WO2005067365A2 - Beleuchtungseinheit und verfahren zu deren betrieb - Google Patents

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    • G02B6/4298—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with non-coherent light sources and/or radiation detectors, e.g. lamps, incandescent bulbs, scintillation chambers

Definitions

  • the invention relates to a lighting unit that is operated with a high-performance light source for inspecting object surfaces.
  • a light source of such a lighting unit generally ages. This means that the lamp becomes darker with the same supply parameters on the input side. An automatic inspection of object surfaces would thus produce images of poorer quality that are difficult to evaluate.
  • the invention has for its object to provide high-performance lighting for inspection tasks on object surfaces, which ensure uniform illumination of objects with high light intensity.
  • An operating method must also be specified 3.
  • the invention is based on the knowledge that the light intensity at the output of a lighting unit can be dimi ⁇ ted in such a way that homogeneous object lighting with a predetermined light intensity can be set by the
  • the light beam path of a high-performance light source is focused by means of a first optical system, the light beam path is coupled into a light guide, the cross-sectional area of the focus being at least twice as large as the cross-sectional area of the light guide, the light via the light guide to a light measuring head and from there is passed on to an object and the light output on the object can be adjusted by axially varying the distance between the light source and the light entry surface of the light guide.
  • the light distribution on the object surface is homogeneous. This is due to the fact that the high-power light source or its light emission or light beam path is aligned approximately coaxially with the initial region of the light guide.
  • the cross-sectional area of the focus is designed such that it substantially covers the entry area of the light guide, ie is at least twice as large.
  • the light falls into the entry surface of the light guide, which corresponds to the core of the light beam path of the high-power light source. This eliminates inhomogeneities in the lighting.
  • the dimensioning of the light intensity results from the fact that, for example, when the distance of the high-performance light source is increased from the entry area of the light source lenleiters the entry surface of the light guide is moved out of the focus of the light beam path. This is synonymous with an increasing spot of illumination at the point of entry for the light guide. 3 in turn results in a correspondingly lower proportion of the total illumination intensity of the high-power light source being coupled into the light guide and the light output being able to be determined accordingly.
  • the lighting unit consists of a housing, a displacement unit for the high-performance light source together with the first focusing optics and a light guide for the transmission of the light to the object.
  • a light-sensitive sensor for example on a decoupled beam path, can be used to regulate the light intensity beyond the mere adjustment of the light intensity.
  • the control is monitored accordingly via an electronic unit.
  • the distance between the light guide inlet and the light source is varied for the di men of the lighting when using a high-performance light source. This is equivalent to an enlargement, because in practice a too small distance between light guide and high-performance light source is not desirable due to high thermal loads.
  • the variation of the distance of the focus area of the light beam path from the entry surface of the light guide directly changes the amount of light coupled into the light guide. If, for example, certain color spectra are desired, appropriate filters can be introduced into the beam path. If a certain additional reduction in the j light output is to take place, a screen diaphragm for dimming is introduced into the beam path.
  • the regulation of the brightness when illuminating an object surface takes place via a feedback signal which uses a photo detector which measures the light intensity at any point behind the light guide exit.
  • the sensor signal is fed to control electronics.
  • the control moves the lamp in such a way that the setpoint and actual value are brought into agreement.
  • the figure shows a lighting unit consisting of a lamp housing with a high-performance light source, a light guide, a light measuring head that illuminates an object and electrical or electronic units for supplying or controlling the system.
  • the figure shows in particular a device for uniformly illuminating an object 3 with simultaneous control possibility.
  • Uniform lighting is understood to mean a homogeneous light distribution, so that there are no brightness fluctuations from the lighting side, for example, across the surface.
  • a major advantage is the negative effects of aging processes of the high-performance light source that can be eliminated by the control.
  • the liquid light guide serves for better cooling, since conventional light guides, for example made of plastic, do not withstand high thermal loads.
  • additional optical elements such as second optics 13 and third optics 14, fine adjustments can be made under different elements of the lighting unit.
