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Hintergrund
der Erfindung
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Diese
Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der gleichzeitig anhängigen Anmeldung
mit der Ifd. Nr. 658.093 mit dem Titel ENGINEERED LIGHTING SYSTEM
FOR TDI INSPECTION, eingereicht am 20. Februar 1991.
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Diese
Anmeldung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinensehens und insbesondere
auf die schnelle automatische Videoinspektion. Obgleich klar ist,
dass die Erfindung umfassendere Anwendungen wie etwa bei der Inspektion
irgendeiner diskreten oder kontinuierlichen ununterbrochen bewegten
Probe, bei der die Probe durch das Gesichtsfeld einer zugeordneten
Inspektionskamera geleitet wird, und bei Systemen, die verhältnismäßig niedrige
Beleuchtungspegel nutzen, besitzt, ist die Erfindung insbesondere
anwendbar auf die automatische Videoinspektion ununterbrochener
warenbahnähnlicher
Materialien wie etwa Stoff, Papier, MYLAR, Dünnschichtmaterial usw. und
wird mit besonderem Bezug darauf beschrieben.
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Maschinensehsysteme
haben in der Industrie eine eingeführte Anwesenheit erhalten,
um schnelle Videoinspektionen auszuführen. Solche Maschinensehsysteme
umfassen allgemein ein Beleuchtungssystem, das eine Probe beleuchtet,
und eine Kamera zum Abtasten des davon reflektierten Lichts. Aus
einem von der Kamera empfangenen Bild wird ein digitalisiertes Bild
gebildet. Daraufhin werden die Daten, die dieses Bild repräsentieren,
verwendet, um angesichts der im Voraus gewählten physikalischen Merkmale
der Probe ihre Eignung zu bestimmen.
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Frühere Anordnungs-Videoinspektionssysteme
waren typisch auf die Inspektion einer ununterbrochenen Folge allgemein
gleichförmiger
Proben gerichtet, die im Gesichtsfeld der Inspektionskamera enthalten
sein konnten. Diese Systeme verwendeten eine Beleuchtung, die ausreichend
war, um eine einzige Beleuchtungszeitdauer zu ermöglichen.
Nochmals weitere frühere
Systeme verwendeten Rasterkameras, die in Bezug auf einen Teilabschnitt
einer großen, üblicherweise
planaren Probe fortschreitend weiterrückten, um eine Folge von Bildern
davon zu erhalten.
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US
5.072.128 offenbart eine Inspektionsvorrichtung, die Mehrfarblicht
zur Erfassung von Mängeln
verwendet. Allerdings nutzt die Vorrichtung weder Videorezeptormittel
noch schlägt
sie welche vor.
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Ein
beträchtliches
Produkt wird als ein ununterbrochener Strom von warenbahn- oder
dünnschichtähnlichem
Material hergestellt. Während
die oben erwähnten
Systeme für
eine Anzahl von Inspektionen angemessen sind, schaffen sie keine
Mittel, die ein konsistent genaues Inspektionsbild eines ununterbrochenen
Stroms von schnell bewegtem Warenbahnmaterial erfassen. Frühere Versuche,
eine automatische Inspektion solcher Materialien zu erzielen, beruhten
auf Linienabtastkameras mit ununterbrochener Beleuchtung. Außerdem wurden
Stroboskopsysteme genutzt, die aber sehr große Beleuchtungszeitdauern erforderten.
Somit war es wünschenswert,
dass ein System geschaffen wird, das eine genaue schnelle Videoinspektion
an einem ununterbrochenen Strom von Warenbahnmaterial ermöglicht oder
bisher unzulängliche
Beleuchtungsintensitäten
bei verbesserter Bildintegrität
nutzt und Robustheit gegenüber
einem weiten Bereich von Proben zeigt.
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Fortschritte
bei Kameras und insbesondere bei Kameras mit ladungsgekoppelten
Vorrichtungen ("CCD"-Kameras) haben unlängst zu
Zeitverzögerungsintegrationstechniken
("TDI"-Techniken) geführt, wie
sie etwa von den US-Patenten Nr. 4.922.337 und 4.949.172 beschrieben
sind. Die TDI verwendet eine CCD-Anordnung, in der Zeilen von CCD-Elementen
senkrecht zu einer Fortschrittsrichtung einer ununterbrochenen Warenbahn
oder anderer Proben sind. Eine ununterbrochene Lichtquelle reflektiert
Licht von einem allgemein geradlinigen Querschnitt der Probe auf
eine Zeile von CCD-Elementen. Die resultierenden Bilddaten in dieser
Zeile werden in eine nachfolgende, parallele Zeile von Elementen
in der CCD-Anordnung verschoben, wo der von dem gleichen Querschnitt
der Probe reflektierte zusätzliche
Lichtfluss damit integriert wird. Dementsprechend wird der Einfluss
von niedrigem Licht wegen eines einzigen Querschnitts der Probe
wiederholt erhalten. Das resultierende kombinierte Bild mittelt
wesentliche Rauschbestandteile heraus und schafft ein verbessertes
Signal-Rausch-Verhältnis
in einem erfassten Bild. Dies ermöglicht, eine ununterbrochene
Folge geradliniger Bilder mit hoher Integrität über die Warenbahn oder die
anderen Proben zu erhalten.
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Außerdem offenbart
WO 92/15010 ein Inspektionsbeleuchtungssystem, das die TDI verwendet.
Das System verwendet lichtemittierende Dioden, um eine Probe mit
Licht einer ausgewählten
Wellenlänge
zu beleuchten.
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Obgleich
die oben erwähnte
TDI-Technik eine wesentliche Verbesserung schafft, weist sie dennoch
bestimmte Nachteile auf. Die TDI-Inspektionstechniken konzentrieren
sich wie bei herkömmlicheren
Videoinspektionssystemen eher auf die numerische Verarbeitung als
auf die Beleuchtungstechnik. Frühere
Techniken führten
zu einem gewissen "Verschmieren" jedes geradlinigen
Querschnittsbilds. Außerdem
können
durch das gleiche System zu verschiedenen Zeiten häufig verschiedene
Warenbahngrade oder sogar vollständig
verschiedene Warenbahnmaterialien untersucht werden. Ähnlich stellen Nicht-wahrenbahnsysteme
zu verschiedenen Zeitpunkten häufig
merklich verschiedene Proben fest. Unterschiede des Reflexionsvermögens erfordern
in diesen Situationen einen Ausgleich. Dies wird typisch durch einen
Ausgleich in der Software des Inspektionsalgorithmus ausgeführt. Ausgehend
davon, dass in CCDs absolute Lichtempfindlichkeitsgrenzwerte inhärent sind,
ist selbst dies beschränkt,
wobei die Informationen verloren sind und kein Ausgleich möglich ist,
wenn ein Empfindlichkeitsschwellenwert überschritten worden ist.
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Außerdem ist
es möglich,
die Beleuchtungsintensität
bei herkömmlicher
Beleuchtung zu ändern, wobei
sich aber die Farbtemperatur bei Glühquellen inhärent verschiebt,
wobei strenge Frequenz- oder Stromsteuerungen, die eine Änderung
der Fluoreszenzquellen bewirken, schwierig und teuer sind.
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In
noch jüngerer
Zeit wurden wesentliche Fortschritte in Verbindung mit der Technologie
lichtemittierender Dioden gemacht. Die erste Generation lichtemittierender
Dioden lieferte einen hohen Anteil ihrer Ausbeute in dem Infrarotspektrum,
was von den physikalischen Merkmalen des Halbleitersubstrats her,
aus denen sie hergestellt sind, zu erwarten ist. Seither werden
zur Erzeugung von Licht mit einer Wellenlängenfrequenz, die höher als
Infrarot ist, verschiedene Halbleitersubstrate genutzt. Erwartungsgemäß hatten
die ersten sichtbaren LEDs hauptsächlich rote Farbe.
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Während verschiedene
Substrate genutzt wurden, um verschiedene LED-Farben zu bilden,
offenbarte sich eine weitere physikalische Eigenschaft. Es wird
daran erinnert, dass die gesamte Lichtenergie gemäß der Gleichung: E = hνüber die
Planck-Konstante mit einer Frequenz zusammenhängt.
