DE10204939A1

DE10204939A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von flächigem parallelen Licht

Info

Publication number: DE10204939A1
Application number: DE2002104939
Authority: DE
Inventors: Steffen Burkhardt
Original assignee: Parsytec Computer GmbH
Current assignee: Isra Parsytec GmbH
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines in einer Hauptabstrahlrichtung z abstrahlbaren Lichtbündels 31, welches zumindest in einer ersten Dimension x paralleles Licht enthält, besteht aus mindestens zwei im Wesentlichen punktförmigen Lichtquellen 23, 24 und mindestens zwei sich in Hauptabstrahlrichtung z befindlichen, diesen zugeordneten im Wesentlichen rechteckigen Linsen 12, 16. Diese Linsen 12, 16 sind so gestaltet, dass sie das auf sie fallende Licht in zumindest einer Raumrichtung parallelisieren. Zusammen ergeben die im Wesentlichen punktförmigen Lichtquellen 23, 24 und die ihnen zugeordneten im Wesentlichen rechteckigen Linsen 12, 16 eine Beleuchtungskörpermatrix 30. Erfindungsgemäß liegen zwei benachbarte Linsen 12, 16 in einer Ebene senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung z, sie werden flächig von der jeweiligen im Wesentlichen punktförmigen Lichtquelle 23, 24 bestrahlt. Erfindungsgemäß weisen die Linsen 12, 16 jeweils eine erste Breite 21 in Richtung der ersten Dimension x auf, die dem Abstand 22 zweier im Wesentlichen punktförmigen Lichtquellen 23, 24 in der ersten Dimension x entspricht. DOLLAR A Besonders vorteilhaft kann eine solche Beleuchtungskörpermatrix bei der Oberflächenkontrolle von Bandmaterialien 34 eingesetzt werden. Hierbei wird das Lichtbündel 31 der Beleuchtungskörpermatrix 30 durch das Bandmaterial 34 reflektiert, ein reflektiertes Lichtbündel 35 wird von einer Kamera 36 aufgenommen und daran anschließend entsprechend verarbeitet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Lichtbündels, das zumindest in einer Dimension paralleles Licht enthält.
In vielen Anwendungsbereichen der Technik ist es zweckmäßig, ein Objekt möglichst gleichmäßig auszuleuchten. Dies kann beispielsweise immer dann vorteilhaft sein, wenn das Objekt von einer Kamera aufgenommen wird. Wird das Kamerabild zum Beispiel in einem automatischen Auswerteverfahren benutzt, so ist oft von besonderer Bedeutung, dass die Intensitätsschwankungen im aufgezeichneten Bild im wesentlichen von Eigenschaften des abgebildeten Objekts herrühren und nicht überwiegend auf Eigenschaften des verwendeten Beleuchtungskörpers beruhen, um eine eventuell erfolgende, beispielsweise automatische, Analyse des Bildes nicht zu verfälschen.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Lichtbündel zu erzeugen, welches sich zur besonders gleichmäßigen Ausleuchtung eines Objektes eignet, insbesondere einer etwa rechteckigen Oberfläche, die auf Fehler inspiziert werden soll.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines in einer Hauptabstrahlrichtung abstrahlbaren Lichtbündels gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Beleuchten eines Objektes gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines in einer Hauptabstrahlrichtung z abstrahlbaren Lichtbündels, welches zumindest in einer ersten Dimension paralleles Licht enthält, besteht aus mindestens zwei im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen und mindestens zwei sich in Hauptabstrahlrichtung z befindenden, diesen zugeordneten kaskadierbaren Linsen. Unter kaskadierbaren Linsen versteht man im vorliegenden Falle, dass eine vorgegebene Fläche durch eine Vielzahl geeignet angeordneter Linsen nahezu vollständig ausgefüllt werden kann. Dabei müssen nicht zwingend alle Linsen gleiche Form haben, es können auch zwei oder mehrere sich ergänzende Formen sein. Diese Linsen sind so gestaltet, dass sie das auf sie fallende Licht in zumindest einer Raumrichtung parallelisieren. Zusammen ergeben die im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen und die ihnen zugeordneten kaskadierbaren Linsen eine Beleuchtungskörpermatrix. Erfindungsgemäß liegen zwei benachbarte Linsen in einer Ebene senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung z, sie werden flächig von der jeweiligen im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle bestrahlt. Erfindungsgemäß weisen die Linsen jeweils eine erste Breite in Richtung der ersten Dimension x auf, die dem Abstand zweier im wesentlichen punktförmiger Lichtquellen in der ersten Dimension x entspricht.

Kaskadierbare Linsen sind besonders bevorzugt vieleckige Linsen, insbesondere Rechtecke und Sechsecke, jedoch sind auch andere Linsenformen möglich und erfindungsgemäß.

