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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Überprüfung eines
Prüfobjekts mit
einer gewölbten
Oberfläche,
insbesondere von Metallverpackungen wie beispielsweise einer Getränkedose.
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Bei
der optischen Überprüfung von
Metallverpackungen ist es erforderlich, dass mittels einer Prüfvorrichtung
ein Bild mit einer ausreichenden Kontrastierung aufgenommen wird,
welches daraufhin von Bildauswerteverfahren ausgewertet wird, um festzustellen,
welche Markierung an dem Prüfobjekt vorliegt
oder ob das Prüfobjekt
fehlerbehaftet ist.
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Als
Stand der Technik ist eine Vorrichtung aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2005 006 981 U1 bekannt,
bei welcher eine Kamera mit einem Objektiv und einer Lampe vorgesehen
ist, wobei die Lampe im Strahlengang des Objektivs der Kamera angeordnet
ist. Bei einer derartigen Vorrichtung ergibt sich jedoch aufgrund
der Anordnung der Lampe vor der Kamera ein Bereich, welcher nicht
oder nur bedingt erfasst werden kann. Zwar soll die Bildschärfe der
Kamera derart vorgesehen sein, dass die Kamera um das Leuchtmittel
herum blickt, jedoch hat sich gezeigt, dass zum einen durch die
Lichtquelle zumindest ein Bereich des Prüfobjekts nicht exakt bzw. nur
mit Störkonturen
erfasst werden kann. Zum anderen befindet sich die Stromversorgung
der Lichtquelle innerhalb des Strahlengangs der Kamera, so dass
weitere Störkonturen
in den Bildern der Kamera entstehen.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur optischen Überprüfung von
Prüfobjekten
mit einer gewölbten
Oberfläche
bereitzustellen, wobei eine möglichst
gute Kontrastierung der gewölbten
Oberfläche
möglich
ist, und wobei insbesondere keine Störkonturen bzw. nicht exakt
erfassbare Bereiche des Prüfobjekts
auftreten.
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Diese
Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur optischen Überprüfung eines
Prüfobjekts
mit einer gewölbten
Oberfläche
umfasst eine Kamera und eine Lichtquelle sowie einen Halbspiegel,
wobei der Strahlengang der Kamera von dem Halbspiegel bzw. halbdurchlässigen Spiegel
derart umgelenkt wird, dass die gewölbte Oberfläche des Prüfobjekts von der Kamera erfasst
werden kann, wenn die Lichtquelle hinter dem Halbspiegel vorgesehen
ist, und wobei das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht durch
den Halbspiegel hindurch auf das Prüfobjekt ausgesendet wird, so
dass das Licht von der gewölbten
Oberfläche
auf den Halbspiegel reflektiert wird und von dem Halbspiegel zur
Kamera umgeleitet wird. Aufgrund der Anordnung der Lichtquelle in
Strahlrichtung hinter dem Halbspiegel kann das Licht bei einem entsprechend
kurzen Abstand des Halbspiegels zum Prüfobjekt nahe an der zu überprüfenden gewölbten Oberfläche angeordnet
werden, wobei die gewölbte Oberfläche gleichmäßig und
direkt ausgeleuchtet wird. Dabei wird das Licht von der gewölbten Oberfläche und
entsprechenden Markierungen auf den Halbspiegel reflektiert und
von dort zur Kamera umgelenkt, wobei insbesondere durch den kurzen
zurückgelegten
Weg zwischen der Lichtquelle und der Kamera eine hohe Kontrastierung
der aufgenommenen Bilder der gewölbten
Oberfläche
entsteht. Die hohe Kontrastierung der aufgenommenen Bilder der gewölbten Oberfläche wird
zum einen durch die direkte und nahe Ausleuchtung mittels der Lichtquelle hinter
dem Halbspiegel und auch durch die Bündelung des Lichts nach dem
Reflektieren von der gewölbten
Oberfläche
zum Halbspiegel hin begünstigt. Als
Folge davon erfasst die Kamera nur einen geringen Anteil von diffusem
Licht, wodurch Erhöhungen, Vertiefungen
oder Risse in der gewölbten
Oberfläche mittels
Bildauswerteverfahren besonders einfach erfasst und ermittelt werden
können.
Falls das Licht auf der gewölbten
Oberfläche
auf einen Riss oder eine Erhebung oder Vertiefung auftrifft, wird
dabei das ausgestrahlte Licht in verschiedene Richtungen bzw. diffus
reflektiert, so dass nur ein geringer Anteil von diesem ausgestrahlten
Licht in die Kamera reflektiert wird.
