Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen und Klassieren von Fehlern einer Materialoberfläche, wobei ein Lichtstrahl die Oberfläche abtastet, und ein stationäres Beugungsbild, das von dem von der Oberfläche reflektierten Licht oder von dem durch die Oberfläche übertragenen Licht gebildet wird, in einer Ebene aufgefangen wird.
Es soll vorzugsweise Material mit ebenen Oberflächen untersucht werden, an dem Fehler wie Kratzer, Poren, Erhebungen oder Verfärbungen auftreten können.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
- Es ist bekannt, Oberflächenfehler auf Materialoberflächen durch einen Lichtstrahl festzustellen, der über die zu untersuchende Oberfläche streicht. Durch eine optische Vorrichtung wird das reflektierte Licht auf eine Ebene projiziert, in der ein stationäres Beugungsbild entsteht. In dieser Ebene ist ein Raumfilter angeordnet, dessen Transmission in jedem Punkt im wesentlichen umgekehrt proportional zur Helligkeitsverteilung des Beugungsbildes ist, wenn der Lichtstrahl über eine als fehlerfrei definierte Oberfläche streicht. Wenn sich das Beugungsbild bei Auftreffen des Lichtstrahles auf eine fehlerbehaftete Oberfläche ändert, ändert sich auch der Lichtstrom, der von einem Lichtdetektor empfangen wird, der hinter dem Filter angeordnet ist.
Der von als fehlerfrei angesehenen Oberflächen reflektierte Lichtstrom kann stark unterschiedliche Werte annehmen, die Helligkeitsverteilung des Beugungsbildes bleibt jedoch dieselbe und folglich werden die Lichtstromschwankungen durch das Raumfilter unterdrückt. Somit ermöglicht dieses Verfahren kleine Fehler in der Materialoberfläche festzustellen.
Jedoch können die kleinen Lichtstromänderungen, welche im Falle des Vorhandenseins eines Oberflächenfehlers durch den Lichtdetektor festgestellt werden, nurseltenmitderBedeutung in Beziehung gesetzt werden, welche der Fehler für die Verwendbarkeit der untersuchten Oberfläche aufweist. Durch die Verwendbarkeit des bekannten Gerätes ist es somit möglich, festzustellen, dass gewisse Fehler vorhanden sind, und in vielen Fällen kann auch ihre Grösse festgestellt werden.
Jedoch gibt es keine Möglichkeit, die Oberflächenfehler so zu klassieren, dass ihre Bedeutung für die Verwendbarkeit der Oberfläche offensichtlich werden.
Es ist auch bekannt geworden, mehrere Lichtdetektoren in einem stationären Beugungsfeld anzuordnen. Im Falle automatischer Oberflächenuntersuchungen ist jedoch die Untersuchungsgeschwindigkeit im allgemeinen von grösster Wichtigkeit. Mit einem Kanal pro Lichtdetektor muss die Signalverarbeitung entsprechend parallel durchgeführt werden. Dadurch ergibt sich eine sehr umfangreiche und teure Vorrichtung.
Durch das nachfolgend beschriebene Verfahren können verschiedene Arten von Fehlern auf einfache Weise klassiert werden. Zu diesem Zweck ist das Verfahren nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Raumfilters in der genannten Ebene eine Abschwächung oder Ausblendung der Anteile des Beugungsbildes, die einer als fehlerfrei definierten Oberfläche entsprechen, sowie jener Anteile, die von Oberflächenfehlern erzeugt werden, die als tolerierbar definiert werden, vorgenommen wird, während das Raumfilter den Lichtstrom der von den als nicht mehr tolerierbar definierten Oberflächenfehlern stammenden Anteilen des Beugungsbildes durchlässt.
In der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes wird auf die beigefügte Zeichnung verwiesen. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung;
Fig. 2 ein Beispiel für einen Fehler, der auf einer Oberfläche vorhanden sein kann.
