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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung
zur Ausleuchtung einer zumindest teilweise lichtrelektierenden Oberfläche eines
Gegenstandes für
eine optische und topographische Überprüfung der Oberfläche mittels
einer Kamera gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Herkömmlicherweise werden bei der
Herstellung von Dichtungen für
Fahrzeugmotorblöcke, gelöteten Schaltungen
und dergleichen Auftragungen beziehungsweise Beschichtungen – wie beispielsweise
Klebstoffe – aus
dielektrischem Material auf metallische Grundflächen aufgebracht. Derartige die
Oberfläche
eines Gegenstandes bildende Anordnungen müssen in ihrer Geometrie optisch überprüft werden.
Die hierfür
herkömmlichennreise
verwendeten Beleuchtungsvorrichtungen lassen keine einfache Unterscheidung
zwischen den Auftragungen aus dielektrischem Material und der metallischen
Grundfläche,
die als rauhes Metallsubstrat ausgebildet sein kann, zu. Dies trifft
insbesondere bei der Verwendung von Vorrichtungen zum elektronischen
und maschinellen Erkennen im Bereich der automatisierten Überprüfung dielektrischer
Materialien auf Metallsubstraten zu.
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Vorrichtungen zum elektronischen
und maschinellen Erkennen werden allgemein in Verbindung mit der
automatischen Bearbeitung, Montage und bei Prüfvorrichtungen verwendet. Es
werden allgemein Kameras verwendet, um den zu bearbeitenden, zu montierenden
oder zu prüfenden
Gegenstand zu beobachten. Das von der Kamera empfangene und übertragene
Signal kann dann überprüft werden,
um festzustellen, ob der beobachtete Gegenstand ord nungsgemäß mit dem
Auftrag versehen, bearbeitet, ausgerichtet und/oder montiert wurde.
Vorrichtungen zum maschinellen Erkennen werden auch in großem Umfang
bei der Prüfung
und bei der Fehlerkennungsanwendung verwendet, wobei Unregelmäßigkeiten und
Mängel
durch Selektierung der einzelnen Gegenstände als Ausschuss vermieden
werden.
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Derartige Vorrichtungen zum maschinellen Erkennen
und Überprüfen der
Geometrie sind dazu in der Lage, durch einen Vergleich der durch
die kameraerzeugten Bilder mit abgespeicherten Referenzdaten, in
welchen die vorgesehenen Abmessungen, Ausrichtungen, ortsabhängige Anordnung
und der gleichen Parameter für
die Auftragungen aus dielektrischem Material im Bezug auf eine rauhe
metallische Grundfläche
beinhaltet sind, Unregelmäßigkeiten
in der Geometrie des Auftrags zu erkennen. Um möglichst genaue Vergleichsergebnisse
zu erhalten, ist eine regelmäßige und
gleichförmige
Ausleuchtung der aufzunehmenden Oberfläche des Gegenstandes notwendig.
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Allerdings entstehen bei Ausleuchtungen von
Gegenständen
mit metallischer Grundfläche,
auf welche Auftragungen aus dielektrischem Material angeordnet sind,
aufgrund von Reflektionen der mittels der Kamera aufzunehmenden
Oberfläche
verfälschte Aufnahmebilder,
deren Vergleich mit einem abgespeicherten Vorgabe-Bild auch dann
Fehlermeldungen auslösen
würde,
wenn eine Oberfläche
mit der richtigen Geometrie vorliegen würde. Beispielsweise wird bei
der Prüfung
gelöteter
Schaltungen, wie Leiterplatten, durch die hochreflektierenden Eigenschaften
der verwendeten Materialien und die ungleichmäßige Oberflächenstruktur des Lötmittels
ein höherer Ausschuss
bei der Verwendung von Vorrichtungen zum maschinellen Erkennen der
geometriereichen Formen erhalten, als tatsächlich vorhanden ist.
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US
5 461 417 zeigt eine Vorrichtung zur kontinuierlichen diffusen
Beleuchtung von reflektierenden Oberflächen derartiger Gegenstände, die
das Auftreten von Erkennungsfehlern aufgrund von Lichtreflektionen
durch eine gleichzeitige Beleuchtung der Oberfläche aus mehreren Richtungen
unterdrückt. Derartige
Beleuchtungsvorrichtungen sind aufwendig in ihrer Konstruktion und
kostenintensiv in ihrer Herstellung.
