DE69703487T2

DE69703487T2 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Prüfung bewegter Oberflächen

Info

Publication number: DE69703487T2
Application number: DE69703487T
Authority: DE
Inventors: Ari Haerkoenen; Martti Karppinen; Pertti Kontio; Dr. Paul; Timo Piironen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; VTT ELECTRONICS OULU; Spectra Physics Visiontech Oy
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2017-08-23
Also published as: JP3423688B2; EP0898163B1; US6166393A; JP2001514386A; EP0898163A1; ES2153150T3; DE69703487D1; ATE197503T1; WO1999010730A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Inspektion sich bewegender Oberflächen, insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Inspektion sich bewegender Oberflächen für Anwendungen, wie z. B. die Inspektion von Bandstahl, Holz, Leder oder Fliesen. Noch spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Inspektion sich bewegender Oberflächen unter Verwendung von zumindest drei unterschiedlichen Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanälen.
Produkte, wie die oben genannten, Bandstahl, Holz, Leder oder Fliesen, werden typischerweise mit hoher Geschwindigkeit in einem kontinuierlichen Verfahren hergestellt und müssen während einer Bewegung inspiziert werden. Die Defekte, die automatisch erfaßt und klassifiziert werden müssen, sind Anomalitäten der Oberfläche hinsichtlich beispielsweise des Reflexionsvermögens, der Farbe, des Glanzes, der Textur und des 3D-Profils der Oberfläche, die inspiziert wird.
Gemäß dem Stand der Technik sind Systeme zur automatischen Oberflächeninspektion gut etabliert und werden für industrielle Anwendungen, beispielsweise die Inspektion von Stahl, Fliesen oder Holz, verwendet. Die verwendeten Kameras sind Einfarb- oder Farblinien-Abtastkameras. Zur Beleuchtung werden üblicherweise Fluoreszenzlampen, Halogenlampen oder Lichtleitfaser-Beleuchtungsmittel verwendet. Die Defekte, die erfaßt und klassifiziert werden sollen, sind Kratzer, Dellen, Astknoten und dergleichen, entsprechend der Definition durch die Anwendung. Typischerweise zeigen sich diese Defekte auf unterschiedliche Arten, beispielsweise durch Abweichungen des Reflexionsvermögens, des Glanzes, der Farbe, der Textur oder des 3D-Profils der Oberfläche, die inspiziert wird.
Ein kritischer Punkt bei dem Systementwurf besteht darin, die Vorrichtung zur Lichterfassung zu definieren, einschließlich der Auswahl einer Kamera und des Beleuchtungssystems, und die geometrischen Beziehungen der Komponenten zu bestimmen. Das Ziel besteht darin, Bilder von der Oberfläche zu erhalten, die die notwendigen Informationen enthalten, um alle Defekte, einschließlich 3D-Defekten, automatisch zu erfassen und zu unterscheiden. In vielen Fällen ist das Ergebnis enttäuschend. Der Grund besteht einfach darin, daß monokulare Bilder keine zuverlässigen und unzweideutigen Informationen bezüglich des 3D-Profils und des Glanzes der Oberfläche enthalten. Um dieses Problem zu lösen, wird bei bestimmten Anwendungen ein Mehr-Kamera-Aufbau verwendet, durch den die Oberfläche gleichzeitig unter verschiedenen Betrachtungsbedingungen inspiziert wird. Bei solchen Aufbauten werden typischerweise zwei monochromatische Kameras und eine Beleuchtungseinrichtung verwendet, um Hell- und Dunkel-Feld-Bilder des gleichen Objekts zu erhalten.
Diese Ansätze leiden unter einer Anzahl von Nachteilen: die Ausrichtung der zwei Linienabtastkameras ist schwierig, wobei die mechanischen Konstruktionen für diese Systeme schwer werden.
In dem Artikel von R. J. Woodham, "Photometric Method for Determining Surface Orientation from multiple Images", in Optical Engineering, Bd. 19, 191, S. 139 bis 144, 1980, ist eine photometrische Stereotechnik beschrieben. Das Prinzip dieser Technik besteht darin, mehrere Bilder von dem gleichen Objekt und mit der gleichen Kamera aufzunehmen und die Richtung der einfallenden Beleuchtung zwischen aufeinanderfolgenden Bildern zu variieren, während die Betrachtungsgeometrie konstant gehalten wird. Dies liefert ausreichend Informationen, um die Oberflächenausrichtung jedes Oberflächenelements des inspizierten Objekts an jedem Bildpunkt zu bestimmen, d. h., um 3D-Informationen zu sammeln.
Die Technik wird als photometrisches Stereo bezeichnet, da dieselbe die Strahlstärkewerte, die an einem einzelnen Pixelort bei aufeinanderfolgenden Ansichten aufgezeichnet werden, verwendet, und nicht die relativen Positionen von verschobenen Merkmalen beim Binokular-Stereo. Da die Betrachtungsgeometrie bei dieser Technik nicht geändert wird, ist die Zuordnung zwischen Pixeln in dem aufgenommenen Satz von Bildern von vorne herein bekannt.
Das photometrische Stereoverfahren macht es erforderlich, daß das inspizierte Objekt relativ zu der Bilderzeugungshardware stationär ist, was Zeit zum Schalten der Lampen und zum Aufnehmen der Bilder ergibt, und daß die Verteilung des Reflexionsvermögens der Oberfläche bekannt ist. Daher kann das Verfahren nicht für die Inspektion von sich bewegenden Materialien und Oberflächen mit unbekanntem Reflexionsvermögen verwendet werden.
Die DE 195 11 534 A1 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von 3D-Defekten, beispielsweise Dellen und Stufen in einer flachen Oberfläche, bei Anwendungen für eine automatische Oberflächeninspektion, die der Idee des photometrischen Stereos folgen. Die Oberfläche, die inspiziert wird, wird gleichzeitig mit zumindest zwei Lampen von unterschiedlichen Richtungen unter Dunkelfeldbedingungen beleuchtet, wobei das Licht von den Lampen unterschiedliche Farben aufweist. Eine Farblinien-Abtastkamera wird zur Bilderfassung verwendet, wobei 3D-Defekte durch das Analysieren der gemessenen Farbwerte erfaßt werden.
Dieses Verfahren ergibt Informationen bezüglich 3D-Defekten, jedoch nicht bezüglich des Glanzes und des Reflexionsvermögens der Oberfläche, da eine symmetrische Dunkelfeldbeleuchtung verwendet wird. Daher sind die Fähigkeiten zum Unterscheiden zwischen unterschiedlichen Typen von Defekten begrenzt. Überdies wird die Defekterfassung mittels eines Farbklassifizierers durchgeführt. Unter Verwendung dieses Verfahrens ist es nicht möglich, eine Anpassung an ein sich änderndes Erscheinungsbild der inspizierten Oberfläche oder Änderungen der Beleuchtung durchzuführen. Bei praktischen Anwendungen ist die Empfindlichkeit zur Defekterfassung begrenzt.
Die EP 0 764 845 A2 beschreibt eine Vorrichtung zur Bilderfassung, die ähnlich zu der ist, die in der DE 195 11 534 A1 beschrieben ist, wobei jedoch das Verfahren zur Erfassung von 3D-Defekten lediglich auf Schatten basiert, die an den Kanten von Stufen in der Oberfläche beobachtet werden können.
In dem Artikel von M. Magee u. a., "Identification of Flaws in Metallic Surfaces Using Specular and Diffuse Bispectral Light Sources" in SPIE, Bd. 1825, Intelligent Robots and Computer Vision XI, S. 455 bis 468, 1992, ist ein Verfahren zur Identifizierung von Makeln in metallischen Oberflächen beschrieben. Das Zier dieses Verfahrens besteht darin, den Kontrast und die Erfassungsrate für Kratzer während einer automatischen Oberflächeninspektion von ruhenden Gußmetallteilen zu verbessern. Das zu inspizierende Objekt wird mit Licht unterschiedlicher Farben beleuchtet: es existiert ein Kanal für ein Dunkelfeld unter Verwendung eines sehr flachen Einfallswinkels und ein Kanal für ein Hellfeld. Der verwendete Effekt besteht darin, daß das Licht von der flachen Dunkelfeldbeleuchtung durch scharfe Kanten der Kratzer gestreut wird, weshalb Kratzer in dem Hellfeld dunkel und in dem Dunkelfeld hell erscheinen werden. Ein zweiter Kanal für eine Dunkelfeldbeleuchtung fehlt, weshalb es nicht möglich ist, die Neigung der Oberflächenelemente auf Oberflächen mit variierendem Glanz und Reflexionsvermögen abzuschätzen.
Die JP-A-06058731 bezieht sich auf eine Strukturinspektionsvorrichtung zur Inspektion einer 3D-Form einer Struktur einer Leiterplatte. Licht der drei Primärfarben, Blau, Grün und Rot, wird auf eine Oberfläche der Leiterplatte und auf die Rückseite der Leiterplatte zugeführt. Eine Farbfernsehkamera nimmt ein Bild der Platine auf und wandelt das optische Bild der Oberfläche derselben in Videosignale der drei Primärfarben des Lichts um. Auf der Grundlage der empfangenen Videosignale wird die Breite einer Struktur auf der Leiterplatte und die Qualität der Struktur bestimmt.
Die WO-A-9418643 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abbildung der Oberfläche eines Objekts, das durch eine Inspektionsregion bewegt wird, in der dasselbe beleuchtet wird. Während sich das Objekt durch eine Inspektionsregion bewegt, beleuchtet ein Abschnitt der Beleuchtungseinrichtung das Objekt unter Verwendung einer Dunkelfeldbeleuchtung, während ein Abschnitt der Beleuchtungseinrichtung das Objekt unter Verwendung einer Hellfeldbeleuchtung beleuchtet. Eine Bilderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Bilds des Objekts in der Inspektionsregion, um ein zusammengesetztes Bild zu erzeugen, ist ebenfalls vorgesehen.
In dem Artikel von Woodham, R. J., "Determining surface curvature with photometric stereo", Proceedings of 1989 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Bd. 1, Er. 1989, S. 36 bis 42, ist ein Verfahren beschrieben, um Dichtedarstellungen der intrinsischen Krümmung an jedem Punkt einer sichtbaren sich nicht bewegenden Oberfläche basierend auf photometrischem Stereo zu berechnen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Inspektion von Oberflächen zu schaffen, die die Inspektion von Oberflächen mit einer verbesserten Zuverlässigkeit und geringeren Raten falschen Alarms ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 6 und eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 7 und 17 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Oberflächeninspektion, die es ermöglichen, Informationen bezüglich der physikalischen Eigenschaften der Oberfläche, wie des Reflexionsvermögens, des Glanzes und der Neigung von Oberflächenelementen, getrennt zu gewinnen und zu verarbeiten. Der Vorteil besteht darin, daß speziell 3D-Defekte selbst bei texturierten Oberflächen mit einer hohen Zuverlässigkeit erfaßt und klassifiziert werden können. Anwendungen sind beispielsweise die Inspektion von Stahl, Leder, Holz, extrudierten Profilen oder anderen Materialien, die in einem kontinuierlichen Verfahren mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden und während einer Bewegung inspiziert werden müssen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee des photometrischen Stereo. Informationen bezüglich des Reflexionsvermögens, der Farbe, des Glanzes und des Profils der inspizierten Oberfläche werden aufgenommen, beispielsweise durch eine Vorrichtung, die eine Farblinien-Abtastkamera und zumindest drei räumlich getrennte Lichtquellen mit unterschiedlichen spektralen Charakteristika aufweist. Das Ergebnis der Bilderfassung sind registrierte Bilder, beispielsweise R-, G-, B-Bilder, die elementar den Beleuchtungskanälen entsprechen. Diese Bilder werden in mehreren Schritten verarbeitet, einschließlich einer Abschätzung der physikalischen Eigenschaften für jedes Oberflächenelement, einer Erfassung von Oberflächenanomalitäten, einer Merkmalsgewinnung und einer Klassifikation.