WO2015032668A1 - Beleuchtungsvorrichtung und digitaler profilprojektor - Google Patents

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WO2015032668A1
WO2015032668A1 PCT/EP2014/068153 EP2014068153W WO2015032668A1 WO 2015032668 A1 WO2015032668 A1 WO 2015032668A1 EP 2014068153 W EP2014068153 W EP 2014068153W WO 2015032668 A1 WO2015032668 A1 WO 2015032668A1
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WO
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lighting device
light
layer
angle
profile projector
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Application number
PCT/EP2014/068153
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French (fr)
Inventor
Evangelos Papastathopoulos
Original Assignee
Carl Zeiss Microscopy Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2433—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring outlines by shadow casting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/08—Optical projection comparators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/086—Condensers for transillumination only

Definitions

  • the invention relates to a lighting device and a digital profile projector with such
  • a profile projector is an arrangement for the representation and in particular for the measurement of the dimensions or the
  • a profile projector generally includes a bright one
  • Light source and a projection lens for imaging a silhouette of an object, which is located between the light source and the lens, on a projection surface.
  • the projection screen is a display device or a
  • the capture device is a digital image sensor.
  • a collimated (telecentric) or a diffuse (Lambertian) illumination is used.
  • the illumination light is strongly parallelized or aligned in a very narrow angular space.
  • a digital profile projector with such a collimated illumination is described, for example, in JP 4132308 B2 (FIG. 3). This homogenizes the light from an LED through a diffuser. To a high degree of collimation too realize, a diaphragm is used, which at the
  • Focus plane of the collimator lens is.
  • a disadvantage of this arrangement is that the aperture or the diameter of the
  • Collimator lens must be at least as large as the measuring field. Accordingly, a large and relatively expensive lens must be used for this purpose. Another disadvantage of this arrangement is that because of the positioning of the aperture on the focal plane of the collimator lens a large length of the lighting device is required.
  • Illuminating device for example for automated optical workpiece control (machine vision).
  • machine vision automated optical workpiece control
  • Lighting device comprises semiconductor diodes, which are arranged as Dies on a substrate and encapsulated with this.
  • the substrate itself or a layer on the substrate preferably serves as a diffuser.
  • a cover layer works
  • Such diffuse illumination provides low-contrast silhouettes on edges of transparent or partially transparent objects.
  • Display devices head-up displays a very flat-built collimated lighting device is known, in which an LED array is combined with a microlens array. The lighting is not over the whole
  • Micro lenses cause a local variation of the brightness or the light propagation direction, which can lead to artifacts when evaluating silhouettes.
  • LEDs with very small emission areas (about 10x10 ym 2 ) are needed, which again limits the illuminance strongly.
  • Panel made of glass which is a variety of thin
  • US 8 416 355 B2 relates to electro-optical filters for LCD or liquid crystal displays.
  • the focus of the invention is a compact and cost-efficient lighting, which is the generation of
  • Shadows are also possible with transparent or semitransparent objects with a particularly high contrast.
  • the invention has for its object to provide a compact high-intensity lighting device, the
  • a sub-task of the invention is to provide a profile projector with a high-contrast display and compact design.
  • the object is achieved with a lighting device with the features of claim 1 and with a profile projector with the features of claim 9.
  • An illumination device comprises an opaque background layer (base layer) on which an emission layer is arranged.
  • the emission layer comprises a light source for emitting illumination light.
  • a scattering layer is provided, through which the illumination light is homogenized.
  • a first optical angle filter is arranged, which filters the illumination light in terms of its angle of incidence in a first direction.
  • Lighting device is thus also suitable for use as transmitted light illumination in a microscope, in particular in a stereomicroscope.
  • the first optical angle filter is a layer system which comprises a lamellar layer.
  • the lamellar layer more than two fins are arranged parallel to each other.
  • a slat width extends substantially perpendicular to the plane of the slat layer and a slat length extends in the direction of the layer plane, or parallel to this.
