DE112018008010B4

DE112018008010B4 - Mehrfarboberflächeninspektionssystem, verfahren zum inspizieren einer oberfläche und verfahren zum kalibrieren des mehrfarboberflächeninspektionssystems

Info

Publication number: DE112018008010B4
Application number: DE112018008010.2T
Authority: DE
Inventors: Ming Li; Drew Schiltz
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: DE112018008010T5; WO2020068057A1; US20210215618A1; US11994476B2

Abstract

Mehrfarbsystem (200) zum optischen Inspizieren einer Oberfläche (210) einer Probe, beinhaltet ein Mehrwellenlängen-LED-Array (220) zum Beleuchten der Probe mit einem Mehrfarblichtmuster, das gleichzeitig emittierte räumliche Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) beinhaltet, die jeweils erste Bereiche, in denen Licht mit einer ersten Lichtintensität emittiert wird, und zweite Bereiche aufweisen, in denen das Licht mit einer zweiten Lichtintensität emittiert wird, wobei die erste Lichtintensität höher als die zweite Lichtintensität ist, und wobei entsprechende erste und zweite Bereiche in jedem der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) relativ zueinander phasenverschoben sind. Ein Mehrfarbsensor (230) erfasst jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496), die von der Oberfläche (210) der Probe reflektiert werden, in einem einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild (610), und eine Datenverarbeitungseinrichtung (240), die sich in Kommunikation mit dem Mehrfarbsensor (230) befindet, bestimmt Eigenschaften der Oberfläche (210) basierend auf einer Beurteilung des einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbildes (610).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum optischen Inspizieren einer Oberfläche einer Probe und insbesondere ein Mehrfarboberflächeninspektionssystem, ein Verfahren zur Mehrfarbinspektion einer Oberfläche einer Probe und ein Verfahren zum Kalibrieren des Mehrfarboberflächeninspektionssystems.
HINTERGRUND
Weißlichtoberflächeninspektionssysteme wurden für einen hohen Durchsatz und stark automatisierte Herstellung von Produkten mit dekorativen und technischen Oberflächen entwickelt. Diese Systeme ermöglichen einen hohen Empfindlichkeitsgrad gegenüber selbst den kleinsten Änderungen an Form und Glanzgrad auf einer Vielzahl von Arten von Oberflächen und Oberflächenbehandlungen.
Ein herkömmlicher Aufbau 100 für phasenverschobene Deflektometrie ist in 1 gezeigt. Der Aufbau beinhaltet eine Oberfläche 110 eines zu testenden Objekts, einen Musterbereich 120, der durch eine (nicht gezeigte) Beleuchtungseinheit erzeugt wird, eine Kamera 130 und eine Bildbeurteilungseinheit 140 mit einer Anzeige. Die Kamera 130 nimmt sequentiell mehrere Bilder des reflektierten Musters auf, die anschließend durch die Bildbeurteilungseinheit 140 beurteilt werden.
Der in 1 gezeigte Aufbau zur phasenverschobenen Deflektometrie erfordert, dass sich die Beleuchtungseinheit, die Kamera und die Oberfläche des zu testenden Objekts an einem festen räumlichen Ort zueinander befinden, während die mehreren Bilder durch die Kamera aufgenommen werden.
Eine herkömmliche Vorrichtung zum optischen Inspizieren einer Oberfläche einer Probe zum Bestimmen von Qualitätsparametern eines Produkts und zum Identifizieren von Oberflächendefekten basierend auf phasenverschobener Weißlichtdeflektometrie ist z. B. in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. US 2017/0227471 A1 beschrieben. Die Vorrichtung beinhaltet einen Schirm, der Profilmuster mit Bereichen bereitstellt, die räumliche Lichtintensitätsprofile bilden, und einen gekrümmten Spiegel, der zwischen dem Schirm und einem Halter angeordnet ist, um ein zweites Lichtprofilmuster bereitzustellen. Wie der in 1 gezeigte Aufbau erfordert die in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2017/0227471 beschriebene Vorrichtung eine Bildaufzeichnungseinheit zum Aufzeichnen mehrerer Bilder, um Eigenschaften der Oberfläche der Probe zu bestimmen.
Aus der DE 10 2008 038 256 A1 ist eine Vorrichtung zum optischen Inspizieren einer Oberfläche an einem Gegenstand bekannt. Die Vorrichtung besitzt eine Aufnahme zum Platzieren des Gegenstandes. Sie besitzt ferner eine Anzeigeeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Hell-Dunkel-Muster mit einem sich zumindest weitgehend kontinuierlich ändernden Helligkeitsverlauf zu erzeugen. Die Anzeigeeinheit ist relativ zu der Aufnahme so angeordnet, dass das Hell-Dunkel-Muster auf die Oberfläche fällt. Eine Kamera dient zum Aufnehmen einer Anzahl von Bildern der Oberfläche mit dem Hell-Dunkel-Muster. Mit einer Auswerteeinheit werden Eigenschaften der Oberfläche in Abhängigkeit von den Bildern bestimmt. Gemäß einem Aspekt ist zwischen der Anzeigeeinheit und der Oberfläche eine milchglasartige Streuscheibe angeordnet.
Aus der WO 2017/081029 A2 ist ein Verfahren zum automatisierten Erkennen von Defekten in einer Werkstückoberfläche und Erzeugung eines Roboterprogramms zur Bearbeitung des Werkstücks bekannt. Gemäß einem weiteren Beispiel umfasst das Verfahren das Lokalisieren von Defekten in einer Oberfläche eines Werkstücks sowie das Ermitteln einer dreidimensionalen Topographie der lokalisierten Defekte und das Kategorisieren von zumindest einem lokalisierten Defekt basierend auf dessen Topographie. Abhängig von der Defektkategorie des mindestens einen Defekts wird ein Bearbeitungsprozess ausgewählt, und gemäß dem ausgewählten Bearbeitungsprozess wird computergestützt ein Roboterprogramm zur robotergestützten Bearbeitung des zumindest einen Defekts erstellt.
Die Weißlichttechnik versagt, wenn ein räumlicher Ort der zu inspizierenden Oberfläche nicht über den Zeitraum, der für eine Mehrfachbilderfassung erforderlich ist, mit der Beleuchtungsquelle und der Kamera fixiert gehalten werden kann, weil es eine signifikante Zeitmenge zwischen jeder Kameraerfassung, typischerweise in der Größenordnung von einigen zehn Millisekunden für übliche Kameras, gibt.
Dies gilt insbesondere für die Inspektion von lackierten Autokarosserieoberflächen, bei denen die zu inspizierende Oberfläche eine gesamte Autokarosserie ist, die sich auf einem Fördersystem entlang einer Fertigungslinie bewegt.
Diese Förderungssysteme weisen jedoch eine instabile Geschwindigkeit auf, so dass mehrere Erfassungen von der Kamera eine signifikante Variation der Orientierung von Bild zu Bild aufzeigen werden. Dementsprechend wird ein System benötigt, das nicht von einer festen Beziehung zwischen der Beleuchtungsquelle, der Kamera und der zu inspizierenden Oberfläche abhängt.
