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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Beleuchtungseinrichtungen.
Insbesondere betrifft die Erfindung linienförmige Leuchten, wie sie beispielsweise
zur automatischen Prozesskontrolle verwendet werden.
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Linienlichter
sind spezielle Beleuchtungeinrichtungen, welche einen schmalen,
langgestrecken Bereich mit hoher Intensität beleuchten. Solche Linienlichter
finden Verwendung in der automatischen Prozesskontrolle, wobei ein
zu prüfender
Gegenstand an einer Meßanordnung
vorbeigeführt
wird, welche einen linienförmigen
Bereich des Gegenstands ausleuchtet und mit einer Zeilenkamera erfasst.
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Es
sind Linienlichter bekannt, welche in Form einer Aneinanderreihung
einer Vielzahl von Lichtquellen aufgebaut sind. Wird bei der automatischen Prozesskontrolle
von der Zeilenkamera das Streulicht aufgenommen, ist die Ausleuchtung
dabei ausreichend homogen. Ein Problem ergibt sich allerdings, wenn
der zu prüfende
Gegenstand in Reflexion vermessen oder durchleuchtet wird. In diesem
Fall kann es zur Abbildung der einzelnen Lichtquellen auf der Sensor-Zeile
der Kamera kommen. Wünschenswert
wäre daher
eine linienförmige
Lichtquelle mit absolut gleichmäßiger Helligkeitsverteilung
entlang der Längsrichtung.
Eine solche gleichmäßige Helligkeitsverteilung
kann zwar beispielsweise mit einer Fluoreszenzröhre erzielt werden, allerdings
ist die Leuchtdichte von Fluoreszenzröhren nicht sehr hoch. Hohe
Leuchtdichten sind wiederum wünschenswert, um
gerade auch kleine und geringfügige
Fehler im Material oder auf der Oberfläche des zu prüfenden Gegenstands
erkennen zu können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine linienförmige Lichtquelle
bereitzustellen, die eine hohe Leuchtdichte mit einer hohen Homogenität der Leuchtdichte
entlang der Längsrichtung
der Lichtquelle vereint. Die Lösung
dieser Aufgabe gelingt durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Demgemäß sieht
die Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von
nebeneinander auf einem ebenen Träger entlang einer Linie in
einer oder mehreren Reihen angeordneten Leuchtdioden vor, wobei
in einem Abstand zu den Leuchtdioden eine sich entlang der Linie
erstreckende und entlang dieser Linie langgestreckte Konvertereinrichtung
vorgesehen ist, welche parallel von den Leuchtdioden ausgehenden
Lichtstrahlen durch eine Vielzahl von lichtablenkenden oder fluoreszierenden Elementen
zumindest in der gedachten Ebene, welche sich entlang der Linie
und senkrecht zum Träger erstreckt,
in Lichtstrahlen konvertiert, deren Winkelverteilung in dieser Ebene
durchmischt ist. Dabei variiert bei lichtablenkenden Elementen die
Ablenkung mit dem Auftreffort. Als lichtablenkende Elemente kommen
insbesondere streuende, brechende oder diffraktive Elemente in Betracht.
Streuende und/oder brechende ablenkende Elemente können insbesondere
diffraktiv wirkende Strukturen, sowie über die Konvertereinrichtung
verteilte Linsen oder Prismen sein. Auch streuende Partikel können eingesetzt
werden. Letztere sind zwar einfach zu realisieren, allerdings kommt
es bei Streuung an Partikeln auch zu einer Rückstreuung in Richtung auf
die Leuchtdioden, was nachteilig für die Intensität ist.
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Vorzugsweise
ist die Variation der Lichtablenkung in Längsrichtung von der Periode
der Leuchtdioden-Anordnung entkoppelt, so daß eine quasi-zufällige Ablenkung
in Längsrichtung
erzielt wird. Damit wird eine direkte Sichtbarkeit der einzelnen
Leuchtdioden bei Betrachtung mit einer Kamera vermieden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfasst die Konvertereinrichtung eine Diffusorfolie oder
Diffusorplatte mit Strukturen, welche das Licht in der Ebene, welche
sich entlang der Linie und senkrecht zum Träger erstreckt, streut und in
der Ebene senkrecht dazu die Winkelverteilung im wesentlichen unverändert lässt. Um
eine derartige Wirkung zu erzielen, können insbesondere diffraktiv oder
refraktiv wirkende langgestreckte Elemente der Folie vorgesehen
werden, die sich senkrecht zur Längsrichtung
der Beleuchtungseinrichtung, beziehungsweise senkrecht zur Linie,
entlang der die Leuchtdioden aneinandergereiht sind, erstrecken. Die
Folie ist vorzugsweise fein- oder mikrostrukturiert, um die Lichtablenkung
zu erreichen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Konvertereinrichtung
eine Hologrammfolie als Diffusorfolie. Dies stellt eine besonders
einfache, kostengünstige
und auch platzsparende Möglichkeit
dar, eine Diffusorfolie zu realisieren.
