DE10117048C1 - Method and device for the detection of surface defects on measurement objects - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Detektion von Oberflächendefekten auf Messobjekten. Dabei wird eine Oberfläche mit einer Laserstrahlquelle mit einer Divergenz von maximal 150 mrad mit einer gleichmäßigen Intensität über die Fläche bestrahlt. Die gestreute und/oder reflektierte Strahlung wird mit einer Detektionseinheit gemessen und anschließend mit den bekannten Werten der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung für eine Oberfläche mit bekannter Struktur verglichen. Dieses Verfahren erlaubt es, mit hoher Selektivität und Empfindlichkeit Defekte auf Oberflächen festzustellen. Mit der Erfindung ist es möglich, Stahlerzeugnisse mit Temperaturen bis zu 2000 DEG C zu untersuchen. Die Erfindung beschreibt ebenso eine für die Durchführung des Verfahrens optimierte Vorrichtung.The invention describes a method for the detection of surface defects on measurement objects. A surface is irradiated with a laser beam source with a maximum divergence of 150 mrad with a uniform intensity over the surface. The scattered and / or reflected radiation is measured with a detection unit and then compared with the known values of the reflected and / or scattered radiation for a surface with a known structure. This method allows defects on surfaces to be identified with high selectivity and sensitivity. With the invention it is possible to examine steel products with temperatures up to 2000 ° C. The invention also describes a device optimized for carrying out the method.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Oberflächendefekten auf Messobjekten gemäß Anspruch 1. Das Verfahren erlaubt es, mit hoher Selektivität und Empfindlichkeit Defekte auf Oberflächen festzustellen. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Online Untersuchung von Bahnen, Blechen und Bändern. So ist es mit der Erfindung möglich, Stahlerzeugnisse mit Temperaturen bis zu 2000°C zu untersuchen.The invention relates to a method and a device for the detection of Surface defects on measurement objects according to claim 1. The method allows using high selectivity and sensitivity to detect defects on surfaces. preferred The field of application is the online examination of sheets, sheets and strips. So is it is possible with the invention to steel products with temperatures up to 2000 ° C. investigate.

Stand der TechnikState of the art

Stand der Technik sind Oberflächeninspektionssysteme auf Basis von Kameras mit nachgeschalteten vernetzten Bildanalysesystemen, die eine Oberflächeninspektion bei laufendem Band ermöglichen. Siehe hierzu DE 197 20 307 A1; DE 199 30 173 A1 Product information "Automatic Hotstrip Surface Inspection HTS-2W", Parsytec Computer GmbH, Auf der Huels 183, D-52068 Aachen, Germany P.; Ceracki et. al., "Online- Fehlererkennung bei Warmband durch automatische Oberflächeninspektion", Stahl und Eisen 119 Nr. 4, (1999) 77-81 Dabei werden sowohl mittels Hellfeld-, als auch mittels Dunkelfeld-Aufnahmen Oberflächendefekte des Messobjekts detektiert, da sich für beide Beobachtungsgeometrien unterschiedliche Sensitivitäten für verschiedene Defekttypen ergeben (M. M. Muehlemann, "Standardization defect detection for the surface inspection of wide flat rolled steel", AISE Steel Technology, October 2000). Mit diesen aus der DE 199 30 173 A1 bekannten Verfahren werden Oberflächenkarten erstellt, die Aufschluß darüber geben können, an welchen Stellen des Produktes bestimmte Fehlertypen auftreten. Bei den bisher bekannten Systemen kommen als Beleuchtungsquellen überwiegend Blitzlampen oder LED-Blitzbeleuchtung (LED: light emitting diodes) zum Einsatz.State of the art are surface inspection systems based on cameras downstream networked image analysis systems that support surface inspection enable running tape. See DE 197 20 307 A1; DE 199 30 173 A1 Product information "Automatic Hotstrip Surface Inspection HTS-2W", Parsytec Computer GmbH, On Huels 183, D-52068 Aachen, Germany P .; Ceracki et. al., "online Fault detection in hot strip through automatic surface inspection ", steel and Eisen 119 No. 4, (1999) 77-81 Here, both by means of brightfield and by means of  Dark field recordings surface defects of the measurement object are detected, as there are two Observation geometries different sensitivities for different defect types (M. M. Muehlemann, "Standardization defect detection for the surface inspection of wide flat rolled steel ", AISE Steel Technology, October 2000). With these from DE 199 30 173 A1 known methods surface maps are created, the information about it can indicate at which points of the product certain types of errors occur. Both Systems known up to now mainly come from flash lamps or LED flash lighting (LED: light emitting diodes).

