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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung einer insbesondere
nach innen gewölbten,
reflektierenden Oberfläche
mit einer Kamera mit Objektiv und einer Lampe, wobei die Kamera auf
die Innenseite der gewölbten
Oberfläche
ausrichtbar ist und die Lampe derart anordenbar ist, dass von der
Lampe ausgestrahltes Licht von der Innenseite der gewölbten Oberfläche in die
Kamera reflektiert wird.
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Durch
eine Beleuchtung und Aufnahme von Oberflächen ist es möglich, Strukturen
auf den Oberflächen
mittels an die optischen Kameras angeschlossenen üblichen
Bildauswerteverfahren zu erkennen. Sollen schwache Strukturen auf
reflektierenden, gewölbten
Oberflächen
sichtbar gemacht werden, führen
die bisher eingesetzten Beleuchtungs- und Optikanordnungen, wie
diffus oder gerichtet strahlende Beleuchtungen als Hell- und/oder
Dunkelfeld, nicht zu einem für
ein einfache Bildauswertung ausreichenden Kontrast. Andere Untersuchungsverfahren,
wie Weißlichtinterferometrie,
oder ein konfokales Messsystem sind dagegen aufwendig, teuer und
in der Untersuchungsgeschwindigkeit zu langsam.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit zur Untersuchung
gewölbter
Oberflächen vorzuschlagen,
die mit einem konstruktiv einfachen Aufbau eine ausreichende Kontrastierung
der zu untersuchenden Oberfläche
erreicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs
1 gelöst. Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist insbesondere vorgesehen, dass die Lampe im Strahlengang des
Objektivs der Kamera angeordnet ist. Durch Anordnung der Lampe im
Strahlengang des Kameraobjektivs kann erreicht werden, dass die
Lampe mit großem
Abstrahlwinkel auf die gewölbte
Oberfläche
einstrahlt und diese gleichmäßig ausleuchtet.
Die gewölbte
Oberfläche
sorgt dafür,
dass das Licht an jeder Stelle der Wölbung in die Kamera gebündelt und in
die Kamera reflektiert wird. Oberflächenstrukturen werden durch
die gleichmäßige Ausleuchtung
aufgrund der Bündelung
des Lichtes ausreichend kontrastiert und können mit herkömmlichen
Methoden der Bildverarbeitung einfach ausgewertet werden. Aufgrund
des hohen erreichten Kontrastes kann eine vergleichsweise kurze
Belichtungszeit für
die Bilder verwendet werden, sodass auch bewegte Oberflächen untersucht
werden können,
ohne die Bewegung bspw. während
einer Produktion unterbrechen zu müssen.
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Die
Lampe kann in einer Ausführungsform der
Erfindung aus einem Leuchtmittel und einer Optik bestehen, die das
von dem Leuchtmittel erzeugte Licht in den Strahlengang des Objektivs
einkoppelt. Dazu kann die Optik Linsen zur Bündelung des Lichtes und einen
insbesondere halbdurchlässigen
Spiegel aufweisen, der im Strahlengang des Objektivs der Kamera
angeordnet ist. Das optische System wird so eingestellt, dass das
Licht auf dem Spiegel im Wesentlichen punktförmig gebündelt ist, so dass es in einem
großen
Abstrahlwinkel auf die gewölbte
Oberfläche
einstrahlt.
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Eine
solche Optik weist jedoch viele Einzelkomponenten auf, was zu vergleichsweise
großen Abmessungen
der Vorrichtung führt.
Außerdem
müssen
die Einzelkomponenten aufwendig einjustiert werden. Eine leichter
handhabbare Vorrichtung lässt sich
dadurch erreichen, dass die Lampe eine insbesondere punktförmige Lichtquelle
ist. Als punktförmige
Lichtquelle ist dabei ein in den Abmessungen im Vergleich zu dem
Objektiv der Kamera und der zu untersuchenden Oberfläche kleines
Leuchtmittel zu verstehen, bspw. eine LED-Beleuchtung. Die punktförmige bzw.
kleine Lichtquelle strahlt Licht mit einem großen Abstrahlwinkel auf die
Innenseite der gewölbten
Oberfläche
ab, das dort gebündelt
und in die Kamera reflektiert wird, ohne dass eine aufwendige Optik vorgesehen
werden muss. Die untersuchte Oberfläche des Objekts wird so homogen
ausgeleuchtet. Bereiche der Oberfläche, die das Licht nicht in
das Objektiv reflektieren, bspw. Strukturen wie Risse, Dellen oder
dgl. Unebenheiten, erscheinen dann deutlich dunkler. Dadurch wird
ein ausreichender, einfach auswertbarer Kontrast erzeugt, der es
ermöglicht,
Oberflächenstrukturen
auch mit einer einfachen, herkömmlichen
Bildauswertung zu erkennen.
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Erfindungsgemäß kann die
Lampe zentral, insbesondere auf der optischen Achse der Kamera, angeordnet
sein, um eine bezogen auf das Kamerabild möglichst gleichmäßige Ausleuchtung
der gewölbten
Oberfläche
zu erreichen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist die Lampe nicht im Fokus der Kamera angeordnet.
