DE19509345A1 - Verfahren zum Erkennen und Bewerten von Fehlern in teilreflektierenden Oberflächenschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen und Bewerten von örtlich begrenzten Fehlern in einer selektiv reflektierenden Oberflächenschicht auf einem transparenten Substrat durch digitale Datenverarbeitung eines von einer Videokamera gelieferten Bildes.

Glasscheiben mit einer selektiv reflektierenden Oberflächenbeschichtung finden als Sonnenschutzscheiben und/oder als wärmedämmende Glasscheiben Anwendung. Die selektiv reflektierenden Schichten können nach verschiedenen Verfahren aufgebracht werden.

In großem Umfang werden solche Schichten heute nach dem Verfahren der magnetfeldunterstützten Katodenzerstäubung aufgebracht. In diesem Fall dient als eigentliche Funktionsschicht in den meisten Fällen eine dünne Silberschicht, die zwischen anderen Schichten eingebettet ist. In der Regel umfaßt ein solcher Schichtaufbau eine metalloxidische Haftschicht, eine zwischen metallischen Schutzschichten eingebettete Silberschicht und eine metalloxidische Deckschicht.

Bei allen Beschichtungsverfahren kann es zu lokalen, mehr oder weniger großflächigen Beschichtungsfehlern unterschiedlicher Art kommen. Solche Fehler sind häufig in der Durchsicht durch die beschichtete Glasscheibe nicht zu erkennen, sondern machen sich in erster Linie in der Reflexion bemerkbar, indem sie beispielsweise lokal begrenzte Farbänderungen hervorrufen. Da beschichtete Glasscheiben im eingebauten Zustand immer in der Reflexion zu sehen sind, müssen auch derartige Beschichtungsfehler erkannt und fehlerhaft beschichtete Glasscheiben aussortiert werden. Das geschieht bisher ausschließlich durch visuelle Beurteilung, da zufriedenstellende automatisch arbeitende Verfahren bisher nicht existieren.

Als Ursache für solche lokalen Beschichtungsfehler werden beim Aufbringen der Schichten nach dem Katodenzerstäubungsverfahren Störungen im Beschichtungsprozeß beim Aufbringen der Metalloxidschichten angenommen. Insbesondere bei hoher Aufstäubrate können sich nämlich auf seitlichen Anodenflächen innerhalb der Zerstäubungskammern elektrisch isolierende Ablagerungsschichten aus den Metalloxiden bilden, die dazu führen, daß es zu elektrischen Überschlägen von der Targetoberfläche zu den seitlichen Anodenflächen kommt. Dadurch bildet sich lokal ein besonders intensives Plasma, das die genannten fleckenartigen Schichtbeschädigungen zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein automatisch arbeitendes Verfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, fleckenartige Schichtfehler jeder Art sicher zu erkennen und nach objektiven Maßstäben zu bewerten. Das Verfahren soll eine sichere Beurteilung der teilreflektierenden Schichten ermöglichen und sich für den industriellen Einsatz eignen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das beschichtete Substrat mit weißem Licht beleuchtet, das von der Oberflächenschicht reflektierte Licht auf einem Projektionsschirm sichtbar gemacht, das auf dem Projektionsschirm entstehende Bild von einer Farbvideokamera erfaßt, für jede der drei Grundfarben innerhalb der von der Farbvideokamera erfaßten Fläche die Leuchtdichte ermittelt und die ermittelten Leuchtdichtewerte mit der Summe der Leuchtdichtewerte aller drei Grundfarben an den entsprechenden Bildpunkten verglichen werden, und daß bei Abweichungen des Leuchtdichteanteils einer Grundfarbe von einem vorgegebenen Grenzwert ein Signal ausgelöst wird.

