AT12106U1 - Verfahren und vorrichtung zur untersuchung von oberflächen - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT12 106U1 2011-10-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung von Oberflächen, wobei ein Bereich der zur untersuchenden Oberfläche mit zumindest einer Lichtquelle beleuchtet wird, zumindest ein Bild des Bereichs der Oberfläche mit zumindest einer Kamera aufgenommen wird, eine Relativbewegung zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der zumindest einen Kamera vorgenommen wird, und die aufgenommenen Bilder entsprechend verarbeitet werden.

[0002] Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Untersuchung von Oberflächen mit zumindest einer Lichtquelle zur Beleuchtung eines Bereichs der zu untersuchenden Oberfläche, zumindest einer Kamera zur Aufnahme von Bildern des Bereichs der Oberfläche, einer Einrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der zumindest einen Kamera, und einer Einrichtung zur Verarbeitung der aufgenommenen Bilder.

[0003] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Oberflächenuntersuchung bzw. Oberflächenprüfung wie sie zu Zwecken der Qualitätskontrolle, beispielsweise bei Gussteilen, eingesetzt wird. Durch die Oberflächenuntersuchung können Fehler an der Oberfläche erkannt und fehlerhafte Gegenstände ausgeschieden oder einer Nachbehandlung unterzogen werden. Bei der Untersuchung von Oberflächen beispielsweise von Gussteilen werden verschiedene Fehlerarten unterschieden. Einerseits existieren dunkle Stellen, welche durch Schmutz oder Lunker hervorgerufen werden können. Sogenannte helle Stellen werden als eine Veränderung in den Reflexionseigenschaften der Oberfläche definiert, die unter einer Dunkelfeldbeleuchtung heller als der Hintergrund erscheint und einen Kontrast von <10 Grauwerten zum Hintergrund aufweisen. Kratzer sind helle Stellen, die schmal (üblicherweise <1 mm) sind und relativ lang gezogen (Verhältnis Länge : Breite >10). Schließlich werden Beschädigungen als helle Stellen, die keine Kratzer sind, definiert. Um sämtliche Fehlerarten mit möglichst hoher Sicherheit detektieren zu können, sind verschiedene Beleuchtungssysteme bekannt.

[0004] Die US 5 984 493 A beschreibt beispielsweise ein Beleuchtungssystem und ein Beleuchtungsverfahren für derartige Oberflächenuntersuchungssysteme, wobei das Licht über entsprechende Spiegel auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet wird und die Spiegel in geeigneter Weise bewegt werden, so dass das Licht aus verschiedenen Richtungen auf die Oberfläche trifft und Oberflächenveränderungen mit höherer Sicherheit erkannt werden können. Dieses System ist relativ komplex und erfordert relativ lange Aufnahmezeiten.

[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines oben genannten Verfahrens und einer oben genannten Vorrichtung, durch welche verschiedenste Fehlerarten an der zu untersuchenden Oberfläche in möglichst kurzer Zeit sicher erkannt und unterschieden werden können. Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.

[0006] In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Bereich der zu untersuchenden Oberfläche von zumindest drei Lichtquellen aus verschiedenen Richtungen sequentiell hintereinander beleuchtet wird, und während der Relativbewegung zwischen der Oberfläche und der zumindest einen Kamera Bilder der Oberfläche aufgenommen werden. Durch die Beleuchtung des Bereichs der Oberfläche aus zumindest drei verschiedenen Richtungen können sämtliche Fehlerarten mit ausreichender Sicherheit detektiert werden. Da die Lichtquellen sequentiell hintereinander angesteuert werden, während die Oberfläche relativ zur Kamera bewegt wird, und die Kamera die Bilder aufnimmt, können die Bilder in einem einzigen raschen Scanvorgang aufgenommen werden. Zum Hervorrufen einer Relativbewegung zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der zumindest einen Kamera kann die Oberfläche, die Kamera oder sowohl die Oberfläche als auch die Kamera mit entsprechenden Einrichtungen bewegt werden. Zur Verarbeitung der aufgenommenen Bilder können verschiedene Bildverarbeitungsverfahren angewandt werden. Beispielsweise können die Bilder mit einem gespeicherten Bild verglichen und allfällige Abweichungen angezeigt werden oder Bildpunkte, deren Helligkeitswerte vorgegebene Schwellwerte unter- oder überschreiten, erkannt werden. 1 /7 österreichisches Patentamt AT12 106U1 2011-10-15

Auch komplexere mathematische Bildverarbeitungsmethoden sind selbstverständlich anwendbar.

[0007] Vorteilhafterweise wird der Bereich der zu untersuchenden Oberfläche von zumindest drei Lichtquellen aus verschiedenen Richtungen quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen der Oberfläche und der zumindest einen Kamera beleuchtet. Durch eine derartige Anordnung der zumindest drei Lichtquellen quer zur Bewegungsrichtung wird eine kompakte Bauweise erzielt.