Ebenfalls bekannt ist die Detektion von Oberflächenfehlern an Stahl-Flachprodukten mittels Moiré-Verfahren (J. Paakkari, P. Kantola, H. Ailisto, "Moiré measures steel plate flatness with submillimeter resolution", Machine Vision, June 1998). Bei diesem Verfahren wird ein Muster auf das Messobjekt projiziert. An Defektstellen mit dreidimensionaler Topologie treten Formänderungen dieses Musters auf, die auf einen Defekt schließen lassen. Bei Moiré-Verfahren wird die Oberfläche nicht mit einer gleichmäßigen Intensität, sondern mit einer über der Oberfläche schwankenden strukturierten Intensität bestrahlt.The detection of surface defects on flat steel products by means of is also known Moiré method (J. Paakkari, P. Kantola, H. Ailisto, "Moiré measures steel plate flatness with submillimeter resolution ", Machine Vision, June 1998). This method uses a Pattern projected onto the measurement object. At defects with three-dimensional topology there are changes in the shape of this pattern that suggest a defect. at Moiré process does not apply the surface with a uniform intensity, but with irradiated with a structured intensity fluctuating above the surface.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Detektion von Defekten mit dreidimensionaler Topologie beruht auf mehrfarbiger Bestrahlung der Messfelds in Verbindung mit farbtüchtigen Bildauswertungssystemen DE 195 11 534 C2. Bei geeignet geformten Defekten kommt es an den Flanken der dreidimensionalen Defekte zu einer Veränderten Färbung, wodurch der Defekt detektiert wird.Another known method for the detection of defects with three-dimensional Topology is based on multicolored irradiation of the measuring field in connection with color-capable image evaluation systems DE 195 11 534 C2. With suitably shaped Defects result in a change on the flanks of the three-dimensional defects Coloring, whereby the defect is detected.

Aus der EP 0 679 882 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Oberfläche zur Untersuchung mit Diodenlasern bestrahlt wird. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche allerdings nur längs einer Linie bestrahlt.A method is known from EP 0 679 882 A1 in which a surface for Examination is irradiated with diode lasers. In this process, the surface but only irradiated along a line.

Nachteilig am Stand der Technik bei der konventionellen Beleuchtung des Messfelds durch Blitzlampen ist besonders die inkohärente Emissionscharakteristik, die geringe Brillianz, sowie die unpolarisierte Emission der Blitzlampen. Analoges gilt für die Beleuchtung mit LEDs. Anordnungen mit diesem Typ von Beleuchtung sind in der selektiven Detektion der gestreuten Beleuchtungsstrahlung stark beschränkt. Die Bestimmung von Oberflächendefekten an glühenden Stahloberflächen beim Warmwalzen von Stahl- Flachprodukten wird daher durch das Eigenleuchten erheblich beeinträchtigt. Nachteilig ist weiterhin die geringe Lebensdauer der Blitzlampen von durchschnittlich 400 h-1500 h.A disadvantage of the state of the art in the conventional illumination of the measuring field Flashlamps is particularly the incoherent emission characteristic, the low brilliance, as well as the non-polarized emission of the flash lamps. The same applies to the lighting with  LEDs. Arrangements with this type of lighting are in the selective detection of the scattered illumination radiation severely limited. The determination of Surface defects on glowing steel surfaces when hot rolling steel Flat products are therefore considerably impaired by their own lighting. The disadvantage is the short lifespan of the flash lamps of an average of 400 h-1500 h.

Die Detektion von Oberflächendefekten durch das Moiré-Verfahren unterscheidet sich vom beschriebenen Verfahren dadurch, daß hier keine ebenen Fehler detektiert werden können. Das Moiré-Verfahren ist ausschließlich für Oberflächendefekte geeignet, die lokal eine dreidimensionale Form aufweisen (J. Paakkari, P. Kantola, H. Ailisto, "Moiré measures steel plate flatness with submillimeter resolution", Machine Vision, June 1998). Auch die in der DE 195 11 534 C2 beschriebene Detektion durch Farbänderungen an den Defektflanken setzt eine dreidimensionale Defekttopologie voraus. Ebene Defekte können dagegen durch die beiden letztgenannten Verfahren nicht detektiert werden.The detection of surface defects using the Moiré method differs from that described method in that no flat errors can be detected here. The Moiré process is only suitable for surface defects that are local have three-dimensional shape (J. Paakkari, P. Kantola, H. Ailisto, "Moiré measures steel plate flatness with submillimeter resolution ", Machine Vision, June 1998) Detection described in DE 195 11 534 C2 due to color changes on the defect flanks requires a three-dimensional defect topology. Level defects, however, can be caused by the latter two methods are not detected.

Auch die Bestrahlung längs einer Linie ermöglicht keine Detektion von zweidimensionalen Fehlern. Zudem ist die Flächenrate der mit diesem Verfahren untersuchten Oberfläche gering. Dies ist insbesondere bei bewegten Oberflächen, wie etwa bei in Walzwerken erzeugten Blechen nachteilig, da dort eine unmittelbare Auswertung der Oberflächen der erzeugten Bleche erforderlich ist, um gegebenenfalls die Prozeßführung zu ändern.Irradiation along a line also does not enable the detection of two-dimensional ones Errors. In addition, the area rate of the surface examined with this method is low. This is particularly the case with moving surfaces, such as in rolling mills generated sheets disadvantageous because there an immediate evaluation of the surfaces of the generated sheets is required to change the process if necessary.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Nachteile nach dem Stand der Technik weitestgehend zu vermeiden und ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, das eine empfindliche und selektive Detektion von Oberflächendefekten ermöglicht. The invention is based on the technical problem, the disadvantages of the prior art Avoid technology as far as possible and a generic method and a To provide device that a sensitive and selective detection of Allows surface defects.  