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Während dies
bei sichtbaren Anzeichen, bei denen LEDs ihre Hauptanwendung gefunden
haben und weiter finden, eine Randangelegenheit ist, ist es noch
entscheidender, wenn LEDs zur Beleuchtung verwendet werden. Das
heißt,
wenn andere Frequenzen als Rot genutzt werden, wird die gesamte für die Inspektionsbeleuchtung
verfügbare
Lichtenergie wegen der Frequenzzunahme dementsprechend verringert.
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Ferner
werden ladungsgekoppelte Vorrichtungen ebenfalls in Silicium hergestellt.
Dementsprechend liegt ihre maximale Empfindlichkeit analog zu dem
von Silicium ausgegebenen maximalen Spektrallicht im infraroten
Spektralbereich. Dementsprechend erfolgte die Videobeleuchtung der
ersten Generation, die LEDs nutzte, mit Infrarotbeleuchtung. Die
Beleuchtung der zweiten Generation verwendete sichtbare rote LEDs.
Jüngste
Fortschritte und LEDs haben weitere Farben mit einer nutzbaren Energiemenge
geliefert. Ferner haben Fortschritte in der CCD-Technologie eine
erhöhte
Empfindlichkeit für verschiedene
Beleuchtungsspektren ermöglicht.
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Die
vorliegende Erfindung betrachtet ein neues und verbessertes TDI-Videoinspektionssystem
und hochentwickeltes Beleuchtungssystem, das sämtliche oben erwähnten Probleme
sowie weitere überwindet
und ein Videoinspektionssystem schafft, das unter Verwendung mehrerer
oder wählbarer Farbspektren
die ununterbrochene Inspektion eines Stroms von Warenbahnmaterialien
oder anderen Proben mit verbesserter Integrität ermöglicht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Mehrere
Faktoren sind grundlegend für
die hochentwickelte Beleuchtung. Diese umfassen den Beleuchtungswinkel,
die Intensität
des Lichts, die Reinheit des Lichts und das Lichtspektrum. Diese Faktoren
können
geändert
und so eingerichtet werden, dass eine Beleuchtung für äußerst anwendungsspezifische
Situationen erzielt wird. Bisher haben die Systeme die Spektralaspekte
nicht erfasst. Die Spektralsteuerung schafft deutliche Vorteile,
die vertieft werden, wenn sie zusammen mit den anderen verwendet
werden.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung enthält ein Videoinspektionssystem
mit hochentwickelter Beleuchtung eine Anordnung lichtemittierender
Elemente, die von LEDs mit mehreren Spektralmerkmalen gebildet werden.
Die lichtemittierenden Elemente der Anordnung sind in der Weise befestigt,
dass sie anhand ihrer Position und ihrer Wellenlänge in einer oder in mehreren
diskreten Teilmengen steuerbar sind. An eine Steuereinheit wird ein
Signal geliefert, das eine geradlinige Geschwindigkeit einer zugeordneten
Probe in Bezug auf die Anordnung repräsentiert. Die Steuereinheit
funktioniert ihrerseits in der Weise, dass sie das lichtemittierende
Element wahlweise während
einer kurzen Zeitdauer aktiviert. Nach der Belichtung der Probe
wird das Licht der Anordnung lichtemittierender Elemente an eine
Anordnung lichtempfindlicher Wandler übermittelt, deren Zeilen mit
einem ununterbrochenen Warenbahnmaterial oder einer anderen Probe
synchronisiert sind.
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In Übereinstimmung
mit einem nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist
eine Hintergrundbeleuchtung durch eine ausgewählte Mehrzahl von Beleuchtungselementen
vorgesehen, die auf einer dem lichtempfindlichen Wandler gegenüberliegenden Seite der Probe vorgesehen sind.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Videoinspektionssystems
zur Ausführung
einer genauen Inspektion eines ununterbrochenen Stroms von dünnschicht-
oder warenbahnähnlichen
Materialien oder anderen Proben, wenn die Proben veränderliche
oder verschiedene Farben haben.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Inspektionssystems, das ausgewählte
Beleuchtungsspektren verwendet.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Videoinspektionssystems zur Inspektion eines ununterbrochenen Stroms von
dünnschicht-
oder warenbahnähnlichen
Materialien oder einer anderen Probe unter Verwendung mehrerer Kameras
und einer gleichzeitigen Beleuchtung.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Videoinspektionssystems zur Ausführung
einer genauen Inspektion eines unun terbrochenen Stroms von dünnschicht-
oder warenbahnähnlichen
Materialien oder einer anderen Probe, das die Inspektion von Fehlern
ermöglicht,
die durch ein einzelnes Beleuchtungsspektrum nicht unterscheidbar
sind.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Systems, das ermöglicht,
mit der oben erwähnten
mehrfachen oder wahlweisen spektralen Beleuchtung ein eingefrorenes Bild
nachfolgender Bereiche des Warenbahnmaterials zu erhalten.
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Ein
nochmals weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
eines Systems, das die Ansammlung mehrerer Bilddatensätze aus
ausgewählten
Bereichen eines ununterbrochenen Stroms von Warenbahnmaterialien
in einem an einen weiten Bereich von Warenbahnmaterialien anpassbaren
System ermöglicht,
um eine verbesserte schnelle, genaue Videoinspektion davon mit verhältnismäßig niedrigen
Lichtpegeln der wie oben erwähnten
mehrfachen oder wahlweisen spektralen Beleuchtung zu erhalten.
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Ein
nochmals weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
eines Inspektionssystems zur verbesserten Inspektion diskreter Bilder.
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Ein
nochmals weiterer Vorteil ist die Schaffung eines Inspektionssystems,
das ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis für die erfassten Bilder erzielt.
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Ein
nochmals weiterer Vorteil ist die Schaffung eines Inspektionssystems,
das eine Beleuchtung mit verbesserten Merkmalen, verbesserter Konsistenz,
verbesserter Stabilität
und verbesserter Zuverlässigkeit
verwendet.
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Weitere
Vorteile werden für
den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet beim Lesen und Verstehen
der vorliegenden Beschreibung sichtbar.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die
Erfindung kann in bestimmten Teilen und Aufbauen von Teilen eine
physikalische Form annehmen, deren bevorzugte und alternative Ausführungsformen
ausführlich
in der Beschreibung beschrieben und in der beigefügten Zeichnung
gezeigt sind, die einen Teil davon bildet und in der:
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1 ein Videoinspektionssystem
veranschaulicht, das eine Anordnung lichtemittierender Dioden verwendet;
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2 eine Draufsicht von drei
Kameras veranschaulicht, die so positioniert sind, dass die Bilderfassung
zur Inspektion von Warenbahnmaterial ausgeführt wird;
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3 eine optionale Doppelkamerainspektions-Ausführungsform
veranschaulicht;
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4 eine graphische Darstellung
der Verschiebungszeit in Abhängigkeit
von der Position für eine
Inspektion eines ununterbrochen bewegten Stroms von Warenbahnmaterial
ist;
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5 das Beleuchtungs- und
das CCD-Teilsystem veranschaulicht, die in dem System aus 1 verwendet werden;
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6 einen Ablaufplan des Betriebs
der vorliegenden hochentwickelten TDI-Beleuchtungsinspektionsoperation veranschaulicht;
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7 eine alternative Ausführungsform
der in den 1 und 5 veranschaulichten primären Beleuchtungsanordnung
ist;
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8 einen Mehrspektrenaufbau
von LEDs veranschaulicht, der geeignet in Verbindung mit dem vorliegenden
Beleuchtungssystem genutzt wird;
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9 einen Unterabschnitt des
vorliegenden Inspektionssystems veranschaulicht, das verschiedenfarbige
LEDs mit darauf sensibilisierten Kameras verwendet;
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10 eine Ausführungsform
veranschaulicht, die ein Linse-Prisma-System verwendet, wobei sowohl
die Einzelelementsteuerung als auch die Elementgruppensteuerung
veranschaulicht ist;
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11 eine Ausführungsform
veranschaulicht, die ein Beugungsgitter und Mehrfarb-LEDs verwendet,
wobei sowohl die Einzelelementsteuerung als auch die Elementgruppensteuerung
veranschaulicht ist; und
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12 mehrere Änderungen
eines Systems veranschaulicht, das in Bänken angeordnete LEDs mit geänderten
Winkeln zwischen den Linsen, ein optionales herkömmliches Hybridquellenlicht
und eine Kamera, die eine perspektivische Steuerlinse verwendet,
enthält.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
und der alternativen Ausführungsform
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Nunmehr
anhand der Zeichnung, in der die Darstellungen lediglich zur Erläuterung
der bevorzugten und der alternativen Ausführungsformen der Erfindung
und nicht zu deren Beschränkung
dienen, veranschaulicht 1 ein
hochentwickeltes Videoinspektionssystem A, das ein hochentwickeltes
Beleuchtungssystem oder -mittel B, ein Datenerfassungsystem oder
-mittel C und ein Computersystem oder -mittel D enthält.
