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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kamerabeleuchtungssysteme und betrifft
insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beleuchten von
sich unter einer Kamera auf einem Förderband bewegenden Artikeln.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Für die Handhabung
und Sortierung von Artikeln wie etwa Paketen oder Komponenten von
hergestellten Gütern
sind automatische Fördersysteme
entwickelt worden. Die Artikel tragen identifizierende Angaben, beispielsweise
Strichcodes, dichte zweidimensionale Symbole und Text, der sich
für die
optische Zeichenerkennung eignet. Eine darüber angeordnete Linear-CCD-(ladungsgekoppeltes
Bauelement)-Kamera kann enge Bilder eines Blickfelds über eine „Scanlinie" hinweg erfassen,
die in der Richtung der Fördererbewegung sehr
kurz ist, aber sich über
den Förderer
hinweg erstreckt. Ein das Ausgangssignal der Kamera empfangender
Computer kann aus diesen linearen Bildern ein vollständiges digitales
Bild eines Pakets oder Etiketts erstellen, das sich unter der Kamera
hindurchbewegt. Wenn die Artikel variierende Höhen aufweisen, kann die Kamera
ein Bild überall
in einer von der Kamera zur Scanlinie nach unten projizierten „Scanebene" aufnehmen.
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Beleuchtungssysteme
nach dem Stand der Technik haben durch Verwendung von elliptischen
Zylindern als Reflektoren hinter einer länglichen röhrenförmigen Lampe einen intensiven
Lichtstreifen entlang der Scanlinie erzeugt. Die Lampe liegt entlang
einer Brennachse der Ellipse, während
die zu beleuchtende Oberfläche
in der Nähe
der anderen Brennachse liegt. Die Lichtquelle könnte um die Achse der Scanlinie
geneigt sein, damit das Blickfeld der Kamera nicht behindert wird.
Allgemein ist das Gebiet der fokussierten hellen Beleuchtung nicht
vertikal tief innerhalb der Scanebene, weshalb die Lichtausbeute
dieser Konfiguration begrenzt ist, wenn die unter der Kamera sich
hindurchbewegenden Artikel von der Höhe her stark variieren.
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Ein
derartiges Beleuchtungssystem versucht, ausreichend von dem relevanten
Artikel reflektiertes Licht zur Kamera zu lenken, damit ein scharfes
Bild erhalten wird, ohne die Kamera mit Blendlicht zu blenden. Die
Lichtquellen sollten deshalb eine große Menge an diffuser Reflexion
zur Kamera liefern, aber keine spiegelnde Reflexion. Artikel mit
glänzenden
oberen Oberflächen
stellen jedoch eine besondere Herausforderung dar. Wenn der Neigungswinkel
der Lichtquelle um die Scanlinie klein ist, kann die Kamera durch
Blendlicht geblendet werden, daß von
glänzenden
Paketen oder von Kunststoffprotektoren, die zum Schützen von
Papieretiketten verwendet werden, reflektiert wird. Wenn der Neigungswinkel
groß ist,
können
große
Artikel Schatten auf davor oder dahinter befindliche Artikel werfen,
wenn sie sich unter der Kamera befinden. Bei einem optimalen Winkel
in der Nähe
von fünfundvierzig
Grad kann die Lichtquelle vertikal in der Scanebene nur eine relativ
kleine Tiefe abdecken, weil elliptische Reflektoren einen schmalen
Strahl quer zur Länge
des Reflektors werfen. Ein System nach dem Stand der Technik stellt
einen asymmetrischen elliptischen Reflektor bereit, um ein vertikales
Gebiet in der Scanebene zu beleuchten, doch löst dieser Ansatz nicht alle
oben erwähnten
Probleme.
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Zu
den Patenten, die Beleuchtungssysteme offenbaren, zählen die
US-Patente:
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In
der Technik besteht ein Bedarf an einem Beleuchtungssystem, das
in der Lage ist, adäquates
diffuses Licht an eine über
Kopf angeordnete Kamera zu liefern, das von einem vertikalen Gebiet
reflektiert wird, das ausreicht, um einen Bereich von Artikelhöhen zu berücksichtigen.
Das Beleuchtungssystem sollte vermeiden, daß Blendlicht zur Kamera reflektiert
wird, und sollte Licht so lenken, daß hohe Artikel keine Schatten
in das beleuchtete Gebiet werten.
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Aus
US-A-5,791,771 ist eine Vorrichtung bekannt zum Beleuchten der oberen
Oberfläche
von Artikeln auf einem Förderer
gemäß dem vorkennzeichnenden
Abschnitt von Anspruch 1.
