BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein opto-elektronisches Verfahren zur Inspektion von Oberflächen auf Störungen der Oberflächengüte, unter Verwendung eines auf die zu inspizierende Oberfläche gerichteten Lichtstrahlenbündels, eines Strahlenteilers für an der Oberfläche reflektierte Lichtstrahlen, zwei opto-elektronischen Lichstrahlen-Detektoren zum Ermitteln der Intensitäten von reflektierten Lichtstrahlen, und mit Hilfe einer elektronischen Schaltungsanordnung zum Vergleichen der ermittelten Intensitäten und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das an der inspizierten Oberfläche allfällig vorhandene Störungen signalisiert. Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens und eine Anwendung des Verfahrens.
Verschiedene opto-elektronische Verfahren und Einrichtungen zur Inspektion von Oberflächen auf Störungen der Oberflächengüte sind bereits bekannt. Bei diesen bekannten Techniken wird ein Lichtstrahlenbündel auf die zu inspizierende Oberfläche fokussiert, wobei der Mittelstrahl senkrecht auf die Oberfläche auftrifft. Durch Unebenheiten oder andere Störungen an der Oberfläche werden die an der Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen gestreut. Mit Hilfe mindestens eines opto-elektronischen Lichtstrahlen-Detektors wird die Intensität von reflektierten Streulichtstrahlen oder/und von reflektierten ungestreuten Lichtstrahlen ermittelt. Eine an den bzw. die Lichtstrahlen Detektoren angeschlossene elektronische Schaltungsanordnung erzeugt ein Ausgangssignal, das allfällig vorhandene Störungen an der inspizierten Oberflächenstelle signalisiert.
Das Ausgangssignal kann direkt zur Anzeige der örtlichen Oberflächengüte genutzt werden. Beispiele für diesen Stand der Technik findet man in der luxemburgischen Patentschrift 56 099 und in den Offenlegungsschriften GB 2 025 041 und FR 2 491 615.
Weil bei den bekannten Verfahren und Einrichtungen, wie erwähnt, das Lichtstrahlenbündel auf der zu inspizierenden Oberfläche fokussiert wird, entsteht dort jeweils nur ein verhältnismässig kleiner Lichtfleck von 1 bis wenige mm Durchmesser. Hierdurch wird zwar eine relativ hohe Auflösung bei der Feststellung von Störstellung erzielt, aber das Inspizieren grösserer Oberflächen verlangt entweder einen verhältnismässig hohen Zeitaufwand oder den Einsatz einer erheblichen Anzahl gleichzeitig arbeitender Einrichtungen der beschriebenen Art.
Versucht man andererseits den Lichtfleck auf der zu inspizierenden Oberfläche zu vergrössern, wird das Verfahren unempfindlich und das Auflösungsvermögen fühlbar herabgesetzt. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass der Abstand zwischen der zu inspizierenden Oberfläche und der Messeinrichtung genau eingestellt und konstant gehalten werden muss, weil andernfalls die verlangte Fokussierung des Lichtstrahlenbündels beeinträchtigt wird oder nachreguliert werden muss.
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren der eingangs genannten Art und die zu seiner Durchführung geeignete Einrichtung derart auszugestalten, dass im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik jeweils eine beträchtlich grössere Partie der zu inspizierenden Oberfläche durch Lichtstrahlen gleichzeitig erfasst werden kann, ohne dabei eine Einbusse an Empfindlichkeit und Auflösungsvermögen in Kauf nehmen zu müssen. Weiter soll erreicht werden, dass die genaue Einhaltung eines bestimmten Abstandes zwischen der zu inspizierenden Oberfläche und der Messeinrichtung entbehrlich ist.
Diese Aufgabe ist durch Schaffung des Verfahrens gemäss dem Patentanspruch 1 bzw. der Einrichtung gemäss dem Patentanspruch 4 gelöst. Vorteilhafte und bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Nachstehend ist die Erfindung rein beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Schnittdarstellung wesentlicher Bauteile eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Einrichtung, wobei auch das erfindungsgemässe Verfahren schematisch angedeutet ist;
Fig. 2 eine erweiterte schematische Darstellung des gleichen Ausführungsbeispiels;
Fig. 3 eine der Fig. 2 analoge Darstellung eines anderen Ausfürungsbeispiels der Einrichtung, mit welcher nicht nur die Oberfläche eines z.B. band- oder folienförmigen Gutes inspiziert, sondern zusätzlich auch das allfällige Vorkommen von durchgehenden Löchern im Gut festgestellt werden kann;
Fig. 4 eine weitere der Fig. 2 analoge Darstellung einer modifizierten Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung.