Dadurch, dass jede Linse vollkommen bestrahlt wird, dass die erste Breite einer Linse in der ersten Dimension x dem Abstand zweier punktförmiger Lichtquellen in der ersten Dimension x entspricht und die Linsen kaskadierbar sind, entsteht beim Zusammenfügen mehrerer punktförmiger Lichtquellen und einer entsprechenden Anzahl von diesen zugeordneten Linsen ein flächiger Beleuchtungskörper, der als Beleuchtungskörpermatrix bezeichnet wird. Das Lichtbündel, dass diese Matrix ausstrahlt, enthält in zumindest einer Richtung paralleles Licht.

Eine punktförmige Lichtquelle bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die räumlichen Abmessungen der Lichtquelle, insbesondere in der x-y-Ebene im Vergleich zu den anderen Abmessungen des Systems zu vernachlässigen sind. Das ausgestrahlte Lichtbündel ist gleichmäßig, das heißt, die Variationslänge der Helligkeit innerhalb des Lichtbündels der Beleuchtungskörpermatrix ist klein gegenüber dem mittleren Abstand von kontrastgebenden Strukturen auf dem beleuchteten Objekt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wirken die Linsen auf das Lichtbündel in einer zur ersten Dimension x rechtwinkeligen zweiten Dimension y neutral oder divergierend. Folglich hat das Lichtbündel in dieser zweiten Dimension y Eigenschaften, die durch die Kombination der Eigenschaften der punktförmigen Lichtquellen und der Linsen bestimmt werden. Insbesondere bedeutet dies, dass es möglich ist, Lichtbündel zu erzeugen, die in der ersten Dimension x parallel sind und in der zweiten Dimension y nicht parallel (also divergent) sind. Das heißt, man erhält ein Lichtbündel, das sich bei Vergrößerung des Abstandes zur Linse in Hauptabstrahlrichtung z in der ersten Dimension x nicht verbreitert, während es sich in der zweiten Dimension y verbreitert. Beispielsweise ergibt ein Schnitt in Hauptabstrahlrichtung z in einer Ebene parallel zur Linse durch das Lichtbündel ein Rechteck, dessen Ausdehnung in y-Richtung mit steigendem Abstand von der Linse zunimmt, während die Ausdehnung in x-Richtung unabhängig vom Abstand von der Linse ist.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung wirken die Linsen auch in der zweiten Dimension y parallelisierend. Weiterhin entspricht eine zweite Breite der Linsen in der zweiten Dimension y im wesentlichen dem zweiten Abstand zweier benachbarter im wesentlichen punktförmiger Lichtquellen in der zweiten Dimension y. Das Lichtbündel hinter einer solchen Linse enthält damit in beiden Dimensionen paralleles Licht. Folglich ist ein Schnitt in Hauptabstrahlrichtung z in einer Ebene parallel beispielsweise zu einer quadratischen Linse durch das Lichtbündel ein Quadrat, dessen Ausdehnung sowohl in x-, als auch in y- Richtung unabhängig vom Abstand von der Linse ist.

Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung des Verfahrens sind die verwendeten Linsen zumindest teilweise Fresnel-Linsen. Fresnel-Linsen sind flache Linsen mit denen es relativ leicht möglich ist, dass hindurchfallende Licht zumindest in einer Richtung zu parallelisieren. So ist es vorteilhafterweise auch möglich, das Licht von einer im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle mittels Fresnel-Linesn in allen Raumrichtungen zu parallelisieren, also ein absolut paralleles Lichtbündel zu erzeugen, dass dann durch mindestens eine weitere Linse geführt wird, die in einer Richtung divergierend wirkt. Auch mit einer solchen Anordnung lässt sich erfindungsgemäß ein Lichtbündel erzeugen, dessen Ausdehnung in einer Ebene parallel zur Linse in einer Richtung unabhängig vom Abstand zur Linse ist, während die Ausdehnung des Lichtbündels in eine andere, dazu senkrechte Richtung mit dem Abstand von der Linse wächst.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Linsen quadratisch oder vieleckig, besonders bevorzugt sechseckig, in einer zur Hauptabstrahlrichtung z senkrechten Schnittebene. Betrachtet man das Lichtbündel, das von einer einzelnen punktförmigen Lichtquelle mit einer solchen Linse ausgestrahlt wird, so gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten, je nach dem ob die Linse in der zweiten Dimension y parallelisierend wirkt oder nicht. Wirkt die Linse parallelisierend in der zweiten Dimension y, so ist ein Schnitt in Hauptabstrahlrichtung z durch das Lichtbündel in einer Ebene parallel zur Linse ein Quadrat oder Sechseck, dessen Ausdehnung in x-y-Ebene unabhängig vom Abstand zur Linse ist. Wirkt die Linse nicht parallelisierend in der zweiten Dimension y, so ist ein Schnitt in Hauptabstrahlrichtung z in einer Ebene parallel zur Linse durch das Lichtbündel ein Rechteck bzw. ein Sechseck, dessen Ausdehnung in y-Richtung mit steigendem Abstand von der Linse zunimmt.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die durch die punktförmigen Lichtquellen und die entsprechende Anzahl Linsen gebildete Beleuchtungskörpermatrix im wesentlichen ein Rechteck. Das heißt der Querschnitt der Beleuchtungskörpermatrix normal zur Hauptabstrahlrichtung z ist im wesentlichen rechteckig. Eine solche Beleuchtungskörpermatrix lässt sich leicht durch die Aneinanderreihung von Systemen mit z. B. quadratischen oder auch sechseckigen Linsen herstellen. Jedoch ist es auch möglich, nicht quadratisch oder sechseckig geformte Linsen zu einem Rechteck aneinander zufügen.