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Das
Beleuchtungssystem B ist aus einer Anordnung mehrerer lichtemittierender
Elemente 10 ausgebildet, die vorzugsweise Festkörperbeleuchtungselemente
wie etwa eine Mehrzahl lichtemittierender Dioden ("LEDs") umfassen. Vorteilhaft
schaffen die lichtemittierenden Dioden eine konsistente Lichtausbeute
bei schneller Reaktion und langer Lebensdauer.
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Derzeitige
Festkörper-Lichterzeugungselemente
sind in Farben verfügbar,
die von Infrarot bis Blau reichen. Jedes besitzt charakteristische
Vorteile für
die Beleuchtung. Die Auswahl der Lichtwellenlänge oder -wellenlängen ändert sich
in Verbindung mit der ausgewählten
Inspektion. Zusätzliche
Betrachtung verdient der Anteil der Beleuchtungsenergie für die Lichtfarbe,
wie er durch E = hν vorgeschrieben
ist, wobei E = Energie, ν =
Frequenz des Lichts und h = die Plancksche Konstante ist. Ausgehend
von dieser Frequenz-Energie-Beziehung
und der Notwendigkeit, große
Lichtmengen zu liefern, um eine kurze Belichtungszeit zu überwinden,
haben frühere
LED-Inspektionssysteme typisch infrarote oder rote Elemente verwendet. Über eine
Zeitdauer TDI-integrierte Inspektionen
mit stationärer
Beleuchtung erfordern wesentlich weniger Licht pro Beleuchtung und
ermöglichen
damit die Beleuchtung durch verschiedene Frequenzkombinationen.
Wiederholte integrierte Beleuchtungs-Belichtungs/Bild-Erfassungsfolgen ermöglichen
die Verwendung grüner
oder sogar blauer LEDs unabhängig
von ihrem niedrigeren Ausbeutewirkungsgrad. Außerdem werden gemischte Spektren
vorteilhaft für
spezifische Inspektionen implementiert. Einflüsse wegen mehrerer Lichtfrequenzen liefern
dreidimensionale Informationen sowie ein Mittel, mit dem verschiedene
Farben von Proben inspiziert werden können. Um verschiedene Spektraleinflüsse oder
-anomalien zu isolieren, werden angemessen mehrere Kameras mit einer
Empfindlichkeit für
ein ausgewähltes
Spektrum implementiert, von denen eine geeignet mit einem Spektrum
und eine weitere mit einem zweiten oder dritten beleuchtet wird.
Um dies zu erreichen, werden eine ausgewählte ladungsgekoppelte Vorrichtung
("CCD"), Anordnungen, Filter
oder Strahlteiler angemessen implementiert.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
werden die lichtemittierenden Dioden auf ein allgemein schmales
Bündel
oder auf einen allgemein schmalen Kegel von davon ausgehendem Licht
fokussiert, wobei der Kegel einen allgemein ausgewählten Winkel besitzt.
Allerdings kann eine ähnliche
Wirkung für
fokussierte LEDs unter Verwendung eines breiteren Bündels realisiert
werden, das mit einem verringerten Abstand zwischen die LEDs und
eine Probe gekoppelt ist.
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Typische
fokussierte lichtemittierende Dioden enthalten ein geschossförmiges Gehäuse, das als
eine Linse wirkt, die das schmale Lichtbündel oder den schmalen Lichtkegel
daraus projiziert. Welche Brennweite verwendet wird, der Aufbau
der Vorrichtungen und die gewählten
Beleuchtungswinkel sind äußerst anwendungsabhängig. Herkömmlich verfügbare fokussierte
lichtemittierende Dioden haben ein Lichtbündel mit allgemein breitem
Winkel (20° im
Scheitel) oder 10° von
einer senkrechten Mittellinie davon. Das vorliegende System verwendet eine
Auswahl von LED-Winkeln, die stark anwendungsabhängig sind. Die stärker fokussierten
LEDs ermöglichen
die Konzentration einer maximalen Lichtmenge von einer gegebenen
LED in einem kleinen Bereich, während
gleichzeitig die Gleichförmigkeit
der Beleuchtung aufrechterhalten wird. Dies schafft außerdem eine
höhere
Beleuchtungsintensität
in einem angegebenen Bereich, unterwirft den Bereich der einzelnen
Steuerbarkeit der Intensitäten und
Winkel darüber
für die
Steuerbarkeit der einzelnen lichtemittierenden Dioden, Gruppen lichtemittierender
Dioden oder Teilmengen lichtemittierender Dioden.
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Lichtemittierende
Dioden können
mit äußerst hohen
Strömen
gepulst werden, vorausgesetzt, dass die Dauer ausreichend klein
ist, um eine Wärmezunahme
zu verhindern, die den PN-Übergang,
der die Diode bildet, beschädigen
kann. Es ist festgestellt worden, dass eine Dauer im Bereich von
1 bis 200 Mikrosekunden die Bereitstellung so hoher Ströme ohne
Schaden oder mit einem nominellen Schaden für die LED ermöglicht.
Wie weiter unten beschrieben wird, zeigt sich, dass diese Dauer
außerdem
ausreicht, um das Bild einer schnell bewegten Probe "einzufrieren", so dass ein Standbild
davon eingefangen werden kann. In der bevorzugten Ausführungsform
sind in der CCD-Anordnung 240 Abtastlinien implementiert. Dementsprechend
werden für
jeden geradlinigen Querschnitt einer Probe 240 Impulse und 240 Belichtungen
integriert.
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Ausgehend
von den Lichtsammeleigenschaften der TDI blitzen in dem vorliegenden
System alle oder einige der Dioden 10 über eine Dauer von etwa 4 μs gleichzeitig
auf. Allerdings bietet der Betrieb im Bereich von 0,1 μs bis 100 μs für das vorliegende
System die meisten Vorteile. Während
dieser Dauer wird jeder LED geeignet ein Strom zwischen 1 mA und
500 mA zugeführt.
Ein Wert von 73 mA hat sich als akzeptabel erwiesen. Geeignete Leistungsversorgungen
zur Ausführung
dieser Pulsierung liegen im Verständnis des Durchschnittsfachmanns
auf dem Gebiet und werden hier nicht beschrieben. Die Zeit von 4 μs wird ausgewählt, um
vorteilhaft einen niedrigen Tastgrad im Vergleich zu der typischen
horizontalen Abtastzeit für
NTSC-Videosignale zu liefern. Eine Abtastrate von 15,75 kHz liefert
eine horizontale Abtastzeit von 63 μs. Dementsprechend liefert der
4 μs-Impuls
einen Tastgrad von 4/63. Diese besondere Rate mit dem tatsächlichen
Tastgrad wird für
eine Abtastrate dimensioniert, die für eine besondere Anwendung
implementiert wird.
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In
der Ausführungsform
aus 1 sind die lichtemittierenden
Dioden 10 durch eine Klammer oder durch Befestigungsmittel 12 in
einer allgemein halbzylinderförmigen
Anordnung 16 befestigt. Eine solche Anordnungsstruktur
schafft vorteilhaft eine allgemein gleichförmige Beleuchtung für ein rechteckiges
Lichtfeld 14. Diese Struktur ist geeignet aus einem biegsamen
Leiter plattenabschnitt hergestellt, der an den Endabschnitten zweier
halbkugelförmiger Leiterplatten
befestigt ist. Die LEDs sind an dem Innenabschnitt der Anordnung 16 angebracht
und vorzugsweise so nahe wie möglich
beieinander angeordnet, um die Beleuchtung zu maximieren und die Übergänge dazwischen
zu minimieren, wodurch ein gleichförmigeres Lichtfeld gebildet
wird. Obgleich in der bevorzugten Ausführungsform diese besondere Struktur
verwendet wird, ist klar, dass zur Beleuchtung verschiedener Proben
verschiedene andere Anordnungsstrukturen verwendet werden können.