KURZDARSTELLUNG
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren bereitzustellen, die keine feste Beziehung zwischen der Beleuchtungsquelle, der Kamera und der zu inspizierenden Oberfläche erfordern. Das Ziel wird durch ein Mehrfarbsystem zum optischen Inspizieren einer Oberfläche einer Probe erreicht, wobei das System Folgendes beinhaltet: ein Mehrwellenlängen-Leuchtdiode(LED)-Array, das zum Beleuchten der Probe mit einem Mehrfarblichtmuster konfiguriert ist, wobei das Mehrfarblichtmuster gleichzeitig emittierte räumliche Intensitätsfarbbildmuster beinhaltet, wobei die jeweils gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster erste Bereiche, in denen Licht mit einer ersten Lichtintensität emittiert wird, und zweite Bereiche beinhalten, in denen das Licht mit einer zweiten Lichtintensität emittiert wird, wobei die erste Lichtintensität höher als die zweite Lichtintensität ist, und wobei entsprechende erste und zweite Bereiche in jedem der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster relativ zueinander phasenverschoben sind, einen Mehrfarbsensor, der zum Erfassen jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster, die von der Oberfläche der Probe reflektiert werden, in einem einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild bei einer Scanposition konfiguriert ist, und eine Datenverarbeitungseinrichtung, die sich in Kommunikation mit dem Mehrfarbsensor befindet und zum Bestimmen von Eigenschaften der Oberfläche basierend auf einer Beurteilung des einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbildes konfiguriert ist.
Die Mehrfarbtechnologie, die in dem Mehrfarbsystem genutzt wird, ist auf phasenverschobener Deflektometrie gestützt. Ähnlich der Weißlichtsensortechnologie erfordert die Mehrfarbtechnik der phasenverschobenen Deflektometrie drei Komponenten: (1) die Oberfläche eines zu inspizierenden Objekts ist wenigstens teilweise glänzend, (2) die Probe wird mit einem räumlichen Intensitätslichtmuster beleuchtet, und (3) eine Kamera oder ein Lichtsensor erfasst das räumliche Lichtintensitätsmuster, das von der Oberfläche des zu inspizierenden Objekts reflektiert oder gestreut wird.
Im Fall der Weißlichtsensortechnologie werden drei oder mehr Erfassungen von dem räumlichen Intensitätslichtmuster durch die Kamera aufgenommen. Der einzige Unterschied zwischen jeder Erfassung ist die Beleuchtungsbedingung. Falls zum Beispiel das räumliche Lichtintensitätsmuster ein sinusförmiges Lichtintensitätsmuster ist, verschiebt sich das sinusförmige Muster um n*2Π/n_tot, wobei n die n-te Erfassung ist und n_tot die Gesamtanzahl an Erfassungen in der Sequenz ist.
Nachdem drei oder mehr Erfassungen aufgenommen wurden, können nachberechnete Bilder erzeugt werden, einschließlich Bildern für Hauptgraustufen-, Phasen- und Amplitudenkanäle. Der Graustufenkanal repräsentiert eine durchschnittliche Lichtintensität der drei Bilder. Der Amplitudenkanal trägt Informationen über Änderungen des Glanzes auf der Oberfläche. Die Phase ist direkt mit der Neigung der Oberfläche des Objekts vergleichbar. Unter voller Nutzung der Informationen aus diesen nachberechneten Bildsätzen werden dann Algorithmen entwickelt, um Unregelmäßigkeiten basierend auf Streuungseigenschaften einer Anomalie oder physischen Änderungen der Tiefe auf der Oberfläche zu finden. Eine Empfindlichkeit gegenüber einer Submikrometertiefe auf der Oberfläche ist üblich, was ein solches System ideal für eine Inspektion von Defekten, wie etwa Vertiefungen, Beulen, Kratzer, Welligkeit oder Orangenhaut, um nur einige wenige zu nennen, macht.
Jedoch besteht ein Hauptunterschied zwischen der Weißlichtsensortechnologie und der Mehrfarbtechnologie darin, dass, wie oben besprochen, die Weißlichtsensortechnologie das Aufnehmen mehrerer separater Kamerabilderfassungen erfordert, während das Lichtmuster verschoben wird, wohingegen der Mehrfarbsensor das Aufnehmen nur einer einzigen Erfassung erfordert, die mehrere phasenverschobene Beleuchtungsbedingungen innerhalb mehrerer verschiedener sichtbarer Wellenlängenregime beinhaltet. Hier können die mehreren unterschiedlichen sichtbaren Wellenlängenregime als ein Wellenlängen-gemultiplextes Schema betrachtet werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Mehrfarbsensor zum Erfassen des einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbildes konfiguriert, während sich die Probe bewegt. Der Mehrfarbsensor kann eine Mehrsensorprismafarbkamera sein.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung beinhaltet das Mehrfarbsystem einen Roboter, der bei der Scanposition angeordnet ist, wobei der Roboter einen Roboterarm aufweist und der Mehrfarbsensor an dem Roboterarm montiert ist.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung weist jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster ein anderes Wellenlängenregime auf und bildet einen Wellenlängenkanal und Bandbreiten der Wellenlängenkanäle überschneiden sich nicht. Außerdem ist jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster ein sinusförmiges Farblichtintensitätsmuster.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet das Mehrfarbsystem eine LED-Ansteuerung in Kommunikation mit dem Mehrwellenlängen-LED-Array, beinhaltet das Mehrwellenlängen-LED-Array mehrere LEDs, sind die mehreren LEDs in Gruppen von LEDs angeordnet und wird jede der Gruppen von LEDs durch die LED-Ansteuerung zum Erzeugen eines der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmustern gesteuert.
Die mehreren LEDs, die das Mehrwellenlängen-LED-Array bilden, sind auf einer LED-Platine angeordnet, ein Kühlkörper ist auf einer Seite der LED-Platine angeordnet, ein optischer Diffusor ist auf einer anderen Seite der LED-Platine angeordnet und die LED-Ansteuerung ist zum Steuern jeder der mehreren LEDs einzeln konfiguriert. Das Mehrwellenlängen-LED-Array kann mehrere LED-Platinen beinhalten. Jede LED-Platine kann 1024 LEDs enthalten und mehrere Platinen können zusammen ausgerichtet sein, um große Beleuchtungseinheiten zu erzeugen.
Eine erste Gruppe der LEDs weist ein rotes Wellenlängenregime auf, eine zweite Gruppe der LEDs weist ein grünes Wellenlängenregime auf und eine dritte Gruppe der LEDs weist ein blaues Wellenlängenregime auf, und die erste, zweite und dritte Gruppe der LEDs sind auf der LED-Platine in einem Bayer-Muster angeordnet, wobei gemäß U.S. 3,971,065 näherungsweise 50 % der LEDs von einem ersten Gruppentyp sind, 25 % der LEDs von einem zweiten Gruppentyp sind und 25 % der LEDs von einem dritten Gruppentyp sind. Die LED-Ansteuerung kann ein feldprogrammierbares Gatterarray (FPGA) sein.