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der erste Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal durch eine lichtempfindliche Sensorvorrichtung und eine erste Lichtquelle gebildet, der zweite Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal ist durch die gleiche lichtempfindliche Sensorvorrichtung und durch eine zweite Lichtquelle gebildet, und der dritte Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal ist durch die gleiche lichtempfindliche Sensorvorrichtung und eine dritte Lichtquelle gebildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der erste Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal durch eine erste lichtempfindliche Sensorvorrichtung und durch eine Lichtquelle gebildet, der zweite Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal ist durch eine zweite lichtempfindliche Sensorvorrichtung und die gleiche Lichtquelle gebildet, und der dritte Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal ist durch eine dritte lichtempfindliche Vorrichtung und die gleiche Lichtquelle gebildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Informationen bezüglich des Reflexionsvermögens, des Glanzes und der Neigung von einer sich bewegenden Oberfläche getrennt von dem Oberflächenelement, das inspiziert wird, gewonnen, wobei basierend auf diesen Informationen die Oberflächen mit einer erhöhten Zuverlässigkeit und einer geringen Rate von falschen Alarmen inspiziert werden. Insbesondere ist es möglich, zwischen 3D-Defekten und annehmbaren Variationen im Erscheinungsbild der Oberfläche zu unterscheiden.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 das Gesamtkonzept, das dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt;
Fig. 2a bis 2d wie Licht abhängig von dem Reflexionsvermögen, dem Glanz bzw. der Neigung der Oberfläche von einer Oberfläche gestreut wird;
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5a und 5b den Einfluß des Beleuchtungswinkels für eine Erfassung von 3D-Defekten in spiegelnden Oberflächen unter einer Dunkelfeldbedingung;
Fig. 6 eine Anordnung der Lichtquellen zum Erfassen von 3D-Defekten in der Oberfläche, die senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Oberfläche ausgerichtet sind;
Fig. 7a ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer integrierten Faseroptik;
Fig. 7b eine Seitenansicht der Vorrichtung von Fig. 7a;
Fig. 8 ein Beispiel einer Faseroptik zur Beleuchtung des Oberflächenelements, das inspiziert wird;
Fig. 9 eine Anordnung einer Faseroptik und von Lampen;
Fig. 10 eine Anordnung zum Ableiten der Lichtstrahlen einer unterschiedlichen Farbe von einer einzelnen Lichtquelle;
Fig. 11 die Signalverarbeitungskette zur Erfassung von Anomalitäten basierend auf dem erhaltenen Signal;
Fig. 12a eine photographische Darstellung, die von dem ersten Dunkelfeldkanal erhalten wird;
Fig. 12b eine photographische Darstellung, die von dem zweiten Dunkelfeldkanal erhalten wird; und
Fig. 12c eine photographische Darstellung, die 3D-Defekte in der Oberfläche zeigt, die aus den Bildern, die in den Fig. 12a und 12b gezeigt sind, durch das Anwenden der Schritte, die in Fig. 11 beschrieben sind, erhalten wird.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird das Gesamtkonzept, das dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine automatische Inspektion von Oberflächen zugrunde liegt, beschrieben. In einem Meßschritt S100 wird ein Bild der sich bewegenden Oberfläche, die inspiziert wird, aufgenommen. Die Vorrichtung, die schematisch bei dem Schritt S100 in Fig. 1 gezeigt ist, wird bezugnehmend auf Fig. 3 nachfolgend hierin beschrieben. In einem Schritt S102 werden physische Eigenschaften des inspizierten Oberflächenelements auf der Grundlage des erfaßten Bilds abgeschätzt. In einem Schritt S104 werden Anomalitäten der physischen Eigenschaften der Oberfläche erfaßt. In einem Schritt S106 werden spezifische Merkmale gewonnen und in einem Schritt S108 werden die erfaßten Regionen klassifiziert. Schließlich wird in einem Schritt S110 eine Entscheidung darüber getroffen, ob die inspizierte Oberfläche annehmbar ist, d. h. vorbestimmte Anforderungen bezüglich der physischen Eigenschaften erfüllt, oder ob die Oberfläche Defekte zeigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Bild, das im Schritt S100 aufgenommen wird, aus drei unterschiedlichen Bildern erzeugt, die durch die Pfeile 100a, 100b und 100c zwischen dem Schritt S100 und dem Schritt S102 gezeigt sind. Die drei Bilder werden durch drei Videosignale dargestellt, wobei ein erstes Signal 100a, das ein erstes Bild darstellt, durch Beobachten der Oberfläche, die inspiziert werden soll, unter einer ersten Beobachtungsbedingung mittels eines ersten von zumindest drei unterschiedlichen Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanälen erhalten wird. Das zweite und das dritte Signal auf der Leitung 100b bzw. 100c werden durch Beobachten der Oberfläche unter einer zweiten Beobachtungsbedingung mittels eines zweiten und eines dritten von den zumindest drei unterschiedlichen Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanälen erhalten. Auf der Grundlage der somit erhaltenen ersten, zweiten und dritten Signale werden physische Eigenschaften der Oberflächenelemente in dem Schritt S102 abgeleitet.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden Informationen bezüglich des Reflexionsvermögens, der Farbe, des Glanzes und des Profils der inspizierten Oberfläche durch eine Vorrichtung mit einer Farblinien-Abtastkamera und drei räumlich getrennten Lichtquellen mit unterschiedlichen spektralen Charakteristika aufgenommen, gefolgt von der oben umrissenen Idee des photometrischen Stereos. Das Ergebnis der Bilderfassung in dem Schritt S100 sind bei diesem Ausführungsbeispiel drei registrierte Bilder (R, G, B), die elementar den drei Beleuchtungskanälen entsprechen. Bei den oben beschriebenen Schritten werden die Bilder wie folgt erzeugt:
In dem Schritt S102 wird die physikalische Eigenschaft oder werden die Eigenschaften für jedes Oberflächenelement abgeschätzt, wobei das Ergebnis Bilder physikalischer Eigenschaften sind, die das Reflexionsvermögen, die Farbe, den Glanz und die Neigung des Oberflächenelements darstellen, wie durch die vier Pfeile zwischen dem Block S102 und dem Block S104 dargestellt ist. Diese Bilder besitzen die gleiche räumliche Auflösung wie das ursprüngliche Bild.
In dem Schritt S104 werden die Anomalitäten erfaßt. Lokale Anomalitäten in den Eigenschaftsbildern werden mit der gleichen räumlichen Auflösung wie das ursprüngliche Bild erfaßt, während regionale Anomalitäten, beispielsweise aufgrund einer flachen Welle in der Oberfläche oder einer Oberflächenrauhigkeit, durch eine Berechnung des Bewegungsmittelwerts oder der Bewegungsstandardabweichung der Neigung der Oberflächenelemente gefolgt von einem Vergleich der resultierenden statistischen Figuren mit Schwellen erfaßt werden. Die Ausgabe des Schritts S104 sind mehrere binäre Bilder, wie durch die Mehrzahl von Pfeilen, die den Schritt S104 und den Schritt S106 verbinden, gezeigt ist.
In dem Schritt S106 werden Merkmale von den binären Bildern, die in dem Schritt S104 erzeugt werden, gewonnen. Einfache oder komplexe geometrische Merkmale werden berechnet, wie z. B. die Fläche und die Form von Flecken in den binären Bildern. Zusätzlich können Nachbarschaftsbeziehungen berücksichtigt werden, beispielsweise eine Akkumulation von Flecken, oder die Überlappung von Flecken in unterschiedlichen Schichten mehrerer binärer Bilder, die von dem Schritt S104 empfangen werden.
In dem Schritt S108 wird die Klassifikation durchgeführt, wobei die segmentierten Regionen des Erfassungsbilds aufgrund der gewonnenen Merkmale klassifiziert werden.
Vor dem Beschreiben bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bezugnehmend auf Fig. 2 veranschaulicht, wie Licht abhängig von dem Reflexionsvermögen, dem Glanz bzw. der Neigung einer Oberfläche gestreut wird.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die für eine Bilderfassung verwendet wird, ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dazu bestimmt, Informationen bezüglich des Reflexionsvermögens, des Glanzes, der Farbe und der Neigung der Oberflächenelemente, die inspiziert werden, zu sammeln. Die Vorrichtung und das Verfahren, die nachfolgend beschrieben werden, basieren auf Betrachtungen, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, die die Art zeigt, auf die Licht von einem Oberflächenelement gestreut wird, wenn dasselbe durch einen Lichtstrahl beleuchtet wird, der senkrecht auf die inspizierte Oberfläche einfällt.
In Fig. 2a sind die Streuungscharakteristika bezüglich des Reflexionsvermögens einer Oberfläche S gezeigt. In Fig. 2a fällt ein Lichtstrahl 200 senkrecht auf die Oberfläche S ein, wobei Lichtstrahlen 202 von der Oberfläche S zurückemittiert werden. Wie aus Fig. 2a zu sehen ist, ist eine Linie 204 um die zurückemittierten Strahlen 202 gezogen, die die Strahlungskeule des reflektierten Lichts anzeigt. Wie aus Fig. 2a zu sehen ist, ist für ein geringes Reflexionsvermögen der Oberfläche S (linke Seite der Fig. 2a) die Energie des zurückemittierten Lichts gering, wie durch die kleine Strahlungskeule 204 angezeigt ist, die ein geringes Volumen V&sub1; der Verteilung des reflektierten Lichts anzeigt. Im Fall eines hohen Reflexionsvermögens der Oberfläche S ist die Energie des zurückemittierten Lichts hoch, wie durch die große Strahlungskeule 204 dargestellt ist, d. h. das Volumen V&sub2; der Verteilung des reflektierten Lichts ist hoch. Wie aus Fig. 2a zu sehen ist, ist die Form der Lichtverteilung, d. h. der Strahlungskeulen 204, identisch.