  • Propagation direction of the illumination light restricted in one direction The propagation or observation angle depends on the selection of the distances and the geometry of the slats. It is through the targeted selection of these parameters
  • An exemplary privacy filter is offered by the company 3M as a Vikuity TM privacy filter in different versions. It consists of vertically extending slats, which are on the top and bottom of a transparent
  • Carrier film to be worn is Carrier film to be worn.
  • Emission layer may be arranged.
  • the distance may be fixed or variable in this case.
  • the distance between the slats is about 60 ym.
  • 200 ym account for the lamella width and 200 ym each on the carrier foils. This results in a geometric Shading at a lateral viewing angle of approx. 25 °.
  • the view from the top is not limited.
  • the first angle filter comprises an electrooptical or electroacoustic modulator for the dynamic adjustment of the filter properties.
  • the illumination device comprises a second optical angle filter. This serves to filter the angle of incidence of the
  • the second direction is approximately perpendicular to the first direction in the plane of the lamellar layer, that is, the longitudinal direction of the lamellae of the two angle filter is offset by approximately 90 °.
  • the light-emitting means is preferably an array of LEDs, which in terms of luminosity and distribution on the
  • white light LEDs are used, but it is also possible to use colored LEDs.
  • An alternative to a LED array is an organic one
  • an OLED which is used in the required size and emits very homogeneous light.
  • Such an OLED is a thin-film component of organic semiconducting materials, which can be produced very inexpensively.
  • the technological structure of the illumination device can be used as a layered foil or also, for example, by means of MEMs (microelectromechanical structures), AVT (construction and
  • Connection technology be produced in LTCC technology or, for example, by semiconductor technologies. In this regard, no restriction should be made here.
  • a digital profile projector comprises a light table on which an object to be examined can be placed.
  • the light table comprises a previously described illumination device.
  • An objective is arranged at a fixed or variable distance from the light table.
  • the lens is designed as a telecentric lens.
  • objects are imaged independently of their axial position with a constant magnification and captured by a camera.
  • further angular filters preferably are not located in the focal plane of the lens, but because of the large depth of field of a profile projector several mm or cm along an optical axis away from the focal plane.
  • the first and / or optionally further optical angle filter is rotatable about the optical axis of the profile projector. This makes it possible to minimize Moire interference, which is good
  • the objective comprises a ring illumination device.
  • images of the object can be additionally detected with a reflected light illumination.
  • the back reflection of the obliquely incident light of the ring illuminating device is strongly absorbed by the one or more angle filters, whereby the image of the object appears on a black background. It is particularly advantageous with this embodiment that as a result the contrast can be markedly improved in the case of weakly reflecting objects (for example in the case of black plastic parts).
  • the lens is used to image a silhouette
  • Image sensor for receiving the shadow image is arranged.
  • the silhouette can still be displayed on a display.
  • the recorded shadow image can be supplied to an image processing unit in a known manner. Surveying can be automated or based on user input.
  • Fig. 1 a schematic representation of a digital
  • 2 shows a schematic representation of a lamination layer of an angle filter
  • 3 shows illustrations of different objects with collimated, diffuse and inventive illumination.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a digital profile projector Ol.
  • the digital profile projector Ol comprises a light table 02, which is provided with an inventive
  • Lighting device 03 is equipped, whose structure will be discussed in more detail later.
  • Opposite the illuminated table 02 is a lens 04 arranged in a conventional manner such that by means of the lens 04 a placed on the light table 02 (not
  • a ring illumination device 06 is optionally provided.
  • the lighting device 03 is constructed in layers. It comprises an opaque background layer 07. On the background layer 07, an emission layer 08 is arranged.
  • the emission layer 08 comprises in the
  • LED x s 09 as light source.
  • the light emitting diodes emit
  • Such a scattering layer can, for example, a
  • a first optical angle filter 12 and a second optical angle filter 13 are arranged one above the other on the scattering layer such that the angle of incidence of the illumination light from the first angle filter 12 in a first direction and from the second angle filter 13 in a second (from the first different) direction is filtered.
