СПОСОБ И ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА МЕТКИ НА СВЕТОПРОНИЦАЕМОЙ ИЛИ ПРОЗРАЧНОЙ КРИВОЛИНЕЙНОЙ СТЕНКЕ
METHOD AND OPTICAL DEVICE FOR ANALYSING MARK ON TRANSLUCENT OR TRANSPARENT CURVED GLASS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к техническим проблемам считывания метки, в общем случае такой, как код, на наружной поверхности криволинейной стенки, выполненной из прозрачного или светопроницаемого материала.
Особо предпочтительное применение, не имеющее, тем не менее, ограничительного характера, изобретение находит в сфере считывания метки, знака или кода, нанесенных на наружную стенку контейнера, в особенности контейнера, изготовленного из стеклянного или пластикового материала. Таким контейнером может быть, например, бутылка, банка, колба электрической лампы, пузырек, глазная контактная линза и другие подобные объекты.
Уровень техники
Патентный документ US 2006/0091214, относящийся к считыванию метки или кода с криволинейной стенки изделия, предлагает устройство с источником света, освещающим рассеивающий экран. В центре экрана выполнено отверстие для размещения линзы камеры, причем ось камеры совмещена с осью экрана. Данный экран сопряжен с рассеивающим объемом, посредством которого можно сформировать источник света для считывания кода, обеспечивающий множество углов падения.
Однако следует иметь в виду, что в таком устройстве в центре поверхности рассеивающего экрана имеется зона линзы камеры, не вносящая вклад в освещение. В случае изделий, на поверхности которых происходят зеркальные отражения (например, изделий со стеклянной поверхностью), камера наблюдает свет источника, отраженный от инспектируемой поверхности. Наличие зоны источника, не обеспечивающей освещение, приводит к тому, что в изображении появляется темный участок, мешающий считыванию кода.
Далее, следует отметить, что описанное в указанном документе устройство предназначено для считывания кода, нанесенного на непрозрачное изделие. Как показано на фиг.1, при считывании кода 2, нанесенного на прозрачное или светопроницаемое изделие, у которого имеются две преломляющие поверхности Es и Ei, создает специфическую проблему. В данном примере кодом 2 маркирована наружная отражающая поверхность Es изделия. За счет отражения от внутренней поверхности Ei изделия формируется изображение I поверхности Es. Указанное мешающее изображение смещено относительно кода на наружной поверхности Es изделия, что затрудняет надлежащее распознавание такого кода.
Из уровня техники, в частности из патента США №4644151, известно также устройство, выполненное с возможностью считывать с контейнера код, соответствующий номеру литейной формы, в которой контейнер был отлит. Такой код состоит из набора выпуклых участков, выполненных в виде рельефов или круглых выступов, каждый из которых имеет диаметр порядка миллиметра. Код подсвечивается источником света, лучи которого, отражаясь от участков рельефа, воспринимаются линейной камерой для определения кода, записанного на контейнере. Такое считывающее устройство не предусматривает считывания кода, имеющего невысокий рельеф или вообще не выступающего относительно контролируемой поверхности. Более того, это устройство непригодно для считывания кода с очень мелкими (например менее одного миллиметра) паттернами или знаками. Далее, оно не устраняет помех со стороны изображения, возникающего в результате отражения от внутренней поверхности контейнера. Наконец, для считывания кода, выполненного на участке контейнера, имеющем большой угловой размер, такое устройство требует сканирования с постоянным шагом.
Раскрытие изобретения
Соответственно, настоящее изобретение направлено на устранение недостатков, свойственных уровню техники, посредством нового оптического метода, позволяющего надежным образом анализировать метку, содержащую мелкие паттерны или знаки и нанесенную на наружную поверхность криволинейной стенки, которая изготовлена из отражающего и прозрачного или хотя бы светопроницаемого материала.
Для решения указанной задачи изобретение предлагает способ, основанный на использовании источника света с освещающей поверхностью и камеры, задающей оптическую ось наблюдения для анализа метки, выполненной на наружной поверхности криволинейной стенки из прозрачного или светопроницаемого (полупрозрачного) материала.
Согласно изобретению способ включает:
- выполнение источника света протяженным и равномерным, причем таким образом,чтобы:
- протяженность мнимого изображения освещающей поверхности источника полностью перекрывала поверхность метки, а
- яркость указанного изображения была равномерной, а также
- наблюдение поверхности метки, наложенной на поверхность мнимого изображения, с возможностью анализа метки.
