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.
DESCRIPTION
The present invention relates to an optoelectronic method for the inspection of surfaces for defects in the surface quality, using a light beam directed onto the surface to be inspected, a beam splitter for light beams reflected on the surface, two optoelectronic light beam detectors for determining the intensities of reflected light rays, and with the aid of an electronic circuit arrangement for comparing the determined intensities and for generating an output signal which signals any faults present on the inspected surface. The invention further relates to a device for performing the method and an application of the method.
Various optoelectronic methods and devices for inspecting surfaces for surface quality defects are already known. In these known techniques, a light beam is focused on the surface to be inspected, with the central beam hitting the surface perpendicularly. The light rays reflected on the surface are scattered by unevenness or other disturbances on the surface. With the help of at least one optoelectronic light beam detector, the intensity of reflected scattered light beams and / or of reflected unscattered light beams is determined. An electronic circuit arrangement connected to the light beam detector (s) generates an output signal that signals any faults present at the inspected surface location.
The output signal can be used directly to display the local surface quality. Examples of this state of the art can be found in the Luxembourg patent specification 56 099 and in the published specifications GB 2 025 041 and FR 2 491 615.
Because in the known methods and devices, as mentioned, the light beam is focused on the surface to be inspected, only a relatively small light spot of 1 to a few mm in diameter arises there. As a result, a relatively high resolution is achieved in the determination of the malfunction, but the inspection of larger surfaces either requires a relatively large amount of time or the use of a considerable number of simultaneously operating devices of the type described.
If, on the other hand, an attempt is made to enlarge the light spot on the surface to be inspected, the process becomes insensitive and the resolution is noticeably reduced. Another disadvantage is the fact that the distance between the surface to be inspected and the measuring device must be set precisely and kept constant, because otherwise the required focusing of the light beam is impaired or has to be readjusted.
It is now the object of the present invention to design the method of the type mentioned at the outset and the device suitable for carrying it out in such a way that, in comparison with the prior art, a considerably larger portion of the surface to be inspected can be simultaneously captured by light rays without having to accept a loss in sensitivity and resolving power. Furthermore, it should be achieved that the exact maintenance of a certain distance between the surface to be inspected and the measuring device is unnecessary.
This object is achieved by creating the method according to claim 1 or the device according to claim 4. Advantageous and preferred developments are defined in the dependent claims.
The invention is explained in more detail below, for example, with reference to the accompanying drawings.
In it show:
1 shows a schematic sectional illustration of essential components of an exemplary embodiment of the device according to the invention, the method according to the invention also being indicated schematically;
2 shows an expanded schematic illustration of the same exemplary embodiment;
Fig. 3 is a representation analogous to Fig. 2 of another exemplary embodiment of the device, with which not only the surface of e.g. inspected in the form of strips or foils, but in addition the possible presence of through holes in the good can be determined;
FIG. 4 shows a further representation analogous to FIG. 2 of a modified embodiment of the device according to the invention.
The device illustrated in FIG. 1 has a point-shaped light source 1 and an associated parabolic mirror 2, which directs the light emitted by the light source 1 to a bundle of parallel light beams. The light beam passes through a beam splitter 3, which is designed as a partially transparent mirror and is inclined at 45 ″ to the direction of the parallel light beams. Between the beam splitter 3 and the surface 7 to be inspected there is a group of aperture strips 4 which are arranged at intervals from one another on a transparent carrier plate and also have an inclination of 450 with respect to the direction of the parallel light beams. That side of each diaphragm strip 4 which faces the surface to be inspected has mirror properties.
The whole is designed in such a way that the parallel light rays emanating from the light source 1 and passing through the spaces between the diaphragm strips 4 can be directed perpendicularly onto the surface 7 to be inspected.
A first optoelectronic light beam detector 5 is assigned to the beam splitter 3 and is intended to receive light beams reflected on the surface 7, passing through the spaces between the diaphragm strips 4 and deflected at the beam splitter 3. A second optoelectronic light beam detector 6 is assigned to the group of aperture strips 4 and is intended to receive scattered light rays reflected on the surface 7 and mirrored on the aperture strip 4.
