УСТРОЙСТВО БЕСТЕНЕВЫХ ОСВЕЩЕНИЙ
SHADOWLESS LIGHTING DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к системам освещения объекта съемки при автоматическом оптическом контроле кривизны, качества, цвета поверхностей, например:
- паяных соединений при производстве современных электронных изделий (сотовые телефоны, компьютеры, блоки управления бытовой техникой и т.д.);
- глазури при производстве фарфоровых изделий (тарелки, чашки и т.д.);
- поверхности при производстве листового металлического проката и т.д.;
- глянцевых поверхностей, изображений, выполненных с использованием светоотражающих красок, голографических текстов и рисунков и пр.
Уровень техники
Современное производство предъявляет большие требования к оборудованию автоматического оптического контроля. Особенно остро это ощущается при производстве современных электронных изделий, где наряду с требованиями по производительности требуются высочайшие надежность и качество в анализе сложных событий и явлений. В процессе контроля необходимо оценивать качество паяных соединений, определять замыкания между элементами. При контроле электронных элементов (конденсаторы, резисторы и пр.) необходимо оценивать их ориентацию в пространстве, определять цвета, маркировки, надписи, номиналы.
Между анализом паяных соединений и электронных элементов существует много отличий, связанных с тем, что поверхности паяных соединений хорошо отражают свет, в то время как электронные элементы имеют различные варианты форм, цвета, текстуры поверхности, маркировок указания типа, полярности, номинала и пр., которые могут быть выполнены различными способами, например краской или лазерной гравировкой.
Для решения такого класса задач наибольшее распространение получили оптические системы, использующие одиночную камеру на базе матричного фотоприемника с телецентрическим объективом, который позволяет получать изображения, не искаженные перспективой. При этом камера устанавливается так, чтобы оптическая ось камеры была перпендикулярна поверхности печатной платы.
В основу формирования систем освещения положен тот факт, что наилучший амплитудный сигнал от направленного на поверхность светового потока камера зафиксирует, когда наклон поверхности будет находиться симметрично по отношению к углу просмотра и подсветки. Наличие нескольких углов освещения позволяет оценить, от какого из углов освещения камера фиксирует максимальный отраженный от поверхности сигнал, т.е. на основании сравнения двумерных изображений, получаемых камерой от разных углов освещения, можно оценить, какой наклон имеет поверхность.
В настоящее время наибольшее распространение получили бестеневые системы освещения, когда поле зрения камеры имеет освещение от нескольких кольцевых источников освещения разного диаметра, расположенных симметрично по отношению к полю зрения камеры. Непрерывное кольцевое освещение объекта съемки обеспечивает освещение пикселя изображения со всех сторон, т.е. создает бестеневое освещение.
При использовании матричной черно-белой камеры (см., например, патент US 5039868, G01N 21/88 г., опубл. 13.08.1991 г.) используются три кольцевых источника света разного диаметра с поочередным включением этих источников, т.е. обеспечивается последовательное получение трех снимков изображения от трех разных источников света.
При использовании цветной матричной камеры (см., например, патент ЕР 0685732, G01N 21/88; G01N 21/956; G01R 31/309, оп. 06.12.1995 г.) используются три кольцевых источника света, но при этом каждый источник имеет свой спектр излучения, отличный от спектра излучения других источников. Данный подход позволяет получить необходимую информацию о наклонах поверхности за один снимок, а также получить цветное изображение объекта съемки.
При использовании цветной матричной камеры (см., например, патент ЕР 1116950, G01В 11/24; G01N 21/956; Н05K 3/34, опубл. 18.07.2001 г.) используются два кольцевых источника света и один направленный источник света, максимально совпадающий с углом просмотра камеры, при этом каждый источник света имеет спектр излучения, отличный от спектра излучения других источников. Направленный свет, максимально совпадающий с углом просмотра камеры, позволяет определить параллельность поверхностей элемента и печатной платы. Как правило, отсутствие параллельности свидетельствует о том, что элемент не примыкает к контактной площадке, т.е. не имеет хорошего паяного соединения с контактной площадкой.
