RU2370700C1

RU2370700C1 - Shadowless lighting device

Info

Publication number: RU2370700C1
Application number: RU2008111232/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Алексеевич КЛЕВЦОВ (RU); Валерий Алексеевич Клевцов
Original assignee: Валерий Алексеевич Клевцов
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2009-10-20
Also published as: WO2009113912A1

Abstract

FIELD: lighting.

SUBSTANCE: shadowless lighting device consists of emission sources, a lot of light guides put into a harness with outlet ends supplying light flux to the scene. Outlet ends of light guides form the exit aperture plane, and inlet ends of light guides form the entrance aperture plane. Emission sources with the control independent of each other are located so that their light fluxes directed to the entrance aperture plane have preferably no identical angles of incidence on the entrance aperture plane.

EFFECT: obtaining several symmetric shadowless lightings for each pixel of the image irrespective of the height and location of pixel in the camera view.

7 cl, 5 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к системам освещения объекта съемки при автоматическом оптическом контроле кривизны, качества, цвета поверхностей, например:The present invention relates to lighting systems for the subject under automatic optical control of curvature, quality, color of surfaces, for example:

- паяных соединений при производстве современных электронных изделий (сотовые телефоны, компьютеры, блоки управления бытовой техникой и т.д.);- soldered joints in the production of modern electronic products (cell phones, computers, control units for household appliances, etc.);

- глазури при производстве фарфоровых изделий (тарелки, чашки и т.д.);- glazes in the manufacture of porcelain products (plates, cups, etc.);

- поверхности при производстве листового металлического проката и т.д.;- surfaces in the production of sheet metal, etc .;

- глянцевых поверхностей, изображений, выполненных с использованием светоотражающих красок, голографических текстов и рисунков и пр.- glossy surfaces, images made using reflective paints, holographic texts and drawings, etc.

Уровень техникиState of the art

Современное производство предъявляет большие требования к оборудованию автоматического оптического контроля. Особенно остро это ощущается при производстве современных электронных изделий, где наряду с требованиями по производительности требуются высочайшие надежность и качество в анализе сложных событий и явлений. В процессе контроля необходимо оценивать качество паяных соединений, определять замыкания между элементами. При контроле электронных элементов (конденсаторы, резисторы и пр.) необходимо оценивать их ориентацию в пространстве, определять цвета, маркировки, надписи, номиналы.Modern production makes great demands on automatic optical control equipment. This is especially acute in the production of modern electronic products, where, along with performance requirements, the highest reliability and quality are required in the analysis of complex events and phenomena. In the control process, it is necessary to evaluate the quality of soldered joints, to determine the short circuits between the elements. When controlling electronic elements (capacitors, resistors, etc.), it is necessary to evaluate their orientation in space, to determine colors, markings, inscriptions, and ratings.

Между анализом паяных соединений и электронных элементов существует много отличий, связанных с тем, что поверхности паяных соединений хорошо отражают свет, в то время как электронные элементы имеют различные варианты форм, цвета, текстуры поверхности, маркировок указания типа, полярности, номинала и пр., которые могут быть выполнены различными способами, например краской или лазерной гравировкой.There are many differences between the analysis of soldered joints and electronic elements, due to the fact that the surfaces of soldered joints reflect light well, while electronic elements have different options for shapes, colors, surface textures, markings indicating type, polarity, rating, etc., which can be done in various ways, for example, paint or laser engraving.

Для решения такого класса задач наибольшее распространение получили оптические системы, использующие одиночную камеру на базе матричного фотоприемника с телецентрическим объективом, который позволяет получать изображения, не искаженные перспективой. При этом камера устанавливается так, чтобы оптическая ось камеры была перпендикулярна поверхности печатной платы.To solve this class of problems, optical systems using a single camera based on a matrix photodetector with a telecentric lens, which allows you to receive images that are not distorted by perspective, are most widely used. In this case, the camera is mounted so that the optical axis of the camera is perpendicular to the surface of the printed circuit board.

В основу формирования систем освещения положен тот факт, что наилучший амплитудный сигнал от направленного на поверхность светового потока камера зафиксирует, когда наклон поверхности будет находиться симметрично по отношению к углу просмотра и подсветки. Наличие нескольких углов освещения позволяет оценить, от какого из углов освещения камера фиксирует максимальный отраженный от поверхности сигнал, т.е. на основании сравнения двумерных изображений, получаемых камерой от разных углов освещения, можно оценить, какой наклон имеет поверхность.The formation of lighting systems is based on the fact that the camera will record the best amplitude signal from the light flux directed to the surface when the surface tilt is symmetrical with respect to the viewing angle and backlight. The presence of several lighting angles allows us to estimate from which of the lighting angles the camera captures the maximum signal reflected from the surface, i.e. Based on a comparison of two-dimensional images obtained by the camera from different lighting angles, it is possible to estimate what slope the surface has.