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Demzufolge liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung zur
Ausleuchtung einer zumindest teilweise lichtreflektierenden Oberfläche eines
Gegenstandes für eine
automatisierte optische Überprüfung einer
Geometrie der Oberfläche
mittels einer Kamera zur Verfügung
zu stellen, die eine zuverlässige
Unterscheidung einer Grundfläche
aus einem ersten Material von darauf angeordneten Auftragungen aus
einem zweiten Material ermöglicht
und einfach im Aufbau sowie kostengünstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des
Patentanspruches 1 gelöst.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung
liegt darin, dass bei einer Beleuchtungsvorrichtung zur Ausleuchtung
einer zumindest teilweise lichtreflektierenden Oberfläche eines
Gegenstandes für
eine optische Überprüfung der
Oberfläche
mittels einer Kamera Lichtstrahlen, die auf die Oberfläche auftreffen, einen
Polarisationswinkel mit dem senkrecht zur Oberflächenebene verlaufenden Lot
einschließen und
ein Polarisationsfilter zum Trennen linear polarisierter von unpolarisierten
Lichtstrahlen nach oder vor deren Reflektion an der Oberfläche und
vor Eintritt in die Kamera angeordnet ist. Sofern für die Berechnung
des Polarisationswinkels die Grenzfläche zwischen Luft oder Vakuum
oder einem anderen an die Oberfläche
angrenzenden Material und mindestens einer auf einer Grundfläche aus
einem ersten Material angeordneten Auftragung aus einem zweiten
Material betrachtet wird, wird erreicht, dass die der Auftragung
zugeordneten Oberflächenanteile eine
lineare Polarisierung des reflektierten Lichtes bewirken. Hierfür kann das
zweite Material der Auftragung beispielsweise ein dielektrisches
Material sein.
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Demgegenüber werden die an der Grundfläche, welche
beispielsweise aus einem Metall oder einer Metallverbindung besteht,
reflektierten Lichtstrahlen als weitestgehend unpolarisierte Lichtstrahlen
von dieser meist rauhen metallischen Grundfläche sich weg bewegen. Durch
die erfindungsgemäße Anordnung
eines Polarisationsfilters an einem Ort, den die polarisierten und
unpolarisierten Lichtstrahlen vor Eintritt in die Kamera durchlaufen
müssen,
ist eine Selektierung der linear polarisierten Lichtstrahlen von
den unpolarisierten Lichtstrahlen möglich. Durch entsprechende
Einstellung des Polarisationsfilters wird eine Ausblendung der linear
polarisierten Lichtstrahlen erreicht. Dies hat zur Folge, dass die Auftragungen
aus dielektrischem Material als dunkle Stellen, also Bildanteile
mit geringer Intensität,
in dem Kamerabild, welches mittels einer Bildverarbeitung ausgearbeitet
werden kann, auftreten. Demgegenüber
treten die unpolarisierten durch den Polarisationsfilter hindurchtretenden
Lichtstrahlen, welche an der metallisch glänzenden Grundfläche reflektiert werden,
als Bildanteile mit hoher Intensität auf. Auf diese Weise ist
eine Unterscheidung der Auftragungen von der Grundfläche zuverlässig und
eindeutig selbst dann möglich,
wenn in Abhängigkeit
von den verwendeten ersten und zweiten Materialien herkömmlicherweise
ein Kamerabild mit ähnlicher
Intensität
für die
Oberflächenanteile
der Auftragungen und der Grundfläche
erhalten werden würde.
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Die einfallenden Lichtstrahlen werden
mittels einer Lichtquelle erzeugt und ausgesendet. Die ausfallenden,
reflektierten Lichtstrahlen können
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
mittels eines Spiegels, der zwischen der Kamera und der Oberfläche des
Gegenstandes angeordnet ist, umgelenkt werden, indem sie an diesem
Spiegel reflektiert und/oder gebrochen werden. Der Spiegel besteht vorzugsweise
aus einem Glassubstrat mit einer vorderseitigen Oberfläche und
einer an seiner rückseitigen
Oberfläche
aufgebrachten lichtreflektierenden Schicht aus einem metallischen
Material. Derartige rückseitig
beschichtete Spiegel weisen gegenüber vorderseitig beschichteten
Spiegel die Vorteile auf, dass sie zum einen kostengünstig und
zum anderen einen vorderseitigen Verkratzungsschutz bezüglich der
metallischen Schicht aufweisen.