The use and mode of operation of the device described and the method which can be used to inspect a surface for faults are as follows:
The light beam generated by the light source 1 and parallelized by means of the parabolic mirror 2 is directed perpendicularly onto the surface 7 to be inspected. If the surface to be inspected is completely smooth and undisturbed, the light rays striking the surface 7 perpendicularly between the diaphragm strips 4, after being reflected on the surface 7, will run back in the same way, with part of the reflected light becoming light rays at the beam splitter 3 -Detector 5 is deflected. In this case, no light falls on the second light beam detector 6.
However, if there is a fault on the inspected part of the surface 7, e.g. in the form of an elevation 9, the reflected light beams are deflected in the region of the elevation 9 or the edges thereof, so that they fall at least in part on the reflecting side of one or more of the diaphragm strips 4 and are reflected to the second light beam detector 6. In this case, a reduced number of the reflected light beams falls on the first light beam detector 5.
If the inspected part of the surface 7 has a roughness in the form of very many microscopic elevations 8 and / or depressions, numerous of the parallel light beams striking are reflected as scattered light in different directions, at least some of this scattered light also being reflected on the reflecting side of one or more the aperture strip 4 is mirrored towards the second light beam detector 6.
The different illumination of the two light beam detectors 5 and 6 can be used to determine whether the inspected part of the surface 7 is smooth or has defects. The described device according to FIG. 1 is in principle a modified Schlieren optic and has a high measuring sensitivity compared to known devices for opto-electronic inspection of surfaces, regardless of the size of the part of the surface 7 to be inspected illuminated by parallel light beams the light rays emitted by the light source 1 do not focus but hit the surface 7 to be inspected in parallel, the distance between the surface 7 and the device described is completely uncritical.
Expediently, one builds the beam splitter 3, the aperture strips 4 and the two light beam detectors 5 and 6 in a e.g. cylindrical measuring channel 10, as shown schematically in Fig. 2 on a smaller scale. FIG. 2 also shows the block diagram of an electronic circuit arrangement 11-14 connected to the light beam detectors 5 and 6 and an AC generator 15 for supplying the light source 1. The circuit arrangement 11-14 initially has an electronic filter 11 which e.g. forms the difference or the quotient of the information signals generated by the two light beam detectors 5 and 6, which represent the intensities of the received reflected light.
The circuit arrangement has additional electronic filters 12 and 13, which are preferably narrow-band amplifiers whose average transmission frequency corresponds to the frequency of the alternator 15. Finally, the circuit arrangement 11-14 also contains an evaluation circuit 14 (demodulator) which eliminates the carrier frequency of the alternator 15 and generates an output signal which signals the quality of the surface area inspected, i.e. in particular provides information about the presence and strength of faults in the inspected surface.
The exemplary embodiment shown in FIG. 3 differs from the described device only in that an additional optoelectronic light beam detector 16 is arranged in the axial extension of the measuring channel 10, so that a strip-like or film-like material whose surface 7 is inspected should be able to pass between the measuring channel 10 and the detector 16. The additional detector 16 is used to determine through holes that are possibly present in the material. The information signal provided by detector 16 is e.g. processed in a similar manner to the information signals of the light beam detectors 5 and 6.
FIG. 4 shows an embodiment variant of the device according to FIG. 2, in which the evaluation circuit 14 is controlled by a signal branched off from the alternating current generator 15 in order to synchronously demodulate the information signal supplied by the filters 11, 12 and 13 in a manner known per se cause.
All described embodiments of the device according to the invention can be used for opto-electronic inspection of the surface of a stationary or moving material, in particular a moving solid or liquid material flow. The output signal of the evaluation circuit 14 can be used by means of electronic information technology apparatus for the monitoring, display and / or registration, but also for the regulation and automation of production processes. So it is e.g. It is very possible to identify any malfunctions already occurring during the production process and then to intervene manually or automatically in the process.
Since the device has no moving components and achieves a high level of measurement sensitivity with a comparatively large surface area that is detected at one time, the speed of movement of the item to be inspected can be relatively high.
It is of course possible to arrange two or more measuring channels 10 next to one another in order to thereby e.g. to be able to inspect the surface of a wide material flow or to obtain a certain redundancy of the measurement result, so that if one measurement channel fails, the inspection continues with at least one further measurement channel.