В настоящее время наибольшее распространение получили бестеневые системы освещения, когда поле зрения камеры имеет освещение от нескольких кольцевых источников освещения разного диаметра, расположенных симметрично по отношению к полю зрения камеры. Непрерывное кольцевое освещение объекта съемки обеспечивает освещение пикселя изображения со всех сторон, т.е. создает бестеневое освещение.At present, shadowless lighting systems are most widely used when the camera’s field of view has illumination from several annular light sources of different diameters that are located symmetrically with respect to the camera’s field of view. Continuous annular illumination of the subject provides illumination of the image pixel from all sides, i.e. creates shadowless lighting.

При использовании матричной черно-белой камеры (см., например, патент US 5039868, G01N 21/88 г., опубл. 13.08.1991 г.) используются три кольцевых источника света разного диаметра с поочередным включением этих источников, т.е. обеспечивается последовательное получение трех снимков изображения от трех разных источников света.When using a matrix black-and-white camera (see, for example, patent US 5039868, G01N 21/88, published on 08.13.1991), three ring light sources of different diameters are used with the inclusion of these sources in turn, i.e. sequential acquisition of three images from three different light sources is provided.

При использовании цветной матричной камеры (см., например, патент ЕР 0685732, G01N 21/88; G01N 21/956; G01R 31/309, оп. 06.12.1995 г.) используются три кольцевых источника света, но при этом каждый источник имеет свой спектр излучения, отличный от спектра излучения других источников. Данный подход позволяет получить необходимую информацию о наклонах поверхности за один снимок, а также получить цветное изображение объекта съемки.When using a color matrix camera (see, for example, patent EP 0685732, G01N 21/88; G01N 21/956; G01R 31/309, op. 06.12.1995), three ring light sources are used, but each source has its own emission spectrum, different from the emission spectrum of other sources. This approach allows you to get the necessary information about the slopes of the surface in one shot, as well as get a color image of the subject.

При использовании цветной матричной камеры (см., например, патент ЕР 1116950, G01В 11/24; G01N 21/956; Н05K 3/34, опубл. 18.07.2001 г.) используются два кольцевых источника света и один направленный источник света, максимально совпадающий с углом просмотра камеры, при этом каждый источник света имеет спектр излучения, отличный от спектра излучения других источников. Направленный свет, максимально совпадающий с углом просмотра камеры, позволяет определить параллельность поверхностей элемента и печатной платы. Как правило, отсутствие параллельности свидетельствует о том, что элемент не примыкает к контактной площадке, т.е. не имеет хорошего паяного соединения с контактной площадкой.When using a color matrix camera (see, for example, patent EP 1116950, G01B 11/24; G01N 21/956; H05K 3/34, published July 18, 2001), two ring light sources and one directional light source are used, as much as possible coinciding with the viewing angle of the camera, while each light source has a radiation spectrum different from the radiation spectrum of other sources. The directional light, which coincides with the viewing angle of the camera as much as possible, allows you to determine the parallelism of the surfaces of the element and the printed circuit board. As a rule, the lack of parallelism indicates that the element is not adjacent to the contact pad, i.e. Does not have a good soldered connection to the contact pad.

При использовании цветной матричной камеры (см., например, патент WO 2004086300, G06T 7/00; G06T 7/60, опубл. 07.10.2004 г.) используется сегментная кольцевая подсветка. Сегменты подсветки реализованы на базе светоизлучающих диодов с тремя (красный, зеленый, синий) спектрами излучения. Включение каждого сегмента, а также светоизлучающих диодов внутри сегмента, осуществляется независимо. Это позволяет реализовать различные комбинации в освещении объекта съемки с различными комбинациями спектров освещения с целью более точной оценки наклона поверхности.When using a color matrix camera (see, for example, patent WO2004086300, G06T 7/00; G06T 7/60, published 07.10.2004), segmented ring illumination is used. The backlight segments are based on light emitting diodes with three (red, green, blue) emission spectra. The inclusion of each segment, as well as light emitting diodes inside the segment, is carried out independently. This allows you to implement various combinations in the illumination of the subject with various combinations of lighting spectra in order to more accurately assess the slope of the surface.

Вышеописанные системы имеют недостатки.The above systems have disadvantages.

Во-первых, кольцевые источники освещения, обеспечивающие освещение всего поля зрения камеры, не являются симметричными для всех пикселей поля зрения камеры, и с увеличением поля зрения камеры возрастает асимметрия в освещении пикселей изображения. Это приводит к возрастанию ошибок в оценке наклона поверхности, что, в свою очередь, приводит к ошибкам, когда годное изделие признается дефектным и наоборот.First, annular light sources providing illumination of the entire field of view of the camera are not symmetrical for all pixels of the field of view of the camera, and with an increase in the field of view of the camera, the asymmetry in the illumination of image pixels increases. This leads to an increase in errors in the estimation of the surface slope, which, in turn, leads to errors when a suitable product is recognized as defective and vice versa.