[0008] Um eine möglichst rasche Untersuchung der Oberflächen gewährleisten zu können, werden die Lichtquellen vorzugsweise mit einer Wiederholfrequenz von 1 kHz bis 4 kHz sequentiell hintereinander aktiviert. Dieser Frequenzbereich hat sich als besonders geeignet herausgestellt.

[0009] Vorteilhafterweise wird die zumindest eine Kamera synchron zu den Lichtquellen mit einer Zeilenfrequenz, welcher dem der Anzahl an Lichtquellen entsprechenden Vielfachen der Wiederholfrequenz der Lichtquellen entspricht, betrieben. Bei einer Wiederholfrequenz von 1 kHz und vier Lichtquellen ergibt sich beispielsweise eine Zeilenfrequenz für die Kamera von 4 kHz.

[0010] Vorteilhafterweise wird der Bereich der zu untersuchenden Oberfläche von zumindest einer im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche und zwei in einem Winkel zwischen 40° und 50°, vorzugsweise 45°, und einem Winkel zwischen 130° und 140°, vorzugsweise 135°, zur Oberfläche angeordneten Lichtquellen beleuchtet. Bei einer derartigen Beleuchtung aus diesen drei Richtungen werden optimale Ergebnisse erzielt.

[0011] Wenn die einzelnen Lichtquellen mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aktiviert werden, können allenfalls bessere Ergebnisse erzielt werden und Intensitätsabschwächungen von Lichtquellen, welche von der Oberfläche weiter entfernt sind, kompensiert werden.

[0012] Wenn das Licht von zumindest einer Lichtquelle über zumindest einen Spiegel auf den zu beleuchtenden Bereich der zu untersuchenden Oberfläche umgelenkt wird, kann eine kompaktere Anordnung der Lichtquellen erzielt werden.

[0013] Als Lichtquellen werden vorzugsweise Linien-Leuchtdioden und als Kamera Zeilenkameras verwendet. Beispielsweise stellt die Linien-Leuchtdiode mit der Produktbezeichnung 5525 der Illumination Technologies, Inc., die auch in der US 5 550 946 A beschrieben wird, eine geeignete Lichtquelle dar.

[0014] Wenn das Licht der Lichtquellen über Linsen gebündelt wird, können die Ergebnisse weiter verbessert werden. Dabei haben sich Zylinderlinsen, wie sie auch bei der oben beschriebenen Linien-Leuchtdiode eingesetzt werden, besonders bewährt.

[0015] Wenn das Licht der Lichtquellen in einem reflektierenden Metallgehäuse geführt wird, können Abschwächungen der Intensität verringert werden und eine hinreichend homogene Ausleuchtung des Bereichs der Oberfläche erzielt werden.

[0016] Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch eine oben genannte Vorrichtung zur Untersuchung von Oberflächen, bei der zumindest drei Lichtquellen zur Beleuchtung des Bereichs der Oberfläche aus verschiedenen Richtungen vorgesehen sind, welche Lichtquellen mit einer Einrichtung zur Steuerung der Lichtquellen verbunden sind. Die dadurch erzielbaren Vorteile können der obigen Beschreibung des Verfahrens zur Untersuchung von Oberflächen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen entnommen werden.

[0017] Wie bereits oben erwähnt, ist es von Vorteil, wenn die zumindest drei Lichtquellen quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen Oberfläche und der zumindest einen Kamera angeordnet sind.

[0018] Die Steuerungseinrichtung ist vorzugsweise zur sequentiell wiederholten Ansteuerung der Lichtquellen mit einer Wiederholfrequenz von 1 kHz bis 4 kHz ausgebildet.

[0019] Zur entsprechenden Steuerung der Kamera ist die Steuerungseinrichtung vorzugsweise 2/7 österreichisches Patentamt AT12 106U1 2011-10-15 mit der zur mindestens einen Kamera verbunden.

[0020] Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht zumindest eine Lichtquelle, vorzugsweise zwei Lichtquellen, im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche und zwei Lichtquellen in einem Winkel zwischen 40° und 50°, vorzugsweise 45°, und einem Winkel zwischen 130° und 140°, vorzugsweise 135°, zur Oberfläche vor.

[0021] Wenn vor zumindest einer Lichtquelle zumindest ein Spiegel zur Umlenkung des Lichts der Lichtquelle auf den zu beleuchtenden Bereich der Oberfläche vorgesehen ist, kann eine im Wesentlichen parallele Anordnung der Lichtquellen nebeneinander und somit eine kompakte Bauweise der Vorrichtung erzielt werden.

[0022] Als Lichtquellen sind vorzugsweise Linien-Leuchtdioden und als Kamera Zeilenkameras vorgesehen.