Die Lösung dieses technischen Problems wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen durch die Unteransprüche angegeben werden.The solution to this technical problem is given by the features of claim 1 specified, advantageous embodiments indicated by the subclaims become.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass als Strahlungsquelle eine Laserstrahlquelle verwendet werden muss, mit der die Oberfläche flächig und mit einer Divergenz kleiner als 150 mrad bestrahlt wird. Der Begriff flächig bezeichnet in dieser Anmeldung Abmessungen in der Größenordnung von 100 mm auf 100 mm oder größer. Außerdem ist eine gleichmäßige Intensität der Laserstrahlquelle auf der Oberfläche erforderlich. Die Bestrahlung mit einer erfindungsgemäßen Laserstrahlquelle ermöglicht eine empfindliche Detektion von Oberflächendefekten. Dies liegt daran, dass bei niedriger Divergenz der einfallenden Strahlung der Bereich an Winkeln der einfallenden Strahlung und aufgrund des Reflexionsgesetzes ebenso der Bereich der Winkel der ausfallenden Strahlung sehr klein ist. Damit steht ein sehr großer Bereich an Beobachtungswinkeln für die Detektionseinheit zur Verfügung, bei denen keine Reflexionsstrahlung in die Detektionseinheit gelangt. Dies ist günstig, da Oberflächendefekte dadurch erkannt werden können, dass anstelle von Reflexion, die an einer defektfreien Oberfläche auftritt, das einfallende Licht an Defekten gestreut wird. Folglich steht ein großer Bereich an Beobachtungswinkeln für die Detektionseinheit zur Verfügung, bei denen von Defekten herrührende Streustrahlung gemessen werden kann, ohne eine Störung der Messung durch Reflexionsstrahlung.According to the invention, it was recognized that a laser beam source was used as the radiation source must be used with which the surface is flat and with a divergence smaller than 150 mrad is irradiated. In this application, the term flat denotes dimensions on the order of 100 mm to 100 mm or larger. Besides, one is uniform intensity of the laser beam source on the surface is required. The Irradiation with a laser beam source according to the invention enables a sensitive one Detection of surface defects. This is because with low divergence, the incident radiation the range of angles of the incident radiation and due to the Law of reflection as well as the range of angles of the radiation that is emitted is very small. This means that a very large range of observation angles is available for the detection unit Available, in which no reflection radiation enters the detection unit. This is Favorable, since surface defects can be recognized by replacing Reflection that occurs on a defect-free surface, the incident light on defects is scattered. As a result, there is a wide range of observation angles for the Detection unit available in which scattered radiation originating from defects can be measured without interference from the measurement by reflection radiation.

Eine vorteilhafte Laserstrahlquelle für den erfindungsgemäßen Anwendungszweck ist ein Laserdiodenarray mit Laserdioden, die eine Strahlung mit einer Linienbreite von maximal 15 nm und einen hohen Polarisationsgrad aufweisen. Ein Laserdiodenarray ist eine vergleichsweise preisgünstige Laserstrahlquelle. Die bei den bisher bekannten Laserdiodenarrays vorgesehenen Einrichtungen zur Fokussierung der gesamten Strahlung sind für eine flächige Ausleuchtung nicht notwendig. Die geringe Linienbreite und der Polarisationsgrad von mindestens 80% gestatten es, entsprechende Filter vor die Detektionseinheit für die gestreute und/oder reflektierte Strahlung zu platzieren. Damit ist eine empfindlichere Messung der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung möglich, da die insbesondere bei heißen Körpern relativ hohe Eigenstrahlung der Messobjekte ein breites Spektrum aufweist. In einem kleinen Wellenlängenbereich ist jedoch die Intensität der Eigenstrahlung im Vergleich zur Intensität der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung sehr gering.An advantageous laser beam source for the application according to the invention is a Laser diode array with laser diodes that emit radiation with a line width of maximum 15 nm and have a high degree of polarization. A laser diode array is one comparatively inexpensive laser beam source. The previously known Devices provided for laser diode arrays for focusing the entire radiation are not necessary for extensive illumination. The small line width and the Degree of polarization of at least 80% allow appropriate filters in front of the Place detection unit for the scattered and / or reflected radiation. So that is a more sensitive measurement of the reflected and / or scattered radiation possible because  the relatively high intrinsic radiation of the measurement objects, particularly in the case of hot bodies has a wide range. However, the intensity is in a small wavelength range the natural radiation compared to the intensity of the reflected and / or scattered Radiation very low.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auch nur reflektierte und/oder gestreute Strahlung mit einer vorgegeben Polarisation von der Detektionseinheit zu erfassen. Dies ist möglich, wenn man die Oberfläche mit einer Strahlung bekannter Polarisation bestrahlt. Es ist sowohl möglich in der Detektionseinheit nur Strahlung zu erfassen, die diese Polarisation hat. Zum Nachweis von Defekten, die zu einer bekannten Änderung der Polarisation führen, ist es auch möglich nur Strahlung mit einer entsprechend veränderten Polarisation zu erfassen.The method according to the invention also allows only reflected and / or scattered To detect radiation with a predetermined polarization from the detection unit. This is possible if the surface is irradiated with radiation of known polarization. It it is possible to only detect radiation in the detection unit that has this polarization Has. To detect defects that cause a known change in polarization lead, it is also possible only radiation with a correspondingly changed polarization capture.