При использовании цветной матричной камеры (см., например, патент WO 2004086300, G06T 7/00; G06T 7/60, опубл. 07.10.2004 г.) используется сегментная кольцевая подсветка. Сегменты подсветки реализованы на базе светоизлучающих диодов с тремя (красный, зеленый, синий) спектрами излучения. Включение каждого сегмента, а также светоизлучающих диодов внутри сегмента, осуществляется независимо. Это позволяет реализовать различные комбинации в освещении объекта съемки с различными комбинациями спектров освещения с целью более точной оценки наклона поверхности.
Вышеописанные системы имеют недостатки.
Во-первых, кольцевые источники освещения, обеспечивающие освещение всего поля зрения камеры, не являются симметричными для всех пикселей поля зрения камеры, и с увеличением поля зрения камеры возрастает асимметрия в освещении пикселей изображения. Это приводит к возрастанию ошибок в оценке наклона поверхности, что, в свою очередь, приводит к ошибкам, когда годное изделие признается дефектным и наоборот.
Во-вторых, имеют низкую производительность, потому что во время съемки матричная камера и объект съемки должны быть неподвижны, что приводит к большим временным потерям в связи необходимостью выполнения режима механического старт-стопа от кадра к кадру.
Из патентной литературы известен волоконно-оптический осветитель (патент RU 2244871, F21V 8/00, опубл. 20.01.2005 г.), который содержит корпус, жгут волоконных световодов, закрепленных в выходном отверстии корпуса, выходные торцы жгута, подводящие световой поток к освещаемому объекту, многоцветные источники света (красный, зеленый, синий), блок управления и блок питании. Источники света расположены на общей плате, установленной в дне корпуса, который имеет отражающее покрытие для направления светового потока внутрь. Излучение от источников излучения напрямую либо после отражений от стенок корпуса направляется в жгут световодов, на выходе которого формируется световой поток для освещения исследуемого объекта. В качестве источников света использованы светодиоды трех спектров излучения с независимыми управлениями каждым светодиодом. Это позволяет управлять интенсивностью излучения каждого спектра и получать необходимый общий спектр излучения на выходе жгута. Однако т.к. световые потоки источников света не имеют структурированной направленности по углам к входным торцам жгута, то на выходе жгута не может быть получено несколько независимых бестеневых систем освещения объекта съемки.
Сущность изобретения
Для получения симметричного бестеневого освещения необходимо, чтобы пиксель изображения вне зависимости от его положения и высоты в поле зрения камеры находился в геометрическом центре осветительного кольца или был освещен строго сверху. Для определения наклона поверхности пикселя необходимо наличие нескольких симметричных бестеневых освещений каждого пикселя изображения.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является получение нескольких симметричных бестеневых освещений для каждого пикселя изображения вне зависимости от высоты и местоположения пикселя в поле зрения камеры.
Решение задачи и технический результат достигается тем, что устройство бестеневых освещений содержит источники излучения, множество уложенных в жгут световодов с выходными торцами, подводящими световой поток к объекту съемки, при этом выходные торцы световодов образуют плоскость выходной апертуры, входные торцы световодов образуют плоскость входной апертуры, источники излучения с независимым друг от друга управлением расположены таким образом, чтобы их световые потоки, направленные в плоскость входной апертуры, преимущественно не имели одинаковых углов падения на плоскость входной апертуры.
Согласно одному варианту изобретения световоды выполнены с прямыми торцами, перпендикулярными оси световода.
Согласно другому варианту изобретения каждый источники излучения имеет спектр излучения, отличный от спектра излучения других источников излучения.
Согласно еще одному варианту изобретения каждый источник излучения имеет несколько спектров и независимое управление каждым спектром.
