DE3686861T2

DE3686861T2 - System und verfahren zur illumination von objekten fuer visionsvorrichtungen.

Info

Publication number: DE3686861T2
Application number: DE8686308823T
Authority: DE
Inventors: Ralph Mark Weisner
Original assignee: View Engineering Inc
Current assignee: View Engineering Inc
Priority date: 1985-11-15
Filing date: 1986-11-12
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2006-11-13
Also published as: EP0223556B1; US4706168A; JPH039445B2; JPS62168125A; EP0223556A2; EP0223556A3; CA1293232C; DE3686861D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Betrachtungssystem der ein Linsensystem und ein Beleuchtungssystem aufweisenden Art, wobei das Linsensystem eine vertikale optische Achse bestimmt, das Betrachtungssystem geeignet ist für eine Inspektion, Messung oder Aufnahme eines Produktes, das entlang der optischen Achse angeordnet ist, das Beleuchtungssystem eine entfernte Lichtquelle aufweist, die an eine biegsame optische Fiber-Leitung angeschlossen ist, die in einem Lichtring endet, um einen Licht-Hohlzylinder oder eine Lichthülle zu erzeugen, die konzentrisch zur optischen Achse und auf das Produkt gerichtet ist, weiterhin mit einem ersten Ringelement, das konzentrisch in bezug auf die optische Achse ist und eine Öffnung zwischen dem Linsensystem und dem Produkt definiert und welches eine äußere reflektierende Oberfläche aufweist zum Ablenken des zylinderförmigen oder hülsenförmigen Lichts in eine erste Richtung, und mit einem zweiten Ringelement mit einer reflektierenden Oberfläche, die im Weg des von der ersten reflektierenden Oberfläche reflektierten Lichts liegt, um das Licht auf das Produkt zu lenken.
Das rasche Wachstum automatischer Meßtechniken für Präzisionsprodukte, die von auf sehr geringe Toleranzen hergestellten mechanischen Teilen bis zu winzigen höchstintegrierten Halbleiterprodukten reichen, hat zur Entwicklung einer Anzahl von Systemen für die automatische Beobachtung solcher Teile und Komponenten geführt. Bei diesen Systemen wird ein zu prüfender oder zu messender Gegenstand im allgemeinen durch eine Optik mit starker Vergrößerung auf einer elektronischen Bildaufnahmevorrichtung abgebildet, beispielsweise auf einem Vidicon, einer ladungsgekoppelten Anordnung oder einem sonstigen Bild-Signal-Umsetzer. Die Videosignale können unter Verwendung angepaßter Software und eines Mikroprozessors oder Minicomputers weiterverarbeitet werden, um das Bild und spezielle Teile des Bildes zu analysieren. Bildumformungstechniken können angewandt werden, um die Abbildung zu drehen, zu zoomen und zu übersetzen, und Mustererkennungstechniken können angewandt werden, um die Abbildung mit einer im voraus festgelegten Norm zu vergleichen, Fehler können identifiziert, Abmessungen und Abstände gemessen werden. Diese Funktionen können mit hoher Zuverlässigkeit und Fehlerfreiheit durchgeführt werden, wenn das Bild angemessen definiert ist.
Allerdings hängen die vom Abtasten der optischen Abbildung abgeleiteten Signale von den physikalischen und optischen Eigenschaften des geprüften Objektes ab. Das Auge kann zwar rasch Unterschiede in Farbe und Gefüge wahrnehmen, und das Auge kann sich auch an Reflexionen und andere Wirkungen anpassen, und eine menschliche Bedienungsperson kann von dem Gesamteindruck abhängige Einstellungen vornehmen, aber die Weiterverarbeitung der Bildsignale hängt wesentlich von der Art der Signalschwankungen ab. So erfordert beispielsweise eine exakte Lokalisierung einer Kante einer gegebenen Oberfläche einen hohen Signalkontrast zwischen der Oberfläche und ihrem Hintergrund. Wenn zum Beispiel der Durchmesser einer Öffnung gemessen wird, machen es abrupte Schwankungen der Signalgröße möglich, daß das Betrachtungssystem einen Meßwert für diese Dimension abgibt, der viel schneller, exakter und zuverlässiger ist als bei irgendeinem System, welches die Beurteilung einer Bedienungsperson erfordert. Präzisionskomponenten