Eine rechteckige Beleuchtungskörpermatrix hat den Vorteil, dass beispielsweise in der Qualitätskontrolle sehr oft Systeme untersucht werden, die selbst rechteckig sind, so dass es vorteilhaft ist, solche Systeme mit einer gleichfalls rechteckigen Beleuchtungskörpermatrix zu beleuchten. Dadurch wird der Überwachungsvorgang und die Überwachungsqualität verbessert. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang die Ausbildung einer Beleuchtungskörpermatrix mit einem quadratischen Querschnitt normal zur Hauptabstrahlrichtung z.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sind die im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen und die entsprechenden Linsen so angeordnet, dass eine Lichtintensität des entstehenden Lichtbündels in einer vorgebbaren Bandbreite um einen vorgebbaren Mittelwert in der ersten Dimension x und/oder der zweiten Dimension y schwankt. Bei der Anwendung einer solchen Beleuchtungskörpermatrix in der Oberflächenkontrolle kann man durch eine solche steuerbare Varianz der Lichtintensität in der ersten Dimension x und/oder der zweiten Dimension y die Fehlertoleranz des Systems zur Oberflächenkontrolle steuern. Je nach Qualität des zu untersuchenden Materials kann somit die Toleranzschwelle für Fehler herauf oder herabgesetzt werden.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung handelt es sich bei den punktförmigen Lichtquellen um Leuchtdioden. Diese haben den Vorteil, dass sie leicht herstellbar, preiswert, verlässlich und in praktisch beliebigen Querschnitten herzustellen sind. Insbesondere ist es möglich, Leuchtdioden und entsprechende Linsen, insbesondere Fresnel-Linse, direkt in einem Gehäuse herzustellen und diese als Einzelleuchtdiodenanordnung direkt zu einer erfindungsgemäßen Beleuchtungskörpermatrix, in diesem Falle also einer Leuchtdiodenmatrix zu verbauen.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist jeder Leuchtdiode mindestens eine Fresnel-Linse, die parallelisierend wirkt, und mindestens eine in einer Richtung divergierende Linse angeordnet. Diese Bauteile können vorteilhafterweise zu einer Einzelleuchtdiodenanordnung kombiniert werden, die in schneller und einfacher Weise den Aufbau von erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmatrizen in beliebiger Größe erlauben.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept wird auch ein Verfahren zum Beleuchten eines Objektes vorgeschlagen, dass die folgenden Schritte umfasst:

a) Erzeugung einer Vielzahl von Einzellichtbündeln durch eine entsprechende Vielzahl von im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen.
b) Durchgang jedes Einzellichtbündels durch mindestens eine Linse, die parallelisierend zumindest in einer ersten Dimension x wirkt, eine erste Ausdehnung in dieser ersten Dimension x aufweist, die im wesentlichen dem ersten Abstand zweier benachbarter punktförmiger Lichtquellen in dieser ersten Dimension x entspricht; und
c) Bildung eines Lichtbündels aus der Vielzahl der Einzellichtbündel.