Die in Fig. 1 veranschaulichte Einrichtung weist eine punktförmige Lichtquelle 1 und einen zugeordneten Parabolspiegel 2 auf, der das von der Lichtquelle 1 ausgesandte Licht zu einem Bündel paralleler Lichtstrahlen richtet. Das Lichtstrahlenbündel durchsetzt einen als teildurchlässiger Spiegel ausgebildten Strahlenteiler 3, der unter 45" zur Richtung der parallelen Lichtstrahlen geneigt ist. Zwischen dem Strahlenteiler 3 und der zu inspizierenden Oberfläche 7 befindet sich eine Schar Blendenstreifen 4, die in Abständen voneinander auf einer durchsichtigen Trägerplatte angeordnet sind und in bezug auf die Richtung der parallelen Lichtstrahlen ebenfalls eine Neigung von 450 aufweisen. Diejenige Seite jedes Blendenstreifens 4, die der zu inspizierenden Oberfläche zugewandt ist, hat Spiegeleigenschaft.
Das Ganze ist derart gestaltet, dass die von der Lichtquelle 1 ausgehenden und durch die Zwischenräume zwischen den Blendenstreifen 4 hindurchtretenden parallelen Lichtstrahlen senkrecht auf die zu inspizierende Oberfläche 7 gerichtet werden können.
Ein erster opto-elektronischer Lichtstrahlen-Detektor 5 ist dem Strahlenteiler 3 zugeordnet und dazu bestimmt, an der Oberfläche 7 reflektierte, durch die Zwischenräume zwischen den Blendenstreifen 4 wieder hindurchtretende und am Strahlenteiler 3 umgelenkte Lichtstrahlen zu empfangen. Ein zweiter opto-elektronischer Lichtstrahlen-Detektor 6 ist der Schar Blendenstreifen 4 zugeordnet und dazu bestimmt, an der Oberfläche 7 reflektierte und an den Blendenstreifen 4 gespiegelte Streulichtstrahlen zu empfangen.
Die Gebrauchs- und Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung und das mit derselben durchführbare Verfahren zum Inspizieren einer Oberfläche auf Störungen sind wie folgt:
Das von der Lichtquelle 1 erzeugte und mittels des Parabolspiegels 2 parallelisierte Lichtstrahlenbündel wird senkrecht auf die zu inspizierende Oberfläche 7 gerichtet. Wenn die zu inspizierende Oberfläche völlig glatt und ohne Störungen ist, werden die zwischen den Blendenstreifen 4 hindurch senkrecht auf die Oberfläche 7 auftreffenden Lichtstrahlen nach ihrer Reflexion an der Oberfläche 7 auf dem gleichen Weg zurücklaufen, wobei am Strahlenteiler 3 ein Teil des reflektierten Lichtes zum Lichtstrahlen-Detektor 5 umgelenkt wird. Auf den zweiten Lichtstrahlen-Detektor 6 fällt in diesem Fall kein Licht.
Befindet sich jedoch an der inspizierten Partie der Oberfläche 7 eine Störung, z.B. in Gestalt einer Erhöhung 9, so werden im Bereich der Erhöhung 9 oder deren Ränder die reflektierten Lichtstrahlen abgelenkt, so dass sie mindestens zum Teil auf die spiegelnde Seite eines oder mehrerer der Blendenstreifen 4 fallen und zum zweiten Lichtstrahlen-Detektor 6 gespiegelt werden. Auf den ersten Lichstrahlen-Detektor 5 fällt in diesem Fall eine reduzierte Anzahl der reflektierten Lichtstrahlen.
Wenn die inspizierte Partie der Oberfläche 7 eine Rauhigkeit in Form sehr vieler mikroskopisch kleiner Erhöhungen 8 und/oder Vertiefungen aufweist, werden zahlreiche der auftrcffenden parallelen Lichtstrahlen als Streulicht in verschiedene Richtungen reflektiert, wobei zumindest ein Teil dieses Streulichtes ebenfalls an der spiegelnden Seite eines oder mehrerer der Blendenstreifen 4 zum zweiten Lichtstrahlen-Detektor 6 hin gespiegelt wird.
