WO1998008183A1 - Verfahren zur beleuchtung eines spiegelnden objektes - Google Patents

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WO1998008183A1
WO1998008183A1 PCT/DE1997/001723 DE9701723W WO9808183A1 WO 1998008183 A1 WO1998008183 A1 WO 1998008183A1 DE 9701723 W DE9701723 W DE 9701723W WO 9808183 A1 WO9808183 A1 WO 9808183A1
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lcd
light
lighting
arrangement
switched
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PCT/DE1997/001723
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English (en)
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Inventor
Johannes Schaaf
Detlef Gerhard
Rüdiger FROESE-PEECK
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K7/00—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns
    • G06K7/10—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation
    • G06K7/10544—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation by scanning of the records by radiation in the optical part of the electromagnetic spectrum
    • G06K7/10712—Fixed beam scanning
    • G06K7/10722—Photodetector array or CCD scanning
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K7/00—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns
    • G06K7/10—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation
    • G06K7/10544—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation by scanning of the records by radiation in the optical part of the electromagnetic spectrum
    • G06K7/10554—Moving beam scanning
    • G06K7/10594—Beam path

Definitions

  • the invention relates to a method for use in image recording systems.
  • a method can be used in measurement or recognition systems which perform object recognition on the basis of defined angles of incidence of light.
  • Such systems include, for example, a barcode reader that radiates the homogenized light from a light source onto an object via a slit diaphragm that can be changed in height.
  • the detection takes place via an exactly aligned light sensor, which due to the geometric construction of the system can only receive light that hits the sensor directly at a certain position of the slit diaphragm after reflection on the object surface.
  • a method and a device for reading bar codes are known from the German patent application with the official file number P 43 08 699.3 or EP 0 689 700 B1. It places special demands on the lighting. Special lighting enables bar codes to be read on highly reflective surfaces (e.g. wafers) in brightfield or darkfield lighting. This lighting provides an optimal contrast between the images of the marking elements and the surrounding reflecting surfaces, which creates a high level of recognition reliability.
  • defined light incidence angles are to be generated on the object surface by means of the defined and changeable positioning of lighting surfaces on a lighting unit.
  • the individual points on a luminous area radiate in a sufficiently large angular range. The positioning of the illuminated areas is adapted to the given object conditions.
  • a slit diaphragm is used, which is transverse to the bar codes.
  • the problem solutions used hitherto used for example, mechanically movable screens or LED arrangements (arrays) which can be switched on and off.
  • each LED light-emitting diode
  • Mechanically moving diaphragms are very slow and also inflexible, especially when it comes to the design of a luminous surface.
  • the invention has for its object to provide a method by means of which the generation of defined light incidence angles on a reflecting object surface can be realized.
  • the invention is based on the finding that the use of a light source, a lighting optic and one or more controllable LCD arrangements serves to display any shape that can be quickly changed or changed in their position and shape. This means that markings on reflective surfaces can be read despite the low contrast between the mirror and the diffusing surface. The disadvantageous influence of disturbance variables such as tilting and different roughness is reduced.
  • the LCD arrangement (liquid crystall device) contains a large number of LCD cells, each of which can be controlled by itself and is thus transparent to light or can be blocked.
  • the flat subdivision of the LCD arrangement can vary depending on the application.
  • the interconnected areas are designed such that a Slit, a circle or concentric circles can be represented.
  • the light emitted by a light source and homogenized by means of illumination optics is transmitted through the switched-on or activated illumination surfaces, the remaining cells of the LCD arrangement blocked for light only allowing little light to pass through.
  • a light intensity ratio of, for example, 1 to 30 can be realized between a surface that is switched through and a surface that is not switched through. This provides sufficient contrasts.
  • Different shapes of luminous areas on an LCD arrangement can be formed, for example, by a relatively small number of large-scale LCD lines. It is conceivable that an elongated LCD cell representing a slit diaphragm is used to form a slit diaphragm which moves transversely to its longitudinal extent, a large number of such cells lying side by side or one above the other. Through successive activation of the individual LCD cells, a slit diaphragm shown in this way travels transversely to its longitudinal extent.
  • Another advantageous embodiment of the invention provides for the formation of the LCD arrangement through the grid-like composition of approximately punctiform LCD lines.
  • Approximately punctiform LCD cells are as small as possible, a large number of which are arranged next to one another. Appropriate simultaneous control of several LCD cells enables different shapes to be displayed. Thus, that emitted by the lighting optics
  • Light in turn can be directed onto an object via slit diaphragms or ring diaphragms.
  • This configuration to minimize the web width between the LCD cells.
  • Such webs can arise from the electrical leads of the cells.
  • FIG. 1 shows a lighting unit with cell-shaped, switched-on lighting areas on the LCD array
  • FIG. 2 shows a partially sectioned side view with an LCD array
  • Figure 3 shows a view with a tilted object.