Bezüglich Fig. 2b ist die Lichtverteilung des zurückemittierten Lichts für einen unterschiedlichen Glanz der Oberfläche S dargestellt. Wiederum fällt ein Lichtstrahl 200 senkrecht zu der Oberfläche S ein. Im Fall eines geringen Glanzes der Oberfläche S (linke Seite von Fig. 2b) ist die Lichtverteilung, wie sie durch die Strahlungskeule 204 gezeigt ist, breit. Für einen hohen Glanz der Oberfläche S (rechte Seite von Fig. 2b) ist die Lichtverteilung, die wiederum durch die Strahlungskeule 204 angezeigt ist, schlank. Es wird angenommen, daß die Verteilung des reflektierten Lichts, die durch die Volumina V&sub1; und V&sub2; angezeigt ist, in dem Fall eines geringen Glanzes der Oberfläche S und für eine Oberfläche S eines hohen Glanzes bei diesem Beispiel identisch ist.
In Fig. 2c ist die reflektierte Lichtverteilung im Fall einer Neigung in der Oberfläche S gezeigt. Wiederum fällt ein Lichtstrahl 200 senkrecht auf die Oberfläche S ein, wobei die reflektierte Lichtverteilung wiederum durch die Strahlungskeule 204 angezeigt ist, wohingegen die Menge an reflektiertem Licht wiederum durch die Volumina V&sub1; und V&sub2; gezeigt ist. Für ein horizontales Oberflächenelement wird die Lichtverteilung 204 symmetrisch bezüglich der Oberflächennormale sein, und wird geneigt sein, wenn das Oberflächenelement S eine Neigung 206 aufweist. Die Volumina V&sub1; und V&sub2; sind in beiden Fällen gleich.
Die unterschiedlichen Formen der Strahlungskeulen 204 und der Volumina V&sub1;, V&sub2; der Verteilung des zurückemittierten Lichts können durch ein gleichzeitiges Beobachten des beleuchteten Oberflächenelements mit mehreren lichtempfindlichen Sensoren von unterschiedlichen Richtungen unterschieden werden. Das gleiche gilt, wenn die Lichtquelle, die in Fig. 2 zur Beleuchtung der Oberfläche S mit dem Lichtstrahl 200 verwendet ist, durch einen einzelnen lichtempfindlichen Sensor, wie z. B. eine Kamera, ersetzt ist, und wenn die Sensoren durch Lichtquellen ersetzt sind.
Die Vorrichtung zur Bilderfassung, die durch die oben genannte Anordnung erhalten wird, wird detaillierter bezugnehmend auf Fig. 3 beschrieben.
Die Vorrichtung von Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und ist mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet. Die Vorrichtung 300 umfaßt eine Kamera C, die eine Farblinien-Abtastkamera ist. Die Kamera C umfaßt eine Linse 304 und einen Verarbeitungsabschnitt 306 zum Erzeugen von Signalen, die die empfangenen Bilder darstellen. Der Abschnitt 306 besitzt drei Ausgangssignale R, G, B, wobei die Signale ein rotes Bild (R), ein grünes Bild (G) und ein blaues Bild (B) darstellen. Die Kamera C ist oberhalb der Oberfläche S. die inspiziert werden soll, auf eine solche Art und Weise angeordnet, daß die Normale 308 der Oberfläche S mit der Beobachtungsachse 310 der Kamera C zusammenfällt.
Ferner sind drei Lichtquellen L1, L2 und L3, die Lichtstrahlen 312, 314 und 316 unterschiedlicher spektraler Charakteristika emittieren, vorgesehen. Licht von den jeweiligen Lichtquellen wird unter einem Winkel γ durch die inspizierte Linie der Oberfläche betrachtet. Die Lichtstrahlen 312 von der ersten Lichtquelle L1 werden über einen Spiegel M auf eine solche Art und Weise zu der Oberfläche S gerichtet, daß dieselben senkrecht auf die Oberfläche S einfallen. Die Lichtquellen L2 und L3 sind derart angeordnet, daß die jeweiligen Lichtstrahlen 314 und 316, die von den Lichtquellen emittiert werden, mit der Normalen 308 der Oberfläche S einen Winkel β einschließen.
Die Lichtquelle L1 beleuchtet die Oberfläche S unter Hellfeldbedingungen mittels des Spiegels M, der ein Strahlteilerspiegel sein kann. Die Lichtquellen L2 und L3 beleuchten die Oberfläche S unter symmetrischen Dunkelfeldbedingungen. Eine Hellfeldbedingung ist eine Bedingung, bei der, beispielsweise durch eine Lichtquelle L1, emittiertes Licht von einer spiegelnden Oberfläche S zurück zu der Linse 304 der Kamera C hin reflektiert wird. Eine Dunkelfeldbedingung ist eine Bedingung, bei der, in dem Fall einer nichtdefekten Oberfläche, Licht, das beispielsweise durch eine Lichtquelle L2 emittiert wird, vorn einer spiegelnden Oberfläche nicht zu der Linse 304 der Kamera C hin reflektiert wird. Die Winkel β und · können entsprechend den Anforderungen der Anwendung für eine optimierte Empfindlichkeit und Robustheit der Messungen gewählt werden. Beispielsweise muß für glänzende Oberflächen β klein sein.
Bei den meisten Anwendungen ist es möglich, auf den Strahlteilerspiegel M zu verzichten und eine nicht-symmetrische Anordnung für eine Bilderfassung zu verwenden. Eine solche Anordnung ist als ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Fig. 4 gezeigt.
In Fig. 4 sind die gleichen Bezugszeichen für identische Elemente, die bereits bezugnehmend auf Fig. 3 beschrieben wurden, verwendet. Der Unterschied zwischen der Vorrichtung, die in Fig. 4 gezeigt ist, und der Vorrichtung, die in Fig. 3 gezeigt ist, besteht darin, daß die Beobachtungsachse 310 der Kamera C und die Lichtstrahlen 312, die von der Lichtquelle L1 emittiert werden, nicht mit der Senkrechten 308 der Oberfläche S zusammenfallen. Die Beobachtungsachse 310 und die Normale 308, ebenso wie die Lichtstrahlen 312 der Lichtquelle L1 und die Normale 308 schließen einen Winkel a ein.
Bezüglich der obigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Fig. 3 und 4 klar, daß bei diesen Ausführungsbeispielen drei verschiedene Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanäle verwendet sind, wobei der erste Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal durch eine lichtempfindliche Sensorvorrichtung, die gemäß den Fig. 3 und 4 die Kamera C ist, und durch die erste Lichtquelle L1 gebildet ist, wobei die Kamera C Licht des ersten Lichtstrahls 312, der von dem Oberflächenelement S zurückemittiert wird, empfängt. Der zweite Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal ist durch die lichtempfindliche Sensorvorrichtung C und die zweite Lichtquelle L2 gebildet, wobei die lichtempfindliche Sensorvorrichtung oder Kamera C Licht von dem zweiten Lichtstrahl 314, der von dem Oberflächenelement S zurückemittiert wird, empfängt. Der dritte Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal ist durch die lichtempfindliche Sensorvorrichtung oder Kamera C und die dritte Lichtquelle L3 gebildet, wobei die Kamera C Licht des dritten Lichtstrahls 316, der von dem Oberflächenelement 5 zurückemittiert wird, empfängt. Bei den Ausführungsbeispielen, die bezugnehmend auf die Fig. 3 und 4 beschrieben sind, besitzen die drei Lichtstrahlen 312, 314 und 316 alle unterschiedliche Charakteristika, und besitzen gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel unterschiedliche spektrale Charakteristika, d. h. unterschiedliche Farben.
Bei dem Ausführungsbeispiel, das bezugnehmend auf die Fig. 3 und 4 beschrieben ist, sind die zweite Lichtquelle L2 und die dritte Lichtquelle L3, die unter einer Dunkelfeldbedingung wirksam sind, bezüglich der Normalen 308 der Oberfläche S oder bezüglich des ersten Lichtstrahls 312, der von der ersten Lichtquelle L1 emittiert wird, symmetrisch angeordnet. Es sei jedoch angemerkt, daß die Lichtquellen L2 und L3 auf eine nicht-symmetrische Art und Weise angeordnet sein können. Bezüglich der Position der ersten Lampe L1 ist anzumerken, daß dieselbe etwas von der erwarteten Spiegelrichtung, die in Fig. 4 gezeigt ist, abweichen kann, ohne die Hellfeldbedingung zu stören. Zusätzlich zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel können die zweite und die dritte Lichtquelle symmetrisch bezüglich der Normalen 308 der Oberfläche S oder bezüglich des ersten Lichtstrahls 312, der von der ersten Lichtquelle L1 emittiert wird, angeordnet sein.
Der oben beschriebene Grundsatz, der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist jedoch nicht auf drei Beleuchtungskanäle und drei Farbkanäle der Kamera beschränkt, oder, grober ausgedrückt, auf nur drei Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanäle, sondern kann auf N Beleuchtungs- und Beobachtungs-Kanäle erweitert werden.
Die Lichtquellen L1, L2 und L3 können einfach farbige Fluoreszenzlampen sein. Dieselben können ferner Reihen von Halogenlampen sein, die mit Farbfiltern ausgestattet sind, oder dieselben können unter Verwendung einer kollimierten Faseroptik aufgebaut sein. Die letztgenannte Realisierung besitzt den Vorteil einer sehr hellen und gleichmäßigen Beleuchtung der inspizierten Linie der Oberfläche S. was bei schnellen Anwendungen notwendig ist, speziell da die Dunkelfeldbeleuchtung, die beim photometrischen Stereo verwendet wird, viel Licht erfordert. Neben den oben genannten Fluoreszenzlampen können beliebige Glühlampen, Gasentladungslampen (farbig oder mit breitem Spektrum), LEDs und Laser zum Beleuchten der Oberfläche verwendet werden.
Die drei charakteristischen Winkel α, β und γ bei der Vorrichtung zur Bilderfassung, wie sie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, können unabhängig in jeder der genannten Beziehungen zur Beleuchtung gewählt werden. Der Winkel γ muß sorgfältig ausgewählt werden, um glänzende Defekte zu erfassen. Wenn Fluoreszenzröhren verwendet werden, kann dieser Winkel durch eine Änderung des Abstands zwischen den Lampen und der inspizierten Oberfläche oder durch das Hinzufügen von Spiegeln hinter den Lampen oder durch das Hinzufügen weiterer Fluoreszenzröhren bestimmt werden.
Die verwendeten Lichtquellen sind keine Punktlichtquellen, sondern sind etwas ausgedehnt. Gemäß Fig. 3 wird angenommen, daß Fluoreszenzröhren verwendet sind, die sich senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Oberfläche erstrecken. In der Bewegungsrichtung der Oberfläche ist die Abmessung durch den Durchmesser der Röhren definiert. Basierend auf dem Abstand der Röhren von der beobachteten Linie auf der Oberfläche und dem Durchmesser der Röhren wird der Winkel γ (Gamma) bestimmt, unter dem die Oberfläche mit Licht beleuchtet wird. Es ist bevorzugt, daß der Winkel γ variiert werden kann, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Im Falle von Fluoreszenzröhren kann diese Variation erhalten werden, indem der Abstand zwischen den Röhren und der Oberfläche geändert wird, indem die Röhren partiell bedeckt werden, oder, wie in Fig. 5 gezeigt ist, indem eine Mehrzahl von Röhren parallel angeordnet wird.
Entsprechende Maßnahmen können vorgenommen werden, wenn kollimierte Faserleitungsoptiken verwendet werden.
Bezugnehmend auf Fig. 5 wird die Beleuchtung unter Dunkelfeldbedingungen detaillierter erklärt.
In Fig. 5a ist eine Lichtquelle 500, die einen Lichtstrahl 502 emittiert, zum Beleuchten einer Oberfläche S, die in eine Richtung, die durch einen Pfeil 504 angezeigt ist, bewegt wird, verwendet. Der einfallende Lichtstrahl 502 wird an einem Defektabschnitt 506 der Oberfläche S reflektiert, wobei die Verteilung der reflektierten Lichtenergie durch die Strahlungskeule 508 gezeigt ist. Die Kamera C ist oberhalb der Oberfläche S auf eine solche Art und Weise angeordnet, daß ihre Beobachtungsachse 310 mit der Senkrechten 308 der Oberfläche S zusammenfällt.
