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Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung einer gewölbten Oberfläche - Dokument DE102005014415B3
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005014415B3 22.03.2007
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung einer gewölbten Oberfläche
Anmelder ISRA Vision Systems AG, 64297 Darmstadt, DE
Erfinder Schipke, Jörg, 76316 Malsch, DE;
Westenhöfer, Matthias, 77654 Offenburg, DE
Vertreter Keil & Schaafhausen Patentanwälte, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 24.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005014415
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.03.2007
IPC-Hauptklasse G01N 21/954(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01N 21/90(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung einer gewölbten Oberfläche (5) mit einer Kamera (2) mit Objektiv (3) und einer Lampe (4) beschrieben. Die Kamera (2) ist auf die Innenseite der gewölbten Oberfläche (5) ausrichtbar und die Lampe (4) ist derart anordenbar, dass von der Lampe (4) ausgestrahltes Licht (7) von der Innenseite der gewölbten Oberfläche (5) in die Kamera (2) reflektiert wird. Um bei einfacher Anordnung einen hohen Kontrast zu erreichen, ist die Lampe (4) im Strahlengang des Objektivs (3) der Kamera (2) angeordnet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung einer insbesondere nach innen gewölbten, reflektierenden Oberfläche mit einer Kamera mit Objektiv und einer Lampe, wobei die Kamera auf die Innenseite der gewölbten Oberfläche ausrichtbar ist und die Lampe derart anordenbar ist, dass von der Lampe ausgestrahltes Licht von der Innenseite der gewölbten Oberfläche in die Kamera reflektiert wird.

Durch eine Beleuchtung und Aufnahme von Oberflächen ist es möglich, Strukturen auf den Oberflächen mittels an die optischen Kameras angeschlossenen üblichen Bildauswerteverfahren zu erkennen. Sollen schwache Strukturen auf reflektierenden, gewölbten Oberflächen sichtbar gemacht werden, führen die bisher eingesetzten Beleuchtungs- und Optikanordnungen, wie diffus oder gerichtet strahlende Beleuchtungen als Hell- und/oder Dunkelfeld, nicht zu einem für ein einfache Bildauswertung ausreichenden Kontrast. Andere Untersuchungsverfahren, wie Weißlichtinterferometrie, oder ein konfokales Messsystem sind dagegen aufwendig, teuer und in der Untersuchungsgeschwindigkeit zu langsam.

So ist aus der DE 198 54 942 C2 ein Verfahren zur Bestimmung der Topographie von sphärisch oder asphärisch gekrümmten Oberflächen bekannt, bei dem die zu vermessende Oberfläche mit einem Messstrahl mit gegenüber der Oberfläche sehr kleinen Apertur abgetastet wird, wobei der Messstrahl im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche ausgerichtet wird. Die Bestimmung der Oberflächenform erfolgt mittels eines Interferogramms.

Die DE 35 00 332 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche eines Gegenstands, bei dem mittels einer Linseneinrichtung ein Bild der gekrümmten Oberfläche auf einem ebenem Schirm abgebildet wird und eine weitere Linseneinrichtung vorgesehen ist, um von der gekrümmten Oberfläche ein in einer flachen Ebene liegendes reelles und vollkommen in der flachen Ebene fokussiertes Zwischenbild herzustellen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit zur Untersuchung gewölbter Oberflächen vorzuschlagen, die mit einem konstruktiv einfachen Aufbau eine ausreichende Kontrastierung der zu untersuchenden Oberfläche erreicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere vorgesehen, dass die Lampe im Strahlengang des Objektivs der Kamera angeordnet ist. Durch Anordnung der Lampe im Strahlengang des Kameraobjektivs kann erreicht werden, dass die Lampe mit großem Abstrahlwinkel auf die gewölbte Oberfläche einstrahlt und diese gleichmäßig ausleuchtet. Die gewölbte Oberfläche sorgt dafür, dass das Licht an jeder Stelle der Wölbung in die Kamera gebündelt und in die Kamera reflektiert wird. Oberflächenstrukturen werden durch die gleichmäßige Ausleuchtung aufgrund der Bündelung des Lichtes ausreichend kontrastiert und können mit herkömmlichen Methoden der Bildverarbeitung einfach ausgewertet werden. Aufgrund des hohen erreichten Kontrastes kann auch eine vergleichsweise kurze Belichtungszeit für die Bilder verwendet werden, sodass auch bewegte Oberflächen untersucht werden können, ohne die Bewegung bspw. während einer Produktion unterbrechen zu müssen.

