CZ32219U1 - Generátor světelné vlny pro reflektometrickou kontrolu povrchu - Google Patents

Description

Generátor světelné vlny pro reflektometrickou kontrolu povrchu

Oblast techniky

Technické řešení se týká generátoru světelné vlny pro reflektometrickou kontrolu povrchu, zahrnující zdroj světla, který je připojen k řídící jednotce pro vytvoření plošného průběhu jasu vyjádřeného hladkou periodickou funkcí.

Dosavadní stav techniky

Generátor světelné vlny se používá v systémech kontroly lesklých povrchů metodou reflektometrie. Světlo z generátoru světlené vlny dopadá na lesklý kontrolovaný povrch a odraz světla od kontrolovaného povrchu je snímán kamerou. V průmyslu se většinou jedná o kontrolu vad laku (škrábance, kapky, nerovnoměrná vrstva) na esteticky exponovaných dílech, jako jsou např. části karoserie automobilů.

Využití světelné reflektometrie pro kontrolu povrchu vyžaduje zdroj difúzního světla. Generátor světelné vlny pro reflektometrickou kontrolu povrchu vytváří na výstupní ploše generátoru plošný průběh jasu vyjádřený hladkou periodickou funkcí, nejčastěji funkcí sinus. Generátor musí být schopen generovat tuto jasovou funkci v libovolné amplitudě, frekvenci a fázi.

V současnosti se jako generátor světelné vlny pro reflektometrickou kontrolu povrchu používají komerčně vyráběné LCD displeje s bílým LED podsvícením. Plošný průběh jasu je definován v řídící jednotce v některém z běžných grafických formátů (např. jpg, png, bmp). Tento průběh je vykreslen na LCD displeji. Generátor světelné vlny s LCD displejem je např. od firmy Microepsilon.

Jiné stávající komerčně vyráběné světelné zdroje se pro reflektrometrickou kontrolu povrchu nedají použít.

Např. LED displeje s maticí diod jsou určeny jako velkoplošné venkovní obrazovky pro sledování obrazu z velké vzdálenosti, ze které je prostorový úhel mezi LED diodami malý a LED diody se jeví těsně vedle sebe. Z menší vzdálenosti sledování obrazu se však nejedná o zdroj difúzního (rozptýleného) světla.

Dalším vzhledově podobným zařízením je zadní osvětlovač, který se používá ve strojovém vidění k získání obrysu objektu. Cílem zadního osvětlovače je však zcela vyhladit jas zdroje světla tak, aby bylo dosaženo konstantního jasu na celé ploše. Bodové zdroje světla nejsou individuálně řízení. Zadní osvětlovač nelze pro reflektometrickou kontrolu povrchu použít.

Rovněž nelze použít 3D skener na principu promítání světelného rastru na objekt. Ten se liší zásadně tím, že se obrazec promítá na plochu snímaného objektu, která nesmí být lesklá, ale musí na ní docházet k difúsnímu odrazu. Obrazec snímaný kamerou se tedy vytvoří až promítnutím na tuto difusní plochu snímaného objektu, avšak při reflektometrické kontrole povrchu se obrazec vytváří již na výstupu generátoru světelné vlny.

Nevýhodou stávajících generátorů světelné vlny s LCD displejem je nízký světelný výkon, pomalá odezva, komplikované řízení a komplikovaná synchronizace s kamerou.

Světelný výkon (jas) je omezen především ztrátovým teplem, které se při vysokém výkonu LCD displeje musí z integrovaného displeje složitě odvádět. Rychlost odezvy, tj. doby pro rozsvícení nebo zhasnutí libovolného pixelu displeje, je u komerčních LCD displejů řádově milisekundy. Tato rychlost je dána konstrukcí komerčně dostupných LCD displejů určených pro obnovení

- 1 CZ 32219 UI obrazu pouze v intervalech daných standardními filmovými formáty.

Další nevýhodou generátorů světelné vlny s LCD displejem je nemožnost realizovat pomocí LCD displeje nerovinný zdroj světla, který je vhodnější k dosažení plné reflexe na nerovinných kontrolovaných površích. Pro snímání nerovinných povrchů LCD displejem je tedy nutno nasnímat velký počet malých ploch, od kterých dochází k relativně plné reflexi.

Dalším omezením je rovněž nemožnost vyrobit generátor světelné vlny o rozměrech mimo standardní velikosti komerčních LCD displejů.

Cílem technického řešení je navrhnout nový generátor světelné vlny pro reflektometrickou kontrolu povrchu tak, aby měl vysoký světelný výkon, rychlou odezvu, jednoduché řízení, jednoduchou synchronizaci s kamerou a dále aby umožňoval realizaci nerovinného zdroje světla a byl snadno vyrobitelný v požadovaných rozměrech.

