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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsvorrichtung für zylindrische
Objekte.
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Die
industrielle Bildverarbeitung beschäftigt sich unter anderem mit
der automatischen Untersuchung von Metallteilen, die beliebige Oberflächeneigenschaften
und Formen aufweisen können.
Fehler, die dabei detektiert werden, sind in zwei prinzipielle Fehlertypen
unterteilbar: Verunreinigungen sowie Verformungen der Oberfläche. Typische
Beispiele für Fehler
sind Mulden, Kratzer, Dellen, Flecken, Verschmutzungen und Abschleifungen.
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Zur
automatischen Untersuchung werden die metallischen Teile mit einer
angepassten Beleuchtung von einer oder mehreren Kameras aufgenommen.
Hierbei kann die gesamte Oberfläche
des Metallteils erfasst werden. Anschließend werden mathematische Methoden
eingesetzt, um die Fehler in den Oberflächenbildern automatisch zu
detektieren. Dabei sollen sich in einem Oberflächenbild fehlerbehaftete Oberflächenbereiche
bestmöglich
von fehlerfreien Bereichen unterscheiden lassen. Unter diesem Aspekt
stellen glänzende
Oberflächen
eine größere Herausforderung
bei der Auswahl und Anordnung geeigneter Beleuchtungskomponenten
dar.
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Es
ist bekannt, zerstörungsfreie
Prüfverfahren
zur Kontrolle zylindrischer metallischer Bauteile einzusetzen, bei
denen elektromagnetische Felder oder Ultraschallwellen benutzt werden.
Hiermit können
innere und äußere Risse
in den Zylindern detektiert werden. Beispielsweise offenbart die
US 5,408,104 die Untersuchung
zylindrischer Metallteile unter Einsatz einer ringförmigen fluoreszierenden Lichtquelle.
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Die
DE 101 39 589 A1 beschreibt
eine Anordnung zur diffusen Beleuchtung eines Raumes mit einer aus
mehreren LEDs bestehenden Lichtquelle.
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Es
ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der
Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung, ein Oberflächenuntersuchungsverfahren
und ein zugehöriges
Computerprogrammprodukt bereitzustellen, mit der sich Oberflächenfehler
zylindrischer Objekte detektieren lassen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte
Weiterbildungen werden durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche wiedergegeben.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsvorrichtung.
Diese umfasst eine zylindrische Leuchte mit einer in ihrem Inneren angeordneten
zylindrischen Schlitzblende. Die Leuchte umfasst eine zylindrische
Lichtquelle mit einem darin angeordneten zylindrischen Diffusor,
und die Schlitzblende besteht aus einem mit axial verlaufenden Schlitzen
ausgestatteten Zylinder. Im Zylinder sind die Schlitze derart angeordnet,
dass senkrecht zur Zylinder- bzw. Schlitzblendenachse verlaufende Linien
durch die Schlitze im Inneren der Schlitzblende in einem von der
Zylinderachse beabstandeten Punkt zusammenlaufen.
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Im
Betrieb erzeugt die zylindrische Lichtquelle im Zusammenspiel mit
dem in ihr angeordneten Diffusor eine diffuse Strahlung, mit der
zunächst
die Schlitzblende homogen ausgeleuchtet wird. Innerhalb der zylindrischen
Schlitzblende befindet sich das zu prüfende Objekt. Dieses ist selbst
zylindrisch ausgebildet und koaxial zur Lichtquelle angeordnet. Ein
Teil der diffusen Strahlung gelangt durch die Schlitze der Schlitzblende
und wird von dem zu prüfenden
Objekt, beispielsweise einem metallischen und zum Beispiel auch
glänzenden
zylindrischen Objekt, reflektiert. Durch eine Strahlungseinkopplung, die
nicht senkrecht zur Zylinderachse erfolgt, kann die reflektierte
Strahlung in Form eines parallelen Strahlenbündels ausgekoppelt und von
einem Detektor als ein aus hellen und dunklen Streifen bestehendes
Streifenmuster detektiert werden.
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Die
aus der Beleuchtungsvorrichtung ausgekoppelte Strahlung ist ihrer
Natur nach diffuse Strahlung. Würde
eine perfekt gekrümmte
Oberfläche
mit dieser Strahlung beaufschlagt, so würde die reflektierte Strahlung
auf einem Projektionsschirm ein Streifenmuster mit dunklen und hellen
Streifen liefern. Hierbei hätten
die hellen Streifen eine Soll-Helligkeit und eine Soll-Geometrie.