Согласно еще одному варианту изобретения несколько независимых устройств бестеневых освещений образуют общую плоскость выходной апертуры устройства бестеневых освещений.
Под источником излучения в настоящем изобретении понимается один или несколько физических источников света одного или разных спектров, формирующих с помощью оптических фокусирующих систем близкие по характеристикам сходимости/расходимости световые потоки, каждый из которых направлен под одинаковым углом к плоскости входной апертуры, образуя общий световой поток источника излучения.
Наиболее качественные результаты по определению угла наклона пикселя достигаются при минимальных углах расхождения/схождения световых потоков и максимально возможной числовой апертуре используемых световодов, т.е. при получении максимально возможного количества световых потоков, но которые преимущественно не имеют одинаковых углов падения на плоскость входной апертуры. Совпадение углов падения от разных световых потоков на плоскость входной апертуры приведет к неоднозначности в определении наклона поверхности, т.к. становиться неочевидным, от какого источника камера получает более сильный сигнал. Также необходимо учитывать угловые искажения, которые зависят от качества полировки торцов световодов и внутренних светоотражающих характеристик световодов.
При использовании источников излучения с одинаковым спектром излучения считывание изображение осуществляется камерой кадр за кадром с попеременным включением источников излучения.
При использовании источников излучения с отличными друг от друга спектрами излучения считывание изображения осуществляется камерой за один кадр в случае, когда камера может независимо детектировать эти спектры. Например, три источника излучения имеют красный (R), зеленый (G) и синий (В) спектры, а считывание изображения осуществляется цветной RGB камерой.
Каждый из источников излучения может иметь несколько спектров излучения с независимым управлением каждым спектром, что позволяет выбирать спектр светового потока, а также регулировать интенсивность излучения светового потока или полностью выключать световой поток.
Каждый из световых потоков источников излучения преимущественно должен иметь одинаковую интенсивность излучения по отношению к торцам световодов входной апертуры, т.к. несоблюдение этого условия приведет к тому, что конические, сходящиеся к пикселю изображения световые потоки будут создавать не одинаковую интенсивность освещения вокруг пикселя, что, в свою очередь, приведет к недостоверности и неточности в конечных измерениях наклона поверхности.
Также необходимо, чтобы световой поток источника излучения имел преимущественно одинаковую характеристику сходимости/расходимости по отношению к торцам световодов входной апертуры, т.к. несоблюдение этого условия приведет к тому, что конический, сходящийся к пикселю изображения световой поток, будут не симметричен, что приведет к неточности в измерениях наклона поверхности.
Геометрические формы входной и выходной плоских апертур заявляемого устройства могут не совпадать. Геометрическая форма входной плоской апертуры определяется удобством размещения источников излучения, а геометрическая форма выходной плоской апертуры определяется геометрической формой поля зрения камеры. Например, если полем зрения камеры является линия, то выходная апертура должна иметь форму вытянутого вдоль линии прямоугольника, если же полем зрения камеры является квадрат, то выходная апертура должна иметь форму квадрата.
Геометрические размеры выходной апертуры предпочтительно должны быть такими, чтобы каждый пиксель изображения вне зависимости его от высоты и положения в поле зрения камеры был обеспечен освещением со всех сторон всеми световыми потоками.
Плотности укладки световодов входной и выходной апертур могут отличаться.
Плотность укладки световодов входной апертуры предпочтительно должна быть максимальной, в противном случае неизбежны потери света.
Плотность укладки световодов выходной апертуры выбирается из соображений допустимого качества освещения при решении того или иного класса задач. Например, если исследуется поверхность, где каждый пиксель обязательно должен иметь непрерывное освещение со всех сторон, тогда плотность укладки световодов выходной апертуры должна быть максимально возможной, если же исследуется поверхность, где требование на непрерывность подсветки со всех сторон не является обязательным, то в этом случае укладка выходной апертуры может быть не плотной.