  • the figure shows an illumination optics 1, which is supplied with light by a light source 2.
  • a light source 2 for example light-emitting diodes.
  • the lighting optics homogenize the light and continue to shine it on the LCD arrangement
  • a slit diaphragm is shown, which is adapted on the one hand to the design of the object and on the other hand the corresponding designed lighting optics 1.
  • Further switchable slit-shaped lighting surfaces 4 present on the LCD arrangement 5 can be switched, for example, with a time delay, so that the light coming from the lighting optics 1 meets an object at variable light incidence angles. In this case, a previously switched-on lighting surface 4 is switched off.
  • the LCD arrangement 5 is composed of a plurality of approximately punctiform LCD cells arranged in a grid, then, for example, a plurality of LCD cells would have to be switched in order to represent one or more columns in accordance with the figure. It can be seen that by using an LCD arrangement the variety of variations in a lighting unit according to the invention is considerably greater than when using mechanically movable panels, LED arrangements which can be switched on and off or the like. In addition, uniform lighting optics covering the entire area are used.
  • the switching time is in the millisecond range. Intensity gradations can be defined practically as desired by using several arrangements in succession.
  • the illumination optics process the light emitted by the light sources in such a way that a sufficiently homogeneous light surface is available on the LCD arrangement from the light distribution.
  • the method according to the invention can be used for example in a camera and here again for bar coding identification. As is known, dark field and bright field lighting can be implemented.
  • the object structures of interest to be measured are profiles with a certain roughness or shapes of markings that stand out from their surroundings.
  • FIG. 2 shows two beam paths starting from two differently positioned, switched-through lighting surfaces (4). Of these, the one emanating from the upper lighting surface (4) does not hit the receiver because the selected lighting surface (4) is not positioned correctly The other beam path shown hits the receiver.
  • an illumination surface (4) can be selected that compensates for the tilting of the object.

Abstract

Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich definierte Lichteinfallswinkel auf einer zu vermessenden spiegelnden Objektoberfläche realisieren. Darin werden innerhalb der LCD-Anordnung (5) objektbezogen ausgestaltete Beleuchtungsflächen (4) durchgeschaltet. Die restlichen Flächen (3) sind gesperrt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Beleuchtung eines spiegelden Objektes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsatz in Bildaufnahmesystemen. Insbesondere kann ein solches Verfahren bei- Meß- oder Erkennungsεystemen eingesetzt werden, die anhand von definierten Lichteinfallswinkeln eine Ob ekterkennung durchführen. Zu solchen Systemen gehört beispielsweise ein Barcode-Lesegerät, das das homogenisierte Licht einer Lichtquelle über eine querliegende in ihrer Höhenposition veränderbare Spaltblende auf ein Objekt strahlt. Die Detektion erfolgt über einen exakt ausgerichteten Lichtsensor, der aufgrund der geometrischen Konstruktion des Systemens lediglich solches Licht empfangen kann, das bei einer bestimmten Stellung der Spaltblende nach der Reflektion an der Objektoberfläche direkt auf den Sensor trifft.
Aus der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzei- chen P 43 08 699.3 bzw. EP 0 689 700 Bl sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lesen von Strichcodierungen bekannt. Darin werden an die Beleuchtung besondere Anforderungen gestellt. Durch eine spezielle Beleuchtung wird das Lesen von Strichcodierungen auf stark spiegelnden Oberflächen (beispielsweise Wafer) bei Hellfeld- oder Dunkelfeldbeleuchtung ermöglicht. Durch diese Beleuchtung wird ein optimaler Kontrast zwischen den Bildern der Markierungselemente und den umgebenden spiegelnden Flächen geliefert, wodurch eine hohe ErkennungsSicherheit erzeugt wird. Mit einer angesprochenen Beleuchtungseinheit sollen demnach über die definierte und veränderbare Positionierung von Leuchtflächen an einer Beleuchtungseinheit definierte Lichteinfallswinkel auf der Objektoberfläche erzeugt werden. Die einzelnen Punkte auf einer Leuchtfläche strahlen dabei in einem genügend großen Winkel- bereich. Die Positionierung der Leuchtflächen wird an die gegebenen Objektverhältnisse angepaßt. So wird beispielsweise beim Lesen von Strichmarkierungen eine Spaltblende eingesetzt, die quer zu den Strichcodierungen liegt. Die bisher eingesetzten Problemlösungen verwendeten beispielsweise mechanisch bewegbare Blenden oder auch ein- und ausschaltbare LED - Anordnungen (Arrays) . Zur Homogenisierung der Lichtverteilung benötigt bei den LED - Anordnungen jede einzelne LED (lichtemittierende Diode) eine eigene Optik. Dies ist kostenintensiv und nicht flexibel realisierbar. Mechanisch bewegte Blenden sind sehr langsam und ebenfalls un- flexibel, insbesondere in der Ausbildung der Gestalt einer Leuchtfläche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen mittels dem die Erzeugung von definierten Lichteinfallswinkeln auf einer spiegelnden Objektoberfläche realisierbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Einsatz einer Lichtquelle, einer Beleuchtungsoptik und eines oder mehrerer ansteuerbarer LCD-Anordnungen zur Darstellung einer beliebig formbaren dient, die schnell in ihrer Position und in ihrer Form gewechselt bzw. verändert werden kann. Somit können Markierungen auf spiegelnden Oberflächen trotz geringer Kontraste zwischen Spiegel und Streufläche gelesen werden. Der nachteilige Einfluß von Störgrößen wie Verkippung und unterschiedliche Rauhigkeiten wird vermindert.