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Des
weiteren befinden sich in den von der Kamera erfassten Bildern keine
Störobjekte
bzw. Störkonturen,
da die Lichtquelle in Strahlrichtung hinter dem Halbspiegel angeordnet
ist und somit den Strahlengang der Kamera nicht stört und dadurch auch
nicht für
die Kamera sichtbar ist. Dies trifft ebenso auf die Stromversorgung
der Lichtquelle zu, so dass keinerlei Störkonturen von der Kamera erfasst werden
und jeder Bereich der gewölbten
Oberfläche exakt
abgebildet wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
So ist es vorteilhaft, wenn das ausgestrahlte Licht der Lichtquelle
in dem Bereich durch den Halbspiegel hindurchtritt, welcher sich
innerhalb des Strahlengangs der Kamera auf dem Halbspiegel befindet,
wobei die Lichtquelle in Strahlrichtung des Lichts hinter dem Halbspiegel
an diesem angrenzend angeordnet ist. Dadurch kann die Abmessung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
minimiert werden, wobei sich die Lichtquelle innerhalb des Bereichs
hinter dem Halbspiegel befindet, in welchem der Strahlengang der Kamera
von dem Halbspiegel zum Prüfobjekt
umgelenkt wird. Insbesondere befindet sich die Lichtquelle dadurch
in einem geringen Abstand zu der gewölbten Oberfläche, um
für eine
optimale Ausleuchtung zu sorgen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Lichtquelle im wesentlichen an dem Zentrum des Halbspiegels
angeordnet, wobei das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht im
wesentlichen kegelförmig
auf die gewölbte
Oberfläche
des Prüfobjekts
auftrifft, wobei die Symmetrieachse des kegelförmig ausgestrahlten Lichts
im wesentlichen mit der Symmetrieachse der gewölbten Oberfläche übereinstimmt.
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Darüber hinaus
ist es vorteilhaft, wenn das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht
derart auf die gewölbte
Oberfläche
ausgerichtet ist, wobei die gewölbte
Oberfläche
im wesentlichen die Form einer Kugelschale aufweist, dass sich die
Lichtquelle im Mittelpunkt einer Kugel befindet, wobei die Kugelschale
ein Segment bzw. einen Ausschnitt der äußeren Hülle der Kugel darstellt. Dabei
ist die Kugelschale eine Schale der Kugel, wobei der Mittelpunkt
der Kugel durch das Zentrum des Radius der Kugel im dreidimensionalen
Raum gebildet wird. Somit wird der Abstand zwischen der Lichtquelle 12 und
dem Prüfobjekt
durch die geometrische Form der gewölbten Oberfläche bestimmt.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kamera in
Form einer herkömmlichen Kamera
mit einem CCD-Chip vorgesehen ist, wobei die Kamera derart befestigt
ist, dass der Strahlengang der Kamera auf den Halbspiegel und das
Prüfobjekt
begrenzt ist. Dies hat zur Folge, dass keine zusätzliche Linsenoptik bzw. optische
Elemente, beispielsweise Blenden, zur Bilderfassung erforderlich sind,
so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne
hohe Kosten herzustellen und zu betreiben ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Fläche des Halbspiegels einen
schrägen
Winkel zur Längsachse bzw.
optischen Achse der Kamera auf, wobei das ausgestrahlte Licht der
Lichtquelle im wesentlichen in einem entsprechenden schrägen Winkel
durch den Halbspiegel derart hindurchtritt, dass das ausgestrahlte
Licht der Lichtquelle nicht direkt in die Kamera gesendet wird.
Dabei können
die beiden oben genannten Winkel zueinander entsprechend geändert werden,
wobei das ausgestrahlte Licht nicht direkt auf die Kamera trifft,
ohne von der gewölbten
Oberfläche
reflektiert zu werden. Bevorzugt weist die Fläche des Halbspiegels im wesentlichen
einen Winkel von 45° zur
Längsachse
der Kamera auf, wobei das ausgestrahlte Licht der Lichtquelle im
wesentlichen in einem Winkel von 45° durch den Halbspiegel derart hindurchtritt,
so dass sich im wesentlichen ein Winkel von 90° zwischen der Längsachse
der Kamera und der Achse des ausgestrahlten Lichts ergibt. Dadurch ist
die Justierung der Komponenten zueinander vereinfacht, wobei die äußeren Abmessungen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
minimiert sind.
