CN101617213B - 用于物体检查的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检查物体、特别是其表面状态的设备(01、17)。所述设备(01、17)包括可运输壳体(02)，可以被手动放置在将被检查的表面上。至少三个光源(06)，该光源对准，使其光束轴线相对于被检查的表面区段处于一个倾斜角度上。光源(07)配置在壳体内，并且经由壳体(02)内的光开口(08)照明该表面区段。该设备(01、17)还包括至少一个光传感器(09)，该光传感器捕捉从表面区段反射的光，以及控制和评价单元，该控制和评价单元将光源(06)和光传感器(09)连接。光源(06)配置成使其光束轴线(07)在不同的、不相互平行的参考平面上延伸。

Description

用于物体检查的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1所述的检查物体、特别是表面形态的方法和设备。另外本发明涉及教授该方法之后该方法的应用。
背景技术
已经公知了多种方法和设备来采用光学辅助装置检查物体表面的状态。该表面可以经过施加倾斜光线来量化。通过这些方式，污物颗粒、不均匀性、粗糙度、加工痕迹等可被定位和量化。这取决于不同于所期望形式的异常特性形成了与被照明和阴影边缘相关的强明亮/黑暗区域，得出三维的状态。这种过程被充分表示为DE19716264A1所示的光线或倾斜光过程。相应的效果被表示为遮光或阴影塑形。在光线的入射角、所述表面部分的定向和位置、特别是其高度和节矩以及反射光的出射角之间总体存在一种函数关系。反射光通过例如线性或矩阵CCD传感器的光传感器捕捉和测量，并且由此进行数字图像再造。这种方法最适用于检测准时、线性和经常重新出现的偏差，例如污物颗粒或刮痕。
DE3540288C2描述一种光学控制装置，可以控制印刷电路板上的焊接结合部。焊接结合部被光线照明，并且垂直于结合部反射的光被捕捉。
DE4123916C2描述一种用于实现被检查物体的表面属性和缺陷的动态照明和分类的方法和设备。
DE19716228C2描述一种表面分析的方法和设备，其中可以确定某些刮痕和污染物。被检查表面通过特殊光源来照明。
DE19716543A1描述一种表面分析的方法和设备，其中吸收材料被安装在该光源之上。
DE19716493A1描述一种采用两个光源进行表面分析的方法和设备，其中两个光源与相应的光检测设施相关。
公知的方法和设备指出只可从一个优选方向检测区别标记。例如在片材或纸张的制造中，表示出被制造表面通过优选方向来定性。此优选的方向只可含糊地通过公知的方法和设备来确定。此外，这种设备的校正非常昂贵，并且造成不准确的测量结果。因此，本发明当前的任务在于制备一种用于所谓新方法的设备，使其可以捕捉颗粒表面结构，而独立于优选方向。另外，本发明的任务在于简化该方法，并且提供一种可以结合该设备而准确校正的装置。
在专利授权之后，这种任务将通过权利要求1所述的设备来实现。另外此任务将经由独立权利要求的需要来实现。本发明的成功实施是主要权利要求的主题。
采用WO02/090952A1所述的用于特别是表面区段的物体的非接触检查的公知设备所进行的研究已经表示出表面区段的不充分捕捉是由于必须考虑光源的优选方向的需要而造成的，这意味着光源必须被准确调节，其中光轴和入射角必须被调节，使其都位于相同的光平面内。其结果的精度取决于光平面相对于所述材料表面的优选方向的位置。如权利要求1所限定那样，因此需要准确地配置三个光源，其中这些光源的光轴是变化和不平行的。由此，保证优选方向上的表面形态独立于该装置的特定取向，现在从不同方向上照明该装置，使得测量结果不再取决于该装置和优选方向的相对位置。
光源的光束轴线的入射角应该相对于被检查的表面区段优选地在70°和10°的范围内对准。
光轴应该垂直于被检查的表面区段对准，光束轴线趋于朝向该光轴。
在所有光源最佳地照明相同表面区段的情况下，光轴应该以交叉形式相互交叉。采用这种交叉形式，所形成的中间区段将限定被检查的实际表面区段。特别有利的是在光源的所有光束轴线在被检查的表面区段上的一个点上交叉时来自于所有光源的辐射光直接集中在该表面区段上。
来自于三个光源的三个光轴如何相互对准是相对随意的。为了保证被检查的表面区段的一致性照明，特别有利的是光轴以等距内部角相互对准。换言之，将具有三个相应相关的光轴的三个光源以120°的角度配置将三个光轴分开。如果照明该表面的光源包括平行光，表面状态的特别准确测量可来自于从表面反射的颜色和/或灰度值信息。