In der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung wird ein Lichtstrahl aus einer Strahlenquelle, z. B. aus einem Laser 1, auf ein rotierendes Prisma 2 gerichtet. Dadurch wird bewirkt, dass der Strahl eine Materialoberfläche 3 bestreicht oder diese abtastet. Nach der Reflexion an der Materialoberfläche 3 wird der Lichtstrahl durch eine optische Vorrichtung 4, wie zum Beispiel durch ein Linsensystem, zu einem stillstehenden Punkt 5 in einer Ebene 6 gebrochen. Die Lichtstreuung zufolge Spiegelreflexion und Beugung an gneigten Flächen und Kanten im Berührungspunkt des Lichtstrahls mit der Materialoberfläche bewirkt die Entstehung eines sogenannten Beugungsbildes in der Bildebene. Hinter der Ebene 6 sind ein oder mehrere Strahlendetektoren 9 angeordnet, welche die Lichtstärke in verschiedenen Teilen des Beugungsbildes anzeigen. In der Ebene 6 sind ein oder mehrere Raumfilter 8 angeordnet.
Diese sind so aufgebaut, dass sie einerseits Teile des Beugungsbildes, das an einer Oberflächenstruktur entsteht, die für fehlerfrei gehalten wird, abschwächen oder abblenden, und dass sie andererseits eine Transmission erzeugen, die in jenen Teilen, in denen unwesentliche Fehler oder Fehler von geringer Bedeutung grosse Lichtänderungen bewirken, niedrig ist, und die in jenen Teilen, in denen wesentliche Fehler Lichtänderungen erzeugen, hoch ist, ohne Rücksicht darauf, ab die letztgenannten Änderungen eine hohe oder niedrige Intensität erzeugen.
Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass das Raumfilter in angemessener Weise auch jene Teile des Beugungsbildes abschwächen soll, das durch unwesentliche Fehler in der Oberflächenstruktur entsteht, welche Fehler, bezogen auf ihre Bedeutung, andererseits zu hohe Detektorsignale erzeugen würden. Diese doppelte Funktion der Raumfilter in der Ebene 6 kann durch Verwendung kombinierter Filter erhalten werden, oder durch Verwendung mehrerer Filter mit unterschiedlichen Funktionen, die hintereinander angeordnet sind.
Bei der Oberflächenuntersuchung von durchlässigen Materialien, wie zum Beispiel Glas oder Kunststoffmaterial, wird eine Transmission des Lichtstrahles durch die Materialoberfläche 3 und das Material selbst erhalten. In diesem Falle werden die Bauteile 4, 6, 8 und 9 unterhalb des Materials angeordnet. Im übrigen arbeitet jedoch diese in der Zeichnung nicht dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung gleich wie oben beschrieben wurde. Wenn halbdurchlässiges Material untersucht wird, bei dem sowohl Lichtreflexion als auch -transmission auftritt, können die erwähnten oder gleichartige Bauteile sowohl ober- als auch unterhalb der Materialoberfläche 3 angeordnet werden.
Die ersterwähnte Funktion des Raumfilters, d.h. jene Teile des Beugungsbildes abzudecken, die von einer Oberflächenstruktur stammen, die als fehlerfrei betrachtet wird, kann in den einfachsten Fällen ein opakes Abdecken sein. Eine bessere Anpassung des Signals wird jedoch erhalten, wenn die Transmission des Filters in jedem Punkt umgekehrt proportional zur Intensität des normalen Beugungsbildes ist. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass das Raumfilter so erzeugt wird, dass ein photographischer Film mit dem normalen Beugungsbild, das während des Abtastens erhalten wird, belichtet wird, d.h. mit dem Beugungsbild von einer Oberfläche, die als fehlerfrei betrachtet wird, wenn diese Oberfläche relativ zum Film bewegt wird.