  • the high-performance light source 1 is contained in the housing 4 as the main element.
  • This light source can be provided with a reflector 5, for example.
  • the light emitted from the high-power light source 1 is focused by means of a first optic 12, so that a focus area 15 is present.
  • a displacement unit 6 has an L-shaped stand, the longer leg of which is positioned horizontally and which fixes both the input-side end of the light guide 2 or a second optical system 13 and an adjustment device which can be moved via a motor M and which serves for this purpose , the high-performance light source 1 or. to shift the corresponding focus axially relative to the light entry surface of the light guide.
  • a motor controller is also available for the positioning of filters or screens 7.
  • the light coupled into the light guide 2 is coupled into the light measuring head at the other end of the light guide 2 directly or via a third optic 14, via a beam splitter into the illuminating beam, which is directed onto the object 3, and a side branch is split up by a photosensor 10 to be fed.
  • the third optics 14 can be attached to the light measuring head 8 on the input side as well as on the output side.
  • the first control circuit 20 the regulation of the illumination intensity, as it is detected in the figure as an example in the light measuring head, can be carried out on the basis of this opto-electrical signal, which is generated by the photo sensor 10.
  • Another option is to use the second control circuit 21, the light measurement of the actual value taking place via the camera 11, which is used anyway for inspection tasks on the object surface.
  • the use of a computer for image processing is also necessary, the setpoint for the first control loop being derived from the detection signal for the light intensity.
  • the position of the focal point or focal region 15 shown schematically in the figure represents a relative position of the high-power light source 1 in the retracted position.
  • this position means that the focus is not in the plane of the entry surface of the light guide 2, but is shifted axially between the light guide and the light source.
  • only a relatively small proportion of the amount of light enters the optical waveguide 2, since the invariable cross section of the light entry surface is illuminated only by a very small proportion of the total light spot. This is based on the fact that the illumination spot present in the plane of the light entry surface of the optical waveguide 2 is considerably larger than the cross-sectional area of the light entry.

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Abstract

Beleuchtungseinheit mit einer Hochleistungs-Lichtquelle (1), einer ersten Optik (12) zur Fokussierung des von der Hochleistungs-Lichtquelle (1) ausgesandten Lichts, einem Lichtmesskopf (8) zur vorgebbaren Beleuchtung eines Objektes (3), einem Lichtleiter (2) zur Übertragung des ausgesandten und fokussierten Lichts zum Lichtmesskopf (8), einer Verschiebeeinheit (6) zur Variation des axialen Abstands der Hochleistungs-Lichtquelle (1) mit erster Optik (12) vom Lichtleiter eintritt, wobei die Querschnittsfläche des Fokus minimal doppelt so gross ist wie die Querschnittsfläche des Lichtleiters (2) an der Lichteintrittsseite und durch axiale Verschiebung der Hochleistungs-Lichtquelle (1) die Intensität des in den Lichtleiter (2) eingekoppelten Lichts variierbar ist.

Description

Beschreibung
Beleuchtungseinheit und Verfahren zu deren Betrieb
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit, die mit einer Hochleistungs-Lichtquelle zur Inspektion von Objektoberflächen betrieben wird.
Für die optische Inspektion von dunklen Objektoberflächen, wie auch für die Erzeugung von hohen Vergrößerungen oder für Prozesse mit wesentlichen Inspektionsgeschwindigkeiten werden Lichtquellen mit einer hohen Lichtintensität benötigt. Um ein ausreichend belichtetes, qualitativ hochwertiges Bild einer Objektxiberflache zu erhalten, muss mittels einer Kamera- eine Objektoberfläche aufgenommen werden, die möglichst gleichmäßig und mit ausreichender Lichtintensität beleuchtet wird.