sind jedoch von Natur aus dreidimensional, und häufig ist es erwünscht, spezielle Eigenschaften auf verschiedenen Niveaus zu inspizieren oder zu messen. Wenn ein Loch zum Beispiel verjüngt und konzentrisch zu einer vertikalen Achse ist, kann die Verjüngung dadurch exakt bestimmt werden, daß Lochdurchmesserwerte an jedem Ende abgelesen werden, und für diesen Zweck ist eine gleichmäßige Beleuchtung nicht optimal. Das veranschaulicht die allgemeine Schwierigkeit, ein zu prüfendes Objekt derartig zu beleuchten, daß Glanzlichter und Schatten mit größtem Vorteil zur Darstellung der Merkmale und Oberflächen benutzt werden können, die betrachtet oder gemessen werden sollen.
Das beste Beispiel für Betrachtungssysteme der hier beschriebenen Art ist das View Engineering Model 1200, ein System auf Mikroprozessorbasis, welches berührungslose Messungen in drei Dimensionen an komplizierten Teilen und mit einer Genauigkeit im Größenordnungsbereich von 6 um (0,00025 Zoll) vornimmt. Bei diesem System kann die Objektbeleuchtung von einer Lichtquelle stammen, die um das Objektiv des Vergrößerungssystems der Kamera angeordnet ist, oder koaxial durch das Objektiv. Die Möglichkeit, verschiedene Eigenheiten zu verschiedenen Zeiten hervorzuheben, ist dabei begrenzt, außer daß man aus der Benutzung von sich dezent unterscheidenden Lichtquellen in besonderen Fällen begrenzten Vorteil ziehen konnte.
Beispielhaft für begrenzte, bekannte Beleuchtungsgeräte ist das deutsche Patent DE-A-2 535 556, welches eine Beleuchtungsvorrichtung für chirurgische Beleuchtung offenbart, die eine Schattenreduzierung und gleichmäßige Belichtung in einem beleuchteten Bereich ermöglicht. Im wesentlichen koilimierte Lichtstrahlen treffen auf einen ersten Reflektor auf, der die Strahlen radial nach außen zu einem radial beabstandeten Reflektor zurückwirft. Der in radialem Abstand angeordnete Reflektor wirft diese auftreffenden Lichtstrahlen in einem festen Winkelverhältnis in eine beleuchtete Zone zurück, die sich unterhalb des konvexen Reflektors befindet.
Die Einstellung des ersten Reflektors längs der Symmetrieachse in bezug auf einen feststehenden, radial beabstandeten Reflektor ändert die Querschnittsfläche des beleuchteten Bereichs.
In der britischen Patentanmeldung GB-A-2 072 825 ist eine chirurgische Operationslampe offenbart, die eine Lichtquelle aufweist, welche ein Büschel Strahlen aussendet, die von einer Linse in ein paralleles Strahlenbündel umgewandelt werden, welche auf einer reflektierenden Oberfläche eines Reflexionskörpers erscheinen. Das parallele Bündel Strahlen, die auf die reflektierende Oberfläche auftreffen, wird zu einem Reflektor zurückgeworfen, von wo es auf ein Operationsfeld reflektiert wird. Der Reflexionskörper ist an einer Haltestange befestigt, deren Achse konzentrisch zur optischen Achse der Lichtquelle ist. Der Reflexionskörper und die Haltestange behindern die optische Achse zwischen der Lichtquelle und dem Operationsfeld und machen das Gerät ungeeignet für ein axiales Betrachtungssystem.
Das US-Patent 4 109 304 offenbart eine Vorrichtung zur kohärenten Beleuchtung von Objekten, bei der quer über den Weg eines von einem Laser ausgesandten kohärenten Lichtstrahls paralleler Strahlen eine Einrichtung angeordnet ist, um das kohärente Lichtstrahlenbündel aus parallelen Strahlen in eine unbegrenzte Anzahl von Lichtstrahlenbündeln mit parallelen Strahlen umzuwandeln, die sich unter einem Winkel zueinander fortpflanzen, wodurch ein Lichteffekt erzeugt wird, der dem einer räumlich gestreckten Quelle kohärenten Lichts äquivalent ist. Die Linsen und Reflektoren sind in festem Verhältnis angeordnet, so daß die Vorrichtung zur kohärenten Beleuchtung von Objekten für ein axiales Betrachtungssystem nicht geeignet ist, bei dem eine Kontrasteinstellung und eine feste Brennebene erwünscht ist.