  • the angle filter comprises a lamination layer 14 with parallel slats 16 (see FIG. 2).
  • Such an angle filter can, for example, by a commercially available
  • Screen protection film of the company 3M be formed or have such or similar structure.
  • the configuration of the angle filter or the filtering of the angle of incidence of the illumination light the expert can make by selecting fin spacing a, fin angle ⁇ and fin height c according to the requirements and adapted to the light source.
  • the fins 16 are light-absorbing
  • Angle filters are the fins 16 of the angle filters 12, 13 offset by about 90 ° to each other.
  • Illumination light depends also here on the selection of the
  • the ring illumination device is set such that, an incident angle ⁇ of the ring illumination light is larger than the fin angle a.
  • FIGS. 3 to 5 show various shadow images with different lighting devices in comparison.
  • Figure a) in each case the shadow image in collimated illumination, in Figure b) shown in diffuse illumination and in Figure c) with the lighting device according to the invention Ol.
  • Fig. 3 shadow images of a cylindrical object 17 are shown. It can be seen that in figure a, a relatively weak edge contrast is present, while in the diffuse illumination ( Figure b)) image artifacts 18 can be seen, which are caused by reflections of the scattered light on the surface of the object 17. Illustration shows good edge contrast and no artifacts.
  • Ring illuminating device 06 is strongly absorbed by the angle filters 12, 13, whereby the image of the object 23 appears on a black background. This increases especially with weakly reflective objects (e.g.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung (03) insbesondere zur Verwendung in einem Profilprojektor (01) und einen digitalen Profilprojektor mit einer solchen Beleuchtungsvorrichtung. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst schichtweise angeordnet eine lichtundurchlässige Hintergrundschicht (07); eine Emissionsschicht (08) mit einem darauf angeordneten Leuchtmittel zur Emission von Beleuchtungslicht; eine Streuschicht (11) zur Homogenisierung des von der Emissionsschicht (08) emittierten Beleuchtungslichtes und mindestens einen ersten optischen Winkelfilter (12) zur Filterung des Einfallswinkels des Beleuchtungslichtes in einer ersten Richtung.

Description

Beleuchtungsvorrichtung und digitaler Profilprojektor
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung und einen digitalen Profilprojektor mit einer solchen
BeieuchtungsVorrichtung .
Ein Profilprojektor ist eine Anordnung zur Darstellung und insbesondere zur Vermessung der Dimensionen bzw. der
zweidimensionalen Geometrie von meist technischen Objekten. Dabei ist meist nicht nur das reine Schattenbild von
Interesse, sondern es sollen auch transparente oder
halbtransparente Objekte mit guter Qualität projizierbar sein.
Ein Profilprojektor umfasst im Allgemeinen eine helle
Lichtquelle und ein Projektionsobjektiv zur Abbildung einer Silhouette eines Objektes, das sich zwischen Lichtquelle und Objektiv befindet, auf einer Projektionsfläche.
Die Projektionsfläche ist ein Anzeigegerät oder ein
Aufnahmegerät. Bei einem digitalen Profilprojektor ist das Aufnahmegerät ein digitaler Bildsensor.
Zu Generierung der Schattenbilder wird in der Regel eine kollimierte ( telezentrische) oder eine diffuse (Lambertsche) Beleuchtung verwendet.
Bei einer kollimierten Beleuchtung wird das Beleuchtungslicht stark parallelisiert bzw. in einem sehr engen Winkelraum ausgerichtet .
