УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНСПЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТОВ
DEVICE FOR INSPECTING OBJECTS

Изобретение относится к устройствам для инспектирования предметов согласно пунктам 1 и 9 формулы изобретения.
Устройства этого типа названы далее также устройствами для инспектирования и применяются, в частности, для инспектирования таких предметов, как упаковочные средства, например, бутылки и подобные контейнеры. Существенным компонентом оптических инспекционных устройств является, например, оптическое устройство, содержащее, например, по меньшей мере, одну систему электронных камер для отображения перемещающегося перед контрольно-установочной позицией предмета и расположенную по ходу лучей между системой камер и предметом отклоняющую лучи оптическую систему с несколькими плоскими отклоняющими зеркалами, а именно, в числе прочего, для обеспечения необходимого оптического расстояния между соответствующим предметом и системой камер при компактном выполнении оптического устройства. Помехой при расшифровке изображений, сделанных системой камер, в частности, также и при автоматической расшифровке с помощью системы обработки изображений, являются многочисленные искажения по краям полученного изображения.
Известны также оптические системы для отклонения лучей и преобразования, у которых вместо плоских зеркал для отклонения лучей применяются зеркала, вогнутая зеркальная поверхность которых изогнута исключительно вокруг одной или же нескольких параллельных между собой осей кривизны, например, при их выполнении в качестве параболических или эллипсоидных зеркал для применения в больших телевизионных экранах для проецирования малоформатного изображения на большой экран (US 5477394) или в литографическом способе (US 5440423) для обеспечения контролированного высвечивания или для применения в кинопроекторах (US 2819649) для упрощения проекционной системы или для применения в аэрофотокамерах (DE 19904687 А1) для увеличения поля зрения.
Задачей изобретения является создание устройства для инспектирования предметов с улучшенной оптической системой для отклонения лучей и преобразования, которая обеспечивает для системы камер возможность работы с существенно уменьшенным апертурным углом, вследствие чего при компактном выполнении достигается лучшее использование поверхности, например, чипа камеры при пользовании системой цифровых камер. Также задачей настоящего изобретения является создание устройства для инспектирования предметов, которое позволяет инспектировать предмет одновременно с двух сторон при достаточном освещении.
Указанные задачи решаются посредством устройств, имеющих признаки пунктов 1 и 9 формулы изобретения.
В основе изобретения лежит то, что в результате осуществления в соответствии с изобретением оптической системы для отклонения лучей и преобразования, т.е. путем последовательного расположения эллипсоидного зеркала по ходу лучей от контрольно-установочной позиции к системе камер и параболического зеркала, достигается уменьшение ширины приходящегося на объектив камер системы пучка лучей в осевом направлении перпендикулярно осям кривизны эллипсоидного зеркала, благодаря чему в системе камер может применяться объектив с уменьшенным апертурным углом (апертурой).
При этом согласно изобретению оптическая система для отклонения лучей и преобразования выполнена так, что исключаются не только необходимое расстояние между инспектируемым объектом или предметом и системой камер при уменьшенном типоразмере устройства, но и одновременно искажения по краям, по меньшей мере, по критичной для инспектирования оси.
Согласно предпочтительному варианту выполнения зеркало с вогнутой зеркальной поверхностью, расположенное за предметом по ходу лучей в направлении от инспектируемого предмета к системе камер и образующее апертуру для оптической системы для отклонения лучей и преобразования, представляет собой наклоненное относительно предмета параболическое зеркало, посредством которого отображаются расположенные параллельно осям кривизны этого зеркала края предмета при одновременной видимости в системе камер.
Кроме того, согласно предпочтительному варианту выполнения оптическое устройство или его оптическая система для отклонения лучей и преобразования содержит по ходу лучей между инспектируемым предметом и системой камер последовательно расположенные, по меньшей мере, два образующих вогнуто искривленную зеркальную поверхность зеркала, при этом за упомянутым выше параболическим зеркалом следует эллипсоидное зеркало, установленное между параболическим зеркалом и системой камер. В результате отклонения отображающего предмет пучка лучей на вогнутой зеркальной поверхности эллипсоидного зеркала достигается уменьшение ширины падающего на объектив камер системы пучка лучей в осевом направлении перпендикулярно осям кривизны эллипсоидного зеркала, в результате чего для камер системы может применяться объектив с уменьшенным апертурным углом и оптимально использоваться при отображении поверхность чипа, предусмотренного в системе камер.