Podstata technického řešení

Uvedeného cíle se dosahuje generátorem světelné vlny pro reflektometrickou kontrolu povrchu, zahrnujícím zdroj světla, který je připojen k řídící jednotce pro vytvoření plošného průběhu jasu vyjádřeného hladkou periodickou funkcí, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že zdroj světla zahrnuje matici bodových světelných zdrojů a před maticí bodových světelných zdrojů je uspořádán difuzor pro potlačení vyšších prostorových frekvencí emitovaného světla.

Prostorová frekvence je obrácenou hodnotou prostorové periody, kde prostorová perioda označuje vzdálenost dvou míst se stejnou fází. Prostorová frekvence zjednodušeně řečeno udává, kolik přechodů z černé do bílé se vejde na jeden centimetr. Čím je přechodů více, tím je frekvence vyšší.

V případě tohoto technického řešení se jedná o potlačení prostorových frekvencí vyšších, než je základní frekvence generované prostorové funkce, obzvláště pak prostorové frekvence dané převrácenou hodnotou roztečí matice bodových světelných zdrojů.

Na rozdíl od LCD displejů, které generují funkci jasu ve vysokém rozlišení, generuje generátor světelné vlny podle technického řešení diskrétní průběh funkce jasu pomocí omezeného počtu bodových světelných zdrojů. Každý bodový světelný zdroj generuje oddělené ostré světlo. Pro dosažení hladké funkce jasu je použit difuzor, který vyhladí hrubý diskrétní průběh jasu z bodových světelných zdrojů. Volbou materiálu difuzoru a vhodným nastavením vzdálenosti difuzoru od matice bodových světelných zdrojů lze dosáhnout požadované hladkosti průběhu jasu na výstupní ploše generátoru světelné vlny.

Výhodou konstrukce generátoru světelné vlny podle technického řešení je vyšší světelný výkon bodových světelných zdrojů než u LCD displejů. Dále tyto světelné zdroje umožňují vyšší rychlost změny obrazu, řádově v mikrosekundách. Tím je dosaženo zkrácení doby kontroly povrchu a je umožněna i přesná synchronizace změny rozložení jasu se spouštěním kamery.

Generátor světelné vlny podle technického řešení umožňuje řízení a nastavení jasu každého bodového světelného zdroje samostatně a tím generování v podstatě libovolného průběhu jasu.

Díky použití bodových světelných zdrojů je možno jednoduše zkonstruovat generátor libovolných rozměrů a obvodových tvarů.

Podle výhodného provedení je plocha matice bodových světelných zdrojů a/nebo difuzoru zakřivená. Tím je dosaženo plné reflexe světla na kontrolovaných površích v případě, že tyto povrchy nejsou rovinné, ale zakřivené. To přispěje k výraznému zkrácení doby inspekce

-2CZ 32219 UI kontrolovaného povrchu snížením počtu snímků nutných pro kontrolu celého povrchu. Pomocí zakřivené plochy zdroje světla lze totiž vytvořit a sejmout jeden odraz plné reflexe na větší části kontrolovaného zakřiveného povrchu než při použití rovinného zdroje světla.

Podle výhodného provedení má matice bodových světelných zdrojů pravoúhlé nebo hexagonální uspořádání bodových světelných zdrojů. Různé uspořádání bodových světlených zdrojů umožňuje a zjednodušuje generování různých hladkých periodických funkcí průběhu jasu na výstupní ploše generátoru.

Podle výhodného provedení obsahuje matice bodových světelných zdrojů několik nezávislých dílčích matic bodových světelných zdrojů, z nichž každá je řízena samostatně.

Výhodou tohoto provedení je jednodušší řízení bodových světelných zdrojů. Řídící jednotka má menší počet výstupních signálů, který odpovídá počtu dílčích matic. Menší počet HW výstupů snižuje náklady na výrobu řídící jednotky. Menší počet výstupních signálů zjednodušuje programování řídící jednotky, protože se v každém okamžiku definuje menší počet nastavení bodových světelných zdrojů, než když je každý bodový světelný zdroj ovládán samostatně.

Podle výhodného provedení obsahuje matice bodových světelných zdrojů bodové světelné zdroje v několika různých barvách pro současné generování několika barevně rozlišených a fázově posunutých plošných průběhů jasů.