Es ist zu beachten, dass eine Lichtquelle einer derartigen Beleuchtungseinheit in der Regel altert. Das heißt, dass die Lampe bei gleichen eingangsseit gen Versorgungsparametern dunkler wird. Damit würde eine automatische Inspektion von Objektoberflächen Bilder von schlechterer Qualität erzeugen, die nur schwer zu bewerten sind.
Bisher bekannte Systeme variieren die Lichtleistung einer Lichtquelle, beispielsweise durch Dimmen der elektrischen Versorgungsleistung. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer Blende zwischen Lichtquelle und Objekt.
Nachteile bei der Verwendung von Hochleistungs-Lichtquellen bestehen darin, dass diese nicht auf der Eingangsseite elektrisch dimmbar sind und auch ausgangsseitig derart hohe Lichtenergien zur Verfügung stellen, dass diese mit den Wärmebelastungen von zusätzlich in den Strahlengang eingebrachten Elementen nicht kompatibel sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochleistungsbeleuchtung für Inspektionsaufgaben an Objektoberflächen zur Verfügung zu stellen, die eine gleichmäßige Beleuchtung von Objekten mit hoher Lichtintensität gewährleisten. Weiterhin 3 ist ein Betriebsverfahren anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merkmalsko bination von Anspruch 1 bzw. Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
) Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Lichtintensität am Ausgang einer Beleuchtungseinheit derart ge- dimiαt werden kann, dass eine homogene Objektbeleuchtung mit vorgegebener Lichtintensität einstellbar ist, indem der
> Lichtstrahlengang einer Hochleistungs-Lichtquelle mittels einer ersten Optik fokussiert wird, der Lichtst ahlengang in einen Lichtleiter eingekoppelt wird, wobei die Querschnittsfläche des Fokus minimal doppelt so groß ist wie die Querschnittsfläche des Lichtleiters, das Licht über den Lichtlei- ι ter zu einem Lichtmesskopf und von dort weiter zu einem Objekt geleitet wird und durch axiale Variation des Abstands zwischen Lichtquelle und Lichteintrittsfläche des Lichtleiters die Lichtleistung am Objekt einstellbar ist. Dabei ist die Lichtverteilung auf der Objektfläche homogen. Dies begründet sich darin, dass die Hochleistungs-Lichtquelle bzw. deren Lichtemission oder Lichtstrahlengang etwa koaxial ausgerichtet ist zu dem Anfangsbereich des Lichtleiters. Außerdem, ist die Querschnittsfläche des Fokus derart ausgelegt, dass sie die Eintrittsfläche des Lichtleiters wesentlich überdeckt, d. h. mindestens zweifach so groß ist. Bei insgesamt konzentrisch ausgebildeten Verhältnissen fällt somit das Licht in die Eintrittsfläche des Lichtleiters, welches dem Kern des Lichtstrahlengangs der Hochleistungs-Lichtquelle entspricht. Dies eliminiert Inhomogenitäten bei der Beleuchtung. Die Dim ung der Lichtintensität ergibt sich daraus, dass beispielsweise bei der Vergrößerung des Abstands der Hochleistungs-Lichtquelle vo Eintrittsbereich des Lichtquel- lenleiters die Eintrittsfläche des Lichtleiters aus dem Fokus des Lichtstrahlengangs herausgefahren wird. Dies ist gleichbedeutend mit einem sich vergrößernden Beleuchtungsfleck an der Stelle der Eintrittstlache für den Lichtleiter. Daraus 3 resultiert wiederum, dass ein entsprechend geringerer Anteil der gesamten Beleuchtungsintensität der Hochleistungs-Lichtquelle in den Lichtleiter eingekoppelt wird und die Lichtleistung entsprechend festlegbar ist.