Die Lampe kann in einer Ausführungsform der Erfindung aus einem Leuchtmittel und einer Optik bestehen, die das von dem Leuchtmittel erzeugte Licht in den Strahlengang des Objektivs einkoppelt. Dazu kann die Optik Linsen zur Bündelung des Lichtes und einen insbesondere halbdurchlässigen Spiegel aufweisen, der im Strahlengang des Objektivs der Kamera angeordnet ist. Das optische System wird so eingestellt, dass das Licht auf dem Spiegel im Wesentlichen punktförmig gebündelt ist, so dass es in einem großen Abstrahlwinkel auf die gewölbte Oberfläche einstrahlt.

Eine solche Optik weist jedoch viele Einzelkomponenten auf, was zu vergleichsweise großen Abmessungen der Vorrichtung führt. Außerdem müssen die Einzelkomponenten aufwendig einjustiert werden. Eine leichter handhabbare Vorrichtung lässt sich dadurch erreichen, dass die Lampe eine insbesondere punktförmige Lichtquelle ist. Als punktförmige Lichtquelle ist dabei ein in den Abmessungen im Vergleich zu dem Objektiv der Kamera und der zu untersuchenden Oberfläche kleines Leuchtmittel zu verstehen, bspw. eine LED-Beleuchtung. Die punktförmige bzw. kleine Lichtquelle strahlt Licht mit einem großen Abstrahlwinkel auf die Innenseite der gewölbten Oberfläche ab, das dort gebündelt und in die Kamera reflektiert wird, ohne dass eine aufwendige Optik vorgesehen werden muss. Die untersuchte Oberfläche des Objekts wird so homogen ausgeleuchtet. Bereiche der Oberfläche, die das Licht nicht in das Objektiv reflektieren, bspw. Strukturen wie Risse, Dellen oder dgl. Unebenheiten, erscheinen dann deutlich dunkler. Dadurch wird ein ausreichender, einfach auswertbarer Kontrast erzeugt, der es ermöglicht, Oberflächenstrukturen auch mit einer einfachen, herkömmlichen Bildauswertung zu erkennen.

Erfindungsgemäß kann die Lampe zentral, insbesondere auf der optischen Achse der Kamera, angeordnet sein, um eine bezogen auf das Kamerabild möglichst gleichmäßige Ausleuchtung der gewölbten Oberfläche zu erreichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Lampe nicht im Fokus der Kamera angeordnet. Die Kamera wird zur Erkennung der Oberflächenstruktur im Fokus (Bildschärfe) derart eingestellt, dass die gewölbte Oberfläche in der Kamera schart abgebildet wird. Die Lampe, insbesondere die punktförmige Lichtquelle, wird dann außerhalb der Bildschärfe der Kamera angeordnet, so dass die Kamera um das Leuchtmittel herumblickt. Das Leuchtmittel ist somit im Kamerabild nicht sichtbar und die Objektoberfläche wird ohne Störkonturen abgebildet. In dieser Anordnung liegt ein besonderer Vorteil der Erfindung, insbesondere wenn die punktförmige Lichtquelle im Vergleich zum Durchmesser des Objektivs der Kamera klein ist.

Es hat sich herausgestellt, dass die Lampe bzw. punktförmige Lichtquelle im Kamerabild dann besonders unauffällig ist, wenn der Abstand von der Lampe zu der gewölbten Oberfläche im Betrieb der Vorrichtung größer ist als der Abstand von der Lampe zum Objektiv der Kamera. Insbesondere kann die Lampe so nah wie möglich an das Objektiv herabgebracht werden, bspw. sogar auf dem Objektiv selbst festlegbar sein. Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Abstand der Lichtquelle zu der Kamera bspw. auch während des Betriebs verstellbar ist.

Vorzugsweise weist die gewölbte Oberfläche eine einem Hohlspiegel ähnliche Form auf. Bei einer hohlspiegelartig oder zumindest zylindrisch ausgebildeten Form lässt sich die Bündelung des Lichtes besonders gut erreichen. Besonders geeignet ist die Vorrichtung daher für die Untersuchung metallischer Oberflächen, bspw. von Metallverpackungen wie Dosen, deren gewölbte Seitenwandung oder Boden untersucht werden soll.