Diese letztere Art von Raumfilter kann auch für die anderen Funktionen des Filters verwendet werden, d. h. zur Abschwächung jener Teile des Beugungsbildes, die von Fehlern in der Oberflächenstruktur stammen, welche in bezug auf ihre Bedeutung zu grosse Lichtänderungen aufweisen. Andernfalls kann das Filter zur Abschwächung des normalen Beugungsbildes aus einem angepassten, optischen Filter bestehen, dessen Transmissionseigenschaften für Beugungsstrahlung automatisch veränderlich sind. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel ein photochromes Material verwendet werden, das mit geeigneter Geschwindigkeit bei erhöhter Strahlungsintensität dunkel wird, und seine ursprüngliche
Durchlässigkeit wiedergewinnt, wenn keine Strahlung mehr auftritt.
Das stationäre Beugungsbild schwärzt das photo chrome Material und wird daher nicht in gleichem Ausmass übertragen wie das Beugungsbild, das von Oberflächenfehlern stammt, die Lichtänderungen kurzer Dauer erzeugen. Somit wird das Abblenden automatisch an die Oberflächenstruktur des zu untersuchenden Materials angepasst.
Das Filter kann alternativ aus einer Scheibe bestehen, bei dem die Transmission in verschiedenen Teilen gesteuert werden kann. Zum Beispiel kann die Scheibe die Form eines Mosaiks haben, wobei die Transmission eines jeden Elements unabhän gig von den umgebenden Elementen gesteuert werden kann.
In einer anderen Ausführungsform kann das Filter aus einem Material bestehen, das zwischen zwei linearen (ebenen)
Polarisationsprismen angeordnet ist, die relativ zueinander verdreht sind. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung wird das Material doppeltbeugend, wodurch die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes drehen kann. Ein Elektrodennetz ist auf dem Material angeordnet. Dieses Netz kann aufgedampft oder sonstwie darauf befestigt sein. Durch Verwendung dieses
Netzes kann das elektrische Feldbild im Material gesteuert werden. Dadurch kann auch die Transmission mit einer
Oberflächenauflösung gesteuert werden, die durch die Konfigu- ration des Elektrodennetzes gegeben ist. Das aktive Material kann zum Beispiel aus einem bestimmten Keramiktyp, genannt
PLZT, bestehen.
In einer anderen Ausführungsform besteht das Filter aus einem an das Material angelegtem Elektrodennetz. Die Transmission des Filters kann dabei durch Verändern seiner Lichtstreuungseigenschaften mittels eines elektrischen Feldes gesteuert werden. Bei einer bestimmten Feldstärke ist das Material vollkommen lichtdurchlässig, während bei einer anderen Feldstärke die Lichtstreuung stark erhöht wird. Das aktive Material kann zum Beispiel aus dem erwähnten PLZT Keramik bestehen.
Der Zweck des hier beschriebenen Verfahrens besteht darin, von dem Detektor oder den Detektoren 9, die hinter der Bildebene angeordnet sind, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eher zur relativen Bedeutung der verschiedenen Fehler der Oberflächenstruktur des Materials proportional ist, als eine eindeutige Information über die Identität der Fehler zu liefern.
Somit muss dieses derart gewichtete Ausgangssignal nicht weiter elektronisch ausgewertet werden, sondern es kann durch ein verhältnismässig einfaches Verarbeiten zum Aufzeichnen oder Steuern eines Herstellungs- oder Arbeitsvorganges des untersuchten Materials verwendet werden. Die Steuerung kann zum Beispiel so angeordnet werden, dass ein Schneiden und Sortieren in verschiedene Lägen in Abhängigkeit vom Ausmass und von der Bedeutung der gefundenen Fehler erfolgt. Ein Aufzeichnen der Fehler einer Materialoberfläche kann in der Weise erhalten werden, dass ihre Lage und Bedeutung durch Ziffern festgehalten wird, um es nachher zu ermöglichen, die Fehler für Messzwecke wiederzufinden.