In APPLIED OPTICS, Band 24 (1985), SS. 1560-62 wird eine Vielfalt von Ausführungsformen für Beleuchtungsvorrichtungen gelehrt, in denen handelsübliche faseroptische Ringe benutzt sind. Allerdings wird kein faseroptischer Ring gelehrt, der eine Vielzahl von Bogensegmenten enthält, die unabhängig so steuerbar sind, daß sie eine Beleuchtung aus verschiedenen Richtungen ebenso wie aus allen Richtungen um die Achse ermöglichen.
Ein Beleuchtungssystem, welches leistungsfähig und wirtschaftlich ist in der Schaffung einer unterschiedlichen und steuerbaren Beleuchtung eines zu untersuchenden Objekts ist nicht auf die Verwendung mit Betrachtungssystemen der allgemein beschriebenen Art begrenzt. Es kann auch für die Mikroskopie, Mikrophotometrie und Mikrophotographie verwendet werden, wo der zu untersuchende Teil unter einer wesentlichen Vergrößerung betrachtet wird und eine Bildaufbereitung für besondere Zwecke erwünscht ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich ein Betrachtungssystem der oben anfangs bestimmten Art dadurch aus, daß ein Differentialantriebsmechanismus so ausgelegt ist, daß er das erste und zweite Ringelement mit unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten in axialer Richtung bewegt, und daß die reflektierenden Oberflächen der Ringelemente im Querschnitt so gekrümmt sind, daß der Einfallswinkel des vom zweiten Ringelement auf das Produkt umgelenkten Lichtes variiert werden kann, während ein gleichbleibender Brennpunkt erhalten bleibt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet das Beleuchtungssystem mit einer einen hohlen, zylindrischen Mantel divergierenden Lichts schaffenden Lichtquelle zusammen mit einem Paar gekrümmter Ringreflektoren. Einer der Reflektoren sammelt und koilimiert den zylindrischen Lichtmantel und richtet ihn als lateralen Fächer auf einen benachbarten Reflektorring, der eine gekrümmte Oberfläche hat. Der Ablenkungswinkel vom zweiten Reflektor bildet einen Kegel, dessen Einfallswinkel in Übereinstimmung mit der relativen Lage der beiden Ringe variiert. Wenn die beiden reflektierenden Ringe mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu dem Objekt oder vom Objekt weg bewegt werden, bleibt der Kegel des Beleuchtungslichts weiterhin auf eine gegebene Ebene gebündelt, aber mit einem sich ändernden eingeschlossenen Winkel, der die Glanzlichter, die Schatten und Kontraste im Bild über einen großen Bereich hinweg ändert. Ein Merkmal des Ausführungsbeispiels liegt darin, daß die Brennebene in weitem Rahmen geändert werden kann. Ferner ist die den Mantel aus Licht erzeugende Lichtquelle mit Vorteil in getrennte Bogensegmente unterteilt, die in verschiedenen Kombinationen beleuchtet werden können, um eine weitere Vielseitigkeit bei der Darstellung des Bildes zu erreichen.
Bei einem speziellen Beispiel eines Systems gemäß der Erfindung hat ein Betrachtungssystem eine optische Achse, längs der eine Kamera ein Objekt durch ein Vergrößerungssystem betrachtet. Zwischen der Kamera und dem zu untersuchenden Gegenstand ist für eine Lagebestimmung auf der X-, Y- und Z-Achse gesorgt. Eine Ringlichtquelle, die eine zylindrische Anordnung von Lichtleitfasern aufweist, welche in Quadranten erregbar sind, ist konzentrisch mit der optischen Achse angeordnet, so daß sie das Linsenvergrößerungssystem umgreift. Die Lichtleitfasern in der Ringlichtquelle erzeugen individuell divergierende Strahlenbündel, welche einen hohlen zylindrischen Mantel aus Licht bilden, der nach unten auf das Untersuchungsobjekt gerichtet ist. Das Licht wird von einer reflektierenden Oberfläche von parabolischem Querschnitt am inneren Ring im wesentlichen radial nach außen zu einer gekrümmten, reflektierenden Oberfläche am äußeren zweiten Ring reflektiert. Die zweite reflektierende Oberfläche ist ein torisches Segment, welches einen kreisförmigen Querschnitt hat, um das Licht in Abhängigkeit vom Einfallsbereich auf der zweiten reflektierenden Oberfläche nach unten zu einem gemeinsamen Brennpunkt zu leiten. Ein Differentialantriebsmechanismus