Die Erfindung sieht also die gezielte Anwendung der digitalen Datenverarbeitung bei einem messenden TV-System für die Beurteilung einer transparenten, selektiv reflektierenden Oberflächenschicht vor. Es ist zwar grundsätzlich bekannt, mit Hilfe der digitalen Datenverarbeitung bei einem messenden TV-System mit einem Prozessor die von der Fernsehkamera gelieferten Bildsignale meßtechnisch auszuwerten, und auf diese Weise auch unregelmäßige Flächen sowie Unterschiede von Helligkeits- und Farbwerten zu erfassen (messen + prüfen/automatik Januar/Februar 1977, S. 34-41). Die Anwendung einer Farbvideokamera für die bildanalytische Bestimmung von fleckenartigen Beschichtungsfehlern in teilreflektierenden Oberflächenschichten hat sich jedoch erst dann als brauchbar erwiesen, wenn erfindungsgemäß die Leuchtdichte aller Bildpunkte getrennt für alle drei Grundfarben ermittelt und die für jede der drei Grundfarben ermittelten Leuchtdichtewerte zu der Summe der Leuchtdichtewerte aller drei Grundfarben ins Verhältnis gesetzt werden. Hieraus ergibt sich der Leuchtdichteanteil für jede Grundfarbe. Bei fehlerfreier Schicht ist dieser Leuchtdichteanteil jeder Grundfarbe auf der gesamten Schicht gleichbleibend. Bei Änderungen des Leuchtdichteanteils wird das Ausmaß dieser Änderung mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen.

Erfindungsgemäß ist es auch erforderlich, zunächst das Reflexionsbild der Schicht auf einem Projektionsschirm herzustellen und die auf diesem Projektionsschirm sichtbaren Schichtfehler mit der Farbvideokamera zu beurteilen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die unmittelbare Beobachtung der von der zu beurteilenden Schicht reflektierten Lichtstrahlen durch die Farbvideokamera, oder gar die Beurteilung der Farben in der Transmission, nicht zu dem gewünschten Erfolg führen.

Die Leuchtdichte der einzelnen Bildpunkte des von der Videokamera erfaßten Flächenbereichs des Projektionsschirmes ist auch bei einer absolut fehlerfreien Schicht nicht konstant, sondern hängt vom Standort und der Art der Beleuchtungsquelle und dem Einstrahlungswinkel sowie von Störlichteinflüssen ab, die nicht immer vollständig zu vermeiden sind. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die auf eine unterschiedliche Beleuchtungsstärke mit weißem Licht beruhende Leuchtdichteverteilung bei der Bewertung von Farbfehlern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht störend in Erscheinung treten. Fehler der hier zu bewertenden Art äußern sich nämlich immer in der Weise, daß die Leuchtdichtewerte für die einzelnen Farben unabhängig von ihrer absoluten Höhe in ihrem Verlauf auseinanderdriften. Die Größe der Differenz zwischen den Leuchtdichtewerten der einzelnen Farben bzw. die Größe des Verhältnisses der Leuchtdichte einer Farbe zu der Summe der Leuchtdichten aller drei Farben, das heißt Änderungen im Leuchtdichteanteil, stellen daher ein Kriterium für die Größe des zu beurteilenden Fehlers dar. Infolgedessen lassen sich die Fehler in der Schicht dadurch erkennen und bewerten, daß die ermittelten Leuchtdichtewerte der drei Grundfarben zueinander in Beziehung gesetzt und lediglich eine Veränderung dieser Beziehung, soweit sie einen festgesetzten Wert überschreitet, als Kriterium für das Vorhandensein eines nicht mehr akzeptablen Fehlers gewählt wird.

Grundsätzlich ist es möglich, das von der beschichteten Oberfläche auf einen Projektionsschirm reflektierte Licht auch dann mit hinreichender Genauigkeit auszuwerten, wenn die Beleuchtung unter einem Einstrahlungswinkel von Null Grad, das heißt senkrecht zur beschichteten Oberfläche, vorgenommen wird. Da das unter Umständen mit apparativen Schwierigkeiten verbunden ist, empfiehlt es sich, die beschichtete Oberfläche unter einem schrägen Winkel von beispielsweise 40 bis 70 Grad zu beleuchten. Eine solche Beleuchtung unter schrägem Einfallswinkel hat nicht nur Vorteile bezüglich der apparativen Anordnung, sondern ermöglicht auch eine besonders gute Auswertung und Beurteilung der auf dem Projektionsschirm als Farbflecken erscheinenden Schichtfehler.