В одном из вариантов выполнения способ предусматривает наблюдение поверхности метки, включающее получение информации об изображении или о серии изображений, сформированных во время взаимного перемещения камеры и стенки.
Желательно, чтобы способ включал адаптацию протяженности мнимого изображения освещающей поверхности источника света к кривизне криволинейной стенки.
В рамках изобретения предлагается также устройство, предназначенное для анализа метки, выполненной на наружной поверхности криволинейной стенки, которая изготовлена из прозрачного или светопроницаемого материала. Данное устройство содержит:
- источник света, имеющий освещающую поверхность, и
- камеру, снабженную линзой, у которой оптическая ось наблюдения, по существу, перпендикулярна наружной поверхности криволинейной стенки.
Согласно изобретению:
- освещающая поверхность источника света сформирована однородной и протяженной таким образом, чтобы:
- протяженность мнимого изображения освещающей поверхности источника полностью перекрывала поверхность метки, а
- яркость указанного изображения была равномерной, при этом
- камера выполнена с возможностью формирования изображения поверхности метки, наложенного на поверхность мнимого изображения.
В одном из вариантов осуществления изобретения источник света снабжен рассеивающим экраном с задней подсветкой, который смещен относительно линзы камеры.
В данном варианте перед линзой камеры помещен отклоняющий оптический элемент (дефлектор).
В порядке альтернативы рассеивающий экран продолжен с каждой своей стороны зеркалами, обращенными передними поверхностями одно к другому.
В другой модификации этого варианта осуществления рассеивающий экран продолжен зеркалом, лежащим в плоскости, по существу, перпендикулярной плоскостям указанных зеркал и данного экрана.
В следующем варианте осуществления в устройстве, между рассеивающим экраном и криволинейной стенкой, имеется оптический элемент, выполненный с возможностью формировать изображение плоскости поверхности источника в плоскости зрачка камеры.
В заключительном варианте осуществления устройство содержит полупрозрачный оптический элемент, установленный между линзой камеры и криволинейной стенкой. При этом рассеивающий экран относительно плоскости указанного элемента расположен симметрично входному зрачку линзы.
Желательно, чтобы метка представляла собой метку, выполненную посредством лазерной маркировки.
Краткое описание чертежей
Остальные характеристики станут ясны из дальнейшего описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены иллюстративные варианты осуществления изобретения, не имеющие ограничительного характера.
Фиг.1 - это пояснительный чертеж, разъясняющий проблему мешающих изображений, которую можно решить посредством изобретения.
Фиг.2 на виде сбоку иллюстрирует принцип, на основании которого работает анализирующее устройство по изобретению.
На фиг.3 схема по фиг.2 представлена на виде сверху (т.е. в направлении, обозначенном стрелками Ill-Ill).
На фиг.4 и 5, соответственно на видах сверху и сбоку, представлен вариант осуществления анализирующего устройства, использующий призму.
На фиг.6 и 7, соответственно на видах сверху и сбоку, представлен вариант осуществления анализирующего устройства, использующий линзу Френеля.
На фиг.8 на виде сбоку представлен вариант осуществления анализирующего устройства, использующий светоделитель.
Осуществление изобретения
1
2
Как показано на фиг.2 и 3, изобретение предлагает устройство 1, выполненное с возможностью оптического анализа знака, метки или, в более общем случае, маркировки любого типа, которая выполнена на наружной поверхности 3ч криволинейной стенки 3 изделия, имеющей две преломляющие поверхности 3, 3. Таким изделием может быть глазная контактная линза или полый объект (контейнер, колба электрической лампы, трубка или другое подобное средство). Метка 2 получена с использованием любой подходящей технологии нанесения (типографской краской, лазерной маркировкой или другими способами) и может иметь различные одномерные и двумерные формы, такие, например, как штрих-код, буквенно-цифровой код или матрица данных.
1
2
1
2
1
1
Стенка 3 изготовлена из преломляющего и прозрачного или светопроницаемого материала. Таким материалом может быть, например, стекло или пластик. Стенка имеет две преломляющие поверхности, а именно наружную поверхность 3 изделия и его внутреннюю поверхность 3. Поверхность 3 проходит, по существу, параллельно (точнее, соосно) поверхности 3, которая, таким образом, совместно с поверхностью 3 задает толщину стенки изделия. Наружная поверхность 3 является отражающей, т.е. ведет себя аналогично зеркалу.