Metoda kontroly povrchu pomocí reflektometrie vyžaduje posouvat světelnou vlnu po difuzoru v několika fázích a každá fáze světla odraženého z kontrolovaného povrchu musí být snímána kamerou. Tento proces lze zkrátit např. na třetinu, pokud je matice tvořena trojicemi barevných bodových světelných zdrojů, nejlépe v barvách RGB a generátor světelné vlny umožňuje zároveň vytvořit nezávislé obrazy posunutých vln o různých barvách. Pak lze z jednoho snímku pořízeného barevnou kamerou získat nezávislé R, G a B obrazy vln ve třech fázích.

Podle výhodného provedení jsou okraje difuzoru zakryty maskou pro kompenzaci okrajových jevů krajních řad a krajních sloupců bodových světelných zdrojů. Tím nedochází ke zkreslování generované fúnkce jasu na konci aktivní (nemaskované) části výstupní plochy difúzoru.

Podle výhodného provedení je bodovým světelným zdrojem LED dioda. Výhodou LED diod je jednoduchost, komerční dostupnost technických prostředků pro jejich řízení, snadné vytvoření funkce jasu jednoduchým algoritmem, přesnost průběhu fúnkce jasu daná hustotou rozmístění LED diod a mnoha úrovněmi zobrazování barvy/jasu. LED diody mají rychlou odezvu na řídící signál. Rovněž jejich instalace je jednoduchá bez ohledu na tvar plochy matice bodových světelných zdrojů. LED diody plně splňují nároky na bodový světelný zdroj podle tohoto technického řešení.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 je zobrazen příklad provedení zdroje světla generátoru světelné vlny s maticí bodových světelných zdrojů a s difúzorem podle technického řešení.

Na obr. 2 je zobrazen příklad provedení zdroje světla generátoru světelné vlny s nerovinnou maticí bodových světelných zdrojů a s nerovinným difúzorem podle technického řešení.

Na obr. 3 je zobrazen příklad provedení nerovinného difúzoru ve tvaru válce podle technického řešení.

Na obr. 4 je zobrazen příklad provedení nerovinného difuzoru ve tvaru torroidu podle technického řešení.

-3CZ 32219 UI

Na obr. 5 je zobrazeno blokové schéma zapojení generátoru světelné vlny podle technického řešení.

Na obr. 6 je zobrazen průběh světelných paprsků z bodového zdroje světla k výstupní ploše difuzoru podle technického řešení.

Na obr. 7 je zobrazen průběh světelných paprsků z generátoru světelné vlny do kamery snímající odraz světelných paprsků od zakřivené plochy podle technického řešení.

Na obr. 8 je zobrazen (ve stupních šedi) příklad hladké periodická funkce sinus na výstupní ploše generátoru světelné vlny.

Příklady uskutečnění technického řešení

Generátor světelné vlny pro reflektometrickou kontrolu povrchu podle obr. 1 má jako zdroj světla matici 1 bodových světelných zdrojů 3, připojených k řídící jednotce 7 pro vytvoření plošného průběhu jasu vyjádřeného hladkou periodickou funkcí. Před maticí 1 bodových světelných zdrojů 3 je uspořádán difuzor 2 pro potlačení vyšších prostorových frekvencí emitovaného světla.

Na obr. 1 je zobrazena varianta rovinného difuzoru 2 pro kontrolu rovinných nebo mírně prohnutých povrchů. Bodové světelné zdroje 3 jsou na obr. 1 uspořádány pravoúhle. Pro kompenzaci okrajových jevů krajních řad 5 a krajních sloupců 6 bodových světelných zdrojů 3 jsou okraje difuzoru 2 zakryty maskou 4.

Okrajový jev vzniká vlivem konečných rozměrů difuzoru a způsobuje zkreslení spojitého průběhu jasu na krajích difúzoru ve směru vlny a pokles jasu u kraje difúzoru ve směru příčném na vlnu. Maska 4 vymezuje výstupní aktivní plochu difúzoru 2.

Kompenzaci okrajových jevů lze dosáhnout i jinými způsoby vycházejícími ze stejného principu, tj. eliminace poklesu jasu na krajích difuzoru. Např. lze řídit světelný tok krajních řad 5 a krajních sloupců 6 bodových světelných zdrojů 3 tak, aby se eliminoval úbytek jasu na difúzoru 2. Další variantou je umístění krajních řad 5 a krajních sloupců 6 bodových světelných zdrojů 3 na šikmou rampu matice 1 směřující k difuzoru 2. Tím se bodové světelné zdroje 3 přiblíží k difuzoru 2 a zvýší se jas na okrajích difúzoru 2 tak, že úbytek jasu je vykompenzován.