Bei Laserdioden besteht das Problem, dass auch bei gleichbleibendem eingespeistem Strom im Laufe des Betriebs sich die emittierte Leistung ändern kann. Es ist offenkundig, dass somit Messungen verfälscht werden. Zur Überwindung dieses Problems ist beim erfindungsgemäßen Verfahren folgende Vorgehensweise möglich. Die von der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute Strahlung, die genau einer Laserdiode zugeordnet ist, wird gemessen. Die Zuordnung der Strahlung erfolgt dabei dadurch, dass bekannt ist an welchem Ort die Strahlung einer jeden Diode auftrifft. Mit einer Detektionseinheit, die ortsaufgelöst misst, ist bekannt, von welchem Ort die reflektierte und/oder gestreute Strahlung stammt. Zur Vermeidung von Missverständnissen sei erläutert, dass jede Diode zwar immer auf den selben Ort strahlt, aber aufgrund der Bewegung des Messobjekts bei verschiedenen Messungen am selben Ort unterschiedliche Bereiche des Messobjekts bestrahlt werden. Die sich bei einer Vielzahl von Messungen aus dem Mittelwert der Leistung der reflektierten und/oder gestreuten Laserstrahlung ergebende Belichtung wird nun ermittelt. Es ist davon auszugehen, dass trotz einzelner Fehler auf der Oberfläche eine Änderung des Mittelwerts der Leistung der gestreuten, insbesondere aber der reflektierten Strahlung bei einer Vielzahl von Messungen von unterschiedlichen Bereichen des Messobjekts auf eine gesunkene Leistung der Laserdiode zurückzuführen ist oder aber auf generell veränderte Reflektions- und/oder Streueigenschaften des Messobjekts. Der Mittelwert wird dann mit einem vorgegebenem Wert verglichen. Dieser vorgegebene Wert kann beispielsweise der Mittelwert der Leistung über die gestreute und/oder reflektierte Strahlung von der von allen Laserdioden eines Laserdiodenarrays bestrahlten Fläche sein. Wenn der Mittelwert zu weit vom vorgegebenen Wert abweicht, sind die Laserdioden anders zu betreiben. Solange die Pulsdauer kleiner als die Belichtungszeit der Detektionseinheit ist, ist es möglich durch Erhöhung oder Senkung der Pulsdauer, die von der Detektionseinheit ermittelte mittlere Leistung der gestreuten und/oder reflektierten Strahlung durch Verlängerung oder Verkürzung der Pulsdauern zu regeln.The problem with laser diodes is that even when the current supplied remains constant the power emitted may change during operation. It is obvious that thus measurements are falsified. To overcome this problem is with The following procedure is possible in the method according to the invention. The one from the surface reflected and / or scattered radiation, which is assigned to exactly one laser diode measured. The radiation is assigned by the fact that is known to the location of the radiation from each diode. With a detection unit that location-resolved, it is known from which location the reflected and / or scattered Radiation originates. To avoid misunderstandings, it should be explained that each diode always radiates to the same location, but due to the movement of the measurement object different measurements at the same location different areas of the measurement object be irradiated. The result of a large number of measurements from the mean of the Power of the reflected and / or scattered laser radiation resulting exposure is now determined. It can be assumed that, despite individual errors on the surface, a Change in the mean power of the scattered, but especially the reflected Radiation in a variety of measurements from different areas of the Measurement object is due to a reduced power of the laser diode or  generally changed reflection and / or scatter properties of the measurement object. The The mean value is then compared with a predetermined value. This predetermined value can be, for example, the mean value of the power over the scattered and / or reflected Radiation from the area irradiated by all laser diodes of a laser diode array. If the average deviates too far from the specified value, the laser diodes are to operate differently. As long as the pulse duration is shorter than the exposure time of the Detection unit is, it is possible by increasing or decreasing the pulse duration by average power of the scattered and / or reflected determined by the detection unit To regulate radiation by lengthening or shortening the pulse duration.