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Ein derartiger Lichtstrahlen umlenkender Spiegel
wird dazu verwendet, die Gesamtgröße der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung
aufgrund der zu dem auszuleuchtenden Gegenstand näheren Anordnung
der Kamera zu verringern.
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Um die bei rückseitig beschichteten Spiegeln auftretenden
Doppel- und Mehrfachbilder, welche durch Lichtstrahlbrechungen und
Reflektionen innerhalb des Glassubstrates an dessen Oberflächen auftreten,
zu vermeiden, werden die auf die Spiegeloberfläche einfallenden Lichtstrahlen
wiederum in einem Polarisationswinkel zu der Oberfläche des
Glassubstrates angeordnet, wobei der Polarisationswinkel (Brewsterwinkel)
auf denjenigen Brechzahlen basiert, die bei dem Übergang der einfallenden Lichtstrahlen
von der Luft, dem Vakuum oder einem anderen Medium in das Glassubstrat
relevant sind.
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Die durch die Brechung und Reflektion
innerhalb des Glassubstrates entstehenden Mehrfach-Lichtstrahlen
werden durch den oder einen weiteren Polarisationsfilter, der vor
der Kamera angeordnet ist, selektiert. Bei einer derartigen Trennung
werden die durch die Verwendung des Brewstereinfallwinkels entstehenden
polarisierten Lichtstrahlen von den unpolarisierten Lichtstrahlen
selektiert. Hierdurch wird die ausschließliche Aufnahme des Originalbildes
innerhalb der Kamera ermöglicht,
wohingegen Doppel- und Mehrfachbilder ausgeblendet werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten
sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung
zu entnehmen. Hierbei zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung,
und
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2 in
einer schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 1 wird
eine erste Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung gezeigt.
Ein Gegenstand 1 mit einer rauhen metallischen Grundfläche 2 weist
darauf angeordnete Auftragungen 3 aus dielektrischem Material
auf. Derartige Auftragungen können
beispielsweise Klebstoffe sein, die halbkugelförmig ausgebildet sind.
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Von einer Lichtquelle 4 ausgesandte
Lichtstrahlen 5a und 5b werden entweder an der
Oberfläche
der Auftragung 3 in einem Punkt 6 oder an der Grundfläche 2 in
einem Punkt 7 reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen 8a und 8b werden
anschließend durch
einen Polarisationsfilter 9 geleitet, der polarisierte
von unpolarisierten Lichtstrahlen trennt. Die unpolarisierten Lichtstrahlen
können
den entsprechend eingestellten Polarisationsfilter 9 durchlaufen und
geben innerhalb einer Kamera 10 ein aufzunehmendes Geometriebild
der Oberfläche
des Gegenstandes 1 wieder.
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Der Polarisationsfilter 9 kann
alternativ zwischen der Lichtquelle 4 und den Punkten 6 und 7 angeordnet
sein.
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Um linear polarisierte und unpolarisierte Lichtstrahlen
zu erhalten, sind die Lichtquelle 4 und die Oberfläche des
Gegenstandes 1 derart zueinander ausgerichtet, dass die
einfallenden Lichtstrahlen 5a und 5b mit einem
senkrecht zur Oberflächenebene 3a ausgerichteten
Lot 11 einen Polarisationswinkel (Brewstennrinkel) 12 einschließen.
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Für
die Berechnung des Brewsterwinkels wird folgende Formel verwendet:
wobei α der Brewsterwinkel
12 und
n
Mt die Brechzahl des Materials der Auftragung
3 sowie
n
Luft die Brechzahl von Luft ist.
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Durch die Verwendung der Brechzahl
des Materials der Auftragung und nicht des Materials der Grundfläche 2 für die Berechnung
des Brewsterwinkels wird erreicht, dass nur diejenigen Lichtstrahlen gemäß dem Brewster-Gesetz
als linear polarisierte reflektierte Lichtstrahlen die Oberfläche des
Gegenstandes 1 verlassen, die auf Oberflächen der
Auftragungen 3 auftreffen. Dies gilt nur dann, wenn ein Oberflächenanteil
der Auftragung 3 in der Oberflächenebene 3a liegt,
also im vorliegenden Fall im obersten Bereich der halbkugelförmigen Auftragung 3.