Dieses Verfahren gestattet es in vorteilhafter Weise, ein Objekt gleichmäßig auszuleuchten. Durch die Verwendung parallelisierender Linsen entsteht ein Lichtbündel, dass in mindestens einer Dimension paralleles Licht enthält. Solches Licht kann in vorteilhafter Weise z. B. in der Qualitäts- oder Oberflächenkontrolle Verwendung finden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wirken die Linsen zumindest teilweise divergent oder neutral in einer zweiten, zur ersten Dimension (x) senkrechten Dimension (y) auf die jeweiligen Einzellichtbündel. Dies gestattet ein Verfahren zum Beleuchten eines Objektes mit einem Lichtbündel, das in einer Richtung paralleles und in einer anderen Richtung divergentes Licht enthält.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird jedes Einzellichtbündel in der jeweiligen Linse auch in der zweiten Dimension y parallelisiert. Die Wahlmöglichkeit, ob die Linsen auch in der zweiten Dimension y parallelisierend auf die einzelnen Lichtbündel wirken sollen, gestattet es, das Verfahren individuell an die zu lösende Beleuchtungsaufgabe anzupassen. Somit ist eine optimale Beleuchtung je nach Oberflächenbeschaffenheit des Objektes möglich.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Stromversorgung, die die Beleuchtungskörpermatrix mit elektrischen Strom versorgt, kontinuierlich betrieben. Das heißt die Beleuchtungskörpermatrix wird kontinuierlich mit elektrischem Strom versorgt. Dies bedingt eine kontinuierliche Abstrahlung eines Lichtbündels durch die Beleuchtungskörpermatrix, die für viele Anwendungen, wie z. B. bei der Beleuchtung statischer Objekte von Vorteil ist.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, die Stromversorgung diskontinuierlich zu betreiben. Das heißt die Stromversorgung wird gepulst betrieben, so dass die Beleuchtungskörpermatrix Lichtpulse ausstrahlt. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft bei der Beleuchtung bewegter Objekte. Insbesondere vorteilhaft sind hier Pulslängen von weniger als 100 Mikrosekunden, bevorzugt sind Pulslängen von weniger als 10 Mikrosekunden, ganz besonders bevorzugt weniger als 5 Mikrosekunden. Solche kurzen Pulslängen gestatten es, auch sich schnell bewegende Objekte zu beleuchten, ohne das es bei der Abbildung der Objekte zu bewegungsbedingten Unschärfen kommt. Speziell bei der Oberflächenanalyse von durchlaufenden Bandmaterialien können relativ große translatorische Geschwindigkeiten bei guter Bildqualität erreicht werden, ohne dass es zu einer Unschärfe des Objektbildes kommt.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Objekt beleuchtet, das ein Abschnitt aus einer durchlaufenden Materialbahn ist, deren Oberfläche beim Durchlaufen des Lichtbündels auf Fehler inspiziert wird. Durch die Verwendung von Lichtbündeln, die flächig parallelisiertes Licht enthalten, ist es so möglich, die Qualität der Fehlerkontrolle im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren deutlich zu verbessern.

Hierbei sind die verwendeten Linsen bevorzugt so zu wählen, dass das Abbild der Lichtquellenstruktur, also der einzelnen im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen auf der zu kontrollierenden Oberfläche kleiner ist als der Kontrast, bzw. die räumlichen Abmessungen der zu untersuchenden Fehlergebiete, auf der Oberfläche. Dies erlaubt eine deutlich verbesserte Fehlererkennungsquote im Vergleich zu herkömmlichen Beleuchtungsverfahren.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist das Abbild einer einzelnen im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle kleinere Abmessungen hat als die kontrastgebenden Strukturen auf der Oberfläche des beleuchteten Objektes. Dies gestattet in vorteilhafter Weise die Auflösung von Strukturen auf Oberflächen aller Art.

