-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenprüfung eines Prüflings nach dem Prinzip der Deflektometrie, bei dem mindestens eine Beobachtungseinrichtung Reflektionsbilder einer Beleuchtungseinrichtung aufnimmt, die elektromagnetische Strahlung aussendet, bei der die Reflektionsbilder der Beleuchtungseinrichtung an der Oberfläche des Prüflings entstehen, und bei dem aus der Form der Reflektionsbilder eine Neigung der Oberfläche des Prüflings bestimmt wird.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Prüfvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Stand der Technik
-
Für die automatische Prüfung rotationssymetrischer Erzeugnisse auf Beschädigungen und Materialfehler sind Bildverarbeitungssysteme mit Auflicht- oder Streiflichtbeleuchtung, deflektometrische Systeme mit zeitlich und räumlich moduliertem Licht sowie taktile Systeme im Einsatz. Taktile Messsysteme tasten die Oberfläche des Prüflings meist nur auf einer schmalen Linie ab und benötigen daher für eine komplette Prüfung einer Oberfläche extrem viel Zeit. Viele Erzeugnisse werden aufgrund von technischen Einschränkungen der genannten Verfahren sowie aus wirtschaftlichen Betrachtungen noch manuell einer Sichtprüfung unterzogen.
-
So können beispielsweise Bildverarbeitungssysteme mit Auflicht- und Streiflichtbeleuchtung durch die Merkmalrepräsentation in einem Grauwertbild nicht zwischen geometrischen Fehlstellen, wie Kratzer oder Oberflächendellen und Verfärbungen der Oberfläche unterscheiden. Da Helligkeitsschwankungen der Oberfläche bei vielen Prüfobjekten auftreten, diese aber meist nicht funktionsrelevant sind, weisen solche Systeme eine erhöhte Pseudofehlerrate auf.
-
Die optische Vermessung reflektierender Freiformflächen erfolgt durch Verfahren, die als Deflektometrie bezeichnet werden. Bei diesen Verfahren ist eine Beobachtungsvorrichtung mit einer oder mehreren Kameras vorgesehen, die auf die reflektierende Oberfläche des Messobjektes gerichtet sind und beobachten dort ein Reflektionsbild einer ausgedehnten Beleuchtungseinrichtung, bei der es sich in der Regel um einen strukturierten Schirm, eine strukturierte beleuchtete Mattscheibe oder Fernseher oder Monitor, der Strukturen darstellt, handelt. Die reflektierende Oberfläche selbst ist dabei nicht sichtbar. Durch Auswertung der Strukturen des Reflektionsbildes kann man Rückschlüsse auf die lokale Neigung der reflektierenden Oberfläche und damit auf ihre Form ziehen. Ein Beispiel eines deflektometrischen Messverfahrens ist in der
EP 1 882 896 A1 beschrieben.
-
Verfügbare deflektometrische Systeme können geometrische Merkmale und die Textur einer Oberfläche getrennt erfassen. Sie modulieren jedoch zeitlich und benötigen aus diesem Grund mehrere Bildaufnahmen vom Prüfobjekt. Bei rotationssymetrischen Körpern sind mehrere Aufnahmen mit unterschiedlichen Beleuchtungsmodulationen mit der Bedingung, dass jedes Pixel in allen Aufnahmen den gleichen Objektpunkt repräsentiert, schwierig und daher nur sehr aufwendig zu realisieren. Rotiert das zu vermessende Objekt, muss die Kamera sehr schnell und räumlich sehr exakt getriggert werden.
-
Aus der
DE 10258130 A1 wird ein Verfahren zur optischen Formvermessung von optisch glatten, glänzenden oder optisch rauen Oberflächen vorgeschlagen. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass ein photometrisches Stereoverfahren und ein deflektometrisches Verfahren durch Hinzufügen eines geeignet geformten Streukörpers kombiniert werden.
-
YUANKUN, L. [et al.]: Study on Bi-color Phase Measurement Deflectometry. Proc. of SPIE, Vol. 7283, 2009, S. 728349-1 - 728349-4. DOI: 10.1117/12.828819, offenbart eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren.
-
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, basierend auf herkömmlichen deflektometrischen Oberflächenprüfverfahren, ein gegenüber dem Stand der Technik vereinfachtes Verfahren zur Oberflächenprüfung bereitzustellen.
-
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine, zur Durchführung des Verfahrens entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 7 gelöst.