Ein digitaler Profilprojektor mit einer solchen kollimierten Beleuchtung wird beispielsweise in JP 4132308 B2 beschrieben (Fig. 3) . Hiermit wird das Licht von einer LED durch eine Streuscheibe homogenisiert. Um einen hohen Kollimationsgrad zu realisieren, wird eine Blende eingesetzt, welche an der
Fokusebene der Kollimatorlinse steht. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, dass die Apertur bzw. der Durchmesser der
Kollimatorlinse mindestens genau so groß sein muss wie das Messfeld. Demgemäß muss hierfür eine Große und vergleichsweise teure Linse eingesetzt werden. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung ist, dass wegen der Positionierung der Blende auf der Fokusebene der Kollimatorlinse eine große Baulänge der Beleuchtungsvorrichtung erforderlich ist.
Aus der DE 1 041 266 B ist ein Profilprojektor für Durch- und Auflichtbeleuchtung mit kollimierter Beleuchtung bekannt, welche ebenfalls eine große Baulänge besitzt.
Die US 7 659 574 B2 beschreibt eine kompakte diffuse
Beleuchtungseinrichtung beispielsweise für automatisierte optische Werkstückkontrolle (machine vision) . Die
Beleuchtungseinrichtung umfasst Halbleiterdioden, die als Dies auf einem Substrat angeordnet und mit diesem verkapselt sind. Das Substrat selbst oder eine Schicht auf dem Substrat dient vorzugsweise als Diffusor. Eine Deckschicht wirkt
homogenisierend. Eine solche diffuse Beleuchtung liefert kontrastarme Schattenbilder bei Kanten transparenter oder teilweise transparenter Objekte.
Weiterhin ist aus der US 7 513 668 Bl beispielsweise für
Anzeigegeräte (Head-up-Displays ) eine sehr flach bauende kollimierte Beleuchtungsvorrichtung bekannt, bei welcher ein LED-Array mit einem Mikrolinsen-Array kombiniert wird. Die Beleuchtung ist allerdings nicht über das gesamte
Beleuchtungsfeld homogen, da die Pupillenränder der
Mikrolinsen eine lokale Variation der Helligkeit bzw. der Lichtausbreitungsrichtung verursachen, was bei der Auswertung von Schattenbildern (Silhouetten) zu Artefakten führen kann. Für einen hohen Kollimationsgrad werden hier LED' s mit sehr kleinen Emissionsflächen (etwa 10x10 ym2 ) benötigt, was die Beleuchtungsstärke wieder stark limitiert.
Die DE 29 14 682 AI beschreibt ein plattenförmiges
Blendenelement aus Glas, das eine Vielzahl von dünnen
lichtabsorbierenden Lamellen oder Schichten aufweist.
In der DE 10 2007 057 671 AI ist eine Beleuchtungsvorrichtung bekannt, bei der in ein Chipgehäuse ein Winkelfilterelement integriert ist. Als Winkelfilter sind bestimmte
Strukturelemente oder dielektrische Filter genannt, an denen das Licht reflektiert wird, bis der Einfallswinkel unkritisch ist .
Die US 8 416 355 B2 betrifft elektrooptische Filter für LCD oder Flüssigkristalldisplays.
Aus der WO 2008/122907 A2 ist eine OLED mit einem Winkelfilter für großflächige Raumbeleuchtung bekannt.
Im Mittelpunkt der Erfindungsmeldung steht eine kompakte und kosteneffiziente Beleuchtung, welche die Generierung von
Schattenbildern auch von transparenten oder halbtransparenten Objekten mit besonders hohem Kontrast ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte lichtstarke Beleuchtungseinrichtung zu schaffen, die
kollimiertes und homogenes Licht erzeugt. Eine Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, einen Profilprojektor mit einer kontrastreichen Darstellung und kompakter Bauform bereit zu stellen . Die Aufgabe wird mit einer Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Profilprojektor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine lichtundurchlässige Hintergrundschicht (Basisschicht) auf der eine Emissionsschicht angeordnet ist.
Die Emissionsschicht umfasst ein Leuchtmittel zur Emission von Beleuchtungslicht .
Auf der Emissionsschicht ist eine Streuschicht vorgesehen, durch welche das Beleuchtungslicht homogenisiert wird.