Согласно предпочтительному варианту выполнения устройства предмет можно рассматривать по высоте при прямом ходе лучей, причем требуется фоновое освещение. Следовательно, одновременное инспектирование из этого направления не возможно, из-за чего необходимо вращение предмета. Для инспектирования в направлении фонового освещения может быть предусмотрено наличие второго оптического устройства, т.е. другого устройства согласно изобретению. Правда, в этом случае возникает проблема, состоящая в том, что система камер одного оптического устройства будет видеть и фокусировать систему камер другого оптического устройства. Для решения этой проблемы перед оптическими системами оптических устройств могут быть установлены полупрозрачные зеркала. Правда, недостатком такой компоновки является то, что через зеркала может проходить только около 25% света и, кроме того, была бы нарушена компактность оптического устройства из-за встраивания полупрозрачных зеркал.
Поэтому для обеспечения достаточным светом при инспектировании предметов можно отказаться от полупрозрачных зеркал в том случае, когда ходы лучей обоих устройств не накладываются друг на друга, т.е. когда их фокальные точки смещены по отношению друг к другу. Поэтому согласно предпочтительному варианту выполнения оптические устройства или оптические системы для отклонения лучей и преобразования слегка наклонены друг к другу, вследствие чего фокальные точки обоих устройств оказываются смещенными между собой. При этом на рассматриваемом узле более не образуется правильный фокус и ход лучей или световые лучи направляют с помощью отклоняющего лучи элемента, которым предпочтительно служит плоское зеркало, на осветительный элемент. В случае применения данного принципа для обоих устройств расположенный между устройствами предмет может одновременно инспектироваться и высвечиваться с двух сторон.
«Вогнутые зеркала» или «зеркала с вогнутой зеркальной поверхностью», в контексте изобретения, представляют собой зеркала, зеркальная поверхность которых искривлена исключительно вокруг одной или же нескольких осей кривизны, параллельных между собой и проходящих в осевом направлении.
«Упаковочными средствами», в контексте изобретения, являются упаковки или сосуды, применяемые обычно, в частности, в сфере пищевых продуктов, специально для напитков, а именно, в числе прочего, сосуды, такие, как бутылки, банки, также мягкие виды упаковки, например, изготовленные из картона и/или полимерной пленки и/или металлической фольги, контейнеры, например, ящики для бутылок и пр.
Выражение «по существу» или «около» означает в контексте изобретения отклонения от соответствующей точной величины на +/-10%, предпочтительно на +/-5%, и/или отклонения, не являющиеся существенными с точки зрения функционирования.
Варианты развития, преимущества и возможности применения изобретения также приведены в нижеследующем описании примеров выполнения и на фигурах. При этом в принципе все описанные и/или графически представленные признаки, взятые раздельно или в сочетании, представляют собой объект изобретения независимо от их изложения в формуле изобретения и подчиненности. Также и содержание формулы изобретения входит в состав описания.
Ниже изобретение поясняется подробнее с помощью фигур и примеров выполнения. При этом изображено:
фиг. 1 и 2 - в упрощенном схематическом изображении устройство для инспектирования предметов, в частности, упаковочных средств или сосудов, например, бутылок, при разных вариантах выполнения оптического устройства;
фиг. 3 - в положениях a) и b) изображения инспектированного предмета на чипе камеры системы камер оптического устройства;
фиг. 4 и 5 - при разном схематическом изображении два противоположно расположенных оптических устройства, у которых оптические системы для отклонения лучей и преобразования наклонены в сторону контрольно-установочной позиции.
Для упрощения пояснения на фигурах посредством X, Y, Z показаны три взаимно перпендикулярных пространственных оси, из которых ось Z является вертикальной, оси X и Y являются горизонтальными, при этом ось Y перпендикулярна плоскости чертежа (плоскости XZ) на фиг.1 и 2.
Оптическое устройство, обозначенное на фиг. 1 позицией 1.1, является частью устройства 1 для инспектирования предметов 2, предпочтительно для инспектирования упаковочных средств, например, в форме сосудов или бутылок.