Die Kamera wird zur Erkennung der Oberflächenstruktur im Fokus (Bildschärfe) derart eingestellt,
dass die gewölbte
Oberfläche
in der Kamera schart abgebildet wird. Die Lampe, insbesondere die
punktförmige
Lichtquelle, wird dann außerhalb
der Bildschärfe
der Kamera angeordnet, so dass die Kamera um das Leuchtmittel herumblickt.
Das Leuchtmittel ist somit im Kamerabild nicht sichtbar und die
Objektoberfläche
wird ohne Störkonturen
abgebildet. In dieser Anordnung liegt ein besonderer Vorteil der
Erfindung, insbesondere wenn die punktförmige Lichtquelle im Vergleich
zum Durchmesser des Objektivs der Kamera klein ist.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die Lampe bzw. punktförmige Lichtquelle
im Kamerabild dann besonders unauffällig ist, wenn der Abstand
von der Lampe zu der gewölbten
Oberfläche
im Betrieb der Vorrichtung größer ist
als der Abstand von der Lampe zum Objektiv der Kamera. Insbesondere
kann die Lampe so nah wie möglich
an das Objektiv herabgebracht werden, bspw. sogar auf dem Objektiv
selbst festlegbar sein. Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der
Abstand der Lichtquelle zu der Kamera bspw. auch während des
Betriebs verstellbar ist.
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Vorzugsweise
weist die gewölbte
Oberfläche eine
einem Hohlspiegel ähnliche
Form auf. Bei einer hohlspiegelartig oder zumindest zylindrisch
ausgebildeten Form lässt
sich die Bündelung
des Lichtes besonders gut erreichen. Besonders geeignet ist die Vorrichtung
daher für
die Untersuchung metallischer Oberflächen, bspw. von Metallverpackungen
wie Dosen, deren gewölbte
Seitenwandung oder Boden untersucht werden soll.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Untersuchung einer insbesondere
nach innen gewölbten,
reflektierenden Oberfläche
mit einer Kamera mit Objektiv ausgeführt werden, bei dem die gewölbte Oberfläche mit
einer Lampe beleuchtet und das von der Lampe ausgestrahlte Licht
von der Innenseite der gewölbten
Oberfläche
in die Kamera reflektiert wird. Dabei wird die insbesondere als
punktförmige
Lichtquelle geringer Ausdehnung ausgebildete Lampe im Strahlengang
des Objektivs angeordnet. Bei dieser Anordnung wird die Reflexion
der gewölbten
Oberfläche
des Objekts ähnlich
wie bei einem Hohlspiegel zur Bündelung
der Lichtstrahlen ausgenutzt. Dadurch wird eine gleichmäßige Ausleuchtung
der gewölbten
Oberfläche
und eine hohe Kontrastierung von Oberflächenstrukturen auf der gewölbten Oberfläche erreicht,
weil die Oberflächenstrukturen
das reflektierte Licht von der Kamera wegstreuen und auf der sonst
hellen Oberfläche
dunkel erscheinen.
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Vorzugsweise
wird der Fokus der Kamera nicht auf die Lampe eingestellt, sondern
auf die gewölbte
Oberfläche,
um die Oberflächenstrukturen
genau zu erkennen. Es ist vorteilhaft, die Lampe erfindungsgemäß außerhalb
des Tiefenschärfebereichs des
Objektivs anzuordnen, um zu erreichen, dass die Kamera um die Lampe
bzw. Lichtquelle herumblickt und in dem Kamerabild keine Störkonturen
der Lampe erkennbar sind.
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Dazu
kann die Lampe bspw. bei der Inbetriebnahme solange auf das Objektiv
der Kamera zu bewegt werden, bis die Lampe im Kamerabild nicht mehr
sichtbar ist und/oder bis die Lampe auf dem Objektiv festliegt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
lässt sich besonders
gut zur Kontrastierung von Oberflächenstrukturen auf gewölbten metallischen
Oberflächen, insbesondere
von Metallverpackungen wie Dosen, verwenden.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung
einer kleinen Lichtquelle bzw. eines kleinen Leuchtmittels im Strahlgang
des Objektivs der Kamera kann eine besonders gute Ausleuchtung und
Kontrastierung durch Bündelung
des vorhandenen Lichts erreicht werden, ohne dass die Lichtquelle
bei Anordnung außerhalb
des Fokus der Kamera im Kamerabild sichtbar ist.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels
und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschrieben und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden
Erfindung, unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
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Die
einzige 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Untersuchung einer nach innen gewölbten Oberfläche 5 eines
Objektes. Das Objekt weist ein reflektierende Oberfläche auf
und kann bspw. aus Metall bestehen. Insbesondere lässt sich die
Vorrichtung 1 zur Untersuchung von Metallverpackungen wie
bspw. Dosen verwenden. Die Vorrichtung ist jedoch nicht auf diese
Verwendung beschränkt
und kann allgemein für
eine Untersuchung gewölbter,
reflektierender Oberflächen
eingesetzt werden.