Auf der Emissionsschicht ist ein erster optischer Winkelfilter angeordnet, welcher das Beleuchtungslicht hinsichtlich seines Einfallswinkels in einer ersten Richtung filtert.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass eine kontrastreichere Beleuchtung mit einer kompakteren und preiswerter herstellbaren Beleuchtungsvorrichtung erzielt werden kann, da auf große und teure Kollimatorlinsen komplett verzichtet werden kann. Eine erfindungsgemäße
Beleuchtungseinrichtung ist damit auch zur Verwendung als Durchlichtbeleuchtung in einem Mikroskop, insbesondere in einem Stereomikroskop, geeignet.
Der erste optische Winkelfilter ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein Schichtsystem, welches eine Lamellenschicht umfasst. In der Lamellenschicht sind mehr als zwei Lamellen parallel zueinander angeordnet. Dabei erstreckt sich eine Lamellenbreite im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Lamellenschicht und eine Lamellenlänge erstreckt sich in Richtung der Schichtebene, bzw. parallel zu dieser. Durch die vorzugsweise lichtabsorbierenden Lamellen wird die
Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtes in eine Richtung eingeschränkt. Der Propagations- bzw. Beobachtungswinkel hängt von der Auswahl der Abstände und der Geometrie der Lamellen ab. Durch die gezielte Auswahl dieser Parameter ist es
möglich, den Kollimationsgrad der Beleuchtungsvorrichtung zu beeinflussen .
Die Lamellenschicht ist in einer bevorzugen Ausführungsform des Winkelfilters zu jeder Seite durch eine transparente
Schutzschicht bedeckt und wird gleichzeitig von diesen
Schutzschichten stabilisiert und getragen.
Ein solcher Winkelfilter ist in der zuvor genannten
bevorzugten Ausführungsform bereits zur Verwendung als
Blickschutzfilter bei Monitoren und Displays bekannt und sehr kostengünstig herstellbar.
Ein beispielhafter Blickschutzfilter wird von der Firma 3M als Vikuity ™ Blickschutzfilter in verschiedenen Ausführungen angeboten. Er besteht aus senkrecht verlaufenden Lamellen, die auf der Ober- und Unterseite von einer transparenten
Trägerfolie getragen werden.
Der Winkelfilter kann in alternativen Ausführungsformen um mehrere mm oder cm beabstandet und parallel zur
Emissionsschicht angeordnet sein. Der Abstand kann in diesem Fall fest oder variabel sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen den Lamellen ca. 60 ym. Bei einer Foliendicke von ca. 600 ym entfallen 200 ym auf die Lamellenbreite und jeweils 200 ym auf die Trägerfolien. Daraus resultiert eine geometrische Abschattung bei einem seitlichen Blickwinkel von ca. 25°. Der Blick von oben ist nicht eingeschränkt.
Der erste Winkelfilter umfasst in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einen elektrooptischen oder elektroakustischen Modulator zur dynamischen Einstellung der Filtereigenschaften. Damit kann die Winkelverteilung des Lichtes je nach
Anwendungsfall adaptiv angepasst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsvorrichtung einen zweiten optischen Winkelfilter. Dieser dient zur Filterung des Einfallswinkels des
Beleuchtungslichtes in einer zweiten Richtung, die
unterschiedlich zur ersten Richtung ist. Vorzugsweise ist die zweite Richtung etwa senkrecht zur ersten Richtung in der Ebene der Lamellenschicht, das heißt, die Längsrichtung der Lamellen der beiden Winkelfilter ist um ca. 90° versetzt.
Selbstverständlich könnten auch weitere Winkelfilter verwendet werden, wenn dies erforderlich ist.
Das Leuchtmittel ist vorzugsweise ein Array aus LED's, das hinsichtlich der Leuchtstärke und Verteilung auf den
jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt ist. Der Fachmann kann dabei die Anordnung und Anzahl der LED' s den Anforderungen entsprechend variieren und die geeignete LED auswählen.
Vorzugsweise werden Weisslicht-LED' s verwendet, es ist aber ebenso möglich farbige LED's einzusetzen.
