensensor nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß er eine vorzugsweise ringförmige Beleuchtung aufweist, die vorzugsweise dafür vorgesehen ist, Lichtblitze zu erzeugen.
Mantelflächensensor nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera mit einer kurzen Belichtungszeit betrieben werden kann.