Pro kontrolu nerovinných ploch se používá varianta generátoru světelné vlny, kde je plocha matice 1 bodových světelných zdrojů 3 a/nebo difuzoru 2 zakřivená. Na obr. 2 je zobrazeno provedení se zakřivenou maticí 1_ a zakřiveným difúzorem 2. Bodové světelné zdroje 3 jsou na obr. 2 uspořádány pravoúhle.

Jedno z možných zakřivení difúzoru 2 je zakřivení ve tvaru válce podle obr. 3. Tvar válce umožňuje vytvořit plný odraz světla na kontrolovaném povrchu ve tvaru válce s kruhovým řezem pro kontrolu oblých částí. Nebo umožňuje vytvořit plný odraz světla na kontrolovaném povrchu ve tvaru válce s kruhovým řezem s navazující rovinou pro kontrolu přechodů oblých částí do rovinných.

Jedno z dalších možných zakřivení difuzoru 2 je zakřivení ve tvaru obecného torroidu dle obr. 4. Plocha difuzoru 2 je prohnuta ve dvou osách a umožňuje kontrolu povrchu zakřiveného v obou směrech.

Na obr. 7 je zobrazen průběh světelných paprsků z výstupní plochy difuzoru 2 do kamery snímající odraz světelných paprsků od zakřivené plochy kontrolovaného povrchu 12.

-4CZ 32219 UI

Pro aplikaci principu reflektometrie pro kontrolu povrchu lesklých předmětů je nutné sejmout kamerou ostrý obraz výstupní plochy generátoru světelné vlny po plném odrazu na kontrolovaném povrchu 12. Pokud je kontrolovaný povrch 12 zakřivený, je výhodné použít i zakřivený difuzor 2, jehož plocha je geometrickým místem bodů, pro něž platí:

A) Paprsek vycházející z libovolného bodu výstupní plochy difuzoru 2 a odražený od zakřiveného kontrolovaného povrchu 12 dopadne po průchodu objektivem 13 kamery na snímací čip 14 kamery.

B) Součet délky dráhy paprsku al (b 1) od difuzoru 2 ke kontrolovanému povrchu 12 a paprsku a2 (b2) od kontrolovaného povrchu 12 k čipu 14 kamery je pro všechny body plochy difuzoru 2 konstantní (al+a2 = bl+b2 = konst.).

Zakřivený difuzor 2, jehož výstupní plocha splňuje tyto dvě podmínky vytvoří po odrazu na zakřivené kontrolované ploše 12 v kameře svůj ideálně ostrý obraz v rovině snímacího čipu 14 kamery, jak ukazuje obr. 7.

Při zvětšení hloubky ostrosti obrazu (například zacloněním objektivu 13 kamery) však není nutné dodržet podmínku B zcela přesně. To umožňuje využít difuzor 2 i pro jinak zakřivené kontrolované povrchy 12, než pro které byl difuzor vypočten, pokud vhodným uspořádáním splníme podmínku A. Např. lze vytvořit plný odraz i na menším průměru kontrolovaného povrchu 12, jen je ho třeba posunout do větší vzdálenosti od difuzoru 2.

Blokové uspořádání generátoru světelné vlny pro reflektometrickou kontrolu povrchu je zobrazeno na obr. 5. K bodovým světelným zdrojům 3 uspořádaným na matici 1, jsou připojeny budiče 8 bodových světelných zdrojů 3 pro ovládání jasu bodových světelných zdrojů 3. Jas může být ovládán analogové stejnosměrným proudem nebo modulací jasu, např. pulsně šířkovou modulací. Řízení budičů 8 bodových světelných zdrojů 3 probíhá z řídící jednotky 7, na kterou jsou připojeny. Pro řízení každého bodového světelného zdroje 3 samostatně je zapotřebí NxM budičů 8 a řídící jednotka 7 má NxM výstupů na budiče 8 (N je počet řádků, M je počet sloupců bodových světelných zdrojů 3 na matici 1). Menšího počtu výstupů z řídící jednotky 7 na budiče 8 je možno dosáhnout instalací několika nezávislých dílčích matic bodových světelných zdrojů 3, kde bodové světelné zdroje 3 umístěné na jedné dílčí matici jsou řízeny jedním společným řídícím signálem z řídící jednotky 7. Např. při použití pásků s bodovými světelnými zdroji 3 uspořádanými do řádků N matice 1 má řídící jednotka 7 pouze N výstupů na budiče 8. Toto uspořádání pak vytváří světlenou vlnu pouze v jednom směru. Dalším výstupem zřídící jednotky 7 je výstup 10 pro spuštění kamery. Řídící jednotka 7 je napojena na paměť 9 přednastavených hodnot pro řízení bodových světelných zdrojů 3 pro dosažení požadovaných průběhů jasu. Řídící jednotka 7 obsahuje rozhraní pro komunikaci s nadřazeným řídicím systémem 11.