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Um
ein Auftreffen des ausgestrahlten Lichts direkt in die Kamera zu
vermeiden, ist die Lichtquelle insbesondere durch eine Ummantelung
derart abgeschirmt, dass das ausgestrahlte Licht durch den Halbspiegel
lediglich auf die gewölbte
Oberfläche ausgesendet
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Lichtquelle als LED-Beleuchtung vorgesehen, welche
insbesondere eine einzelne Leuchtdiode aufweist. Die einzelne Leuchtdiode
wirkt dabei als punktförmige
Lichtquelle, welche mit einem entsprechenden Abstrahlwinkel für eine gleichmäßige Ausleuchtung
der gewölbten
Oberfläche
sorgt. Bevorzugterweise ist die Leuchtdiode durch eine zylindrische
Hülse abgeschirmt,
die an dem Halbspiegel angrenzend angeordnet ist. Dies hat zur Folge, dass
die Lichtquelle in konstruktiv einfacher Art und Weise mit einem
entsprechenden Abstrahlverhalten bereitgestellt wird, wobei die
Leuchtdiode unmittelbar an bzw. hinter dem Halbspiegel angebracht
werden kann.
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Darüber hinaus
ist es von Vorteil, wenn die Leuchtdiode durch Stromimpulse geblitzt
wird oder im Dauerbetrieb zur Überprüfung Licht
aussendet. Der Betrieb der Lichtdi- ode in geblitzter Form ist insbesondere
bei bewegten Prüfobjekten
vorteilhaft. Andererseits ist der Dauerbetrieb insbesondere bei
feststehenden Prüfobjekten
besonders kostengünstig.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist zwischen der Lichtquelle und dem
Halbspiegel eine Streufolie vorgesehen, um in Abhängigkeit
von den Eigenschaften der gewölbten
Oberfläche
bzw. dem Material der gewölbten Oberfläche eine
verbesserte Ausleuchtung zu erzielen. Die Streufolie beeinflusst
dabei aufgrund ihrer geringen Dicke die Abmessungen der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung
nahezu nicht.
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Anhand
der nachfolgenden Zeichnungen werden beispielhaft vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung dargestellt.
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur optischen Überprüfung eines
Prüfobjekts
mit einer gewölbten
Oberfläche
im Querschnitt;
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
und
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3 zeigt
einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer vergrößerten Darstellung
des Strahlengangs des Lichts von 2.
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Im
weiteren wird nun der Aufbau und die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur optischen Überprüfung einer
Getränkedose
mit einem gewölbten
Boden gemäß den 1 und 2 erläutert.
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In 1 wird
die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 im
Querschnitt gezeigt, welche ein im wesentlichen geschlossenes Gehäuse 11 aufweist.
Das Gehäuse 11 umfasst
zumindest eine Öffnung 19,
an welcher ein Prüfobjekt 20 angeordnet
sein kann. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist das
Prüfobjekt 20 eine
handelsübliche
Getränkedose
mit einem gewölbten
Boden 21, welcher von der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung optisch erfasst
bzw. überprüft werden
soll. Beispielsweise können
Risse oder Markierungen in Form von Zahlen an dem Deckelboden 21 von
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erfasst werden.
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Bei
der optischen Überprüfung durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
wird von einer Lichtquelle 12 Licht in Richtung der gewölbten Oberfläche 21 der
Getränkedose
ausgesendet, wobei die Lichtquelle in Strahlrichtung des Lichts
hinter einem Halbspiegel 13 angeordnet ist und das ausgestrahlte
Licht der Lichtquelle 12 durch den Halbspiegel 13 hindurch auf
die gewölbte
Oberfläche 21 ausgesendet
wird. An der gewölbten
Oberfläche 21 wird
das ausgestrahlte Licht zurückreflektiert
und trifft auf den Halbspiegel 13, welcher das von dem
Prüfobjekt
reflektierte Licht zu einer Kamera 14 mit einem Objektiv 15 umlenkt. Die
Kamera 14 weist einen CCD-Chip auf, wodurch die Bilder
der gewölbten
Oberfläche 21 des
Dosenbodens aufgenommen werden und zu einer Bildauswerteeinheit übermittelt
werden. Mittels der Bildauswerteeinheit kann nun durch eine digitale
Bildauswertung beispielsweise überprüft werden, welche Markierung
an der gewölbten
Oberfläche 21 vorgesehen
ist, oder ob beispielsweise ein Fehler bzw. Riss in der gewölbten Oberfläche 21 vorliegt.
