Zeilenbeleuchtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zeilenbeleuchtung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Zeilenbeleuchtungen finden ihre Verwendung in maschinellen Lesegeräten, d.h. Scannern oder optischen Erkennungsgeräten, z.B. in Inspektionsstationen bei der industriellen Fertigung von Produkten oder Identifikationsgeräten zum Lesen von Banknoten, Strichcodes, etc.
Diese Beleuchtungsvorrichtungen weisen alle eine entlang einer Linie angeordnete Lichtquelle auf, welche als faseroptischer Leuchtkörper, als Leuchtröhre oder als Reihe von elektro-optischen Elementen, LED's, ausgebildet sein kann. Um das abgegebene Licht auf eine zu beleuchtende Zeilenfläche zu führen, werden in der Regel sphärische oder asphärische Stablinsen bzw. auch selbstfokussierende Linsenarrays verwendet. Es sind auch Beleuchtungsvorrichtungen bekannt, bei welchen parabolisch oder elliptisch geformte Reflektoren verwendet werden, um das Licht auf die zu beleuchtende Zeilenfläche zu führen.
Sowohl die Verwendung von Stablinsen aus Glas oder Kunststoff als auch der Einsatz von Reflektoren führt zu Abbildungsfehlern, insbesondere Öffnungsfehlern und Astigmatismus, was wiederum die Intensitätsverteilung auf der beleuchteten Zeilenfläche beeinflusst. Insbesondere fällt die Intensität auf der beleuchteten Zeilenfläche im Randbereich ab. Dieser Helligkeitsabfall macht sich an den Zeilenenden besonders bemerkbar.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Helligkeitsabfall an den Zeilenenden zu korrigieren und eine homogene Intensitätsverteilung auf der gesamten beleuchteten Zeile zu erhalten.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur Zeilenbeleuchtung geschaffen wird, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Insbesondere weist diese Vorrichtung mindestens ein als Blende wirkendes Element auf, welches in Zeilenrichtung eine variable numerische Apertur generiert. Diese variable numerische Apertur ist derart gestaltet, dass die durch ein Abbildungsobjektiv erzeugte Vignettierung und der damit verbundene natürliche Helligkeitsabfall gemäss E(w)=E * cos (w) korrigiert wird. Es versteht sich,
dass der Fachmann die geometrische Blendenform in gewünschter Weise variieren kann, Diese Variation kann bezüglich der längsseitigen Mittenebene der Zeilenfläche sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch sein. Eine geeignete Mechanik erlaubt es, die verwendeten Blenden beidseitig in symmetrischer oder asymmetrischer Weise in den Strahlengang einschieben zu können. Es versteht sich, dass auch nur eine Blende seitlich eingeschoben werden kann. Als Blenden kommen zum Beispiel nicht transmissive, transmissive oder gitterartige Materialien in Frage. Dazu können auch transmissive Phasenobjekte oder strukturierte Filter etc. verwendet werden. Möglich ist also auch die Verwendung zweier Blenden mit unterschiedlicher spektraler Transmission, um eine gewollte Farbmischung zu erzielen. Besonders vorteilhaft erweisen sich solche Blenden bei der Verwendung von opto-elektronischen oder faseroptischen Zeilenbeleuchtungen.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Beleuchtung einer Zeilenfläche mit einem Reflektor; Fig. 2 eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Beleuchtung einer Zeilenfläche mit einer Stablinse; Fig. 3a - 3d schematische Darstellungen einiger erfindungsgemässen Beleuchtungsvorrichtungen; und
Fig. 4 eine erfindungsgemäss geformte Blende für die Verwendung in einer
Beleuchtungsvorrichtung.
Die in Figur 1 dargestellte Beleuchtungsvorrichtung umfasst reihenförmig angeordnete LED's 1 , deren Licht von einem geeignet geformten (sphärisch, parabolisch, elliptisch) Reflektor 2 in die zu beleuchtende Zeilenfläche 3 geführt wird. Bei der Zeilenabbildung mittels eines Objektivs auf einen Kamera-Sensor werden die Zeilenenden weniger intensiv abgebildet als das Zeilenzentrum (Vignettierung). Dies ist um so ausgeprägter, je grösser der aufgenommene Bildwinkel (Field of View) ist. Um diese Helligkeitsunterschiede besser auszugleichen, weist diese Beleuchtungsvorrichtung eine Blende 6 auf, welche mit ihrer gekrümmten Kante 7 eine variable numerische Apertur in Längsrichtung erzeugt. Die beleuchtete Zeilenfläche 3 weist in der Regel eine Länge von 300 mm und eine Breite von wenigen mm (z.B. 2 - 6 mm) auf. Es versteht sich, dass die Dimensionierung dieser Zeilenfläche 3 von deren Verwendung abhängig ist. Bei der Verwendung opto-elektronischer Lichtquellen müssen in deren Nähe Kühlkörper vorgesehen
werden. Alternativ zur vorgeschlagenen Lösung kann bei der Verwendung von opto-elektronischen • Lichtquellen die Lichtintensität der einzelnen LED's am Reihenende erhöht werden, um den Intensitätsverlust auf der Zeilenfläche zu kompensieren. Leider verkürzt dies die Lebensdauer dieser LED's. Es ist deshalb auch schon vorgeschlagen worden, den Abstand der einzelnen LED's in einer Beleuchtungsreihe so zu ändern, dass die LED's im Endbereich der Beleuchtungsreihe dichter liegen als im Zentrum, Dies führt leider dazu, dass die Lichtverteilung im zentralen Bereich der Zeilenfläche nicht mehr homogen ist. Analoge Überlegungen gelten auch bei der Verwendung einer faseroptischen Zeilenbeleuchtung.