Prinzipiell ist es aber auch möglich durch Einspeisung eines höheren oder niedrigeren Stroms an den Laserdioden die Strahlleistung zu variieren, um die gemessene mittlere Leistung der reflektierten und oder gestreuten Strahlung anzupassen. In der Regel dürfte es aber zur Schonung der Laserdioden zweckmäßiger sein, die Pulsdauer zu verändern.In principle, it is also possible by feeding a higher or lower one Current at the laser diodes to vary the beam power to the measured mean Adjust the power of the reflected and or scattered radiation. As a rule, it should but to protect the laser diodes it may be more appropriate to change the pulse duration.

Es ist grundsätzlich möglich eine Detektionseinheit so anzubringen, dass bei defektfreier Oberfläche eine hohe Intensität der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung zu erwarten ist (Hellfeldaufnahme) oder so anzubringen, dass bei defektfreier Oberfläche keine oder eine niedrige Intensität der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung zu erwarten ist (Dunkelfeldaufnahme). Besonders eine Kombination beider Messungen führt zu einer hohen Auffindung von Fehlern.It is basically possible to attach a detection unit in such a way that if there is no defect Surface a high intensity of the reflected and / or scattered radiation is to be expected (bright field image) or to be attached in such a way that there is no defect surface or a low intensity of the reflected and / or scattered radiation is to be expected (Dark field image). A combination of both measurements leads to one high detection of errors.

Figurenbeschreibungfigure description

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Laserdiodenarray 1, einem sich bewegenden Messobjekt 12 und zwei Detektionseinheiten 7, 10. Fig. 1 shows an inventive arrangement having a laser diode array 1, a moving measurement object 12 and two detection units 7, 10.

Fig. 2 zeigt einen von einem Laserdiodenarray 1 bestrahlten Bereich 14 mit Bereichen 15, die einzelnen Laserdioden zuzuordnen sind. FIG. 2 shows an area 14 irradiated by a laser diode array 1 with areas 15 which can be assigned to individual laser diodes.

Bester Weg zur Realisierung der VorrichtungBest way to implement the device

Die Ausführung der Messanordnung ist in Bild 1 dargestellt. Dabei trifft das Strahlbündel des Laserdiodenarrays 1 im Abstand d unter dem festen Winkel α auf das Messobjekt 3. Die beleuchtete Fläche wird im folgenden als Messfeld bezeichnet. Dabei wird das Strahlbündel durch die spezielle Ausführung der Strahlformungsoptik 2 so modifiziert, dass bei festem Divergenzwinkel θ des Strahlbündels eine homogene Beleuchtung des Detektionsbereichs des Messobjekts 3 erreicht wird. Weiterhin ermöglicht die Strahlformungsoptik 2 eine Drehung der Polarisationsebene und die Erzeugung zirkular polarisierter Strahlung, was beispielsweise durch eine Lambda-Halbe-Optik (λ/2) und eine Lambda-Viertel-Optik (λ/4) erreicht werden kann.The execution of the measuring arrangement is shown in Figure 1. The beam of the laser diode array 1 strikes the measurement object 3 at a distance d at a fixed angle α. The illuminated area is referred to below as the measuring field. The beam bundle is modified by the special design of the beam shaping optics 2 such that homogeneous illumination of the detection area of the measurement object 3 is achieved with a fixed divergence angle θ of the beam bundle. Furthermore, the beam shaping optics 2 enable rotation of the polarization plane and the generation of circularly polarized radiation, which can be achieved, for example, by a lambda half optic (λ / 2) and a lambda quarter optic (λ / 4).

Die vom Messobjekt 3 gestreute Strahlung wird im Dunkelfeld von Kamera 7 in Verbindung mit dem Objektiv 6 erfaßt. Die geringe Divergenz der Diodenlaserstrahlung erlaubt einen gegenüber thermischen Strahlern deutlich kleineren Einfallswinkel α und ermöglicht einen höheren Kontrast der Bilder des Messfelds. Der Tiefenschärfebereich des Objektivs 6 wird derart gewählt, dass das Messobjekt 3 über den gesamten Schwärmbereich s scharf abgebildet werden kann. Das Interferenzfilter 4 erlaubt nur die Transmission von Strahlung der vom Laserdiodenarray emittierten Wellenlänge. Das Polarisationsfilter 5 wird so eingestellt, dass bei gegebener Polarisation des Laserdiodenarrays 1 der Kontrast der mit Kamera 7 aufgezeichneten Bilder für die betrachteten Oberflächedefekte maximal ist.The radiation scattered by the measurement object 3 is recorded in the dark field by the camera 7 in connection with the objective 6 . The low divergence of the diode laser radiation allows an angle of incidence α, which is significantly smaller than that of thermal emitters, and enables a higher contrast of the images of the measuring field. The depth of field of the lens 6 is selected such that the measurement object 3 can be imaged sharply over the entire swarm area s. The interference filter 4 only allows the transmission of radiation of the wavelength emitted by the laser diode array. The polarization filter 5 is set such that, given the polarization of the laser diode array 1, the contrast of the images recorded with the camera 7 is maximum for the surface defects under consideration.

