CN102741649A - 用于借助于偏折术进行表面检查的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种根据偏转术的原理对受测物进行表面检查的方法，其中至少一个观测设备记录发出电磁辐射的照射设备的反射图像，其中照射设备的反射图像在受测物的表面处产生，并且其中从反射图像的形式中确定受测物的表面的斜度。根据本发明规定，作为照射设备使用具有能够在颜色空间中预先给定的一个或多个颜色调制的照射面，并且作为观测设备使用至少一个彩色线扫描相机，其中利用彩色线扫描相机同时地和像素精确地检测一个或多个经有色编码的图像数据，并且从颜色信息中导出关于每个像素的表面斜度的信息以及从其强度中导出关于每个像素的表面纹理的信息。此外，本发明涉及一种用于执行根据本发明的方法的对应检查装置，其中照射设备被构造成具有能够在颜色空间中预先给定的一个或多个颜色调制的照射面，并且观测设备具有至少一个彩色线扫描相机，利用彩色线扫描相机能同时地和像素精确地检测一个或多个经有色编码的图像数据，并且在分析单元内，从颜色信息中能够导出关于每个像素的表面斜度的信息以及从其强度中能够导出关于每个像素的表面纹理的信息。与迄今为止用于偏折术的常用方法相比，该方法和与之对应的检查装置提供了特别经济的优点。旋转体的覆盖面可以在短时间内利用常规的彩色线扫描相机被检测，并且在表面缺陷方面被分析。

Description

用于借助于偏折术进行表面检查的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于根据偏转术（Deflektometrie）的原理对受测物进行表面检查的方法，其中至少一个观测设备记录发出电磁辐射的照射设备的反射图像，其中所述照射设备的反射图像在受测物的表面处产生，并且其中从反射图像的形式中确定受测物的表面的斜度。

此外，本发明涉及一种用于执行根据本发明的方法的对应检查装置。

背景技术

为了自动检查旋转对称的产品的损伤和材料缺陷，使用具有垂直光或扫射光照射的图像处理系统、具有经时间和空间调制的光的偏折系统、以及触觉系统。触觉测量系统大多仅仅在狭窄的线上扫描受测物的表面，并且因此为了完整地检查表面而需要极多时间。许多产品由于所述方法的技术限制以及出于经济考虑还人工地经受目视检查。

因此，例如具有垂直光和扫射光照射的图像处理系统不能通过灰度图像形式的特征表示来区分几何瑕疵、如划痕或表面凹痕以及表面的变色。由于在许多测试对象中出现表面的亮度波动，但是这些亮度波动大多是与功能无关的，因此这样的系统具有提高的伪差错率。

反射性的自由形状表面的光学测量通过被称为偏折术的方法来进行。在所述方法中，设置具有一个或多个相机的观测装置，所述相机对准测量对象的反射性表面，并且在那里观测经延长的照射设备的反射图像，所述照射设备通常是结构化的屏幕、结构化的被照射的毛玻璃或者显示结构的电视机或监视器。在此，反射性表面本身是不可见的。通过分析反射图像的结构，可以推断出反射性表面的局部斜度以及因此推断出其形状。偏折测量方法的示例在EP 1882 8996 A1中予以了描述。

可用的偏折系统可以分开地检测表面的几何特征和纹理。但是偏折系统在时间上进行调制并且出于该原因需要多次拍摄检查对象。在旋转对称的主体的情况下，难以以所有照片中的每个像素都表示相同对象点为条件利用不同照射调制进行多次拍摄，并且这因此仅能以非常高成本实现。如果要测量的对象旋转，则必须非常快并且空间上非常精确地触发相机。

发明内容

因此，本发明的任务是，基于常规的偏折表面检查方法提供与现有技术相比简化的用于表面检查的方法。

此外，本发明的任务是提供一种与执行该方法相对应的装置。

涉及该方法的任务通过权利要求1至7的特征来解决。

在此，该方法规定：作为照射设备使用具有可以在颜色空间中预先给定的一个或多个颜色调制的照射面，并且作为观测设备使用至少一个彩色线扫描相机，其中利用所述彩色线扫描相机同时地和像素精确地检测一个或多个经有色编码的图像数据，并且从颜色信息中导出关于每个像素的表面斜度的信息以及从其强度中导出关于每个像素的表面纹理的信息。

涉及装置的任务通过使用相应检查装置执行根据本发明的方法来解决，其中该检查装置具有至少一个观测设备和至少一个照射设备，利用其可以检测所述照射设备的处于可见光谱范围中的反射图像，所述反射图像在受测物的表面产生，并且其中在分析单元中可以从反射图像的形式中导出受测物的表面的斜度。在此，照射设备被构造成具有一个或多个可以在颜色空间中预先给定的颜色调制的照射面，并且观测设备具有至少一个彩色线扫描相机，利用所述彩色线扫描相机可以同时地和像素精确地检测一个或多个经有色编码的图像数据，并且在分析单元内可以从颜色信息中导出关于每个像素的表面斜度的信息以及从其强度中导出关于每个像素的表面纹理的信息。