Die hellen Streifen wären äquidistant
zueinander.
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Bei
einer Auswertung solcher Streifenmuster von nicht-perfekten Oberflächen werden
Abweichungen vom obigen idealen Streifenmuster festgestellt. Weist
das Prüfobjekt
eine Verunreinigung auf, so äußert sich
dies in einer Änderung
der lokalen Reflektivität
und in einer Abweichung der Streifenhelligkeit von einer Soll-Helligkeit.
Insofern lässt
sich durch Auswertung der Streifenhelligkeit auf Verunreinigungen
schließen.
Besitzt das Prüfobjekt
lokale Verformungen auf der Oberfläche, so haben diese eine gewisse
Höhe bzw.
Tiefe und bedingen lokal eine Änderung
der Oberflächennormale
gegenüber
dem Fall einer planen Oberfläche.
Je nach Ausprägung
dieses Parameters ändert
sich die Krümmung
der hellen Streifen. Eine Auswertung der Streifengeometrie lässt somit
Rückschlüsse auf
Verformungen zu. Hierbei soll angemerkt werden, dass beide genannten Abweichungen
gleichzeitig in einem einzigen Streifenmuster vorliegen können. Damit
können
mit der vorgeschlagenen Beleuchtungsvorrichtung beide Fehlertypen
gleichzeitig optisch erfasst und in der Regel computergestützt identifiziert
werden.
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Die
Beleuchtungsvorrichtung besitzt eine kompakte Bauform und benutzt
wenig Komponenten, was einen niedrigen Herstellungspreis zur Folge
hat. Die Vorrichtung kann mit Strahlung im sichtbaren Bereich arbeiten,
sodass die Beleuchtungsvorrichtung eine Ergänzung zu bekannten zerstörungsfreien Prüfverfahren
auf optischer Basis bilden kann.
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Eine
Ausführungsform
der Beleuchtungsvorrichtung hat eine Leuchte, die mindestens drei
ineinander angeordnete zylindrische Lichtquellen besitzt. Auf diese
Weise kann auf einfache und preiswerte Weise eine lichtstarke Leuchte
unter Wahl von Lichtquellen hoher Lichtausbeute bereitgestellt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Beleuchtungsvorrichtung sieht vor, einen Diffusor aus mindestens
drei ineinander angeordneten zylindrischen opaken Kunststoff- und/oder Glaskörpern einzusetzen.
Durch diese Wahl lässt
sich einfach und besonders preiswert diffuse Strahlung bereitstellen.
Die Kunststoff- und/oder Glaskörper
können
entweder trübe
ausgebildet sein oder an ihren Oberflächen aufgeraut sein, z. B.
durch Sandstrahlen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Beleuchtungsvorrichtung sind Leuchte und Schlitzblende koaxial
zueinander angeordnet. Diese geometrisch angepasste Beleuchtung
führt zu
einer gleichmäßig ausgeleuchteten
Oberfläche
des Prüfobjekts, sofern
dieses ebenfalls zylindrisch ausgebildet ist. Eine gleichmäßige diffuse
Ausleuchtung führt
bei reflektierenden bzw. glänzenden
Prüfobjekten
zu guten Messergebnissen, da bei gerichteter Strahlung je nach Lage
des Prüfobjekts
höchst
unterschiedliche Grauwerte bei gleich beschaffenen Objektoberflächen auftreten können. Insofern
ermöglicht
diese geometrisch angepasste Beleuchtung die Untersuchung glänzender
Oberflächen
zylindrischer Prüfobjekte
und beispielsweise metallischer Prüfobjekte.
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Eine
Ausführungsform
der Beleuchtungsvorrichtung besitzt eine Schlitzblende mit einer
Wandstärke
von mindestens 3 mm vor. Bei einer geringeren Wandstärke der
Schlitzblende gelangt mehr Störlicht
in den das Streifenmuster erfassenden Detektor, wobei eine höhere Wandstärke den
Störlichtanteil nicht
mehr nennenswert verringern kann.
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Eine
Ausführungsform
der Beleuchtungsvorrichtung besitzt eine außerhalb der Leuchte angeordnete
Störlichtblende.