Оптическое устройство 1,1 включает в себя, в числе прочего, систему 3 электронных, например, цифровых камер с энтоцентрическим объективом 4, т.е. с объективом, создающим изображение с энтоцентрической перспективой, электронный чип 5 камеры, а именно в приведенном примере выполнения чип 5 камеры, например, в формате 4:3. Объектив 4 вместе со своей оптической осью лежит в плоскости XZ. Система 3 камер расположена таким образом, что большая длина чипа 5 камеры соответствует горизонтальной оси Y, перпендикулярной плоскости чертежа на фиг. 1, а более короткая длина этого чипа камеры соответствует вертикальной оси Z.
Кроме того, оптическое устройство 1.1 содержит по ходу лучей между предметом 2 и системой 3 камер или объективом 4 оптическую систему для отклонения лучей и преобразования, которая на фиг. 1 обозначена в целом позицией 6 и которая в данном варианте выполнения состоит из параболического зеркала 7 и двух плоских зеркал 8 и 9, которые обеспечивают только отклонение лучей и могут быть заменены другими отклоняющими лучи оптическими элементами, например призмами. Параболическое зеркало 7 и зеркала 8, 9 установлены по ходу лучей между инспектируемым объектом или предметом 2 и системой 3 камер таким образом, что сначала от предмета 2 располагают параболическое зеркало 7, обращенное к предмету 2 своей вогнутой зеркальной поверхностью, затем зеркало 8 и за ним зеркало 9. Оси кривизны параболического зеркала 7 ориентированы исключительно в горизонтальном направлении (ось Y), т.е. перпендикулярно плоскости чертежа на фиг. 1 или перпендикулярно плоскости XZ, таким образом, что на параболическое зеркало 7 попадают отображающие предмет 2 световые лучи, например, параллельные световые лучи, обозначенные на фиг. 1 позициями S1-S3, проходящие в направлении оси X и лежащие в плоскости XZ, которые после отклонения параболическим зеркалом 7 также лежат в той же плоскости XZ. Оба отклоняющих лучи элемента 8, 9, расположенные над параболическим зеркалом 7, выполнены и установлены таким образом, что они своими плоскими зеркальными поверхностями оказываются ориентированными перпендикулярно плоскости XZ и в результате вызывают лишь отклонение лучей, т.е. каждый световой луч S1-S3 до и после своего отклонения проходит в той же плоскости XZ. Кроме того, расположение таково, что фокальная линия 10, относительно которой фокусируются параллельные световые лучи S1-S3, ориентированные перпендикулярно осям кривизны параболического зеркала 7 и падающие на него, попадают в объектив 4 системы 3 камер.
Для инспектирования предмет 2 перемещают в направлении горизонтальной оси Y перед апертурой 6.1 оптического устройства 1.1 и расположенной здесь контрольно-установочной позицией 1.2, и для отображения посредством системы 3 камер подсвечивают с помощью не показанного источника света. От каждого предмета 2 получают несколько, т.е. в изображенном примере выполнения три вида сбоку с помощью системы 3 камер, для чего предмет 2 поворачивают вокруг его вертикальной оси, проходящей в направлении оси Z. Один из этих видов сбоку, например, три вида сбоку, на каждый предмет, полученные с помощью оптического устройства 1 или системы 3 камер и отображенные на чипе 5 камеры, изображен в положении а) на фиг. 3 и обозначен позицией 11.
С помощью оптической системы 6 для отклонения лучей и преобразования достигается улучшенное и свободное от искажений по краям изображение соответствующего предмета 2, а именно, в частности, так, что относительно оси Y изображения 11 действуют принципы энтоцентрической перспективы, т.е. близкие объекты отображаются более крупными, чем дальние объекты. В направлении оси Z изображения 11 ход лучей отклоняется так, что сохраняется аналогичное изображение, при этом искажения в промежутке от верхней стороны изображения 11 к нижней его стороне исключаются.