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Für die verbesserte
Erfassung bestimmter Oberflächenmängel wird
vorteilhaft eine angewinkelte Beleuchtung verwendet, d. h. eine
Beleuchtung, die von einer oder mehreren LEDs zu einer Probe übermittelt
und an der Probenoberfläche
zu einer Kamera mit einem angegebenen Winkel von weniger als 180° reflektiert
wird. Solche Systeme können
optional eine perspektivische Korrekturlinse implementieren, um
die Bildeigenschaften über
den Fortschritt in der CCD-Anordnung aufrechtzuerhalten. Eine solche
perspektivische Korrekturlinse ermöglicht, Licht von einer Anordnung
unter einem nicht senkrechten Winkel zu einer Probe zu lenken, während Artefakte, die
sich ansonsten aus einer solchen Ausrichtung ergeben würden, negiert
werden. Beispielsweise bewirkt das angewinkelte (nicht senkrechte)
Licht von einer rechtwinkligen Anordnung, das eine Probe beleuchtet,
einen trapezförmigen
Beleuchtungsbereich. Außerdem
wird der Videorezeptor des resultierenden Bildes ähnlich verzerrt.
Somit kann das reflektierte Bild der Linse selbst, wenn stark reflektierende
Materialien inspiziert werden, durch eine perspektivische Korrekturlinse
beseitigt werden, was somit den gewünschten Grad der Homogenität in der
abgebildeten Warenbahn ermöglicht.
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Außerdem sind
die lichtemittierenden Dioden 10 angemessen in mehrere
Gruppen oder Teilmengen 20 unterteilt. Die lichtemittierenden
Dioden jeder der Teilmengen 20 werden zusammen über Verbindungen 22 mit
einem Leistungsversorgungs- und Verteilerkasten 24 gesteuert.
Die Gruppierung der lichtemittierenden Elemente schafft ein Mittel,
mit dem die Steuerung der Intensität entlang ausgewählter Teilabschnitte
einer zugeordneten Probe vorgenommen werden kann oder mit dem ausgewählte Beleuchtungswinkel
erzeugt werden können.
Außerdem
schafft diese Struktur eine Fähigkeit,
sich verschlechternde oder ausgebrannte Elemente durch Verstärken der
Ausbeute der umgebenden Elemente zu kompensieren. Ferner schafft
sie eine Verringerung des reflektierten Lichts, das irgendeinen
gegebenen Bereich des Kamerasensors erreicht.
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Wie
in 1 veranschaulicht
ist, ist ein Teil der lichtemittierenden Elemente 10 zu
einer Hintergrundbeleuchtungsanordnung 26 gestaltet. Die
Hintergrundbeleuchtung wird oft vorteilhaft zur Inspektion lichtdurchlässiger Proben
oder Teilabschnitte von Proben verwendet. In der veranschaulichten
Ausführungsform
ist die Hintergrundbeleuchtungsanordnung 26 in der Weise
befestigt, dass sie allgemein planar ist. Obgleich klar ist, dass
verschiedene andere Ausrichtungen erfolgreich genutzt werden können, ist
eine solche planare Ausrichtung für Hintergrundbeleuchtungsanwendungen
allgemein am besten geeignet. Wie bei den Leuchten des primären Anordnungsabschnitts 16 sind
die lichtemittierenden Dioden der Hintergrundbeleuchtungsanordnung 26 geeignet
zu mehreren Teilmengen 28 gebildet, die mit dem Leistungsversorgungs-
und Verteilerkasten 24 verbunden sind. Zur Erleichterung
der Darstellung wurden diese Verbindungen in 1 weggelassen. Diese Bildung von Teilmengen
schafft eine Steuerbarkeit analog der, die mit dem oben beschriebenen Aufbau
für den
primären
Anordnungsabschnitt 16 geschaffen wird.
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In 1 ist eine seitliche Querschnittsansicht
eines Diffusors 30 gezeigt. Der Diffusor 30 ist vorteilhaft
als eine Halbzylinderform ausgebildet, die ähnlich der Form der in seinem
Innern angeordneten Anordnung 16 ist. Der optische Diffusor
bewirkt das Glätten
von Übergängen zwischen
den LEDs der Anordnung und schafft dadurch ein noch gleichförmigeres
Lichtfeld.
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Außerdem ist
in 1 ein Segment 38 eines Stroms
von Warenbahnmaterial veranschaulicht, das in der angegebenen Richtung
in allgemein ununterbrochener Bewegung ist. Wie es hier verwendet
wird, wird Warenbahnmaterial wieder so verstanden, dass es sich
auf irgendein dünnschichtähnliches
Material wie etwa Papier, Textil, Blech, Kunststoff, Schichtstoffe
und dergleichen bezieht. Selbstverständlich wird das System ebenfalls
vorteilhaft in diskreten Probensystemen verwendet. Der Einfachheit
halber beziehen sich die vorliegenden Beschreibungen aber ausschließlich allgemein
auf Warenbahnumgebungen. Ein (nicht gezeigter) Förderantrieb bewegt die Warenbahn 38 mit
allgemein hoher Geschwindigkeit ununterbrochen durch das Lichtfeld 14.
Die Warenbahnposition wird durch einen Warenbahn-Positions/Geschwindigkeits-Sensor wie etwa durch
ein Tachometer 40 gemessen. Das Licht von den lichtemittierenden
Dioden 10 des primären
Anordnungsabschnitts 16 wird an der Warenbahn 38 reflektiert.
Das reflektierte Licht von einem Betrachtungsbereich 42 wird über eine
Linse 44 einer Kamera 46 empfangen. Obgleich in
der Querschnittsansicht der Figur lediglich eine Kamera veranschaulicht
ist, wird unten gezeigt, dass häufig
vorteilhaft mehrere Kameras verwendet werden. Der Betrachtungsbereich 42 ist
so stark wie möglich
von dem Umgebungslicht, d. h. Licht, das nicht durch Licht von der
primären
Beleuchtungsanordnung 16 (oder von den sekundären Beleuchtungsanordnungen 28)
geliefert wird, isoliert.
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In
der Ausführungsform
aus 1 ist die Linse 44 der
Kamera 46 in der Weise befestigt, dass sie sich durch einen Öffnungsabschnitt 52 etwas
in das Lichtfeld 14 erstreckt. Um Bildartefakte wegen der Kamera
selbst zu minimieren, ist die Linse 44 vorzugsweise als
eine "Loch"-Einheit ausgebildet.
Solche Linsenaufbaue haben typisch einen Durchmesser von weniger
als 3/8''. In einer symmetrischen
Anordnung wie etwa dem halbzylinderförmigen primären Anordnungsabschnitt 16 ist
der Öffnungsabschnitt
geeignet in einem allgemein mittigen Abschnitt der Anordnung angeordnet,
während
er in Ausführungsformen,
die mehrere Kameras verwenden, in gleichwertigen Intervallen angeordnet
ist. In seiner bevorzugten Ausführungsform
verwendet das vorliegende Systeme eine TDI-Kamera VISIONEER 4050,
die von Picker International, Inc., hergestellt ist.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
enthält die
Kamera 46 eine CCD-Anordnung. Es ist klar, dass CCD-Anordnungen üblicherweise
rechteckige M × N-Anordnungen
lichtempfindlicher Wandlerelemente sind, wobei M und N positive
von Null verschiedene ganze Zahlen, üblicherweise Vielfache von
zwei, sind. Die Kamera der bevorzugten Ausführungsform wirkt als 244 Zeilen
von CCD-Elementen, wobei jede Zeile 610 Pixel besitzt.
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In
dem Aufbau aus 1 ist
die Kamera 46 in Bezug auf die Warenbahn 40 in
der Weise ausgerichtet, dass jede Zeile allgemein senkrecht zur
Richtung ihrer Bewegung ist. Bei Schwarzweißsystemen sind typische CCD-Anordnungen
empfindlich für
eine ausgewählte
Anzahl von Graustufenpegeln und bei Farb systemen für die Primärfarben.
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Üblicherweise
verfügbare
CCD-Kameras ermöglichen
die einzelne Adressierung der Zeilen ihres Wandlerelements ähnlich der
Rasterabtastung, die herkömmlichen
Katodenstrahlröhren
("CRTs") zugeordnet ist.