例如激光的具有实际平行光的光源是相对昂贵的。为了有效地减小相应的制造成本，因此有利的是在例如发光二极管的光源以及被检查的表面区段之间配置光学元件，造成光线变得平行。这种光学元件例如是透镜，或者甚至更好是菲涅耳透镜，或者首先是包括多个透镜以便进行所需任务的透镜系统。
捕捉来自于该表面的反射光的光传感器应该最好配置成使其光轴相对于表面区段垂直。
有利的是光传感器的光轴以及光轴的交叉同轴进行。
光源的光颜色的选择取决于特定应用。例如，所有的光源可放射白光。但是，优选的设计是如果光源放射不同颜色的光，用于不同颜色光的光传感器可相互独立地同时检测每种颜色的光。因此，被检查的表面区段可以同时通过三个颜色的光照明，并且反射的光经由光传感器捕捉。
由于每个光束的方向对应于一个光的颜色，经过评价，光的测量数值可被考虑并且区分。
为了能够视觉捕捉表面区段，非常有利的是该设备包括一个或多个光源，以便实现被检查的表面区段的总体照明。为了捕捉视觉印象，采用与捕捉地形印象的光传感器相同的光传感器。因此，被检查区段地形可通过与视觉印象相同的方式检查，而不必须对准测量设备。采用这种总体照明，被收集的测量数据和地形检查的测量数据(其中通过倾斜光源照明相同的表面区段)可以此方式相互关联，并且可以得出进一步的结论。由于被检查地形的表面区段以及视觉印象的区段通过具有相同面积、相同测量比例、相同分辨率以及相同的光传感器而相互符合，两种测量过程只由于所使用的表面照明类型而相互不同。
光源的照明性能是随意的。对于总体光源和其它光源来说，采用相同的光照明时，可以采用特别简单的结构。但是这些光源和总体光源必须串联控制，使得信号不相互干涉。在总体光源显示了不同于其它三个倾斜光源的照明性能时，特别是由于具有不同颜色，它可以与其它光源同时地触发总体光源，这是由于不同的照明性能而对不同的光源进行不同的评价。
在壳体采取手持装置的形式时，可以特别简单地操纵该柔性设备。这种手持装置可接着通过使用者在被检查表面上手动运动和定位。
除了光开口之外，手持装置应该较大程度地不透光，以便防止干扰光线侵扰。
为了能够将手持装置方便地定位在被检查的表面区段的确定位置上，在该装置上包括限定、特别是平的支承表面时，这是非常有利的。采用这种支承表面，手持装置可接着被施加在被检查区段的限定位置上并准确定位。更重要的是，确定的照明角度和距离可被保持恒定。
采用这种特殊设计配置，手持装置应该包括支承表面侧面的壳体凹口。在定位时，经由此凹口，使用者可从侧部检查此支承表面，简化了准确定位的过程。
另外，优选的是手持装置显示了最少为一个、但是优选为三个平的抓握表面，使得使用者引导手持装置。由此，该装置的使用变得更加符合人机工程学。另外，该抓握表面可有助于将手持装置定位在特定相对角度上。
壳体还可任选地提供定位帮助，例如机械限制器，使得该设备在不同时刻定位，并且对于被检查物体的相同测量位置来说实现高重复精度。
为了进一步改善手持装置的操作，该装置可与例如工业PC的第二操作装置结合使用，在该工业PC上可进行一部分控制和数据处理，指的是这将不必须通过手持装置进行。另外，第二操作装置可提供电力供应。
在手持装置和第二操作装置之间存在无线数据连接时，出现了该设备的操作的进一步改进。采用这种方法，手持装置和操作装置之间的所需连接缆线可以变得多余。
手持装置也可提供无线能量供应，例如电池，可以在不需要笨重电缆的情况下进行电力供应。
为了防止故障和错用，手持装置可装备有硬件部件，例如所谓的道尔芯片。这种部件作为对操作装置上所实现的控制和处理单元的授权控制器。只在来自于授权道尔芯片的确定识别之后，第二操作装置可获得控制。
手持装置可另外包括一个或多个显示器和/或其它操作元件，例如开关。
为了扩展应用领域，该设备可具有最少为一个的所谓透光装置，透光装置照透被检查的表面区段。透光也可以像反射光一样被同样的光传感器探测。因此，地形和/或视觉检查部件可以在这种光下检查，而不调节测量设备，例如在纸张样品的大理石花纹的捕捉过程中。
采用这种背光装置，被捕捉的测量数据以及地形检查(其中相同的表面区段通过倾斜光源照明)可以是相关的方式，并且可以得出进一步的结论。由于地形检查的表面区段以及通过背光装置照明相互对应，它们可以相同尺寸和相同比例以及分辨率通过相同光传感器捕捉。两种测量的差别只在于所使用光源的性质。