Die LCD-Anordnung (liquid crystall device) beinhaltet eine Vielzahl von LCD-Zellen, die jeweils für sich ansteuerbar sind und somit für Licht durchlässig oder sperrbar sind. Die flächige Unterteilung der LCD-Anordnung kann je nach Anwendungsfall unterschiedlich sein. Beispielsweise werden die durchgeschalteten Flächen derart ausgebildet, daß ein Schlitz, ein Kreis oder auch konzentrische Kreise dargestellt werden. Das von einer Lichtquelle ausgesandte und über eine Beleuchtungsoptik homogenisierte Licht wird über die durchgeschalteten oder freigeschalteten Beleuchtungsflächen durchge- lassen, wobei die restlichen für Licht gesperrten Zellen der LCD-Anordnung nur wenig Licht durchlassen. Bei einer einlagigen LCD- Anordnung läßt sich zwischen einer durchgeschalteten und einer nicht durchgeschalteten Fläche ein Lichtintensitätsverhältnis von beispielsweise 1 zu 30 realisieren. Somit sind ausreichende Kontraste gegeben.
Werden mehrere LCD-Anordnungen hintereinander geschaltet, so kann eine Vielzahl von Intensitätε-Abstufungen realisiert werden.
Die Ausbildung verschiedener Formen von Leuchtflächen auf einer LCD-Anorndnung kann beispielsweise durch eine relativ kleine Zahl von großflächig ausgebildeten LCD-Zeilen realisiert werden. So ist es denkbar, daß für die Ausbildung einer Spaltblende, die sich quer zu ihrer Längserstreckung bewegt, jeweils eine eine Spaltblende darstellende längsgestreckte LCD-Zelle verwendet wird, wobei eine Vielzahl solcher Zellen nebeneinander bzw. übereinander liegen. Durch aufeinanderfolgende Freischaltung der einzelnen LCD-Zellen wandert somit eine derart dargestellte Spaltblende quer zu ihrer Längserstreckung.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Ausbildung der LCD-Anordnung durch die rasterartige Zu- sammensetzung aus annähernd punktförmigen LCD-Zeilen vor. Dabei sind annähernd punktförmige LCD-Zellen möglichst kleine Zellen, von denen eine Vielzahl nebeneinander angeordnet ist. Durch die entsprechende gleichzeitige Ansteuerung von mehreren LCD-Zellen lassen sich somit verschiedene Formen darstel- len. Somit kann das von der Beleuchtungsoptik ausgesandte
Licht wiederum über Schlitzblenden oder Ringblenden auf ein Objekt gelenkt werden. Bei dieser Ausgestaltung ist jedoch die Stegbreite zwischen den LCD-Zellen zu minimieren. Derartige Stege können durch die elektrischen Zuleitungen der Zellen entstehen.
Im folgenden wird anhand von einer schematischen Figur ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Beleuchtungseinheit mit zellenförmigen durchgeschalteten Beleuchtungεflachen am LCD-Array,
Figur 2 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht mit einem LCD-Array,
Figur 3 zeigt eine Ansicht mit einem verkippten Objekt.