Weitere Vorteile und besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. Es zeigen:
Fig. 1 das Schnittbild einer Einzelleuchtdiodenanordnung,
Fig. 2 das Schnittbild der Einzelleuchtdiodenanordnung in einer zum ersten Schnittbild senkrechten Ebene,
Fig. 3 das Schnittbild zweier unverbundener Einzelleuchtdiodenanordnungen,
Fig. 4 das Schnittbild eines erfindungsgemäßen Leuchtdiodenvektors aus zwei Einzelleuchtdiodenanordnungen,
Fig. 5 Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Leuchtdiodenmatrix bestehend aus vier Einzelleuchtdiodenanordnungen,
Fig. 6 Schnitt durch die Leuchtdiodenmatrix,
Fig. 7 Schnitt durch die Leuchtdiodenmatrix in einer Ebene senkrecht zur vorhergenden,
Fig. 8 Anwendungsbeispiel für die Leuchtdiodenmatrix,
Fig. 9 schematisch eine Stromversorgung der Leuchtdiodenmatrix, und
Fig. 10 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsmatrix.
Fig. 1 zeigt das in einer Ebene, nämlich der x-z-Ebene, geschnittene Bild einer kaskadierbaren Einzelleuchtdiodenanordnung 1, die aus einer Leuchtdiode 2 und einer dieser in z-Richtung vorgelagerten kaskadierbaren Fresnel-Linse 3 zusammengesetzt ist. Die Leuchtdiode 2 fungiert hier als im wesentlichen punktförmige Lichtquelle. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Fresnel-Linse 3 und die Leuchtdiode 2 fest miteinander verbunden, bevorzugt wird die Fresnel- Linse 3 direkt in z-Richtung mit der Leuchtdiode 2 verbunden. Jedoch ist auch eine räumliche Trennung der Fresnel-Linse 3 und der Leuchtdiode 2 möglich. Die Leuchtdiode 2 wird über Zuleitungen 4 mit elektrischem Strom versorgt.
Kaskadierbar heißt in diesem Zusammenhang, dass die Form der Linsen eine flächige Anordnung einer Vielzahl von Linsen erlaubt, die zu einer im wesentlichen geschlossenen Fläche von Linsen führt. Hierbei müssen nicht zwingend alle Linsen gleiche Form haben, es können auch zwei oder mehr sich ergänzende Formen sein.
Das Einzellichtbündel 5 tritt aus der Leuchtdiode 2 überwiegend in z-Richtung, die deshalb auch Hauptabstrahlrichtung z genannt wird, in einen Innenraum 6 der Einzelleuchtdiodenanordnung 1 aus. Vor Austritt aus der Einzelleuchtdiodenanordnung 1 passiert das Einzellichtbündel 5 die Fresnel-Linse 3. Hierbei leuchtet das Einzellichtbündel 5 die Fresnel-Linse 3 flächig vollständig aus. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fresnel-Linse 3 so gestaltet, dass sie das von der Leuchtdiode in Hauptabstrahlrichtung z ausgesandte Licht in der ersten Dimension x parallelisiert, während sie in der zweiten Dimension y neutral auf das Licht wirkt. Das heißt, die Einzelleuchtdiodenanordnung 1 strahlt in Hauptabstrahlrichtung z ein Einzellichtbündel 5 ab, das in der ersten Dimension x parallel ist. Der gleiche Effekt kann auch durch die Kombination von zwei Linsen je Leuchtdiode 2 erzeugt werden, in dem eine parallelisierende Fresnel-Linse 3 mit einer in einer Richtung divergierenden Linse kombiniert wird. Auch dieser Aufbau ist erfindungsgemäß.
Folglich ist die Breite 7 des Einzellichtbündels 5 in der ersten Dimension x in Hauptabstrahlrichtung z unabhängig von der Koordinate z im Einzellichtbündel 5. Die Breite 7 des Einzellichtbündels in der ersten Dimension x entspricht der ersten Breite 8 der Fresnel-Linse in der ersten Dimension x.
Fig. 2 zeigt ein Schnittbild durch die y-z-Ebene der gleichen Einzelleuchtdiodenanordnung 1. Die Fresnel-Linse 3 weist in der zweiten Dimension y eine zweiten Breite 9 auf, die identisch mit der ersten Breite 8 der Fresnel-Linse 3 in der ersten Dimension x ist. Die Fresnel-Linse 3 verfügt somit in diesem Ausführungsbeispiel in der x-y-Ebene über einen quadratischen Querschnitt. Da die Fresnel- Linse 3 in y-Richtung nicht auf das Einzellichtbündel 5 wirkt, ist das Einzellichtbündel 5 in y-Richtung nicht parallel, sondern weist vielmehr die Eigenschafen des Lichtes der Leuchtdiode 2 ohne die Fresnel-Linse 3 auf. Der Öffnungswinkel 10 des Einzellichtbündels 5 wird durch die Eigenschaften der Fresnel-Linse 3 und der Leuchtdiode 2 bestimmt.
In Fig. 3 sieht man eine erste Einzelleuchtdiodenanordnung 11, mit einer ersten Fresnel-Linse 12, die eine erste Berührungsfläche 13 aufweist. Die erste Einzelleuchtdiodenanordnung strahlt ein erstes Einzellichtbündel 14 aus. Eine zweite Einzelleuchtdiodenanordnung 15 mit einer zweiten Fresnel-Linse 16, die eine zweite Berührungsfläche 17 aufweist, strahlt ein Einzellichtbündel 18 aus. Die zweite Einzelleuchtdiodenanordnung 15 weist identische Abmessungen wie die erste Einzelleuchtdiodenanordnung 11 auf. Die beiden Einzelleuchtdiodenanordnungen 11 und 15 werden so ausgerichtet, dass einerseits ihre Hauptabstrahlrichtung z identisch ist und andererseits die beiden Berührungsflächen 13 und 17 parallel zueinander sind. Fügt man nun die beiden kaskadierbaren Einzelleuchtdiodenanordnungen 11 und 15 so aneinander, dass sich die gesamten Berührungsflächen 13 und 17 berühren, so erhält man einen aus zwei Einzelleuchtdiodenanordnungen 11 und 15 bestehenden Leuchtdiodenvektor 19 (siehe Fig. 4). Dieser Leuchtdiodenvektor 19 ist eine Form einer erfindungsgemäßen Beleuchtungskörpermatrix. Die beiden Einzellichtbündel 14 und 18 überlagern zu einem Vektorlichtbündel 20.
Aus Fig. 4 ist zu entnehmen, dass eine Breite 21 einer Fresnel-Linse 12, 16 genau einem Abstand 22 einer ersten Leuchtdiode 23 zu einer benachbarten zweiten Leuchtdiode 24 entspricht. Weiterhin wird ein Abstand 25 in z-Richtung zwischen einer Leuchtdiode 23, 24 und einer zu dieser gehörenden Fresnel-Linse 12, 16 so gewählt, dass das jeweilige Einzellichtbündel 14, 18 beim Durchtritt durch die Fresnel-Linse 12, 16 gerade eine solche Ausdehnung in der ersten Dimension x und/oder der zweiten Dimension y hat, dass diese der Breite 21 einer Fresnel- Linse 12, 16 in der ersten Dimension x und/oder der zweiten Dimension y entspricht. Das heißt, die Fresnel-Linse 12, 16 wird vollständig von dem Einzellichtbündel 14, 18 ausgeleuchtet. Gilt dies für alle Einzelleuchtdiodenanordnungen 11, 15 und haben diese die gleichen Eigenschaften wie beispielsweise identische Leuchtkraft und identische Fresnel-Linsen 12, 16, so führt dies dazu, dass es im Vektorlichtbündel 20 nicht zu sprunghaften Veränderungen der Lichtintensität in der ersten Dimension x und/oder der zweiten Dimension y bei gleichen Koordinaten in der Hauptabstrahlrichtung z kommt. Insbesondere ist die Lichtintensität in der ersten Dimension x und/oder der zweiten Dimension y bei gleichen Koordinaten in der Hauptabstrahlrichtung z im wesentlichen konstant.