Diese verhindert eine Überstrahlung
des beispielsweise von einer Zeilenkamera aufgenommenen Streifenmusters,
sodass das Streifenmuster deutlicher sichtbar bzw. kontrastreicher
ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Leuchte zur
diffusen Ausleuchtung eines zylindrischen Prüfobjekts. Die Leuchte umfasst eine
zylindrische Lichtquelle mit einem darin koaxial angeordneten zylindrischen
Diffusor. Anstelle einer einzelnen Lichtquelle können auch mehrere und insbesondere
mindestens drei ineinander angeordnete zylindrische Lichtquellen
vorgesehen sein, um auf einfache und preiswerte Weise eine lichtstarke Leuchte
bereitzustellen. Es ist hierbei auch möglich, einen Diffusor bestehend
aus mindestens drei koaxial zueinander angeordneten opaken Kunststoff- und/oder
Glaskörpern
zu wählen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Schlitzblende
bestehend aus einem Zylinder mit axial verlaufenden Schlitzen. Die
Schlitze sind derart angeordnet, dass senkrecht zur Schlitzblendenachse
verlaufende gedachte Linien durch die Schlitze im Inneren der Schlitzblende
in einem von der Zylinderachse beabstandeten Punkt M zusammenlaufen.
Bei der Benutzung befindet sich das Prüfobjekt im Inneren der Streifenblende,
kann von diffusem Licht schräg
zur Zylinderachse beaufschlagt werden, sodass ein paralleles Strahlenbündel aus dem
Zylinder ausgekoppelt werden kann. Wie oben ausgeführt kann
diese Beleuchtung zur Detektion von Verformungen auf der Prüfobjektoberfläche eingesetzt
werden.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Erkennen von Fehlern auf der Oberfläche eines zylindrischen Objekts.
Bei diesem Verfahren wird das Prüfobjekt
mit Strahlung beaufschlagt, die auf einem Projektionsschirm ein
Muster aus einander benachbarten hellen und dunklen Streifen zu
erzeugen vermag. Die Strahlung kann hierbei eine solche sein, die
mit der oben beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung erzeugt wird.
Die von der Objektoberfläche
reflektierte Strahlung wird ortsaufgelöst detektiert und die Messwerte
werden als Bild erfasst. Beispielsweise kann bei der Detektion jedem
Ortsbereich ein Pixel zugeordnet sein, sodass die Gesamtheit aller
Pixel das Bild repräsentiert.
Für jeden
Bildpunkt des Bildes oder nur eines Teils dieser Bildpunkte wird
eine Mehrzahl von Merkmalen berechnet. Ein Merkmal kann eine mit
dem Bildpunkt verknüpfte
geometrische Information oder ein mit dem Bildpunkt verknüpfter physikalischer
Parameter sein. Anschließend
werden Bildpunkte, bei denen der Wert eines Merkmals oberhalb und/oder
unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt, identifiziert.
Im Regelfall wird dies für
alle berechneten Merkmale durchgeführt. Danach werden Bildregionen
identifiziert, in denen die identifizierten Bildpunkte eine vorgegebene
Dichte überschreiten.
Jede Bildregion stellt dann einen Bereich des Bildes, und entsprechend
hierzu einen Teils der Prüfobjektoberfläche dar,
wo möglicherweise
ein Fehler vorliegt. In einem letzten Schritt wird ein Fehler bzw.
eine Fehlerregion dadurch identifiziert, dass dort die zu mindestens zwei
verschiedenen Merkmalen gehörenden
Bildregionen hinreichend dicht benachbart sind. Das obige Verfahren
ermöglicht
eine Identifikation von Oberflächenfehlern
mit hoher Robustheit gegenüber
Artefakten und erlaubt es Verunreinigungen auf der Oberfläche (z.
B. Farbspritzer auf der Oberfläche)
von Verformungen (z. B. Kratzer) zu unterscheiden. Bei entsprechender
Wahl der Merkmale kann auch unterschieden werden, um welche Art
von Verformungen es sich handelt bzw. welche Art von Verunreinigung vorliegt.
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Das
genannte Verfahren kann gemäß einer Ausführungsform
so durchgeführt
werden, dass nur für
diejenigen Bildpunkte Merkmale berechnet werden, die mit einer Mindestintensität strahlungsbeaufschlagt
wurden. So können
beispielsweise, was in der Praxis meist ausreichend ist, nur für diejenigen Bildpunkte
Merkmale berechnet werden, die die hellen Streifen des detektieren
Streifenmusters bilden. Auf diese Weise kann der Rechenaufwand erheblich verringert
werden.