本发明的方法取决于准确测量被检查的表面区段的基本思想，需要尽可能平均分布的照明。另外，为实现这样的照明源，平均分布照明的要求越高，所需仪器的技术成本就越高。如果所述材料显示了优选的方向要求，被检查的表面区段的均匀照明具有更大的重要性。该方法旨在减小硬件成本，照明的偏差不等性也是可以接受的，这种不等性作为公知的干扰而被收集，并且可以计算修正数值。
经过以下步骤进行校正：
a)为校正工件引入确定的、一致和公知的表面属性；
b)用所需光源照明校正工件的表面区段；
c)用光传感器捕捉来自于校正单元的表面区段的反射光；
d)分析至少一个差别数值，其在由校正工件上测得的实际反射值和由于校正工件的公知表面属性得知的理论反射值之间；
e)作为修正数值存储差别数值，修正数值可用于连续检查。可以理解，根据该方法，可以收集更多或更少的差别数值。
所使用的校正工件是随意的，但是已经证明明亮的陶瓷主体非常适用于此目的。
为了增加校正的精度，被检查的表面区段可分成子区段。经过数值差别处理，对于每个子区段来确定分开的修正数值。
通常大量存在的这些修正数值可以修正矩阵的方式记录，例如逆向强度修正矩阵。
在第二系列步骤中可有效地增强校正：
a)为校正工件引入确定和公知的高度结构，比如引入一个公知的几何形校正工件，它的高度结构被光源照明并
b)光传感器从该高度结构收集反射光；
从测量的实际反射数值和校正工件的公知高度结构，可以接着导出修正因数；
c)记录用于连续检查的修正因数。
在确定修正因数时，校正工件的高度结构(如果可以的话)应该通过一个以上的光源、理想地从三个光方向照明，以便再次避免材料的优选方向性能造成的变形。
另外，通过此方法的变型，被捕捉的视觉印象可经由采用总体光源来校正。
附图说明
本发明的两种设计配置被示意表示，并且在下面进行说明。
图1是纵向表示的设备的第一种设计配置；
图2是图1的设备的截面图；
图3是纵向表示的设备的第二种设计配置；
图4是具有另外透光装置的设备。
具体实施方式
图1纵向表示了设备01，该设备可以非接触地检查物体的表面。设备01包括具有基本结构03和壳体盖04的可运输壳体02。在盖04的上侧可以配置显示器和其它用户元件。
作为手持装置一部分的壳体02必须可以经由连接缆线05与工业PC集成。经由连接件可以交换数据，并且经由连接件电源可用于设备01。作为选择，壳体02和工业PC之间的数据连接采用无线数据连接。在这种情况下，设备01包括其本身的独立电源，例如电池。
在壳体02的不透光的主要结构03中，容纳三个光源，具有平支承表面18的另外特征，以确定的入射角将光束轴线与表面区段对准。光开口安装在底部上以便接触被检查的表面区段。光传感器09捕捉来自于被检查的表面区段的反射光。光传感器可以是矩阵-CCD芯片的形式。经过由光传感器的探测测量数值的数据处理，可以分析出检测表面的表面特性。手持装置02包括支承表面18侧面的机壳凹口19，以便简化使用者对支承表面的定位。
如图2所示，设备01包括三个光源06。另外，设备01也包括三个光源10，形成了总体光源，以便起进行总体照明。三个光源06的光束轴线07相对于被检查的表面区段以～70°的入射角α对准。另外，光源06的三个光束轴线07定位在垂直于表面区段的参考平面内。这三个参考平面在壳体02内相互之间具有120°的角度β。因此，这些参考平面形成交叉线，该交叉线与光传感器的光轴11同轴延伸。为了能够在测量过程中用平行光辐射被检查的区段，光源06将使用发光二极管12，其中来自于这些二极管的辐射光在表面区段的方向上传递经过包括透镜13和14的透镜系统。在光经过透镜的传递过程中，来自于二极管的光是被平行化。
为了有效控制光源06、10和光传感器09，使用了电路板15。电路板15包括道尔芯片16，这需要手持装置和工业PC之间的经由连接缆线05的连接的授权。
为了可以将手持装置02简单定位在所需定向上，设置围绕手持装置周边的抓握表面20，该抓握表面通过使用者手指抓握。
在图3中，表示设备17的第二设计概念。设备17不同于设备01之处只在于入射角α的数值，对于设备17来说具有～30°的数值。
设备17的其它元件基本上是相同的。
在图4中，设备17表示成具有另外的透光装置21，透光装置是一个透过台。在运输平台22之下，更多的光源配置在平台23上。例如纸张样品24的被检查物体定位在光源21和设备17之间，从而可以与地形检查和视觉印象同时进行透光检查。
  01   设备
  02   壳体
  03   壳体的主要结构