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Aus
US-A-5,737,122 ist die Verwendung einer Linse mit einem Array aus
LEDs zum Beleuchten einer Oberfläche
bekannt.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung trachtet danach, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Beleuchten einer Oberfläche eines Artikels bereitzustellen,
der von einer Kamera abgebildet wird, damit diffuses Licht von Artikeln
variierender Höhen
zur Kamera reflektiert wird, gemäß den Merkmalen
von Ansprüchen
1 und 16.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe gelöst
bei einem Beleuchtungssystem durch Bereitstellen einer Vorrichtung
zum Beleuchten einer Oberfläche
eines von einer Kamera abgebildeten Artikels, umfassend eine längliche
Lichtquelle, die bezüglich
der Oberfläche
des Artikels so abgewinkelt und entlang dem Artikel positioniert
ist, daß Licht
zu der Oberfläche
gelenkt wird; und eine Lichtlenkeinrichtung, die so positioniert
ist, daß sie
Licht von der Lichtquelle empfängt
und das Licht unter einem Winkel, der gleich oder größer ist
als vierzig Grad von einer optischen Achse der Kamera, auf die Oberfläche lenkt.
Indem im wesentlichen alle Lichtstrahlen auf Winkel 40 Grad oder
mehr von der optischen Achse der Kamera eingeschränkt werden,
vermeidet das System ein Niveau spiegelnder Reflexion oder Blendlicht,
das das Bild von Symbolen oder Text von der Oberfläche der
Artikel in dem Ausmaß verschlechtern
würde,
daß ein
zuverlässiges
Decodieren oder Lesen solcher Symbole oder solchen Texts zuverlässig verhindert
würde.
Wenn die Erfindung in ein Fördersystem eingebaut
wird, bei dem die Artikel auf einem Förderer bewegt werden, ist die
Lichtquelle entlang dem Förderer positioniert,
um nach unten gewinkeltes Licht und von der Seite des Förderers
zu lenken. Das von der Lichtlenkeinrichtung gelenkte Licht bildet
einen beleuchteten Streifen auf einer oberen Oberfläche der
Artikel quer zu ihrer Bewegungsrichtung.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Lichtquelle eine längliche Lampe und ein länglicher Reflektor,
so positioniert, daß Licht
von der Lampe auf die Artikel reflektiert wird, und die Lichtlenkeinrichtung ist
eine Fresnel-Linse. Bevorzugt weist die Fresnel-Linse eine optische
Achse auf, die von einer Symmetrieachse der Lichtquelle versetzt
ist. Um spiegelnde Reflexion in die Kamera zu vermeiden, beugt die
Fresnel-Linse Licht von der Lichtquelle in einem größeren Winkel
bezüglich
der optischen Achse der Kamera. Die optische Achse der Linse ist
von der Symmetrieachse der Lichtquelle von dem Artikel weg entlang
der Richtung der optischen Achse der Kamera versetzt, um sowohl
kurze als auch hohe Artikel effizienter zu beleuchten. Eine Barriere,
wie etwa ein die Lichtlenkeinrichtung umgebendes Gehäuse, kann
dazu verwendet werden, Licht von der Lichtquelle zu blockieren,
mit Ausnahme von Licht, das durch die Lichtlenkeinrichtung hindurchtritt.
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Die
Erfindung stellt außerdem
ein automatisches Fördersystem
bereit, bei dem die Längsachse
der Lampe etwa senkrecht zum Bewegungsweg der Artikel entlang dem
Förderer
verläuft.
Der Reflektor ist bevorzugt eine elliptische Oberfläche, und
die Lampe liegt entlang einer ersten Brennachse des länglichen
Reflektors. Die zweite Brennachse des Reflektors liegt bevorzugt
in einer Entfernung unter dem Förderer.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist die Fresnel-Linse in einem Abstand von der Lampe von etwa einem
Viertel bis etwa der Hälfte
der Brennweite der Fresnel-Linse und in einem Abstand von einer
Mittelachse des Förderers
positioniert, der etwa gleich dem Ein- bis Zweifachen der Brennweite
der Fresnel-Linse ist, und die optische Achse der Fresnel-Linse
ist von der Symmetrieachse des Reflektors um einen Abstand um einen
Faktor von etwa 0,5 bis 1 der Länge
des Lampenfadens versetzt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
das Beleuchtungssystem mehrere Beleuchtungsbaugruppen, einschließlich Lichtquellen
und Lichtlenkeinrichtungen, die so positioniert sind, daß sie Licht
auf das beleuchtete Gebiet der Scanebene der Kamera werfen. Optimalerweise
sind vier derartige Baugruppen vorgesehen, die erste und zweite
Baugruppe auf einer Seite des Förderers,
eine über
der anderen, und die dritte und vierte Baugruppe auf der gegenüberliegenden
Seite des Förderers,
eine über
der anderen. Wenn nur eine Beleuchtungsbaugruppe vorliegt, fällt bevorzugt
ihre Symmetrieebene im wesentlichen mit der Scanebene der Kamera
zusammen. Wenn mehrere Beleuchtungsbau gruppen verwendet werden,
können
sie auf die Scanebene der Kamera ausgerichtet sein, um die Beleuchtung
zu maximieren. Fakultativ können
sie so positioniert sein, daß ihre
Symmetrieebenen geringfügig
falsch ausgerichtet sind, um eine Dicke in dem beleuchteten Gebiet
zu erzeugen, das die Scanebene überspannt,
und somit in den beleuchteten Streifen auf der Oberfläche des
Artikels.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung werden die Lampen, Reflektoren, Linsen und Barrieren
so gewählt,
zusammengebaut und orientiert, daß die Artikel von der Seite
des Förderers
so beleuchtet werden, daß im
wesentlichen alles aus der Linse austretende Licht unter einem Winkel
gleich oder größer als fünfundvierzig
Grad von der optischen Achse der Kamera ausgerichtet wird und so,
daß eine
diffuse Reflexion, aber im wesentlichen keine spiegelnde Reflexion
von den Artikeln die Kamera erreicht. Weil sich die Lichtquellen
auf der Seite des Förderers
befinden, können
hohe Artikel keine Schatten auf Artikel davor oder dahinter werten.