-
Das Verfahren sieht dabei vor, dass als Beleuchtungseinrichtung eine Beleuchtungsfläche mit einer oder mehreren im Farbraum vorgebbaren Farbmodulationen und als Beobachtungseinrichtung mindestens eine Farbzeilenkamera verwendet wird, wobei mit der Farbzeilenkamera ein oder mehrere chromatisch codierte Bilddaten gleichzeitig und pixelgenau erfasst werden und aus der Farbinformation Informationen zur Oberflächenneigung und aus deren Intensität Informationen zur Oberflächentextur eines jeden Pixels abgeleitet werden.
-
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine entsprechende Prüfvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird, wobei diese mindestens eine Beobachtungseinrichtung und mindestens eine Beleuchtungseinrichtung aufweist, mit der Reflektionsbilder der Beleuchtungseinrichtung im sichtbaren Spektralbereich erfassbar sind, die an der Oberfläche des Prüflings entstehen, und bei dem in einer Auswerteeinheit aus der Form der Reflektionsbilder eine Neigung der Oberfläche des Prüflings ableitbar ist. Dabei ist die Beleuchtungseinrichtung als Beleuchtungsfläche mit einer oder mehrerer im Farbraum vorgebbaren Farbmodulationen ausgebildet und die Beobachtungseinrichtung weist mindestens eine Farbzeilenkamera auf, mit der ein oder mehrere chromatisch codierte Bilddaten gleichzeitig und pixelgenau erfassbar und innerhalb der Auswerteeinheit aus der Farbinformation Informationen zur Oberflächenneigung und aus deren Intensität Informationen zur Oberflächentextur eines jeden Pixels ableitbar sind.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann gegenüber den bisher üblichen Verfahren zu Deflektometrie der apparative Aufwand deutlich reduziert werden, was insbesondere wirtschaftliche Vorteile bietet. Aufwendige technische Konstruktionen, um sicherzustellen, dass jedes Pixel den gleichen Objektpunkt in jeder Modulationsaufnahme repräsentiert, wie dies bei den bisher bekannten Verfahren zur Deflektometrie erforderlich ist, können mit dem vorgeschlagenen Verfahren entfallen.
-
Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht dabei vor, dass von der Beleuchtungseinrichtung elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich ausgesendet und das Reflektionsbild in diesem erfasst wird.
-
In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass mittels einer Kalibrierung jedem Farbwert der chromatisch codierten Bilddaten ein Neigungswert der Oberfläche des Prüflings zugewiesen wird. Damit können Abweichungen in der Topografie bei der Inspektion der Oberfläche des Prüflings schnell erkannt werden.
-
In einer bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die Farbmodulationen der Beleuchtungsflächen eindeutig vorgegeben und an die jeweilige Messaufgabe angepasst werden. Damit kann erreicht werden, dass je nach Neigung der Oberfläche und entsprechend dem Reflektionswinkel jedem Pixel der chromatisch codierten Bilddaten entsprechende Oberflächenbereiche des Prüflings eindeutig zugewiesen werden können.
-
Eine besonders effektive Farbmodulation in einer Richtung kann erzielt werden, wenn für die Farbmodulation der Beleuchtungsfläche eine Kosinus-Modulation der einzelnen RGB-Farbkanäle verwendet wird, deren Phase jeweils um 120° verschoben ist. Diese Modulation ermöglicht eine direkte Berechnung der Neigung und der Textur aus den chromatisch codierten Bilddaten mittels einer einfachen HSI-Farbraum-Transformation.
-
Wird für die Farbmodulation der Beleuchtungsfläche eine Überlagerung einer horizontalen und einer vertikalen Modulation verwendet wird, kann gegenüber einer Modulation in nur einer Raumrichtung erreicht werden, dass für die Oberfläche des Prüflings sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung Neigungswerte aus den Bilddaten ermittelt werden können.
-
Zur Erhöhung der räumlichen Auflösung der Neigungsdaten ist es vorteilhaft, wenn für die Farbmodulation der Beleuchtungsfläche eine Überlagerung von höher- und niederfrequenten Modulationen verwendet wird.
-
Grundsätzlich sei angemerkt, dass für die Farbmodulation der Beleuchtungsfläche unterschiedliche Farbmodulationen in x- und/ oder y-Richtung der Beleuchtungsfläche mit Farbmodulationen, bei denen unterschiedliche Raumfrequenzen überlagert sind, beliebig kombinierbar sind.