Eine Alternative zu einem LED-Array ist eine organische
Leuchtdiode, eine OLED, welche in der geforderten Größe eingesetzt wird und sehr homogenes Licht emittiert. Eine solche OLED ist ein Dünnschichtbauelement aus organischen halbleitenden Materialien, das sehr preiswert herstellbar ist. Der technologische Aufbau der Beleuchtungsvorrichtung kann als Schichtfolie oder auch beispielsweise mittels MEM' s (micro- electro-mechanical structures) , AVT (Aufbau- und
Verbindungstechnik) , in LTCC-Technologie oder beispielsweise durch Halbleitertechnologien hergestellt sein. Diesbezüglich soll hier keine Einschränkung vorgenommen werden.
Ein erfindungsgemäßer digitaler Profilprojektor umfasst einen Leuchttisch, auf dem ein zu untersuchendes Objekt platziert werden kann. Der Leuchttisch umfasst eine zuvor beschriebene Beieuchtungseinrichtung .
Ein Objektiv ist in einem festen oder veränderlichen Abstand zum Leuchttisch angeordnet. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist das Objektiv als telezentrisches Objektiv ausgebildet. Hiermit werden Objekte unabhängig von ihrer axialen Position mit einem konstanten Abbildungsmaßstab abgebildet und von einer Kamera erfasst.
Um zu verhindern, dass optisch sichtbare Strukturen und
Inhomogenitäten des Winkelfilters (hervorgerufen durch
Partikel, Mikrostrukturen, Lamellen) auf dem Kamerasensor abgebildet werden, sollte die Ebene des ersten oder ggf.
weiteren Winkelfiltern vorzugsweise nicht in der Fokusebene des Objektives liegen, sondern wegen der großen Schärfentiefe eines Profilprojektors mehrere mm oder cm entlang einer optischen Achse von der Fokusebene entfernt angeordnet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der erste und/oder ggf. weitere optische Winkelfilter um die optische Achse des Profilprojektors drehbar. Damit ist es möglich, Moire-Interferenzen zu minimieren, was für eine gute
Kantendetektion wichtig ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Objektiv eine Ringbeleuchtungsvorrichtung. Damit können Bilder des Objektes zusätzlich mit einer Auflichtbeleuchtung erfasst werden. In einem solchen Fall wird die Rückreflektion des schräg einfallenden Lichtes der Ringbeleuchtungsvorrichtung von dem oder den Winkelfiltern stark absorbiert, wodurch das Bild des Objektes auf einem schwarzen Hintergrund erscheint. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass dadurch der Kontrast bei schwach reflektierenden Objekten (z. Bsp. bei schwarzen Kunststoffteilen) deutlich verbessert werden kann.
Das Objektiv dient der Abbildung eines Schattenbildes
(Silhouette) des Objektes in einer Bildebene, in der ein
Bildsensor zur Aufnahme des Schattenbildes angeordnet ist. Das Schattenbild kann weiterhin auf einem Display abgebildet werden .
Zur Vermessung von bestimmten Eigenschaften des Objektes kann das aufgenommenen Schattenbild einer Bildverarbeitungseinheit in bekannter Weise zugeführt werden. Die Vermessung kann automatisiert erfolgen oder anhand von Benutzereingaben.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines digitalen
Profilprojektors mit einer erfindungsgemäßen
BeleuchtungsVorrichtung,·
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Lamellenschicht eines Winkelfilters; Fig. 3: Abbildungen verschiedener Objekte mit kollimierter, diffuser und erfindungsgemäßer Beleuchtung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines digitalen Profilprojektors Ol. Der digitale Profilprojektor Ol umfasst einen Leuchttisch 02, der mit einer erfindungsgemäßen
Beleuchtungsvorrichtung 03 ausgerüstet ist, auf deren Aufbau später ausführlicher eingegangen wird.