利用根据本发明的方法和用于执行该方法的装置，与迄今为止用于偏折术的常用方法相比，可以明显降低仪器成本，这尤其提供了经济优点。利用所提出的方法，可以取消在迄今为止公知的用于偏折术的方法中所需的为了保证每个像素在每个调制照片中表示相同对象点的高成本技术构造。

在此，一个优选的方法变型方案规定：由照射设备发射可见光谱范围中的电磁辐射以及检测该可见光谱范围中的反射图像。

在另一优选方法变型方案中规定：借助于校准为经有色编码的图像数据的每个色值分配受测物的表面的斜度值。因此可以在检查受测物的表面时快速识别表面结构（Topografie）的偏差。

在一个优选的方法变型方案中规定：唯一地预先给定照射面的颜色调制并且将其与相应的测量任务相匹配。因此可以实现：根据表面的斜度以及根据反射角，可以为经有色编码的图像数据的每个像素唯一地分配受测物的对应表面区域。

当对于照射源的颜色调制使用各个RGB颜色通道的其相位分别偏移120o的余弦调制时，可以实现在一个方向上的特别有效的颜色调制。该调制使得能够借助于简单的HSI颜色空间变换从经有色编码的图像数据中直接计算出斜度和纹理。

如果对于照射源的颜色调制使用水平和垂直调制的叠加，则可以与仅仅空间方向上的调制相比实现：可以在x方向以及在y方向上为受测物的表面从图像数据中确定斜度值。

为了提高斜度数据的空间分辨率，有利的是，对于照射源的颜色调制使用高频和低频调制的叠加。

原则上应当注意，对于照射源的颜色调制，可以将照射面的x和/或y方向上的不同颜色调制与叠加不同空间频率的颜色调制任意组合。

如之前所述那样，该方法的一个特别优选的应用规定：对旋转对称的受测物进行表面检查，其中受测物被旋转并且被彩色线扫描相机扫描。这样的旋转体的覆盖面可以在短时间内利用常规的彩色线扫描相机来检查，并且在表面缺陷方面被分析。

附图说明

下面根据附图中所示的实施例进一步阐述本发明。

图1以示意图示出了用于表面检查的检查装置；

图2示出了具有不同颜色调制的照射面的不同实施方式；

图3示出了具有不同颜色调制的照射面的其他实施方式；

图4示出了在此作为经有色编码的图像数据以及作为具有所计算出的斜度数据的所计算出的拓扑图像数据的表面缺陷的示例；

图5与利用其他方法测量的参考图像数据相比较地示出了根据图4的作为所计算出的拓扑图像数据的表面缺陷；以及

图6示出了在不同图像数据中示出的其他表面缺陷。

具体实施方式

图1示意性地示出了可用来执行根据本发明的方法的检查装置的构造。

示出了旋转对称的受测物11，该受测物11以绕其纵轴旋转的方式被悬挂。用照射面12照射受测物11，该照射面12具有颜色调制20，使得受测物的要检查的表面可以被有色调制地被照射。在此，彩色线扫描相机13记录不同颜色谱反射以用于确定受测物11的表面斜度和表面的纹理。这通过不同颜色的光路（红21、蓝23和绿25）示意性地示出。

之前描述的方法明确地涉及光的可见光谱范围中的颜色调制。原则上，该方法也可以扩展到其他光谱范围，例如扩展到近红外范围（NIR）或者近UV范围。在此应当考虑用于照射的相应光源以及相应的记录系统，所述光源和记录系统必须在所述范围中具有足够高的灵敏度。此外，在该情形下，尤其是也可以考虑受测物11在所使用的光谱范围中的反射或透射特性。

为了能够确定每个像素的反射角，在对象上成像的照射面12被唯一地有色编码。根据表面的斜度，根据辐射光学系统的反射定律，照射面12的另一点通过受测物11的表面在彩色线扫描相机13的相机芯片上成像。

通过校准，可以给照射的每个颜色值分配表面的斜度值。为了完整地检测旋转对称对象的覆盖面，旋转受测物11并且用彩色线扫描相机13扫描受测物11。通过这种方式采集的图像数据30（对此参见图4－6）在其颜色信息（HIS颜色空间系中的颜色角）中包含关于表面斜度的信息并且在其强度中包含关于每个像素的表面纹理的信息。

根据在受测物11上所寻找的特征，照射面12的不同颜色调制20是合乎目标的。图2和3示出了照射面12的这种颜色调制20的相应示例。

图2在左图中示出了各个颜色通道（红21、蓝23和绿25）的其相位分别偏移120°的余弦调制。由此得到颜色变化面，该颜色变化面从上向下看得出颜色红21、洋红22、蓝23、青24、绿25和黄26。另一示例是图2中的中间图。示出了经灰度值编码的颜色角。右图示出了强度编码。

由于图2中所示的照射面12的调制仅仅在一个方向上被有色调制，因此可以利用这种颜色调制20检测受测物11的表面的仅仅一个斜度方向。为了检测受测物11上的两个彼此独立的斜度方向、以及因此在3D空间中检测表面的全部信息，需要将水平颜色调制20与垂直颜色调制20相叠加。

