DE4011842A1 - Beleuchtungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungseinrich­ tung für Objekte, die von einer Kamera aufgenommen werden, deren Bildsignal an einer Bildverarbeitungseinrichtung anliegt, und die wenigstens einen CCD-Bildaufnehmer auf­ weist, mit einer Lichtquelle, die eine Steuereinheit im Impulsbetrieb ansteuert.

Bei der digitalen Bildverarbeitung für industrielle Zwec­ ke, beispielsweise zur Steuerung eines Bearbeitungszen­ trums ist eine wesentliche Einflußgröße die Qualität des aufgenommenen Bildsignals. Hierfür ist wiederum die Art der Beleuchtungseinrichtung ein wesentlicher Faktor:

Derzeit übliche Lichtquellen wie beispielsweise Glühlam­ pen, Halogenlampen oder auch Lichtquellen mit Lichtleitern weisen bei einer Reihe von Anwendungsfällen Nachteile auf:

So ist es beispielsweise in manchen Fällen erforderlich, ein Objekt selektiv zu beleuchten, um Reflexionen zu ver­ meiden oder um Oberflächenstrukturen geeignet darzustel­ len. Dies kann mit den oben genannten Lichtquellen in der Regel nicht oder nicht befriedigend erreicht werden.

Ein weiterer Nachteil dieser Lichtquellen tritt bei der Verwendung von CCD-Kameras auf, wenn schnell bewegte Ob­ jekte erfaßt werden sollen. Bedingt durch den Aufbau der CCD-Aufnehmer liefern derartige Kameras Bilder mit Un­ schärfen in den bewegten Bereichen.

Zwar ist es möglich, derartige Unschärfen mit elektroni­ schen Verschlußeinrichtungen zu beheben, die Verwendung derartiger elektronischer Verschlüsse hat jedoch den Nach­ teil, daß entsprechend stärker beleuchtet werden muß. Das Arbeiten mit weiter geöffneter Blende zur Vermeidung von Beleuchtungsproblemen ist nämlich selten möglich, da eine weiter geöffnete Blende eine geringere - in der indu­ striellen Bildverarbeitung häufig nicht erwünschte - Schärfentiefe bedeutet. Deshalb sind bei der Verwendung elektronischer Verschlußeinrichtungen in der Regel stärker dimensionierte Lichtquellen erforderlich. Damit kann es unter Umständen sogar erforderlich sein, die entstehende Verlustleistung der Beleuchtungseinrichtung durch Kühlein­ richtungen abzuführen.

Eine Alternative hierzu sind Beleuchtungseinrichtungen, die Blitz- oder Stroboskop-Lichtquellen aufweisen. Diese Einrichtungen stellen periodisch eine hohe Strahlungslei­ stung während einer kurzen Zeit zur Verfügung. Damit ist die im zeitlichen Mittel benötigte elektrische Leistung wesentlich geringer als die elektrische Leistung, die bei einer CCD-Kamera mit einer elektronischen Verschlußein­ richtung, bei der eine Beleuchtung mit Dauerlicht erfolgt, aufgewendet werden müßte.

Bekannte Blitz- bzw. Stroboskop-Beleuchtungseinrichtungen, die beispielsweise mit Xenon-Blitzlampen arbeiten, sind zwar leistungsökonomisch und beseitigen die vorgenannten Nachteile bei bewegter Bildaufnahme. Es gibt aber arbeitsphysiologische Gründe, die gegen die Verwen­ dung derartiger Stroboskope sprechen: Xenon-Blitzlampen beispielsweise leuchten im sichtbaren Bereich. Deshalb wird das Arbeiten in ihrer Umgebung als unangenehm empfun­ den.

Vor allem aber erlauben derartige Blitzlampen lediglich die integrale Beleuchtung des aufzunehmenden Objekts; Beleuchtungseinrichtungen, die eine selektive Beleuchtung ermöglichen, würden aufgrund der Verwendung einer Reihe von Blitzlampen oder einer entsprechenden Zahl schneller Verschlüsse im Strahlengang einen in der Regel nicht ak­ zeptablen Aufwand bedeuten.