In Fig. 5b ist eine ähnliche Anordnung gezeigt, bei der die Lichtquelle 500 durch drei Lichtquellen 500a, 500b und 500c, die jeweilige Lichtstrahlen 502a, 502b und 502c emittieren, ersetzt ist, was eine Verteilung der reflektierten Energie, wie sie durch Strahlungskeulen 508a, 508b und 508c angezeigt ist, zur Folge hat. Die Lichtquellen 500a, 500b und 500c sind durch eine Mehrfachfaseroptik gebildet. Aus einem Vergleich der Fig. 5a und 5b wird klar, daß eine Breitwinkel- Dunkelfeldbeleuchtung mit mehreren Faseroptiken, wie sie in Fig. 5b gezeigt sind, zu bevorzugen ist, da die Vorteile einer solchen Anordnung ein erhöhter Lichtbeleuchtungspegel und eine erhöhte Wahrscheinlichkeit zur Erfassung von Reflexionen von glänzenden Defekten sind.
Es sei angemerkt, daß statt der Verwendung einer Beleuchtung/Farbe eine Anzahl von Beleuchtern der gleichen Farbe verwendet werden kann, wenn der Raumwinkelunterschied derselben relativ gering gehalten wird. Dies kann sogar einen besseren Defektkontrast bei bestimmten Materialien zur Folge haben.
Mit einer Vorrichtung zur Bilderfassung, wie sie bezugnehmend auf die Fig. 3 und 4 beschrieben ist, werden Neigungsoberflächenelemente oder Stufen in der Oberfläche, die inspiziert wird, nur erfaßt, wenn die Oberflächensenkrechte 308 eine Komponente besitzt, die in der Richtung 302 der Oberflächenbewegung ausgerichtet ist. Stufen, die parallel zu der Bewegungsrichtung 302 ausgerichtet sind, können nicht erfaßt werden. Dies macht eine solche Vorrichtung sogar für die Inspektion eines Profilmaterials, beispielsweise von extrudierten Profilen, geeignet, wobei die Vorrichtung jedoch nicht für Anwendungen geeignet ist, bei denen im Gewebe abwärts ausgerichtete 3D-Defekte auftreten können und erfaßt werden müssen. Für solche Anwendungen sollte das einfallende Licht von den Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtungen quer zur Bewegungsrichtung ausgerichtet sein und nicht parallel. Ein solcher Beleuchtungstyp kann durch eine seitliche Beleuchtung realisiert werden, was nachfolgend detaillierter bezugnehmend auf Fig. 6 erläutert wird.
Die Vorrichtung 600 umfaßt die Kamera C, die oberhalb der Oberfläche S angeordnet ist, wobei die Bewegungsrichtung der Oberfläche S aus der Ebene von Fig. 6 stattfände. Anstelle der Lichtquellen L1 bis L3, die bei den Ausführungsbeispielen, die bezugnehmend auf die Fig. 3 und 4 beschrieben wurden, verwendet sind, umfaßt die Vorrichtung 600 Standardfaserbeleuchtungseinrichtungen F1, F2 und F3. In Fig. 6 ist das Beobachtungsfeld der Kamera C begrenzt, wie durch die zwei gestrichelten Linien 602 und 604 gezeigt ist. Wie aus Fig. 6 zu sehen ist, ist der Beleuchtungsbereich der Faserbeleuchtungseinrichtung F1, die durch gestrichelte Linien 606 und 608 gezeigt ist, derart, daß Licht von der ersten Beleuchtungseinrichtung F1, das durch die Oberfläche S reflektiert wird, zu der Kamera C geleitet wird, derart, daß die Beleuchtungseinrichtung F1 unter einer Hellfeldbedingung wirksam ist. Die Faserbeleuchtungseinrichtung F2 besitzt einen Bereich, in dem Licht emittiert wird, der begrenzt ist, wie durch die gestrichelte Linie 610 gezeigt ist, während die Beleuchtungseinrichtung F3 einen Bereich einer Beleuchtung der Oberfläche S aufweist, der begrenzt ist, wie durch die gestrichelte Linie 612 gezeigt ist. Die Beleuchtungseinrichtungen F2 und F3 sind unter einer Dunkelfeldbedingung wirksam, d. h., daß in dem Fall einer nichtdefekten Oberfläche das Licht von den Beleuchtungseinrichtungen F2 und F3 durch eine spiegelnde Oberfläche S nicht zu den Linsen 304 der Kamera C hin geleitet wird. Der angezeigte Beleuchtungsbereich der Beleuchtungseinrichtungen F2 und F3 wird erreicht, indem dieselben in einer geneigten Stellung unter einem erforderlichen Beleuchtungswinkel angeordnet werden. Die Beleuchtungseinrichtung F1 kann mit der Kamera C ausgerichtet sein. Grundsätzlich ist die Hellfeldbeleuchtungseinrichtung F1 auf die gleiche Weise positioniert wie die Lichtquelle oder Lampe L1 in Fig. 4. Anstelle der Faserbeleuchtungseinrichtungen F1, F2 und F3 können Beleuchtungseinrichtungen wie Halogenlampen mit Farbfiltern verwendet werden.
Dieser Aufbau ist nicht empfindlich gegenüber Höhenabweichungen und Schwingungen der Oberfläche, leidet jedoch unter einem Neigungsbeleuchtungsprofil. Abhängig von dem Reflexionsvermögen der Oberfläche kann dies problematisch sein oder nicht. Wenn die Oberfläche nicht sehr spiegelnd ist, kann die ungleichmäßige Beleuchtung durch eine ordnungsgemäße Korrektur des resultierenden Videosignals kompensiert werden, ohne viel des dynamischen Bereichs an den Grenzen der beleuchteten Fläche zu verlieren.
Bezugnehmend auf Fig. 7 wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Seitenbeleuchtung beschrieben.
In Fig. 7 sind diejenigen Elemente, die bereits bezugnehmend auf die Fig. 3 und 4 beschrieben wurden, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei eine weitere Beschreibung weggelassen ist. Um die Oberfläche S, die inspiziert wird, zu beleuchten, ist eine Faseroptik 700 verwendet. Die Faseroptik ist über einen geeigneten Wellenleiter (nicht gezeigt) mit einer Lichtquelle verbunden. Die Faseroptik 700 emittiert Licht unter verschiedenen Beleuchtungswinkeln, wie aus Fig. 7b zu sehen ist. Eine erste Mehrzahl von Lichtstrahlen 704 und eine zweite Mehrzahl von Lichtstrahlen 706 sind verwendet, um eine Dunkelfeldbeleuchtung der Oberfläche S zu erreichen. Wie aus Fig. 7b klar wird, werden Strahlen (rays bzw. beams) 704 und 706 nicht zu der Linse 304 der Kamera C hin geleitet, wenn sie durch eine spiegelnde Oberfläche S ohne Defekte reflektiert werden. Eine Mehrzahl von Strahlen 708 wird senkrecht zu der Oberfläche S hin geleitet und liefert die Hellfeldbeleuchtung der Oberfläche S. da Licht von dem Strahl 708 direkt zu der Linse der Kamera C reflektiert wird. In Fig. 7a sind die emittierten Lichtstrahlen in einer Seitenansicht gezeigt und mit dem Bezugszeichen 710 bezeichnet. Durch eine Linse 712 oder dergleichen werden die Lichtstrahlen parallel gerichtet.
Bezugnehmend auf Fig. 8 wird die innere Struktur der Faseroptik 700 detaillierter beschrieben. Die Faseroptik 700 umfaßt eine erste Abdeckschicht 802 und eine zweite Abdeckschicht 804, zwischen denen drei Faserschichten 806, 808 und 810 sandwichartig angeordnet sind. Die Faserschicht 808 umfaßt, wie die übrigen Faserschichten 806 und 810, eine Mehrzahl von einzelnen Fasern 808, um ein Bündel von Fasern zu bilden, die in der Richtung, die durch den Pfeil 808b angezeigt ist, ausgerichtet sind. Die Faserschicht 806 umfaßt ferner eine Mehrzahl von Fasern 806a, die verglichen mit der Anordnung von Fasern 808a in der Schicht 808 in einer geneigten Position angeordnet sind, wie durch einen Pfeil 806b angezeigt ist. In gleicher Weise besitzt die Faserschicht 810 eine Mehrzahl von Fasern 810a, die bezüglich der Fasern 808a in der Schicht 808 geneigt sind, jedoch in eine andere Richtung als die geneigten Fasern 806a in der Schicht 806, wie durch einen Pfeil 810b angezeigt ist. Bei dieser Realisierung sind die unterschiedlichen Beleuchtungswinkel innerhalb einer einzelnen Faserbeleuchtungseinrichtung aufgebaut. Dies wird erreicht, wie in Fig. 8 gezeigt ist, indem die Faser 700 in mehrere Schichten 806 bis 810 unterteilt ist, wobei jede der Schichten 806 bis 810 einem der erforderlichen Beleuchtungskanäle entspricht. Die unterschiedlichen Beleuchtungswinkel werden erreicht, indem die Fasern 806a und 810a der jeweiligen Schicht 806 und 810 in dem Winkel geneigt werden, der dem erforderlichen Beleuchtungswinkel entspricht, wenn das Snelliussche Gesetz (Brechungsgesetz) berücksichtigt wird. Es sei angemerkt, daß mehr als eine Schicht pro Beleuchtungswinkel verwendet werden kann. Statt des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels unter Verwendung von sandwichartig angeordneten Faseroptikschichten, ist es ebenfalls möglich, eine Anordnung mit nur einer Faserschicht mit geraden Fasern zur Beleuchtung unter der Hellfeldbedingung zu verwenden, und ein integriertes Paar von Faserschichten mit geneigten Fasern für die Dunkelfeldbeleuchtung zu verwenden. Ferner können drei getrennte Faserschichten zum Beleuchten der Oberfläche unter der Hellfeldbedingung und unter der Dunkelfeldbedingung verwendet werden. Neben der oben beschriebenen Anordnung, die drei unterschiedliche Beleuchtungen der Oberfläche liefert, ermöglicht eine Anordnung, die beispielsweise zwei oder mehr des sandwichartigen Aufbaus von Faserschichten verwendet, eine Beleuchtung der Oberfläche in mehr als drei Richtungen.
Es sei angemerkt, daß unterschiedlich geneigte Faserschichten in getrennten Beleuchtungseinrichtungen plaziert sein können. Das heißt, daß statt der Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung mit drei oder mehr Faserschichten, drei getrennte Beleuchtungseinrichtungen mit einer oder mehr Fasern verwendet werden können, jede mit Fasern, die in ordnungsgemäßen Winkeln geneigt sind. Es ist daher möglich, drei vollständig getrennte Beleuchtungseinrichtungen zu verwenden, wobei jede ihre eigene interne Struktur besitzt, d. h. ihre eigenen Neigungswinkel und so viele Faserschichten, wie benötigt werden. Beispielsweise könnte die erste Beleuchtungseinrichtung nur geradlinige Fasern und nur eine Schicht aufweisen, die zweite Beleuchtungseinrichtung könnte Fasern, die um 30 Grad "nach links" geneigt sind, und nur eine Schicht aufweisen, während die dritte Beleuchtungseinrichtung Fasern, die um 30 Grad "nach rechts" geneigt sind, und beispielsweise zwei Schichten aufweist. Allgemein können die Beleuchtungseinrichtungen mit geneigten Fasern eine oder mehrere Beleuchtungsrichtungen erzeugen und können aus einer oder mehreren Faserschichten pro Beleuchtungsrichtung bestehen.
Die Anordnung, die in Fig. 8 gezeigt ist, besitzt die folgenden Vorteile:
sowohl die Kamera als auch die Beleuchtungseinrichtung können in einem Winkel eingestellt sein, der sehr nahe bei der Oberflächennormalen ist. In diesem Fall fallen die Beobachtungsebene und die Beleuchtungsebene beinahe zusammen, weshalb die Anordnung nicht empfindlich bezüglich Höhenvariationen und Vibrationen der Oberfläche, die inspiziert wird, ist,
die Lichtkomponenten unterschiedlicher Farben, beispielsweise Rot, Grün und Blau, werden automatisch überlappen, wobei keine Ausrichtungsprobleme entstehen, und
die Struktur, die in Fig. 8 gezeigt ist, ist sehr kompakt und besteht aus nur einer Faserleitung und einer zylindrischen Linse (siehe Fig. 7a).