-
Eine besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens, wie es zuvor beschrieben wurde, sieht die Oberflächen-Inspektion von rotationssymmetrischen Prüflingen, wobei die Prüflinge gedreht werden und von der Farbzeilenkamera abgetastet werden, vor. Mantelflächen von derartigen Rotationskörpern können mit einer gewöhnlichen Farbzeilenkamera in kurzer Zeit inspiziert und hinsichtlich Oberflächendefekte ausgewertet werden.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Darstellung eine Prüfvorrichtung zur Oberflächenprüfung,
- 2 verschiedene Ausführungen einer Beleuchtungsfläche mit unterschiedlichen Farbmodulationen,
- 3 weitere Ausführungen der Beleuchtungsfläche mit unterschiedlichen Farbmodulationen,
- 4 ein Beispiel eines Oberflächendefekts, vorliegend als chromatisch codierte Bilddaten sowie als errechnete Topologie-Bilddaten mit errechneten Neigungsdaten,
- 5 den Oberflächendefekt gemäß 4 als errechnete Topologie-Bilddaten im Vergleich zu, mit anderen Verfahren gemessenen Referenz-Bilddaten und
- 6 einen anderen Oberflächendefekt, dargestellt in unterschiedlichen Bilddaten.
-
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Prüfvorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
-
Dargestellt ist ein rotationssymetrischer Prüfling 11, der um seine Längsachse rotierend aufgehängt ist. Beleuchtet wird der Prüfling 11 mit einer Beleuchtungsfläche 12, welche eine Farbmodulation 20 aufweist, so dass die zu prüfende Oberfläche des Prüflings chromatisch moduliert beleuchtet werden kann. Eine Farbzeilenkamera 13 nimmt dabei die verschieden farbigen spekularen Reflexe zur Bestimmung der Oberflächenneigung und der Textur der Oberfläche des Prüflings 11 auf. Schematisch ist dies durch die verschieden farbigen Strahlengänge dargestellt (rot 21, blau 23 und grün 25).
-
Das zuvor beschriebene Verfahren bezieht sich ausdrücklich auf eine Farbmodulation im sichtbaren Spektralbereich des Lichts. Grundsätzlich kann das Verfahren auch auf andere Spektralbereiche, wie beispielsweise auf den nahen Infrarotbereich (NIR) oder auf den nahen UV-Bereich erweitert werden. Zu berücksichtigen sind hierbei entsprechende Lichtquellen zur Beleuchtung sowie entsprechende Aufnahmesysteme, die in diesen Bereichen eine ausreichend hohe Empfindlichkeit aufweisen müssen. Weiterhin sind in diesem Zusammenhang insbesondere auch die Reflektions- bzw. die Transmissionseigenschaften des Prüflings 11 im verwendeten Spektralbereich zu berücksichtigen.
-
Um den Reflexionswinkel eines jeden Pixels bestimmen zu können, ist die auf dem Objekt abgebildete Beleuchtungsfläche 12 eindeutig chromatisch moduliert. Je nach Neigung der Oberfläche wird, nach dem Reflexionsgesetz der Strahlenoptik, ein anderer Punkt der Beleuchtungsfläche 12 über die Oberfläche des Prüflings 11 auf dem Kamerachip der Farbzeilenkamera 13 abgebildet.
-
Durch eine Kalibrierung kann jedem Farbwert der Beleuchtung ein Neigungswert der Oberfläche zugewiesen werden. Um die Mantelfläche eines rotationssymetrischen Objekts vollständig zu erfassen, wird der Prüfling 11 gedreht und mit der Farbzeilenkamera 13 abgetastet. Die auf diese Weise akquirierten Bilddaten 30 (siehe dazu die 4 bis 6) enthalten in ihren Farbinformationen (Farbwinkel im HSI-Farbraumsystem) Informationen zur Oberflächenneigung und in deren Intensität Informationen zur Oberflächentextur eines jeden Pixels.
-
Je nach gesuchtem Merkmal auf dem Prüfling 11 sind verschieden Farbmodulationen 20 der Beleuchtungsfläche 12 zielführend. Die 2 und 3 zeigen entsprechende Beispiele für derartige Farbmodulationen 20 der Beleuchtungsfläche 12.
-
2 zeigt im linken Bild eine Kosinus-Modulation der einzelnen Farbkanäle (rot 21, blau 23 und grün 25) deren Phase jeweils um 120° verschoben ist. Daraus resultiert eine Farbverlaufsfläche die von oben nach unten gesehen die Farben Rot 21, Magenta 22, Blau 23, Cyan 24, Grün 25 und Gelb 26 ergibt. Ein weiteres Beispiel stellt das mittlere Bild in 2 dar. Dargestellt ist ein Grauwert codierter Farbwinkel. Das rechte Bild zeigt eine Intensitäts-Codierung.