Außerdem
arbeiten CCD-Elemente als Integratoren, die ein elektrisches Signal
liefern, das eine Intensität
des Lichts repräsentiert,
mit dem sie während
der Zeit belichtet worden sind. Außerdem besitzt ein CCD-Wandlerelement
die Fähigkeit, Lichtintensitätsdaten
zu speichern. Diese Fähigkeit ist
nützlich,
um durch Impulsausblendung oder Pulsen einer Lichtquelle, wenn sich
die bewegte Probe ansonsten in einem allgemein abgedunkelten Gesichtsfeld
befindet, ein Standbild einer Probe oder eines Teils davon zu enthalten.
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Außerdem enthält die Kamera 46 vorteilhaft ein
Einstellungssystem 48 zum Steuern der Brennweite, der Schritteigenschaften,
der vertikalen und der horizontalen Eigenschaften. Zwischen dem
Sensor und dem inspizierten Material muss die Orthogonalität aufrechterhalten
werden. Diese Einstellung kann manuell oder in Verbindung mit Signalen
erfolgen, die durch das digitale Computersystem D über die
Sync- und Steuerdatenleitungen der Kamera geliefert werden.
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Die
von der Kamera 46 erfassten Bilddaten werden über die
Videosignalleitung 60 an das digitale Computersystem D
und insbesondere an dessen Computer 62 übermittelt. Der Computer 62 enthält einen
Zentralprozessor (eine CPU), einen Speicher, eine E/A-Einheit und
eine geeignete Software sowie einen Verteilerkasten 24 sowie
den Warenbahngeschwindigkeitssensor 40. Der Computer 62 bestimmt durch
einen Vergleich digitalisierter Bilddaten mit Daten, die die Eignung
darstellen, die Eignung der Proben.
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Obgleich
in der Ausführungsform
aus 1 lediglich eine
Kamera sichtbar ist, dienen für
bestimmte Anwendungen vorteilhaft mehrere Kameras. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform,
in der drei Kameras 46a, 46b und 46c in
Bezug auf das Warenbahnmaterial 38 in geradliniger Beziehung
aufeinander ausgerichtet sind. Die jeweiligen Betrachtungsbereiche
der Kameras sind geradlinig ausgerichtet, um einen Querschnitt der
gesamten Probenoberfläche
zu liefern. Die Befestigung der Kameras auf diese Weise schafft
einen vergrö ßerten Betrachtungsbereich 42,
der ausreicht, um einen Querschnitt einer verhältnismäßig breiten Warenbahn zu umfassen.
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3 veranschaulicht eine Ausführungsform,
in der die Kamera 46 selbst aus mehreren Kameras gebildet
ist. In dieser Ausführungsform
wird Licht von einer Probe an einen teilweise versilberten Spiegel 70 übermittelt.
Ein Anteil wird direkt zur Linse 44' der Kamera 46' geleitet. Ein
zweiter Lichtanteil wird vom Spiegel 72 zur Linse 44'' der Kamera 46'' reflektiert. Die Implementierung
einer Doppel- oder Mehrkamerastruktur wie der in 3 veranschaulichten schafft vorteilhaft
ein Mittel, durch das ausgewählte
Abschnitte der Probe entweder mit erhöhter Auflösung, um Spezialinspektionen
auszuführen, oder
mit einer optischen Filterung darauf geliefert werden können. Beispielsweise
könnte
eine Naht oder eine Rille in dem inspizierten Warenbahnmaterial
einer genaueren Prüfung
unter Verwendung eines zweiten, genau darauf fokussierten Kameraelements ausgesetzt
werden. Wie in 3 als
Bezugszeichen 72' in
Strichlinien gezeigt ist, könnte
vorteilhaft ebenfalls ähnlich
eine dritte Kamera für
eine zusätzliche Teilabschnittsanalyse
implementiert sein. Wegen der starken Beleuchtung, die erforderlich
ist, um ausreichend Licht für
jede Kamera zu liefern (wenn die Belichtungszeit kurz ist und da
die Teilung die Intensität inhärent verringert),
liefert die Beleuchtung für
jede Kamera solcher Mehrkamera-Strahlteiler-Umgebungen allgemein
ein nicht so wünschenswertes
Ergebnis oder einen nicht so wünschenswerten
Entwurf.
-
Es
ist klar, dass bestimmte Anwendungen mehrere Zweikamera- oder Dreikameramodule
verwenden können,
die z. B. wie durch 2 veranschaulicht
mit einer geeigneten Vergrößerung mit
geeigneten Taktgeschwindigkeiten angeordnet sind.
-
Nunmehr übergehend
zu den 4 und 5 wird eine graphische Darstellung
gegeben, die den Betrieb der ladungsgekoppelten Vorrichtungen in
der Kamera oder in den Kameras 46 veranschaulicht. In der
veranschaulichten graphischen Darstellung ist die Position durch
die Abszisse dargestellt, während die
Verschiebungszeit durch die Ordinate dargestellt ist. Aus der obigen
Diskussion hinsichtlich CCDs wird daran erinnert, dass ihre lichtempfindlichen
Wandlerelemente in einem M × N-Gitter
angeordnet sind. Typisch wird auf die Daten in jeder Zeile von CCD-Elementen
aufeinander folgend zugegriffen, wobei diese nach Art eines Rasters
gelesen werden. Diese Eigenschaft wird aufgegriffen, um aus mehreren
geradlinigen Querschnitten der Warenbahnprobenoberfläche eine
Folge geradliniger Abtastungen auszuführen. Vorteilhaft ist das Zugreifen
auf die Abtastzeilen der CCD-Anordnung mit der Geschwindigkeit des
Warenbahnmaterials 38 synchronisiert. Wenn eine diskontinuierliche
Beleuchtung gewählt
wird, werden eine Reihe von Beleuchtungen oder Lichtimpulsen durch
die Rechtecke 80 der graphischen Darstellung dargestellt.
Falls mehrere Kameras verwendet werden, sind die Zeilen oder Abtastlinien
jeder Kamera vorzugsweise zwischen allen Kameras synchronisiert.
Falls es vorteilhaft ist, ist es außerdem gleichwertig, mehrere
Impulse pro Abtastlinie zu erzeugen.
-
Die
Synchronisation zwischen der CCD und der Warenbahn kann durch die
Steuerung der Warenbahngeschwindigkeit oder der CCD-Zeileninkremente
ausgeführt
werden. In der bevorzugten Ausführungsform
wird die CCD-Zeileninkrementierung entsprechend den Änderungen
der Warenbahngeschwindigkeit wie unten beschrieben durch Änderungen
der Verschiebungssteuerung geändert.
-
Besonders
anhand von 5 ist die
Ausrichtung einer CCD-Anordnung 82 gezeigt. Das digitale Computersystem
D, das mit einer Tastatur, einer CRT und Massenspeichermedien veranschaulicht
ist und den Computer 62 umfasst, empfängt von einem Sensor 40 ein
Signal, das die Warenbahngeschwindigkeit repräsentiert. Diese Informationen
werden ihrerseits genutzt, um den Ablauf der Abtastung der Zeile 86 von
CCD-Anordnungselementen 88 über eine als Schieberegister 90 veranschaulichte
Zeilenabtast-Auswahlschaltungsanordnung zu steuern. In Mehrkamera-Ausführungsformen
wird für
jede CCD-Anordnung
eine ähnliche
Ablaufsteuerung geschaffen. Der Warenbahnfortschritt wird ununterbrochen überwacht
und die durch die Zeilenauswahlschaltungsanordnung 90 implementierte
Verschiebungszeit dementsprechend geändert. Die graphische Darstellung
aus 4 veranschaulicht
die Änderung
und die Verschiebungszeit gemäß der Warenbahngeschwindigkeit.
-
Nunmehr übergehend
zu 6 wird ein Ablaufplan
beschrieben, der den Betrieb des vorliegenden TDI-Beleuchtungsprozesses
veranschaulicht. Der Betrieb beginnt im Startschritt 100 und
schreitet zum E/A-Schritt 102 fort. In Schritt 102 werden
vom Tachometer 40 Daten erhalten, die die Warenbahngeschwindigkeit
repräsentieren.