Der Erfindung 1 liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuch­ tungseinrichtung für Objekte, die von einer Kamera aufge­ nommen werden, deren Bildsignal an einer Bildverarbei­ tungseinrichtung anliegt, und die wenigstens einen CCD- Bildaufnehmer aufweist, anzugeben, die bei schnell beweg­ ten Objekten, die selektiv beleuchtet werden sollen, eine Bildaufnahme ohne Bewegungsunschärfen mit einer Lichtquel­ le vergleichsweise geringer Leistungsaufnahme gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtquelle ein Leuchtdioden-Array aufweist, dessen Dioden selektiv von der Steuereinheit mit wenigstens einem Impuls variabler Breite während jeder Bildperiode beaufschlagt werden.

Eine selektive Beleuchtung wird dadurch erreicht, daß die Lichtquelle - in an sich bekannter Weise - aus vielen kleinen, einzeln oder in Gruppen (Anspruch 4) mittels eines Prozeßrechners (Anspruch 9) oder von Hand (Anspruch 8) ansteuerbaren Einzellichtquellen besteht.

Um den Kostenaufwand so gering wie möglich zu halten, werden als Einzellichtquellen Leuchtdioden verwendet, da in Arrays zusammengefaßte Leuchtdioden vergleichsweise kostengünstig darstellbar und darüberhinaus durch eine Steuereinheit ansteuerbar sind, die ebenfalls vergleichs­ weise kostengünstig aufgebaut sein kann (Anspruch 10 fol­ gende). Vor allem aber sind Leuchtdioden ohne größere Probleme für einen Impulsbetrieb geeignet, durch den ein Stroboskop-Effekt erzielt wird. Glüh- oder Halogenlampen scheiden für diese Anwendung als Lichtquelle aus, da sie nicht für Impulsbetrieb geeignet sind. Sie haben einen sehr niedrigen Einschalt-Eingangswiderstand, was kurz­ fristig zu sehr hohen Temperaturen in der Glühwendel und somit zur vorzeitigen Zerstörung führt. Xenon-Blitzlampen dagegen haben die vorstehend angeführten Nachteile.

Die Steuereinheit stellt mit dem Videosignal synchrone Impulse zur Verfügung, deren Breite in gewissen Grenzen wählbar ist. Damit läßt sich die mittlere Beleuchtungshel­ ligkeit einstellen.

Durch diese Ausbildung erhält man eine Beleuchtungsein­ richtung, die alle Vorteile von Stroboskopen besitzt, ohne ihre Nachteile oder die Nachteile der konventionellen Beleuchtungen aufzuweisen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben:

Gemäß Anspruch 2 emittieren die Dioden Licht im nahen Infrarot-Bereich zwischen 850 und 1000 nm. Da damit das abgestrahlte Licht außerhalb des sichtbaren Spektralbe­ reichs, jedoch innerhalb des sensitiven Spektralbereichs der meisten CCD-Kameras liegt, wird eine arbeitsphysio­ logisch unerwünschte Störung der Umgebung bei Impulsbe­ trieb vermieden.

Im Anspruch 3 ist angegeben, daß die Dioden GaAs-Leucht­ dioden oder GaAlAs-Leuchtdioden sind. Diese Leuchtdioden weisen geringe geometrische Abmessungen auf und sind her­ vorragend für den Impulsbetrieb geeignet. Bei Impulsbe­ trieb können diese Leuchtdioden mit einem sehr viel höhe­ ren Strom belastet werden, als dies bei Dauerbetrieb mög­ lich wäre, vorausgesetzt das Verhältnis von Einschaltdauer zu Periodendauer überschreitet einen diodenspezifischen maximalen Betrag nicht. Zwischen elektrischem Stromfluß und emittierter Strahlung besteht ein annähernd linearer Zusammenhang, so daß hohe Strahlleistungen in dieser Be­ triebsart erreicht werden können. Da das abgestrahlte Spektrum im nahen Infrarot (850-1000 nm) liegt, sind die pulsförmigen Helligkeitsschwankungen für den Menschen nicht sichtbar. Darüberhinaus haben Leuchtdioden generell eine sehr hohe Lebensdauererwartung. Sie liegt im Durch­ schnitt im Bereich von vielen Jahren, so daß die Zuverläs­ sigkeit sehr hoch ist.