Das Ziel wird ferner durch ein Verfahren zur Mehrfarbinspektion einer Oberfläche einer Probe erreicht, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: Beleuchten der Probe mit einem Mehrfarblichtmuster, wobei das Mehrfarblichtmuster gleichzeitig emittierte räumliche Intensitätsfarbbildmuster beinhaltet, wobei die jeweils gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster erste Bereiche, in denen Licht mit einer ersten Lichtintensität emittiert wird, und zweite Bereiche beinhalten, in denen das Licht mit einer zweiten Lichtintensität emittiert wird, wobei die erste Lichtintensität höher als die zweite Lichtintensität ist, und wobei entsprechende erste und zweite Bereiche in jedem der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster relativ zueinander phasenverschoben sind, Erfassen jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster, die von der Oberfläche der Probe reflektiert werden, in einem einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild bei einer Scanposition, und Bestimmen von Eigenschaften der Oberfläche basierend auf einer Beurteilung des einzelnen Wellenlänge-gemultiplexten Sensorbildes.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren ferner Erfassen des einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbildes, während sich die Probe bewegt. Es ist auch möglich, dass sich sowohl der Mehrfarbsensor als auch die Probe bewegen. Jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster weist ein anderes Wellenlängenregime auf und bildet einen Wellenlängenkanal und Bandbreiten der Wellenlängenkanäle überschneiden sich nicht.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster ein sinusförmiges Farblichtintensitätsmuster, wird die Probe durch ein Mehrwellenlängen-LED-Array beleuchtet, werden die gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster, die von der Oberfläche der Probe reflektiert werden, durch einen Mehrfarbsensor erfasst, und ist der Mehrfarbsensor eine Mehrfarbprismafarbkamera.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung ist der Mehrfarbsensor an einem Roboterarm eines Roboters montiert, der bei der Scanposition angeordnet ist. Die Scanposition kann eine erste Scanposition sein, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: Definieren einer Inspektionszelle, wobei die Inspektionszelle eine Startposition, die erste Scanposition, wenigstens eine zweite Scanposition und eine Endposition beinhaltet, Bewegen der Probe von der Startposition zu der ersten Scanposition, von der ersten Scanposition zu der wenigstens einen zweiten Scanposition und von der wenigstens einen zweiten Scanposition zu der Endposition, und Erfassen von einzelnen Bildern des Lichtintensitätsmusters, das von der Oberfläche der Probe reflektiert wird, an jeder der ersten und der wenigstens einen zweiten Scanposition.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet das Mehrwellenlängen-LED-Array mehrere LEDs und beinhaltet das Verfahren ferner Folgendes: Steuern jeder der mehreren LEDs einzeln, Anordnen der mehreren LEDs in Gruppen von LEDs, und Steuern jeder der Gruppen von LEDs zum Erzeugen eines der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster.
Das Verfahren gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung beinhaltet Anordnen einer ersten Gruppe der LEDs, einer zweiten Gruppe der LEDs und einer dritten Gruppe der LEDs auf einer LED-Platine in einem Bayer-Muster, wobei die erste Gruppe der LEDs ein rotes Wellenlängenregime aufweist, die zweite Gruppe der LEDs ein grünes Wellenlängenregime aufweist und die dritte Gruppe der LEDs ein blaues Wellenlängenregime aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Ziel erreicht, indem ein Verfahren zum Kalibrieren des Mehrfarboberflächeninspektionssystems bereitgestellt wird, wobei das Verfahren ferner Folgendes beinhaltet: Beleuchten der Probe mit einem einheitlichen Mehrfarblichtmuster, wobei das einheitliche Mehrfarblichtmuster die gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster beinhaltet und entsprechende Bereiche jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster eine gleiche Lichtintensität aufweisen, Erfassen jedes der gleichzeitig emittierten einheitlichen Bildmuster, die von der Oberfläche der Probe reflektiert werden, durch den Mehrfarbsensor in einem einzelnen Kalibrierungssensorbild bei einer Kalibrierungsscanposition, Unterteilen des einzelnen Kalibrierungssensorbildes in Pixel, Bestimmen, ob Lichtintensitäten entsprechender Pixel jedes Wellenlängenkanals in dem einzelnen Kalibrierungssensorbild eine gleiche Intensitätsverteilung erreicht, beim Bestimmen, dass die Lichtintensitäten der entsprechenden Pixel der Wellenlängenkanäle in dem einzelnen Kalibrierungssensorbild eine unterschiedliche Intensitätsverteilung erreichen, Anpassen der Lichtintensitäten der entsprechenden Bereiche jeder der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster, um zu ermöglichen, dass die Lichtintensitäten entsprechender Pixel jedes Wellenlängenkanals in dem einzelnen Kalibrierungssensorbild die gleiche Intensitätsverteilung erreichen.
Figurenliste
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:

1 zeigt eine schematische Veranschaulichung eines herkömmlichen Aufbaus zur phasenverschobenen Deflektometrie,
2 zeigt eine schematische Veranschaulichung eines Mehrfarbsystems zum optischen Inspizieren einer Oberfläche einer Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 zeigt eine schematische Veranschaulichung einer Datenverarbeitungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4A zeigt eine Draufsicht eines Mehrwellenlängen-LED-Arrays gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4B zeigt eine Seitenansicht des in 4A gezeigten Mehrwellenlängen-LED-Arrays,
5A zeigt ein Spektralintensitätsverteilungsdiagramm von Wellenlängen des Lichts, das durch das Mehrwellenlängen-LED-Array emittiert wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5B zeigt ein Spektralintensitätsverteilungsdiagramm einer Ansprechempfindlichkeit einer Bayer-Farbkamera auf das Licht, das durch das Mehrwellenlängen-LED-Array emittiert wird,
5C zeigt ein Spektralintensitätsverteilungsdiagramm einer Responsivität einer Prismafarbkamera auf das Licht, das durch das Mehrwellenlängen-LED-Array emittiert wird,
6A zeigt ein Wellenlängen-gemultiplextes Sensorbild, das durch einen Mehrfarbsensor erfasst wird,
6B zeigt ein räumliches Intensitätsfarbbild mit einem roten Wellenlängenregime, das aus dem in 6A gezeigten Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild erzeugt wird,
6C zeigt ein räumliches Intensitätsfarbbild mit einem grünen Wellenlängenregime, das aus dem in 6A gezeigten Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild erzeugt wird,
6D zeigt ein räumliches Intensitätsfarbbild mit einem blauen Wellenlängenregime, das aus dem in 6A gezeigten Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild erzeugt wird,
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Inspizieren einer Oberfläche einer Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 zeigt ein anderes Flussdiagramm des Verfahrens zum Inspizieren einer Oberfläche einer Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren des Mehrfarbsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
10A zeigt Spektralintensitätsverteilungsdiagramme des Lichts, das durch das Mehrwellenlängen-LED-Array emittiert wird, und der Responsivität des Mehrfarbsensors vor der Kalibrierung,
10B zeigt Spektralintensitätsverteilungsdiagramme des Lichts, das durch das Mehrwellenlängen-LED-Array emittiert wird, und der Ansprechempfindlichkeit des Mehrfarbsensors vor der Kalibrierung, und
11 zeigt ein anderes Flussdiagramm des Verfahrens zum Kalibrieren des Mehrfarbsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
2 zeigt eine schematische Veranschaulichung eines Mehrfarbsystems 200 zum optischen Inspizieren einer Oberfläche 210 einer Probe. Das Mehrfarbsystem 200 beinhaltet ein Mehrwellenlängen-LED-Array 220, einen Mehrfarbsensor 230 und einen Computer für eine Datenverarbeitungseinrichtung 240 in Kommunikation mit dem Mehrfarbsensor 230 über einen Kommunikations-Link 250. Das Mehrwellenlängen-LED-Array 220 beinhaltet mehrere LEDs und wird durch eine LED-Ansteuerung 260 gesteuert.