Fig. 5 zeigt eine erste Einzelleuchtdiodenanordnung 26, eine zweite Einzelleuchtdiodenanordnung 27, eine dritte Einzelleuchtdiodenanordnung 28 und eine vierte Einzelleuchtdiodenanordnung 29, die zu einer erfindungsgemäßen Beleuchtungskörpermatrix, nämlich einer Leuchtdiodenmatrix 30 zusammengefügt sind. Die Einzelleuchtdiodenanordnungen 26, 27, 28, 29 parallelisieren das Licht nur in der ersten Dimension x.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt in der y-z-Ebene durch die Leuchtdiodenmatrix 30, die ein Lichtbündel 31 in Hauptabstrahlrichtung z abstrahlt. Dieses Lichtbündel 31 setzt sich aus einem ersten Vektorlichtbündel 32 und einem zweiten Vektorlichtbündel 33 zusammen.
Fig. 7 zeigt einen entsprechenden Schnitt in der x-z-Ebene durch die Leuchtdiodenmatrix 30. Die zweite Einzelleuchtdiodenanordnung 27 strahlt hier gemeinsam mit der nicht gezeigten ersten Einzelleuchtdiodenanordnung 26 das erste Vektorlichtbündel 32 ab, das in x-Richtung parallel ist. Die vierte Einzelleuchtdiodenanordnung 29 strahlt gemeinsam mit der nicht gezeigten dritten Einzelleuchtdiodenanordnung 28 das zweite Vektorlichtbündel 33 ab, das in x-Richtung parallel ist. Somit kommt es zu keinen Überlappungen zwischen dem ersten Vektorlichtbündel 32 und dem zweiten Vektorlichtbündel 33, so dass die Lichtintensität jeweils in einer Ebene in Hauptabstrahlrichtung z, die parallel zur Leuchtdiodenmatrix 30 ist, konstant ist.
Beispielhafte Anwendungen des hier vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der hier vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erzeugung flächigen parallelen Lichts liegen in der Oberflächenkontrolle sich schnell bewegender Bandmaterialien, bevorzugt von Stahl oder Papier. Fig. 8 zeigt eine solche beispielhafte Anwendung. Das Lichtbündel 31 der Leuchtdiodenmatrix 30 beleuchtet ein Bandmaterial 34, das von diesem Bandmaterial 34 reflektierte Licht 35 wird von einer Kamera 36 aufgezeichnet. Hierbei laufen Vektorlichtbündel 32 und 33 parallel. Je nach Ausrichmatrix 30 spricht man von Hell- oder Dunkelfeldanalyse, je nachdem, ob Fehler in der Oberflächenbeschaffenheit des Bandmaterials 34 zu einem dunklen oder einem hellen Fleck im von der Kamera 36 aufgezeichneten Bild des Bandmaterials 34 führen.
Zumindest für eine solche Anwendung ist es sinnvoll, das Lichtbündel 31 nicht kontinuierlich auf das sich schnell bewegende Bandmaterial 34 fallen zu lassen. Vielmehr bietet sich bei der Ausleuchtung sich bewegender Objekte die gepulste Ausleuchtung an. Fig. 9 zeigt beispielhaft schematisch im Schnittbild, wie eine solche gepulste Ausleuchtung zu erreichen ist. Hierzu werden die zweite Einzelleuchtdiodenanordnung 27 über ein erstes Paar von Zuleitungen 37 und die vierte Einzelleuchtdiodenanordnung 29 über ein zweites Paar von Zuleitungen 38 mit einer Stromversorgung 39 verbunden. Die Stromversorgung 39 versorgt somit die beiden Einzelleuchtdiodenanordnungen 27, 29, sowie analog alle weiteren Einzelleuchtdiodenanordnungen der Leuchtdiodenmatrix 30 mit elektrischem Strom. Sofern die Stromversorgung 39 kontinuierlich arbeitet, strahlt die Leuchtdiodenmatrix 30 das Lichtbündel 31 kontinuierlich aus, während es bei einer gepulsten Betriebsweise der Stromversorgung 39 zur gepulsten Abstrahlung eines Lichtbündels 31 kommt. Bei der Beleuchtung sich bewegender Objekte sollte die Strecke, die das Objekt während eines Pulses zurücklegt, kleiner als die Hälfte der Breite 40 eines Vektorlichtbündels 32, 33 des Lichtbündels 31 in x-Richtung sein. Für die Beleuchtung sich schnell bewegender Bandmaterialien sollte die Pulslänge besonders weniger als 100 Mikrosekunden, bevorzugt weniger als 10 Mikrosekunden, ganz besonders bevorzugt weniger als 5 Mikrosekunden betragen.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmatrix 30. Diese besteht aus einer Vielzahl von kaskadierbaren Einzelleuchtidiodenanordnungen 1. Diese weisen in der x-y-Ebene einen sechseckigen Querschnitt auf. Der Abstand 22 zweier benachbarter Leuchtdioden in x- Richtung entspricht der Breite 21 einer Fresnel-Linse 3 in dieser Richtung. Die hier verwendeten Leuchtdioden sind mit einem Reflektor 41 gekoppelt.
Die Leuchtdiodenmatrix 30 strahlt überwiegend in Hauptabstrahlrichtung z ab. Weiterhin ist eine Ebene 42 eingezeichnet, in der gleichmäßiges Licht vorliegt. Bei Beleuchtung einer zu inspizierenden Oberfläche heißt gleichmäßig, dass die Variationslänge der Helligkeit im Lichtbündel der Leuchtdiodenmatrix 30 beim Auftreffen auf der zu untersuchenden Oberfläche kleinskaliger ist als die räumliche Variation der möglichen Fehler auf der Oberfläche. Zusätzlich ist es möglich, jeder Leuchtdiode mit Reflektor 41 neben der zugehörigen Fresnel-Linse 3 noch zumindest eine weitere, in einer Richtung divergierend wirkende Linse zuzuordnen.
In der Praxis werden besonders bevorzugt typischerweise Leuchtdiodenmatrizen mit mehr als 10 mal 10, vorzugsweise mehr als 100 mal 100, quadratischen oder sechseckigen Leuchtdioden eingesetzt. Mit solchen Leuchtdiodenmatrizen lassen sich insbesondere Oberflächeninspektionssysteme für Bandmaterialien verbessern. Bezugszeichenliste 1 Einzelleuchtdiodenanordnung
2 Leuchtdiode
3 Fresnel-Linse
4 Zuleitung
5 Einzellichtbündel
6 Innenraum
7 Breite eines Einzellichtbündels
8 Erste Breite einer Fresnel-Linse
9 Zweite Breite einer Fresnel-Linse
10 Öffnungswinkel
11 Erste Einzelleuchtdiodenanordnung
12 Erste Fresnel-Linse
13 Erste Berührungsfläche
14 Zweites Einzellichtbündel
15 Zweite Einzelleuchtdiodenanordnung
16 Zweite Fresnel-Linse
17 Zweite Berührungsfläche
18 Zweites Einzellichtbündel
19 Leuchtdiodenvektor
20 Vektorlichtbündel
21 Breite einer Fresnel-Linse
22 Abstand zweier benachbarter Leuchtdioden in der ersten Dimension x
23 Erste Leuchtdiode
24 Zweite Leuchtdiode
25 Abstand zwischen einer Leuchtdiode und zugehöriger Fresnel-Linse in Hauptabstrahlrichtung z
26 Erste Einzelleuchtdiodenanordnung
27 Zweite Einzelleuchtdiodenanordnung
28 Dritte Einzelleuchtdiodenanordnung
29 Vierte Einzelleuchtdiodenanordnung
30 Leuchtdiodenmatrix
31 Lichtbündel
32 Erstes Vektorlichtbündel
33 Zweites Vektorlichtbündel
34 Bandmaterial
35 Reflektiertes Licht
36 Kamera
37 Erstes Paar Zuleitungen
38 Zweites Paar Zuleitungen
39 Stromversorgung
40 Breite eines Vektorlichtbündels
41 Leuchtdiode mit Reflektor
42 Homogenitätsebene
x erste zur Hauptabstrahlrichtung senkrechte Richtung
y zweite, sowohl zur Hauptabstrahlrichtung, als auch zu x senkrechte Richtung
z Hauptabstrahlrichtung