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In
einer Ausführungsform
ist ferner vorgesehen, dass als Merkmale der Abstand des jeweiligen Bildpunkts
zu einem ausgewählten
Punkt des Bildes, die detektierte Strahlungsintensität am Bildpunkt,
die Lageabweichung des Bildpunkts zu einem Referenzpunkt innerhalb
einer über
das Bild gelegten Maske und/oder der Abstand zweier heller oder
dunkler Streifen zueinander gewählt
werden. Im ersten Fall kann der ausgewählte Punkt der Ursprung eines
Koordinatensystems sein, dessen eine Achse, z. B. die x-Achse, senkrecht
zu den Streifen verläuft,
und bei dem die hierzu senkrechte y-Achse in Streifenrichtung verläuft. Im
dritten Fall erfolgt die Auswertung des Bildes mit einer Maske,
also einem vorgegebenen Bildbereich von beispielsweise 100 × 100 Pixeln, wobei
der Referenzpunkt im Zentrum der Maske liegen kann.
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Das
Verfahren wird in einer weiteren Ausführungsform so durchgeführt, dass
Merkmale verwendet werden, deren Werte sich nur durch Verunreinigungen
auf der Objektoberfläche ändern, oder
dass Merkmale verwendet werden, deren Werte sich nur durch Verformungen
auf der Objektoberfläche ändern. Auf
diese Weise kann abhängig
von den gewählten
Merkmalen beim Fehler zwischen einem zweidimensionalen (2D-) oder
einem dreidimensionalen (3D-)Fehler unterschieden werden. Ein Fehler kann
zum Beispiel dadurch als 3D-Fehler identifiziert werden, dass Merkmale
ausgewählt
werden, deren Wert sich nicht, oder nicht nennenswert, bei einem 3D-Fehler ändern, nicht
aber bei einer Verunreinigung. Entsprechend kann ein Fehler als
2D-Fehler identifiziert werden, wenn Merkmale ausgewählt werden,
deren Wert sich nicht, oder nicht nennenswert, bei einem 2D-Fehler ändern.
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In
einer Ausführungsform
ist ferner vorgesehen, dass auf eine Verformung der Objektoberfläche geschlossen
wird, bzw. auf eine Verformung als Fehler erkannt wird, wenn beim Überlappen
der Bildregionen eines der zugehörigen
Merkmale die Lageabweichung des Bildpunkts zu einem vorgegebenen Referenzpunkt
innerhalb einer über
das Bild gelegten Maske ist. Dieses Merkmal ändert sich im Sinne des letzten
Absatzes nur dann in nennenswertem Maße bei Bildpunkten, wenn der
Bildpunkt in einem Verformungsbereich (z. B. in einem Kratzer) liegt.
Befindet sich der Bildpunkt hingegen in einem Verunreinigungsbereich,
so erfährt
dieses Merkmal nur minimale Änderungen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Computerprogrammprodukt
auf einem computerlesbaren Medium. Das computerlesbare Medium, beispielsweise
eine CD oder eine DVD, umfasst computerlesbare Programmmittel, mit
denen ein Computer veranlasst wird, ein aus hellen und dunklen Streifen
bestehendes Bild, das beispielsweise mit Hilfe der obigen Beleuchtungsvorrichtung
gewonnen wurde, auszuwerten. Die Programmmittel veranlassen den
Computer im Einzelnen dazu, für
jeden Bildpunkt des Bildes oder eines Teils der Punkte des Bildes,
das aus einem Muster aus einander benachbarten hellen und dunklen
Streifen besteht, eine Mehrzahl von Merkmalen zu berechnen. Der
Computer identifiziert dann Bildpunkte, bei denen der Wert mindestens
eines Merkmals oberhalb und/oder unterhalb mindestens eines vorgegebenen
Schwellwerts liegt, und identifiziert Bildregionen, in denen die identifizierten
Bildpunkte eine vorgegebene Dichte überschreiten. Eine derartige
Bildregion stellt einen Bildausschnitt dar, wo möglicherweise ein Fehler vorliegt.
Der Fehler wird dadurch identifiziert, bzw. die Bildregion wird
dadurch als Fehlerregion identifiziert, dass die zu zwei verschiedenen
Merkmalen gehörenden
Bildregionen hinreichend hicht benachbart sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist das Computerprogramm ausgebildet, nur für diejenigen Bildpunkte Merkmale
zu berechnen, die mit einer Mindestintensität strahlungsbeaufschlagt wurden.
So können
beispielsweise nur für
die zu den hellen Streifen des Streifenmusters gehörenden Bildpunkte Merkmale
berechnet werden, wodurch der Rechenaufwand sinkt.