На фиг. 2 приведен другой вариант выполнения устройства 1а с оптическим устройством 1a.1, которое в свою очередь содержит систему 3 камер с энтоцентрическим объективом 4 и чипом 5 камеры, например, с чипом 5 камеры в формате 4:3. Кроме того, оптическое устройство 1а.1 содержит оптическую систему 6а для отклонения лучей и преобразования, которая принципиально отличается от оптической системы 6 для отклонения лучей и преобразования тем, что вместо зеркала или элемента 8 для отклонения лучей предусмотрено эллипсоидное зеркало 12, которое ориентировано своими осями кривизны горизонтально, т.е. в направлении оси Y и, следовательно, перпендикулярно плоскости чертежа на фиг. 2. По ходу лучей между инспектируемым предметом 2 и системой 3 камер и ее объективом 4, оптическая ось которого расположена в свою очередь в плоскости XZ, предусмотрены последовательно расположенные от предмета 2 параболическое зеркало 7, ориентированное своими осями кривизны горизонтально или в направлении оси Y, обращенное своей вогнутой стороной к предмету 2 и образующее апертуру 6а.1 оптической системы 6а для отклонения лучей и преобразования, следующее за ним эллипсоидное зеркало 12 и следующий за ним отклоняющий лучи элемент 9, за которым затем следует система 3 камер.
В отличие от оптической системы 6 для отклонения лучей и преобразования параболическое зеркало 7 оптической системы 6а для отклонения лучей и преобразования выполнено или искривлено таким образом, что фокальная линия 10, проходящая перпендикулярно плоскости чертежа на фиг. 2, т.е. в направлении оси Y, располагается по ходу лучей между параболическим зеркалом 7 и эллипсоидным зеркалом 12, в частности, в изображенном варианте выполнения - непосредственно перед эллипсоидным зеркалом 12 или его вогнутой зеркальной поверхностью. Позицией 1а.2 на фиг. 2 обозначена контрольно-установочная позиция, на которой находится предмет 2.
С помощью эллипсоидного зеркала 12 объединяются падающие на него световые лучи, например, световые лучи S1-S3, таким образом, что эти световые лучи фокусируются в объективе 4 в изображенном варианте выполнения с образованием фокальной линии 13, перпендикулярно ориентированной к плоскости XZ. Поскольку эти световые лучи падают на участки зеркальной поверхности эллипсоидного зеркала 12 с очень разной степенью кривизны, то происходит формирование отображающего предмет 2 и отражающегося от эллипсоидного зеркала 12 пучка лучей в плоскости XZ. Это имеет, в числе прочего, то преимущество, что система 3 камер или объектив 4 устройства 1а может быть выполнена с существенно уменьшенным апертурным углом по сравнению с системой камер устройства 1 и в результате при заданной величине чипа 5 камеры улучшается использование поверхности этого чипа для изображения 14 предмета 2. В положении b) изображение 14 вида сбоку на предмет 2 воспроизводится в свою очередь на чипе 5 камеры. Как следует из сравнения обоих положений a) и b) на фиг. 3, посредством оптической системы 6а для отклонения лучей и преобразования или посредством расположенного там эллипсоидного зеркала 12 существенно увеличивается соотношение между «горизонтальной шириной и вертикальной высотой» на изображении 14 против соответствующего изображения 11 и в результате достигается лучшее использование поверхности чипа 5 камеры.
Наконец на фиг. 4 и 5 показан другой вариант выполнения устройства 1b с двумя противолежащими оптическими устройствами 15 и 16 для инспектирования предметов 2. Оптические устройства 15, 16 содержат соответственно систему 3 камер с объективом 4. В принципе здесь также могут применяться системы цифровых камер, содержащие чип 5, например, в формате 4:3. Объективы 4, как упоминалось выше, могут быть энтоцентрическими. Кроме того, оптические устройства 15, 16 содержат соответственно оптическую систему 17 и 18 для отклонения лучей и преобразования, которая отличается от оптической системы 6 или 6а для отклонения лучей и преобразования, как показано на фиг. 1 и 2, тем, что по ходу лучей расположены дополнительно от первого зеркала 19 и 19а ко второму зеркалу 20 и 20а в положении второго зеркала 20 и 20а дополнительный отклоняющий лучи элемент 21 и 21а, ориентированный в направлении осветительного элемента 22, 22а. Зеркала 19, 19а, 20, 20а представляют собой, как описано, вогнутые зеркала, при этом вогнутая зеркальная поверхность первого зеркала 19, 19а обращена или наклонена в сторону контрольно-установочной позиции 1а.2 или инспектируемого предмета 2, а вогнутая зеркальная поверхность второго зеркала 20, 20а обращена или наклонена в сторону отклоняющего зеркала 9, расположенного между вторым зеркалом 20, 20а и системой 3 камер.