Степень сжатия световодов между собой с целью достижения максимальной плотности укладки не должна приводить к деформации поперечного сечения световодов, т.к. это изменит характеристики углов передачи света от входа к выходу, что, в свою очередь, приведет к неточностям в определении угла наклона поверхности пикселя изображения.
В качестве световодов могут быть использованы волокна из оптически прозрачного материала, волокна с оптической сердцевиной и оптической оболочкой, оптической сердцевиной и зеркальным покрытием или полые трубки с зеркальным покрытием.
Настоящее изобретение не накладывает жестких ограничений как на форму поперечного сечения, так и на длину световода.
Перпендикулярное исполнение выходных торцов световодов обусловлено тем, что невыполнение данного условия приведет к тому, что пиксель изображения будет освещен от одного светового потока со всех сторон, но с отличающимися углами освещения, что приведет к неточностям в оценке наклона поверхности пикселя изображения.
Перпендикулярное исполнение входных торцов световодов позволяет разместить максимальное количество источников излучения вокруг плоскости входной апертуры.
Краткий перечень чертежей
Настоящее изобретение и примеры технической реализации устройства описываются далее со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 - общий вид устройства по п.1 формулы.
Фиг.2 - преобразование световых потоков в одиночном световоде.
Фиг.3 - формирование освещения изображения в одной плоскости для одного светового потока.
Фиг.4 - пример формирования освещения объекта съемки и считывания изображения с помощью камеры с линейным сенсором: а - формирование освещения для точки на поверхности печатной платы, б - формирование освещения той же точки, но смещенной по координате высоты на высоту резистора.
Осуществление изобретения
1
2
3
По одному из вариантов исполнения заявляемое устройство содержит несколько источников излучения (на фиг.1 показано три источника излучения 1, 2, 3), имеющих отличные друг от друга спектры излучения, жгут 14 световодов 4, входные торцы 4а которых плотно примыкают к плоскости входной апертуры 10, а выходные торцы 46 плотно примыкают к плоскости выходной апертуры 9. Во входную апертуру 10 направлены световые потоки 19, 19, 19 от источников излучения 1, 2, 3 соответственно, которые после прохождения через световоды 4 жгута 14 формируют за выходной апертурой 9 световой поток 5, освещающий зону 5а, световой поток 6, освещающий зону 5а и 6а, и световой поток 7, освещающий зону 5а, 6а и 7а на поверхности 8. Область 8а определяет поле зрения камеры, где каждый пиксель освещен всеми световыми потоками 5, 6, 7 со всех сторон.
Настоящее изобретение использует следующее свойство световода, входные и выходные торцы которого перпендикулярны оси световода (при условии одинаковой оптической среды как со стороны входного, так и выходного торцов световода): узкий пучок лучей, падающий под углом на торец световода, на выходе заполняет зону, ограниченную двумя близкими коаксиальными коническими поверхностями (кольцевую коническую зону). Это же происходит и в световоде с косыми торцами -симметризация светораспределения в световоде сохраняется, однако на выходе из него симметрия нарушается.
Данное свойство присуще и полому световоду с внутренним зеркальным покрытием.
Вышеописанное свойство присуще и световоду с поперечным сечением, отличным от круглого, поэтому настоящее изобретение не накладывает жесткого ограничения на обязательность использования исключительно круглого в поперечном сечении световода.
Рассмотрим одиночный световод круглого сечения с прямыми, перпендикулярными оси световода торцами (фиг.2). Пусть во входной торец 4а световода 4 подаются световые потоки от трех независимых источников излучения 1, 2, 3: от источника излучения 1 вдоль оптической оси световода 4, а от источников излучения 2 и 3 под углами β и α к оптической оси световода 4 соответственно. Выходная торцевая плоскость 4б световода 4 расположена параллельно освещаемой плоской поверхности 8.