Im folgenden wird die Leistungsversorgung für die Beleuchtung durch eine Faseroptik detailliert erläutert. Die Dunkelfeldbeleuchtung, die bei dem photometrischen Stereoverfahren verwendet wird, erfordert typischerweise viel Licht. Die gegenwärtigen Lösungen verwenden häufig mittels Hochfrequenz oder Gleichstrom mit Leistung versorgte Halogenlampen für die Dunkelfeldbeleuchtung. Diese Lösungen sind wenig aufwendig, wobei jedoch das Spektrum der Halogenlampen im sichtbaren Bereich relativ schwach ist, speziell in der Grün- und der Blau-Region, und viel leistungsstärker in dem Nahe-Infrarot- und Infrarot-Abschnitt des Spektrums.
Bei einer schnellen Bilderzeugung werden die spektral überlegenen Metallhalogenlampen im allgemeinen nicht verwendet, da die normalen mit Wechselleistung versorgten Metallhalogenlampen horizontale Streifen in Bildern erzeugen, die als die 100-Hz-Modulation bekannt sind. Diese Modulation tritt aufgrund der Tatsache auf, daß die Metallhalogenlampe zwischen den Phasen der angelegten Spannung praktisch schwarz ist. Hochfrequenz- und Gleichsignal-Leistungsversorgungen für Metallhalogenlampen sind sehr aufwendig und für Kurzbogenlampen mit einer Leistung von mehr als 100 W typischerweise nicht einmal verfügbar.
Bezugnehmend auf Fig. 9 wird ein neuer Lösungsansatz unter Verwendung von Metallhalogenlampen beschrieben. In Fig. 9 ist eine Lampeneinheit 900 und eine Steuereinheit 902 gezeigt. Die Lampeneinheit 900 umfaßt eine erste, eine zweite und eine dritte Metallhalogenlampe L1, L2 und L3, die durch jeweilige Steuerelemente 902a, 902b und 902c in der Steuereinheit 902 gesteuert werden. Die Steuerelemente 902a bis 902c empfangen über Leitungen 904a, 904b und 904c eine Leistung. Die Leistung, die an die jeweiligen Steuerelemente 902a bis 902c angelegt wird, unterscheidet sich bezüglich der Phase. Jede Lampe L1, L2 und L3 ist mit entweder ellipsoiden Reflektoren oder Fokussierungslinsen versehen, um das Licht, das von den Lampen L1, L2 und L3 emittiert wird, zu zugeordneten Filterelementen F1, F2 und F3 zu fokussieren, um eine Ausgabe der Lampeneinheit auf Faserbündel 908a, 908b und 908c unterschiedlicher Farbe zu liefern. Optionale IR- Filter 906a, 906b und 906c können verwendet werden, um die IR-Komponente des Lichts zu blockieren, um die Faserbündel vor übermäßiger Wärme zu schützen.
Die Steuereinheit 902 steuert die Metallhalogenlampen L1 bis L3 durch eine dreiphasige Wechselleistung, die über die Leitungen 904a, 904b und 904c zugeführt wird. Die Lampen sind mit einer Faserleitung, die die Faserbündel 908a, 908b und 908c aufweist, verbunden, wobei die Faserleitung einen Zufallsfaseraufbau besitzt. Die Lampen sind in Gruppen von drei Lampen mit der Faserleitung verbunden, so daß jede dieser Lampen verglichen mit den anderen mit einer Phasenverschiebung von 120º arbeitet. Wenn die Fasern in der Faserleitung ordnungsgemäß zufallsmäßig angeordnet sind, ist die resultierende Beleuchtungsausgabe zu keiner Zeit Null, was einen reduzierten Welligkeitsbetrag in dem Bild zur Folge hat. Die verbleibende Welligkeit kann unter Verwendung gut bekannter analoger oder digitaler Signalverarbeitungseinrichtungen ohne weiteres beseitigt werden. Die Anordnung, die in Fig. 9 gezeigt ist, besitzt den Vorteil, daß effiziente Metallhalogenlampen verwendet werden können ohne begrenzende und aufwendige Zubehörteile.
Bei dem Aufbau, der in Fig. 9 gezeigt ist, werden die verschiedenfarbigen Lichtkomponenten durch Farbfilter F1, F2 und F3 erzeugt, wobei getrennte Lampen L1, L2 und L3 für jede Farbe verwendet werden. Jedoch verschwendet eine solche Anordnung viel Beleuchtungsleistung, da nur ein schmaler Bereich des Spektrums durch den Durchlaßbereich des Filters gelassen und der Faserleitung zugeführt wird. Statt der Anordnung, die in der Lampeneinheit 900 gezeigt ist, besteht eine bevorzugte Wahl darin, eine Anordnung zu verwenden, wie sie bezugnehmend auf Fig. 10 beschrieben wird. Neben den oben beschriebenen Metallhalogenlampen können beliebige mit Wechselstrom betriebene Lampen verwendet werden.
In Fig. 10 ist eine Anordnung gezeigt, die nur eine Lampe verwendet, um die drei Farben zu erzeugen. Ein Lichtstrahl 1000 von einer Lampe (nicht gezeigt) wird auf ein blaues Licht reflektierendes Filter 102 gerichtet, das nur rotes und grünes Licht durchläßt, wie durch einen Pfeil 1004 gezeigt ist, und blaues Licht reflektiert, wie durch einen Pfeil 1006 gezeigt ist. Das blaue Licht wird dann wiederum durch ein Blau-Filter 1008 gefiltert, wobei das blaue Licht an einem ersten Ausgang 1010 ausgegeben wird. Das rote und grüne Licht wird zu einem rotes Licht reflektierenden Filter 1012 geleitet, das grünes Licht durchläßt, wie durch einen Pfeil 1014 gezeigt ist, und rotes Licht reflektiert, wie durch einen Pfeil 1016 gezeigt ist. Das transmittierte grüne Licht wird durch ein Grün-Filter 1018 geleitet, wobei ein grüner Lichtstrahl an einem zweiten Ausgang 1020 ausgegeben wird. Das rote Licht, das durch das Filter 1012 reflektiert wird, wird zu einem Rot-Filter 1022 geleitet, wobei ein roter Lichtstrahl an einem dritten Ausgang 1024 ausgegeben wird. Wie aus Fig. 10 zu sehen ist, werden alle Farbkomponenten aus einer einzelnen Lampe erzeugt, wobei in diesem Fall die Anzahl von Lampen grundsätzlich um einen Faktor von drei reduziert werden kann. Wenn geeignete dichroitische Filter verwendet sind, werden die zusätzlichen Farbfilter 1008, 1018 und 1022 nicht benötigt.
Bezugnehmend auf Fig. 11 wird nun die Abschätzung von physikalischen Eigenschaften eines Oberflächenelements, das inspiziert wird, gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 11 zeigt ein Blockdiagramm der ersten drei Schritte S100, S102 und S104, wie sie bezugnehmend auf Fig. 1 beschrieben wurden. Die Signale, die durch die Kamera C erfaßt werden, sind bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Signale, die ein rotes Bild (R), ein grünes Bild (G) und ein blaues Bild (B) darstellen. Die drei Bilder werden in einen Block 1100 eingegeben, in dem eine Kanaltrennung durchgeführt wird. Für die Beschreibung der Fig. 11 wird angenommen, daß die Hellfeldbeleuchtung der Oberfläche das rote Bild zur Folge hat, und daß die Dunkelfeldbeleuchtung ein grünes Bild für den linken Kanal (Lichtquelle L2 in Fig. 3) und ein blaues Bild für den rechten Kanal (Lichtquelle L3 in Fig. 3) zur Folge hat. Der Block 1100 gibt drei getrennte Signale aus, die den Einfluß der drei Beleuchtungskanäle darstellen. Die Signale xR, xG und xB werden in jeweilige Filter 1102, 1104 und 1106 und ferner in jeweilige Blöcke 1108, 1110, 1112 eingegeben, um Abweichungen der Signale nicht als Differenzen von dem Mittelwert, sondern als Kontrast auszudrücken. Die Berechnungen, die in Blöcken 1108, 1110 und 1112 durchgeführt werden, erfolgen auf der Basis der Signale, die von dem Block 1100 empfangen werden, und bezüglich der Signale, die von den jeweiligen Filtern 1102, 1104 und 1106 empfangen werden, die einen Durchschnittssignalwert des Signals, das von dem Block 1100 ausgegeben wird, ausgeben. Der Block 1108 gibt ein Signal aus, das das Hellfeld darstellt, der Block 1110 gibt ein Signal aus, das das Dunkelfeld des linken Kanals darstellt, und der Block 1112 gibt ein Signal aus, das das Dunkelfeld des rechten Kanals darstellt. Diese Signale werden in Blöcke 1114, 1116 und 1118 eingegeben. Der Block 1114 subtrahiert von dem Hellfeld das Dunkelfeld für den linken Kanal und für den rechten Kanal und gibt ein Signal aus, das den Glanz des inspizierten Oberflächenelements darstellt. Der Block 1118 bildet eine Differenz zwischen dem Dunkelfeld des linken Kanals und dem Dunkelfeld des rechten Kanals und gibt ein Signal aus, das die Neigung der Oberfläche, die inspiziert wird, darstellt. Der Block 1118 summiert das Hellfeld und die zwei Dunkelfelder und gibt ein Signal aus, das das Reflexionsvermögen der Oberfläche, die inspiziert wird, darstellt. Die Signale, die den Glanz, die Neigung und das Reflexionsvermögen anzeigen, werden in einen Block 1120 eingegeben, der Anomalitäten auf der Grundlage spezifischer Statistika und durch einen Schwellenvergleich der empfangenen Signale erfaßt. Der Block 1120 gibt desweiteren Signale für die weitere Verarbeitung, die bezugnehmend auf Fig. 1 beschrieben ist, aus, nämlich die Merkmalsgewinnung, die Klassifizierung und die Entscheidung. Die Signale R, G und B von der Kamera C werden ebenfalls in einen Farbklassifizierer 1122 eingegeben, der ein Signal ausgibt, das falschfarbige Regionen der Oberfläche anzeigt, das ebenfalls für die weitere Verarbeitung der Erfassungsbilder, die durch den Block 1120 ausgegeben werden, verwendet wird.
Wie aus der obigen Beschreibung von Fig. 11 klar wird, besteht das erste Ziel darin, die physischen Eigenschaften des Oberflächenelements, das inspiziert wird, aus dem Videosignal (R, G, B) der Kamera C abzuschätzen.
Allgemein wird die spektrale Verteilung der drei Kanäle R, G, B der Farblinien-Abtastkamera C eine bestimmte Überlappung zeigen, und/oder die spektrale Verteilung der Lichtquellen wird nicht exakt die Farbkanäle der Kamera C erfüllen. Folglich wird ein bestimmtes Übersprechen zwischen den drei Beleuchtungskanälen existieren, das durch ein Messen des Übersprechens für eine nicht-defekte Oberfläche und das Subtrahieren der jeweiligen Bruchteile des Übersprechens von den anderen zwei Kanälen für jeden Kanal R, G, B beseitigt wird, was in dem Block 1110 durchgeführt wird.
Bei den meisten Anwendungen ist es nicht notwendig, Absolutwerte von Figuren für das Reflexionsvermögen oder die Neigung des Oberflächenelements, das inspiziert wird, zu messen. Stattdessen müssen lokale Abweichungen von dem mittleren Erscheinungsbild der Oberfläche erfaßt werden. Dies wird durch die Stufe der adaptiven Filter 1102, 1104 und 1106, die der Kanaltrennung 1100 folgen, erreicht. Abhängig von den Bedürfnissen der Anwendung können die Filter beispielsweise Tiefpaßfilter oder Filter mit beweglichem Mittelwert sein. Durch die Berechnung in den Blöcken 1108, 1110 und 1112 (x- )/(x+ ) für jeden Kanal werden die Abweichungen nicht als Differenzen von dem Mittelwert, sondern als Kontrast ausgedrückt. Der Vorteil besteht darin, daß die Ergebnisse nicht durch den absoluten Beleuchtungspegel oder die Empfindlichkeit der Kamera C beeinflußt sind. Überdies werden die drei Kanäle auf die gleiche Art skaliert, ungeachtet beispielsweise eines sich ändernden Gleichgewichts der drei Beleuchtungskanäle, was für den folgenden Verarbeitungsschritt essentiell ist.
Das Ergebnis der oben beschriebenen Signalverarbeitungsstufe sind skalierte Bilder, die die Abweichungen von dem mittleren Erscheinungsbild für die drei Kanäle darstellen, nämlich das Hellfeld, das linke Dunkelfeld und das rechte Dunkelfeld. Aus diesen Bildern werden das Reflexionsvermögen, der Glanz und die Neigung des Oberflächenelements, das inspiziert wird, durch die Blöcke 1114, 1116 und 1118 wie folgt berechnet:
Das Reflexionsvermögen ist die Summe aller drei Kanäle, nämlich die reflektierte Gesamtlichtenergie, der Glanz ist das Hellfeld minus die Summe des Dunkelfelds, was einen hohen Glanz für eine schlanke Verteilung von reflektiertem Licht und einen geringen Glanz für eine breite Lichtverteilung ergibt (siehe Fig. 2), während die Neigung bestimmt wird, indem die Differenz zwischen dem linken Dunkelfeld und dem rechten Dunkelfeld gebildet wird, d. h. indem das Gleichgewicht der Dunkelfelder oder die Symmetrie der zurückemittierten Lichtverteilung überprüft wird.
In Verbindung mit dem ausgegebenen Bild des Bildklassifizierers tragen diese drei Bilder die Informationen bezüglich der physikalischen Eigenschaften der Oberfläche in einem expliziten Ausdruck mit der gleichen räumlichen Auflösung wie das ursprüngliche Bild.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel der Erzeugung eines Bilds, das die Neigung einer Oberfläche darstellt. In Fig. 12 ist ein linkes Dunkelfeldbild und ein rechtes Dunkelfeldbild gezeigt, ebenso wie das resultierende Bild, das Neigungen und andere 3D-Defekte auf der Oberfläche zeigt.
Fig. 12a zeigt das Bild des linken Dunkelfelds. Wie zu sehen ist, besitzt eine Oberfläche S bestimmte Flecken 1200 auf derselben, die beispielsweise Ölflecken sind. Fig. 12b zeigt das Bild des rechten Dunkelfelds, das im wesentlichen identisch ist. Fig. 12c zeigt das resultierende Bild, nachdem das Verfahren, das bezugnehmend auf Fig. 11 beschrieben ist, angewendet wurde. In Fig. 12c ist die Oberfläche S ohne die Ölflecken, die unterdrückt sind, zu sehen, wobei die 3D- Struktur der Oberfläche detailliert gezeigt ist. Das Bild, das in Fig. 12c gezeigt ist, ist die Ausgabe des Blocks 1116 und wird als ein Reliefbild bezeichnet.
Anomalitäten der inspizierten Oberfläche, Defektkandidaten, können durch einen einfachen Schwellenvergleich der Bilder, die das Reflexionsvermögen, den Glanz, die Neigung oder die Farbe darstellen (siehe Block 1120 in Fig. 11), erfaßt werden. Für bestimmte Klassen von Defekten wird dies nicht das geeignete Verfahren für eine Defekterfassung sein, beispielsweise für Wellen, flache Neigungsregionen auf der Oberfläche oder für eine Abschätzung der Oberflächenrauhigkeit. Für derartige Defekttypen ist es vorteilhaft, statistische Messungen anzuwenden, die auf die charakteristischen Merkmale der betrachteten Klassen von Defekten zugeschnitten sind. Beispielsweise wird der Mittelwert des Neigungsbilds, das durch den Block 1116 gebildet wird, in einem beweglichen Fenster für eine Erfassung flacher Neigungsregionen berechnet, oder die Standardabweichung des Neigungsbilds, das durch den Block 1116 gebildet wird, innerhalb eines beweglichen Fensters wird zur Abschätzung der Oberflächenrauhigkeit berechnet. Die Größe des beweglichen Fensters ist an die Größe der betrachteten Klasse von Defekten angepaßt. Für jedes Pixel werden die Ergebnisse der statistischen Messungen mit einer Schwelle verglichen.
Das Ergebnis dieser Signalverarbeitungsstufe sind Erfassungsbilder, die verdichtete Informationen bezüglich lokaler oder regionaler Anomalitäten der inspizierten Oberfläche tragen, bezüglich der physikalischen Eigenschaften Reflexionsvermögen, Glanz, Neigung und Farbe. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß diese Informationen mit einer hohen Zuverlässigkeit, einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen räumlichen Auflösung extrahiert werden können.
Im folgenden wird die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf die Stahlproduktion beschrieben.
Eine automatische visuelle Inspektion wird in Stahl-Walzwerken oder Walzwerken für andere Metalle (Aluminium, Kupfer) verwendet, um visuelle Inspektionen, die durch Bediener durchgeführt werden, zu ersetzen und zu unterstützen. Die typischen Charakteristika eines gewalzten flachen Streifens besitzen große Variationen:
- Breite ........................... 100 mm - 2.500 mm,
- Dicke ............................ 0,1 mm - 25 mm, und
- Herstellungsliniengeschwindigkeit 5 m/min - 1.500 m/min.
Die Streifen müssen in mehreren Prozeßstufen während der Herstellung inspiziert werden, um die Produktion von Ausschuß zu verhindern:
- Heißwalzen (T: 500ºC - 1.000ºC),
- Dekapier- und Ausheil-Prozesse (T < 100ºC),
- Kaltwalzen (T < 50ºC),
- Beschichten (Galvanisieren, Zinnplattieren, Bemalen, T < 100ºC),
- Schneiden und Teilen, und
- abschließende Inspektionen vor der Auslieferung an Kunden, wobei häufig spezielle Inspektionslinien verwendet werden.
Es existiert eine große Anzahl verschiedener visueller Oberflächendefekte, die für die Qualität des Streifens kritisch sind:
- metallurgische Defekte, die durch Unreinheiten und Schwächen in der inneren Struktur des Metalls bewirkt werden, die während der Walzprozesse sichtbar wurden (beispielsweise Splitter, Schuppen, Schlacken und Durchgangslöcher),
- Defekte, die durch Walzprozesse bewirkt werden, wie sich wiederholende Walzmarken, Dellen, Kratzer und eine ungleichmäßige Beschichtung, und
- Defekte, die durch eine mechanische Handhabung bewirkt werden.
Die Defekt-Längen und -Breiten können von 0,1 mm bis zu mehreren Metern variieren. Viele Defekte sind in der Walzrichtung länglich, so daß typischerweise die Defektlänge größer ist als die Defektbreite. Häufig sind kritische Defekte nicht flach, sondern besitzen dreidimensionale Formen aufgrund einer unterbrochenen Oberfläche oder von lokalen Dellen. Die Defekttiefen variieren von einigen 10 um bis hin zu durchgehenden Löchern.
Das visuelle Erscheinungsbild eines defektfreien Metallstreifens ist selten homogen. Es existieren typischerweise Schmutzstreifen, Ölflecken, ein ungleichmäßiges Reflexionsvermögen und eine Textur auf der Oberfläche, die ohne weiteres mit den echten Defekten verwechselt werden können. Häufig werden menschliche Inspektionen den Streifen anhalten und die Oberfläche per Hand berühren müssen, um herauszufinden, ob der Defekt kritische 3D-Charakteristika aufweist.
Bei höheren Liniengeschwindigkeiten sind menschliche visuelle Inspektionen sehr unzuverlässig, wobei keine hundertprozentige Inspektion garantiert werden kann.
Es existieren kontinuierlich zunehmende Trends dahingehend, die Qualität der Metallstreifen zu verbessern, motiviert durch anspruchsvolle Kunden, wie die Automobilindustrie, die dünnere Streifen verwenden und auf eine höhere Qualität abzielen.
Es hat sich als sehr schwierig erwiesen, eine automatische optische Inspektion bei der Metallstreifenherstellung anzuwenden. Es existieren mehrere Systeme auf dem Markt unter Verwendung entweder einer Laserabtastung oder von CCD-Linien-Abtastkameras, wobei jedoch kein wirklicher Durchbruch erreicht wurde. Häufig besitzen die Systeme mehrere Kameras (oder Detektoren), um die Oberfläche von unterschiedlichen Richtungen zu betrachten, wobei jedoch die Fähigkeiten derselben, die 3D-Formen der Defekte zu analysieren, sehr begrenzt sind. Grundsätzlich sind die Systeme, die auf der momentanen 2D-Technologie basieren, in der Lage, die Defekte zu erfassen, dieselben sind jedoch nicht gut genug, um zwischen wirklichen Defekten und nicht-wichtigen "Pseudodefekten" zu unterscheiden. Die komplizierten Bildverarbeitungs- und Mustererkennungs-Verfahren werden bei der Defektanalyse und Klassifikation verwendet, um die Schwäche der elenentaren Messung zu kompensieren. Jeder Defekttyp benötigt seine eigenen Parameter, und arbeitsaufwendige und zeitverbrauchende "Lern"-Perioden werden benötigt, um das automatische Inspektionssystem zu trainieren. Selbst in den besten Fällen bedarf es einer langen Zeit und großer Anstrengungen, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erreichen. Folglich besitzen die meisten Metall-Walzwerke keine Betriebsmittel, um die momentane Oberflächeninspektionstechnologie anzuwenden.
Die vorliegende Erfindung verbessert die Qualität des Meßsignals entscheidend, was eine viel lebensfähigere Basis für eine automatische Identifizierung der kritischen Defekte erzeugt. Die Möglichkeit, die 3D-Charakteristika von Defekten direkt zu messen, wird die Anlaufperioden der Systeme drastisch verkürzen, was das Haupthindernis der momentanen Technologie ist. Ferner ist das Erfassungsverhalten kleiner Defekte aufgrund besserer Messungen verbessert.
Bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen wurde die Oberfläche durch Licht unterschiedlicher Farben beleuchtet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Charakteristika der verwendeten Lichtstrahlen begrenzt. Statt des Lichts unterschiedlicher Farbe kann Licht mit unterschiedlicher Polarisation verwendet werden.
Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verwenden nur eine Farblinien-Abtastkamera und mehrere Beleuchtungskanäle, wobei die Signal-Erfassung und -Verarbeitung auf der Idee des photometrischen Stereos basiert.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) ist es möglich, bei der Anordnung, die in Fig. 3 gezeigt ist, eine Beleuchtungsquelle und eine Mehrzahl von Sensorvorrichtungen zu verwenden, beispielsweise Kameras, von denen jede ein Signal ausgibt. In diesem Fall ist der erste Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal durch eine erste lichtempfindliche Sensorvorrichtung und eine Lichtquelle gebildet, wobei die erste lichtempfindliche Sensorvorrichtung Licht einer ersten Charakteristik, das von dem Oberflächenelement zurückemittiert wird, empfängt, wobei die erste Lichtquelle das Oberflächenelement beleuchtet. Der zweite Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal ist durch eine zweite lichtempfindliche Sensorvorrichtung und die Lichtquelle gebildet, wobei die zweite lichtempfindliche Sensorvorrichtung Licht einer zweiten Charakteristik empfängt, das von dem Oberflächenelement zurückemittiert wird. Der dritte Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanal ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine dritte lichtempfindliche Sensorvorrichtung und die Lichtquelle gebildet, wobei die dritte lichtempfindliche Sensorvorrichtung Licht einer dritten Charakteristik, das von dem Oberflächenelement zurückemittiert wird, empfängt. Mit anderen Worten heißt das, daß dieses Ausführungsbeispiel nur eine Lichtquelle und drei lichtempfindliche Sensorvorrichtungen verwendet, die zurückemittiertes Licht unterschiedlicher Charakteristika von der Oberfläche empfangen. Die erste, zweite und dritte lichtempfindliche Sensorvorrichtung sind räumlich voneinander getrennt.