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Ferner
kann in einer Ausführungsform
das Computerprogramm so ausgebildet sein, dass abhängig von
den Merkmalen der Fehler als eine Verunreinigung oder als eine Verformung
des Objekts identifiziert wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der beanspruchten Erfindung werden aus der
folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
erkennbar, die nachfolgend als nicht beschränkende Beispiele angegeben
sind. Hierbei soll die Benutzung von Bezugszeichen in den Figuren
nicht dahingehend verstanden werden, dass die Bezugszeichen den
Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken sollen. Es zeigt:
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1a, 1b eine
Ausführungsform
einer Leuchte zur Bereitstellung einer diffusen Beleuchtung,
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2 eine
Ausführungsform
einer Schlitzblende,
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3 eine
Ausführungsform
einer Beleuchtungsvorrichtung in der Draufsicht.
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4a, 4b eine
Ausführungsform
einer Beleuchtungsvorrichtung in der Seitenansicht,
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5a–5d fotografierte Streifenmuster einer Metalloberfläche,
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6 ein
Flussdiagramm zum Ablauf des Verfahrens zum Erkennen von Fehlern
auf der Oberfläche
eines zylindrischen Objekts,
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7 fotografierte
Streifenmuster.
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Die 1a und 1b zeigen
eine Ausführungsform
einer zylinderischen und nahezu ringförmigen Leuchte 1,
und zwar in 1a) mit Blick in Richtung der
Zylinderachse und bei 1b senkrecht zur Zylinderachse.
Die Abmessungen der Leuchte können in
hohem Maße
frei gewählt
werden und orientieren sich am Radius des zylindrischen Prüfobjekts,
welches im Kernbereich 2 platziert wird. Im vorliegenden Beispiel
ist der äußere Durchmesser
der Lichtquelle 3 zu h = 200 mm gewählt.
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Die
Lichtquelle 3 besteht aus insgesamt sechs einzelnen Lichtquellen
(nicht gezeigt). Sie wurden unter dem Gesichtspunkt hoher Lebensdauer, hoher
Lichtausbeute, Kompaktheit und hoher Streuungsfähigkeit ausgewählt. Sie
wird mit 20 V betrieben, hat eine Lichtausbeute von 150 W und hat
die Lampenfassung GX 5,3. Koaxial zur Lichtquelle 3 ist ein
zylindrischer Diffusor 4 angeordnet. Er besteht aus mehreren,
z. B. 8, ineinander positionierten opaken Glaskörpern (nicht
gezeigt). Alternativ können halbdurchlässige Kunststoffkörper eingesetzt
werden. Die Wandstärke
des Diffusors, vorliegend 23 mm, und die Anzahl der Glaskörper sind
der Lichtstärke
und der Trübheit
des Glases angepasst.
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Im
Inneren des Diffusors 4 befindet sich das zylindrische
Prüfobjekt 5.
Lichtquelle 3 und Diffusor 4 haben die gleiche
Geometrie wie das Prüfobjekt 5, sind
also der zylindrischen Geometrie des Prüfobjekts 5 angepasst.
Der Diffusor 4 dient dazu, die Strahlung der Lichtquelle 3 gleichförmig auf
der Oberfläche
des Prüfobjekts 5 zu
verteilen.
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Die
diffuse Strahlung der Leuchte 1 dient der Erfassung von
Verunreinigungen auf der Oberfläche des
Prüfobjekts 5.
Die diffuse Strahlung wird von dessen Oberfläche reflektiert und kann mit
großflächigen LED-Arrays
oder einer Zeilenkamera detektiert werden. Alternativ kann mit indirekter
Beleuchtung über Schirme
gearbeitet werden.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
einer Schlitzblende 6. Die zylindrische Schlitzblende 6,
die in Zylinderlängsrichtung
mit Schlitzen versehen ist, besteht aus Aluminium oder Zirconium,
und wird bei ihrem Einsatz diffus beleuchtet (nicht gezeigt). Die durch
die Schlitze einfallenden Lichtstrahlen 7 der diffusen
Beleuchtung sind bedingt durch die Schlitzgeometrie so ausgerichtet,
dass sie bei Abwesenheit eines Prüfobjekts 5 im Inneren
der Schlitzblende 6 in einem Punkt M zusammenlaufen. Die
Lage des Punkts M ist an den Durchmesser r des Prüfobjekts 5 angepasst.
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Das
Prüfobjekt 5 besitzt
eine durch den Punkt O verlaufende Achse senkrecht zur Figurenebene.