Im Anspruch 4 ist gekennzeichnet, daß Dioden des Arrays zu Gruppen bzw. Segmenten zusammengefaßt sind, und daß die Gruppen bzw. Segmente einzeln ansteuerbar sind. Eine eigene Leistungsstufe für jedes Segment treibt die Leucht­ dioden.

Die Leuchtdioden können in einer beliebigen Anordnung, z. B. in einer Matrix (Anspruch 5) angeordnet und zu klei­ neren Gruppen bzw. Segmenten zusammengefaßt werden. Bei­ spielsweise können die Dioden in einer Zeile zu einer Gruppe zusammengefaßt sein. Ferner ist es möglich, daß zur Beleuchtung rotationssymmetrischer Objekte die Dioden konzentrisch in mehreren Ringen angeordnet sind (Anspruch 6). Dabei kann jeder Ring aus mehreren, einzeln ansteuer­ baren Segmenten bestehen (Anspruch 7).

Die Auswahl der selektiv von der Steuereinheit angesteuer­ ten Dioden bzw. Gruppen von Dioden und der jeweiligen Helligkeit kann manuell (Anspruch 8) oder mittels eines Prozeßrechners (Anspruch 9) beispielsweise über eine V.24- Schnittstelle erfolgen.

In jedem Falle wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung eine äußerst flexible Beleuchtungseinrichtung erhalten, die gegenüber herkömmlichen Geräten eine Reihe von Vorteile besitzt:

• - Es ist eine vollflächige, homogene Beleuchtung und darüberhinaus eine gezielte selektive Beleuchtung möglich.
• - Aufgrund des Impulsbetriebes tritt bei bewegten Objek­ ten keine Unschärfe auf, auch ohne daß ein Verschlußme­ chanismus verwendet würde.
• - Die impulsförmige Beleuchtung ist einfach mit dem Videosignal zu synchronisieren.
• - Die periodischen Helligkeitsschwankungen sind bei der bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 2 unsicht­ bar, da das abgestrahlte Spektrum im nahen Infrarot liegt. Selbstverständlich ist aber auch der Einsatz von Leuchtdioden möglich, die Licht im sichtbaren Bereich emittieren.
• - Bei Verwendung eines nur IR-durchlässigen Filters ist bei dieser Ausführungsform die Beleuchtung unabhängig vom Umgebungslicht.
• - Die geometrische Anordnung der Leuchtdioden ist frei wählbar, so daß die erfindungsgemäße Beleuchtungsein­ richtung auch an schwer zugänglichen Stellen einsetzbar ist.
• - Durch Steuerung mittels eines geeigneten Rechners ist eine adaptive Beleuchtung möglich.
• - Die verwendeten Leuchtdioden haben eine sehr hohe Le­ bensdauer.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all­ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Steuereinheit,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Leistungstreibers, und

Fig. 3 bis 5 erfindungsgemäß verwendete Leuchtdioden- Anordnungen.

Die in Fig. 1 dargestellte Steuereinheit soll pro Video- Halbbild einen Impuls variabler Breite liefern, mit dem in Fig. 1 nicht dargestellte Leuchtdioden angesteuert wer­ den. Sollen Leuchtdioden, wie sie für eine erfindungsgemäß ausgebildete Beleuchtungseinrichtung typischerweise ver­ wendet werden, mit einem Strom von beispielsweise 1, 1A belastet werden, so darf die Einschaltdauer bei derartigen Dioden z. B. maximal 1/50 der Periodendauer betragen.

Bei einer Video-Halbbilddauer von 20 ms beträgt die maxima­ le Einschaltdauer also 400 µs. Eine Impulsdauer von 400 µs wird (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel) als 100%- Impulsbreite bezeichnet.