Во-вторых, имеют низкую производительность, потому что во время съемки матричная камера и объект съемки должны быть неподвижны, что приводит к большим временным потерям в связи необходимостью выполнения режима механического старт-стопа от кадра к кадру.Secondly, they have low performance, because during the shooting, the matrix camera and the subject must be stationary, which leads to large temporary losses due to the need to perform a mechanical start-stop mode from frame to frame.

Из патентной литературы известен волоконно-оптический осветитель (патент RU 2244871, F21V 8/00, опубл. 20.01.2005 г.), который содержит корпус, жгут волоконных световодов, закрепленных в выходном отверстии корпуса, выходные торцы жгута, подводящие световой поток к освещаемому объекту, многоцветные источники света (красный, зеленый, синий), блок управления и блок питании. Источники света расположены на общей плате, установленной в дне корпуса, который имеет отражающее покрытие для направления светового потока внутрь. Излучение от источников излучения напрямую либо после отражений от стенок корпуса направляется в жгут световодов, на выходе которого формируется световой поток для освещения исследуемого объекта. В качестве источников света использованы светодиоды трех спектров излучения с независимыми управлениями каждым светодиодом. Это позволяет управлять интенсивностью излучения каждого спектра и получать необходимый общий спектр излучения на выходе жгута. Однако т.к. световые потоки источников света не имеют структурированной направленности по углам к входным торцам жгута, то на выходе жгута не может быть получено несколько независимых бестеневых систем освещения объекта съемки.Fiber optic illuminator is known from the patent literature (patent RU 2244871, F21V 8/00, published on January 20, 2005), which comprises a housing, a bundle of optical fibers fixed in the housing outlet, output ends of the bundle leading the light flux to the illuminated object, multi-color light sources (red, green, blue), control unit and power supply. The light sources are located on a common board installed in the bottom of the housing, which has a reflective coating for directing the light flux inward. Radiation from radiation sources, either directly or after reflections from the walls of the casing, is sent to a fiber bundle, at the output of which a light flux is formed to illuminate the object under study. As light sources, LEDs of three emission spectra with independent controls of each LED were used. This allows you to control the radiation intensity of each spectrum and to obtain the necessary total radiation spectrum at the output of the bundle. However, since luminous fluxes of light sources do not have a structured orientation in the corners to the input ends of the bundle, then at the output of the bundle several independent shadowless lighting systems of the subject can not be obtained.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Для получения симметричного бестеневого освещения необходимо, чтобы пиксель изображения вне зависимости от его положения и высоты в поле зрения камеры находился в геометрическом центре осветительного кольца или был освещен строго сверху. Для определения наклона поверхности пикселя необходимо наличие нескольких симметричных бестеневых освещений каждого пикселя изображения.To obtain symmetric shadowless lighting, it is necessary that the image pixel, regardless of its position and height in the field of view of the camera, be in the geometric center of the lighting ring or be illuminated strictly from above. To determine the slope of the pixel surface, several symmetrical shadowless illumination of each pixel of the image is necessary.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является получение нескольких симметричных бестеневых освещений для каждого пикселя изображения вне зависимости от высоты и местоположения пикселя в поле зрения камеры.The problem to which the present invention is directed, is to obtain several symmetrical shadowless illumination for each pixel of the image, regardless of the height and location of the pixel in the field of view of the camera.

Решение задачи и технический результат достигается тем, что устройство бестеневых освещений содержит источники излучения, множество уложенных в жгут световодов с выходными торцами, подводящими световой поток к объекту съемки, при этом выходные торцы световодов образуют плоскость выходной апертуры, входные торцы световодов образуют плоскость входной апертуры, источники излучения с независимым друг от друга управлением расположены таким образом, чтобы их световые потоки, направленные в плоскость входной апертуры, преимущественно не имели одинаковых углов падения на плоскость входной апертуры.The solution of the problem and the technical result is achieved by the fact that the shadowless lighting device contains radiation sources, a plurality of optical fibers laid in a bundle with output ends leading the light flux to the subject, while the output ends of the optical fibers form the plane of the output aperture, the input ends of the optical fibers form the plane of the input aperture, radiation sources with independent control from each other are located so that their light fluxes directed into the plane of the input aperture, mainly not and ate identical angles of incidence to the plane of the input aperture.

Согласно одному варианту изобретения световоды выполнены с прямыми торцами, перпендикулярными оси световода.According to one embodiment of the invention, the optical fibers are made with straight ends perpendicular to the axis of the optical fiber.