Gegenüber des Leuchttisches 02 ist ein Objektiv 04 in an sich bekannter Weise derart angeordnet, dass mittels des Objektives 04 ein auf dem Leuchttisch 02 platziertes (nicht
dargestelltes) Objekt als Schattenbild auf einem Bildsensor 05 abgebildet wird. Am Umfang des Objektives 04 ist optional eine Ringbeleuchtungsvorrichtung 06 vorgesehen.
Die Beleuchtungsvorrichtung 03 ist schichtförmig aufgebaut. Sie umfasst eine lichtundurchlässige Hintergrundschicht 07. Auf der Hintergrundschicht 07 ist eine Emissionsschicht 08 angeordnet. Die Emissionsschicht 08 umfasst in der
dargestellten Ausführungsform ein Array von Leuchtdioden
(LEDxs) 09 als Leuchtmittel. Die Leuchtdioden emittieren
Beleuchtungslicht .
Auf der Emissionsschicht 08 ist eine Streuschicht 11
vorgesehen, mit deren Hilfe das Beleuchtungslicht homogeniert wird. Ein solche Streuschicht kann beispielsweise eine
grundierte Glas- oder Plastikscheibe sein. Der Fachmann kann geeignete Oberflächen und Materialien auswählen.
Ein erster optischer Winkelfilter 12 und ein zweiter optischer Winkelfilter 13 sind übereinander auf der Streuschicht derart angeordnet, dass der Einfallswinkel des Beleuchtungslichtes vom ersten Winkelfilter 12 in einer ersten Richtung und vom zweiten Winkelfilter 13 in einer zweiten (von der ersten verschiedenen) Richtung gefiltert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Winkelfilter eine Lamellenschicht 14 mit parallel verlaufenden Lamellen 16 (siehe Fig. 2) . Ein solcher Winkelfilter kann beispielsweise durch eine im Handel erhältliche
Displayschutzfolie der Firma 3M gebildet sein oder einen solchen oder ähnlichen Aufbau besitzen.
Die Konfiguration des Winkelfilters bzw. der Filterung der des Einfallswinkels des Beleuchtungslichtes kann der Fachmann vornehmen, indem er Lamellenabstand a, Lamellenwinkel α und Lamellenhöhe c entsprechend den Erfordernissen und angepasst an das Leuchtmittel auswählt.
Voreilhafterweise sind die Lamellen 16 lichtabsorbierend
Bei der Verwendung eines ersten und eines zweiten
Winkelfilters sind die Lamellen 16 der Winkelfilter 12, 13 um etwa 90° zueinander versetzt. Der Propagationswinkel des
Beleuchtungslichtes hängt auch hier von der Auswahl der
Geometrie und der Abstände des Lamellen ab.
Die Ringbeleuchtungsvorrichtung ist derart eingestellt, dass, ein Einfallswinkel υ des Ringbeleuchtungslichtes größer ist, als der Lamellenwinkel a.
Fig. 3 bis 5 zeigen verschiedene Schattenbilder-Aufnahmen mit verschiedenen Beleuchtungsvorrichtungen im Vergleich. Dabei ist in Abbildung a) jeweils das Schattenbild bei kollimierter Beleuchtung, in Abbildung b) bei diffuser Beleuchtung und in Abbildung c) mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung Ol dargestellt. In Fig. 3 sind Schattenbilder eines zylindrischen Objektes 17 gezeigt. Es ist erkennbar, dass in Abbildung a ein relativ schwacher Kantenkontrast vorhanden ist, während bei der diffusen Beleuchtung (Abb. b) ) Bildartefakte 18 zu erkennen sind, welche durch Reflektionen des gestreuten Lichtes auf der Oberfläche des Objektes 17 hervorgerufen werden. Abbildung zeigt einen guten Kantenkontrast und keine Artefakte.
In Fig. 4 sind die Unterschiede der Beleuchtungsarten bei der Darstellung eines transparenten Objektes (hier eines Lineals 19) zu erkennen. Insbesondere anhand der Kanten 21 und 22, welche in Abbildung c) besonders kontrastreich erscheinen, ist die Überlegenheit der erfindungsgemäßen
Beleuchtungsvorrichtung erkennbar .