Die bevorzugte Anordnung aus mehreren Lichtquellen beleuchtet ein
tiefes Gebiet der Scanebene, ohne daß irgendeine Lichtquelle so
hoch positioniert sein muß,
daß Blendlicht
in die Kamera erzeugt wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt außerdem
ein Verfahren zum Beleuchten von Artikeln bereit, die sich auf einem
Förderer
in einer Bewegungsrichtung unter einer Kamera bewegen, mit den Schritten
des Lenkens eines Lichtstrahls von der Seite des Förderers
unter einem Abwärtswinkel
in Richtung auf die Artikel; und Kollimieren des Strahls, um das
Licht unter einem Winkel zu lenken, der größer oder gleich vierzig Grad
von einer optischen Achse der Kamera ist, und um einen beleuchteten
Streifen auf einer oberen Oberfläche
der Artikel quer zu der Bewegungsrichtung zu bilden.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
kann ein Paar zusätzlicher
Beleuchtungsanordnungen innerhalb der Grundfläche des Blickfelds der Kamera
installiert werden, falls dies für
hohe Artikel erforderlich ist. Bei einer weiteren alternativen Konfiguration
für eine
der obigen Ausführungsformen
kann der Reflektor der Lichtquelle Teil einer kegelförmigen Figur
sein, anstatt Teil eines Zylinders. Dadurch wird die Lampe bezüglich der zweiten
Brennachse des Reflektors geneigt. Durch diese Konfiguration kann
das Licht trotz der Neigung der Lampe parallel zu der Scanlinie
fokussiert werden.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform
kann es sich bei der Lichtlenkeinrichtung um einen Satz von mehreren Öffnungen
handeln, die schmale Schlitze über
den Reflektor hinweg bilden, unter der Lampe und senkrecht zu der
Fadenachse. Reflektierende und diffundierende Oberflächen innerhalb
der Schlitze sind so konfiguriert, daß sie die direkte Beleuchtung
der Artikel durch Strahlen abwenden, die einen Einfallswinkel von
unter vierzig Grad von der optischen Achse der Kamera aus haben,
und diffuses Nutzlicht aus unerwünschten
direkten Lichtstrahlen erzeugen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Perspektivansicht eines Fördersystems,
das eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Beleuchtungsvorrichtung
enthält.
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2 ist
eine auseinandergezogene bildliche Ansicht einer Beleuchtungsbaugruppe,
die Kühlsysteme für die Linse
und für
die Lampe enthält.
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2B ist
eine schematische Draufsicht auf das Innere der Beleuchtungsbaugruppe
von 2.
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3 ist
eine schematische auseinandergezogene Ansicht der Komponenten der
Beleuchtungsbaugruppe und ihrer Beziehung zu der Kamera.
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4 ist
eine schematische Draufsicht auf die Lichtquellen und ihre Beziehung
zu einem Artikel, der abgebildet wird.
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5 ist
eine schematische Vorderansicht auf einen Teil eines Fördersystems,
wobei zwei Beleuchtungsbaugruppen auf einer Seite des Förderers
gezeigt sind.
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6 ist
eine Vorderansicht einer Fresnel-Linse zum Gebrauch mit der vorliegenden
Erfindung.
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7 ist
eine schematische vergrößerte Seitenansicht
eines Teils einer Beleuchtungsbaugruppe, die die brechende Funktion
der Fresnel-Linse zeigt.
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8 ist
eine schematische Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, die eine alternative Lichtlenkeinrichtung enthält.
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9 ist
eine detaillierte schematische Ansicht der Lichtlenkeinrichtung
und Lichtquelle von 8.
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10 ist
eine schematische Ansicht eines alternativen Reflektors zum Gebrauch
mit vertikalen Lampenfäden.
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11 ist
eine schematische Ansicht eines alternativen kegelförmigen Reflektors,
der so konfiguriert ist, daß er
eine geneigte Lampe kompensiert.
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12 ist
eine Perspektivansicht, die die Positionierung zusätzlicher
Beleuchtungsbaugruppen in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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13 ist
eine Seitenansicht der Ausführungsform
von 12.