In Schritt 104 werden die Warenbahngeschwindigkeitsdaten
genutzt, um das Schieberegister oder die Schieberegister der CCD-Kameras
mit den in Schritt 102 erhaltenen Warenbahngeschwindigkeitsdaten
zu synchronisieren. In Schritt 106 wird die Anordnung oder
werden die Anordnungen der LEDs während einer kurzen Dauer, in
der bevorzugten Ausführungsform
wie oben angemerkt etwa 4 μs,
gepulst. Diese Dauer wird durch die Synchronisation mit der Warenbahngeschwindigkeit auf
den Punkt zeitlich eingestellt, an dem die vorausgehende Verschiebungsoperation
abgearbeitet ist, wodurch die minimale Verschmierung erhalten wird. In
Verbindung mit diesem Schritt ist außerdem die Beleuchtungsintensität änderbar.
-
In
Schritt 108 weist der digitale Computer die Verschiebung
des Schieberegisters 90 an, was den Fortschritt der Zeilen
der CCD-Anordnung 82 zum Register 92 veranlasst.
Dementsprechend werden zu diesem Zeitpunkt die Inhalte der vorausgehenden Zeile 86N in
Schritt 110 an das Register 92 übermittelt.
In Schritt 112 werden diese Daten ihrerseits über den
Bildprozessor 94 an das digitale Computersystem D ermittelt.
In dieser Phase wird an den Daten ein geeigneter Algorithmus ausgeführt, um
die Eignung der Probe zu bestimmen.
-
In
Schritt 114 werden Beleuchtungsintensitäts-Einstelldaten empfangen,
die die wahlweise Steuerung der Intensität in Schritt 106 ermöglichen. Der
Schritt 116 ermöglicht,
dass fertig gestellte Inspektionen in Schritt 118 abgeschlossen
und fortgesetzte Inspektionen zu Schritt 102 zurück fortgesetzt werden.
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7 veranschaulicht eine alternative
Ausführungsform
der in den 1 und 5 veranschaulichten primären Anordnung 16.
In dieser Ausführungsform
ist die primären
Anordnung 16' aus
einer Reihe planarer rechteckiger Abschnitte 16a'–16d' sowie erster
und zweiter planarer Stirnabschnitte 16e' und 16f' ausgebildet. Wie bei der in den 1 und 5 veranschaulichten halbzylinderförmigen Anordnung
enthält
ein Innenabschnitt der Anordnung 16' eng gepackte LEDs, die zu dem
Warenbahnmaterial 38' gerichtet
sind. Diese Ausführungsform
ermöglicht
vorteilhaft die Herstellung der Anordnung 16' aus üblichem planarem Leiterplattenmaterial.
Dennoch schafft diese Ausrichtung eine im Wesentlichen gleichförmige Beleuchtung über ein
Lichtfeld 14',
das einen Ab schnitt der Warenbahn 38' umfasst. Es ist klar, dass je
nach dem Grad, in dem eine halbkugelförmige Anordnung vorteilhaft
besser angenähert wird,
mehr oder weniger rechteckige Teilabschnitte genutzt werden können. Weitere
Anordnungsformate können
ebenfalls genutzt werden, wobei die Formate durch die Eigenschaften
oder Abmessungen des Warenbahnmaterials und durch die Winkel und
Intensitäten
der Beleuchtung vorgeschrieben sind, die erforderlich sind, um die
gewünschten
Beleuchtungsqualitäten
zu schaffen. Beispielsweise kann eine halbkugelförmige "Tiffany-Lampen"-Ausführung usw. genutzt werden.
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Die
CCD-Struktur mit modulierter Zeilenauswahl schafft ein System, bei
dem mehrere Ablesungen eines einzelnen geradlinigen Teilabschnitts
eines sich ununterbrochen bewegenden Warenbahnmaterials ohne die
Notwendigkeit, mehrere Kameras oder eine bewegte Kamera zu verwenden,
erreicht werden können.
Die durch die Mehrfacherfassung erzielten Daten schaffen zuverlässigere
Daten, an denen eine Inspektion ausgeführt werden kann. Außerdem kann
vorteilhaft eine für
Teilabschnitte der CCD spezifische Beleuchtung in geeigneten Winkeln
und Intensitäten
angewendet werden.
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Nunmehr übergehend
zu 8 wird mit zusätzlichem
Bezug auf 1 eine Ausführungsform beschrieben,
in der eine Mehrspektrenbeleuchtung erreicht wird. Darin werden
durch die Implementierung mehrerer LEDs 116 mit einem ersten
spezifizierten Wellenlängenbereich
und mehrerer LEDs 118 mit einem allgemein zweiten Wellenlängenbereich,
der von der ersten Wellenlänge
verschieden ist, mehrere Beleuchtungsquanten erhalten. Die LEDs 116, 188 der
Anordnung 10' sind
zur Erläuterung
vorgesehen. Selbstverständlich
schafft die Anordnung 10' eine
alternative Ausführungsform
für eine
Einfarbanordnung, die zur Implementierung in Verbindung mit dem hochentwickelten
Videoinspektionssystem A und insbesondere in Verbindung mit der
Anordnung 20 für die
Hintergrundbeleuchtungsanordnung 28 geeignet ist.
-
Der
Aufbau der LEDs 116 und 118 der Ausführungsform
der Anordnung 10' aus 8 liefert sowohl rote als
auch bernsteinfarbene Spektren. Derzeit sind bernsteinfarbene LEDs
verfügbar,
die eine Lichtausbeute im Bereich von 700–900 Millicandela/Watt erzeugen.
Während
die Nutzbarkeit und die weiter unten erwähnten Vorteile von mehreren
Spektren mit irgendeiner Kombina tion von LEDs erzielbar sind, ist
die Kombination von rot und bernsteinfarben für Inspektionen in Verbindung
mit herkömmlichen aktuellen
LED- und CCD-Komponenten
besonders geeignet. Wie oben angemerkt wurde, war in der Vergangenheit
eine erhebliche Lichtausbeute von roten LEDs verfügbar, insbesondere,
wenn ihnen in kurzer Dauer ein hoher Strom zugeführt wurde. In jüngerer Zeit
ist das Spektrum von LEDs mit verhältnismäßig hoher Ausbeute zu den Wellenlängen von
orangefarbigem Licht bis bernsteinfarben fortgeschritten, während eine
erhebliche Lichtenergieausbeute aufrechterhalten wurde. Die für die Wellenlänge der
zweiten Komponente ausgewählte
Bernsteinfarbe stellt ein Gleichgewicht zwischen verhältnismäßig hoher
Energieausbeute und erheblichem Abstand von Rot dar, um, wie unten
erkennbar wird, die Nutzbarkeit zu erhalten.
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Der
in 8 veranschaulichte
Aufbau schafft einen kompakten Aufbau physikalischer Anordnungen,
der, wie zwischen den Zeilen 122 und 124 sichtbar
ist, durch Stapeln von LEDs erreicht wird, so dass ein Umfang einer
LED von der Zeile 24 in einen Bereich zwischen den Durchmessern
benachbarter LEDs der Zeile 22 und umgekehrt verläuft. Diese kompakte
Ordnung ermöglicht
eine maximale Lichtausbeute pro Flächeneinheit einer Anordnungsoberfläche.
-
Ferner
ist die Struktur der Anordnung 10' in der Weise veranschaulicht,
dass sie gleiche Anzahlen roter LEDs 116 und bernsteinfarbener
LEDs 118 umfasst. Da die Farbauswahl für eine besondere Mehrfarbinspektion
stark anwendungsabhängig
ist, betrifft dies auch die relativen Intensitäten zwischen den Spektren.
Das heißt,
die Kompensation zwischen den relativen Intensitäten der Spektren wird durch Ändern eines
Anteils eines Spektrums in Bezug auf eines oder mehrere andere Spektren,
die von den LEDs der Anordnung geliefert werden, geeignet eingestellt,
um eine Grundbeleuchtung zu schaffen. Natürlich ist die Grundbeleuchtung
durch wahlweise Aktivierung der LEDs sowie durch Ändern der
Stromansteuerpegel oder der "Ein"-Dauer änderbar.
Es könnte
zu erwarten sein, dass die LEDs eine erheblich niedrigere Ausbeute
haben oder dass die Kameraempfindlichkeit für das bernsteinfarbene Licht
dazu verringert ist. Dies wird mit einer proportional größeren Anzahl
bernsteinfarbener LEDs zu roten LEDs, dem Anlegen eines höheren Stroms
an die bernsteinfarbenen LEDs oder durch eine erhöhte "Ein"-Zeit der bernsteinfarbenen
LEDs allein oder zusammen zum Ausgleich dieses Unterschieds geeig net
behandelt.