ist mit dem 2-Achsen-Schlitten gekoppelt, um den ersten und zweiten Reflektorring in der gleichen Richtung aber mit unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten so zu bewegen, daß die Brennweite sich gemeinsam mit dem Einfallswinkel ändert und der Brennpunkt fest bleibt. Der Mechanismus bewegt sich getrennt von der Scharfeinstellung der Kamera, um eine größere Vielseitigkeit zu bieten. Bei dieser Anordnung ist eine Differentialbewegung vorzugsweise durch ein doppeltes Zahnstangensystem geboten. Antreibende und mitlaufende Zahnräder zwischen einander gegenüberliegenden Zahnstangen ermöglichen es, die beiden Zahnstangen mittels eines einzigen Motors im ausgewählten Verhältnis zu bewegen, ohne daß äußere Lager erforderlich sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ein besseres Verständnis erhält man, wenn man auf die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zurückgreift. Es zeigt:
Fig. 1 eine teilweise weggebrochene, perspektivische Ansicht eines Betrachtungssystems mit einem Beleuchtungssystem gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Anordnung;
Fig. 3 einen seitlichen Schnitt durch einen Teil des in Fig. 2 gezeigten Aufbaus;
Fig. 4 eine Teilansicht eines Teils einer Differentialantriebsvorrichtung, die im Mechanismus gemäß Fig. 2 und 3 benutzt ist;
Fig. 5 eine Stirnansicht das Aufbaus gemäß Fig. 4; und
Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung von Variationen des Einfallswinkels bei unterschiedlichen Stellungen der Reflektoren im System gemäß Fig. 1-5.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Ein Betrachtungssystem 10 gemäß der Erfindung weist, wie in Fig. 1 und 2 zu sehen ist, eine Grundplatte 12 auf, die einen temperaturstabilen, ebenen Granittisch 13 enthält, auf dem ein Gestell 14, welches gesteuert von einem Antrieb 15 mit einem Motor und einer Leitspindel in Y-Richtung bewegbar ist, so angeordnet ist, daß ein nur insgesamt angedeutetes Produkt 16, welches geprüft werden soll, in eine gegebene Position in einem Betrachtungsbereich gebracht werden kann. Auf den Betrachtungsbereich weist eine vertikal angebrachte Kamera 17 durch ein Vergrößerungslinsensystem 18 nach unten. Die Kamera 17 ist auf einer 2-Achsen- Stütze 19 angebracht, die mittels eines Z-Achsen-Motors 20 in vertikaler Richtung so angetrieben wird, daß die Kamera auf bestimmte Bereiche und Oberflächen scharfeingestellt werden kann. Die Kamera 17 und die 2-Achsen-Stütze 19 sind auf einem X-Achsen-Schlitten 22 stabil angebracht, der auf einer stabilen, schwingungsfreien Brücke 23 angebracht ist, die den Betrachtungsbereich oberhalb der Plattform 14 überspannt. Der Schlitten 22 wird mittels eines einen Motor und eine Leitspindel aufweisenden Antriebs 24 in der horizontalen Ebene translatorisch bewegt. Die beiden Antriebe 15 und 24 und der 2-Achsen-Antriebsmotor 20 werden von Signalen von einem Prozessor 25 gesteuert, der typischerweise so programmiert ist, daß das Produkt 16 in gegebene X- und Y- Achsen-Stellungen in bezug auf die Kamera 17 gebracht wird und auch auf ein bestimmtes Niveau am Objekt fokussiert wird. Ein Beleuchtungssystem 30 mit Elementen, die konzentrisch zur optischen Achse sind, ist gemeinsam mit der Kamera 17 und dem Linsensystem 18 an der 2-Achsen-Stütze 19 angebracht.
Zu dem Beleuchtungssystem 30 gehört unter Hinweis auf Fig. 2-5 und Fig. 1 eine entfernte Lichtquelle 32 an der Grundplatte, die über ein flexibles Lichtleitfaserbündel 34, welches viele individuelle Lichtleitfasern enthält, mit einem Lichtring 36 verbunden ist, der um das untere Ende des Linsensystems 18 und konzentrisch mit der optischen Achse angeordnet ist. Wie die Schnittansicht der Fig. 3 zeigt, sind die Enden der einzelnen Lichtleitfasern 38 aus einem parallelen Kern in ein zylindrisches Muster aufgefächert, in dem die Fasern parallel und benachbart um den Zylinder angeordnet sind. Das aus den Enden der Fasern 38 austretende Licht erzeugt gemeinsam einen Hohlzylinder oder eine Hülse aus Licht, welches nach unten zum Produkt 16 gerichtet ist. Das Licht aus jedem Faserende divergiert jedoch in diesem Fall unter einem Winkel von etwa 62º, wobei dieser Winkel je nach der Präzision der ebenen Stirnseite schwankt. Die entfernte Lichtquelle 32 hat bei diesem Beispiel vier getrennte Quellen, die jeweils Licht auf einen unterschiedlichen Quadranten am Beleuchtungsgerät 30 steuern und jeweils vom Prozessor 25 gesteuert sind.