Eine zur Detektionsanordnung 4, 5, 6, 7 analoge Anordnung (in Fig. 1 nicht eingezeichnet) erfasst zusätzlich die Hellfeldaufnahme des Messfelds.An arrangement analogous to the detection arrangement 4 , 5 , 6 , 7 (not shown in FIG. 1) additionally detects the bright field image of the measuring field.

Einer inhomogenen Ausleuchtung des Messfelds auf dem. Messobjekt 3 wird dadurch entgegengewirkt, dass das Laserdiodenarray 1 aus mehreren Laseroszillatoren gleicher Wellenlänge und gleicher Polarisation mit individuell einstellbarer Leistung besteht. Diese einzelnen Laseroszillatoren werden im folgenden als Einzelemitter des Laserdiodenarrays bezeichnet. Die Strahlen der Einzelemitter des Laserdiodenarrays werden durch die Strahlformungsoptik 2 kollimiert.Inhomogeneous illumination of the measuring field on the. Measurement object 3 is counteracted in that the laser diode array 1 consists of several laser oscillators of the same wavelength and the same polarization with individually adjustable power. These individual laser oscillators are referred to below as individual emitters of the laser diode array. The beams of the individual emitters of the laser diode array are collimated by the beam shaping optics 2 .

Bild 2 zeigt, dass das Messfeld 14 in Zonen 15 unterteilt ist, wobei jede Zone von einem Einzelemitter des Laserdiodenarrays beleuchtet wird. Die Abmaße der Zonen sind groß gegenüber der durchschnittlichen Fehlergröße zu wählen. Ziel des Verfahrens ist es, das Messfeld 14 bei jeder Aufnahme mit konstanter Beleuchtungsstärke auszuleuchten und mit einer optimal homogenen Belichtung auf dem Kamerabild abzubilden. Einer Inhomogenität der Belichtung zwischen den Zonen auf dem Kamerabild des Messfeldes wird durch das im folgenden beschriebene Verfahren begegnet. Figure 2 shows that the measuring field 14 is divided into zones 15 , each zone being illuminated by a single emitter of the laser diode array. The dimensions of the zones are large compared to the average error size. The aim of the method is to illuminate the measuring field 14 with each exposure with constant illuminance and to image it with an optimally homogeneous exposure on the camera image. An inhomogeneity of the exposure between the zones on the camera image of the measuring field is countered by the method described below.

Durch die minimale Größe der zu detektierenden Fehler ergibt sich eine maximal tolerierbare Unschärfe des Kamerabilds des Messfelds, die es noch erlaubt, diese kleinsten Fehler aufzulösen. In Kombination mit der Vorschubgeschwindigkeit 12 des Messobjekts 3 ergibt sich damit die maximale Belichtungszeit der Kamera, die von einer Steuer- und Regeleinheit 11 in Abhängigkeit eines Geschwindigkeitsignals 11 des Transportsystems des Messobjekts 3 eingestellt wird.The minimal size of the errors to be detected results in a maximum tolerable blurring of the camera image of the measuring field, which still allows these smallest errors to be resolved. In combination with the feed speed 12 of the measurement object 3, this results in the maximum exposure time of the camera, which is set by a control and regulating unit 11 as a function of a speed signal 11 from the transport system of the measurement object 3 .

Zu Beginn der Messung wird eine Pulslänge der Einzelemitter des Laserdiodenarrays eingestellt, bei der die Beleuchtung des Messfelds bei der im vorherigen Schritt vorgegebenen Belichtungszeit der Kamera 6 optimal ist. Die durchschnittliche Belichtung des gesamten Messfelds wird als Vergleichsgröße für die Regelung der Pulsdauer und der Leistung der Einzelemitter des Laserdiodenarrays erfasst und gespeichert.At the beginning of the measurement, a pulse length of the individual emitters of the laser diode array is set, in which the illumination of the measuring field is optimal at the exposure time of the camera 6 specified in the previous step. The average exposure of the entire measuring field is recorded and stored as a comparison variable for controlling the pulse duration and the power of the individual emitters of the laser diode array.