Wie in 2 gezeigt, ist das Mehrwellenlängen-LED-Array 220 zum Emittieren eines einzigartigen räumlichen Lichtintensitätsmusters für separate Wellenlängenregime konfiguriert, das durch die Oberfläche 210 reflektiert wird und das durch den Mehrfarbsensor 230 erfasst und über den Kommunikations-Link 250 an die Datenverarbeitungseinrichtung 240 übertragen wird. Die Datenverarbeitungseinrichtung 240 erzeugt Daten 270, die eine numerische Oberflächencharakterisierung eines Glanzpegels und einer Form der Oberfläche 210 repräsentieren.
3 zeigt eine schematische Veranschaulichung einer Datenverarbeitungseinrichtung 240. Die Datenverarbeitungseinrichtung 240 kann durch beliebige herkömmliche oder andere Computersysteme implementiert werden, die optional mit einer Anzeige oder einem Monitor 310, wenigstens einem Prozessor 320, wenigstens einem Speicher 330 und/oder wenigstens einer internen oder externen Netzschnittstelle 340 (z. B. Modem, Netzwerkkarten usw.) und wenigstens einer Kommunikationsschnittstelle 350, optional einer Eingabevorrichtung (z. B. einer Tastatur, Maus oder einer andere Eingabevorrichtung) und einer beliebigen kommerziell verfügbaren oder spezialangefertigten Software ausgestattet sind. Die Anzeige oder der Monitor 310, der wenigstens eine Prozessor 320, der wenigstens eine Speicher 330, die wenigstens eine interne oder externe Netzschnittstelle 340 und die wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle 350 sind über einen Datenbus 360 miteinander verbunden.
Der Speicher 330 umfasst ein Programmlogikmodul 333, das zum Speichern einer Programmlogik konfiguriert ist, und ein Datenabschnittsmodul 336, das zum Speichern von Daten, z. B. Bilddaten und numerischer Oberflächencharakterisierungsdaten 270, konfiguriert ist. Die Kommunikationsschnittstelle 350 ist zum Kommunizieren mit dem Mehrfarbsensor 230 über den Kommunikations-Link 250 konfiguriert, um das einzelne Wellenlänge-gemultiplexte Sensorbild zu empfangen, das durch den Mehrfarbsensor 230 erfasst wird. Das einzelne Wellenlängen-gemultiplexte Sensorbild wird in dem Datenabschnittsmodul 336 in dem Speicher 330 gespeichert.
Das Programmlogikmodul 333 umfasst eine Programmlogik, die Anweisungen beinhaltet, die durch den wenigstens einen Prozessor 320 ausgeführt werden. Der Speicher 330 umfasst ein computerlesbares Speicherungsmedium, das nichtflüchtig sein kann, und kann unter anderem eine elektronische Speicherungsvorrichtung, eine magnetische Speicherungsvorrichtung, eine optische Speicherungsvorrichtung, eine elektromagnetische Speicherungsvorrichtung, eine Halbleiterspeicherungsvorrichtung oder eine beliebige Kombination aus den vorhergehenden sein, einschließlich einer Festplatte, eines Direktzugriffsspeichers (RAM), eines Nurlesespeichers (ROM), eines löschbaren programmierbaren Nurlesespeichers (EPROM oder Flash-Speicher), eines statischen Direktzugriffsspeichers (SRAM), eines portablen Compact-Disc-Nurlesespeichers (CD-ROM), einer Digital-Versatile-Disk (DVD) und eines Speicher-Sticks.
Die Programmlogik beinhaltet ferner Anweisungen zum Bestimmen von Eigenschaften der Oberfläche, einschließlich numerischer Oberflächencharakterisierungen eines Glanzpegels und der Form. Die Eigenschaften werden basierend auf Intensität, Phase und Amplitude (Intensitäts-, Phasen- und Amplitudenkanälen) bestimmt. Der Amplitudenkanal trägt Informationen über Änderungen des Glanzes auf der Oberfläche. Die Phase ist direkt mit der Neigung der Oberfläche des Objekts vergleichbar.
Der Prozessor 320 stellt numerische Oberflächencharakterisierungsdaten 270 bereit, die auf einer Anzeige 310 angezeigt werden können oder die durch die Netzschnittstelle 340 und das Netz 370 zu einem (nicht gezeigten) Hauptproduktionssteuersystem usw. weitergeleitet werden können.
4A zeigt eine Draufsicht eines Mehrwellenlängen-LED-Arrays 220, das Teil eines Mehrfarbsystems ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie in 4A gezeigt, beinhaltet das Mehrfachwellenlängen-LED-Array mehrere LEDs, die in Gruppen von LEDs angeordnet sind. Eine erste Gruppe der LEDs 422 weist ein rotes Wellenlängenregime auf, eine zweite Gruppe der LEDs 424 weist ein grünes Wellenlängenregime auf und eine vierte Gruppe der LEDs 426 weist ein blaues Wellenlängenregime auf und die erste, zweite und dritte Gruppe von LEDs sind in einem Bayer-Muster angeordnet. Jedoch sind die Regime nicht auf rot, grün und blau beschränkt. Stattdessen können die gewählten Wellenlängenregime außerhalb des sichtbaren Spektrums (d. h. Infrarotspektrum oder Ultraviolett(UV)-Spektrum) liegen, so lange die Reaktion der Oberfläche auf die verschiedenen Wellenlängen ähnlich ist. Ferner wäre es machbar, eine beliebige Anzahl an Wellenlängenregimen zu nutzen, solange der Mehrfarbsensor zum Detektieren der verschiedenen Wellenlängen in der Lage ist.
4B zeigt eine Seitenansicht des in 4A gezeigten Mehrwellenlängen-LED-Arrays 220. Wie in 4B gezeigt, ist eine LED-Ansteuerung 260 in Kommunikation mit dem Mehrfachwellenlängen-LED-Array 220 über den Kommunikations-Link 365 bereitgestellt. Sowohl die erste, zweite als auch dritte Gruppe der LEDs werden durch die LED-Ansteuerung 260 zum Erzeugen eines der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster gesteuert. Die erste Gruppe der LEDs 422 wird zum Erzeugen eines räumlichen Intensitätsfarbbildmusters 492 gesteuert, die zweite Gruppe der LEDs 424 wird zum Erzeugen eines räumlichen Intensitätsfarbbildmusters 494 gesteuert und die dritte Gruppe von LEDs 426 wird zum Erzeugen eines räumlichen Intensitätsfarbbildmusters 496 gesteuert. Jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster weist ein anderes Wellenlängenregime (z. B. rot, grün und blau) auf und bildet einen Wellenlängenkanal.