Wenn zum Beispiel das beschriebene Verfahren zum
Auffinden von Oberflächenfehlern auf einem kaltgewalzten Blech angewendet wird, dann ist es möglich, an die fünfzehn verschiedene Fehler in der Oberflächenstruktur zu Massieren, und diese Fehler nach ihrer Bedeutung einzustufen, und dabei solche Fehler, die von Oberflächen stammen, die als fehlerfrei betrachtet werden, und solche Fehler, die für die vorhandene
Materialoberfläche als unwesentlich betrachtet werden, abzuschwächen oder vollkommen auszublenden, während andererseits Licht von wesentlichen Fehlern für das Detektie- ren übertragen wird. In Fig. 2 wird dies an einem Beispiel erläutert.
In diesem sind Kratzer dargestellt, die nach dem Kalt- walzen von Stahl vorhanden sein können. Der kaltgewalzte Stuhl wurde mit dem hier beschriebenen Verfahren kontrolliert, und es wurde ein Beugungsbild gemäss Fig. 2a erhalten, wenn keine Raumfilter in die Ebene 6 in Fig. 1 eingesetzt wurden.
Der stark gezeichnete Teil 10 des Bildes zeigt das Vorhandensein eines Kratzersparallel zurWakrichtung an, und derTeil 11 zeigt einen Kratzer an, der unter einem Winkel zur Walzrichtung liegt. Dieser schräg liegende Kratzer erzeugt eine geringere Intensität des reflektierten Lichtes im Beugungsbild als ein Krazter, der parallel zur Wakrichtung liegt. Die Bedeutung des schrägliegenden Kratzers ist jedoch vom Rückweisungsgesichtspunkt aus grösser als die Bedeutung des parallel zur Walzrichtung liegenden Kratzers. Gemäss dem beschriebenen Verfahren, wurde daher eine Abschwächung oder Abblendung des Lichtes durchgeführt, das von den Oberflächenteilen stammt, die als vergleichsweise fehlerfrei betrachtet werden, d.h. dem Teil 12 in Fig. 2b.
Es wurde auch eine Abschwächung des Lichtes gemacht, das von dem parallel zur Walzrichtung liegenden Kratzer stammt, d. h. vom Teil 13 in Fig. 2c. Diese Abschwächung oder Abblendung wurde mit Hilfe eines Raumfilters gemacht, das aus einem geschwärzten photographischen Film bestand. Somit ist Fig. 2 ein Beispiel für eine Einstufung von Fehlertypen, die im Verhältnis zur Bedeutung der Kratzer betrachtet werden können. Selbstverständlich können auch andere Arten von Fehlern mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens eingestuft werden, wie zum Beispiel Schlackeneinschlüsse.
Das Verfahren kann auch auf andere Weise ausgeführt und verwendet werden als oben beschrieben und in der Zeichnung erläutert wurde. Zum Beispiel kann bei gewissen Fällen von Oberflächenprüfungen und bei gewissen Materialien, die Materialoberfläche feststehend sein und der auf die Materialoberfläche gerichtete Lichtstrahl sich über die Oberfläche bewegen. In bestimmten Fällen können sich sowohl die Materialoberfläche als auch der Lichtstrahl während der Oberflächenuntersuchung bewegen.
The present invention relates to a method for determining and classifying defects in a material surface, wherein a light beam scans the surface and a stationary diffraction image, which is formed by the light reflected from the surface or from the light transmitted through the surface, is captured in a plane .
It is preferable to examine material with flat surfaces on which defects such as scratches, pores, bumps or discoloration can occur.
The invention also relates to an apparatus for carrying out the method.
- It is known to determine surface defects on material surfaces by means of a light beam that sweeps over the surface to be examined. The reflected light is projected by an optical device onto a plane in which a stationary diffraction image is created. A spatial filter is arranged in this plane, the transmission of which at each point is essentially inversely proportional to the brightness distribution of the diffraction image when the light beam sweeps over a surface defined as free of defects. If the diffraction pattern changes when the light beam hits a defective surface, the light flux that is received by a light detector that is arranged behind the filter also changes.