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines in einer Hauptabstrahlrichtung (z) abstrahlbaren Lichtbündels (20, 31), welches zumindest in einer ersten Dimension (x) paralleles Licht enthält, bestehend aus mindestens zwei im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen (2, 23, 24, 41) und mindestens zwei je einer punktförmigen Lichtquelle (2, 23, 24, 41) zugeordneten, sich in Hauptabstrahlrichtung (z) der im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen (2, 23, 24, 41) befindenden, kaskadierbaren Linsen (3, 12, 16), die zusammen eine Beleuchtungskörpermatrix (19, 30) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Linsen (3, 12, 16) in einer Ebene senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung (z) liegen, dass die Linsen flächig von jeweils einer im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle (2, 23, 24, 41) bestrahlt werden, dass die Linsen (3, 12, 16) parallelisierend zumindest in einer ersten Dimension (x) wirken und dass die Linsen (3, 12, 16) eine erste Breite (8, 21) in Richtung der ersten Dimension (x) aufweisen, die dem Abstand (22) zweier im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen (2, 23, 24, 41) in der ersten Dimension (x) entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (3, 12, 16) auf das Lichtbündel (20, 31) in einer zweiten, zur ersten Dimension (x) rechtwinkligen Dimension (y) neutral oder divergierend wirken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (3, 12, 16) parallelisierend in einer zweiten, zur ersten Dimension (x) rechtwinkligen Dimension (y) wirken und eine zweite Breite (9) der Linse in der zweiten Dimension (y) im wesentlichen dem Abstand (22) zweier benachbarter im wesentlichen punktförmiger Lichtquellen (2, 23, 24, 41) in der zweiten Dimension (y) entspricht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (3, 12, 16) zumindest teilweise Fresnel-Linsen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (3, 12, 16) normal zur Hauptabstrahlrichtung (z) einen quadratischen oder vieleckigen, bevorzugt einen sechseckigen, Querschnitt aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungskörpermatrix (19, 30) einen rechteckigen Querschnitt normal zur Hauptabstrahlrichtung (z) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungskörpermatrix (19, 30) einen quadratischen Querschnitt normal zur Hauptabstrahlrichtung (z) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen (2, 23, 24) und die Linsen (3, 12, 16) so angeordnet sind, dass eine Lichtintensität des Lichtbündels (31) in einer vorgebbaren Bandbreite um einen vorgebbaren Mittelwert in der ersten Dimension (x) und/oder der zweiten Dimension (y) schwankt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen (2, 23, 24, 41) Leuchtdioden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leuchtdiode (2, 23, 24, 41) mindestens eine Fresnel-Linse (3, 12, 16), die parallelisierend wirkt, und mindestens eine in einer Richtung divergierende Linse (3, 12, 16) zugeordnet ist.