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Die
Lichtquelle 12 kann als LED-Beleuchtung mit einer einzelnen
Leuchtdiode vorgesehen sein, welche von einer Hülse ummantelt ist, um das Licht
in Form eines Kegels auf die gewölbte
Oberfläche 21 durch
den Halbspiegel 13 hindurch zu projizieren. Dabei kann
die Hülse
der Leuchtdiode 12 an den Halbspiegel 13 angrenzen,
so dass die Lichtquelle 12 sehr nahe an der gewölbten Oberfläche 21 angeordnet
werden kann. Dadurch kann die Leuchtdiode 12 das Licht
kegelförmig
auf die gewölbte Oberfläche 21 projizieren,
woraufhin das Licht von der gewölbten
Oberfläche
reflektiert und aufgrund der Hohlspiegel-ähnlichen Form gebündelt auf
den Halbspiegel 13 auftrifft und von dort zur Kamera 14 zur
Auswertung umgelenkt wird.
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Im
folgenden wird nun anhand von 2 und 3 die
prinzipielle Funktionsweise einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung
erläutert.
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Die
in 2 schematisch dargestellte Lichtquelle 12 sendet
das Licht kegelförmig
durch den Halbspiegel hindurch auf die gewölbte Oberfläche 21, an der das
Licht reflektiert wird. Das reflektierte Licht trifft daraufhin
auf den halbdurchlässigen
Spiegel bzw. Halbspiegel 13, welcher das Licht zu dem Objektiv 15 der
Kamera 14 umlenkt. Die Kamera 14 kann somit mittels
des CCD-Chips ein Bild der gewölbten
Oberfläche 21 aufnehmen
und von einer Bildauswerteeinheit auswerten, wobei eine hohe Kontrastierung
durch die direkte und nahe Ausleuchtung mittels der Lichtquelle 12 hinter
dem Halbspiegel 13 vorliegt. Wenn dabei das Licht auf der
gewölbten
Oberfläche 21 auf
einen Fehler oder eine Erhebung bzw. Vertiefung auftrifft, wird
das Licht diffus reflektiert und dadurch als dunklerer Bereich von
der Kamera erfasst.
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Gemäß 2 verläuft der
Strahlengang der Kamera 14 zum Halbspiegel 13 und
wird von dort auf die gewölbte
Oberfläche 21 umgelenkt.
Das ausgestrahlte Licht der Lichtquelle 12 tritt dabei
in dem Bereich durch den Halbspiegel 13 hindurch, welcher sich
innerhalb des Strahlengangs der Kamera 14 auf dem Halbspiegel 13 befindet,
da sich die Lichtquelle 12 in Strahlrichtung des Lichts
hinter dem Halbspiegel 13 an diesem angrenzend befindet.
Wie in 2 gezeigt, ist die Lichtquelle 12 im
wesentlichen im Zentrum des Halbspiegels 13 angeordnet,
wobei die Symmetrieachse des kegelförmig ausgestrahlten Lichts
im wesentlichen mit der Symmetrieachse der gewölbten Oberfläche 21 übereinstimmt.
Insbesondere weist die Fläche
des Halbspiegels 13 im wesentlichen einen Winkel von 45° zur Längsachse
der Kamera auf und das ausgestrahlte Licht der Lichtquelle 12 tritt
im wesentlichen in einem Winkel von 45° durch den Halbspiegel hindurch,
so dass sich ein Winkel von im wesentlichen 90° zwischen der Längsachse
der Kamera 14 und der Achse des ausgestrahlten Lichts der
Lichtquelle 12 ergibt.
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Die
geometrische Form der gewölbten
Oberfläche
kann dabei zweidimensional einem Kreis bzw. Zylindersegment oder
dreidimensional einem Kugelsegment bzw. einer Kugelschale entsprechen.
Insbesondere ist gemäß 2 das
im wesentlichen kegelförmig
auf die Oberfläche 21 ausgestrahlte
Licht der Lichtquelle 12 derart vorgesehen, wobei die Symmetrieachse
des kegelförmig
ausgestrahlten Lichts im wesentlichen mit der Symmetrieachse der
gewölbten Oberfläche 21 übereinstimmt.