Ist ein Prüfobjekt 5 koaxial
eingebracht, so ist der Abstand des Punkts O zum Punkt M kleiner
als der Radius r. Die einfallenden Strahlen 7 werden an der
Oberfläche
des Prüfobjekts 5 reflektiert.
Da sie schräg
zur durch den Punkt O verlaufenden Achse eingekoppelt werden, und
damit schräg
zur Figurenebene, lassen sich ausfallende Strahlen 8 am
hinteren Ende der Schlitzblende 6 als paralleles Strahlenbündel auskoppeln.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
einer Beleuchtungsvorrichtung 9. Die zylindrische Leuchte 1, nämlich diejenige
der Ausführungsform
gemäß 1,
beleuchtet die Schlitzblende 6. Bei dieser handelt es sich
um eine Schlitzblende gemäß der 2. Leuchte 1 und
Schlitzblende 6 sind beide zylindrisch und koaxial zueinander
angeordnet. 3a zeigt diese Anordnung
mit Blick in die Zylinderlängsrichtung.
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4a zeigt eine Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung 9.
Die zylindrische Leuchte 1, nämlich diejenige der Ausführungsform
gemäß 1,
beleuchtet die Schlitzblende 6. Bei dieser handelt es sich
um eine Schlitzblende gemäß der 2. Leuchte 1 und
Schlitzblende 6 sind beide zylindrisch und koaxial zueinander
angeordnet. 3a zeigt diese Anordnung
mit Blick in die Zylinderlängsrichtung.
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In 4b ist die Beleuchtungsvorrichtung 9 in
einer Seitenansicht dargestellt, wobei die Zylinderachse horizontal
verläuft.
Die Leuchte 1 beleuchtet die Schlitzblende 6 mit
einfallenden Strahlen unter einem Winkel α gegenüber der Oberflächennormalen des
Prüfobjekts 5,
sodass die ausfallenden Strahlen 8 am hinteren Ende der
Schlitzblende 6 ausgekoppelt werden können. Sie werden von einer
Zeilenkamera 10 mit vorgeschalteter Blende 11 detektiert.
Um den Bildkontrast zu verbessern, ist der Schlitzblende 6 austrittsseitig
eine Störlichtblende 12 zugeordnet. Die
Anordnung der Schlitze 13, d. h. ihre Länge und Position, ist dem Außendurchmesser
des Prüfobjekts angepasst.
Die Länge
der Schlitze in Längsrichtung bestimmt
die Helligkeit der hellen Streifen. Werden kürzere Schlitze gewählt, so
sinkt der Helligkeitskontrast zwischen hellen und dunklen Streifen.
Die Position bzw. die Orientierung der Schlitze senkrecht zur Zylinderachse
und die Breite der Schlitze ist an der Geometrie des gesuchten Streifenbündels angepasst,
sodass alle ausfallenden Lichtstrahlen parallel in Richtung Zeilenkamera 10 verlaufen.
Im Kamerabild entsteht ein periodisches Streifenmuster, bestehend
aus hellen und dunklen Streifen. Eine geeignet ausgewählte Wandstärke, z.
B. 3 mm in der vorliegenden Ausführungsform,
sorgt dafür,
dass kein Störlicht
im Kamerabild projiziert wird.
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Die
strukturierte Beleuchtung arbeitet mit einem einfachen, nicht kodierten
Muster. Die Schlitze 13 bedingen Streifen einer bekannten
Periode, die entlang der Zylinderachse projiziert werden. Mit dieser
Beleuchtung lassen sich dreidimensionale Strukturen bzw. Änderungen
in der zylindrischen Form des Prüfobjekts 5 einfach
erfassen.
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Die
beiden wesentlichen Fehlerarten Verformungen und Verunreinigungen
lassen sich mit der Beleuchtungsvorrichtung 9 auf einmal
erfassen, da sie beide zu einer Störung des idealen Streifenmusters
führen.
Wie nachfolgend noch näher
erläutert wird,
liegt bei Oberflächenfehlern
die Information in der Helligkeit, und werden bei Formfehlern Formänderungen
an der Krümmung
der hellen Streifen erkannt.
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5 zeigt
Streifenmuster, wie sie von der Zeilenkamera 10 erfasst
und beispielsweise auf einen Computerbildschirm zur Anzeige gebracht
werden können. 5a zeigt hierbei den Fall einer qualitativ
guten Oberfläche
der Metalloberfläche,
d. h. einer Oberfläche
ohne Fehler. Die Abfolge senkrecht verlaufender heller und dunkler
Streifen ist weitgehend äquidistant.