-
Obgleich
monochromatisches Licht wie etwa das rote Licht, das von früheren LED-gestützten Videoinspektionsbeleuchtungssystemen
genutzt wird, vortrefflich funktioniert, sind durch die Implementierung
mehrerer Farben dennoch bestimmte Vorteile zu erzielen. Zunächst ist
es wünschenswert,
ein Inspektionssystem zu haben, das eine brauchbare Videoinspektion
einer Vielzahl von Proben erhalten kann. Allerdings erfordert dies
ein Inspektionssystem, das vielseitig genug ist, um Proben mit verschiedenen
oder sich ändernden
Farben zu untersuchen. Allerdings kann die Probenfarbe bewirken,
dass die Inspektion über
die Beleuchtung von einer besonderen Frequenz einen begrenzten Wert
erhält
oder wertlos wird. Ferner könnte
eine alternative Lichtfrequenz selbst Schaden erleiden, wenn sie
in Verbindung mit anderen Proben verwendet wird. Die vorliegende
Erfindung löst
dieses Problem, indem sie ein System schafft, das die wahlweise
Beleuchtung durch mehrere Lichtfrequenzen ermöglicht.
-
Außer dem
Vorstehenden schafft die Mehrfrequenzinspektionsbeleuchtung eine
Fähigkeit
zur Realisierung zusätzlicher
Vorteile. Das heißt,
bestimmte Probenmerkmale machen die Beleuchtung und Inspektion einer
gesamten Probe gleichzeitig schwierig oder unmöglich. Zum Beispiel kann die
Inspektion einer konkaven Probe die einzigartige Beleuchtung durch
einen Winkel, eine Ausrichtung, eine Aufstellung oder eine Farbe
in Bezug auf einen anderen Abschnitt erfordern. Herkömmlich werden
solche Inspektionen mit mehreren Durchläufen vor mehreren Inspektionsstationen
oder mit wiederholten Durchläufen
in einer einzelnen Inspektionsstation fertig gestellt.
-
Mehrdurchlaufinspektionssysteme
leiden an mehreren Nachteilen. Zunächst ist zusätzliche
Hardware erforderlich, um redundante oder doppelte Inspektionssysteme
zu bauen. Mehrere Inspektionen über
ein einzelnes System liefern eine zusätzliche Materialbehandlung
und tragen zu der Gesamtinspektionszeit bei. Ferner müssen die
Ergebnisse von jeder der mehreren Inspektionen mit ihrem richtigen
Gegenstück
integriert werden, um die Eignung der Proben genau zu bestimmen.
Somit ist eine zusätzliche
Informationsbehandlung, -kommunikation und -verarbeitung erforderlich.
Dies trägt
natürlich
zu den Struktur- und Rechenkosten bei. Schließlich muss das Inspektionssystem häufig in
bereits vorhandene Produktherstellungslinien integriert werden. Dementsprechend
kann die Menge des Linienraums, der leicht an die Hinzufügung einer
bisher nicht genutzten Videoinspektion angepasst werden kann, begrenzt
sein.
-
Nunmehr übergehend
zu 9 ist ein Abschnitt
der Anordnung 10' zusammen
mit einem ausreichenden Segment des Videoinspektionssystems A und
des Computersystems oder -mittels D veranschaulicht, um die Einzelheiten
einer Ausführungsform
zu veranschaulichen, die gegenüber
der oben beschriebenen geändert
ist. Außerdem
sind ein Abschnitt des Diffusors 30 sowie ein geänderter
Leistungsversorgungs- und Anschlusskasten 24' veranschaulicht. Außerdem sind
in 9 zwei alternative Verbindungen
zwischen den LEDs der Anordnung 10' und dem Leistungsversorgungs-
und Anschlusskasten 24' veranschaulicht.
Die Masse oder gemeinsame Verbindung zu jeder LED ist zur Vereinfachung der
Ansicht nicht veranschaulicht. Eine oder beide Verbindungen, wie
sie durch die Abschnitte 130 und 132 veranschaulicht
sind, sind geeignet implementiert. Der Abschnitt 130 ist
eine direkte LED-Steuerung für
einzelne LEDs oder kleine Untergruppen von LEDs, wie sie durch den
Leistungsversorgungs- und Anschlusskasten 24' vorgeschrieben werden. Der Abschnitt 132 veranschaulicht
eine Steuerung in Bänken
angeordneter LEDs. Der Abschnitt 130 schafft eine eindeutige
Steuerleitung einer Gruppierung 134 zu jeder LED oder Untergruppe
von LEDs. In der Steuerung in Bänken
angeordneter LEDs der Darstellung wird die Gruppe oder Untergruppe
der roten oder bernsteinfarbenen LEDs über eine einzelne Leitung 138 bzw. über eine
einzelne Leitung 140 gesteuert. Die veranschaulichte Verbindung
des direkten LED-Steuerabschnitts 130 ermöglicht vorteilhaft sowohl
für den
Beleuchtungsort als auch für
die Beleuchtungsintensität
und das Beleuchtungsspektrum eine kundenspezifische Beleuchtung.
Allerdings wird durch die Steuerkomplexität sowie durch die Steuerleitungskomplexität, wie sie
durch die Steuerleitungen 134 veranschaulicht ist, eine
Abwägung
geschaffen.
-
Demgegenüber behält die LED-Bank-Steuerung 132 die
verhältnismäßig vereinfachte
Steuerung und Verdrahtung bei. Allerdings leidet sie an der räumlichen,
spektralen und Intensitätsflexibilität des Abschnitts 130,
indem sie die Steuerung einer einzelnen Farbe erfordert. Natürlich ist
klar, dass mehrere LEDs ebenfalls in einer einzelnen anordnungsweiten Steuerung
genutzt wer den können,
so dass die gesamte Anordnung mit einem einzelnen gleichförmigen mehrfarbigen
Lichtimpuls gepulst oder impulsausgeblendet werden kann.
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Eine
auf diese Weise durch das mehrfarbige Licht beleuchtete Probe führt zu reflektiertem
(für Frontbeleuchtung)
oder durchgelassenem (für
Hintergrundbeleuchtung) Licht eines oder mehrerer Spektren. Dieses
Licht wird in der Ausführungsform von 9 in ersten und zweiten
Videorezeptoren empfangen, die als die Kameras 46' und 46'' veranschaulicht sind. In der bevorzugten
Ausführungsform sind
diese Kameras ähnlich
jenen der oben erwähnten
Kamera 46. Allerdings ist an der Kamera 46' ein erstes
Filter 144 befestigt, das so beschaffen ist, dass es eine
als Rot veranschaulichte ausgewählte Wellenlänge filtert.
Das Filter 144 fängt
Licht nach der Reflexion an der Probe vor der Belichtung der Kamera 46' ab. Dementsprechend
ist die Kamera 46' durch die
Filterung des roten Lichts vor der Belichtung des lichtempfindlichen
Elements der Kamera primär
empfindlich für
die Inspektionsbereiche, die durch das bernsteinfarbene Licht von
den LEDs 118 gezeigt werden.
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Wie
bei der Kamera 46' ist
an der Kamera 46'' ein bernsteinfarbenes
Filter 146 befestigt. Wie bei der Kamera 46' sind Fehler,
die durch die Beleuchtung der LED 118 unterscheidbar sind,
durch die Filterung des bernsteinfarbenen Spektrums vor der Belichtung
von der Kamera 46'' unterscheidbar.
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Obgleich
in der bevorzugten Ausführungsform
bernsteinfarben und rot veranschaulicht sind, ist wieder klar, dass
in dieser Ausführungsform
verschiedene Kombinationen von zwei oder mehr LEDs geeignet implementiert
werden, wenn dabei eine geeignete Anzahl entsprechender Kamera/Filter-Kombinationen
vorgesehen sind. Es muss betont werden, dass diese Wahlen des Lichtspektrums
und der Beleuchtung stark anwendungsspezifisch sind.
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Nunmehr übergehend
zu 10 wird ein geänderter
Abschnitt der Struktur aus 10 geliefert. Selbstverständlich ist
die spezifische Verbindung zur Steuerung der LEDs 10' ähnlich der,
die in Verbindung mit 9 beschrieben
worden ist. Während
die Ausführungsform
aus 9 Filter verwendete,
wird die spektrale Trennung in der Ausführungsform aus 10 durch eine Linse 150 und
ein Prisma 152 ausgeführt.