图3在左图中示出了照射面12的相应的二维颜色调制20。由此得到颜色变化面，该颜色变化面从顺时针看得出颜色绿25（从左下方开始）、青24、蓝23、洋红22、红21和黄26。

为了提高斜度数据的分辨率，各个颜色通道的调制斜率或调制频率的变化是有帮助的。为此，在图3的右图中将低频的绿和红调制（从绿25、黄26和红21的过渡）与高频的蓝调制相组合（蓝23）。

在图4、5和6中示例性地作为可行性研究的结果示出了当前不同图像数据30中的不同表面缺陷50。

图4作为表面缺陷50示出了凹痕形式的几何瑕疵。图4中的左图示出了经有色编码的图像数据31并且对应地示出利用CMOS彩色相机在线扫描相机运行中采集的原始数据。右图示出了所计算出的拓扑图像数据33，从所述拓扑图像数据33中得到在受测物11的表面的y方向上计算出的斜度数据36。亮像素对应于升高的面37（正斜率）。暗像素对应于下降的面39（负斜率）。平面38（斜率＝0）由拓扑图像数据33中的所确定的平均灰度值来表示。

在图5中示出了来自图4的表面缺陷50的拓扑。左图示出了从偏折方法的斜度数据（所计算出的拓扑图像数据33）中计算出的高度图。亮像素对应于高位面34。暗像素对应于低位面35。右图示出了利用高值白光干涉仪记录的相应的参考图像数据40。在两个照片中可明显看出受测物11的表面中的凹痕（表面缺陷50）。诸如在白光干涉仪照片（WLT照片，右图）中经上色的连接部41的结构在所计算出的拓扑图像数据33中已经通过这种照射调制（仅是垂直的颜色调制20，参见图2和图3）被有针对性地抑制。

图6示出了用于自动检查共轨喷射器的部件的可行性研究的图像数据30。

这些图像数据示出了纹理数据和拓扑数据的分离，该分离是通过所提出的系统实现的。左图示出了作为受测物11的表面的经有色编码的图像数据31的原始数据，所述原始数据利用图1所示的检查装置10被记录。中图示出了表面的所计算出的纹理（强度图像数据32）。可明显看出表面的不均匀性以及施加在表面缺陷50的左边和右边的两个暗标记51。在右图中示出了所计算出的拓扑图像数据33形式的拓扑。可明显辨认的是，表面缺陷50（在此为划痕）仅仅在小区域中具有值得重视的深度。表面的不均匀性以及标记51具有可忽略的高度并且因此仅仅隐约地出现在拓扑图像数据33中。

Claims (10)

1.根据偏转术的原理对受测物（11）进行表面检查的方法，其中至少一个观测设备记录发出电磁辐射的照射设备的反射图像，其中所述照射设备的反射图像在受测物（11）的表面处产生，并且其中从反射图像的形式中确定所述受测物的表面的斜度，其特征在于，作为照射设备使用具有能够在颜色空间中预先给定的一个或多个颜色调制（20）的照射面，并且作为观测设备使用至少一个彩色线扫描相机（13），其中利用彩色线扫描相机（13）同时地和像素精确地检测一个或多个经有色编码的图像数据（31），并且从颜色信息中导出关于每个像素的表面斜度的信息以及从其强度中导出关于每个像素的表面纹理的信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述照射设备发射可见光谱范围中的电磁辐射。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于校准为经有色编码的图像数据（31）的每个色值分配受测物（11）的表面的斜度值。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，唯一地预先给定照射面（12）的颜色调制（20）并且将该颜色调制（20）与相应的测量任务相匹配。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，对于照射源（12）的颜色调制（20）使用各个RGB颜色通道的其相位分别偏移120o的余弦调制。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，对于照射源（12）的颜色调制（20）使用水平和垂直调制的叠加。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，对于照射源（12）的颜色调制（20）使用高频和低频调制的叠加。

8.将根据权利要求1至7之一所述的方法用于对旋转对称的受测物（11）进行表面检查的应用，其中受测物（11）被旋转并且被彩色线扫描相机（13）扫描。

9.根据偏转术的原理对受测物（11）进行表面检查的检查装置（10），所述检查装置（10）具有至少一个观测设备和至少一个照射设备，利用其能够检测所述照射设备的反射图像，所述反射图像在受测物（11）的表面处产生，并且其中在分析单元中能够从反射图像的形式导出所述受测物的表面的斜度，其特征在于，所述照射设备被构造成具有能够在颜色空间中预先给定的一个或多个颜色调制（20）的照射面（12），并且所述观测设备具有至少一个彩色线扫描相机（13），利用该彩色线扫描相机（13）能同时地和像素精确地检测一个或多个经有色编码的图像数据（31），并且在所述分析单元内，从颜色信息中能够导出关于每个像素的表面斜度的信息，并且从其强度中能够导出关于每个像素的表面纹理的信息。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，利用所述照射设备能发射可见光谱范围中的光。

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