Die Kamera 10 erfasst nach der zu 4, 5 analogen Polarisations- und Interferenzfilterbank 9 in verschiedenen Bereichen des Kamerabilds die Zonen 15 des Messfelds 14. Weicht über eine vorgegebene Anzahl von Aufnahmen die durchschnittliche Belichtung eines Zonenabbilds im Mittel stärker von dem absoluten Sollwert als ein vorgegebener Schwellwert ab, wird die Beleuchtung der betreffenden Zone korrigiert. Dies wird über die Steuer- und Regeleinheit 11 durch Korrektur der Pulslänge bei gleicher Pulsleistung desjenigen Einzelemitters des Laserdiodenarrays 1 erreicht, welcher die entsprechende Zone beleuchtet. Ist die Korrektur der Pulsdauer in den Grenzen der minimal möglichen Pulsdauer der Einzelemitter des Laserdiodenarrays auf der einen Seite und der Belichtungszeit der Kamera als größtmöglich sinnvolle Beleuchtungszeit auf der anderen Seite nicht möglich, wird die Leistung des Emitters durch die Steuer- und Regeleinheit 11 über den zugehörigen Diodenstrom nachgeregelt. Überschreitet der Diodenstrom einen definierten Schwellwert, wird das Laserdiodenarrays als degradiert erkannt und wird ersetzt.According to the polarization and interference filter bank 9 , which is analogous to FIGS. 4 and 5, the camera 10 captures the zones 15 of the measuring field 14 in different areas of the camera image. If the average exposure of a zone image deviates more from the absolute setpoint than a predetermined threshold value on average over a predetermined number of exposures, the illumination of the zone in question is corrected. This is achieved via the control and regulating unit 11 by correcting the pulse length with the same pulse power of that individual emitter of the laser diode array 1 which illuminates the corresponding zone. If it is not possible to correct the pulse duration within the limits of the minimum possible pulse duration of the individual emitters of the laser diode array on the one hand and the exposure time of the camera as the most sensible illumination time on the other hand, the performance of the emitter is controlled by the control and regulating unit 11 associated diode current readjusted. If the diode current exceeds a defined threshold value, the laser diode array is recognized as degraded and is replaced.

Die von Kamera 7 erfaßten Dunkelfeld-Aufnahmen, sowie die von der zweiten Kamera (in Bild 1 nicht eingezeichnet) erfaßten Hellfeld-Aufnahmen des Messfelds werden mit Hilfe bildverarbeitender Methoden im Hinblick auf den Nachweis von Oberflächendefekten ausgewertet.The dark-field images captured by camera 7 and the bright-field images of the measuring field captured by the second camera (not shown in image 1) are evaluated with the aid of image processing methods with a view to detecting surface defects.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Laserdiodenarray
laser diode array

22

Strahlformungsoptik
Beam shaping optics

33

Messobjekt
measurement object

44

Interferenfilter
Interferenfilter

55

Polarisationsfilter
polarizing filter

66

Objektiv
lens

77

Kamera (Dunkelfeld)
Camera (dark field)

88th

Reflektierte Strahlung
Reflected radiation

99

Polarisations- und Interfernzfilterband
Polarization and interference filter band

1010

Kamera (Hellfeld)
Camera (bright field)

1111

Steuer- und Regeleinheit
Control and regulation unit

1111

Geschwindigkeitssignal
speed signal

1212

Vorschubgeschwindigkeit Messobjekt
Feed speed measurement object

1313

Koordinatensystem
coordinate system

1414

Messfeld
measuring field

1515

Verschiedene Zonen des Messfelds
Different zones of the measuring field

Claims (9)

1. Verfahren zur optischen Erkennung von zweidimensionalen und dreidimensionalen Defekten einer Oberfläche (3) mit folgenden Schritten;

• - Bestrahlung der Oberfläche (3) mit einer Strahlungsquelle (1)
• - ortsaufgelöste Messung einer von der Oberfläche (3) gestreuten und/oder reflektierten Strahlung (8) mit mindestens einer Detektionseinheit (7, 10)
• - Auswertung der mit der Detektionseinheit (7, 10) gemessenen Strahlung (8) durch Vergleich mit vorgegebenen Werten für Oberflächen mit bekannter Struktur,

dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle eine Laserstrahlquelle verwendet wird, mit der die Oberfläche (3) flächig, mit einer gleichmäßigen Intensität über die Fläche und mit einer Divergenz kleiner als 150 mrad bestrahlt wird.1. A method for the optical detection of two-dimensional and three-dimensional defects of a surface ( 3 ) with the following steps;

• - Irradiation of the surface ( 3 ) with a radiation source ( 1 )
• - spatially resolved measurement of a radiation ( 8 ) scattered and / or reflected by the surface ( 3 ) with at least one detection unit ( 7 , 10 )
• - Evaluation of the radiation ( 8 ) measured with the detection unit ( 7 , 10 ) by comparison with predetermined values for surfaces with a known structure,

characterized in that a laser beam source is used as the radiation source, with which the surface ( 3 ) is irradiated areally, with a uniform intensity over the area and with a divergence of less than 150 mrad. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Laser (1) ein Laserdiodenarray (1) verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a laser diode array ( 1 ) is used as the laser ( 1 ). 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (1) eine Linienbreite von maximal 15 nm aufweist und/oder einen Polarisationsgrad von mindestens 70% aufweist.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the laser beam source ( 1 ) has a line width of at most 15 nm and / or has a degree of polarization of at least 70%. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass gepulst emittierende Laserdioden eingesetzt werden und zur Regelung der mittleren Leistung der Laserdioden die Pulsdauer der von den Laserdioden emittierten Strahlung verändert wird, wobei die Pulsdauer mindestens einer Laserdiode mit folgenden Schritten geregelt wird

• - Messung der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (8), die genau einer Laserdiode zugeordnet ist
• - Bildung eines Mittelwerts der Leistung dieser Strahlung (8) über eine Vielzahl von Messungen mit unterschiedlichen Bereichen (15) der zu untersuchenden Oberfläche
• - Vergleich dieses Mittelwerts mit einem vorgegebenem Wert
• - Änderung der Pulsdauer der Laserdiode, damit der Mittelwert der Leistung den vorgegebenen Wert erreicht.