Для инспектирования предмета 2 с помощью устройства 1b, т.е., как показано на фиг. 4, с помощью левого оптического устройства 15, предусмотрены по ходу лучей между инспектируемым предметом 2 и системой 3 камер или ее объективом 4, оптическая ось которого лежит, например, в плоскости XZ, последовательно расположенные от предмета 2 первое зеркало 19, ориентированное своими осями кривизны горизонтально или в направлении оси Y, обращенное своей вогнутой стороной к предмету 2 и образующее апертуру 23 оптической системы 17 для отклонения лучей и преобразования, за ним второе вогнутое зеркало 20 и за ним отклоняющий лучи элемент 9, за которым далее следует система 3 камер. Фокальная линия 25, проходящая перпендикулярно плоскости чертежа на фиг. 4, т.е. в направлении к оси Y, располагается по ходу лучей между первым вогнутым зеркалом 19 и вторым вогнутым зеркалом 20, а именно согласно изображенному варианту выполнения непосредственно перед вторым зеркалом 20 или его вогнутой зеркальной поверхностью. Позицией 1а.2 на фиг. 4 обозначена контрольно-установочная позиция, на которой находится предмет 2.
Вторым вогнутым зеркалом 20, которым может служить, например, эллипсоидное зеркало 12, падающие на него световые лучи отклоняются через отклоняющий элемент 9 в направлении к системе 3 камер. При этом отклоняющий лучи элемент 21, находящийся в положении второго зеркала 20, находится за пределами хода лучей, т.е. при инспектировании предмета 2 оптическим устройством 15 световые лучи проходят перед отклоняющим лучи элементом 21.
В противоположность оптическому устройству 15 в оптическом устройстве 16, показанном справа на фиг. 4, ход лучей отклоняется на отклоняющий лучи элемент 21а, т.е. оптические устройства 15 и 16 или их оптические системы 17 и 18 для отклонения лучей и преобразования ориентированы относительно друг друга таким образом, что их фокальные точки оказываются смещенными между собой. Как показано на фиг. 4, это достигается в результате того, что оптические системы 17, 18 для отклонения лучей и преобразования обоих оптических устройств 15, 16 наклонены друг к другу, т.е. в направлении контрольно-установочной позиции 1а.2 или инспектируемого предмета 2. При этом в изображенном справа на фиг. 4 оптическом устройстве 16 более не присутствует правильный фокус, т.е. фокальная линия 26 проходит по участку отклоняющего лучи элемента 21а или вблизи от его плоской зеркальной поверхности. Таким образом ход лучей направляется отклоняющим лучи элементом 21 к осветительному элементу 22а, служащему для высвечивания предмета 2.
На фиг. 5 показан приведенный на фиг. 4 принцип в обратной последовательности, при этом ход лучей в изображенном слева оптическом устройстве 15 отклоняется отклоняющим лучи элементом 21 в сторону осветительного элемента 22 и предмет 2 инспектируется оптическим устройством 16. Это достигается в результате того, что в оптическом устройстве 15 более не создается правильный фокус или что фокальная линия 26а проходит на участке отклоняющего лучи элемента 21 или вблизи от его плоской зеркальной поверхности. При этом отклонение хода лучей в оптическом устройстве 15 служит для высвечивания предмета 2.
В противоположность этому по ходу лучей правого оптического устройства 16, между инспектируемым предметом 2 и системой 3 камер или ее объективом 4, оптическая ось которого лежит, например, в плоскости XZ, предусмотрены последовательно расположенные от предмета 2 первое зеркало 19а, ориентированное своими осями кривизны горизонтально или в направлении оси Y, обращенное своей вогнутой стороной к предмету 2 и образующее апертуру 24, оптические системы 18 для отклонения лучей и преобразования, следующее за ним второе вогнутое зеркало 20а и следующий за ним отклоняющий элемент 9, за которым далее следует система 3 камер. При этом фокальная линия 25а, перпендикулярная плоскости чертежа на фиг. 5, т.е. в направлении оси Y, проходит по ходу лучей между первым вогнутым зеркалом 19а и вторым вогнутым зеркалом 20а, а именно в изображенном варианте выполнения непосредственно перед вторым зеркалом 20а или его вогнутой зеркальной поверхностью.