Gemäß Fig. 5 wird die Ringbeleuchtungsvorrichtung 06
eingesetzt, um Bilder eines Objektes 23 mit
Auflichtbeleuchtung zu erfassen. Dabei wird eine
Rückreflektion des schräg einfallenden Lichtes der
Ringbeleuchtungsvorrichtung 06 von den Winkelfiltern 12, 13 stark absorbiert, wodurch das Bild des Objektes 23 auf einem schwarzen Hintergrund erscheint. Dies erhöht insbesondere bei schwach reflektierenden Objekten (z.B. schwarzen
Kunststoffteilen) den Kontrast deutlich und Artefakte 24 bzw. Reflektionen von der Linsenfläche (Abb. a) ) treten nicht auf (Abb. c) ) . ;zugs zeichenliste Profilprojektor
Leuchttisch
Beleuchtungsvorrichtung Objektiv Ringbeleuchtungsvorrichtung Hintergrundschicht
Emissionsschicht
LED Streuschicht
erster Winkelfilter zweier Winkelfilter
Lamellenschicht Lamelle
zylindrisches Objekt
Bildartefakt
Lineal Kante
Kante
Objekt
Artefakt

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungsvorrichtung (03) insbesondere zur Verwendung in einem Profilprojektor (01) umfassend schichtweise
angeordnet :
eine lichtundurchlässige Hintergrundschicht (07); eine Emissionsschicht (08) mit einem darauf
angeordneten Leuchtmittel zur Emission von
Beleuchtungslicht ;
eine Streuschicht (11) zur Homogenisierung des von er Emissionsschicht (08) emittierten Beleuchtungslichtes; mindestens einen ersten optischen Winkelfilter (12) zur Filterung des Einfallswinkels des Beleuchtungslichtes in einer ersten Richtung.
2. Beleuchtungsvorrichtung (03) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Winkelfilter (12) eine erste
Lamellenschicht (14) umfasst, in welcher mehr als zwei Lamellen (16) parallel zueinander angeordnet sind, wobei sich eine Lamellenbreite (c) im Wesentlichen senkrecht zu einer Schichtebene erstreckt und eine Lamellenlänge (b) sich in Richtung der Schichtebene erstreckt.
3. Beleuchtungsvorrichtung (03) nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lamellen (16) lichtabsorbierend sind .
4. Beleuchtungsvorrichtung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel ein LED- Array aus mehreren LED' s (09) ist.
5. Beleuchtungsvorrichtung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel eine OLED oder ein OLED-Array ist.
6. Beleuchtungsvorrichtung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelfilter (12) einen elektrooptischen oder elektroakustischen Modulator zur dynamischen Einstellung der Filtereigenschaften umfasst.
7. Beleuchtungsvorrichtung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das es einen zweiten
Winkelfilter (13) zur Filterung des Einfallswinkels des Beleuchtungslichtes in einer zweiten Richtung, die
unterschiedlich zur ersten Richtung ist, umfasst.
8. Digitaler Profilprojektor (01) zur Erzeugung eines
Schattenbildes eines Objektes umfassend
einen Leuchttisch (02) mit einer
Beleuchtungsvorrichtung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, auf dem das Objekt zu platzieren ist,
ein Objektiv (04) mit einer Abbildungsoptik, das in einem veränderlichen Abstand zum Leuchttisch (02) angeordnet ist,
einen digitalen Bildsensor (05) zur Aufnahme des vom Objektiv (04) abgebildeten Schattenbildes.
9. Digitaler Profilprojektor (1) nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, dass das Objektiv (04) ein telezentrisches Objektiv ist.
Digitaler Profilprojektor (01) nach Anspruch
gekennzeichnet, dass das Objektiv (04) eine
Ringbeleuchtungsvorrichtung (06) umfasst.
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