) Die Beleuchtungseinheit besteht dabei aus einem Gehäuse, einer Verschiebeeinheit für die Hochleistungs-Lichtquelle zusammen mit der ersten fokussierenden Optik und einem Lichtleiter für die Übertragung des Lichtes zum Objekt. •
i Dabei ist es vorteilhaft, weiterhin eine Möglichkeit zum Einfahren von Filtern oder Blenden in den Lic tstrom vorzusehen. Ebenso ist der Einsatz eines lichtempfindlichen Sensors, beispielsweise an einem ausgekoppelten Strahlengang zur über die bloße Einstellung der Lichtintensität hinausgehenden Regelung ι der Lichtintensität verwendbar. Die Regelung wird entsprechend über eine elektronische Einheit überwacht.
Es ist vorteilhaft, eine weitere zweite Optik am Eingang des Lichtwellenleiters und eine weitere dritte Optik am Eingang oder am Ausgang eines Lichtmess opfes vorzusehen, wobei jeweils die genaue Abstimmung der optischen Übergänge in oder aus dem Lichtleiter angepasst werden.
Somit wird zum Di men der Beleuchtung beim Einsatz einer Hochleistungs-Lichtquelle der Abstand zwischen Lichtleitereintritt und Lichtquelle variiert. Dies ist gleichbedeutend mit einer Vergrößerung, da in der Praxis ein zu geringer Abstand zwischen Lichtleiter und Hochleistungs-Lichtquelle aufgrund von hohen Wärmebelastungen nicht erwünscht ist. Die Variation des Abstandes des Fokuskereichs des Lichtstrahlengangs von der Eintrittsfläche des Lichtleiters verändert direkt die in den Lichtleiter eingekoppelte Lichtmenge. Werden beispielsweise bestimmte Farbspektren gewünscht, so können entsprechende Filter in den Strahlengang eingebracht werden. Soll eine bestimmte zusätzliche Reduzierung der j Lichtleistung erfolgen, so wird eine Siebblende zum Dimmen in den Strahlengang eingebracht.
Die Regelung der Helligkeit bei der Beleuchtung einer Objektoberfläche geschieht über ein Rückführungssignal, welches mit ) Hilfe eines Fotodetektors, der an einer beliebigen Stelle hinter dem Lichtleiteraustritt die Lichtintensität misst. Das Sensorsignal wird auf eine Regelelektronik geführt. Die Regelung verfährt die Lampe derart, dass Soll- und Istwert in Übereinstimmung gebracht werden.
I Im Folgenden werden anhand von schematischen die Erfindung nicht einschränkenden Figur ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
Die Figur zeigt eine Beleuchtungseinheit bestehend aus einem Lampengehäuse mit einer Hochleistungs-Lichtquelle, einem Lichtleiter, einem Lichtmesskopf, der ein Objekt beleuchtet und elektrischen oder elektronischen Einheiten zur Versorgung bzw. zur Steuerung des Systems.
Die Figur zeigt insbesondere eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Beleuchtung eines Objektes 3 mit gleichzeitiger Regelungsmöglichkeit. Unter gleichmäßiger Beleuchtung wird eine homogene Lichtverteilung verstanden, so dass über die Fläche, beispielsweise keine Helligkeitsschwankungen ausgehend von der Beleuchtungsseite vorhanden sind. Ein wesentlicher Vorteil besteht in der durch die Regelung eliminierbaren negativen Einflüsse von Alterungsprozessen der Hochleistungs-Lichtquelle .
Weitere Vorteile resultieren aus dem Einsatz von Metallhalo- genid-Gasentladungs-Lichtquellen und ebenfalls aus dem Ein- satz eines Flüssig-Lichtleiters . Der flüssige Lichtleiter dient zur besseren Kühlung, da herkömmliche Lichtleiter, beispielsweise aus Kunststoff, keinen hohen Wärmebelastungen Stand halten . Mittels des Einsatzes von zusätzlichen Optikelementen wie zweiter Optik 13 und dritter Optik 14 lassen sich Feinabstimmungen unter verschiedenen Elementen der Beleuchtungseinheit vornehmen .