Согласно другому варианту изобретения каждый источники излучения имеет спектр излучения, отличный от спектра излучения других источников излучения.According to another embodiment of the invention, each radiation source has a radiation spectrum different from that of other radiation sources.

Согласно еще одному варианту изобретения каждый источник излучения имеет несколько спектров и независимое управление каждым спектром.According to another embodiment of the invention, each radiation source has several spectra and independently controls each spectrum.

Согласно еще одному варианту изобретения несколько независимых устройств бестеневых освещений образуют общую плоскость выходной апертуры устройства бестеневых освещений.According to another embodiment of the invention, several independent shadowless lighting devices form a common plane of the output aperture of the shadowless lighting device.

Под источником излучения в настоящем изобретении понимается один или несколько физических источников света одного или разных спектров, формирующих с помощью оптических фокусирующих систем близкие по характеристикам сходимости/расходимости световые потоки, каждый из которых направлен под одинаковым углом к плоскости входной апертуры, образуя общий световой поток источника излучения.A radiation source in the present invention is understood to mean one or several physical light sources of one or different spectra that form optical streams that are similar in terms of convergence / divergence using optical focusing systems, each of which is directed at the same angle to the plane of the input aperture, forming a common light stream of the source radiation.

Наиболее качественные результаты по определению угла наклона пикселя достигаются при минимальных углах расхождения/схождения световых потоков и максимально возможной числовой апертуре используемых световодов, т.е. при получении максимально возможного количества световых потоков, но которые преимущественно не имеют одинаковых углов падения на плоскость входной апертуры. Совпадение углов падения от разных световых потоков на плоскость входной апертуры приведет к неоднозначности в определении наклона поверхности, т.к. становиться неочевидным, от какого источника камера получает более сильный сигнал. Также необходимо учитывать угловые искажения, которые зависят от качества полировки торцов световодов и внутренних светоотражающих характеристик световодов.The best quality results for determining the angle of inclination of a pixel are achieved with minimal angles of divergence / convergence of the light fluxes and the maximum possible numerical aperture of the optical fibers used, i.e. upon receipt of the maximum possible number of light fluxes, but which mainly do not have the same angle of incidence on the plane of the input aperture. The coincidence of the angles of incidence from different light fluxes onto the plane of the input aperture will lead to ambiguity in determining the slope of the surface, since It becomes unobvious what source the camera receives the stronger signal from. It is also necessary to take into account angular distortions, which depend on the quality of polishing of the ends of the optical fibers and the internal reflective characteristics of the optical fibers.

При использовании источников излучения с одинаковым спектром излучения считывание изображение осуществляется камерой кадр за кадром с попеременным включением источников излучения.When using radiation sources with the same emission spectrum, the image is read out by the camera frame by frame with alternating switching on of the radiation sources.

При использовании источников излучения с отличными друг от друга спектрами излучения считывание изображения осуществляется камерой за один кадр в случае, когда камера может независимо детектировать эти спектры. Например, три источника излучения имеют красный (R), зеленый (G) и синий (В) спектры, а считывание изображения осуществляется цветной RGB камерой.When using radiation sources with different emission spectra, the image is read by the camera in one frame when the camera can independently detect these spectra. For example, three radiation sources have red (R), green (G) and blue (B) spectra, and the image is read by a color RGB camera.

Каждый из источников излучения может иметь несколько спектров излучения с независимым управлением каждым спектром, что позволяет выбирать спектр светового потока, а также регулировать интенсивность излучения светового потока или полностью выключать световой поток.Each of the radiation sources can have several emission spectra with independent control of each spectrum, which allows you to choose the spectrum of the light flux, as well as adjust the intensity of the light flux or completely turn off the light flux.

Каждый из световых потоков источников излучения преимущественно должен иметь одинаковую интенсивность излучения по отношению к торцам световодов входной апертуры, т.к. несоблюдение этого условия приведет к тому, что конические, сходящиеся к пикселю изображения световые потоки будут создавать не одинаковую интенсивность освещения вокруг пикселя, что, в свою очередь, приведет к недостоверности и неточности в конечных измерениях наклона поверхности.Each of the light fluxes of the radiation sources should preferably have the same radiation intensity with respect to the ends of the input aperture optical fibers, since non-compliance with this condition will lead to the fact that the conical, converging to the image pixel light fluxes will create not the same intensity of illumination around the pixel, which, in turn, will lead to inaccuracy and inaccuracy in the final measurements of the surface slope.