Die gestellte Aufgabe wird auch durch Verfahren zur Untersuchung einer insbesondere nach innen gewölbten, reflektierenden Oberfläche mit einer Kamera mit Objektiv gelöst, bei dem die gewölbte Oberfläche mit einer Lampe beleuchtet und das von der Lampe ausgestrahlte Licht von der Innenseite der gewölbten Oberfläche in die Kamera reflektiert wird. Dabei wird die insbesondere als punktförmige Lichtquelle geringer Ausdehnung ausgebildete Lampe im Strahlengang des Objektivs angeordnet. Bei dieser Anordnung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Reflexion der gewölbten Oberfläche des Objekts ähnlich wie bei einem Hohlspiegel zur Bündelung der Lichtstrahlen ausgenutzt. Dadurch wird eine gleichmäßige Ausleuchtung der gewölbten Oberfläche und eine hohe Kontrastierung von Oberflächenstrukturen auf der gewölbten Oberfläche erreicht, weil die Oberflächenstrukturen das reflektierte Licht von der Kamera wegstreuen und auf der sonst hellen Oberfläche dunkel erscheinen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere mit der vorbeschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden.

Vorzugsweise wird der Fokus der Kamera nicht auf die Lampe eingestellt, sondern auf die gewölbte Oberfläche, um die Oberflächenstrukturen genau zu erkennen. Es ist vorteilhaft, die Lampe erfindungsgemäß außerhalb des Tiefenschärtebereichs des Objektivs anzuordnen, um zu erreichen, dass die Kamera um die Lampe bzw. Lichtquelle herumblickt und in dem Kamerabild keine Störkonturen der Lampe erkennbar sind.

Dazu kann die Lampe bspw. bei der Inbetriebnahme solange auf das Objektiv der Kamera zu bewegt werden, bis die Lampe im Kamerabild nicht mehr sichtbar ist und/oder bis die Lampe auf dem Objektiv festliegt.

Erfindungsgemäß lässt sich das Verfahren besonders gut zur Kontrastierung von Oberflächenstrukturen auf gewölbten metallischen Oberflächen, insbesondere von Metallverpackungen wie Dosen, verwenden.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer kleinen Lichtquelle bzw. eines kleinen Leuchtmittels im Strahlgang des Objektivs der Kamera kann eine besonders gute Ausleuchtung und Kontrastierung durch Bündelung des vorhandenen Lichts erreicht werden, ohne dass die Lichtquelle bei Anordnung außerhalb des Fokus der Kamera im Kamerabild sichtbar ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschrieben und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.

Die einzige 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Untersuchung einer nach innen gewölbten Oberfläche 5 eines Objektes. Das Objekt weist ein reflektierende Oberfläche auf und kann bspw. aus Metall bestehen. Insbesondere lässt sich die Vorrichtung 1 zur Untersuchung von Metallverpackungen wie bspw. Dosen verwenden. Die Vorrichtung ist jedoch nicht auf diese Verwendung beschränkt und kann allgemein für eine Untersuchung gewölbter, reflektierender Oberflächen eingesetzt werden.

Die Vorrichtung 1 weist eine Kamera 2 mit einem Objektiv 3 auf, das auf die zu untersuchende, nach innen gewölbte Oberfläche 5 ausgerichtet und fokussiert ist. Ferner ist in einem nicht dargestellten Gehäuse der. Vorrichtung 1 eine als punktförmige Lichtquelle ausgebildete Lampe 4 derart angeordnet, dass das von der Lichtquelle 4 ausgestrahlte Licht 7 die Innenseite der gewölbten Oberfläche 5 mit einem großen Abstrahlwinkel beleuchtet und aufgrund der Wölbung der Oberfläche 5 gebündelt reflektiert wird.

Die Kamera 2 ist relativ zu der Lichtquelle 4 derart angeordnet, dass das von der gewölbten Oberfläche 5 reflektierte Licht 8 durch das Objektiv 3 in die Kamera 2 fällt. Dadurch erscheint die Oberfläche 5 hell. Um eine besonders gleichmäßig Ausleuchtung der gewölbten Oberfläche 5 zu erreichen, ist die Lichtquelle 4 im Strahlengang des Objektivs 3 der Kamera 4 angeordnet und liegt mit ihrem Zentrum auf der optischen Achse 6 der Kamera 2 bzw. des Objektivs 3.

Weil die Lichtquelle 4 außerhalb des Fokus bzw. Bildschärfebereichs der Kamera 2 liegt und in ihren Abmessungen im Vergleich zum Durchmesser des Objektivs 3 klein ist, blickt die Kamera 2 um die Lichtquelle 4 herum, die somit in dem Kamerabild nicht als Störkontur in Erscheindung tritt. Daher kann die gesamte gewölbte Oberfläche 5 zuverlässig untersucht werden, ohne dass die im Strahlengang des Objektivs 3 angeordnete Lichtquelle 3 stört. Bei dieser Anordnung kann in besonders kompakter Anordnung eine sehr gleichmäßige Ausleuchtung der gewölbten Oberfläche 5 erreicht werden, wenn diese zur Oberflächenuntersuchung mit ihrem Mittelpunkt in oder in der Nähe der optischen Achse 6 der Kamera 2 angeordnet ist, um eine insgesamt symmetrische Anordnung zu erreichen.