Die Linse 150 dient dazu, Licht, das sich aus der Belichtung
einer Probe ergibt, zu sammeln und an das Prisma 152 zu übermitteln.
Es ist klar, dass das Prisma 152 eine räumliche Trennung des mehrfarbigen
Lichts schafft, was eine wohlbekannte Prismeneigenschaft ist. Ein
Vorteil im Zusammenhang mit der Nutzung eines Prismas ist, dass
ein verringerter Intensitätsverlust
relativ zu dem, der von einem Filter zu erwarten ist, erhalten wird,
da die spektrale Trennung durch die relativen Brechungsindizes ausgeführt wird.
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Nunmehr übergehend
zu 11 wird eine nochmals
weitere Ausführungsform
gegeben, die mehrere alternative Strukturen veranschaulicht. Zunächst wird
für die
spektrale Trennung eine Kombination einer Linse 150' und eines Beugungsgitters 154 genutzt.
Es ist klar, dass ein Beugungsgitter wie etwa bei 154 die
Beugungseigenschaften von Licht durch ein Schlitzsystem nutzt, um
analog dem Prisma 152 aus 10 eine
spektrale Trennung auszuführen. Wie
bei 10 sind die erste
und die zweite Kamera 46' und 46'' entsprechend der spektralen Verschiebung,
die sich aus dem Gitter 154 ergibt, räumlich getrennt.
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Außerdem ist
in 11 eine Anordnung 10'' von LEDs veranschaulicht. Die
LEDs 158 der Anordnung 10'' sind
jeweils Multispektral-LEDs. Derzeit sind LEDs verfügbar, die
mehrere Farben liefern können.
Typisch schreibt ein erstes Signal an die LED eine erste Farbe vor,
während
ein zweites Signal an die LED die zweite vorschreibt. Wie bei 9 sind zwei Verbindungen
zwischen einem weiter geänderten
Leistungsversorgungs- und Verteilerkasten 24'' und
einem ersten LED-Abschnitt 162 und einem zweiten LED-Abschnitt 164 veranschaulicht.
Wieder sind entweder eine oder beide dieser Verbindungen geeignet
implementiert.
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Der
erste Abschnitt 162 schafft zwei Verbindungen zwischen
jeder LED davon und dem Leistungsversorgungs- und Verteilerkasten 24''. Auf diese Weise können verschiedene
LEDs 158 der Anordnung wahlweise nach der Position und
der Farbe aktiviert werden. Wie bei dem Abschnitt 134 aus 9 wird eine Abwägung der
Komplexität,
die sich für
den Leistungsversorgungs- und Verteilerkasten 24'' ergibt, sowie der Komplexität der Verbindung über die Verbinder 168 geschaffen.
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Außerdem schafft
der zweite Abschnitt 164 eine Bank-Steuerung analog der Banksteuerung
des Abschnitts 132 aus 9.
Eine Leitung 168 schafft geeignet eine Banksteuerung einer
ersten Farbe jeder LED, die als Grün veranschaulicht ist. Ähnlich schafft
die Leitung 170 eine Banksteuerung der jeder LED zugeordneten
zweiten Farbe, in dieser Veranschaulichung rot. Obgleich die Veranschaulichung der
zusammengesetzten LEDs aus 11 mit
einem Linsen/Beugungsgitter-Aufbau gegeben wird, ist klar, dass
der Filterzugang, der Prismenzugang und der Beugungsgitterzugang
zwischen ihren verschiedenen Darstellungen ausgetauscht werden können.
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Nunmehr übergehend
zu 12 werden zusätzliche Änderungen
des vorliegenden Systems beschrieben. In dieser Darstellung ist
eine Beleuchtung von mehreren Quellen vorgesehen. Es ist eine Festkörper-LED-Beleuchtung
von einer ersten kreisförmigen
Ringanordnung 200 und von einer zweiten kreisförmigen Ringanordnung 202 vorgesehen.
Zur Erleichterung der Darstellung ist der Ring 200 im Teilschnitt
veranschaulicht. In dieser besonderen Darstellung sind die LEDs
der ersten Ringanordnung 200 in der Weise gewählt, dass
sie einen ausgewählten Wellenlängenbereich
wie etwa bernsteinfarben liefern. Jene LEDs der Anordnung 202 sind
so gewählt, dass
sie einen zweiten Spektralbereich wie etwa Rot liefern. Dementsprechend
schafft 12 eine zusätzliche
Veranschaulichung hinsichtlich der strukturierten oder hochentwickelten
Beleuchtung. Diese zeigt den Winkel, die Intensität und das
Spektrum der Beleuchtungsbestandteile. Wie bei den früheren Darstellungen
ist klar, dass spezifische Anwendungen die Integration verschiedener
Kombinationen von LEDs, sowohl spektraler als auch relativer Größen, in oder
zwischen den Anordnungen 200 und 202 vorschreiben
können.
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12 zeigt außerdem ein
zusätzliches
Beleuchtungsbeispiel. Eine herkömmliche
Beleuchtungsquelle ist geeignet als ein Zusatzlichtgenerator implementiert.
Diese herkömmliche
Beleuchtung wird geeignet aus Glühbeleuchtung,
Fluoreszenzbeleuchtung, Halogenbeleuchtung oder Aussetzbetrieb-Abtastbeleuchtung
wie etwa Edelgas-Xenon- oder dergleichen, Edelgas- oder einer anderen ähnlichen
Nicht-Festkörperübergangs-Beleuchtung
gebildet. Diese herkömmlichen
Beleuchtungsquellen schaffen eine Mehrspektren-Beleuchtung. Somit
ist diese Ausführungsform
optional mit einem Filter 210 versehen, das irgendeine
unerwünschte
Lichtwellenlänge
von den von der herkömmlichen
Lichtquelle 206 ausgestrahlten beseitigt.
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Das
Licht von jeder der Anordnungen 200 und 202 sowie
von der herkömmlichen
Quelle 206 wird auf einen allgemein bei 212 gezeigten
Beleuchtungs- oder
Betrachtungsbereich gelenkt.
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In
herkömmlichen
Beleuchtungsanordnungen ist eine Kamera, genauer ihre Linse, an
einem Punkt in der Beleuchtungsquelle wie etwa in der Mitte der
Ringe 200 und 202 angeordnet. Die Kamera ist typisch
so angebracht, dass ihre Linsenachse senkrecht entlang einer Normalen
N einer Bewegungsrichtung T einer Probe ist. Diese relative Ausrichtung ermöglicht,
ein unverzerrtes Bild einer Probe zu erhalten. Natürlich steht
dies im Gegensatz zu durchlässigen
Proben, die ermöglichen,
dass sich die Kameralinse auf der anderen Seite der Probe befindet. Die
Probleme im Zusammenhang mit einer solchen relativen Positionierung
zwischen der Kamera und der Linse und der Beleuchtungsquelle sind
besonders schädlich,
wenn stark reflektierende oder spiegelähnliche Proben betrachtet werden.
Bei solchen Proben liefert ein Bild der Kameralinse selbst ein wesentliches
Artefakt auf dem beleuchteten Bild.
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Eine
perspektivische Steuerlinse liefert wohldefinierte optische Eigenschaften,
die perspektivischen Verzerrungen im Zusammenhang mit einer Anordnung
außerhalb
der Achse in Bezug auf eine Probe entgegenwirken. Eine solche perspektivische Steuerlinse
ist allgemein bei 216 veranschaulicht. Eine solche Linse
ermöglicht,
dass die Linse 216 nicht senkrecht in Bezug auf die Probenrichtung
T befestigt ist. Die Linse 216 ist in der Weise in Bezug auf
die Beleuchtung angebracht, dass der Einfallswinkel der Richtung
I des Lichts relativ zu T gleich dem Reflexionswinkel der Richtung
R relativ zu T ist. Obgleich eine einzelne Linse 216 veranschaulicht
ist, ist klar, dass analog zu den oben beschriebenen Ausführungsformen
vorteilhaft mehrere Kameras und Filter vorgesehen sein können. Diese
wurden zur Vereinfachung der Ansicht aus der Figur weggelassen.
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Außerdem ist
ein Leistungsversorgungs-Verteilerkasten 24'' veranschaulicht.
Dieser ist veranschaulicht, um die Steuerung der Anordnungen 200 und 202 sowie
der herkömmlichen
Lichtquelle 206 zu demonstrieren.