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Im
folgenden wir nun anhand von 3 der Verlauf
des ausgestrahlten Lichts der Lichtquelle 12 näher erläutert. Wie
in 3 gezeigt, ist die Lichtquelle 12 in
Form einer Leuchtdiode von einer Hülse 18 umgeben. Die
Hülse 18 liegt
dabei an dem Halbspiegel 13 unmittelbar dahinter an. Das
kegelförmig bzw.
diffus ausgestrahlte Licht der Leuchtdiode 12 tritt durch
den Halbspiegel 13 hindurch und trifft kegelförmig auf
die gewölbte
Oberfläche 21,
welche im wesentlichen der Schale einer Kugel entspricht, welche
in 3 durch das Bezugszeichen 30 angedeutet
ist. Das ausgesendete Licht 12 wird dabei von der gewölbten Oberfläche 21 idealerweise
derart reflektiert, dass das Licht im wesentlichen auf der gleichen Bahn
zu dem Halbspiegel 13 zurück reflektiert wird und von
dem Halbspiegel 13 zum Objektiv 15 umgelenkt wird.
Dabei fällt
der Brennpunkt der Kamera und der Brennpunkt der Beleuchtung bzw.
der Lichtquelle 12 zusammen, da die Lichtquelle idealerweise
als punktförmig
anzusehen ist. Die Leuchtdiode 12 liegt hierzu genau im
Kugelmittelpunkt des Kreisschnitts bzw. der Kugelschale, wobei dies
im wesentlichen ebenso auf den Brenn- Punkt des Kameraobjektivs 15 zutrifft.
Insbesondere ist das Objektiv hinsichtlich der Brennweite derart
gewählt,
dass die Strahlen von der Beleuchtung bzw. Lichtquelle 12 und
der Kamera 14 idealerweise genau aufeinander liegen bzw.
zusammenfallen, wobei diese Anordnung über einen Teilerspiegel realisierbar
ist. Bei einer Anordnung gemäß 3 ergibt
sich ein optimaler Kontrast zwischen einem Fehler bzw. einer Markierung
zu dem Hintergrund. Zur Erläuterung
ist noch zu erwähnen, dass
die Pfeile den Verlauf des ausgestrahlten Lichts darstellen, wobei
im oberen Segment die Pfeilrichtung von der Lichtquelle 12 zur
gewölbten
Oberfläche 21 dargestellt
ist und wobei im unteren Segment von 3 die Pfeilrichtung
in umgekehrter Richtung dargestellt ist. Idealerweise wird jedoch
jeweils das Licht auf derselben Wegstrecke von der Lichtquelle 12 zur gewölbten Oberfläche gestrahlt
und von der gewölbten
Oberfläche
zum Halbspiegel 13 hin reflektiert, so dass die Pfeilrichtung
jeweils in beide Richtungen dargestellt sein müsste, was aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht vorgenommen worden ist.
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Gemäß einer
nicht dargestellten Ausführungsform
kann zwischen der Lichtquelle 12 und dem Halbspiegel 13 eine
Streufolie vorgesehen sein, wenn dies beispielsweise durch die Materialeigenschaften
erforderlich ist. Dies kann beispielsweise für die Überprüfung von gewölbten Oberflächen aus
Aluminium vorteilhaft sein, um eine verbesserte Kontrastierung zu
erzielen.
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Gemäß der Erfindung
wird somit eine Vorrichtung zur optischen Überprüfung eines Prüfobjekts mit
einer gewölbten
Oberfläche
beschrieben, wie beispielsweise einer Metallverpackung in Form einer Getränkedose
mit einem gewölbten
Dosenboden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine Kamera und eine Lichtquelle sowie einen Halbspiegel auf, wobei
die Kamera und der Halbspiegel derart angeordnet sind, dass der
Strahlengang der Kamera von dem Halbspiegel umgelenkt wird, so dass
die gewölbte
Oberfläche
des Prüfobjekts
von der Kamera erfassbar ist, und wobei die Lichtquelle in Strahlrichtung
des Lichts hinter dem Halbspiegel derart vorgesehen ist, dass das
ausgestrahlte Licht der Lichtquelle derart durch den Hohlspiegel
hindurch auf die gewölbte
Oberfläche
ausgesendet wird, so dass das von der gewölbten Oberfläche des
Prüfobjekts
reflektierte Licht von dem Halbspiegel zur Kamera umgeleitet wird.