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Ausführliche
Beschreibung
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Nunmehr
eingehender bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen in den verschiedenen
Ansichten gleiche Zahlen sich auf gleiche Teile beziehen, zeigt 1 ein
Fördersystem 10,
das eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Beleuchtungsvorrichtung 11 enthält. Das
Fördersystem 10 enthält ein Förderband 12, das
sich in Richtung des Pfeils T auf einem Förderbett 14 bewegt,
und eine Abbildungsstation 15, die die Beleuchtungsvorrichtung 11 enthält. In der
Abbildungsstation überspreizt
ein Oberbau 17 das Förderband 12 und trägt eine
Kamera 18 mit einer optischen Achse D-D, die vertikal nach
unten auf das Förderband
gerichtet ist.
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Die
Kamera 18 ist bevorzugt eine Linear-CCD-Kamera. Das Blickfeld
der Kamera weist eine Breite auf, die die Breite des Förderbands 12 umfaßt, und
eine Länge
oder Dicke in der Bewegungsrichtung T, beispielsweise 0,00535 Zoll
(0,013589 cm). Die Kamera wirft einen schmalen Streifen (Scanlinie
SL) über
die Breite des Förderbands 12 oder über die
obere Oberfläche
eines sich mit dem Förderband
bewegenden Artikels. Ein derartiges Kamerasystem ist in US-Patent
5,308,960 beschrieben. Die Kamera weist bevorzugt eine große Tiefenschärfe oder
eine automatische Fokussiervorrichtung auf, wie etwa in US-Patent
5,245,172 oder US-Patent 5,485,263 beschrieben. Wie in 5 gezeigt,
kann es sich bei den auf dem Förderer
bewegenden Artikeln um Pakete handeln, wie etwa Paket 100,
das ein Etikett 110 trägt,
das optisch codierte Symbole (beispielsweise Strichcodes oder zweidimensionale
Dichtecodes wie etwa das MaxiCode®-Symbol) oder für optische
Zeichenerkennung (OCR) geeigneten maschinenlesbaren Text enthält. Das
Paket bewegt sich durch die Scanebene (vertikal über der Scanlinie projiziert)
in einer Höhe,
die durch die Höhe
des Pakets bestimmt wird. Die Beleuchtungsvorrichtung 11 muß das Etikett 110 in
dem die Scanlinie (in gepunktetem Umriß auf dem Förderer in 1 gezeigt) überspannenden
Gebiet SL ausreichend beleuchten, und zwar unabhängig davon, ob das Paket ein
flacher Briefumschlag oder das höchste
Paket ist, das in dem Fördersystem 10 akzeptabel
ist. Der hier verwendete Ausdruck „Artikel" bedeutet ein Objekt oder ein an ein
Objekt angebrachtes Etikett.
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Auf
bekannte Weise erfaßt
die Kamera 18 lineare Bilder von kleinen Streifen innerhalb
ihres Blickfelds und fügt
sie in einem Computerspeicher zusammen, um ein zweidimensionales
digitales Bild der Oberseite des Pakets 100 einschließlich des
Etiketts 110 auszubilden. Ebenfalls in der Technik bekannte
Computersoftware analysiert dann das Bild, um Symbole und Text in
dem Bild zu finden und zu decodieren, um die Erkennung und das Sortieren
des Pakets 100 zu unterstützen. Das Fördersystem 10 kann
auch dazu verwendet werden, Komponenten von hergestellten Gütern oder
anderen Artikeln zu verarbeiten, die identifizierende Angaben tragen
oder eine in einem Bild erkennbare Gestalt aufweisen.
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Die
Beleuchtungsvorrichtung 11 enthält mindestens ein Beleuchtungsmodul 20.
In dem in 1 gezeigten System beleuchten
vier Beleuchtungsmodule 20a–20d das Gebiet SL.
Ein linkes oberes Modul 20a und ein linkes unteres Modul 20b sind
bei Betrachtung in 1 in einer an den Oberbau 17 auf
der linken Seite des Förderbands 12 befestigten
linken Haube 22a montiert. Ein rechtes oberes Modul 20c und
ein rechtes unteres Modul 20d sind in einer an den Oberbau 17 auf
der rechten Seite des Förderbands 12 angebrachten rechten
Haube 22b montiert. Jedes Beleuchtungsmodul 20 ist
in einem Gehäuse 27 enthalten,
das in einem Winkel von nicht weniger von etwa vierzig Grad bezüglich der
optischen Achse D-D der Kamera und bevorzugt unter einem Winkel
von etwa fünfundvierzig
Grad befestigt ist. Die Beleuchtungsmodule und Hauben sind längs des
Förderers
montiert, das heißt
im wesentlichen entlang der Grundfläche des Blickfelds der Kamera.