Die LED-Ansteuerung 260 kann als ein feldprogrammierbares Gatterarray (FPGA) implementiert werden, nutzt eine stationäre Stromsteuerung und ist zum Steuern jeder der mehreren LEDs des Mehrwellenlängen-LED-Arrays 220 einzeln konfiguriert. Ein Computer 398, wie in 4B gezeigt, kann mit der LED-Ansteuerung 260 verbunden sein, um Steuerfunktionalitäten zu verbessern.
Das Mehrwellenlängen-LED-Array 220 beinhaltet eine LED-Platine 480, auf der die mehreren LEDs angeordnet sind, die das Mehrwellenlängen-LED-Array 220 bilden. Ein Kühlkörper 485 ist auf einer Seite der LED-Platine 480 angeordnet und ein optischer Diffusor 490 ist auf der anderen Seite der LED-Platine angeordnet.
Der Mehrfarbsensor 230 kann eine Bayer-Farbkamera oder eine Mehrsensorprismafarbkamera sein. Das Mehrfarbsystem 200 kann ferner einen (nicht gezeigten) Roboter, der bei der Scanposition angeordnet ist, oder mehrere Roboter beinhalten, die bei mehreren Scanpositionen angeordnet sind. Jeder der Roboter weist einen Roboterarm auf, an dem ein Mehrfarbsensor 230 montiert ist.
5A zeigt ein Spektralintensitätsverteilungsdiagramm 510 von Wellenlängen λ des Lichts, das durch das Mehrwellenlängen-LED-Array 220 emittiert wird. Wie in 5A zu sehen ist, emittiert jede der ersten, zweiten und dritten Gruppe der LEDs 422, 424 und 426 monochromatisches Licht bei jeweiligen Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ mit sehr schmalen Bandbreiten, wobei die maximale Intensität I für alle drei Wellenlängen näherungsweise den gleichen Wert erreicht und jede Intensitätsverteilung für alle drei LEDs im Wesentlichen gleich ist.
5B zeigt ein Spektralintensitätsverteilungsdiagramm 520 einer Ansprechempfindlichkeit R einer Bayer-Farbkamera auf das Licht, das durch das Mehrwellenlängen-LED-Array 220 emittiert wird. Farbfilterarrays (CFA: Color Filter Arrays) für Bayer-RGB-Sensoren, die in Bayer-Farbkameras verwendet werden, sind typischerweise aus Farbstoffen oder Pigmenten aufgebaut. Aufgrund der Natur dieser Materialien erstreckt sich die Spektralintensitätsverteilung für eine rote Farbe 522 durch die LED 422 in eine grüne Farbe 524 durch die LED 424 und eine blaue Farbe 526 durch die LED 526, die Spektralintensitätsverteilung für eine grüne Farbe erstreckt sich in eine rote und blaue Farbe und die Spektralintensitätsverteilung für eine blaue Farbe erstreckt sich in eine grüne und rote Farbe. Wie in 5B gezeigt, führt dies zu starkem Nebensprechen, wenn Photonen, die auf ein Pixel einfallen, fälschlicherweise durch Pixel um dieses herum erfasst werden.
5C zeigt ein Spektralintensitätsverteilungsdiagramm 530 einer Ansprechempfindlichkeit R einer Prismafarbkamera auf das Licht, das durch das Mehrwellenlängen-LED-Array 220 emittiert wird. Im Gegensatz zu Bayer-Farbkameras weisen Prismafarbkameras separate Sensoren für jede Farbe auf. Photonen, die in die Prismafarbkamera eintreten, propagieren durch ein Prisma, bevor sie mit den Sensoren wechselwirken. Wie in 5C gezeigt, bietet die Prismafarbkamera eine bessere Spektraldifferenzierung als die Bayer-Farbkamera, was zu einem sehr niedrigen Nebensprechen zwischen den Wellenlängenregimen führt.
6A zeigt ein Wellenlängen-gemultiplextes Sensorbild 610, das durch den Mehrfarbsensor erfasst wird und in dem drei separate phasenverschobene Bilder 620, 630 und 640 gleichzeitig angezeigt werden, und der Farbsensor 230 erfasst alle drei phasenverschobenen Bilder in einer einzigen Erfassung. Wie in 6A gezeigt, führen die gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster 492, 494 und 496 zu roten Farbstreifen 622, grünen Farbstreifen 624 und blauen Farbstreifen 626 in dem Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild 610. Der Mehrfarbsensor 230 ist zum Erreichen einer ausreichend kurzen Belichtungszeit in der Größenordnung von 100 µs konfiguriert und infolgedessen ist das Mehrfarbsystem 200 eher unempfindlich gegenüber einer schlechten Positionswiederholbarkeit des Mehrfarbsensors 230 und des Mehrwellenlängen-LED-Arrays 220 relativ zu der zu inspizierenden Oberfläche 210.
Das in 6A gezeigte Wellenlängen-gemultiplexte Sensorbild ist von einer Oberfläche einer Beplankung einer Autokarosserie, die manche Defekte 615 beinhaltet, die durch Blockmarkierungen, z. B. durch eine Blockmarkierung 650, angegeben sind. Aus dem in 6A gezeigten Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild werden drei separate räumliche Intensitätsfarbbildmuster erzeugt, die in 6B bis 6D gezeigt sind.
6B zeigt ein räumliches Intensitätsfarbbild 620 mit einem roten Wellenlängenregime, das aus dem in 6A gezeigten Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild erzeugt wird. 6B zeigt drei der Defekte 615 in ersten und zweiten Bereichen 660 und 665, wobei die Lichtintensität in den ersten Bereichen 660 höher als die Lichtintensität in den zweiten Bereichen 665 ist. 6C zeigt ein räumliches Intensitätsfarbbild 630 mit einem grünen Wellenlängenregime, das aus dem in 6A gezeigten Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild erzeugt wird. 6C zeigt sechs der Defekte 615 in ersten und zweiten Bereichen 670 und 675, wobei die Lichtintensität in den ersten Bereichen 670 höher als die Lichtintensität in den zweiten Bereichen 675 ist. 6D zeigt ein räumliches Intensitätsfarbbild 640 mit einem blauen Wellenlängenregime, das aus dem in 6A gezeigten Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild erzeugt wird. 6D zeigt drei der Defekte 615 in ersten und zweiten Bereichen 680 und 685, wobei die Lichtintensität in den ersten Bereichen 680 höher als die Lichtintensität in den zweiten Bereichen 685 ist.