[0023] Vor den Lichtquellen können Linsen, beispielsweise Zylinderlinsen, angeordnet sein. Die Lichtquellen und allenfalls auch die zumindest eine Kamera können in einem reflektierenden Metallgehäuse angeordnet sein.

[0024] Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Abbildungen näher erläutert.

[0025] Darin zeigen [0026] Fig. 1 eine schematische Prinzipsskizze einer Vorrichtung zur Untersuchung von Oberflächen; [0027] Fig. 2a und 2b zwei Ansichten auf eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Untersu chung von Oberflächen mit vier Lichtquellen; und [0028] Fig. 3 schematische Zeitverläufe der Steuersignale von vier Lichtquellen und einer Kamera einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Untersuchung von Oberflächen.

[0029] Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur Untersuchung von Oberflächen 2 beispielsweise von Gussteilen. Die Vorrichtung 1 beinhaltet zumindest eine Lichtquelle 4 zur Beleuchtung eines Bereichs 3 der zu untersuchenden Oberfläche 2 und zumindest eine Kamera 5 zur Aufnahme von Bildern des Bereichs 3 der Oberfläche 2. Über eine Einrichtung 9 wird eine Relativbewegung zwischen der zu untersuchenden Oberfläche 2 und der zumindest einen Kamera 5 hervorgerufen. Dabei kann die Oberfläche 2 bzw. der entsprechende Gegenstand oder die Kamera 5 mit dem Beleuchtungssystem bzw. sowohl der Gegenstand als auch die Vorrichtung 1 bewegt werden. Die Lichtquellen 4 werden über eine entsprechende Einrichtung 11 angesteuert. Dabei ist die Steuerungseinrichtung 11 vorzugsweise auch mit der zumindest einen Kamera 5 verbunden. Die mit der zumindest einen Kamera 5 aufgenommenen Bilder werden in einer entsprechenden Einrichtung 10, insbesondere einem Rechner, verarbeitet, wobei gängige Bildverarbeitungsverfahren zur Anwendung kommen können.

[0030] Aus den Fig. 2a und 2b ist eine bevorzugte Ausführungsform eine Vorrichtung 1 zur Untersuchung von Oberflächen 2 dargestellt. Die Ausführungsform sieht vier Lichtquellen 4 vor, welche die zu untersuchende Oberfläche 2 aus verschiedenen Richtungen beleuchten. Dabei kommen vorzugsweise Linien-Leuchtdioden zum Einsatz, die mit Linsen 7, beispielsweise Zylinderlinsen, versehen sein können. Bei der dargestellten Ausführungsform befinden sich zwei Lichtquellen 4 parallel zur Oberfläche 2, so dass das Licht im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche 2 auftritt. Zwei weitere Lichtquellen 4 sind in einem Winkel α zwischen 40° und 50°, vorzugsweise 45°, und einem Winkel ß zwischen 130° und 140°, vorzugsweise 135°, zur Oberfläche angeordnet. Um eine kompakte Bauweise zu erzielen, wird das Licht der im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 2 stehenden Lichtquellen 4 über Spiegel 6 auf die Oberfläche 2 gerichtet. Eine Montage ohne Spiegel 6 ist ebenfalls möglich, wenn die entsprechenden Lichtquellen 4 entsprechend nach außen geschwenkt werden. Zur Erzielung einer homogenen Beleuchtung sind die Abstände der Lichtquellen 4 zur Oberfläche 2 unterschiedlich gewählt. Falls erforderlich, können bei der Verarbeitung der Bilder in der Einrichtung 10 auch entsprechende Helligkeitskorrekturen vorgenommen werden. Zur Verbesserung der Richtungsselektivi- 3/7

Claims (19)