Zur Programmierung kürzerer Impulsdauern ist ein zweistu­ figer programmierbarer BCD-Rückwärtszähler Z1 vorgesehen, der im 8-4-2-1-Code zählt. Der Zähler Z1 wird über eine Torschaltung T0 und einen Oszillator O1 mit 250 kHz getak­ tet. Durch diese Ausbildung kann die Impulsdauer in Schritten von 1%, d. h. von 4 µs bis auf Null verkleinert werden. Somit entspricht ein Zählschritt genau der Zeit von 4 µs.

Ein Zählzyklus wird durch den vertikalen Video-Synchroni­ sationsimpuls gestartet. Hierzu ist das BAS-Video-Signal an einen Decoder D1 angelegt, dem ein Monoflop M1 nachge­ schaltet ist, das den Impuls auf ca. 100 ns verkürzt. Dieses Signal lädt eine Zahl im BCD-Code, die in einer im folgenden noch erläuterten Weise von außen setzbar ist, und die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen 0 und 99 liegt, als Zählanfang in den Zähler Z1 und setzt gleichzeitig ein RS-Flipflop FF1, das den Zähleroszillator O1 startet.

Entsprechend der vorprogrammierten Zahl vergeht ein Viel­ faches von 4 µs, bis der Zählerwert Null erreicht wird. Der Nulldurchgang wird vom Zähler Z1 durch einen Über­ tragsimpuls angezeigt. Dieser Übertragungsimpuls dient dazu, das Flipflop FF1 zurückzusetzen und damit den Zäh­ leroszillator O1 zu stoppen. Dieser Zustand bleibt so lange stabil, bis der nächste vertikale Sync-Impuls auftritt. Der gesamte vorstehend beschriebene Zyklus wiederholt sich daraufhin periodisch synchron mit dem Videosignal. Am Ausgangsanschluß des Flipflops FF1 ergibt sich so das gewünschte Signal. Durch die Programmierung der Zähler Z1 kann so die Impulsbreite direkt in Prozent bezüglich der maximal erlaubten Impulsbreite eingegeben werden.

Der Zählerstand kann im Handbetrieb mittels BCD-Codier­ schalter CO_einer und CO_zehner über invertierende Treiber­ stufen an die beider Zähler des BCD-Zählers Z1 gesetzt werden. Ferner ist es möglich, sie mittels eines nicht dargestellten Prozeßrechners beispielsweise über eine V.24-Schnittstelle und nachgeschalteten einen 8-Bit Daten­ bus einzugeben. Dabei wird der Zählerstand nicht aus den Codierschaltern, sondern aus Registern R parallel ausgele­ sen. Eine Kontrolleinheit weist die Parameter den einzel­ nen Registern zu. Falls für jedes einzelne Segment eine eigene Steuereinheit vorgesehen wird, ist auch eine gleichzeitige unterschiedliche Leistungsansteuerung der Segmente bzw. Gruppen von Leuchtdioden möglich.

Treiberstufen und Register sind mit Tristate-Ausgängen versehen, so daß sie sich nicht gegenseitig beeinflussen. Um eine ständige Kontrolle zu ermöglichen, wird der Zäh­ lerstand und damit die Helligkeit über eine Sieben-Seg­ ment-Anzeige A dargestellt.

Die dem Oszillator O1 nachgeschaltete Torschaltung T0 ermöglicht ein asynchrones Ein- und Ausschalten der ge­ samten Beleuchtung von Hand oder vom steuernden Rechner.

Im folgenden soll unter Bezugnahme auf Fig. 2 die Ausbil­ dung der Leistungstreiber erläutert werden:

Die Leistungstreiber müssen kurzzeitig sehr hohe Ströme schalten, ohne dabei die Steuereinheit zu sehr zu belast­ en. Außerdem müssen die einzelnen Segmente explizit selek­ tiert werden können.