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Im
Falle einer durch Fluoreszenz wirkenden Konvertereinrichtung sieht
die Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von nebeneinander
auf einem ebenen Träger
entlang einer Linie in einer oder mehreren Reihen angeordneten, blau
oder ultraviolett emittierenden Leuchtdioden vor. Es ist ein sich
entlang der Linie erstreckender zweiter Träger als Konvertereinrichtung
vorgesehen, welcher einen Fluoreszenzfarbstoff, beispielsweise in
Form von fluoreszierenden Partikeln und/oder in einer fluoreszierenden
Schicht trägt,
der unter Einwirkung des Lichts der blau oder ultraviolett emittierenden
Leuchtdioden Licht längerer
Wellenlängen
abgibt, so daß Licht
mit einer von der Farbe der Leuchtdioden abweichenden Farbe erzeugt
wird, wobei der Fluoreszenzfarbstoff entlang der Längsrichtung
des Trägers über die
Leuchtdioden hinweg durchgehend homogen verteilt ist. Der Fluoreszenzfarbstoff,
beziehungsweise dessen Partikel oder Moleküle, welche die Vielzahl von
fluoreszierenden Elementen darstellen, ist in einem Abstand von
der Oberfläche
der Leuchtdioden angeordnet, so daß insbesondere im Übergangsbereich
zwischen zwei Leuchtdioden, vorzugsweise auch mittig über einer
Leuchtdiode der Fluoreszenzfarbstoff gleichzeitig durch das Licht
wenigstens zweier, vorzugsweise mehrerer Leuchtdioden angeregt wird.
Damit wird entlang der Längsrichtung
eine im wesentlichen homogene Leuchtdichte des Lichts der Leuchtdioden
am Ort des Fluoreszenzfarbstoffes erreicht.
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Auf
diese Weise wird mit diskreten Leuchtdioden, deren Leuchtflächen beabstandet
sind, beziehungsweise zwischen denen sich nicht leuchtende Lücken befinden,
eine homogen leuchtende linienförmige
Lichtquelle geschaffen. Die Linie muss nicht unbedingt geradlinig
verlaufen. Je nach Anwendungsfall können auch gekrümmte oder
abschnittsweise gerade verlaufende, homogen leuchtende linien- oder
streifenförmige
Beleuchtungen mit der Erfindung geschaffen werden.
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Durch
diese Ausführungsform
der Erfindung ergibt sich ein Intensitätsvorteil gegenüber einer
Anordnung mit weissen Leuchtdioden und einer davor angeordneten
Streuscheibe. Wird eine Streuscheibe verwendet, so würde etwa
der Blauanteil des Primärlichts
zweimal gestreut, einmal nämlich
am Phosphor und dann zusätzlich
an Streuscheibe. Gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung sind daher auch alle vor den Leuchtflächen der
Leuchtdioden angeordneten lichttransmittierenden Elemente bis gegebenenfalls auf
den FLuoreszenzfarbstoff klar transparent, so dass außer gegebenenfalls
am Fluoreszenzfarbstoff eine zusätzliche
Lichtstreuung vermieden wird.
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In
besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird mit der Beleuchtungseinrichtung
eine Weisslichtquelle geschaffen. Dabei erzeugt der geeignet gewählte und
vom Primärlicht
der Leuchtdioden angeregte Fluoreszenzfarbstoff zusammen mit dem
Licht der Leuchtdioden weisses Licht. Beispielsweise können dazu
blaue Leuchtdioden mit gelb emittierenden Fluoreszenzfarbstoffen,
wie Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat kombiniert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst der zweite Träger eine Folie, welche den
Fluoreszenzfarbstoff trägt
oder in welcher der Fluoreszenzfarbstoff eingebettet ist, wobei
die Folie in einem Abstand zur Oberfläche der Leuchtdioden angeordnet
ist. Durch den Abstand der Folie, beziehungsweise des Fluoreszenzfarbstoffes
wird erreicht, daß insbesondere
im Bereich der Lücken
zwischen den Leuchtflächen
der Leuchtdioden eine Anregung des Farbstoffs und damit eine möglichst
homogene Leuchdichte erreicht wird.
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Gemäß noch einer
Ausführungsform
der Erfindung werden die Leuchtdioden auf dem Träger in einer Kunststoffmasse
mit dem Fluoreszenzfarbstoff vergossen. Diese Ausführungsform
ist besonders einfach zu realisieren. Insbesondere können die Leuchtdioden
mit Silikon vergossen werden, so daß das Silikon den zweiten Träger für den Fluoreszenzfarbstoff
bildet.