Claims

1. Verfahren zur automatischen Inspektion sich bewegender Oberflächen unter Verwendung von zumindest drei unterschiedlichen Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanälen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Beleuchten der Oberfläche (5), die inspiziert werden soll, unter einer Hellfeldbedingung durch einen ersten Lichtstrahl (312) von einer ersten Lichtquelle (L1), und Empfangen von Licht des ersten Lichtstrahls, das von der Oberfläche (S) zurückemittiert wird, durch eine lichtempfindliche Sensorvorrichtung (C), um ein erstes Signal (R) zu erhalten;

b) Beleuchten der Oberfläche (S) unter einer Dunkelfeldbedingung durch einen zweiten Lichtstrahl (314) und durch einen dritten Lichtstrahl (316) von einer zweiten bzw. dritten Lichtquelle (L2, L3), wobei der erste, der zweite und der dritte Lichtstrahl. (312, 314, 316) unterschiedliche spektrale Charakteristika aufweisen, und Empfangen von Licht des zweiten Lichtstrahls bzw. von Licht des dritten Lichtstrahls, das von der Oberfläche (S) zurückemittiert wird, durch die lichtempfindliche Sensorvorrichtung (C), um ein zweites Signal (G) und ein drittes Signal (B) zu erhalten; und

c) Ableiten von zumindest zwei der physikalischen Eigenschaften Reflexionsvermögen, Glanz und Neigung der Oberfläche (S) von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Signal (R, G, B), wobei Informationen bezüglich des Reflexionsvermögens der Oberfläche (S) aus der Summe des ersten, des zweiten und des dritten Signals abgeleitet werden, Informationen bezüglich des Glanzes der Oberfläche (S) von dem ersten Signal minus der Summe des zweiten und des dritten Signals abgeleitet werden, und Informationen bezüglich der Neigung der Oberfläche (S) von der Differenz des zweiten und des dritten Signals abgeleitet werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Beleuchtung der Oberfläche (S) durch den zweiten und den dritten Lichtstrahl (314, 316) bezüglich des ersten Lichtstrahls (312), der die Oberfläche (5) beleuchtet, bezüglich der Normalen (308) der Oberfläche (S) oder bezüglich der Beobachtungsrichtung (310) symmetrisch ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, das vor dem Ableiten von Informationen bezüglich des Reflexionsvermögens, des Glanzes und der Neigung der Oberfläche (S) folgende Schritte aufweist:

- Filtern des ersten, des zweiten und des dritten Signals; und

- Berechnen normierter Differenzen für jedes Signal, um die Signale auf die gleiche Weise zu skalieren.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das folgenden Schritt aufweist:

Erfassen von Anomalitäten der Oberfläche (S) bezüglich der abgeleiteten physischen Eigenschaft.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem der Schritt des Erfassens folgende Schritte aufweist:

Berechnen statistischer Merkmale aus der abgeleiteten physischen Eigenschaft; und

Vergleichen der abgeleiteten physischen Eigenschaft mit einer Schwelle.