Je nach Größe der zu beurteilenden Fläche können eine oder mehrere Farbvideokameras zum Einsatz kommen. Bei der Beurteilung einer kleinen Fläche, beispielsweise einer beschichteten kleinen Glasscheibe, kann man die gesamte Oberfläche mit einer einzigen Kamera gleichzeitig erfassen und die Leuchtdichteverteilung der Bildpunkte für die drei Grundfarben ermitteln und auswerten. In diesem Fall wird durch geeignete zweidimensionale Filterung der digitalen Leuchtdichtewerte aller Bildpunkte für jede Grundfarbe ein repräsentativer Mittelwert gebildet, und die drei Mittelwerte werden zueinander in Beziehung gesetzt.

Wenn das Verfahren jedoch beispielsweise am Ende einer Beschichtungsanlage für große Glasscheiben, beispielsweise mit einer Länge von 6 m und einer Breite von 3 m, zum Einsatz kommt, erfolgt die Messung zweckmäßigerweise unter gleichzeitigem Einsatz mehrerer Farbvideokameras. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei mit Hilfe mehrerer Farbvideokameras ein sich über die gesamte Breite der Glasscheibe erstreckender schmaler Streifen beobachtet und in kurzen aufeinanderfolgenden Abständen ausgewertet. Auf diese Weise können beispielsweise bei starrer Anordnung der Videokameras oberhalb eines die Glasscheibe transportierenden Rollenförderers und kontinuierlicher Förderung der beschichteten Glasscheibe in kurzen Abständen Leuchtdichteprofile der drei Grundfarben über die gesamte Glasscheibenbreite erstellt und ausgewertet werden. Wenn der gegenseitige Abstand der aufeinanderfolgenden ausgewerteten Leuchtdichteprofile beispielsweise einige Zentimeter beträgt, läßt sich mit diesem Verfahren die gesamte Glasscheibenoberfläche mit hinreichender Genauigkeit auf die genannten Farbfehler untersuchen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines für die Untersuchung beschichteter Floatglasscheiben geeigneten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen.

Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Auswertung der von einer Farbvideokamera gelieferten Leuchtdichtesignale;

Fig. 3 das von den Farbvideokameras erfaßte schmale Meßfeld auf dem Projektionsschirm, und

Fig. 4 die nach der digitalen Signalverarbeitung über die Breite der Glasscheibe erhaltenen Leuchtdichteprofile der drei Grundfarben in schematischer Darstellung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Glasscheibe 1 handelt es sich um eine beispielsweise 4 mm dicke Floatglasscheibe mit einer Breite von etwa 3 m und einer Länge von etwa 6 m, die in horizontaler Lage auf Förderrollen 2 transportiert wird. Die Glasscheibe 1 ist auf der oberen Seite mit einer wärmestrahlenreflektierenden Schicht 3 versehen, die nach dem Verfahren der magnetfeldunterstützten Katodenzerstäubung aufgebracht wurde. Zur Beleuchtung der beschichteten Glasscheibe 1 dient eine seitlich oberhalb der Glasscheibenebene angeordnete Beleuchtungseinrichtung 4, mit der weißes Licht unter einem schrägen Einfallswinkel auf die Schicht 3 aufgestrahlt wird. Der Einfallswinkel der Lichtstrahlen wird mit zunehmender Entfernung des beleuchteten Bereichs von der Lampe 4 zwangsläufig größer, doch spielt diese Veränderung des Einfallswinkels für die Messung keine wesentliche Rolle, solange der Einfallswinkel der Strahlung nicht größer als etwa 70 Grad wird. Die durch die unterschiedlichen Einfallswinkel hervorgerufenen Geometrieverzerrungen können rechnerisch kompensiert werden.