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Für viele
Anwendungen, insbesondere für Prüfzwecke
ist es zweckmäßig, wenn
der ausgeleuchtete Bereich auf einem Substrat, wie etwa einem Prüfkörper möglichst
schmal ist. Je nach Aufbau der Prüfanordnung ist jedoch ein gewisser
Abstand der Beleuchtungseinrichtung zum Prüfkörper erforderlich. Um bei einer
beabstandeten Beleuchtungseinrichtung einen schmalen ausgeleuchteten
Bereich zu erzielen, kann ein als Kondensor wirkendes zylindrisch
fokussierendes Element, beziehungsweise zylindrisch fokussierendes
Linsenelement angeordnet werden. Mit einem zylindrisch fokussierenden
Element ist insbesondere ein Element bezeichnet, welches in der
Richtung senkrecht zur Längsrichtung
der linienförmigen
Leuchtfläche
fokussiert. Um eine gute Fokussierung und Sammeleffizienz zu erzielen,
kann dazu vor dem Träger
ein zylindrisch fokussierendes Element in einem Abstand von der
Konvertereinrichtung, beziehungsweise vom Fluoreszenzfarbstoff oder
den ablenkenden, wie etwa streuenden oder brechenden Elementen angeordnet
werden. Das Element fokussiert dabei in der Ebene senktrecht zur Linie,
entlang welcher die Leuchtdioden angeordnet sind, fokussiert. Wird
ein Fluoreszenzfarbstoff in der Konvertereinrichtung eingesetzt,
so stellt die Konvertereinrichtung selbst eine Lichtquelle dar.
In diesem Fall bietet es sich an, die Breite des zylindrisch fokussierendes
Elements senkrecht zur Längsrichtung
der linienförmigen
Beleuchtungseinrichtung größer zu wählen, als
die Breite des in Aufsicht betrachteten Streifens mit Fluoreszenzfarbstoff.
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Das
Linsenelement kann eine refraktiv wirkende Zylinderlinse, eine Fresnellinse
oder eine Hologrammfolie umfassen. Eine Fresnellinse und ganz besonders
auch eine Hologrammfolie ermöglicht
einen sehr flachen und einfachen Aufbau der Anordnung.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Träger eine
Platine oder Leiterplatte, wobei die Vielzahl von Leuchtdioden in
Chip-on-Board Technologie auf der Leiterplatte montiert sind.
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Bei
der sonst in der Mikroelektronik eingesetzten Chip-on-Board-Technologie
(„Chip
auf der Platte„)
werden die ungehäusten
Halbleiter-Elemente, erfindungsgemäß also insbesondere ungehäuste Leuchtdioden
direkt auf die Leiterplatte geklebt. Der elektrische Anschluss an
die Leiterplatte kann vorzugsweise durch Drahtbonden erfolgen. Der
Schritt des Bestückens
und Klebens solcher Bauteile auf den Träger wird als Chipbonden bezeichnet.
Anschließend
erfolgt das Drahtbonden. Dabei werden Drähte zwischen den Anschlussstellen
der Leuchtdioden und korrespondierenden Anschlussstellen auf dem
Träger
gelegt und mit den Anschlussstellen verbunden. Zum Verbinden der
Drähte
kann dabei Thermokompressionsbonden, Thermosonic-Ball-Wedge-Bonden und Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden
eingesetzt werden. Beim Thermokompressionsbonden und Thermosonic-Ball-Wedge-Bonden wird üblicherweise
Golddraht verwendet. Das Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden wird oft
mit Aluminium bzw. Aluminium-Silizium-Draht (AlSi1) durchgeführt.
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Als
Träger
für die
Chip-on-Board-Technik eignen sich insbesondere Metallsubstrat-Leiterplatten,
Keramik-Träger,
Flexprint-Träger.
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Schließlich kann
zur Verkapselung ein Chip-Verguss eingesetzt werden. Dabei werden
die kontaktierten Chips in eine transparente Kunststoffmasse eingegossen.
Hier bietet es sich für
den Zweck der Erfindung auch an, eine Kunststoffmasse einzusetzen,
in welche der Fluoreszenzfarbstoff eingelagert ist. Besonders ist
hierbei auch an das bereits oben erwähnte Silikon als Vergussmasse
gedacht.
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Die
Chip-on-Board-Technik ermöglicht
neben einer kostengünstigen
Fertigung auch eine sehr effektive Kühlung, da die einzelnen Halbleiterelemente
direkt mit einem größeren Träger verbunden
sind, so dass sich die Wärme
schnell auf einer größeren Fläche verteilen
kann. Auch sind mit der Chip-on-Board-Technik geringere Übergangswiderstände verbunden,
da sich die Anzahl der Kontaktstellen reduziert.
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Noch
ein besonderer Vorteil liegt darin, daß die einzelnen Leuchtdioden
sehr dicht aneinandergereiht werden können. Damit können die
Zwischenräume
zwischen den Leuchtdioden sehr klein gehalten werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden Leuchtdioden in Form von SMD-Bausteinen (SMD
= „Surface
Mount Device„) nebeneinander
in einer oder mehreren Reihen auf einer Leiterplatte als Träger aufgelötet. Auch
mit SMD-Bausteinen
kann eine sehr dichte Aneinanderreihung der Leuchtdioden erzielt
werden.