Unterhalb des Lichtringes 36 ist ein erster Reflektorring 42 längs der optischen Achse bewegbar angebracht und weist eine erste Reflektoroberfläche 44 auf, die im Querschnitt parabolisch ist. Der Brennpunkt der Parabel ist in bezug auf den Divergenzwinkel des Lichtes aus den Fasern so gewählt, daß eine wesentliche Kollimation entsteht. Da die parabolische Reflektoroberfläche 44 im Weg des nach unten gerichteten Lichtzylinders liegt, lenkt sie das Licht radial nach außen vom Umfang der Reflektoroberfläche 44 ab und bildet etwas, das man als Lichtfächer, konzentrisch mit der optischen Achse der Kamera 17, bezeichnen könnte. Der erste Reflektorring 42 wirkt folglich als Lichtsammler ebenso wie als Lichtwegablenker wegen der parabolischen Oberfläche. Der erste Reflektorring hat die Form einer Rotationsoberfläche, deren Körper einen Taillenbereich zur Aufnahme des Lichtringes 36 enthält.
Das nach außen gerichtete Lichtmuster trifft auf einen zweiten Reflektorring 46 außerhalb des ersten Ringes 42 auf, der gegenüber diesem längs der 2-Achse bewegbar ist. Die reflektierende Oberfläche 48 des zweiten Reflektorringes 46 ist im Querschnitt kreisförmig, wie in Fig. 3 zu sehen ist. Ein kreisförmiges oder kugeliges Segment ist für die vorliegenden Zwecke angemessen, wenn auch bei Bedarf an größerer Präzision eine hyperbolische Kurve bevorzugt würde. Die Stelle, an der das im wesentlichen horizontale fächerartige Strahlenbündel vom ersten Reflektorring 42 auf die gekrümmte zweite Reflektoroberfläche 48 trifft, bestimmt den Ablenkungswinkel nach unten zu einem Brennpunkt und wirkt damit als eine Winkelerzeugende. Die parabolische Reflektoroberfläche 44 koilimiert im wesentlichen das Licht der optischen Fasern 38, welches sich fächerartig zur gekrümmten Oberfläche 48 ausbreitet.
Ein am besten in Fig. 2, 4 und 5 zu erkennender Differentialantriebsmechanismus 50 ist auf dem X-Achsen-Schlitten 22 angebracht und ist deshalb von der Z-Achsen-Stellung der Kamera 17 und des Linsensystems 18 unabhängig. Ein Motor 52 (Fig. 2) treibt den Mechanismus 50 unabhängig an, um die Stellung des zweiten Ringes 46 zu steuern. Die Stellungen beider Ringe 42, 46 werden gemeinsam in einem bestimmten Proportionalitätsverhältnis geändert, bei dem der Brennpunkt erhalten bleibt und der Einfallswinkel geändert wird. Zu diesem Zweck sind zwei Zahnstangen- und Ritzelmechanismen nebeneinander angebracht, wobei eine erste Zahnstange 54, die eine gegebene Zahnteilung hat, mit dem zweiten Ring 46 durch eine Winkelkonsole 45 verbunden ist, und eine zweite Zahnstange 56 mit gleicher Zahnteilung mit dem ersten Ring 42 durch einen Verlängerungsarm 57 gekoppelt ist. Die Zahnstangen 54, 56 sind in benachbarten Ebenen innerhalb eines umfassenden Gehäuses 59 versetzt, welches an der Z-Achsen-Stütze 19 befestigt ist (Fig. 1). Parallelität wird durch antreibende und mitlaufende Zahnräder aufrechterhalten, die innerhalb des Gehäuses in im Abstand voneinander liegenden Bereichen zwischen den Zahnstangen 54, 56 gekoppelt sind. Zu den antreibenden Zahnrädern gehört, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, ein erstes Zahnrad 62, welches mit der Welle des Motors 52 gekoppelt ist und in die erste Zahnstange 54 eingreift. Das erste Zahnrad 62 treibt ein benachbartes zweites Zahnrad 64 in seiner Ebene, welches mit einem größeren, dritten Zahnrad 66 in der Ebene der zweiten Zahnstange 56 zusammengebündelt ist und mit den Zähnen in der