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Wie
in 2 ausführlicher
gezeigt, definiert das Gehäuse 27 eine
Lichtkammer 29, eine Linsenkammer 30 zwischen
der Lichtkammer 29 und dem Förderband 12 und eine
Wärmetauscherkamera 32 neben
der Linsenkammer. An der Grenze zwischen der Linsenkammer 30 und
der Beleuchtungskammer 29 ist die Beleuchtungskammer von
einer Glasplatte 42 eingeschlossen. Die Lichtkammer 29 enthält mehrere
beabstandete Streben 34, die jeweils eine der Linsenkammer 30 zugewandte
elliptische Kante 35 definieren. Ein elliptischer Reflektor 38 paßt an die
Kanten 35 und füllt
den Querschnitt der Lichtkammer 29. An einer ersten Brennachse
des elliptischen Reflektors 38 ist eine längliche
Natriumlampe 40 innerhalb der Beleuchtungskammer befestigt.
Der Reflektor ist bevorzugt etwa 10–15 Zoll (etwa 25–38 cm)
lang, und der Abstand zwischen den elliptischen Brennachsen beträgt etwa
63 Zoll (etwa 160 cm). Die Länge
a der Lampe 40 beträgt
bevorzugt etwa 5 Zoll (etwa 12,7 cm). Der Reflektor 38 ist
so positioniert und seine Krümmung
ist so ausgewählt,
daß sich
eine zweite Brennachse des Reflektors bevorzugt etwa einen Zoll
(etwa 2,5 cm) unter dem Förderband 12 befindet.
Diese Parameter können
entsprechend unterschiedlichen Fördersystemen
und verschiedenen Arten oder Größen von
Artikeln, deren Verarbeitung erwartet wird, abgeändert werden.
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Eine
Fresnel-Linse 45 umschließt das Ende der Linsenkammer 30 gegenüber der
Glasplatte 42. Die Kammer 30 ist bevorzugt leer,
wobei ihre Wände
eine Barriere liefern, damit Licht von der Lampe 40 und
dem Reflektor 38 nur durch die Linse 45 zum Förderer 12 verlaufen
kann. Fresnel-Linsen aus Acrylkunststoff sind im Handel mit einem
Durchmesser von 35 Zoll (89 cm) und einer Brennweite f von 30 Zoll
(76 cm) erhältlich. Die
Linse 45 kann zugeschnitten werden, so daß sie in
die Öffnung
der Linsenkammer 30 paßt,
bevorzugt etwa 8 Zoll (etwa 20,3 cm) breit mal etwa 18 Zoll (etwa
45,7 cm) lang. Die Linse wird jedoch so zugeschnitten, daß sie mit
der von der Mitte der Kammer versetzten optischen Achse der Linse
in die Öffnung
paßt,
wie in 6 gezeigt. Bevorzugt ist die optische Achse ungefähr auf die
Breite der Kammer 30 zentriert, aber von der Mitte entlang
der Länge
der Kammer um einen Abstand b um einen Faktor von etwa 0,5 bis 1
der Länge
der Lampe 40 versetzt. Bei der bevorzugten Beleuchtungsbaugruppe
ist die Lampe 40 etwa 5 Zoll (etwa 12,7 cm) lang, und die
optische Achse der Linse 45 ist um etwa 4 Zoll (etwa 10,2
cm) versetzt. Wie man am besten in 3 erkennen
kann, ist die Tiefe der Linsenkammer 30 so gewählt, daß der Abstand
r von der Lampe 40 zu der Linse 45 zwischen etwa
einem Viertel und der Hälfte
der Brennweite der Linse 45 beträgt. Wenn die Brennweite f 30
Zoll (76 cm) beträgt,
beträgt
der Abstand r bevorzugt etwa 8 Zoll (etwa 20 cm).
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Die
Brechung des Lichts von der Lampe 40 von einem Abschnitt
der Fresnel-Linse 45 ist in 7 schematisch
gezeigt. Ein Beispielstrahl RS, der von
der Lampe kommt, ist so gezeigt, daß er vom Reflektor 38 entlang
eines (in gestrichelter Linie gezeigten) Wegs reflektiert wird,
der von einem Artikel auf dem Förderer spiegelnd
zu der Kamera 18 reflektiert würde. Die dreieckige Rippe der
Fresnel-Linse 45 biegt jedoch den Strahl zu einem Weg RD, der mit der optischen Achse D-D der Kamera 18 einen
Winkel Φ von
mindestens 40 Grad bildet. Somit erzeugen die von der Linse 45 auf
den Artikel auf den Förderer
projizierten Strahlen RD eine diffuse Reflexion
zu der Kamera, kein Blendlicht. Natürlich wird von der Lampe zur
Linse direkt verlaufendes Licht ähnlich
gebrochen.