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Hinsichtlich
des Abstands des Fluoreszenzfarbstoffs zu den Leuchtflächen der
Leuchtdioden ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass
das Konverterelement, insbesondere die lichtablenkenden oder fluoreszierenden
Elemente in einem Abstand von der Leuchtfläche der Leuchtdioden angeordnet
ist, welcher zumindest halb so groß, vorzugsweise zumindest so
groß wie
die Breite des Zwischenraum zwischen den Leuchtflächen benachbarter
Leuchtdioden ist. Ist der Fluoreszenzfarbstoff räumlich entlang der Abstrahlrichtung
senkrecht zu den Leuchtflächen
der Leuchtdioden verteilt, so kann in diesem Fall der Schwerpunkt
oder Mittelpunkt dieser Verteilung oberhalb der Leuchtfläche mindestens die
oben genannten Abstände
aufweisen.
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Weiterhin
ist es für
die Lichteffizienz und einen kompakten Aufbau aber günstig, wenn
der Abstand ablenkenden Elemente kleiner als der sechzehnfache,
vorzugsweise kleiner als der achtfache Mittenabstand benachbarter
Leuchtdioden ist.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung sind außerdem sich seitlich entlang
der aneinandergereihten Leuchtdioden erstreckende, vorzugsweise unterhalb
des Fluoreszenzfarbstoffs angeordnete Reflektorelemente vorgesehen.
Diese Reflektorelemente führen
nicht nur zu einer verbesserten Effizienz, auch wird durch die Umlenkung
von Lichtstrahlen an den Reflektorelementen eine weiter verbesserte
Mischung des Lichts erzielt. Werden Reflektorelemente verwendet,
so kann der Fluoreszenzfarbstoff weiter entfernt von den Leuchtflächen angeordnet
werden, ohne dass sich ein wesentlicher Lichtverlust ergibt. Dann
kann der Fluoreszenzfarbstoff oder der Schwerpunkt von dessen räumlicher
Verteilung oberhalb der Leuchtflächen
auch mindestens um einen Abstand von den Leuchtflächen beabstandet werden,
welcher der Breite der Leuchtflächen
der Leuchtdioden entlang der Längsrichtung
oder sogar zumindest dem Abstand der zueinanderweisenden Kanten
von Leuchtflächen übernächster Nachbarn von
Leuchtdioden entspricht. Bei solchen Abständen wird selbst bei einem
Ausfall einzelner Leuchtdioden die Homogenität der Lichtintensität entlang
der Längsrichtung
nur wenig beeinflusst.
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Als
Anwendung ist eine Prüfvorrichtung
zur optischen Prüfung
von Substraten, insbesondere flächigen
Substraten vorgesehen, welche eine Zeilenkamera und eine Beleuchtungseinrichtung,
wie sie vorstehend beschrieben wurde, vorgesehen. Dabei sind die
Beleuchtungseinrichtung und die Sensorzeile der Kamera so in Bezug
auf ein gehaltertes oder geführtes
Substrat angeordnet, dass von der Oberfläche reflektiertes Licht der
Beleuchtungseinrichtung oder durch das Substrat transmittiertes
Licht, insbesondere ohne Streuung, auf die Kamerazeile fällt. Im Allgemeinen
ist es dabei sinnvoll, wenn die Längsrichtung der Beleuchtungseinrichtung
und die Längsrichtung
der Zeilenkamera parallel verlaufen, um eine gleichmäßige Ausleuchtung
zu erzielen. Dies gilt insbesondere, wenn planparallele Substrate,
oder Substrate mit ebener Oberfläche
zu prüfen
sind.
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Um
zu vermeiden, daß aufgrund
des Primärlichts
der Leuchtdioden nach wie vor die einzelnen Leuchtdioden sichtbar
bleiben und die Messung beeinflussen, kann die Messanordnung der
Prüfvorrichtung
das Primärlicht
der Leuchtdioden auch ausfiltern. Dies kann auf verschiedene Weise
geschehen. Eine Möglichkeit
ist, bereits eine Kamerazeile einzusetzen, die unempfindlich auf
das Primärlicht
der Leuchtdioden ist. Dies ist beispielsweise dann gegeben, wenn
ultraviolett-emittierende Leuchtdioden eingesetzt werden und die
Kamerazeile nur im sichtbaren Spektralbereich empfindlich ist. Auch
kann ein Filter eingesetzt werden, welcher das kurzwelligere Primärlicht ausfiltert.
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Die
erfindungsgemäße Prüfvorrichtung
ist in Weiterbildung der Erfindung ausgebildet zum Erkennen von
Fehlern in oder auf Folien, wie insbesondere Stippen oder Blasen
in Folien, in oder auf Beschichtungen, wie insbesondere in Lacken,
in oder auf Glasscheiben, wie insbesondere Blasen im Glas oder Kratzer
auf der Glasoberfläche.
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Auch
für andere
Einsatzzwecke lässt
sich eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung verwenden.
Allgemein ist an Anwendungen im Bereich von Machine-Vision gedacht,
unter den auch die vorstehen beschriebene Prüfvorrichtung fällt. Ein weiteres
Anwendungsfeld sind Scanner zur digitalen Erfassung der Struktur
der Substrate.