Wie in 6B bis 6D zu sehen ist, sind die Intensitätsprofile in dem roten, grünen und blauen Wellenlängenregime phasenverschoben und weisen sinusförmige Muster auf. Basierend auf der Phasenverschiebung, die pro Pixel vorbestimmt wird, zwischen den gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmustern 492, 494 und 496 in den räumlichen Intensitätsfarbbildern 620, 630 und 640 können Änderungen in der Neigung der Oberfläche 210 detektiert werden. Aus Änderungen der Amplituden der räumlichen Intensitäten pro Pixel können Änderungen des Glanzes, der Rauigkeit, des Materials oder der Oberflächenbehandlung der Oberfläche 210 detektiert werden.
7 zeigt eine Veranschaulichung eines Verfahrens 700 zum Inspizieren einer Oberfläche 210 einer Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren beginnt mit Schritt 705, in dem eine sich bewegende Oberfläche 210, die zu inspizieren ist, in eine Inspektionszelle eintritt. Es ist möglich, dass sich sowohl der Mehrfarbsensor 230 als auch die Oberfläche 210 der Probe relativ zueinander bewegen. Die sich bewegende Oberfläche 210 kann die Oberfläche einer lackierten Autokörperkarosserie sein, die eine beliebige Farbe haben kann. In Schritt 710 kommt die sich bewegende Oberfläche 210 bei einer Scanposition an, wo in Schritt 715 ein einzigartiges Muster in jedem Wellenlängenregime angezeigt wird. Die Scanposition kann eine Position eines Roboters sein, der gewisse Aufgaben an der Autokarosserie durchführt, und an dem Roboterarm von diesem ist der Mehrfarbsensor 230 montiert. Während sich die zu inspizierende Oberfläche durch die Fertigungslinie bewegt, wird in Schritt 720 ein Wellenlängen-gemultiplextes Kamerabild 610 durch den Mehrfarbsensor 230 aufgenommen. In Abhängigkeit von der Größe der Autokarosserie können mehrere Scanpositionen definiert werden, bei denen einzelne Wellenlängen-gemultiplexte Sensorbilder 610 aufgenommen werden. In Schritt 725 wird bestimmt, ob alle einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbilder 610 aufgenommen wurden. Falls in Schritt 725 bestimmt wird, dass alle einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbilder 610 aufgenommen wurden, geht das Verfahren 700 zu Schritt 730 über, bei dem die sich bewegende Oberfläche 210 die Inspektionszelle verlässt. Falls in Schritt 725 bestimmt wird, dass nicht alle einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbilder 610 aufgenommen wurde, geht das Verfahren 700 zu Schritt 735 über, bei dem die sich bewegende Oberfläche zu der nächsten Scanposition fortfährt und das Verfahren mit Schritt 710 fortfährt.
8 ist eine ausführliche Veranschaulichung des Verfahrens 800 zur Mehrfarbinspektion einer Oberfläche einer Probe bei einer Scanposition. Das Verfahren 800 beginnt bei Schritt 810, bei dem die Oberfläche 210 einer Probe durch das Mehrwellenlängen-LED-Array 220 mit einem Mehrfarblichtmuster bestrahlt wird, wobei das Mehrfarblichtmuster gleichzeitig emittierte räumliche Intensitätsfarbbildmuster 492, 494 und 496 beinhaltet. Jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster 492, 494 und 496 beinhaltet erste Bereiche, in denen Licht mit einer ersten Lichtintensität emittiert wird, und zweite Bereiche, in denen das Licht mit einer zweiten Lichtintensität emittiert wird. Die erste Lichtintensität ist höher als die zweite Lichtintensität. Entsprechende erste und zweite Bereiche in jedem der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster 492, 494 und 496 sind relativ zueinander phasenverschoben.
Das Verfahren 800 geht zu Schritt 820 über, bei dem jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster 492, 494 und 496, die von der Oberfläche 210 der Probe reflektiert werden, durch den Mehrfarbsensor 230 in einem einzigen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild 610 bei einer Scanposition erfasst werden.
In Schritt 830 werden Eigenschaften der Oberfläche 210 durch die Datenverarbeitungseinrichtung 240 basierend auf einer Auswertung des einzigen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbildes 610 bestimmt.
Wenn das Mehrfarbsystem 200 auf die Inspektion einer lackierten Autokarosserie angewandt wird, besteht eine inhärente Schwierigkeit darin, dass lackierte Autokarosserien eine beliebige Farbe haben können. Dementsprechend wird die Reflektivität der Autokarosserie über die mehreren verschiedenen Wellenlängenregime signifikant in Abhängigkeit von der Farbe der Autokarosserie variieren. Außerdem können, wie oben besprochen, derzeit verfügbare Farbkameras erhebliches Nebensprechen aufweisen, wobei Informationen eines Wellenlängenregimes in die anderen zwei Kanäle „ausbluten“, weil die Filter nicht annäherungsweise 100 % effizient sind.
Um diese Probleme zu beheben, wird eine empfindliche Kalibrierung des Mehrfarbsystems 200 bereitgestellt, die beide Komplikationen berücksichtigt. Das Mehrfarbsystem 200 beinhaltet maßgeschneidert gestalte LED-Matrix-Platinen, auf denen speziell ausgewählte LEDs mit drei oder mehr verschiedenen Farben montiert werden können. Jede Platine kann z. B. 1024 LEDs enthalten und mehrere Platinen können zusammen ausgerichtet sein, um große Beleuchtungseinheiten zu erzeugen. Durch unabhängiges Steuern jedes Farbkanals kann die optische Ausgabeintensität jeder Farbe reduziert werden, um sowohl die Unterschiede der Oberflächenreflektivität als auch die Quanteneffizienz des Mehrfarbsensors 230 zu kompensieren. Um Nebensprechen abzuschwächen, können zahlreiche Kalibrierungsbilder mit dem Mehrwellenlängen-LED-Array 220 bei einer Beleuchtung mit verschiedenen Intensitäten für jede einzelne Farbe aufgenommen werden. Zum Beispiel im Fall von drei Farben kann aus diesen Daten die relative Mischung der Dreifarbenkanalintensitäten bestimmt werden und kann eine 3x3-Transformationsmatrix berechnet werden, so dass die drei Farbkanäle zerlegt werden können und alle die gleiche Pixelintensität in dem einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild 610 aufweisen.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren des Mehrfarbsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei Schritt 910 des Verfahrens 900 beginnt die Kalibrierung. Bei Schritt 920 wird ein Bild aus einem einheitlichen LED-Intensitätsmuster erfasst, das von der Oberfläche 210 reflektiert wird, die eine beliebige Farbe aufweisen kann. Bei Schritt 930 werden Pixelintensitäten jedes Wellenlängenkanals analysiert. Falls in Schritt 940 bestimmt wird, dass alle Intensitäten die gleiche Intensitätsverteilung erreichen, geht das Verfahren 900 zu Schritt 950 über, wo es endet. Falls in Schritt 940 bestimmt wird, dass nicht alle Intensitäten die gleiche Intensitätsverteilung erreichen, geht das Verfahren 900 zu Schritt 960 über, bei dem einzelne Kanalleistungseingaben skaliert werden. Dann fährt das Verfahren 900 mit dem Wiederholen der Schritte 920, 930 und 940 fort.