1
2
1
Следует подчеркнуть, что устройство 1 по изобретению выполнено с возможностью анализировать метку 2, нанесенную на неплоскую стенку 3, а именно на стенку любой криволинейной формы. В примере, представленном на фиг.2 и 3, эта форма соответствует полуцилиндру, так что в поперечной плоскости, перпендикулярной поверхностям 3 и 3, наружная поверхность 3 имеет заданную кривизну, такую как у сегмента круга, центр которого лежит на продольной оси х. Поскольку стенка 3 есть часть цилиндра, указанная ось х представляет собой прямую линию, однако, можно представить себе стенку 3 изогнутой также в плоскости, перпендикулярной поперечной плоскости камеры 6.
1
Устройство 1 содержит источник 5 света и камеру 6, обычно снабженную линзой 7 с оптической осью А наблюдения и полем С зрения. Понятно, что поле С зрения выбрано с возможностью перекрывать или наблюдать, по меньшей мере, полную площадь метки 2, нанесенной на наружную поверхность 3 криволинейной стенки. Камера 6 обычно использует матричный фотоприемник.
1
1.
Источник 5 света имеет однородную и протяженную освещающую поверхность S, освещающую наружную поверхность 3, которая, будучи отражающей, создает посредством отражения мнимое изображение S' поверхности S. Таким образом, мнимое изображение S' соответствует поверхности источника 5 света, наблюдаемой камерой после отражения светового пучка от наружной поверхности 3
1
1
1
1
Для наглядности на фиг.3 изображение S' показано находящимся в том же положении, что и на фиг.2. Такое представление не учитывает астигматизма выпуклого зеркала, образованного наружной поверхностью 3. В действительности, если поверхность 3 является зеркалом, которое можно представить себе в виде цилиндрического зеркала, окружающего ось х и имеющего радиус R, мнимое изображение горизонтального сегмента освещающей поверхности S, находящейся на фиг.3 в плоскости сечения, будет представлять собой горизонтальный сегмент S', расположенный на расстоянии примерно R/2, т.е. ближе к наружной поверхности 3, но в то же время продолжающий оставаться мнимым изображением на той же стороне относительно поверхности 3. Аналогичным образом, при проведении полного анализа с учетом астигматизма должно быть понятно, что положение мнимого изображения S' поверхности S на фиг.2 соответствует изображению вертикального сегмента освещающей поверхности S, находящейся на указанном чертеже в плоскости сечения.
Согласно изобретению источник 5 света имеет однородную и протяженную освещающую поверхность S. Параметры источника 5 выбраны таким образом, чтобы:
- протяженность мнимого изображения S' обеспечивала полное перекрывание площади поверхности метки 2, а
- яркость указанного изображения S' была равномерной.
Следует подчеркнуть, что яркость мнимого изображения S' источника равномерна в том смысле, что указанное изображение не содержит затененных зон.
Далее, мнимое изображение S' перекрывает всю площадь поверхности метки 2, т.е. площадь изображения S' не меньше, чем площадь метки 2. На практике в предпочтительном варианте площадь мнимого изображения S' превышает площадь метки 2. Это придает уверенность в том, что, независимо от взаимных перемещений устройства 1 и изделия, поверхность метки 2 полностью перекрывается поверхностью мнимого изображения S'. Предпочтительно, чтобы площадь мнимого изображения S' была больше площади метки 2, по меньшей мере, в полтора раза.
Должно быть понятно, что камера 6 наблюдает мнимое изображение S' поверхности S источника света как фон метки 2. Указанные метка 2 и изображение S' находятся в поле С зрения, но метка 2 лежит внутри периметра изображения S'.
Следует иметь в виду, что параметры источника 5 света выбраны таким образом, чтобы интенсивность мнимого изображения S' была достаточна для формирования фона, не возмущаемого мешающим освещением. Источником 5 может быть как импульсный источник, так и источник постоянного света.
2
Размеры поверхности S источника 5 света выбираются, исходя непосредственно из данных, приведенных выше. Камера 6 обеспечивает наблюдение поверхности мнимого изображения S' отраженного источника света в своем поле С зрения. Протяженность поля С зрения использована для определения размеров (высоты h и ширины I) поверхности S источника 5 света. В приведенном примере ширина I поверхности S лежит в поперечной плоскости, т.е. ориентирована перпендикулярно поверхностям и 3, а высоту h отсчитывают вдоль продольной оси x.
1
Желательно, чтобы ось А' (продолжение оси А наблюдения после отражения от наружной поверхности 3) проходила через центр поверхности S источника 5 света.