Также необходимо, чтобы световой поток источника излучения имел преимущественно одинаковую характеристику сходимости/расходимости по отношению к торцам световодов входной апертуры, т.к. несоблюдение этого условия приведет к тому, что конический, сходящийся к пикселю изображения световой поток, будут не симметричен, что приведет к неточности в измерениях наклона поверхности.It is also necessary that the luminous flux of the radiation source has predominantly the same convergence / divergence characteristic with respect to the ends of the input aperture optical fibers, since non-compliance with this condition will lead to the fact that the conical, converging to the image pixel, light flux will not be symmetrical, which will lead to inaccuracies in the measurements of the surface inclination.

Геометрические формы входной и выходной плоских апертур заявляемого устройства могут не совпадать. Геометрическая форма входной плоской апертуры определяется удобством размещения источников излучения, а геометрическая форма выходной плоской апертуры определяется геометрической формой поля зрения камеры. Например, если полем зрения камеры является линия, то выходная апертура должна иметь форму вытянутого вдоль линии прямоугольника, если же полем зрения камеры является квадрат, то выходная апертура должна иметь форму квадрата.The geometric shapes of the input and output flat apertures of the inventive device may not match. The geometric shape of the input flat aperture is determined by the convenience of placing radiation sources, and the geometric shape of the output flat aperture is determined by the geometric shape of the camera’s field of view. For example, if the field of view of the camera is a line, then the output aperture should have the shape of a rectangle elongated along the line; if the field of view of the camera is a square, then the output aperture should be in the form of a square.

Геометрические размеры выходной апертуры предпочтительно должны быть такими, чтобы каждый пиксель изображения вне зависимости его от высоты и положения в поле зрения камеры был обеспечен освещением со всех сторон всеми световыми потоками.The geometric dimensions of the output aperture should preferably be such that each pixel of the image, regardless of its height and position in the field of view of the camera, is provided with illumination from all sides with all light fluxes.

Плотности укладки световодов входной и выходной апертур могут отличаться.The packing densities of the input and output apertures can vary.

Плотность укладки световодов входной апертуры предпочтительно должна быть максимальной, в противном случае неизбежны потери света.The packing density of the input aperture optical fibers should preferably be maximum, otherwise light loss is inevitable.

Плотность укладки световодов выходной апертуры выбирается из соображений допустимого качества освещения при решении того или иного класса задач. Например, если исследуется поверхность, где каждый пиксель обязательно должен иметь непрерывное освещение со всех сторон, тогда плотность укладки световодов выходной апертуры должна быть максимально возможной, если же исследуется поверхность, где требование на непрерывность подсветки со всех сторон не является обязательным, то в этом случае укладка выходной апертуры может быть не плотной.The packing density of the output aperture optical fibers is selected for reasons of acceptable lighting quality when solving a particular class of problems. For example, if you are examining a surface where each pixel must necessarily have continuous illumination from all sides, then the packing density of the fibers of the output aperture should be as high as possible, but if you are examining a surface where the requirement for continuity of illumination from all sides is not mandatory, then in this case The stacking of the output aperture may not be tight.

Степень сжатия световодов между собой с целью достижения максимальной плотности укладки не должна приводить к деформации поперечного сечения световодов, т.к. это изменит характеристики углов передачи света от входа к выходу, что, в свою очередь, приведет к неточностям в определении угла наклона поверхности пикселя изображения.The degree of compression of the fibers to each other in order to achieve the maximum stacking density should not lead to deformation of the cross section of the fibers, since this will change the characteristics of the angles of light transmission from input to output, which, in turn, will lead to inaccuracies in determining the angle of inclination of the image pixel surface.

В качестве световодов могут быть использованы волокна из оптически прозрачного материала, волокна с оптической сердцевиной и оптической оболочкой, оптической сердцевиной и зеркальным покрытием или полые трубки с зеркальным покрытием.As optical fibers, fibers from an optically transparent material, fibers with an optical core and an optical cladding, an optical core and a mirror coating, or hollow tubes with a mirror coating can be used.

Настоящее изобретение не накладывает жестких ограничений как на форму поперечного сечения, так и на длину световода.The present invention does not impose severe restrictions on both the cross-sectional shape and the length of the fiber.

Перпендикулярное исполнение выходных торцов световодов обусловлено тем, что невыполнение данного условия приведет к тому, что пиксель изображения будет освещен от одного светового потока со всех сторон, но с отличающимися углами освещения, что приведет к неточностям в оценке наклона поверхности пикселя изображения.The perpendicular design of the output ends of the optical fibers is due to the fact that failure to fulfill this condition will cause the image pixel to be illuminated from one light stream from all sides, but with different lighting angles, which will lead to inaccuracies in estimating the slope of the image pixel surface.

Перпендикулярное исполнение входных торцов световодов позволяет разместить максимальное количество источников излучения вокруг плоскости входной апертуры.The perpendicular design of the input ends of the optical fibers allows you to place the maximum number of radiation sources around the plane of the input aperture.