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Die
bevorzugte Konfiguration der Lichtquelle und der Lichtlenkeinrichtung
bezüglich
des Förderers 12 ist
in 3 und 4 schematisch gezeigt. Auf dem
Förderer 12 ist
ein Paket 100 gezeigt. Die Symmetrieachse C-D des Reflektors 38 bildet
zu der optischen Achse D-D der Kamera 18 einen Winkel von
etwa 45 Grad. Die Lampe 40 liegt entlang der ersten Brennachse
A-A des Reflektors 38. Die Fresnel-Linse 45 ist
um einen Abstand r vor der Lampe beabstandet, wobei ihre optische
Achse F-F parallel zu, aber von der Achse C-D um einen Abstand b
in einer Richtung (entlang der Kameraachse D-D) vom Paket 100 entfernt
versetzt verläuft. Die
Linse 45 ist in einem Abstand s von der Scanlinie SL auf
dem Förderband 12 weg
positioniert, wobei der Abstand s zwischen etwa der Brennweite f
und der doppelten Brennweite f liegt. Die zweite Brennachse B-B des
elliptischen Reflektors 38 fällt bevorzugt geringfügig unter
das Förderband,
wie in 4 im Umriß gezeigt.
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5 zeigt
schematisch im Querschnitt an der Scanlinie SL die bevorzugte Konfiguration
der Beleuchtungsvorrichtung 11, wobei entlang dem Bewegungsweg
des Förderbands 12 zurückgeblickt
wird. Die Pfeile R zeigen den Weg der Strahlen des Lichts von den
Lampen 40 und den Reflektoren 38 der Beleuchtungsmodule 20c und 20d auf
einer Seite des Förderers
an, wobei die andere Seite des Förderers
im wesentlichen ein Spiegelbild ist. Wie gezeigt bilden alle beleuchtenden
Strahlen einen Winkel Φ von
40 Grad oder darüber,
und bevorzugt 45 Grad oder darüber,
zu der optischen Achse D-D der Kamera 18. Durch diese Konfiguration
erhält man
eine adäquate
diffuse Beleuchtung zu der Kamera für ein scharfes Bild, wobei
eine spiegelnde Reflexion vermieden wird.
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Wieder
zu 2 zurückkehrend
enthält
das Gehäuse 27 zwei
Kühlsysteme,
eines für
die Lampe 40 und das andere für die Linse 45, die
ansonsten schnell schmelzen würden.
In der Lichtkammer 29 erstreckt sich ein Paar Wärmetauscherröhren 47 durch
die Streben 34 auf beiden Seiten der konvexen Oberfläche des Reflektors 38.
Die Röhren 47,
die aus einem gut wärmeleitenden
Material wie etwa Kupfer bestehen, sind an einem Ende der Kammer 29 zur
Außenluft
hin offen und enden an einem dünnen
Luftraum 48 am anderen Ende der Kammer. Der Luftraum 48 weist
ein Paar Öffnungen 50 auf,
die nur mit den offenen Enden der Röhren 47 verbunden
sind. Ein Gebläse 49 setzt
den Luftraum 48 unter Druck, um Kühlluft durch die Röhren zu drücken. Von
der Lampe 40 erzeugte Hitze breitet sich durch den Reflektor
in die die Röhren
umgebende Lichtkammer 29 aus und dann durch die Wände der
Röhren
in die durch die Röhren
fließende
kühlere
Luft.
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Ein
Umluftsystem kühlt
die Linse 45. Ein weiteres Gebläse 51 ist in der Wärmetauschkammer 32 neben
einer Einlaßöffnung 52 montiert,
die die Kammer 32 mit der Linsenkammer 30 verbindet.
Das Gebläse 51 ist
in einem Winkel montiert, um Luft direkt nach unten auf die Linse 45 zu
lenken. Die Luft strömt
um die Kammer 30 herum, wobei sie die Linse 45 kühlt, und
wird durch ein ähnlich
geneigtes Gebläse 54 durch
eine Auslaßöffnung 55 am
gegenüberliegenden
Ende der Kammer 30 nach außen geblasen. Mehrere Wärmetauscherröhren 57 erstrecken
sich über
die Kammer 32 an ihrem der Linsenkammer 30 gegenüberliegenden
Ende. Die aus einem gut wärmeleitenden
Material wie etwa Kupfer hergestellten Röhren 57 sind zur Außenluft
hin an einem Ende der Kammer 32 offen und enden an einem
dünnen
Luftraum 59 am anderen Ende der Kammer. Ein Gebläse 60 setzt
den Luftraum 59 unter Druck, um Kühlluft durch die Röhren 57 zu
drücken.
Die aus der Linsenkammer 30 durch das Gebläse 54 hinausgeblasene
Luft streicht um die Kammer 32 herum und über die Wärmetauscherröhren 57,
wobei Wärme
zu der in den Röhren
strömenden
kühleren
Luft übertragen
wird. Das Gebläse 51 drückt dann
die kühlere
Luft wieder zurück über die
Linse 45. Gegebenenfalls können entsprechende Leitbleche
in der Linsen- und Wärmetauscherkammer
positioniert sein, um die Strömung
der Umluft zu lenken.
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Die
Umluftkühlsysteme
mit Wärmetauschern
sind eingeschlossen, um zu verhindern, daß Staub mit der Optik in Berührung kommt.
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Bei
Betrieb projiziert die Beleuchtungsvorrichtung 11 Licht
von den Seiten des Förderbands 12,
während
sich ein Paket 100 oder ein anderer Artikel unter der Abbildungsstation 15 bewegt.