  04   壳体盖
  05   连接缆线
  06   光源
  07   光束轴线
  08   光开口
  09   光传感器
  10   光源(总体照明)
  11   光轴(光传感器)
  12   发光二极管
  13   透镜
  14   透镜
  15   电子电路板
  16   道尔芯片
  17   设备
  18   支承表面
  19   壳体凹口
  20   抓握表面
  21   透光装置
  22   输送平台
  23   平台
  24   纸张样品

Claims (32)

1.一种用于检查物体的表面形貌的设备(01、17)，该设备包括：
-可移动壳体(02)，该壳体能够在被检查的表面上方手动定位；
-三个光源(06)，所述光源被定向，使其光束轴线相对于被检查的表面区域成倾斜入射角；
-其中所述光源(06)设置在壳体内，并且所述光源能通过壳体(02)上的光开口(08)照射被检查物体的表面区域，且照射被检查的表面区域的光源指示平行的光路；
-至少一个光传感器(09)，该光传感器探测从被检查的表面区域上反射的光；
-控制和处理单元，该控制和处理单元与光源(06)和光传感器(09)连接；
其特征在于：所述三个光源被设置成使得其光束轴线在互不相同的且不平行的三个参考平面中经过，所述参考平面在交叉线处相互交叉，并且这三个参考平面之间以120°的相同角度(β)被定向。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，光源(06)的光束轴线(07)是相对于被检查的表面区域以在从70°到10°的范围内的倾斜入射角(α)被定向。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，参考平面相对于被检查的表面区域垂直定向。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，光源(06)的光束轴线(07)在被检查的表面区域上的交叉点处相互交叉。
5.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，至少一个光学元件(13、14)放置在光源(06)的发光体(12)和被检查的表面区域之间，由此通过该光学元件(13、14)使得从发光体(12)中射出的光平行。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，光学元件是透镜或透镜系统(13、14)的形式。
7.如权利要求5所述的设备，其特征在于，光源(06)的发光体是发光二极管(12)的形式。
8.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，光传感器(09)的光轴线(11)垂直于被检查的表面区域定向。
9.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，光传感器(09)的光轴(11)和参考平面的交叉线是同轴的。
10.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，光源辐射不同颜色的光。
11.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，光源辐射选自白光和/或红外光和/或紫外光的组的光，以便光传感器有效地检测不同颜色的光。
12.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，设备(01、17)至少包括一个具有陡峭入射角的总体光源(10)，通过光源对检查平面的总体照明，借助光传感器(09)实现视觉印象的探测。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，总体光源(10)具有不同于有角度地配置的光源(06)的照明性能。
14.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，壳体(02)形成手持装置。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，手持装置(02)不使得离开光开口(08)的光透过。