Краткий перечень чертежейBrief List of Drawings

Настоящее изобретение и примеры технической реализации устройства описываются далее со ссылками на прилагаемые чертежи.The present invention and examples of technical implementation of the device are described below with reference to the accompanying drawings.

Фиг.1 - общий вид устройства по п.1 формулы.Figure 1 - General view of the device according to claim 1 of the formula.

Фиг.2 - преобразование световых потоков в одиночном световоде.Figure 2 - conversion of light flux in a single fiber.

Фиг.3 - формирование освещения изображения в одной плоскости для одного светового потока.Figure 3 - the formation of illumination of the image in the same plane for one luminous flux.

Фиг.4 - пример формирования освещения объекта съемки и считывания изображения с помощью камеры с линейным сенсором: а - формирование освещения для точки на поверхности печатной платы, б - формирование освещения той же точки, но смещенной по координате высоты на высоту резистора.Figure 4 - an example of the formation of illumination of the subject and reading the image using a camera with a linear sensor: a - the formation of lighting for a point on the surface of the printed circuit board, b - the formation of lighting of the same point, but shifted along the coordinate of the height to the height of the resistor.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

По одному из вариантов исполнения заявляемое устройство содержит несколько источников излучения (на фиг.1 показано три источника излучения 1, 2, 3), имеющих отличные друг от друга спектры излучения, жгут 14 световодов 4, входные торцы 4а которых плотно примыкают к плоскости входной апертуры 10, а выходные торцы 46 плотно примыкают к плоскости выходной апертуры 9. Во входную апертуру 10 направлены световые потоки 19₁, 19₂, 19₃ от источников излучения 1, 2, 3 соответственно, которые после прохождения через световоды 4 жгута 14 формируют за выходной апертурой 9 световой поток 5, освещающий зону 5а, световой поток 6, освещающий зону 5а и 6а, и световой поток 7, освещающий зону 5а, 6а и 7а на поверхности 8. Область 8а определяет поле зрения камеры, где каждый пиксель освещен всеми световыми потоками 5, 6, 7 со всех сторон.In one embodiment, the inventive device contains several radiation sources (Fig. 1 shows three radiation sources 1, 2, 3) having different emission spectra, a bundle of 14 optical fibers 4, the input ends 4a of which are tightly adjacent to the plane of the input aperture 10, and the output ends 46 are tightly adjacent to the plane of the output aperture 9. Luminous fluxes 19 ₁ , 19 ₂ , 19 ₃ from the radiation sources 1, 2, 3, respectively, which, after passing through the optical fibers 4 of the bundle 14, are formed behind the exit, are directed to the input aperture 10 aperture 9th luminous flux 5 illuminating zone 5a, luminous flux 6 illuminating zone 5a and 6a, and luminous flux 7 illuminating zone 5a, 6a and 7a on surface 8. Region 8a defines a field of view of the camera, where each pixel is illuminated by all light fluxes 5, 6, 7 from all sides.

Настоящее изобретение использует следующее свойство световода, входные и выходные торцы которого перпендикулярны оси световода (при условии одинаковой оптической среды как со стороны входного, так и выходного торцов световода): узкий пучок лучей, падающий под углом на торец световода, на выходе заполняет зону, ограниченную двумя близкими коаксиальными коническими поверхностями (кольцевую коническую зону). Это же происходит и в световоде с косыми торцами -симметризация светораспределения в световоде сохраняется, однако на выходе из него симметрия нарушается.The present invention uses the following property of a fiber, the input and output ends of which are perpendicular to the axis of the fiber (provided that the optical medium is the same on the side of the input and output ends of the fiber): a narrow beam of rays incident at an angle on the end of the fiber fills the output zone, limited two close coaxial conical surfaces (annular conical zone). The same thing happens in a fiber with oblique ends — the symmetry of the light distribution in the fiber is preserved, but the symmetry is broken at the exit from it.

Данное свойство присуще и полому световоду с внутренним зеркальным покрытием.This property is also inherent in a hollow fiber with an internal mirror coating.

Вышеописанное свойство присуще и световоду с поперечным сечением, отличным от круглого, поэтому настоящее изобретение не накладывает жесткого ограничения на обязательность использования исключительно круглого в поперечном сечении световода.The above property is also inherent in a fiber with a cross-section different from round, therefore, the present invention does not impose strict restrictions on the mandatory use of an exclusively round fiber in the cross-section.