11. Verfahren zum Beleuchten eines Objektes, umfassend die folgenden Schritte:

a) Erzeugung einer Vielzahl von Einzellichtbündeln (5, 14, 18) durch eine entsprechende Vielzahl von im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen (2, 23, 24, 41);

b) Durchgang jedes Einzellichtbündels (5, 14, 18) durch mindestens eine Linse (3, 12, 16), die parallelisierend zumindest in einer ersten Dimension (x) wirkt, eine erste Ausdehnung (8, 21) in dieser ersten Dimension (x) aufweist, die im wesentlichen dem ersten Abstand (22) zweier benachbarter punktförmiger Lichtquellen (2, 23, 24, 41) in dieser ersten Dimension (x) entspricht; und

c) Bildung eines Lichtbündels (20, 31, 32, 33) aus der Vielzahl der Einzellichtbündel (5, 14, 18).

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (3, 12, 16) zumindest teilweise divergent oder neutral in einer zweiten, zur ersten Dimension (x) senkrechten Dimension (y) auf die jeweiligen Einzellichtbündel (5, 14, 18) wirken.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Einzellichtbündel (5, 14, 18) beim Durchgang durch die jeweilige Linse (3, 12, 16) in einer zweiten, zur ersten Dimension (x) senkrechten Dimension (y) parallelisiert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine die im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen (2, 23, 24, 41) mit elektrischem Strom versorgende Stromversorgung (39) kontinuierlich betrieben wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die die im wesentlichen punktförmigen Lichtquellen (2, 23, 24, 41) mit elektrischem Strom versorgende Stromversorgung (39) gepulst betrieben wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (39) mit Pulslängen von weniger als 100 Mikrosekunden betrieben wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (39) mit Pulslängen von weniger als 10 Mikrosekunden, insbesondere weniger als 5 Mikrosekunden betrieben wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt ein Abschnitt aus einem Bandmaterial (34) ist, dessen Oberfläche beim Durchlaufen des Lichtbündels (31) auf Fehler inspiziert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbild einer einzelnen im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle (2, 23, 24, 41) kleinere Abmessungen hat als die kontrastgebenden Strukturen auf der Oberfläche des beleuchteten Objektes (34).