10A zeigt ein Spektralintensitätsverteilungsdiagramm 1010 von Wellenlängen 1014 und Intensitäten 1012 des Lichts, das durch das Mehrwellenlängen-LED-Array 220 emittiert wird, und ein Spektralintensitätsverteilungsdiagramm 1020 der Ansprechempfindlichkeit 1022 des Mehrfarbsensors 230 vor einer Kalibrierung über die Wellenlängen 1024. 10B zeigt ein Spektralintensitätsverteilungsdiagramm 1030 von Wellenlängen 1034 und Intensitäten 1032 des Lichts, das durch das Mehrwellenlängen-LED-Array 220 emittiert wird, und ein Spektralintensitätsverteilungsdiagramm 1040 der Ansprechempfindlichkeit 1042 des Mehrfarbsensors 230 nach einer Kalibrierung über Wellenlängen 1044. Wie in 10A zu sehen ist, wird die Oberfläche 210 der Probe (z. B. eine Oberfläche einer Autokarosserie mit einer gewissen Farbe) durch das Mehrwellenlängen-LED-Array 220 mit einem einheitlichen Mehrfarblichtmuster beleuchtet, bei dem jedes der gleichzeitig emittierten Farbmuster eine gleiche Lichtintensität aufweist. Aufgrund der speziellen Farbe der Oberfläche 210 wird jedes der gleichzeitig emittierten Farbmuster unterschiedlich reflektiert, was zu einer unterschiedlichen Intensitätsverteilung 1020 für jeden Wellenlängenkanal führt. 10B zeigt ferner ein angepasstes Mehrfarblichtmuster, das, wenn es von der Oberfläche 210 reflektiert wird, zu einem Kalibrierungssensorbild führt, bei dem die Lichtintensitätsverteilung 1040 für jeden Farbkanal im Wesentlichen gleich ist.
11 zeigt ein anderes Flussdiagramm des Verfahrens 1100 zum Kalibrieren des Mehrfarbsystems 200. Das Verfahren beginnt bei Schritt 1110, bei dem die Oberfläche 210 der Probe mit einem einheitlichen Mehrfarblichtmuster beleuchtet wird. Das einheitliche Mehrfarblichtmuster beinhaltet die gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster und entsprechende Bereiche jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster weisen eine gleiche Lichtintensität auf. Das Verfahren 1100 geht zu Schritt 1120 über, bei dem jedes der gleichzeitig emittierten einheitlichen Bildmuster, die von der Oberfläche der Probe reflektiert werden, durch den Mehrfarbsensor in einem einzelnen Kalibrierungssensorbild bei einer Kalibrierungsscanposition erfasst wird. Bei Schritt 1130 wird das einzelne Kalibrierungssensorbild in Pixel unterteilt. Bei Schritt 1140 wird bestimmt, ob Lichtintensitäten entsprechender Pixel jedes Wellenlängenkanals in dem einzelnen Kalibrierungssensorbild die gleiche Intensitätsverteilung erreicht. Bei Schritt 1150 werden beim Bestimmen, dass die Lichtintensitäten der entsprechenden Pixel der Wellenlängenkanäle in dem einzelnen Kalibrierungssensorbild eine unterschiedliche Intensitätsverteilung erreichen, die Lichtintensitäten der entsprechenden Bereiche jeder der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster angepasst, um zu ermöglichen, dass die Lichtintensitäten entsprechender Pixel jedes Wellenlängenkanals in dem einzelnen Kalibrierungssensorbild die gleiche Intensitätsverteilung erreichen.
Zusammengefasst werden ein Mehrfarboberflächeninspektionssystem, ein Verfahren zur Mehrfarbinspektion und ein Verfahren zum Kalibrieren des Mehrfarboberflächeninspektionssystems bereitgestellt, die bestehende Weißsensortechniken basierend auf phasenverschobener Deflektometrie erheblich verbessern. Das System nutzt ein Mehrwellenlängen-LED-Array 220, in dem jede Farb-LED einzeln gesteuert wird. Das Erzeugen des Lichts von LEDs mit schmalerer Emissionsbandbreite reduziert Nebensprechen zwischen den Wellenlängenregimen und ergibt bessere Signal-Rausch-Verhältnisse in nachberechneten Bildern. Die zu inspizierenden Oberflächen 210 sind farbempfindlich, so dass die Reflektivität über die mehreren Wellenlängenregime hinweg beträchtlich variiert. Dies erfordert eine Kalibrierung der Ausgabeintensität des Mehrwellenlängen-LED-Arrays zwischen den verschiedenen Farben, um eine optimale Tiefen- und Glanzempfindlichkeit zu erhalten.
Der Ausdruck „umfassend“ (und seine grammatikalischen Variationen), wie hier verwendet, wird mit der einschließenden Bedeutung von „aufweisend“ oder „beinhaltend“ verwendet und nicht mit dem ausschließenden Sinn von „nur bestehend aus“. Die Ausdrücke „ein/eine“ und „der/die/das“, wie hier verwendet, werden als sowohl den Plural als auch den Singular einschließend verstanden.
Es versteht sich, dass die vorausgehende Beschreibung jene der Ausführungsbeispiele der Erfindung ist und dass verschiedene Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne von der Idee und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen definiert, abzuweichen.

Claims

Mehrfarbsystem (200) zum optischen Inspizieren einer Oberfläche (210) einer Probe, wobei das System Folgendes umfasst: ein Mehrwellenlängen-Leuchtdiode(LED)-Array (422), das zum Beleuchten der Probe mit einem Mehrfarblichtmuster konfiguriert ist, wobei das Mehrfarblichtmuster gleichzeitig emittierte räumliche Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) beinhaltet, wobei die jeweils gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) erste Bereiche (660, 670, 680), in denen Licht mit einer ersten Lichtintensität emittiert wird, und zweite Bereiche (665, 675, 685) beinhalten, in denen das Licht mit einer zweiten Lichtintensität emittiert wird, wobei die erste Lichtintensität höher als die zweite Lichtintensität ist, und wobei entsprechende erste und zweite Bereiche (660, 670, 680, 665, 675, 685) in jedem der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) relativ zueinander phasenverschoben sind; einen Mehrfarbsensor (230), der zum Erfassen jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496), die von der Oberfläche (210) der Probe reflektiert werden, in einem einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild (610) bei einer Scanposition konfiguriert ist, und eine Datenverarbeitungseinrichtung (240), die sich in Kommunikation mit dem Mehrfarbsensor (230) befindet und zum Bestimmen von Eigenschaften der Oberfläche (210) basierend auf einer Beurteilung des einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbildes (610) konfiguriert ist.
Mehrfarbsystem (200) nach Anspruch 1, wobei der Mehrfarbsensor (230) zum Erfassen des einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbildes (610) konfiguriert ist, während sich die Probe bewegt.
Mehrfarbsystem (200) nach Anspruch 1, wobei der Mehrfarbsensor (230) eine Mehrsensorprismafarbkamera ist.