16.如权利要求14所述的设备，其特征在于，手持装置(02)具有确定的支承表面(18)，有助于其准确地运到被检查的表面区段的准确位置。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，手持装置(02)包括支承表面(18)侧面的壳体凹口(19)。
18.如权利要求14所述的设备，其特征在于，手持装置(02)包括最少一个抓握表面，使得手持装置容易通过使用者操纵。
19.如权利要求14所述的设备，其特征在于，手持装置与第二操作装置结合使用，其中最少一部分的控制和处理单位和/或手持装置的电力供应通过第二操作装置来实现。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，无线数据连接在手持装置(02)和第二操作装置之间实现。
21.如权利要求19所述的设备，其特征在于，手持装置包括无线电源。
22.如权利要求14所述的设备，其特征在于，手持装置(02)内装有一个硬件元件，这个硬件元件(16)作为对操作装置的控制和处理单位实现部分的权限控制器。
23.如权利要求14所述的设备，其特征在于，手持装置(02)包括最少一个显示器和/或一个操作元件。
24.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包括至少一个透光源(21)，使得被检查的表面区段被照透，透过的光被光传感器(09)探测。
25.一种操作用于非接触检查物体的设备(01、17)的方法，该方法包括：
-设置三个光源(06)，使得这些光源的光束轴线在互不相同且不平行的三个参考平面中经过，所述参考平面在交叉线处相互交叉，并且这三个参考平面之间以120°的相同角度(β)被定向；
-设置所述光源，使得照射被检查的表面区域的光源指示平行的光路；
-所述光源(06)被对准，使其光束轴线(07)相对于被检查的表面区段成倾斜入射角；
-所述光源(06)在检查过程中照明被检查的表面区段；
-在检查过程中从被检查的表面区段的反射光被光传感器(09)探测；
-光传感器(09)探测到的测量数据通过控制和处理单位进行数据处理。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，该设备(01、17)在检查之前以下面步骤校正：
a.为校正工件引入确定、一致和公知的表面属性；
b.通过所需光源(06)照明校正单元的表面区段；
c.通过光传感器(09)探测从校正工件的表面区段反射的光；
d.分析至少一个差别数值，其在由校正工件上测得的实际反射值和由于校正工件的公知表面属性得知的理论反射值之间；
e.将差别数值作为接下来检查的修正数值存储。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，对于校正工件使用明亮陶瓷主体。
28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，被检查的表面区段被分成子区段，对于每个区段经由差别数值方法分析和储存一个单独的修正数值。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，修正数值以修正矩阵方式记录。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述修正矩阵是逆向强度修正矩阵。
31.如权利要求25所述的方法，其特征在于，设备(01、17)在检查之前以下面步骤校正：
a.为校正工件引入确定和公知的高度结构；
b.通过所需光源(06)照明校正单元的高度结构；
c.通过光传感器(09)探测从校正工件的高度结构反射的光；
d.分析由在校正工件上测得的实际反射值和校正工件的公知表面属性得知的理论反射值之间修正因数；
e.存储此修正因数为接下来的检查使用。
32.如权利要求25所述的方法，其中该设备(01、17)在检查之前以下面步骤校正：
a.为校正工件引入确定和公知的颜色结构和亮度结构；
b.通过所需光源(06)照明校正单元的颜色结构和亮度结构；
c.通过光传感器(09)探测从校正工件的表面区段反射的光；
d.分析至少一个差别数值，其在由校正工件上测得的实际颜色结构和/实际亮度结构和由于校正工件的公知表面属性得知的理论颜色结构和/或理论亮度结构之间；
e.将差别数值作为接下来检查的修正数值存储。
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