Na obr. 6 je zobrazen průběh světelných paprsků z bodového zdroje světla 3 k výstupní ploše difuzoru 2 podle technického řešení. Mezi bodovým zdrojem světla 3 a difuzorem 2 je vzduchová mezera 15. Princip výpočtu generátoru světelné vlny vychází z optické soustavy složené ze vzduchové mezery 15 s prostorovou impulsovou odezvou h_v(x,y) a difuzoru 2 s prostorovou impulsovou odezvou hd(x,y). Tato optická soustava plní funkci prostorové dolní propusti, jejíž optická přenosová funkce je dána vztahem:

v) ~

F_s(u, v).. optická přenosová funkce soustavy: vzduchová mezera 15 + difuzor 2 h_v(x,y).. impulsová odezva vzduchové mezery 15 hd(x,y).. impulsová odezva difuzoru 2

Σ.. operátor Fourierovy transformace

-5 CZ 32219 UI

Tato optická přenosová funkce je pomocí šířky vzduchové mezery 15 a volby materiálu difuzoru 2 nastavena tak, aby potlačovala prostorové frekvence vyšší, než je základní frekvence generované prostorové funkce, obzvláště pak prostorové frekvence dané převrácenou hodnotou roztečí matice 1 bodových zdrojů světla 3. Tímto způsobem je na výstupní ploše difuzoru 2 vytvořena z matice 1 světelných bodových zdrojů 3 požadovaná hladká prostorová funkce rozložení jasu.

Intenzity světla jednotlivých bodových zdrojů 3 se stanoví řešením konvoluční rovnice: g(x>y) - * Kxy) g(x,y)... požadovaná prostorová funkce rozložení jasu na výstupní ploše difuzoru 2 l(x,y)... prostorová funkce rozložení intenzit bodových světelných zdrojů 3 v matici 1 * ... operátor konvoluce

Tuto rovnici lze, vzhledem k diskrétnímu charakteru funkce l(x,y) převést na soustavu lineárních rovnic s počtem Μ. N neznámých, které představují intenzity světla jednotlivých bodových zdrojů 3. Řešením této soustavy rovnic vypočteme jednotlivé intenzity. Výpočet může zahrnovat i kompenzaci zkreslení funkce g(x,y)na okrajích difuzoru 2, které vzniká ořezáním funkce l(x,y) vlivem konečných rozměrů matice 1 bodových světelných zdrojů 3.

Claims (8)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Generátor světelné vlny pro reflektometrickou kontrolu povrchu, zahrnující zdroj světla, který je připojen k řídící jednotce (7) pro vytvoření plošného průběhu jasu vyjádřeného hladkou periodickou funkcí, vyznačující se tím, že zdroj světla zahrnuje matici (1) bodových světelných zdrojů (3) a před maticí (1) bodových světelných zdrojů (3) je uspořádán difuzor (2) pro potlačení vyšších prostorových frekvencí emitovaného světla.
2. 2. Generátor světelné vlny podle nároku 1 vyznačující se tím, že plocha matice (1) bodových světelných zdrojů (3) a/nebo difuzoru (2) je zakřivená.
3. 3. Generátor světelné vlny podle nároku 1 nebo 2 vyznačující se tím, že matice (1) bodových světelných zdrojů (3) má pravoúhlé uspořádání bodových světelných zdrojů (3).
4. 4. Generátor světelné vlny podle nároku 1 nebo 2 vyznačující se tím, že matice (1) bodových světelných zdrojů (3) má hexagonální uspořádání bodových světelných zdrojů (3).
5. 5. Generátor světelné vlny podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že matice (1) bodových světelných zdrojů (3) obsahuje několik nezávislých dílčích matic bodových světelných zdrojů (3), z nichž každá je řiditelná samostatně.
6. 6. Generátor světelné vlny podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že matice (1) bodových světelných zdrojů (3) obsahuje bodové světelné zdroje (3) v několika různých barvách pro současné generování několika barevně rozlišených plošných průběhů jasů fázově posunutých.
7. 7. Generátor světelné vlny podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že okraje difuzoru (2) jsou zakryty maskou (4) pro kompenzaci okrajových jevů krajních řad (5) a sloupců (6) bodových světelných zdrojů (3).
8. 8. Generátor světelné vlny podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že bodovým světelným zdrojem (3) je LED dioda.