Die restlichen Oberflächenanteile
der Auftragung 3 bewirken aufgrund ihrer Ausrichtung ohnehin
einen geringeren Anteil an reflektierenden Lichtstrahlen und somit
eine geringere Intensität
in ihrem Kamerabildanteil.
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Ebenso wird der obere Bereich der
Auftragung 3 im Punkt 6 als Bildanteil mit geringer
Lichtintensität
innerhalb des Kamerabildes auftreten, da der linear polarisierte
Lichtstrahl 8a mittels des Polarisationsfilters 9 ausgeblendet
wird. Auf diese Weise ist eine eindeutige Unterscheidung der Auftragung 3 mit geringer
Lichtintensität
gegenüber
der lichtreflektierenden Grundfläche 2 mit
hoher Lichtintensität
innerhalb eines Kamerabildes möglich.
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In 2 wird
in einer schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform
der Beleuchtungsvorrichtung gezeigt. Wiederum werden von der Lichtquelle 4 ausgehende
Lichtstrahlen mit einem Brewstereinfallswinkel auf die Oberfläche des
Gegenstandes 1, wie es hier andeutungsweise dargestellt
wird, gelenkt und als reflektierte Lichtstrahlen 8a, 8b auf
einen Spiegel gelenkt, der aus einem Glassubstrat 13 und
einer lichtreflektierenden Metallschicht 14 besteht. Das
Glassubstrat 13 weist eine vorderseitige Oberfläche 15 und
eine rückseitige Oberfläche 16 auf,
an der die Metallschicht zur Bildung eines rückseitig beschichteten Spiegels
angeordnet ist.
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Die auf den Spiegel 13, 14 einfallenden Lichtstrahlen 8a, 8b werden
wiederum mit einem Brewsterwinkel 17 gegenüber dem
senkrecht auf der Oberflächenebene
stehenden Lot 18 ausgerichtet. Die für die Berechnung des Brewsterwinkels 17 relevanten
Brechzahlen sind die Brechzahl von Luft und die Brechzahl des Materials
des Glassubstrates 13. Die einfallenden Lichtstrahlen 8a, 8b werden
gemäß dem Brewstergesetz
in einem rechten Winkel zu dem reflektierten Strahl 20 an
der vorderseitigen Oberfläche 15 des
Glassubstrates 13 gebrochen, wie es durch das Bezugszeichen 19 dargestellt
wird. Der gebrochene Lichtstrahl 19 wird anschließend an
der Grenzfläche,
die die rückseitige
Oberfläche 16 darstellt,
zu der Metallschicht 14 reflektiert und verlässt die
vorderseitige Oberfläche 15 des
Glassubstrates 13 als Original-Bildlichtstrahl 19.
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Eine weitere Lichtreflektion des
gebrochenen Lichtstrahls 19 an der vorderseitigen Oberfläche 15 des
Glassubstrates 13 und eine weitere Reflektion an der rückseitigen
Oberfläche 16 lässt einen
weiteren an der Oberfläche 15 austretenden
Lichtstrahl 21 entstehen.
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Die Lichtstrahlen 20 und 21 treten
als unerwünschte
Mehrfachbild-Lichtstrahlen auf und werden aufgrund ihrer linearen
Polarisierung von dem Polarisationsfilter 9 ausgeblendet,
bevor sie in die Kamera 10 einfallen können. Auf diese Weise ist eine
Vermeidung von Doppel- und Mehrfachbildern selbst bei der Verwendung
von rückseitig
beschichteten kostengünstigen
Spiegeln möglich.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Gegenstand
- 2
- Grundfläche
- 3
- Auftragung
- 4
- Lichtquelle
- 5a,
5b
- einfallende
Lichtstrahlen
- 6,
7
- Ort
der auftreffenden Lichtstrahlen
- 8a,
8b
- ausfallende
Lichtstrahlen
- 9
- Polarisationsfilter
- 10
- Kamera
- 11,
18
- Lote
- 12,
17
- Brewsterwinkel
- 13
- Glassubstrat
- 14
- Metallschicht
- 15
- vorderseitige
Oberfläche
des Glassubstrates
- 16
- rückseitige
Oberfläche
des Glassubstrates
- 19
- Originalbild-Lichtstrahl
- 20,
21
- Mehrfachbild-Lichtstrahlen