Mehrfarbsystem (200) nach Anspruch 1, das ferner einen Roboter umfasst, der bei der Scanposition angeordnet ist, wobei der Roboter einen Roboterarm aufweist und der Mehrfarbsensor (230) an dem Roboterarm montiert ist.
Mehrfarbsystem (200) nach Anspruch 1, wobei: jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) ein anderes Wellenlängenregime aufweist und einen Wellenlängenkanal bildet, und Bandbreiten der Wellenlängenkanäle einander nicht überschneiden.
Mehrfarbsystem (200) nach Anspruch 5, wobei jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) ein sinusförmiges Farblichtintensitätsmuster ist.
Mehrfarbsystem (200) nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: eine LED-Ansteuerung (260) in Kommunikation mit dem Mehrwellenlängen-LED-Array (220), wobei das Mehrwellenlängen-LED-Array (220) mehrere LEDs beinhaltet, wobei die mehreren LEDs in Gruppen von LEDs angeordnet sind und wobei jede der Gruppen von LEDs durch die LED-Ansteuerung (260) zum Erzeugen eines der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmustern (492, 494, 496) gesteuert wird.
Mehrfarbsystem (200) nach Anspruch 7, das ferner Folgendes umfasst: eine LED-Platine (480), auf der die mehreren LEDs angeordnet sind, die das Mehrwellenlängen-LED-Array (220) bilden; einen Kühlkörper (485), der auf einer Seite der LED-Platine (480) angeordnet ist; und einen optischen Diffusor (490), der auf einer anderen Seite der LED-Platine (480) angeordnet ist, wobei die LED-Ansteuerung (260) zum einzelnen Steuern jeder der Gruppen von LEDs unter den mehreren LEDs konfiguriert ist.
Mehrfarbsystem (200) nach Anspruch 7, wobei: eine erste Gruppe von LEDs ein rotes Wellenlängenregime aufweist, eine zweite Gruppe von LEDs ein grünes Wellenlängenregime aufweist und eine dritte Gruppe von LEDs ein blaues Wellenlängenregime aufweist, und die erste, zweite und dritte Gruppe von LEDs auf der LED-Platine (480) in einem Bayer-Muster angeordnet sind.
Mehrfarbsystem (200) nach Anspruch 7, wobei die LED-Ansteuerung (260) ein feldprogrammierbares Gatterarray (FPGA) ist.
Verfahren zur Mehrfarbinspektion einer Oberfläche (210) einer Probe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Beleuchten der Probe mit einem Mehrfarblichtmuster, wobei das Mehrfarblichtmuster gleichzeitig emittierte räumliche Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) beinhaltet, wobei die jeweils gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) erste Bereiche (660), in denen Licht mit einer ersten Lichtintensität emittiert wird, und zweite (665) Bereiche beinhalten, in denen das Licht mit einer zweiten Lichtintensität emittiert wird, wobei die erste Lichtintensität höher als die zweite Lichtintensität ist, und wobei entsprechende erste und zweite Bereiche (660, 665) in jedem der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) relativ zueinander phasenverschoben sind; Erfassen jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496), die von der Oberfläche (210) der Probe reflektiert werden, in einem einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbild (610) bei einer Scanposition, und Bestimmen von Eigenschaften der Oberfläche (210) basierend auf einer Beurteilung des einzelnen Wellenlänge-gemultiplexten Sensorbildes (610).
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner Folgendes umfasst: Erfassen des einzelnen Wellenlängen-gemultiplexten Sensorbildes (610), während sich die Probe bewegt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei: jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) ein anderes Wellenlängenregime aufweist und einen Wellenlängenkanal bildet, und Bandbreiten der Wellenlängenkanäle einander nicht überschneiden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) ein sinusförmiges Farblichtintensitätsmuster ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei: die Probe durch ein Mehrwellenlängen-LED-Array (220) beleuchtet wird, die gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496), die von der Oberfläche (210) der Probe reflektiert werden, durch einen Mehrfarbsensor (230) erfasst werden, und der Mehrfarbsensor (230) eine Mehrfarbprismafarbkamera ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Mehrfarbsensor (230) an einem Roboterarm eines Roboters montiert ist, der bei der Scanposition angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Scanposition eine erste Scanposition ist und wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Definieren einer Inspektionszelle, wobei die Inspektionszelle eine Startposition, die erste Scanposition, wenigstens eine zweite Scanposition und eine Endposition beinhaltet; Bewegen der Probe von der Startposition zu der ersten Scanposition, von der ersten Scanposition zu der wenigstens einen zweiten Scanposition und von der wenigstens einen zweiten Scanposition zu der Endposition; und Erfassen von einzelnen Bildern des Lichtintensitätsmusters, das von der Oberfläche (210) der Probe reflektiert wird, an jeder der ersten und wenigstens einen zweiten Scanposition.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei: das Mehrwellenlängen-LED-Array (220) mehrere LEDs beinhaltet, und das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Steuern jeder der LEDs unter den mehreren LEDs einzeln; Anordnen der mehreren LEDs in Gruppen von LEDs; und Steuern jeder der Gruppen von LEDs zum Erzeugen eines der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496).
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner Folgendes umfasst: Anordnen einer ersten Gruppe von LEDs, einer zweiten Gruppe von LEDs und einer dritten Gruppe von LEDs auf einer LED-Platine (480) in einem Bayer-Muster, wobei die erste Gruppe von LEDs ein rotes Wellenlängenregime aufweist, die zweite Gruppe von LEDs ein grünes Wellenlängenregime aufweist und die dritte Gruppe von LEDs ein blaues Wellenlängenregime aufweist.
Verfahren zum Kalibrieren eines Mehrfarbsystems (200) zum optischen Inspizieren einer Oberfläche (210) einer Probe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Beleuchten der Oberfläche (210) der Probe mit einem einheitlichen Mehrfarblichtmuster, wobei das einheitliche Mehrfarblichtmuster die gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) beinhaltet und entsprechende Bereiche jedes der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496) eine gleiche Lichtintensität aufweisen, Erfassen jedes der gleichzeitig emittierten einheitlichen Bildmuster, die von der Oberfläche (210) der Probe reflektiert werden, durch den Mehrfarbsensor (230) in einem einzelnen Kalibrierungssensorbild bei einer Kalibrierungsscanposition; Unterteilen des einzelnen Kalibrierungssensorbildes in Pixel; Bestimmen, ob Lichtintensitäten entsprechender Pixel jedes Wellenlängenkanals in dem einzelnen Kalibrierungssensorbild eine gleiche Intensitätsverteilung erreicht; und beim Bestimmen, dass die Lichtintensitäten der entsprechenden Pixel der Wellenlängenkanäle in dem einzelnen Kalibrierungssensorbild eine unterschiedliche Intensitätsverteilung erreichen, Anpassen der Lichtintensitäten der entsprechenden Bereiche jeder der gleichzeitig emittierten räumlichen Intensitätsfarbbildmuster (492, 494, 496), um zu ermöglichen, dass die Lichtintensitäten entsprechender Pixel jedes Wellenlängenkanals in dem einzelnen Kalibrierungssensorbild die gleiche Intensitätsverteilung erreichen.