Das von der Beleuchtungseinrichtung 4 kommende weiße Licht wird durch die teilreflektierende Schicht jeweils unter einem dem Einfallswinkel entsprechenden Ausfallswinkel reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen werden auf einem ebenen Projektionsschirm 6 mit weißer Oberfläche sichtbar gemacht. Auf diesem Projektionsschirm 6 entstehen dort, wo an den entsprechenden Stellen der Schicht 3 lokale Schichtfehler vorhanden sind, sichtbare farbige Flecken, deren Flächenabmessungen, gegebenenfalls nach Berücksichtigung geometrischer Verzerrungen, den Abmessungen der Schichtfehler entsprechen. Die Beleuchtungseinrichtung 4 und der Projektionsschirm 6 sind auf geeignete Weise über Haltestreben 8 bzw. 9 am Rahmen 10 des Rollenförderers angebracht oder auf andere Weise ortsfest angeordnet.

Oberhalb der Beleuchtungseinrichtung 4 sind an der Haltestrebe 8 übereinander vier Farbvideokameras 12, 13, 14 und 15 mit Hilfe geeigneter Halterungen angeordnet. Diese Farbvideokameras 12 bis 15 sind jeweils mit einer geeigneten Optik ausgerüstet und mit ihrer optischen Achse derart senkrecht auf den Projektionsschirm 6 ausgerichtet, daß jede Videokamera ein Viertel der Gesamthöhe des auf dem Projektionsschirm 6 entstehenden Bildes erfaßt, wobei sich die vier erfaßten Felder aneinander anschließen oder sich überlappen. Auf diese Weise werden die von der Schicht 3 reflektierten Lichtstrahlen über die gesamte Breite der Glasscheibe 1 auf dem Projektionsschirm erfaßt.

Die Videokameras 12 bis 15 sind identisch aufgebaut. An jede Videokamera ist ein Bildverarbeitungssystem angeschlossen, das mit seinen wesentlichen Komponenten in Form eines Blockschaltbildes in Fig. 2 dargestellt ist. Das Farbvideo-Bildverarbeitungssystem besteht aus der Farbvideokamera 12 (13, 14, 15), und jeweils einer von jeder Farbvideokamera angesteuerten Farbvideo- Digitalisierungskarte. Für jede der drei Grundfarben enthält es einen Matrix-Bildspeicher 16, 17, 18. Jeder Bildspeicher 16, 17, 18 speichert für jeden Bildpunkt den digitalen Leuchtdichtewert der jeweiligen Grundfarbe des entsprechenden Bildpunktes im Sichtfeld der Kamera. Um die Leuchtdichte der drei Grundfarben mit hinreichender Genauigkeit beschreiben zu können, muß der insgesamt zu erfassende Helligkeitsbereich in einer hinreichend großen Anzahl von Leuchtdichtestufen unterteilt sein. Die Anzahl der Leuchtdichtestufen soll mindestens 64 betragen; gute Ergebnisse werden erzielt, wenn für die Beschreibung der Leuchtdichte eines jeden einzelnen Bildpunktes beispielsweise 256 Leuchtdichte- oder Helligkeitsstufen zur Verfügung stehen.