Wenn die Lampe 40, der Reflektor 38 und die Linse 45 innerhalb
der oben beschriebenen Grenzen konfiguriert sind, ist auf das Paket
scheinendes Licht unter 40 Grad oder mehr von der optischen Achse
der Kamera abgewinkelt. Wie in 1 und 5 gezeigt,
beleuchtet das projizierte Licht ein Gebiet über den Förderer hinweg, das die Scanlinie
SL der Kamera 18 enthält
und sich so hoch wie das höchste
erwartete Paket über
dem Förderer
erstreckt. Während
das Paket durch das beleuchtete Gebiet hindurchläuft, erreicht von dem Paket
und insbesondere von einem optisch codierte Symbole und manchmal
maschinenlesbaren Text tragenden Etikett 110 reflektiertes
diffuses Licht die Kamera 18. Spiegelnde Reflexion wird
von der Kamera weggelenkt, wodurch Blendlicht vermieden wird. Die
Kamera erfaßt
eine Reihe von schmalen Bildern, die ihr Prozessor zu einem digitalen
Bild des gesamten Blickfelds zusammenbaut. In der Technik bekannte
Software kann das Bild analysieren, um Symbole und Textblöcke zu finden
und dann die Informationen auf dem Etikett zu decodieren. Während des
Betriebs der Lampe 40 schützen die in 2 gezeigten
Kühlsysteme
die Linse vor dem Überhitzen.
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8 zeigt
eine zweite Ausführungsform
einer Beleuchtungsvorrichtung 211 gemäß der vorliegenden Erfindung,
in die eine alternative Lichtlenkeinrichtung integriert ist. Zwei
unterschiedlich hohe Pakete 100 sind auf dem Förderband 12 gezeigt.
Sie werden von zwei Beleuchtungsmodulen 220a und 220b beleuchtet,
die den Modulen 20 der ersten Ausführungsform ähnlich sind, außer daß die Fresnel-Linse
durch einen Satz von Ablenkplatten 245 ersetzt ist, in 9 ausführlich gezeigt.
Mehrere parallele Ablenkplatten 248 sind senkrecht zu der
Lampe 40 und parallel zur Symmetrieachse des Reflektors 38 positioniert.
Bevorzugt weist jedes Modul 12 Ablenkplatten auf, die sich
etwa 8 Zoll (20 cm) parallel zur Symmetrieachse des Reflektors erstrecken
und etwa 0,75 Zoll (1,9 cm) voneinander weg positioniert sind, um
eine Reihe von Schlitzen zu bilden, um Licht direkt von der Lampe
und auch vom Reflektor reflektiertes Licht zu empfangen. Die Plattenoberfläche auf
einer Seite jedes Schlitzes ist eine vollständig spiegelnde oder spiegelartige
Oberfläche 252.
Bei der in 8 gezeigten Konfiguration weist
die vollständig
spiegelnde Oberfläche 252 jeder
Platte 248 infolge der Neigung der Lichtquelle bezüglich der
optischen Achse D-D der Kamera schräg nach oben. Die andere, nach
unten weisende Oberfläche
ist in zwei Teile auf beiden Seiten eines Mittelpunkts 250 unterteilt,
einen spiegelnden Abschnitt 253 am nähesten bei der Lampe 40 und
einen diffusen Abschnitt 254. Der Abschnitt 254 kann
auf in der Technik bekannte Weise unregelmäßig gemacht werden, so daß Licht
diffus von der Oberfläche
reflektiert wird.
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In 9 sind
die beiden ersten Schlitze so gezeigt, daß sie von Strahlen Ra durchquert werden, die die Lampe und den
Reflektor unter Winkeln von +5 und –5 Grad verlassen. Diese Strahlen
passieren den Schlitz ohne Berühren
der Platten und erreichen ein Zielpaket oder einen anderen Artikel
unter Winkeln von 40 bzw. 50 Grad infolge des Kippens der Lichtquelle.
Die nächsten
beiden Schlitze zeigen Strahlen Rb, die
die Lampe und den Reflektor unter Winkeln von +10 und –10 Grad
verlassen. Diese Strahlen treffen auf die den Schlitz definierenden
Platten 248 in der Nähe
ihrer Außenkante.
Die untere spiegelnde Oberfläche 252 reflektiert
einen 10-Grad-Strahl und lenkt ihn unter einem Winkel von 55 Grad
zu dem Paket. Die obere diffuse Oberfläche 254 verteilt einen
10 Grad-Strahl diffus auf das Paket. Die nächsten beiden Schlitze zeigen,
daß die Strahlen
Rc die Lampe und den Reflektor unter Winkeln
von +20 und –20
Grad verlassen. Diese Strahlen erfahren mindestens zwei Reflexionen
innerhalb eines Schlitzes. Jeder Strahl, der eine spiegelnde Reflexion
erfährt,
wenn er unter einem unerwünschten
Winkel (über
40 Grad) auf das Paket gerichtet wird, erfährt eine diffuse Reflexion,
bevor er aus dem Schlitz austritt. Lichtstrahlen, die über dem
Plattensatz 245 vorbeilaufen, sind unter Winkeln θ größer oder
gleich 40 Grad zu der optischen Achse der Kamera.