Die eingesetzte Zeilenkamera 10 musste für diese
Aufnahme nicht kalibriert werden. In diesem wie in allen anderen
Fällen
konnten fehlerfreie Oberflächenbereiche
zuverlässig
von Fehlerbereichen unterschieden werden.
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5b zeigt dieselbe Oberfläche wie 5b, weist jedoch in der Bildmitte Artefakte
A wegen falscher Objekthandhabung während der Messung auf. Durch
eine Modifikation der Objekthandhabung, z. B. der Bewegung oder
Ausrichtung des Prüfobjekts 5 innerhalb
der Beleuchtungsvorrichtung 1, konnten mit einer bekannten
guten Oberfläche
Artefakte entweder in ihrer Stärke
gemindert oder ausgeschlossen werden. Bei zu prüfenden unbekannten Oberflächen konnten
damit Fehler von Artefakten unterschieden werden.
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5c zeigt ein Oberflächenbild mit einem zweidimensionalen
Fehler F, z. B. einer (flächigen) Farbverunreinigung,
wohingegen bei 5d das Prüfobjekt
einen dreidimensionalen Fehler F hat, nämlich einen Krater.
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6 zeigt
ein Flussdiagramm zum Ablauf des Verfahrens zum Erkennen von Fehlern
auf der Oberfläche
eines zylindrischen Objekts. Das Verfahren beginnt in Schritt 2 mit
der Aufnahme eines Bildes der Objektoberfläche. Dieser Schritt 2 umfasst
zum einen die Beaufschlagung des zylindrischen Objekts mit Strahlung,
die auf einem Projektionsschirm ein Muster aus einander benachbarten
hellen und dunklen Streifen zu erzeugen vermag und zu anderen ein ortsaufgelöstes Detektieren
der von der Objektoberfläche
reflektierten Strahlung nebst Erfassen der Messwerte als Bild. Die
ortsaufgelöste
Detektion kann mit einem Zeilen- oder einem Flächendetektor erfolgen, der
die Oberfläche
des Prüfobjekts
pixelweise abtastet. Das Ergebnis ist ein digitales Bild, beispielsweise
eines gemäß der 5a–d,
das computergestützt
ausgewertet werden kann.
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Im
Schritt 4 werden zu allen Pixeln oder zu einer Teilmenge
der Pixel, Merkmale a, b, c ... berechnet. Die hierzu verwendete
Teilmenge kann aus denjenigen Pixeln bestehen, die die weißen Streifen bilden,
wobei in diesem Fall die hellen Streifen über die Pixelintensitäten identifiziert
werden. Zusätzlich können zu
den Pixeln, die die schwarzen Streifen bilden, Merkmale berechnet
werden, wobei die dabei verwendeten Merkmale von den eingangs erwähnten Merkmalen
a, b, c ... verschieden sein können.
Die Merkmale können
der Abstand des Pixels zu einem ausgewählten Punkt des Bildes, die
am Pixelort detektierte Strahlungsintensität und/oder die Lageabweichung
des Pixels zu einem vorgegebenen Referenzpunkt innerhalb einer über das
Bild gelegten Maske sein.
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Im
Schritt 6 werden die Bildpunkte bzw. Pixel bestimmt, deren
Merkmalswerte größer oder
kleiner einem Schwellwert sind. Dies wird im Regelfall für jedes
Merkmal durchgeführt,
wobei es für
jedes Merkmal einen merkmalsspezifischen Schwellwert gibt. Auf diese
Weise werden so viele Pixelmengen A, B, C ... definiert wie es Merkmale
a, b, c .. gibt.
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Im
nächsten
Schritt 8 werden Bildregionen bestimmt, wo im Bild die
Dichte der im Schritt 6 bestimmten Pixelmengen A, B, C
.. erhöht
ist. Es wird also danach gesucht, wo die Bildpunkte mit Merkmalen
größer oder
kleiner einem Schwellwert im Bild anzutreffen sind. Diese Bildregionen
stellen mögliche Fehlerbereiche
dar.
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Im
Schritt 10 wird überprüft, ob die
im Schritt 8 bestimmten Bildregionen zu verschiedenen Merkmalen
a, b, c .. hinreichend dicht benachbart sind. Ist dies nicht der
Fall, wird im Schritt 12 auf einen Artefakt erkannt. Ist
dies der Fall, so gehören
die hinreichend dicht benachbarten Bildregionen zu einem Fehler.