Aus der unterschiedlichen Beleuchtung der beiden Lichtstrahlen-Detektoren 5 und 6 lässt sich ermitteln, ob die inspizierte Partie der Oberfläche 7 glatt oder mit Störungen behaftet ist. Die beschriebene Einrichtung gemäss Fig. list im Prinzip eine abgewandelte Schlieren-Optik und weist im Vergleich zu bekannten Einrichtungen zur opto-elektronischen Inspektion von Oberflächen eine hohe Messempfindlichkeit auf, unabhängig von der Grösse der mittels parallelen Lichtstrahlen beleuchteten Partie der zu inspizierenden Oberfläche 7. Da die von der Lichtquelle 1 ausgesandten Lichtstrahlen nicht fokussiert sondern parallel auf die zu inspizierende Oberfläche 7 auftreffen, ist der Abstand zwischen der Oberfläche 7 und der beschriebenen Einrichtung völlig unkritisch.
Zweckmässig baut man den Strahlenteiler 3, die Blendenstreifen 4 und die beiden Lichtstrahlen-Detektoren 5 und 6 in einen z.B. zylindrischen Messkanal 10 ein, wie dies in Fig. 2 in kleinerem Massstab schematisch gezeigt ist. In Fig. 2 sind auch das Blockschema einer an die Lichtstrahlen-Detektoren 5 und 6 angeschlossenen elektronischen Schaltungsanordnung 11-14 sowie ein Wechselstromgenerator 15 zur Speisung der Lichtquelle 1 dargestellt. Die Schaltungsanordung 11-14 weist eingangs ein elektronisches Filter 11 auf, das z.B. die Differenz oder den Quotienten der von den beiden Lichtstrahlen-Detektoren 5 und 6 erzeugten Informationssignale bildet, welche die Intensitäten des empfangenen reflektierten Lichtes repräsentieren.
Die Schaltungsanordnung weist zusätzliche elektronische Filter 12 und 13 auf, die vorzugsweise schmalbandige Verstärker sind, deren mittlere Übertragungsfrequenz mit der Frequenz des Wechselstromgenerators 15 übereinstimmt. Schliesslich enthält die Schaltungsanordnung 11-14 noch eine Auswerteschaltung 14 (Demodulator), welche die Trägerfrequenz des Wechselstromgenerators 15 eliminiert und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Güte der inspizierten Oberflächenpartie signalisiert, d.h. insbesondere eine Information über das Vorliegen und die Stärke von Störungen der inspizierten Oberfläche liefert.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der beschriebenen Einrichtung lediglich dadurch, dass in der axialen Verlängerung des Messkanals 10 ein zusätzlicher opto-elektronischer Lichtstrahlen-Detektor 16 angeordnet ist, so dass ein band- oder folienförmiges Gut, dessen Oberfläche 7 inspiziert werden soll, zwischen dem Messkanal 10 und dem Detektor 16 hindurchlaufen kann. Der zusätzliche Detektor 16 dient zum Ermitteln von im Gut allenfalls vorhandenen durchgehenden Löchern. Das vom Detektor 16 gelieferte Informationssignal wird z.B. in ähnlicher Weise aufgearbeitet wie die Informationssignale der Lichtstrahlen-Detektoren 5 und 6.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsvariante der Einrichtung gemäss Fig. 2, bei welcher die Auswerteschaltung 14 durch ein vom Wechselstromgenerator 15 abgezweigtes Signal gesteuert wird, um auf an sich bekannte Weise eine Synchron-Demodulation des von den Filtern 11, 12 und 13 gelieferten Informationssignals zu bewirken.
Alle beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsge mässen Einrichtung können zu opto-elektronischen Inspektion der Oberfläche eines ruhenden oder bewegten Gutes verwendet werden, insbesondere eines bewegten festen oder flüssigen Materialstromes. Dabei kann man das Ausgangssignal der Auswerteschaltung 14 mittels elektronischer informationstechnischer Apparate für die Überwachung, Anzeige und/oder Registrierung, aber auch für die Regelung und Automatisierung von Produktionsvorgängen benutzen. So ist es z.B. sehr gut möglich, auftretende Störungen schon während des Produktionsprozesses zu erkennen und dann manuell oder automatisch in den Prozess einzugreifen.
Da die Einrichtung keine bewegten Bauteile aufweist und eine hohe Messempfindlichkeit bei einer vergleichsweise grossen auf einmal erfassten Oberflächenpartie erreicht, kann die Bewegungsgeschwindigkeit des zu inspizierenden Gutes verhältnismässig gross sein.
Es ist selbstverständlich möglich, zwei oder mehr Messkanäle 10 nebeneinander anzuordnen, um dadurch z.B. die Oberfläche eines breiten Materialstromes inspizieren zu können oder eine gewisse Redundanz des Messresultates zu erhalten, damit bei Ausfall eines Messkanals die Inspektion mit zumindest einem weiteren Messkanal weiterläuft.