4. The method according to any one of the preceding claims 2 or 3, characterized in that pulse-emitting laser diodes are used and the pulse duration of the radiation emitted by the laser diodes is changed to regulate the average power of the laser diodes, the pulse duration being regulated by at least one laser diode with the following steps becomes

• - Measurement of the reflected and / or scattered radiation ( 8 ), which is assigned to exactly one laser diode
• - Forming an average of the power of this radiation ( 8 ) over a large number of measurements with different areas ( 15 ) of the surface to be examined
• - Comparison of this mean with a given value
• - Change the pulse duration of the laser diode so that the average power reaches the specified value.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlleistung mindestens einer Laserdiode mit folgenden Schritten geregelt wird

• - Messung der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (8), die genau einer Laserdiode zugeordnet ist
• - Bildung eines Mittelwerts der Leistung dieser Strahlung über eine Vielzahl von Messungen mit unterschiedlichen Bereichen der zu untersuchenden Oberfläche
• - Vergleich dieses Mittelwerts mit einem vorgegebenem Wert
• - Änderung der Strahlleistung der Laserdiode, damit der Mittelwert der Leistung den vorgegebenen Wert erreicht.

5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the beam power of at least one laser diode is controlled with the following steps

• - Measurement of the reflected and / or scattered radiation ( 8 ), which is assigned to exactly one laser diode
• - Forming an average of the power of this radiation over a large number of measurements with different areas of the surface to be examined
• - Comparison of this mean with a given value
• - Change the beam power of the laser diode so that the average power reaches the specified value.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Detektionseinheit (7, 10) für die reflektierte und/oder gestreute Strahlung vorgesehen ist, wobei die Detektionseinheit (7, 10) nur Strahlung mit einer vorgegebenen Wellenlänge und einem vorgegebenen Polarisationsgrad misst.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one detection unit ( 7 , 10 ) is provided for the reflected and / or scattered radiation, the detection unit ( 7 , 10 ) only radiation with a predetermined wavelength and a predetermined degree of polarization measures. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Detektionseinheit (7, 10) für die reflektierte und/oder gestreute Strahlung so angeordnet ist, dass bei defektfreier Oberfläche keine Strahlung detektiert wird und eine weitere Detektionseinheit (7, 10) so angeordnet ist, dass bei defektfreier Oberfläche Strahlung (8) gemessen wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one detection unit ( 7 , 10 ) for the reflected and / or scattered radiation is arranged so that no radiation is detected when the surface is free of defects and a further detection unit ( 7 , 10 ) is arranged such that radiation ( 8 ) is measured when the surface is free of defects. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Diodenlaserarrays (1) so angeordnet werden, dass ein großer Bereich der Oberfläche untersucht werden kann. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a plurality of diode laser arrays ( 1 ) are arranged so that a large area of the surface can be examined. 9. Vorrichtung zur optischen Erkennung von zweidimensionalen und dreidimensionalen Defekten einer Oberfläche (3) umfassend eine Strahlungsquelle (1) zur Bestrahlung der Oberfläche (3), eine Detektionseinheit (7, 10) zur ortsaufgelösten Messung einer von der Oberfläche (3) gestreuten und/oder reflektierten Strahlung (8), eine Auswerteeinheit zur Auswertung der mit der Detektionseinheit (7, 10) gemessenen Strahlung durch einen Vergleich mit vorgegebenen Werten für Oberflächen mit einer bekannten Struktur, dadurch gekennzeichnet dass die Strahlungsquelle (1) eine Laserstrahlquelle ist, die eine flächige Bestrahlung der Oberfläche (3) mit einer gleichmäßigen Intensität über die Fläche und mit einer Divergenz kleiner als 150 mrad ermöglicht.9. Device for the optical detection of two-dimensional and three-dimensional defects of a surface ( 3 ) comprising a radiation source ( 1 ) for irradiating the surface ( 3 ), a detection unit ( 7 , 10 ) for the spatially resolved measurement of a surface scattered by the surface ( 3 ) and / or reflected radiation ( 8 ), an evaluation unit for evaluating the radiation measured with the detection unit ( 7 , 10 ) by comparing it with predetermined values for surfaces with a known structure, characterized in that the radiation source ( 1 ) is a laser beam source that has a flat surface Irradiation of the surface ( 3 ) with a uniform intensity over the surface and with a divergence less than 150 mrad allows.