Вторым зеркалом 20а, которым в данном случае служит, например, эллипсоидное зеркало, падающие на него световые лучи отклоняются через отклоняющий элемент 9 в направлении системы 3 камер. Отклоняющий лучи элемент 21а, находящийся в положении второго зеркала 20а, располагается при этом за пределами хода лучей, т.е. при инспектировании предмета 2 оптическим устройством 16 световые лучи проходят перед отклоняющим лучи элементом 21а.
Ниже приводится сжатое описание принципа действия устройства 1b.
Для инспектирования предмет 2 перемещают в направлении горизонтальной оси Y между апертурами 23 и 24 оптических устройств 15, 16 или перед расположенной между оптическими устройствами 15, 16 контрольно-установочной позицией 1а.2. Для отображения посредством систем 3 камер оба оптических устройства 15, 16, т.е. их оптические системы 17, 18 для отклонения лучей и преобразования, наклонены относительно друг друга, т.е. в направлении контрольно-установочной позиции 1а.2 или находящегося здесь инспектируемого предмета 2, таким образом, что их фокальные линии 25, 25а, 26, 26а оказываются смещенными относительно друг друга так, что при инспектировании предмета 2 одним из устройств 15, 16 ход лучей или световые лучи другого устройства 16 или 15 отклоняются так, что они падают на осветительный элемент 22 или 22а, служащий для высвечивания предмета 2. Это может происходить одновременно на обеих сторонах, т.е. одновременно в обоих оптических устройствах 15, 16, в результате чего предмет 2, находящийся на контрольно-установочной позиции, может инспектироваться и высвечиваться одновременно с обеих сторон.
Показанные на фиг. 1, 2 и 3 предпочтительные варианты выполнения действительны и для оптических устройств 15, 16. Т.е., например, при последовательном расположении эллипсоидного и параболического зеркал системы камер оптических устройств 15, 16 могут быть выполнены с существенно уменьшенным апертурным углом. Кроме того, как уже было сказано при описании варианта выполнения на фиг. 1 и 2, с помощью оптических систем 17, 18 для отклонения лучей и преобразования достигается улучшенное и свободное от искажений по краям изображение предмета 2, а именно, в частности, таким образом, что в отношении оси Y действуют принципы энтоцентрической перспективы, т.е. близкие объекты имеют более крупное изображение, чем удаленные объекты. В направлении оси Z изображения ход лучей отклоняется так, что сохраняется аналогичное изображение, при этом искажения в промежутке от верхней стороны изображения к нижней его стороне исключаются.
Позицией ME на фиг. 1 и 2 обозначена соответственно центральная или симметричная плоскость наклонного параболического зеркала 7, по отношению к которой это зеркало выполнено зеркально симметричным по своей кривизне. Эта центральная плоскость ME образует с плоскостью YZ угол менее 90°.
Выше изобретение описано с помощью примеров своего осуществления. Разумеется, возможны изменения и модификации без отхода от замысла, лежащего в основе изобретения.
Перечень позиций
1, 1a, 1b устройство
1.1, 1a.1 оптическое устройство
1.2, 1а.2 контрольно-установочная позиция
2 предмет
3 система камер
4 объектив
5 чип камеры
6, 6а оптическая система для отклонения лучей и преобразования
6.1, 6а.1 апертура
7 параболическое зеркало
8, 9 отклоняющий лучи элемент или отклоняющее зеркало
10 фокальная линия
11 изображение предмета 2 на чипе камеры
12 эллипсоидное зеркало
13 фокальная линия
14 изображение предмета на чипе камеры
15, 16 оптическое устройство для устройства 1b
17, 18 лучи отклонения и преобразования оптических систем 15, 16
19, 19а первое зеркало
20, 20а второе зеркало
21, 21а отклоняющий лучи 17, 18 элемент
22, 22а осветительный элемент 15, 16
23, 24 отверстие для 17 и 18
25, 25а фокальная линия на участке второго зеркала 20, 20а
26, 26а фокальная линия на участке отклоняющего лучи элемента 21, 21a
S1, S2, S3 световые лучи
X, Y, Z пространственные оси
ME ось кривизны.