1
1
1
2
Согласно одному из преимуществ изобретения направление наблюдения (т.е. оптическая ось А камеры) проходит, по существу, перпендикулярно наружной поверхности 3 стенки. Таким образом, наблюдаемый угол α падения невелик, поскольку продолжение А' оси А после отражения от поверхности 3 также, по существу, перпендикулярно указанной поверхности. Ось А и ее продолжение А' после отражения, по существу, параллельны. В контексте изобретения оптическую ось А наблюдения можно считать, по существу, параллельной своему продолжению А' при условии, что угол между ними равен или меньше 10° (α≤5°), а в предпочтительном варианте обычно составляет 6° (α=3°). Пока направление наблюдения перпендикулярно наружной поверхности 3, ее вторичное изображение, сформированное путем отражения от внутренней поверхности 3, совпадает с главным изображением. Таким образом, мешающие изображения, приводящие к удвоению метки 2, не проявляются.
Как можно видеть из приведенного описания изобретения, камера 6 выполнена с возможностью формирования изображения поверхности метки 2, наложенного на мнимое изображение S' источника. Другими словами, камера 6 выполнена с возможностью рассматривать метку 2, наложенную на мнимое изображение S'. Метка 2 и изображение S' находятся, по существу, на одной линии, совпадающей с осью А наблюдения.
Изображение, принятое камерой 6, обрабатывается процессорным блоком, выполненным с возможностью анализировать или считывать метку 2. При условиях освещения и наблюдения, описанных выше, в принятом изображении не появляется мешающих изображений и изображение метки 2 проявляется с хорошим равномерным контрастом, позволяющим надежно считывать метку.
На фиг.4 и 5 показан первый вариант осуществления устройства по изобретению. В данном устройстве перед линзой 7 камеры помещен отклоняющий оптический элемент 11 (призма), предназначенный для отклонения оптической оси А наблюдения. Это позволяет сделать устройство 1 более компактным. Например, призму 11 можно установить на конце трубки 12, примыкающей к линзе 7.
В данном варианте осуществления источник 5 света снабжен рассеивающим экраном 13, подсвеченным сзади излучателем 14 света, причем указанный излучатель выполнен, например, в виде комплекта светодиодов. Экран 13, задающий освещающую поверхность S, смещен относительно линзы 7 камеры, т.е. отделен от камеры 6. В проиллюстрированном варианте экран 13 помещен под призмой 11, т.е. указанное смещение выполнено по продольной оси х изделия. Естественно, можно предусмотреть и другое расположение экрана и призмы, повернув собранный узел на 180° и, тем самым, поместив экран 13 над призмой 11.
Желательно установить камеру 6 и ее линзу 7 вместе с примыкающей к ним трубкой 12 в открытый кожух 16, причем так, чтобы оптическая ось наблюдения до ее отклонения призмой 11 была перпендикулярна продольной оси х изделия. Рассеивающий экран 13 помещен под призмой 11, а нормаль к поверхности S перпендикулярна оси x. Светодиоды 14 установлены за рассеивающим экраном 13.
1
1
1
Экран 13 помещен по одну сторону зеркал 17, которые установлены с целью искусственного увеличения площади источника 5 света в выбранном направлении (в приведенном примере это горизонтальное направление), и расположен в плоскости, тангенциальной по отношению к криволинейной наружной поверхности 3. Таким образом, поверхность S источника 5 света увеличена с каждой стороны за счет поверхности S, соответствующей мнимому изображению поверхности S после отражения от зеркал 17. В данном случае зеркала 17 представлены обращенными одно к другому и параллельными продольной оси х, прилегая к рассеивающему экрану 13, только в качестве примера. Наличие зеркал позволяет искусственно увеличить площадь экрана 13 в горизонтальном направлении, перпендикулярном продольной оси x. В результате для данной ширины кожуха 16 площадь источника 5 света увеличивается по горизонтали (до ширины I), соответствуя площади поверхности S источника 5 плюс двум площадям поверхности S зеркал 17. Наличие зеркал позволяет расширить зону наблюдения по периферии(периметру) изделия, не прибегая к увеличению размера источника 5 света по ширине.
Таким образом, изобретение позволяет адаптировать протяженность мнимого изображения S' освещающей поверхности S источника 5 света к кривизне криволинейной стенки 3. Чем больше кривизна стенки 3 (т.е. чем меньше радиус кривизны стенки), тем больше ширина I поверхности источника 5.