Im Gehäuse 4 ist als Hauptelement die Hochleistungs-Lichtquelle 1 enthalten . Diese Lichtquelle kann beispielsweise mit einem Reflektor 5 versehen sein. Mittels einer ersten Optik 12 wird das aus der Hochleistungs-Lichtquelle 1 emittierte Licht fokussiert, so dass ein Fokusbereich 15 vorhanden ist . Weiterhin sind im Gehäuse 4 Versorgungselemente und Rege- lungs- und Überwachungselemente vorhanden wie beispielsweise ein Mikrocomputer, ein Vorschaltgerät oder andere Überwachungseinheiten . Eine Verschiebeeinheit 6 weist entsprechend der Figur ein L-förmig ausgebildetes Stativ auf, dessen längerer Schenkel waagerecht positioniert ist und welches sowohl das eingangsseitige Ende des Lichtleiters 2 bzw. eine zweite Optik 13 fixiert als auch eine über einen Motor M verfahrbare VerStelleinrichtung, die dazu dient, die Hochleistungs-Lichtquelle 1 bzw . den entsprechenden Fokus axial relativ zu der Lichteintrittsfläche des Lichtleiters zu verschieben . Eine Motorsteuerung liegt ebenfalls für die Positionierung von Filtern oder Blenden 7 vor .
Das in den Lichtleiter 2 eingekoppelte Licht wird am anderen Ende des Lichtleiters 2 direkt oder über eine dritte Optik 14 in den Lichtmesskopf eingekoppelt, über einen Strahlteiler in den Beleuchtungsstrahl, der auf das Obj ekt 3 gerichtet ist, und einen Seitenast aufgeteilt, um einem Fotosensor 10 zugeführt zu werden . Die dritte Optik 14 kann sowohl eingangssei- tig am Lichtmesskopf 8 als auch ausgangsseitig angebracht sein . Mittels des ersten Regelkreises 20 lässt sich die Regelung • der Beleuchtungsintensität, wie sie in der- Figur beispielhaft im Lichtmesskopf detektiert wird, aufgrund dieses optoelek- trischen Signals, welches vom Fotosensor 10 generiert wird, durchführen. Eine weitere Option besteht in der Verwendung des zweiten Regelkreises 21, wobei die Lichtmessung des Ist- Wertes über die Kamera 11 geschieht, die ohnehin zu Inspektionsaufgaben an der Objektoberfläche verwendet wird. Im zweiten Fall zusätzlich der Einsatz eines Rechners zur Bildverarbeitung notwendig, wobei aus dem Detektionssignal für die Lichtintensität der Sollwert für den ersten Regelkreis abgeleitet wird.
Die in der Figur schematisch dargestellte Position des Fokuspunktes bzw. Fokusbereichs 15 gibt eine relative Stellung der Hochleistungs-Lichtquelle 1 in zurückgezogener Position wieder. Anders ausgedrückt bedeutet diese Stellung, dass der Fokus nicht in der Ebene der Eintrittsfläche des Lichtleiters 2 liegt, sondern axial zwischen Lichtleiter und Lichtquelle verschoben ist. Somit tritt nur ein relativ geringer Anteil der Lichtmenge in den Lichtwellenleiter 2 ein, da der an sich unveränderliche Querschnitt der Lichteintrittsfläche nur von einem sehr geringen Anteil des Gesa tlichtfleckes beleuchtet wird. Dies begründet sich darauf, dass der in der Ebene der Lichteintrittsfläche des Lichtwellenleiters 2 vorhandene Beleuchtungsfleck wesentlich größer ist als die Querschnittsfläche des Lichteintritts .