-
Da die in 2 dargestellten Modulationen für die Beleuchtungsfläche 12 nur in einer Richtung chromatisch moduliert sind, kann mit dieser Art der Farbmodulation 20 nur eine Neigungsrichtung der Oberfläche des Prüflings 11 erfasst werden. Um zwei voneinander unabhängige Neigungsrichtungen auf dem Prüfling 11, und somit die gesamte Information der Oberfläche im 3D-Raum zu erfassen, ist eine Überlagerung der horizontalen Farbmodulation 20 mit einer vertikalen Farbmodulation 20 notwendig.
-
Die 3 zeigt im linken Bild eine entsprechende zweidimensionale Farbmodulation 20 der Beleuchtungsfläche 12. Daraus resultiert eine Farbverlaufsfläche die im Uhrzeigersinn gesehen die Farben Grün 25 (unten links beginnend), Cyan 24, Blau 23, Magenta 22, Rot 21 und Gelb 26 ergibt.
-
Zur Erhöhung der Auflösung der Neigungsdaten ist eine Variation der Modulationssteigungen bzw. Modulationsfrequenzen der einzelnen Farbkanäle hilfreich. Dazu sind im rechten Bild der 3 niederfrequente Grün- und Rot-Modulationen (Übergänge von Grün 25, Gelb 26 und Rot 21) mit einer hochfrequenten Blaumodulation kombiniert (Blau 23).
-
In 4, 5 und 6 sind beispielhaft als Ergebnis einer Machbarkeitsstudie verschiedene Oberflächendefekte 50 in unterschiedlich vorliegenden Bilddaten 30 dargestellt.
-
4 zeigt als Oberflächedefekt 50 eine geometrische Fehlstelle in Form einer Delle. Die linke Abbildung in 4 zeigt chromatisch codierte Bilddaten 31 und entspricht den Rohdaten, welche mit einer CMOS-Farbkamera im Zeilenkamerabetrieb akquiriert wurden. Die rechte Abbildung zeigt errechnete Topologie-Bilddaten 33, aus denen errechnete Neigungsdaten 36 in y-Richtung der Oberfläche des Prüflings 11 resultieren. Helle Pixel entsprechen einer ansteigenden Fläche 37 (positive Steigung). Dunkle Pixel entsprechen einer absteigenden Fläche 39 (negative Steigung). Eine ebene Fläche 38 (Steigung = 0) wird durch einen bestimmten mittleren Grauwert in den Topologie-Bilddaten 33 repräsentiert.
-
In 5 ist die Topologie des Oberflächendefekts 50 aus 4 dargestellt. Das linke Bild zeigt eine Höhenkarte, errechnet aus den Neigungsdaten des deflektometrischen Verfahrens (errechnete Topologie-Bilddaten 33). Helle Pixel entsprechen einer hoch liegenden Fläche 34. Dunkle Pixel entsprechen einer tief liegenden Fläche 35. Das rechte Bild zeigt entsprechende Referenz-Bilddaten 40, aufgenommen mit einem hochwertigen Weißlichtinterferometer. Deutlich ist in beiden Aufnahmen die Delle (Oberflächendefekt 50) in der Oberfläche des Prüflings 11 sichtbar. Strukturen, wie die in der Weißlichtinterferometer-Aufnahme (WLT-Aufnahme, rechtes Bild) eingefärbten Stege 41, sind in den errechneten Topologie-Bilddaten 33 durch die Art der Beleuchtungsmodulation (nur vertikale Farbmodulation 20, vergleiche 2 und 3) gezielt unterdrückt worden.
-
6 zeigt Bilddaten 30 einer Machbarkeitsuntersuchung zur automatischen Prüfung einer Komponente eines Commonrail-Injektors.
-
Diese veranschaulichen die Trennung von Textur- und Topologiedaten, welche durch das vorgestellte System möglich ist. Das linke Bild zeigt die Rohdaten als chromatisch codierte Bilddaten 31 der Oberfläche des Prüflings 11, welche mit der in 1 dargestellten Prüfvorrichtung 10 aufgenommen wurde. Das mittlere Bild stellt die errechnete Textur der Oberfläche dar (Intensitäts-Bilddaten 32). Deutlich zu erkennen sind Unregelmäßigkeiten der Oberfläche sowie zwei dunkle Markierungen 51, die links und rechts des Oberflächendefekts 50 aufgebracht wurden. Im rechten Bild ist die Topologie in Form von errechneten Topologie-Bilddaten 33 dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass der Oberflächendefekt 50 (hier als Kratzer) nur in einem kleinen Bereich eine nennenswerte Tiefe aufweist. Die Unregelmäßigkeiten der Oberfläche wie auch die Markierungen 51 haben eine vernachlässigbare Höhe und erscheinen somit nur schemenhaft in den Topologie-Bilddaten 33.