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Ebenfalls
kann die Beleuchtungseinrichtung aber auch als Hintergrundbeleuchtung
eingesetzt werden. Gedacht ist hierbei insbesondere an Hintergrundbeleuchtungen
für Displays,
wie etwa Flüssigkristallanzeigen.
Da die Leuchtdioden sehr energieeffizient sind, eignet sich die
erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung
besonders auch als Hintergrundbeleuchtung für Displays portabler Vorrichtungen.
Solche portablen Vorrichtungen können
Laptops, PDAs, Mobiltelefone oder auch GPS-Empfänger sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter
Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Dabei
verweisen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen auf gleiche oder
entsprechende Teile.
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Es
zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
einer linienförmigen
Beleuchtungseinrichtung mit einer Folie als Träger eines Fluoreszenzfarbstoffs,
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2 eine
Ausführungsform
einer linienförmigen
Beleuchtungseinrichtung mit vergossenen Leuchtdioden, wobei die
Vergussmasse den Fluoreszenzfarbstoff enthält,
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3 eine
Prüfvorrichtung
in Auflicht-Konfiguration für
das Überprüfen flächiger Substrate
auf Fehler,
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4 eine
Prüfvorrichtung
in Reflexions-Konfiguration
für das Überprüfen flächiger Substrate
auf Fehler,
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5 eine
Prüfvorrichtung
in Durchlicht-Konfiguration
für das Überprüfen flächiger Substrate
auf Fehler,
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6 und 7 Beleuchtungseinrichtungen mit
verschiedenen zylindrisch fokussierenden Elementen, und
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8 eine
Ausführungsform
mit einer Hologrammfolie als Konverterelement.
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1 zeigt
in perspektivischer Ansicht schematisch eine Beleuchtungseinrichtung 1,
die eine linienförmige
Lichtquelle bereitstellt. Die Beleuchtungseinrichtung 1 umfasst
einen Träger
in Form einer Leiterplatte 3 auf welcher Leuchtdioden 5 entlang
einer Linie befestigt sind. Die Leuchtdioden sind dabei entlang
der Längsrichtung 2 aufgereiht
angeordnet. Die Leuchtdioden sind entweder blau oder ultraviolett emittierend.
Die Leuchtdioden 5 können
beispielsweise SMD-Bausteine sein. Ebenso können die Leuchtdioden in Chip-on-Board
Technologie ungehäust
auf der Leiterplatte 3 aufgeklebt und durch Drahtbonden
mit der Leiterplatte 3 kontaktiert werden.
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Seitlich
neben den Leuchtdioden 5 sind bei diesem Ausführungsbeispiel
noch Reflektorelemente 9 angeordnet. Der von den Leuchtdioden 5 und
den Reflektorelementen 9 begrenzte Zwischenraum oberhalb
der Leuchtflächen
der Leuchtdioden 5 ist mit einer transparenten Vergussmasse 11 ausgefüllt. Auf
die Vergussmasse 11 ist eine Folie 7 aufgelegt und
mit der Vergussmasse 11 verbunden. Beispielsweise kann
die Folie 7 vor dem Aushärten der Vergussmasse aufgelegt
werden, so daß die
Folie mit der Vergussmasse 11 verklebt. Alternativ kann
auch eine separate Verklebung der Folie vorgesehen werden.
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Gemäß noch einer
Variante des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels
kann die Vergussmasse 11 auch entfallen, wobei die Folie 7 dann
an den Reflektorelementen 9 befestigt wird, die dann gleichzeitig
als Abstandhalter für
die Folie 7 zu den Leuchtflächen der Leuchtdioden 5 dienen.
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Die
Folie 7 trägt
insbesondere auch einen Fluoreszenzfarbstoff oder Konverterphosphor,
welcher das Primärlicht
der Leuchtdioden 5 zumindest teilweise in längerwelliges
Licht konvertiert. Der Fluoreszenzfarbstoff kann auf die Folie aufgebracht
oder in der Folie eingebettet sein.
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Aufgrund
des Abstands der Folie, beziehungsweise des Fluoreszenzfarbstoffs
zu den Leuchtflächen
der Leuchtdioden 5 ist am Ort des Fluoreszenzfarbstoffs
entlang der Längsrichtung 2 der Beleuchtungseinrichtung
eine nahezu homogene Intensitätsverteilung
gegeben, da auch in Bereichen zwischen den Leuchtflächen der
Leuchtdioden 5 Licht von zumindest den beiden benachbarten Leuchtdioden
auf den Fluoreszenzfarbstoff gelangt. Durch die aufgrund der Fluoreszenz
leuchtende durchgängige
Folie wird eine Lichtquelle in Form einer homogen leuchtenden langgestreckten
Fläche erzielt.
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Vorzugsweise
wird der Fluoreszenzfarbstoff so gewählt, daß eine weiß leuchtende Lichtquelle geschaffen
wird. Geeignet ist unter anderem Cer-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat
in Verbindung mit blau emittierenden Leuchtdioden 5.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
linienförmigen
Beleuchtungseinrichtung 1 dargestellt. Auch bei diesem
Beispiel sind die Leuchtdioden 5 auf einer als Träger dienenden
Leiterplatte 3 in einer Reihe entlang der Längsrichtung 2 angeordnet.