1
Направленный вдоль оси световода световой поток 19 от источника излучения 1, проходя через световод 4 по направлению оптической оси световода 4, не преобразуется и освещает зону 5а на поверхности 8. Направленные световые потоки от источников излучения 2 и 3, не совпадающие с оптической осью световода 4, после отражений на внутренних стенках световода 4 создадут на выходе световода два конусом расходящихся световых потока с углами расхождения β и α соответственно, что вызовет освещение двух кольцеобразных зон 6а и 7а на поверхности 8.
1
2
3
i
На фиг.3 показано в одной плоскости формирование освещения для нескольких точек 15, 15, 15. При падении на входные торцы жгута световодов светового потока 19 от источника 3 под углом α каждая точка 15 будет освещена с двух сторон соответствующими выходными торцами световодов под углами α. При этом углы α освещения будут всегда одинаковы вне зависимости от положения и высоты пикселя (точки) изображения.
1
2
3
На фиг.4а, б показан жгут световодов 14, в котором максимально плотно и параллельно друг другу уложенные световоды 4 образуют общую входную 10 и общую выходную 9 плоские апертуры. Плоскости входной апертуры 10, выходной апертуры 9 и освещаемой плоской поверхности 8 параллельны между собой. Фрагменты световодов 4 и их входные 4а и выходные 4б торцы показаны на выносках 17 и 16 соответственно. В световоды 4 входной апертуры 10 оптического жгута 14 подаются три световых потока 19, 19, 19 с углами наклона 0°, β и α (как на фиг.2 для одиночного световода 4). Так как каждый выходной торец 4б световода 4 выходной апертуры 9 является источником трех световых потоков: одного, направленного вертикально вниз (световой поток 5), и двух, расходящихся конусом (световые потоки 6, 7), то для любой точки 15 на поверхности освещаемого объекта 8 в выходной апертуре всегда будут иметь место три осветительные системы: с одним прямым освещением 11 и двумя кольцеобразной формы 12, 13 с конусами схождения освещения β и α соответственно.
Таким образом, где бы на поверхности 8 не находилась точка 15, она всегда будет иметь соответствующую группу из трех источников излучения, которые образуются соответствующими комбинациями торцевых выходов 4б световодов 4 выходной апертуры 9. Считывание изображения осуществляется сверху посредством камеры с линейным сенсорным приемником (на фиг.4а и 4б не показана) через сквозную щель 20 в жгуте 14.
Настоящее изобретение имеет существенные преимущества перед существующими в настоящее время системами.
Во-первых, симметрия освещения обеспечивается для всех пикселей поля зрения камеры вне зависимости от места положения и высоты пикселя, что позволяет существенно увеличить поле зрения камеры, не теряя при этом качества определения наклона и кривизны поверхности.
Во-вторых, увеличение поля зрения системы позволяет использовать в качестве фотоприемника линейный сенсор, что существенно (в несколько раз) увеличивает производительность системы в целом, т.к. при линейном сканировании отсутствует старт-стопный механический режим позиционирования.
В-третьих, использование линейного сканирования позволяет существенно снизить требования к механическим компонентам приводов линейного перемещения, что существенно удешевляет систему в целом.
В-четвертых, использование линейного сенсора не ограничивает ширину сканирования, что является единственным решением на безостановочных конвейерах, где считывание изображения возможно только за один проход.
Следует также отметить следующие достоинства применения заявляемого устройства бестеневого освещения в измерительных комплексах. Устройство не создает дополнительных тепловых нагрузок в зоне измерений, так как к этой зоне подводятся только выходные торцы световодов, а источники излучения вместе с блоками питания и блоками управления располагаются вне зоны измерения на достаточном расстоянии. Взаимное расположение элементов устройства, его компоновка с блоками питания и блоками управления могут быть адаптированы к уже работающим приборам и установкам различного назначения без существенных изменений этих приборов и установок.
Предлагаемое устройство просто по конструкции, надежно в эксплуатации, просто в изготовлении. Устройство может быть выполнено в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования, современных материалов, комплектующих и технологий с возможностью серийного многократного воспроизведения.