Bei der in Figur 2 dargestellten Beleuchtungsvorrichtung wird als Lichtquelle eine in einem
Gehäuse 8 angeordnete flache Faseroptik 9 verwendet . Das von dieser Faseroptik 9 abgestrahlte Licht wird auf eine Stablinse 10 geworfen, welche einen sphärischen oder asphärischen Querschnitt aufweisen kann. Zum besseren Ausgleich der oben beschriebenen Helligkeitsunterschiede beim Abbildungsvorgang weist die dargestellte Beleuchtungsvorrichtung eine Blende 6 auf, welche in den Strahlengang eingeführt werden kann. Es versteht sich, dass diese Blende auch zwischen der Stablinse 10 und der Faseroptik 9 angeordnet sein kann respektive, dass zwei sich gegenläufig zueinander bewegbare Blenden 6 verwendet werden können, um eine in Längsrichtung variable Spaltbreite zu erzeugen. Die Verwendung eines derartige Blendenpaars erlaubt es, den variablen Verlauf der Spaltbreite in einfacher Weise zu ändern, in dem unterschiedlich geformte Blenden eingesetzt werden können. Analog kann dieses Stablinsenkonzept auch für elekto-optische Abstrahlungselemente (LED's, Laserdioden, etc.) verwendet werden.
Die in Figur 3a gezeigte schematische Anordnung der erfindungsgemässen Beleuchtungsvorrichtung umfasst ein Gehäuse 11 , in welchem die gewünschte Lichtquelle 12 und eine dazu allfällig benötigte elektronische Schaltung untergebracht sind. Der Strahlengang des von der Lichtquelle 12 respektive der Leuchtzeile emittierten Lichtes wird vor einem Linsenelement 13 mit Hilfe einer erfindungsgemässen Blendenanordnung 14 unterbrochen. Die schematisch dargestellte Ausführungsform lässt sich in einfachster weise herstellen und mechanisch realisieren.
Figur 3b zeigt eine Weiterbildung der Anordnung gemäss Figur 3a, bei welcher die Blendenanordnung 14 zwischen dem Linsenelement 13 und einem weiteren optischen Element 15 angeordnet ist. Dieses zusätzliche optische Element 15 kann eine kollimierende Linse, ein Filter
oder polarisierendes Element sein. Auch bei dieser Anordnung ist die Blendenanordnung 14 symmetrisch oder asymmetrisch, d.h. entweder als Blendenpaar oder als Einzelblende ausgebildet.
Bei der in Figur 3c gezeigten Vorrichtung liegt die erfindungsgemässe Blendenanordnung 14 zeilenflächenseitig des Linsenelementes 13 und lässt sich wiederum symmetrisch gegeneinander bewegen.
Die in Figur 3d gezeigte Ausführungsform umfasst wiederum ein Gehäuse 11 für die Aufnahme der Lichtquelle 12 sowie ein optisches Element 15 zwischen dieser Lichtquelle 12 und dem Linsenelement 13. Bei dieser Ausführungsform ist lediglich ein Blendenelement 14 vorgesehen. Bei Verwendung eines Kollimators kann bei dieser Ausführungsform auf eine optische Linse 13 verzichtet werden.
Figur 4 zeigt den Verlauf einer erfindungsgemässen Blendenkante, bei welchem Verlauf der cos4- Effekt berücksichtigt worden ist. Es versteht sich, dass bei der Verwendung zweier gegenseitig verschiebbaren Blenden diese Blendenkante anders verlaufen würde.
Andere Anordnungen der Blende 14 liegen im Bereich des normalen fachmännischen Handelns. Der Fachmann wird den Kantenverlauf der Blende 14 der gewünschten numerischen Apertur entsprechend formen.
Die Vorteile der vorliegenden Beleuchtungsvorrichtung sind dem Fachmann unmittelbar ersichtlich und insbesondere in der Einfachheit der technischen Lösung zu sehen. So können mit der vorliegenden Anordnung die Betriebsbedingungen (und Lebensdauer) der verwendeten LED's gleichmässig ausgelegt werden, weil diese nicht mit unterschiedlicher Leistung (Helligkeit) betrieben werden müssen. Die Inhomogenität der Helligkeitsverteilung einer Zeilenfläche, welche durch unterschiedlich voneinander distanzierte LED's hervorgerufen wird, kann durch die Verwendung der erfindungsgemässen Anordnung vermieden werden.