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Im
Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform
sind hier jedoch die Leuchtdioden mit einer Vergussmasse 11,
beispielsweise Silikon verkapselt, in welcher der Fluoreszenzfarbstoff
eingebettet ist, so dass keine weiteren Elemente mehr notwendig
sind. Diese Ausführungsform
ist besonders einfach und eignet sich besonders gut in Verbindung
mit Chip-on-Board-Technologie.
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3 zeigt
eine Prüfvorrichtung 10 für das Überprüfen flächiger Substrate
auf Fehler. Solche Fehler können
beispielsweise Blasen im Substrat oder Kratzer auf dem Substrat
sein. Das flächige Substrat 14 kann
beispielsweise eine Glasscheibe oder eine Kunststofffolie sein.
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Bei
der in 3 gezeigten optischen Anordnung handelt es sich
um eine Auflicht-Konfiguration. Die Beleuchtungseinrichtung 1 beleuchtet
einen streifenförmigen
Bereich 16 des Substrats 14. Von der Kamera 20 wird
ein mit dem Bereich 16 überlappender
streifenförmiger
Bereich 17 erfasst. Kamera 20, Beleuchtungseinrichtung 1 und
Substratoberfläche 140 sind
so zueinander angeordnet, daß von
der Substratoberfläche
reflektiertes Licht nicht in die Kamera 20 fällt. Bei
dieser Auflicht-Anordnung wird daher Streulicht detektiert. Bei
dieser Anordnung ist es weniger kritisch, wenn im Licht der Beleuchtungseinrichtung
die einzelnen Leuchtdioden sichtbar sind, da sich an der Streuquelle
im oder auf dem Substrat 14 ohnehin das Licht mehrerer
Leuchtdioden mischt.
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Wesentlich
kritischer ist dies jedoch bei Konfigurationen, wie sie nachfolgend
beispielhaft anhand der 4 und 5 beschrieben
werden. Für
solchen Konfigurationen sind daher erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtungen,
die eine homogene linienförmige
Lichtquelle bereitstellen, besonders vorteilhaft.
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In 4 ist
eine Prüfvorrichtung 10 dargestellt,
bei welcher Kamera 20, Beleuchtungseinrichtung 1 und
Substratoberfläche 140 so
angeordnet ist, dass das von der Substratoberfläche 140 reflektierte Licht
von der Kamera 20 erfasst wird. Dazu sind Kamera 20 und
Beleuchtungseinrichtung im Speziellen so angeordnet, daß die Kamera
das Spiegelbild der Beleuchtungseinrichtung 1 auf der Substratoberfläche 140 betrachtet.
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Mit
einer solchen Anordnung lassen sich Fehler im oder auf dem Substrat
erkennen, welche mit der Auflicht-Konfiguration gemäß 3 nicht oder
nur schwer detektierbar sind. Insbesondere können solche Fehler gefunden
werden, die den Reflexionskoeffizienten verändern, aber nur schwach oder
nicht streuend sind.
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Ein
besonders geeignetes Anwendungsfeld der in 4 gezeigten
Konfiguration ist die Erkennung von Verformungen auf der Oberfläche. So
können
in Reflexion bereits sehr schwach ausgeprägte Wellen in der Substratoberfläche erkannt
werden, da diese im reflektierten Licht aufgrund der fokussierenden
und defokussierenden Eigenschaften wellenförmiger Verformungen deutliche
Helligkeitsvariationen verursachen.
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5 zeigt
eine Prüfvorrichtung 1 in
Durchlicht-Konfiguration.
Bei dieser Prüfvorrichtung 1 sind Kamera 20 und
Beleuchtungseinrichtung 1 in Gegenüberstellung angeordnet, wobei
das Substrat 14 zwischen Kamera 20 und Beleuchtungseinrichtung 1 gehaltert
wird, so dass Licht der Beleuchtungseinrichtung 1, welches
durch das Substrat 14 hindurch transmittiert wurde, von
der Kamera 20 erfasst wird.
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Anders
als bei der in 5 gezeigten Konfiguration können Kamera 20 und
Beleuchtungseinrichtung 1 auch gegenüber dem Substrat 14 verdreht angeordnet
werden, so dass schräg
durch das Substrat 1 transmittiertes Licht erfasst wird.
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Auch
diese Anordnung ist geeignet, um beispielsweise leichte Verformungen
auf den Seiten 140, 141 zu erkennen. Zudem kann
durch Kombination mit einer Auflicht-Messanordnung bei erkannten Fehlern
vielfach festgestellt werden, um was für einen Fehler es sich handelt.
Durch Kombination einer Dunkelfeld-Messung, wie sie mit der Anordnung
gemäß 3 durchgeführt werden
kann, mit einer Hellfeld-Messung können beispielsweise Blasen
von opaken Einschlüssen
unterschieden werden.