The luminous flux reflected by surfaces that are considered to be free from defects can have very different values, but the brightness distribution of the diffraction image remains the same and consequently the luminous flux fluctuations are suppressed by the spatial filter. This method enables small defects in the material surface to be detected.
However, the small changes in luminous flux which are detected by the light detector in the event of the presence of a surface defect can only rarely be related to the importance of the defect for the usability of the surface being examined. As the known device can be used, it is thus possible to determine that certain errors are present, and in many cases their size can also be determined.
However, there is no way to classify the surface defects in such a way that their importance for the usability of the surface becomes obvious.
It has also become known to arrange several light detectors in a stationary diffraction field. In the case of automatic surface examinations, however, the examination speed is generally of the greatest importance. With one channel per light detector, the signal processing must be carried out in parallel accordingly. This results in a very extensive and expensive device.
Various types of defects can be classified in a simple manner using the method described below. For this purpose, the method according to the invention is characterized in that by means of a spatial filter in the above-mentioned plane, a weakening or fading out of the portions of the diffraction image that correspond to a surface defined as free of defects, as well as those portions that are generated by surface defects that are tolerable are defined, while the spatial filter lets through the luminous flux of the portions of the diffraction image originating from the surface defects defined as no longer tolerable.
In the following detailed description of an exemplary embodiment of the subject matter of the invention, reference is made to the attached drawing. In this show:
1 shows an embodiment of the device described below;
2 shows an example of a defect that can be present on a surface.
In the device shown in the drawing, a light beam from a radiation source, e.g. B. from a laser 1, directed onto a rotating prism 2. This has the effect that the beam sweeps or scans a material surface 3. After reflection on the material surface 3, the light beam is refracted by an optical device 4, such as a lens system, to a stationary point 5 in a plane 6. The light scattering due to mirror reflection and diffraction on inclined surfaces and edges at the point of contact of the light beam with the material surface causes the creation of a so-called diffraction image in the image plane. Behind the plane 6, one or more radiation detectors 9 are arranged, which indicate the light intensity in different parts of the diffraction image. One or more spatial filters 8 are arranged in level 6.
These are constructed in such a way that, on the one hand, they weaken or mask out parts of the diffraction pattern that is created on a surface structure that is believed to be free of defects, and, on the other hand, they generate a transmission that occurs in those parts in which insignificant defects or defects of minor importance causing large changes in light is low, and which is high in those parts in which substantial errors produce light changes, regardless of whether the latter changes produce a high or low intensity.
In other words, this means that the spatial filter should also adequately attenuate those parts of the diffraction image that arise from insignificant defects in the surface structure, which defects, based on their importance, would otherwise generate excessive detector signals. This dual function of the spatial filters in level 6 can be obtained by using combined filters or by using several filters with different functions, which are arranged one behind the other.
When examining the surface of permeable materials such as glass or plastic material, a transmission of the light beam through the material surface 3 and the material itself is obtained. In this case the components 4, 6, 8 and 9 are arranged below the material. Otherwise, however, this embodiment of the device, not shown in the drawing, works in the same way as described above. If semitransparent material is examined, in which both light reflection and light transmission occur, the mentioned or similar components can be arranged both above and below the material surface 3.
The first mentioned function of the spatial filter, i.e. Covering those parts of the diffraction pattern that originate from a surface structure that is considered to be free from defects can, in the simplest cases, be an opaque covering. A better match of the signal is obtained, however, if the transmission of the filter at each point is inversely proportional to the intensity of the normal diffraction pattern. This can be achieved, for example, by creating the spatial filter so that a photographic film is exposed to the normal diffraction image obtained during the scan, i. E. with the diffraction image from a surface that is considered to be free of defects when that surface is moved relative to the film.
This latter type of spatial filter can also be used for the other functions of the filter, i.e. H. for attenuating those parts of the diffraction pattern which originate from defects in the surface structure which, with regard to their significance, show too great changes in light. Otherwise, the filter for attenuating the normal diffraction image can consist of an adapted optical filter whose transmission properties for diffraction radiation can be changed automatically. For this purpose, for example, a photochromic material can be used which darkens at a suitable speed with increased radiation intensity, and its original
Permeability regains when there is no more radiation.