Рассмотрим одиночный световод круглого сечения с прямыми, перпендикулярными оси световода торцами (фиг.2). Пусть во входной торец 4а световода 4 подаются световые потоки от трех независимых источников излучения 1, 2, 3: от источника излучения 1 вдоль оптической оси световода 4, а от источников излучения 2 и 3 под углами β и α к оптической оси световода 4 соответственно. Выходная торцевая плоскость 4б световода 4 расположена параллельно освещаемой плоской поверхности 8.Consider a single fiber of circular cross section with straight ends perpendicular to the axis of the fiber (Fig. 2). Let luminous fluxes from three independent radiation sources 1, 2, 3 be supplied to the input end 4a of the optical fiber 4: from the radiation source 1 along the optical axis of the optical fiber 4, and from the radiation sources 2 and 3 at angles β and α to the optical axis of the optical fiber 4, respectively. The output end plane 4b of the optical fiber 4 is parallel to the illuminated flat surface 8.

Направленный вдоль оси световода световой поток 19₁ от источника излучения 1, проходя через световод 4 по направлению оптической оси световода 4, не преобразуется и освещает зону 5а на поверхности 8. Направленные световые потоки от источников излучения 2 и 3, не совпадающие с оптической осью световода 4, после отражений на внутренних стенках световода 4 создадут на выходе световода два конусом расходящихся световых потока с углами расхождения β и α соответственно, что вызовет освещение двух кольцеобразных зон 6а и 7а на поверхности 8.The light flux 19 ₁ directed along the axis of the fiber from the radiation source 1, passing through the fiber 4 in the direction of the optical axis of the fiber 4, is not converted and illuminates the area 5a on the surface 8. The directional light flux from the radiation sources 2 and 3, which do not coincide with the optical axis of the fiber 4, after reflections on the inner walls of the optical fiber 4, two diverging light fluxes with diverging angles β and α, respectively, will be created at the output of the optical fiber, which will cause illumination of two annular zones 6a and 7a on surface 8.

На фиг.3 показано в одной плоскости формирование освещения для нескольких точек 15, 15₁, 15₂. При падении на входные торцы жгута световодов светового потока 19₃ от источника 3 под углом α каждая точка 15_i будет освещена с двух сторон соответствующими выходными торцами световодов под углами α. При этом углы α освещения будут всегда одинаковы вне зависимости от положения и высоты пикселя (точки) изображения.Figure 3 shows in one plane the formation of lighting for several points 15, 15 ₁ , 15 ₂ . When the light flux 19 ₃ from the source 3 falls at the input ends of the fiber bundle at an angle α, each point 15 _i will be illuminated on both sides by the respective output ends of the fibers at angles α. In this case, the lighting angles α will always be the same regardless of the position and height of the pixel (point) of the image.

На фиг.4а, б показан жгут световодов 14, в котором максимально плотно и параллельно друг другу уложенные световоды 4 образуют общую входную 10 и общую выходную 9 плоские апертуры. Плоскости входной апертуры 10, выходной апертуры 9 и освещаемой плоской поверхности 8 параллельны между собой. Фрагменты световодов 4 и их входные 4а и выходные 4б торцы показаны на выносках 17 и 16 соответственно. В световоды 4 входной апертуры 10 оптического жгута 14 подаются три световых потока 19₁, 19₂, 19₃ с углами наклона 0°, β и α (как на фиг.2 для одиночного световода 4). Так как каждый выходной торец 4б световода 4 выходной апертуры 9 является источником трех световых потоков: одного, направленного вертикально вниз (световой поток 5), и двух, расходящихся конусом (световые потоки 6, 7), то для любой точки 15 на поверхности освещаемого объекта 8 в выходной апертуре всегда будут иметь место три осветительные системы: с одним прямым освещением 11 и двумя кольцеобразной формы 12, 13 с конусами схождения освещения β и α соответственно.On figa, b shows a bundle of optical fibers 14, in which the most densely and parallel to each other stacked optical fibers 4 form a common input 10 and common output 9 flat aperture. The planes of the input aperture 10, the output aperture 9 and the illuminated flat surface 8 are parallel to each other. Fragments of the optical fibers 4 and their input 4a and output 4b ends are shown on callouts 17 and 16, respectively. Three light fluxes 19 ₁ , 19 ₂ , 19 ₃ with tilt angles of 0 °, β, and α are supplied to the optical fibers 4 of the input aperture 10 of the optical bundle 14 (as in FIG. 2 for a single optical fiber 4). Since each output end 4b of the light guide 4 of the output aperture 9 is a source of three light fluxes: one directed vertically downward (light flux 5), and two diverging cone (light fluxes 6, 7), then for any point 15 on the surface of the illuminated object 8, there will always be three lighting systems in the output aperture: with one direct lighting 11 and two ring-shaped 12, 13 with the convergence cones of lighting β and α, respectively.