Die Figur zeigt eine Beleuchtungsoptik 1, die von einer Lichtquelle 2 mit Licht versorgt wird. In diesem Fall sind mehrere Beleuchtungsquellen in der Lichtquelle 2 enthalten, beispielsweise Leuchtdioden. Die Beleuchtungsoptik homogeni- siert das Licht und strahlt es weiter auf die LCD-Anordnung
5. In diesem Fall ist eine Schlitzblende dargestellt, die einerseits auf die Ausgestaltung des Objektes und andererseits die entsprechende ausgestaltete Beleuchtungsoptik 1 angepaßt ist. Es sind lichtsperrende Flächen 3 zu erkennen und zwei gleichzeitig durchgeschaltete Beleuchtungsflächen 4. Weitere auf der LCD-Anordnung 5 vorhandene durchschaltbare schlitzförmige Beleuchtungsflächen 4 können beispielsweise zeitversetzt geschaltet werden, so daß das von der Beleuchtungsoptik 1 ausgehende Licht unter variablen Lichteinfallswinkeln auf ein Ob jekt trifft. In diesem Fall wird eine vorher durchgeschaltete Beleuchtungsfläche 4 gesperrt geschaltet. Ist die LCD-Anordnung 5 aus einer Vielzahl von rasterförmig angeordneten annähernd punktförmigen LCD-Zellen zusammengesetzt, so müßten beispielsweise eine Mehrzahl von LCD-Zellen derart ge- schaltet werden, um entsprechend der Figur einen oder mehrere Spalte darzustellen. Es ist erkennbar, daß durch den Einsatz einer LCD-Anordnung die Variationsvielfalt bei einer erfindunsgemäßen Beleuchtungseinheit wesentlich größer ist, als bei der Verwendung von mechanisch bewegbaren Blenden, von ein- und ausschaltba- ren LED-Anordnungen oder ähnlichem. Darüber hinaus wird eine einheitliche dem gesamten Bereich abdeckende Beleuchtungsoptik eingesetzt.
Aufgrund der derzeit technisch verfügbaren LCD-Anordnungen liegt die Schaltzeit im Millisekundenbereich. Intensitätsabstufungen können durch Verwendung mehrerer Anordnungen hintereinander praktisch beliebig definiert werden. Die Beleuchtungsoptik bereitet das von den Lichtquellen ausgestrahlte Licht so auf, daß an der LCD-Anordnung von der Lichtvertei- lung her eine genügend homogene Lichtfläche verfügbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in einer Kamera und hier wiederum für eine Strichcodierungsidentifizierung eingesetzt werden. Wie bekannt, können Dunkelfeldbe- leuchtungen und Hellfeldbeleuchtungen realisiert werden.
Durch die einfach herstellbare hohe Varianz für die Objektbelichtung können sich große Kontraste erzielen lassen und auch gezielt ObjektStrukturen beleuchtungstechnisch hervorgehoben werden. Nicht interessierende andere Bereiche in der Umgebung des Objektes können praktisch herausgefiltert werden..
Bei den zu vermessenden interessierenden ObjektStrukturen handelt es sich um Profile mit bestimmter Rauhigkeit oder um Formen von Markierungen, die sich von ihrer Umgebung abset- zen.
In Figur 2 sind zwei Strahlengänge ausgehend von zwei unterschiedlich positionierten durchgeschalteten Beleuchtungsflächen (4) dargestellt. Davon trifft der von der oberen Be- leuchtungsfläche (4) ausgehende den Empfänger nicht, da die ausgewählte Beleuchtungsfläche (4) nicht richtig positioniert ist.Der andere dargestellte Strahlengang trifft den Empfänger.
Entsprechend Figur 3 kann eine Beleuchtungsfläche (4) ausgewählt werden, die eine Verkippung des Objektes ausgleicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beleuchtung eines spiegelnden Objektes bei einer Bildaufnahme unter Einsatz einer Lichtquelle (2) und einer Beleuchtungsoptik (1) zur Homogenisierung des von der Lichtquelle (2) ausgesandten Lichtes, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mit mindestens einer LCD-Anordnung (5) mit einer Vielzahl von durchschaltbaren LCD-Punkten oder Flächen definierte Lichteinfallswinkel auf einer Objektoberfläche erzeugt werden, um angepaßt an die Verkippung des Objektes entsprechend durchzuschaltende Beleuchtungsflächen (4) zu schalten, so dass durch das am Objekt reflektierte Licht ein Bild des Objektes in einen Empfänger gelangt, wobei die jeweils ausge- bildete Form und Fläche von einer einzigen oder gleichzeitig durchgeschalteten Beleuchtungsflächen (4) in der LCD- Anordnung (5) an das Objekt angepaßt sind und sowohl die Position als auch die Form dieser Beleuchtungsflächen (4) durch entsprechende Ansteuerung der LCD-Anordnung veränderbar sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , worin mehrere LCD-Anordnungen (5) in Richtung des Strahlenganges hintereinander geschaltet werden .
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die großflächige Seite der LCD-Anordnung (5) eine Vielzahl von flächig ausgebildeten LCD-Zellen enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin die großflächige Seite der LCD-Anordnung (5) aus einer Vielzahl von rasterartig angeordneten annähernd punktförmigen LCD- Zellen besteht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin durch die Schaltung von einer oder mehrer Beleuchtungs- flächen (4) nacheinander übereinanderliegende Lichtzeilen erzeugt werden können.
PCT/DE1997/001723 1996-08-21 1997-08-13 Verfahren zur beleuchtung eines spiegelnden objektes WO1998008183A1 (de)

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