Die Fehlerregion kann dann beispielsweise als derjenige Bildbereich,
z. B. approximiert als Rechteck, definiert werden, der die beiden
dicht benachbarten Bildregionen umfasst. Hierbei kann merkmalsabhängig noch
unterschieden werden, ob der Fehler eine Verunreinigung (2D) oder
eine Verformung (3D) ist.
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Wird
ein Merkmal gewählt,
dessen Wertveränderung
auf eine lokale Krümmung
der weißen Streifen
schließen
lässt,
bspw. der Abstand des Bildpunkts zu einem ausgewählten Punkt des Bildes, so deutet
die zugehörige
Bildregion im Überlappungsfall auf
einen 3D-Fehler bzw. eine Verformung hin.
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7 zeigt
die Identifikation einer Fehlerregion mit dem vorliegenden Verfahren
anhand von vier Fotos. Das oberste Foto von 7 zeigt
die aufgenommene Objektoberfläche
gemäß Schritt 2 von 6.
Der menschliche Betrachter würde
in der mit dem Pfeil markierten Region einen Fehler vermuten.
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Dieselbe
Objektoberfläche
wird anhand zweier Merkmale computergestützt auf einen Fehler hin untersucht.
Diese Merkmale sind
- a) der horizontale Abstand
der beiden benachbarten dunklen Streifen, wobei ein dunkler Streifen dort
als gegeben definiert wird, wo die Pixelintensität einen vorgegebenen Schwellwert
unterschreitet
- b) für
die Pixel eines weißen
Streifens die Horizontalverschiebung der hellen Streifen.
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Es
gibt Pixel, für
die das Merkmal a) einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Der Pfeil, der mit „a" beschriftet ist,
zeigt auf diese Pixel. Korrespondierend hierzu gibt es auch Pixel,
für die
das Merkmal b) einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Die Pfeile, die
mit „b1", „b2" und „b3" beschriftet sind,
zeigen auf diese Pixel. Das zweite Foto von oben visualisiert somit
das Ergebnis von Schritt 6 der 6.
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Anschließend wurden
gemäß Schritt 8 von 6 Bildregionen
bestimmt, wo die Merkmale a) bzw. b) gehäuft ihren jeweiligen Schwellwert überschreiten.
Dies ist die Bildregion Ra, wo gehäuft der Schwellwert des Merkmals
a) überschritten
wird, sowie die Bildregionen Rb1, Rb2 und Rb3, wo gehäuft der
Schwellwert des Merkmals b) überschritten
wird.
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Anschließend wurde
im Sinne von Schritt 10 von 6 geprüft, ob die
Bildregionen zu den zwei verschiedenen Merkmalen a) und b) hinreichend dicht
benachbart waren. Bezogen auf die Bildregion Ra waren die Bildregionen
Rb1 und Rb2 hinreichend dicht benachbart, nicht aber die Bildregion
Rb3. Das Kriterium der dichten Nachbarschaft wurde anhand des Abstands
der Mittelpunkte der Bildregionen zueinander geprüft, welcher
einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten
durfte. Die Fehlerregion wurde dadurch bestimmt, dass einerseits
ein die Bildregionen Ra und Rb1 umschließendes Rechteck definiert wurde,
andererseits ein die Bildregionen Ra und Rb2 umschließendes Rechteck.
Auf beide Rechtecke, die nur einen geringen vertikalen Versatz haben,
zeigt der Pfeil im untersten Foto der 7.
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- 1
- Leuchte
- 2
- Kernbereich
- 3
- Lichtquelle
- 4
- Diffusor
- 5
- Prüfobjekt
- 6
- Schlitzblende
- 7
- einfallende
Strahlen
- 8
- ausfallende
Strahlen
- 9
- Beleuchtungsvorrichtung
- 10
- Zeilenkamera
- 11
- Blende
- 12
- Störlichtblende
- 13
- Schlitz
- A
- Artefakt
- F
- Fehler
- a
- Pixel,
bei denen ein Merkmal „a" einen Schwellwert überschreitet
- b1
- Pixel,
bei denen ein Merkmal „b1" einen Schwellwert überschreitet
- b2
- Pixel,
bei denen ein Merkmal „b2" einen Schwellwert überschreitet
- b3
- Pixel,
bei denen ein Merkmal „b3" einen Schwellwert überschreitet-
- Rb1
- Bildregion
- Rb2
- Bildregion
- Rb3
- Bildregion