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Auch
die Reflexionsanordnung gemäß 4 ist
im übrigen
eine Hellfeld-Anordnung. Es kann daher ohne Beschränkung auf
die Ausführungsbeispiele
verallgemeinert werden, daß eine
erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung
besonders für
Hellfeld-Messanordnungen geeignet sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung ist daher allgemein eine Hellfeld-Messanordnung mit einer
Kamera und einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung vorgesehen.
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Zwar
ist bei der Dunkelfeld-Anordnung eine Sichtbarkeit einzelner Leuchtdioden
wie gesagt weniger kritisch, allerdings kann mit den oben genannten Vorteilen
auch eine Umschaltung zwischen einer Hell- und Dunkelfeldanordnung
vorgesehen werden, ohne dass verschiedene Lichtquellen benötigt werden.
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Die
Umschaltung kann insbesondere durch Bewegung zumindest einer der
Komponenten Kamera, Beleuchtungseinrichtung, Substrat und/oder durch
Einschaltung eines Umlenkelements für das Licht erfolgen. Beispielsweise
kann die Kamera 20 ausgehend von der in 3 gezeigten
Anordnung verschoben und rotiert werden, um zu der Konfiguration
gemäß 4 zu
gelangen.
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Um
bei den Prüfvorrichtungen 10,
wie sie beispielhaft anhand der 3 bis 5 dargestellt sind,
einen ausgeleuchteten Bereich 16 mit möglichst hoher Intensität zu erreichen,
ist es günstig,
zylindrisch fokussierende Linsenelemente vorzusehen, die in einem
Abstand zum Fluoreszenzfarbstoff angeordnet sind. Ein erstes Beispiel
ist in 6 gezeigt.
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Das
in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht der
in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei zusätzlich eine
plankonvexe, mit der planen Seite zur Folie 7 weisende
Zylinderlinse 21 auf einem Abstandhalter 18 angeordnet
ist.
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Der
Zwischenraum zwischen der Folie 7 und der Linse 21 kann
auch mit transparenter Vergussmasse ausgefüllt sein.
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Anstelle
der sphärisch
oder asphärisch
gekrümmten
Zylinderlinse 21 kann auch eine Fresnellinse eingesetzt
werden, bei welcher die Brechfläche in
mehrere nebeneinander entlang der Längsrichtung 2 verlaufenden
Prismen aufgeteilt ist.
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7 zeigt
eine Variante, bei welcher anstelle der refraktiv wirkenden Zylinderlinse 21 eine
diffraktiv wirkende, zylindrisch fokussierende Hologrammfolie 22 eingesetzt
wird. Ebenso wie bei einer Fresnelline ergibt sich so gegenüber einer
Ausführungsform
mit gekrümmter
Brechfläche
gemäß 6 ein
flacherer Aufbau.
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In 8 ist
als schematischer Querschnitt eine Beleuchtungseinrichtung 1 dargestellt,
welche ebenso wie die in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiele
ein zylindrisch fokussierendes Element aufweist. Beispielhaft ist
eine Zylinderlinse 21 dargestellt. Anstelle dessen kann
aber auch eine zylindrisch fokussierende Fresnel-Linse oder ein
diffraktiv-optisches Element wie bei der in 7 gezeigte
Hologrammfolie eingesetzt werden.
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Die
Beleuchtungseinrichtung 1 gemäß 8 hat folgende
Eigenschaften:
Als Basis ist ein Kühlkörper 30 mit Kühlrippen 31 zur Kühlung der
Leuchtdioden 5 vorgesehen.
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Die
Kühlleistung
kann durch zusätzliche
Gebläsekörper 31,
gesteigert werden. Auf den Kühlkörper ist
eine Platine 3 montiert, welche auch als Träger für die Leuchtdioden 5 dient.
Die montierte Platine kann gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung einen Metallkern aufweisen. Damit wird
die Wärmeabfuhr verbessert.
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Die
Leuchtdioden 5 können
in mehreren Reihen nebeneinander quer zur Längsrichtung angeordnet sein.
Aufgrund der Querschnittansicht ist nur eine Reihe in 8 zu
sehen.
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Allgemein
kann die Länge
der linienförmigen Anordnung
der Leuchtdioden ohne Beschränkung auf
das in 8 gezeigte Beispiel eine Länge von zumindest 15 Zentimetern,
oder sogar zumindest 1 Meter betragen. Längen von mehreren Metern sind
ohne weiteres möglich.
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Wie
in den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen können wiederum
blaue Leuchtdioden eingesetzt werden. Die Leuchtdioden 5 können mit
Metallrähmchen 51 eingehaust
sein. Um Weisslicht zu erzeugen, kann der Fluoreszenzfarbstoff wieder
in das Vergussmaterial eingebettet sein. Alternativ können aber
auch farbige Leuchtdioden, beispielsweise rote, grüne, oder
auch blaue Leuchtdioden ohne Fluoreszenzfarbstoff eingesetzt werden.