6. Verfahren zur automatischen Inspektion sich bewegender Oberflächen unter Verwendung von zumindest drei verschiedenen Beleuchtungs/Beobachtungs-Kanälen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Beleuchten der Oberfläche durch einen Lichtstrahl von einer Lichtquelle;

b) Empfangen von Licht einer ersten spektralen Charakteristik, das von der Oberfläche zurückemittiert wird, unter einer Hellfeldbedingung durch eine erste lichtempfindliche Sensorvorrichtung, um ein erstes Signal zu erhalten;

c) Empfangen von Licht einer zweiten bzw. dritten spektralen Charakteristik, das von der Oberfläche unter einer Dunkelfeldbedingung zurückemittiert wird, durch eine zweite und eine dritte lichtempfindliche Sensorvorrichtung, um ein zweites Signal und ein drittes Signal zu erhalten, wobei die erste, die zweite und die dritte lichtempfindliche Sensorvorrichtung räumlich voneinander getrennt sind; und

d) Ableiten von zumindest zwei der physikalischen Eigenschaften Reflexionsvermögen, Glanz und Neigung der Oberfläche (S) von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Signal, wobei Informationen bezüglich des Reflexionsvermögens der Oberfläche (S) aus der Summe des ersten, des zweiten und des dritten Signals abgeleitet werden, Informationen bezüglich des Glanzes der Oberfläche (5) von dem ersten Signal minus der Summe des zweiten und des dritten Signals abgeleitet werden, und Informationen bezüglich der Neigung der Oberfläche (S) von der Differenz des zweiten und des dritten Signals abgeleitet werden.

7. Vorrichtung zur automatischen Inspektion beweglicher Oberflächen mit folgenden Merkmalen:

einer ersten Lichtquelle (L1), die die Oberfläche (S) mit Licht einer ersten spektralen Charakteristik unter einer Hellfeldbedingung beleuchtet;

einer lichtempfindlichen Sensorvorrichtung (C), die zurückemittiertes Licht der ersten spektralen Charakteristik empfängt, um ein erstes Signal (R) zu erhalten;

einer zweiten Lichtquelle (L2), die die Oberfläche (S) mit Licht einer zweiten spektralen Charakteristik unter einer Dunkelfeldbedingung beleuchtet, wobei sich die zweite spektrale Charakteristik von der ersten spektralen Charakteristik unterscheidet, wobei die lichtempfindliche Sensorvorrichtung (C) zurückemittiertes Licht der zweiten spektralen Charakteristik empfängt, um ein zweites Signal (G) zu erhalten;

einer dritten Lichtquelle (L3), die die Oberfläche (S) mit Licht einer dritten spektralen Charakteristik unter einer Dunkelfeldbedingung beleuchtet, wobei sich die dritte spektrale Charakteristik von der ersten und der zweiten spektralen Charakteristik unterscheidet, wobei die lichtempfindliche Sensorvorrichtung zurückemittiertes Licht der dritten spektralen Charakteristik empfängt, um ein drittes Signal (B) zu erhalten; und

einer Einrichtung zum Ableiten von zumindest zwei der physikalischen Eigenschaften Reflexionsvermögen, Glanz und Neigung der Oberfläche (S) von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Signal (R, G, B), wobei die Einrichtung zum Ableiten folgende Merkmale aufweist:

eine Einrichtung (1118) zum Summieren des ersten, des zweiten und des dritten Signals, um ein Signal zu liefern, das das Reflexionsvermögen der Oberfläche (5) darstellt;

eine Einrichtung (1114) zum Bilden einer Differenz zwischen dem ersten Signal und der Summe des zweiten und des dritten Signals, um ein Signal zu liefern, das den Glanz der Oberfläche (S) darstellt; und

eine Einrichtung (1116) zum Bilden einer Differenz zwischen dem zweiten und dem dritten Signal, um ein Signal zu liefern, das die Neigung der Oberfläche (S) darstellt.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die zweite und die dritte Lichtquelle (L2, L3) bezüglich eines Lichtstrahls (312) der ersten Lichtquelle (L1), bezüglich der Normalen (308) der Oberfläche (S) oder bezüglich der Beobachtungsrichtung (310) symmetrisch angeordnet sind.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, bei der die Einrichtung zum Ableiten einer physikalischen Eigenschaft eine Einrichtung (1120) zum Erfassen von Anomalitäten der Oberfläche (S) basierend auf der abgeleiteten physikalischen Eigenschaft aufweist.

10. Vorrichtung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 9, bei der die erste, die zweite und die dritte Lichtquelle durch eine eine Mehrzahl von Faseroptikeinrichtungen gebildet sind, wobei jede Faseroptikeinrichtung zumindest eine Faserschicht aufweist, wobei die Faseroptikeinrichtung und die Faserschichten derselben derart angeordnet sind, daß Licht der ersten, der zweiten und der dritten Lichtquelle die Oberfläche unter vorbestimmten Beleuchtungswinkeln beleuchtet.

11. Vorrichtung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 9, bei der die erste, die zweite und die dritte Lichtquelle durch eine Faseroptikeinrichtung (700) gebildet sind, wobei die Faseroptikeinrichtung zumindest drei Schichten (806, 808, 810) aufweist, wobei eine erste Schicht (806) Licht der ersten spektralen Charakteristik liefert, eine zweite Schicht (808) Licht der zweiten spektralen Charakteristik liefert und eine dritte Schicht (810) Licht der dritten spektralen Charakteristik liefert, wobei die erste und die dritte Schicht (806, 810) bezüglich der zweiten Schicht (808) geneigt sind, derart, daß Licht der ersten und der dritten spektralen Charakteristik die Oberfläche unter vorbestimmten Beleuchtungswinkeln beleuchtet.

12. Vorrichtung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 9, bei der die erste, die zweite und die dritte Lichtquelle durch eine erste und eine zweite Faseroptikeinrichtung gebildet sind, wobei die erste Faseroptikeinrichtung zumindest eine Schicht aufweist, die Licht der ersten spektralen Charakteristik liefert, wobei die zweite Faseroptikeinrichtung zumindest zwei Schichten aufweist, die Licht der zweiten spektralen Charakteristik und der dritten spektralen Charakteristik liefern, wobei die Faserschichten der zweiten Faseroptikeinrichtung, die das Licht der zweiten und der dritten Charakteristik liefern, bezüglich der Schicht der ersten Faseroptikeinrichtung geneigt sind, derart, daß Licht der zweiten und der dritten spektralen Charakteristik die Oberfläche unter vorbestimmten Beleuchtungswinkeln beleuchtet.

13. Vorrichtung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 9, bei der die erste, die zweite und die dritte Lichtquelle AC-betriebene Lampen aufweisen, die mit einer Zufallsfaserleitung (908a, 908b, 908c) in Gruppen (900) von drei Lampen verbunden sind, wobei jede Lampe gesteuert wird, um mit einer Phasenverschiebung von 120 Grad bezüglich der verbleibenden zwei Lampen betrieben zu werden.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der die AC-betriebenen Lampen Metallhalogenlampen sind.

15. Vorrichtung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 9, bei der die erste, die zweite und die dritte Lichtquelle durch eine Lampe gebildet sind, wobei die Lampe eine Strahlteilereinrichtung (1002, 1012) aufweist, um zumindest drei unterschiedliche Lichtstrahlen (1010, 1020, 1024) mit unterschiedlichen spektralen Charakteristika zu erhalten.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei der die Strahlteilereinrichtung (1002, 1012) dichroitische Spiegel und Filter für die unterschiedlichen spektralen Charakteristika aufweist.

17. Vorrichtung zur automatischen Inspektion von sich bewegenden Oberflächen mit folgenden Merkmalen:

einer Lichtquelle zum Beleuchten der Oberfläche;

einer ersten lichtempfindlichen Sensorvorrichtung, die Licht einer ersten spektralen Charakteristik, das von der Oberfläche unter einer Hellfeldbedingung zurückemittiert wird, empfängt, um ein erstes Signal zu erhalten;

einer zweiten lichtempfindlichen Sensorvorrichtung, die Licht einer zweiten spektralen Charakteristik, das von der Oberfläche unter einer Dunkelfeldbedingung zurückemittiert wird, empfängt, um ein zweites Signal zu erhalten, wobei sich die zweite spektrale Charakteristik von der ersten spektralen Charakteristik unterscheidet;

einer dritten lichtempfindlichen Sensorvorrichtung, die Licht einer dritten spektralen Charakteristik, das von der Oberfläche unter einer Dunkelfeldbedingung zurückemittiert wird, empfängt, um ein drittes Signal zu erhalten, wobei sich die dritte spektrale Charakteristik von der ersten und der zweiten spektralen Charakteristik unterscheidet, wobei die erste, die zweite und die dritte lichtempfindliche Vorrichtung räumlich getrennt voneinander sind; und

eine Einrichtung (1118) zum Summieren des ersten, des zweiten und des dritten Signals, um ein Signal zu liefern, das das Reflexionsvermögen der Oberfläche (S) darstellt;