zweiten Zahnstange 56 kämmt. Vom ersten und dritten Zahnrad 62, 66 wird eine Differentialbewegung erzeugt, die durch die Verhältnisse der Durchmesser der drei Zahnräder 62, 64 und 66 bestimmt ist. Bei der beim vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigten Anordnung wird der erste Ring 42 schneller bewegt als der zweite Ring 46. Zwei Leerläufer 68, 69 sind so angeordnet, daß sie mit den Zahnstangen 54, 56 in Eingriff stehen, um eine Parallelität ohne Lager aufrechtzuhalten. Bei dieser Anordnung bewegen sich die Zahnstangen 54, 56 innerhalb des Gehäuses 59 hin und her, und die erforderlichen Bewegungen werden bewirkt, ohne daß Lagerstützen erforderlich sind. Wie Fig. 5 zeigt, sind die Zahnstangen 54, 56 an den Gleitstangen 70 befestigt, die innerhalb von Lagerhülsen 72 im Gehäuse gleiten.
Beim Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Systems beginnt die Betriebsfolge zur Prüfung eines Produktes 16 typischerweise damit, daß eine Bedienungsperson die Lageeinstellung des Y- Achsen-Gestells 14 und des X-Achsen-Schlittens 22 steuert, um verschiedene Bereiche des Produktes 16 zu betrachten, so wie diese Folgen und Positionen im Speicher des Prozessors abgelegt sind. Bei jeder Position werden Brennebenen für das Linsensystem 18 und die Kamera 17 durch Positionierung der Z-Achsen-Stütze 19 ausgewählt, und dann wird ein bevorzugter Einfallswinkel für Licht aus dem Beleuchtungssystem 30 gewählt. So wie die notwendigen Einstellpunkte für jede Position der Reihe nach von der Bedienungsperson ausgewählt werden, wird die Folge im Speicher für dieses Produkt 16 gespeichert. Da jedes gleiche Produkt 16 zum Analysieren auf das Gestell in seine Lage gebracht wird, läuft die Software für das System die Folge auf konventionelle Weise durch, wobei jeder ausgewählte Punkt oder Bereich des Teils eine Scharfeinstellung und Beleuchtung erfährt. Wenn die Abschrägung im Loch des Produktes 16 gemessen werden soll, sei angenommen, daß die obere Oberfläche einen größeren Durchmesser und die untere Oberfläche einen kleineren Durchmesser hat. Die Kamera 17 und die Linse 18 werden dann auf das eine oder andere Ende scharfeingestellt, und das Beleuchtungssystem 30 wird so verlagert, daß sich der optimale Einfallswinkel für einen scharfen Übergang an Lichtkontrast zwischen dem Innendurchmesser des Lochs und dem umgebenden Hintergrund ergibt. Dann kann das andere Ende des Lochs auf ähnliche Weise geprüft werden, wobei der Einfallswinkel am Fokussierende geändert wird, um den Übergang am klarsten zu zeigen.
Wie am besten in Fig. 6 erkennbar ist, bietet das Beleuchtungslicht von den Enden der optischen Fasern 38 im Lichtring 36 eine um 360º geschlossene Lichthülle, aber das Licht ist etwas divergent. Folglich sammelt die parabolische erste Reflektoroberfläche 44 das Licht und koilimiert es im wesentlichen, wobei sie es zur zweiten, den Winkel erzeugenden Oberfläche 48 lenkt, von wo das Licht als Kegel auf einen Brennpunkt gerichtet wird. Wenn der Einfallswinkel geändert wird, werden die beiden Reflektorringe 42, 46 zusammen bewegt, allerdings mit einer sich ändernden Lücke zwischen ihnen. So trifft das Licht von der ersten Kollektoroberfläche 44 auf einen anderen Bereich der gekrümmten, den Winkel erzeugenden Oberfläche 48 auf, um den Einfallswinkel zu ändern aber den gleichen Brennpunkt beizubehalten.
Durch Steuern der entfernten Lichtquelle 32 zur Beleuchtung verschiedener Gruppen der Lichtleitfasern 38 in Quadranten um den Lichtring 36 kann das Produkt 16 von verschiedenen Seiten und verschiedenen Winkeln beleuchtet werden, was die Vielseitigkeit des Systems verbessert.
Es sind hier verschiedene Formen und Abwandlungen gemäß der Erfindung beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt worden, aber es liegt auf der Hand, daß die Erfindung nicht darauf begrenzt ist, sondern alle möglichen Beispiele innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche umfaßt.