Bezugs zeichenliste
1 Hochleistungs-Lichtquelle
2 Lichtleiter
3 Obj ekt
4 Gehäuse
5 Reflektor
6 Verschiebeeinheit
7 Filter, Blende
8 Lichtmesskopf
9 Strahlteiler
10 Fotosensor
11 Kamera
12 Erste Optik
13 Zweite Optik
14 Dritte Optik
15 Fokusbereich
20 erster Regelkreis
21 zweiter Regelkreis
M Motor

Claims

Patentansprüche
1 . Beleuchtungseinheit mit einer Hochleistungs-Lichtquelle (1) , einer ersten Optik (12) zur Fokussierung des von der Hochleistungs-Lichtquelle (1) ausgesandten Lichts, einem Lichtmesskopf (8) zur Beleuchtung eines Objektes (3) mit vorgegebenem Helligkeitswert, einem Lichtleiter (2) zur Übertragung des ausgesandten und fokussierten Lichts zum Lichtmesskopf (8) , einer Verschiebeeinheit (6) zur Variation des axialen Abstands der Hochleistungs-Lichtquelle (1) mit erster Optik (12) vom Lichtleiter eintritt, wobei die Querschnittsfläche des Fokus minimal doppelt sogroß ist wie die Querschnittsfläche des Lichtleiters (2) an der Lichteintrittsseite und durch axiale Verschiebung der Hochleistungs-Lichtquelle (1) die Intensität des in den Lichtleiter (2) eingekoppelten Lichts variierbar ist.
2. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, bei der eine zweite Optik (13) an der Lichteintrittsseite des Lichtleiters (2) zur Anpassung der Lichtstrahlengänge außerhalb oder innerhalb des Lichtleiters (2) vorgesehen ist.
3. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine dritte Optik (14) am Strahleneingang o- der Strahlenausgang des Lichtmesskopfes (8) vorgesehen ist.
4. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit der die Hochleistungs-Lichtquelle (1) eine Gasentladungs-Lichtquelle ist.
5. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 4, bei der die Gasentladungs-Lichtquelle eine Metallhalogenid-Lichtquelle ist.
6. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Lichtleiter (2) aus einer Flüssigkeit besteht.
7. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der unmittelbar hinter der ersten Optik (12) eine Vorrichtung zum Ein- bzw. Ausfahren von Filtern oder Blenden vorhanden ist.
8. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Lichtmesskopf (8) ein Fotosensor (10) zur Detektion der Lichtstärke und/oder zur Regelung der Objektbeleuchtung vorhanden ist.
9. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zur Regelung der Objektbeleuchtung eine zur Objektaufnähme vorhandene Kamera (11) verwendbar ist.
10. Verfahren zum geregelten Betrieb einer Beleuchtungsein- heit für die gleichmäßige Beleuchtung eines Objektes (3) mittels einer Hochleistungs-Lichtquelle (1) , wobei das von der Hochleistungs-Lichtquelle (1) ausgesandte und fo- kussierte Licht über einen Lichtleiter (2) und eine Lichtmesskopf (8) mit einem Fotosensor (10) zum Objekt (3) geleitet wird, durch Variation des axialen Abstandes zwischen Hochleistungs-Lichtquelle (1) und Lichteintrittsfläche des Lichtleiters (2) jeweils eine veränderliche Lichtmenge in den Lichtleiter (2) eingekoppelt wird, die Querschnittsfläche des Lichtstrahlenganges im Fokus mindestens das doppelte beträgt wie die des Lichtleiters (2) an der Lichteintrittsseite und eine Regelung der Beleuchtung des Objektes (3) mittels des Fotosensors (10) geschieht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zwischen Hochleistungs-Lichtquelle (1) und Lichtleitereintritt unterschiedliche Filter oder Blenden einfahrbar sind, so dass der Lichtstrahlengang entsprechend konditionierbar ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , bei dem zur Regelung der Objektbeleuchtung zusätzlich ein Signal einer zur Ob- jektaufnähme vorhandenen Kamera (11) verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem durch den Einsatz eines Justierelementes an einem Objektträger die Helligkeit an diesem Element mittels einer Ka- mera gemessen wird, welche über den Regelkreis auf einen Sollwert der Helligkeit eingestellt wird, wobei der über den Lichtmesskopf gemessene Wert als neuer Sollwert für den ersten Regelkreis der Beleuchtung eingesetzt wird, bis von der Kamera ein neuer Wert vorgegeben wird.
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