The stationary diffraction pattern blackens the photochromic material and is therefore not transmitted to the same extent as the diffraction pattern that originates from surface defects that produce short-lived changes in light. Thus, the stopping down is automatically adapted to the surface structure of the material to be examined.
The filter can alternatively consist of a disc in which the transmission can be controlled in different parts. For example, the disk can be in the form of a mosaic, whereby the transmission of each element can be controlled independently of the surrounding elements.
In another embodiment, the filter can consist of a material that is between two linear (flat)
Polarizing prisms is arranged, which are rotated relative to each other. When an electrical voltage is applied, the material becomes double-diffractive, allowing the plane of polarization of the incident light to rotate. An electrode network is arranged on the material. This net can be vapor-deposited or otherwise attached to it. By using this
Network, the electric field pattern in the material can be controlled. This means that the transmission with a
Surface resolution can be controlled, which is given by the configuration of the electrode network. The active material can be made of a certain type of ceramic, for example
PLZT, exist.
In another embodiment, the filter consists of an electrode network applied to the material. The transmission of the filter can be controlled by changing its light scattering properties by means of an electric field. At a certain field strength, the material is completely translucent, while at another field strength, the light scattering is greatly increased. The active material can for example consist of the mentioned PLZT ceramic.
The purpose of the method described here is to generate an output signal from the detector or detectors 9 which are arranged behind the image plane, which output signal is proportional to the relative importance of the various defects in the surface structure of the material rather than unambiguous information about the Identify the failure to deliver.
Thus, this output signal weighted in this way does not have to be further electronically evaluated, but rather it can be used for recording or controlling a production or work process of the examined material through a relatively simple processing. The control can be arranged, for example, so that it is cut and sorted into different lengths depending on the extent and significance of the errors found. A record of the defects of a material surface can be obtained in such a way that their position and significance are recorded by numerals in order to make it possible afterwards to find the defects again for measurement purposes.
For example, if the method described for
Finding surface defects on a cold-rolled sheet is applied, then it is possible to massage around fifteen different defects in the surface structure and classify these defects according to their importance, including those defects that come from surfaces that are considered to be free of defects. and such bugs applicable to the existing
The surface of the material can be viewed as insignificant, weakened or completely masked out, while on the other hand light from essential defects is transmitted for detection. This is explained using an example in FIG.
This shows scratches that may be present after cold rolling steel. The cold-rolled stool was checked using the method described here, and a diffraction image according to FIG. 2a was obtained when no spatial filters were inserted in plane 6 in FIG.
The heavily drawn part 10 of the picture indicates the presence of a scratch parallel to the wak direction, and the part 11 indicates a scratch which is at an angle to the rolling direction. This inclined scratch creates a lower intensity of the reflected light in the diffraction image than a scratch that is parallel to the direction of the Wak. However, from the point of view of rejection, the importance of the inclined scratch is greater than the importance of the scratch located parallel to the rolling direction. According to the method described, an attenuation or dimming of the light was therefore carried out, which originates from the surface parts which are considered to be comparatively free of defects, i.e. the part 12 in Fig. 2b.
An attenuation of the light originating from the scratch parallel to the rolling direction was also made, i.e. H. from part 13 in Fig. 2c. This attenuation or fading was done with the aid of a spatial filter made from blackened photographic film. Thus, FIG. 2 is an example of a classification of defect types that can be viewed in relation to the importance of the scratches. Of course, other types of defects can also be classified using the present method, such as slag inclusions.
The method can also be carried out and used in a different manner than that described above and explained in the drawing. For example, in certain cases of surface inspection and with certain materials, the material surface may be stationary and the light beam directed at the material surface may move across the surface. In certain cases, both the material surface and the light beam can move during the surface inspection.