2
Следует иметь в виду, что для другой модификации данного варианта осуществления предусмотрена возможность искусственно увеличить площадь поверхности источника 5 света во втором направлении, а именно по вертикальной оси x. В этом примере к рассеивающему экрану 13 примыкает зеркало 19, лежащее в плоскости, по существу, перпендикулярной плоскостям зеркал 17 и плоскости экрана 13. В результате площадь поверхности источника 5 увеличивается в вертикальной плоскости за счет участка S, соответствующего мнимому изображению поверхности S, формируемому в результате отражения от зеркала 19.
1
1
На фиг.6 и 7 показан другой вариант осуществления, в котором анализирующее устройство 1 содержит оптический элемент 21, установленный между рассеивающим экраном 13 и криволинейной стенкой 3 и выполненный с возможностью формировать изображение плоскости поверхности S источника 5 света в плоскости зрачка линзы 7 камеры 6. Таким образом, элемент 21, например линза Френеля, служит для сопряжения плоскости источника 5 с продольной осью х изделия. После отражения от наружной поверхности 3 стенки световые лучи собираются линзой 21 в зрачке линзы 7. В результате в изображении поверхность S источника 5 выглядит равномерной и протяженной в горизонтальном направлении, которое лежит в плоскости, тангенциальной по отношению к криволинейной наружной поверхности 3.
В данном примере камера 6 со своей линзой 7 помещена над рассеивающим экраном 13, подсвеченным сзади светодиодами 14, так что оптические оси наблюдения и подсветки до прохождения через линзу 21 Френеля взаимно параллельны. Следует иметь в виду, что в результате применения линзы 21 Френеля указанные оси образуют угол менее 10°, что позволяет избежать формирования затененных участков.
1
1
На фиг.8 показан еще один вариант осуществления, в котором оси наблюдения и подсветки совпадают. В данном примере поверхность экрана 13, рассеивающая свет источника, наблюдается камерой после отражения пучка от наружной поверхности 3 стенки. Для того чтобы после указанного отражения эта поверхность экрана 13 выглядела вытянутой в горизонтальном направлении, между линзой 7 и стенкой можно поместить, например, линзу 21 Френеля для совмещения плоскости источника света с продольной осью изделия. После отражения на наружной поверхности стенки лучи света собираются линзой 21 на зрачке линзы 7. Таким образом, изображение поверхности рассеивающего экрана 13 является однородным и вытянутым в горизонтальном направлении, которое лежит в плоскости, тангенциальной по отношению к криволинейной наружной поверхности 3.
1
Следует отметить, что оптическая ось А наблюдения перпендикулярна продольной оси x изделия. Для совмещения осей наблюдения и оптической подсветки между линзой 7 камеры и наружной поверхностью 3 криволинейной стенки помещен полупрозрачный оптический элемент 23. В данном примере рассеивающий экран 13 с задней подсветкой относительно плоскости данного элемента 23 установлен симметрично входному зрачку линзы 7 камеры 6.
Из описания, приведенного выше, можно заключить, что устройство 1 по изобретению обеспечивает получение, в хороших условиях, информации о метке 2, выполненной на отражающей и прозрачной стенке. Устройство 1 по изобретению является особенно предпочтительным при считывании двумерной метки 2, такой как матричный код, сформированной на стенке 3 стеклянного контейнера (см. фиг.9). Предпочтительно, чтобы указанный код представлял собой код в виде матрицы данных, выполненный лазерной гравировкой на контейнере, еще не остывшем после изготовления. Как показано на фиг.10, устройство 1 служит для формирования изображения 30 поверхности кода 2, которое наложено на мнимое изображение источника света. Фон изображения 30 светлый, т.к. он образован изображением источника света после отражения пучка от стенки. Различные точки кода 2 отклоняют свет и поэтому выглядят в изображении 30 темными. Источник света освещает круглый сектор, который заключает в себе весь код, причем, как указывалось выше, он равномерен в двух направлениях, а именно параллельном и перпендикулярном вертикальной оси изделия. Как четко видно из фиг.10, в полученном таким образом изображении обеспечивается хорошее разрешение.
Кроме того, устройство 1 компактно, а это позволяет выполнить его в виде портативного считывающего средства или легко вмонтировать в аппарат, осуществляющий контроль изделий на производственной линии. Следует иметь в виду, что предусмотрена возможность наблюдения метки 2 путем изучения как единичного изображения, так и серии изображений, следующих одно за другим во время взаимного перемещения (например, вращательного) камеры и стенки. Изображения, которые могут перекрываться при таком относительном перемещении, анализируются совместно, чтобы считать метку 2.
Изобретение не ограничено приведенными и проиллюстрированными примерами: в него могут вноситься изменения, не выходящие за пределы его объема.