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In
einem Abstand zu den Leuchtdioden, beziehungsweise zu deren Leuchtflächen ist
ein Konverterelement angeordnet. Gemäß einem Beispiel beträgt der Abstand
des Konverterelements kleiner als 1 cm und der Mittenabstand zwischen
den Leuchtdioden kleiner als 0,5 cm.
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Dementsprechend
ist der Abstand des Konverterelements kleiner als der sechzenfache,
insbesondere auch kleiner als der achtfache Mittenabstand der Leuchtdioden.
Um eine gute Diffusor-Wirkung zu erreichen, wird der Abstand aber vorzugsweise
zumindest halb so groß,
vorzugsweise zumindest so groß wie
die Breite des Zwischenraums zwischen den Leuchtflächen benachbarter
Leuchtdioden gewählt.
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Bei
dem in 8 gezeigten Beispiel wird als Konverterelement
eine Hologrammfolie 25 eingesetzt, welche quer zur Längsrichtung
verlaufende diffraktiv wirkende lichtablenkende Strukturen aufweist. Damit
werden von den Leuchtdioden ausgehende Parallelstrahlen, von denen
zwei Strahlen 53, 54 beispielhaft eingezeichnet
ist, am Konverterelement in der Ebene senkrecht zum Träger 3 und
entlang der Längsrichtung
nach Art einer zufälligen
Streuung abgelenkt. Dazu kann die Variation der Ablenkung an der
Hologrammfolie von der Periode der Leuchtdioden, beziehungsweise
von deren Mittenabständen entkoppelt
sein. Mit anderen Worten wird der Richtung der Lichtstrahlen damit
eine zufällige
oder quasi-statistische Komponente entlang der Längsrichtung der Beleuchtungseinrichtung
aufgeprägt.
Die Hologrammfolie 25 hat also die Eigenschaft, das Licht
in Längsrichtung
aufzuweiten. Durch die Strukturierung mit diffraktiven Elementen,
die quer zur Längsrichtung
verlaufen, hat die Folie 25 insbesondere auch noch die
Eigenschaft, das Licht in der anderen Richtung kaum zu beinflussen.
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Die
Hologrammfolie 25 ist weiterhin parallel zur Linie der
aufgereihten Leuchtdioden angeordnet. Beispielsweise kann die Hologrammfolie 25 in
einer Führungsnut
eingespannt werden, wobei sich die Führungsnut auf der Innenseite
des Außengehäuses 80 der
Beleuchtungseinrichtung 1 befindet. Die Folie kann beispielsweise
eine Dicke kleiner 1 mm aufweisen.
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Über der
Folie ist die Linse 21 angeordnet. In der Ebene senkrecht
zur Längsrichtung
der Beleuchtungseinrichtung, also in der Ebene, in welcher die Linse 21 fokussiert,
beziehungsweise senkrecht zur Zylinderoberfläche der Linse wird das Licht
durch die Hologrammfolie 25 aufgrund der Strukturierung
der Hologrammfolie kaum beeinflusst. Dagegen wird das Licht in Längsrichtung
durch die Hologrammfolie 25 stark aufgeweitet.
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Vorzugsweise
ist die Linse 21 im Abstand von kleiner 1 cm zur Hologrammfolie 25 angeordnet.
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Die
Linse 21 kann beispielsweise rund oder allgemein bikonvex,
halbrund oder allgemein plankonvex, sowie eine Fresnel-Linse sein.
Auch kann die Linse eine azylindrische Brechfläche aufweisen.
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Wie
bei dem in 8 gezeigten Beispiel kann die
Steuerelektronik 33 für
die Ansteuerung der Leuchtdioden im Gehäuse integriert sein.
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Neben
einer Verwendung in Maschine-vision Anwendungen, etwa zur Inspektion
von Glassubstraten eignet sich die Beleuchtungseinrichtung auch zum
Scannen von Bahnenwaren (Papierfolien, Tapeten, etc.).
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Durch
die kleinen Abstände
der LED-Chips und durch Verwendung der Chip-on-Board-Technologie,
in Verbindung mit der in Längsrichtung
aufweitenden Folie wird erreicht, dass mit der Kamera direkt in
die Beleuchtung hineingeschaut werden kann, ohne dass einzelne Leuchtdioden
aufgelöst
werden.
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Allgemein
kann über
den Abstand der Linse 21 zu der Leuchtdioden der optimale
Arbeitsabstand eingestellt werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung,
ohne Beschränkung
auf die in 8 dargestellte Ausführungsform kann
daher auch eine Höhenverstellung
des zylindrisch fokussierenden Elements vorgesehen sein.
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Es
ist dem Fachmann ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf die
vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern
vielmehr in vielfältiger
Weise im Rahmen des Gegenstands der Ansprüche geändert werden kann. Insbesondere
können
die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele
auch miteinander kombiniert werden. So kann bei dem in 8 gezeigten Beispiel
anstelle der Hologrammfolie auch eine Folie mit Fluoreszenzfarbstoff
verwendet werden. In diesem Fall kann dann ein in die Vergussmasse 11 eingebetteter
Fluoreszenzfarbstoff entfallen.