Claims

1. Betrachtungssystem (10) mit einem Linsensystem (18) und einem Beleuchtungssystem (30), wobei das Linsensystem (18) eine vertikale optische Achse bestimmt, das Betrachtungssystem (10) geeignet ist für eine Inspektion, Messung oder Aufnahme eines Produktes (16), das entlang der optischen Achse angeordnet ist, und das Beleuchtungssystem (30) eine entfernte Lichtquelle (32) aufweist, die an eine biegsame optische Fiber-Leitung (34) angeschlossen ist, die in einem Lichtring (36) endet, um einen Licht-Hohlzylinder oder eine Lichthülle zu erzeugen, die konzentrisch zur optischen Achse und auf das Produkt (16) gerichtet ist, weiterhin mit einem ersten Ringelement (42), das konzentrisch in bezug auf die optische Achse ist und eine Öffnung Zwischen dem Linsensystem (18) und dem Produkt (16) definiert und welches eine äußere reflektierende Oberfläche (44) aufweist zum Ablenken des zylinderförmigen oder hülsenförmigen Lichtes in eine erste Richtung, einem zweiten Ringelement (46), mit einer reflektierenden Oberfläche (48), die im Weg des von der ersten reflektierenden Oberfläche (44) reflektierten Lichtes liegt, um das Licht auf das Produkt (16) zu lenken, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differential-Antrieb (62, 64, 66, 52, 54, 56) so ausgelegt ist, daß er die ersten und zweiten Ringelemente (42, 46) mit unterschiedlichen Bewegungsarten in axialer Richtung bewegt, und daß die reflektierenden Oberflächen (44, 48) der Ringelemente (42, 44) im axialen Querschnitt so geformt sind, daß der Einfallswinkel des Lichtes, welches durch das zweite Ringelement (46) auf das Produkt (16) abgelenkt wurde, variiert werden kann, während ein gleichbleibender Brennpunkt erhalten bleibt.

2. Betrachtungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Oberfläche (44) eine Außenfläche mit parabolischem Querschnitt aufweist und die zweite reflektierende Oberfläche (48) einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

3. Betrachtungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der differentielle Antrieb ein Paar von parallelen Gestellen (54, 56) aufweist mit Stirn-Zähnen unter gleichen Abständen und ein Getriebe (62, 66), das zwischen den Gestellen (54, 56) angeordnet ist und mit den Zähnen in Eingriff steht, wobei ein Antriebsmotor (52) mit dem Getriebe (62, 66) verbunden ist.

4. Betrachtungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Licht (36) eine Vielzahl von bogenförmigen Elementen aufweist, die unabhängig voneinander anstellbar sind, um eine Beleuchtung aus unterschiedlichen Richtungen und auch eine Beleuchtung aus allen Richtungen in bezug auf das Produkt (16) einstellen zu können.

5. Betrachtungssystem (10) gemäß Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Bildkamera (17) vorgesehen ist, die entlang der optischen Achse und in bezug auf das Produkt ausgerichtet ist.

6. Betrachtungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer axialen Ebene ein Brennpunkt der ersten reflektierenden Oberfläche (44) so ausgewählt ist, daß auf sie einfallende Lichtstrahlen gebündelt und im wesentlichen parallel auf das zweite Ringelement (46) reflektiert werden.

7. Betrachtungssystem (10) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

- ein stabiles Grundgestell (12, 13) mit einer horizontal ausgerichteten oberen Fläche;

- eine stabile Brücke (23), welche die obere horizontale Fläche in einer X-Richtung überbrückt und über einer Betrachtungszone auf dem Grundgestell (12, 13) liegt;

- eine Plattform (14) auf der oberen Fläche des Grundgestells (12, 13) zur Aufnahme eines zu betrachtenden Produktes, wobei die Plattform (14) einen Antrieb in Richtung einer Y-Achse aufweist, um eine horizontale Bewegung in der Y-Richtung zu ermöglichen;

- einen X-Achsen-Schlitten (22), der auf der Brücke (23) montiert ist und einen X-Achsen-Antrieb (24) aufweist zum Ermöglichen einer horizontaler Bewegung in X-Richtung;

- einen Z-Achsen-Schlitten, der auf dem X-Achsen-Schlitten montiert ist und einen Antrieb (20) aufweist für eine Vertikalbewegung; und

- eine elektronische Kamera (17), einschließlich einer Vergrößerungseinrichtung (18), die auf dem Z-Achsen-Schlitten montiert ist und in bezug auf die optische Achse ausgerichtet ist, um die Betrachtungszone zu betrachten; wobei

- Einrichtungen (38) vorgesehen sind zum Erzeugen einer Lichtstruktur, und diese Einrichtungen konzentrisch in bezug auf die elektronische Kamera (17) und die optische Achse angeordnet sind, um in bezug auf das zu betrachtende Produkt einen Licht-Konus zu erzeugen, und wobei

- die Einrichtungen (52, 54, 56), die vorgesehen sind, um die Ringelemente (42, 46) zu bewegen, auf dem Z-Achsen-Schlitten montiert sind.

8. Betrachtungssystem (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das System (10) einen Prozessor (25) aufweist, der so angeschlossen ist, daß er den X-Achsen-Antrieb (24), den Y-Achsen-Antrieb (15), den Z-Achsen-Antrieb (20) steuert, und daß Einrichtungen (52) so angeschlossen sind, daß die Ringelemente (42, 46) in einer ausgewählten Folge von Positionen bewegt werden, um die Kamera (17) auf ausgewählte Positionen des Produktes zu fokussieren und um das Produkt unter bevorzugten Einfallswinkeln zu beleuchten.

9. Verfahren zum Prüfen eines Produktes mit einem Betrachtungssystem, um automatisch unterscheidende Merkmale zu ermitteln oder automatisch zu identifizieren mit folgenden Schritten:

Beleuchten des Produktes mit einem Hohlzylinder oder eine Hülle aus Licht, welches durch einen ersten reflektierenden Ring und einen zweiten reflektierenden Ring reflektiert wurde, wobei das Licht konzentrisch in bezug auf die optische Achse des Betrachtungssystems ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zylinder- oder hüllenförmige Licht auf einen ausgewählten Brennpunkt in bezug auf das Produkt fokussiert ist, daß die ersten und zweiten reflektierenden Ringe unterschiedlich mit verschiedenen Bewegungsgeschwindigkeiten in axialer Richtung bewegt werden, so daß der Einfallswinkel des Lichtes, welches auf das Produkt durch das zweite Element gerichtet wird, verändert wird, während ein gleichbleibender Brennpunkt erhalten bleibt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Brennebene des zu untersuchenden Produktes geändert wird und daß der Einfallswinkel der genannten abgelenkten Strahlen für eine bestmögliche Beleuchtung geändert wird.