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Während die
Ausführungsform
der 8 und 9 effektiv ist, ist die eine
Fresnel-Linse verwendende erste Ausführungsform bei der Verwendung
der von den Lampen ausgegebenen Lichtenergie effizienter.
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Einige
für das
Beleuchten von Artikeln geeignete Hochintensitätslampen arbeiten nur in einer
horizontalen oder vertikalen Position, so daß die Lampe selbst nicht geneigt
werden kann. 10 zeigt ein Beleuchtungsmodul 320 mit
einer Lampe 40 in einer vertikalen Konfiguration, flankiert
von einem Satz von Platten 248, die unter 45 Grad auf den
Zielartikel abgewinkelt sind. Ein elliptischer Reflektor 338 definiert
rippenartige Segmente mit einem Neigungswinkel von 22,5 Grad zur
Lampenachse. Licht von der Lampe, das diese Winkelsegmente trifft,
wird in die durch die Platten 248 gebildeten Schlitze reflektiert.
Somit wird das Licht von der vertikalen Lampe in die Lichtlenkeinrichtung
gelenkt, die auf die oben in Verbindung mit 8 und 9 beschriebene
Weise arbeitet. Es ist offensichtlich, daß der gleiche Ansatz dazu verwendet
werden kann, einen gerippten Reflektor zu bilden, der Licht von
einer horizontalen Lampe in die Lichtlenkeinrichtung lenken kann, und
daß diese
Ausführungsformen
auf beiden Seiten eines Förderbands
verwendet werden können.
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Eine
alternative Gestalt für
jeden der oben beschriebenen Reflektoren ist in 11 gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform
ist der elliptische Reflektor 438 Teil einer kegelförmigen Figur 401,
statt Teil eines Zylinders, wie es der in 4 gezeigte
Reflektor ist. Dadurch ist die entlang der ersten Brennachse F1–F3 liegende
Lampe 40 bezüglich
der zweiten Brennachse F2–F4
geneigt. Durch diese Konfiguration kann das Licht trotz der Neigung
der Lampe parallel zu der Scanlinie SL fokussiert werden.
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Unter
einigen Umständen
ist es möglicherweise
erforderlich, Beleuchtung von innerhalb der Grundfläche des
Blickfelds der Kamera zu erhalten, um hohe Artikel zu beleuchten.
In diesem Fall ist die bevorzugte Konfiguration in 12 und 13 gezeigt,
von der Seite des Förderers 12 aus
betrachtet. Zwei zusätzliche Beleuchtungsmodule 20e und 20f sind
jeweils auf jeder Seite der Mittellinie des Förderers installiert, aber innerhalb
der seitlichen Position der Module 20a und 20c.
Die Reflektoren 538 und 539 der Module 20e und 20f sind
unter etwa 45 Grad von der optischen Achse der Kamera wie die anderen
Reflektoren 38 seitlich nach außen abgewinkelt. Jedoch sind
auch die Reflektoren 538 und 539 durch relativ
kleine Winkel α und γ aus der Scanebene
heraus abgewinkelt. Bevorzugt ist der Winkel α etwa 15 Grad hinter der Scanebene,
und der Winkel γ etwa
20 Grad vor der Scanebene. Der Reflektor 538 ist auf eine
sekundäre
Achse F538 fokussiert, viel weiter unterhalb des Förderbands 12 als
die Sekundärachse
F539 oder der Reflektor 539. Somit beleuchtet jeder Reflektor 538, 539 einen
bestimmten Bereich der Höhenspanne über der
Scanlinie.
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Aus
der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung
Beleuchtung für
eine über Kopf
angeordnete Abbildungskamera liefert, indem diffuses Licht von Artikeln
mit variierenden Höhen
auf die Kamera reflektiert wird. Die Hauptausführungsformen der Erfindung
weisen den Vorteil auf, daß die
Lichtstrahlen von außerhalb
der Grundfläche
des Blickfelds der Kamera kommen. Indem im wesentlichen alle die
Lichtstrahlen auf Winkel von 40 Grad oder mehr von der optischen
Achse der Kamera beschränkt
werden, vermeidet das System eine Höhe der spiegelnden Reflexion
oder des Blendlichts, die das Bild von Symbolen oder Text auf der
Oberfläche
der Artikel verschlechtern würde.
Zudem macht die Erfindung neuartigen Gebrauch von Fresnel-Linsen
zum Kollimieren und Steuern der Lichtstrahlen, wodurch man eine
diffuse Beleuchtung mit einem minimalen Verlust an Lichtenergie
erhält.
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Wenngleich
die vorliegende Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf ihre bevorzugten
Ausführungsformen
näher beschrieben
worden ist, versteht sich, daß Modifikationen
und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich
der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