1. österreichisches Patentamt AT12106U1 2011-10-15 tat werden vor den Lichtquellen 4 Linsen 7 angeordnet. Auch die Kameras 5 empfangen das Licht über eine knapp ober der zu untersuchenden Oberfläche 2 angeordnete Linse 7. [0031] Fig. 3 zeigt schematische Zeitverläufe der Steuersignale der Lichtquellen 4 und der Kamera 5 anhand eines Beispiels. Die Lichtquellen werden mit einer Wiederholfrequenz fL, vorzugsweise zwischen 1 kHz und 4 kHz, angesteuert. Die zumindest eine Kamera 5 wird synchron zu den Lichtquellen 4 mit einer Zeilenfrequenz fK betrieben, welche dem der Anzahl n an Lichtquellen 4 entsprechenden Vielfachen der Wiederholfrequenz fL der Lichtquellen 4 entspricht. Bei vier Lichtquellen 4 entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a und 2b und der Verwendung einer Wiederholfrequenz fL von 1 kHz ergibt sich eine Zeilenfrequenz fK = n*fL = 4*1 kHz = 4 kHz. [0032] Mit Hilfe des gegenständlichen Verfahrens und der gegenständlichen Vorrichtung wird eine optimale Homogenität und Richtungsselektivität erzielt und in der Folge eine optimale Erkennung von Fehlstellen an der Oberfläche der zu untersuchenden Bauteile erreicht. Darü-berhinaus ist die Vorrichtung besonders kompakt und das Verfahren in besonders kurzer Zeit mit nur einem Scanvorgang durchführbar. Ansprüche 1. Verfahren zur Untersuchung von Oberflächen (2), wobei ein Bereich (3) der zu untersuchenden Oberfläche (2) mit zumindest einer Lichtquelle (4) beleuchtet wird, zumindest ein Bild des Bereichs (3) der Oberfläche (2) mit zumindest einer Kamera (5) aufgenommen wird, eine Relativbewegung zwischen der zu untersuchenden Oberfläche (2) und der zumindest einen Kamera (5) vorgenommen wird, und die aufgenommenen Bilder entsprechend verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (3) der zu untersuchenden Oberfläche (2) von zumindest drei Lichtquellen (4) aus verschiedenen Richtungen sequentiell hintereinander beleuchtet wird, und während der Relativbewegung zwischen der Oberfläche (2) und der zumindest einen Kamera (5) Bilder der Oberfläche (2) aufgenommen werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (3) der zu untersuchenden Oberfläche (2) von zumindest drei Lichtquellen (4) aus verschiedenen Richtungen quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen der Oberfläche (2) und der zumindest einen Kamera (5) beleuchtet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (4) mit einer Wiederholfrequenz (fL) von 1 bis 4 kHz sequentiell hintereinander aktiviert werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kamera (5) synchron zu den Lichtquellen (4) mit einer Zeilenfrequenz (fK), welche dem der Anzahl (n) an Lichtquellen (4) entsprechenden Vielfachen der Wiederholfrequenz (fL) der Lichtquellen (4) entspricht, betrieben wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (3) der zu untersuchenden Oberfläche (2) von zumindest einer im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche (2) und zwei in einem Winkel (a) zwischen 40° und 50° und einem Winkel (ß) zwischen 130° und 140° zur Oberfläche (2) angeordnete Lichtquellen (4) beleuchtet wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lichtquellen (4) mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aktiviert werden.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht von zumindest einer Lichtquelle (4) über zumindest einen Spiegel (6) auf den zu beleuchtenden Bereich (3) der zu untersuchenden Oberfläche (2) umgelenkt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquellen (4) Linien-Leuchtdioden und als Kamera (5) Zeilenkameras verwendet werden. 4/7 österreichisches Patentamt AT12 106U1 2011-10-15
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquellen (4) über Linsen (7) gebündelt wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquellen (4) in einem reflektierenden Metallgehäuse (8) geführt wird.
11. 11. Vorrichtung (1) zur Untersuchung von Oberflächen (2), mit zumindest einer Lichtquelle (4) zur Beleuchtung eines Bereichs (3) der zu untersuchenden Oberfläche (2), zumindest einer Kamera (5) zur Aufnahme von Bildern des Bereichs (3) der Oberfläche (2), einer Einrichtung (9) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der zu untersuchenden Oberfläche (2) und der zumindest einen Kamera (5), und einer Einrichtung (10) zur Verarbeitung der aufgenommenen Bilder, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Lichtquellen (4) zur Beleuchtung des Bereichs (3) der Oberfläche (2) aus verschiedenen Richtungen vorgesehen sind, welche Lichtquellen (4) mit einer Einrichtung (11) zur Steuerung der Lichtquellen (4) verbunden sind.
12. 12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest drei Lichtquellen (4) quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen Oberfläche (2) und der zumindest einen Kamera (5) angeordnet sind.
13. 13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (11) zur sequentiell wiederholten Ansteuerung der Lichtquellen (4) mit einer Wiederholfrequenz (fL) von 1 bis 4 kHz ausgebildet ist.
14. 14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (11) mit der zumindest einen Kamera (5) verbunden ist.
15. 15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lichtquelle (4) im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche (2) und zwei Lichtquellen (4) in einem Winkel (a) zwischen 40° und 50° und einem Winkel (ß) zwischen 130° und 140° zur Oberfläche (2) angeordnete sind.
16. 16. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass vor zumindest einer Lichtquelle (4) zumindest ein Spiegel (6) zur Umlenkung des Lichts der Lichtquelle (4) auf den zu beleuchtenden Bereich (3) der Oberfläche (2) vorgesehen ist.
17. 17. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquellen (4) Linien-Leuchtdioden und als Kamera (5) Zeilenkameras vorgesehen sind.
18. 18. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Lichtquellen (4) Linsen (7) angeordnet sind.
19. 19. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (4) in einem reflektierenden Metallgehäuse (8) angeordnet sind. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 5/7