Hierzu sind UND-Gatter & an den Eingangsanschlüssen der Treiberstufen vorgesehen. Diese geben das Eingangssignal nur dann an die weiter unten näher erläuterten Treiber weiter, wenn sie entweder durch DlP-Schalter (Handbetrieb) oder durch das entsprechende Bit im Segmentregister (Rech­ nerbetrieb) angewählt wurden. Die UND-Gatter & sind mit Open-Collector-Ausgängen ausgestattet, so daß auch höhere Ströme fließen können.

Die Treiberstufen selbst sind in der sogenannten Darling­ ton-Schaltung aufgebaut, so daß die erforderliche Strom­ verstärkung erreicht werden kann. Transistor T1 ist ein Kleinsignaltyp, T2 ein Leistungstransistor. Im Kollektor­ kreis von T2 befindet sich ein Leuchtdioden-Segment mit z. B. zehn in Reihe geschalteten Dioden. Widerstand R3 be­ grenzt den Strom durch dieses Segment. Die gesamte Lei­ stungsstufe wird von einer entsprechend hohen Spannung gespeist, wobei die einzelnen Treiber leistungsmäßig pa­ rallel geschaltet sind.

Die Stromversorgungseinheit besteht aus einem geregelten Netzteil, das zwei getrennte Regelungen für die Spannungs­ versorgung des Steuer- und des Leistungsteils besitzt. Ein großzügig bemessener Kondensator am Ausgang hilft kurzzei­ tige Leistungsentnahmen zu überbrücken.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen mögliche Anordnungen der Leucht­ dioden D. Die Anordnung gemäß Fig. 3, bei der die einzel­ nen Dioden in Matrixform angeordnet sind, ist vor allem für Hell- und Dunkelfeld-Auflicht oder Durchlicht geeig­ net. Für rotationssymmetrisches Hellfeld-Auflicht eignen sich vor allem die Anordnungen nach Fig. 4 und Fig. 5.

Dabei ist sowohl die Anordnung und die Zahl der Segmente als auch die Zahl der Leuchtdioden pro Segment in weiten Grenzen variabel. Beispielsweise können bei der in Fig. 4 gezeigten Anordnung die Leuchtdioden D einer "Zeile" jeweils zu einer Gruppe zusammengefaßt sein, die gemeinsam angesteuert wird.

Claims (11)

1. Beleuchtungseinrichtung für Objekte, die von der Ka­ mera aufgenommen werden, deren Bildsignal an einer Bild­ verarbeitungseinrichtung anliegt, und die wenigstens einen CCD-Bildaufnehmer aufweist, mit einer Lichtquelle, die eine Steuereinheit im Impulsbe­ trieb ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Leuchtdio­ den-Array aufweist, dessen Dioden selektiv von der Steu­ ereinheit mit wenigstens einem Impuls variabler Breite während jeder Bildperiode beaufschlagt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden im nahen Infrarot- Bereich zwischen 850 und 1000 nm Licht emittieren.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden GaAs-Leuchtdioden oder GaAlAs-Leuchtdioden sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Dioden des Arrays zu Gruppen zusammengefaßt sind, und daß die Gruppen einzeln ansteuer­ bar sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden in Form einer Matrix angeordnet sind, und daß die Dioden in einer Zeile zu einer Gruppe zusammengefaßt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung rotations­ symmetrischer Objekte die Dioden konzentrisch in mehreren Ringen angeordnet, von denen zumindest die in unterschied­ lichen Ringen zusammengefaßten Dioden getrennt ansteuerbar sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ring aus mehreren, einzeln ansteuerbaren Segmenten besteht.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl der selektiv von der Steuereinheit angesteuerten Dioden bzw. Gruppen von Dioden und der jeweiligen Helligkeit manuell erfolgt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl der selektiv von der Steuereinheit angesteuerten Dioden bzw. Gruppen von Dioden und deren Helligkeit durch einen Prozeßrechner erfolgt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit einen Rück­ wärtszähler aufweist, dessen Zählerstand zur Einstellung der Impulsbreite setzbar ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Torschaltung vorgesehen ist, die ein asynchrones Ein- und Ausschalten der Einrich­ tung ermöglicht.