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Die
Vorrichtung 1 weist eine Kamera 2 mit einem Objektiv 3 auf,
das auf die zu untersuchende, nach innen gewölbte Oberfläche 5 ausgerichtet
und fokussiert ist. Ferner ist in einem nicht dargestellten Gehäuse der
Vorrichtung 1 eine als punktförmige Lichtquelle ausgebildete
Lampe 4 derart angeordnet, dass das von der Lichtquelle 4 ausgestrahlte
Licht 7 die Innenseite der gewölbten Oberfläche 5 mit
einem großen
Abstrahlwinkel beleuchtet und aufgrund der Wölbung der Oberfläche 5 gebündelt reflektiert
wird.
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Die
Kamera 2 ist relativ zu der Lichtquelle 4 derart
angeordnet, dass das von der gewölbten Oberfläche 5 reflektierte
Licht 8 durch das Objektiv 3 in die Kamera 2 fällt. Dadurch
erscheint die Oberfläche 5 hell.
Um eine besonders gleichmäßig Ausleuchtung
der gewölbten
Oberfläche 5 zu
erreichen, ist die Lichtquelle 4 im Strahlengang des Objektivs 3 der
Kamera 4 angeordnet und liegt mit ihrem Zentrum auf der
optischen Achse 6 der Kamera 2 bzw. des Objektivs 3.
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Weil
die Lichtquelle 4 außerhalb
des Fokus bzw. Bildschärfebereichs
der Kamera 2 liegt und in ihren Abmessungen im Vergleich
zum Durchmesser des Objektivs 3 klein ist, blickt die Kamera 2 um
die Lichtquelle 4 herum, die somit in dem Kamerabild nicht
als Störkontur
in Erscheindung tritt. Daher kann die gesamte gewölbte Oberfläche 5 zuverlässig untersucht
werden, ohne dass die im Strahlengang des Objektivs 3 angeordnete
Lichtquelle 3 stört.
Bei dieser Anordnung kann in besonders kompakter Anordnung eine
sehr gleichmäßige Ausleuchtung
der gewölbten
Oberfläche 5 erreicht
werden, wenn diese zur Oberflächenuntersuchung
mit ihrem Mittelpunkt in oder in der Nähe der optischen Achse 6 der
Kamera 2 angeordnet ist, um eine insgesamt symmetrische Anordnung
zu erreichen.
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Zur
Einstellung des ausgestrahlten und reflektierten Lichts 7, 8 können die
Kamera 2 und die Lichtquelle 4 in der Vorrichtung 1 insbesondere
entlang der optischen Achse 6 sowohl relativ zueinander als
auch gemeinsam relativ zu der gewölbten Oberfläche 5 durch
geeignete Einstellmittel verstellt werden.
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Bei
Verwendung der Vorrichtung 1 zur Untersuchung der gewölbten Oberfläche 5 werden
die ausgestrahlten Lichtstrahlen 7 der Lichtquelle 4 auf
der ungestörten
Oberfläche 5 reflektiert
und als reflektierte Lichtstrahlen 8 von der Kamera 2 erfasst,
welche die gesamte Oberfläche 5 hell
erscheinen lassen.
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Bei
einer auf der Oberfläche 5 vorhandenen Oberflächenstruktur 10,
bspw. einem Riss, einer Delle, einer Erhebung oder dgl., wird der
ausgestrahlte Lichtstrahl 7 nicht in die Kamera 2 reflektiert,
sondern als gestreutes Licht 9 diffus weggestreut. Der
Bereich der Oberflächenstruktur 10 erscheint
daher im Bild der Kamera 2 dunkel. Aufgrund der guten Bündelung des
Lichts in der Oberfläche 5,
welche die strukturlose Oberfläche 5 besonders
hell erscheinen lässt,
wird durch die Erfindung ein hoher Kontrast im Bereich der Oberflächenstruktur 10 erzeugt.
Daher kann das Bild der Kamera 2 mit einer üblichen
Bildauswertung, die Teil der Vorrichtung 1 und an die Kamera 2 angeschlossen
ist, ausgewertet werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung
der Lichtquelle 4 im Strahlengang des Objektivs 3 wird die
reflektierende Oberflächenwölbung optimal
zur Bündelung
des vorhandenen Lichts und Erhöhung des
Kontrastes ausgenutzt, ohne dass die außerhalb des Fokus der Kamera 2 liegende
Lichtquelle 4 im Kamerabild störend sichtbar wäre. Daher
ermöglicht die
Erfindung ein mittels einer einfach aufgebauten Vorrichtung 1 durchführbares
Kontrastierverfahren zur Untersuchung gewölbter Oberflächen.
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- 1
- Vorrichtung
zur Untersuchung einer gewölbten Oberfläche
- 2
- Kamera
- 3
- Objektiv
- 4
- Lampe,
Lichtquelle
- 5
- gewölbte Oberfläche
- 6
- optische
Achse
- 7
- ausgestrahltes
Licht
- 8
- gestreutes
Licht
- 9
- reflektiertes
Licht
- 10
- Oberflächenstruktur