Zur Einstellung des ausgestrahlten und reflektierten Lichts 7, 8 können die Kamera 2 und die Lichtquelle 4 in der Vorrichtung 1 insbesondere entlang der optischen Achse 6 sowohl relativ zueinander als auch gemeinsam relativ zu der gewölbten Oberfläche 5 durch geeignete Einstellmittel verstellt werden.

Bei Verwendung der Vorrichtung 1 zur Untersuchung der gewölbten Oberfläche 5 werden die ausgestrahlten Lichtstrahlen 7 der Lichtquelle 4 auf der ungestörten Oberfläche 5 reflektiert und als reflektierte Lichtstrahlen 8 von der Kamera 2 erfasst, welche die gesamte Oberfläche 5 hell erscheinen lassen.

Bei einer auf der Oberfläche 5 vorhandenen Oberflächenstruktur 10, bspw. einem Riss, einer Delle, einer Erhebung oder dgl., wird der ausgestrahlte Lichtstrahl 7 nicht in die Kamera 2 reflektiert, sondern als gestreutes Licht 9 diffus wegstreut. Der Bereich der Oberflächenstruktur 10 erscheint daher im Bild der Kamera 2 dunkel. Aufgrund der guten Bündelung des Lichts in der Oberfläche 5, welche die strukturlose Oberfläche 5 besonders hell erscheinen lässt, wird durch die Erfindung ein hoher Kontrast im Bereich der Oberflächenstruktur 10 erzeugt. Daher kann das Bild der Kamera 2 mit einer üblichen Bildauswertung, die Teil der Vorrichtung 1 und an die Kamera 2 angeschlossen ist, ausgewertet werden.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Lichtquelle 4 im Strahlengang des Objektivs 3 wird die reflektierende Oberflächenwölbung optimal zur Bündelung des vorhandenen Lichts und Erhöhung des Kontrastes ausgenutzt, ohne dass die außerhalb des Fokus der Kamera 2 liegende Lichtquelle 4 im Kamerabild störend sichtbar wäre. Daher ermöglicht die Erfindung ein mittels einer einfach aufgebauten Vorrichtung 1 durchführbares Kontrastierverfahren zur Untersuchung gewölbter Oberflächen.

1
Vorrichtung zur Untersuchung einer gewölbten Oberfläche
2
Kamera
3
Objektiv
4
Lampe, Lichtquelle
5
gewölbte Oberfläche
6
optische Achse
7
ausgestrahltes Licht
8
gestreutes Licht
9
reflektiertes Licht
10
Oberflächenstruktur


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Untersuchung einer gewölbten Oberfläche (5) mit einer Kamera (2) mit Objektiv (3), die auf die Innenseite der gewölbten Oberfläche (5) ausrichtbar ist, und einer Lampe (4), die im Strahlengang des Objektivs (3) der Kamera (2) angeordnet ist, wobei von der Lampe (4) ausgestrahltes Licht (7) von der Innenseite der gewölbten Oberfläche (5) in die Kamera (2) reflektiert wird. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe eine punktförmige Lichtquelle (4) ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (4) auf der optischen Achse (6) der Kamera (2) angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (4) nicht im Fokus der Kamera (2) angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von der Lampe (4) zu der gewölbten Oberfläche (5) im Betrieb der Vorrichtung (1) größer ist als der Abstand von der Lampe (4) zum Objektiv (3) der Kamera (2). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewölbte Oberfläche (5) eine einem Hohlspiegel ähnliche Form aufweist. Verfahren zur Untersuchung einer gewölbten Oberfläche (5), welche mit einer Kamera (2) mit Objektiv (3) aufgenommen wird, wobei eine Lampe (4) im Strahlengang des Objektivs (3) angeordnet, die gewölbte Oberfläche (5) mit der Lampe (4) beleuchtet und das von der Lampe (4) ausgestrahlte Licht (7) von der Innenseite der gewölbten Oberfläche (5) in die Kamera (2) reflektiert wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (4) als punktförmige Lichtquelle geringer Ausdehnung ausgebildet ist. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus der Kamera (2) nicht auf die Lampe (4) eingestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (4) solange auf das Objektiv (3) der Kamera (2) zu bewegt wird, bis die Lampe (4) im Kamerabild nicht mehr sichtbar ist und/oder bis die Lampe (4) auf dem Objektiv (3) festliegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Kontrastierung von Oberflächenstrukturen (10) auf gewölbten metallischen Oberflächen (5) verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Kontrastierung von Metallverpackungen verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Kontrastierung von Dosen verwendet wird.






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