Таким образом, где бы на поверхности 8 не находилась точка 15, она всегда будет иметь соответствующую группу из трех источников излучения, которые образуются соответствующими комбинациями торцевых выходов 4б световодов 4 выходной апертуры 9. Считывание изображения осуществляется сверху посредством камеры с линейным сенсорным приемником (на фиг.4а и 4б не показана) через сквозную щель 20 в жгуте 14.Thus, wherever point 15 is located on surface 8, it will always have a corresponding group of three radiation sources, which are formed by the corresponding combinations of the end outputs 4b of the optical fibers 4 of the output aperture 9. The image is read from above using a camera with a linear touch receiver (in FIG. .4a and 4b not shown) through the through slot 20 in the bundle 14.

Настоящее изобретение имеет существенные преимущества перед существующими в настоящее время системами.The present invention has significant advantages over current systems.

Во-первых, симметрия освещения обеспечивается для всех пикселей поля зрения камеры вне зависимости от места положения и высоты пикселя, что позволяет существенно увеличить поле зрения камеры, не теряя при этом качества определения наклона и кривизны поверхности.Firstly, lighting symmetry is provided for all pixels of the camera’s field of view, regardless of the position and height of the pixel, which can significantly increase the camera’s field of view without losing the quality of determining the slope and curvature of the surface.

Во-вторых, увеличение поля зрения системы позволяет использовать в качестве фотоприемника линейный сенсор, что существенно (в несколько раз) увеличивает производительность системы в целом, т.к. при линейном сканировании отсутствует старт-стопный механический режим позиционирования.Secondly, an increase in the field of view of the system allows the use of a linear sensor as a photodetector, which significantly (several times) increases the performance of the system as a whole, because with linear scanning there is no start-stop mechanical positioning mode.

В-третьих, использование линейного сканирования позволяет существенно снизить требования к механическим компонентам приводов линейного перемещения, что существенно удешевляет систему в целом.Thirdly, the use of linear scanning can significantly reduce the requirements for the mechanical components of linear displacement drives, which significantly reduces the cost of the system as a whole.

В-четвертых, использование линейного сенсора не ограничивает ширину сканирования, что является единственным решением на безостановочных конвейерах, где считывание изображения возможно только за один проход.Fourth, the use of a linear sensor does not limit the scan width, which is the only solution on non-stop conveyors where image reading is possible in only one pass.

Следует также отметить следующие достоинства применения заявляемого устройства бестеневого освещения в измерительных комплексах. Устройство не создает дополнительных тепловых нагрузок в зоне измерений, так как к этой зоне подводятся только выходные торцы световодов, а источники излучения вместе с блоками питания и блоками управления располагаются вне зоны измерения на достаточном расстоянии. Взаимное расположение элементов устройства, его компоновка с блоками питания и блоками управления могут быть адаптированы к уже работающим приборам и установкам различного назначения без существенных изменений этих приборов и установок.It should also be noted the following advantages of using the inventive shadowless lighting device in measuring complexes. The device does not create additional thermal loads in the measurement zone, since only the output ends of the optical fibers are fed to this zone, and the radiation sources, together with the power supplies and control units, are located outside the measurement zone at a sufficient distance. The relative arrangement of the elements of the device, its arrangement with power supplies and control units can be adapted to existing devices and installations for various purposes without significant changes to these devices and installations.

Предлагаемое устройство просто по конструкции, надежно в эксплуатации, просто в изготовлении. Устройство может быть выполнено в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования, современных материалов, комплектующих и технологий с возможностью серийного многократного воспроизведения.The proposed device is simple in design, reliable in operation, easy to manufacture. The device can be performed in industrial production using standard equipment, modern materials, components and technologies with the possibility of serial multiple reproduction.

Claims

1. Shadowless lighting device containing radiation sources, a plurality of optical fibers laid in a bundle with output ends leading the light flux to the subject, characterized in that the output ends of the optical fibers form the plane of the output aperture, the input ends of the optical fibers form the plane of the input aperture, radiation sources, s independent control from each other, arranged so that their light fluxes directed into the plane of the input aperture, mainly did not have the same angle of incidence on the plane input aperture.

2. The shadowless lighting device according to claim 1, characterized in that the optical fibers are made with straight ends perpendicular to the axis of the optical fiber.

3. The shadowless lighting device according to claim 1 or 2, characterized in that each radiation source has a radiation spectrum different from the radiation spectrum of other radiation sources.

4. The shadowless lighting device according to claim 1 or 2, characterized in that each radiation source has several emission spectra and independent control of each spectrum.

5. The shadowless lighting device according to claim 1 or 2, characterized in that it consists of several independent shadowless lighting devices that form the common plane of the output aperture.

6. The shadowless lighting device according to claim 3, characterized in that it consists of several independent shadowless lighting devices that form the common plane of the output aperture.

7. The shadowless lighting device according to claim 4, characterized in that it consists of several independent shadowless lighting devices that form the common plane of the output aperture.