Wie aus dem Blockschaltbild der Fig. 2 hervorgeht, wird von den Bildspeichern 16, 17 und 18, die jeweils die Leuchtdichtesignale eines definierten Feldes liefern, eine Filterstufe 19, 20, 21 angesteuert. Aufgabe dieser Filterstufen 19, 20, 21 ist es, eine zweidimensionale Filterung der eingehenden Signale vorzunehmen, um die Signale zu entstören und zu glätten und repräsentative Mittelwerte für die Leuchtdichte einer Farbe in einem ausgewählten Feld zu erhalten. Die hierfür notwendigen Signalverarbeitungs- und Filtertechniken sind bekannt und brauchen daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Während also die Filterstufe 19 das aus den aufbereiteten Signalen bestehende Leuchtdichteprofil beispielsweise der Farbe rot über die gesamte Breite des beobachteten Bildes liefert, liefert die Filterstufe 20 das Leuchtdichteprofil beispielsweise für die Farbe grün, und die Filterstufe 21 das Leuchtdichteprofil für die Farbe blau.

Die von den Filterstufen 19, 20, 21 gelieferten Signale werden nun einer Farbvergleichstufe 24 zugeleitet. In dieser Farbvergleichstufe 24 erfolgt nun der Farbvergleich jeder Grundfarbe an jeder Stelle des Bildes mit den einem farbneutralen oder weißen Bild entsprechenden Signalen. Statt mit einem farbneutralen oder weißen Bild kann der Farbvergleich auch mit dem Bild einer vorgegebenen Farbe verglichen werden. Die sich durch den Farbvergleich ergebenden Differenzsignale werden nun einer Auswertestufe 26 zugeleitet. In dieser Auswertestufe 26 werden die zulässigen Grenzwerte, die zuvor anhand von visuellen Beurteilungen ermittelt wurden, eingegeben. Bei Überschreiten der eingegebenen Grenzwerte wird von der Auswertestufe 26 ein entsprechendes Signal gegeben, so daß fehlerhafte Schichten auf diese Weise erkannt und gegebenenfalls aussortiert werden können.

Fig. 3 veranschaulicht noch einmal die Wirkungsweise des Verfahrens, während Fig. 4 eine Darstellungsmöglichkeit der Meßergebnisse zeigt. Während die Glasscheibe sich beispielsweise in horizontaler Lage auf dem Rollenförderer bewegt (Fig. 1), bewegt sich auf dem Projektionsschirm 6, der eine verhältnismäßig geringe Breitenabmessung haben kann, das von der Schicht 3 erzeugte Reflexionsbild in Richtung des Pfeils F. Von den vier Videokameras wird auf dem Projektionsschirm 6 ein schmaler, sich über die gesamte Höhe H des projizierten Bildes erstreckender Streifen erfaßt, der in vier Bereiche A, B, C und D unterteilt ist, die den einzelnen Videokameras zugeordnet sind. Die Auswertung erfolgt in der Weise, daß in kurzen Zeitabständen die vier Videokameras gleichzeitig das Meßfeld mit einer kurzen Belichtungszeit aufnehmen. Das aufgenommene Bild wird in jedem Bildverarbeitungssystem abgespeichert und wie anhand der Fig. 2 beschrieben ausgewertet. Wenn die Glasscheibe sich um einige Zentimeter weiterbewegt hat, erfolgt die nächste Aufnahme gleichzeitig mit allen vier Videokameras einschließlich der nachfolgenden Abspeicherung und Auswertung der Videobilder. Auf diese Weise kann die gesamte Glasscheibe in aufeinanderfolgenden Querstreifen erfaßt und ausgewertet werden.

Arbeitet man mit Matrix-Kameras, dann kann der pro Aufnahme erfaßte Bereich in Längsrichtung bis zu 120 cm betragen. Er wird dann bei der Bildverarbeitung in Querstreifen von wenigen Zentimetern Länge aufgeteilt und in der beschriebenen Art und Weise ausgewertet.

Trägt man die bei einer Aufnahme mit den vier Videokameras nach der Verarbeitung der Videosignale erhaltenen Leuchtdichtewerte L für die drei Grundfarben über der Breite H der Glasscheibe auf, dann ergibt sich daraus ein Diagramm, wie es Fig. 4 zeigt. Solange das reflektierte und von den Videokameras erfaßte Licht weiß oder farbneutral ist, verlaufen die drei Leuchtdichtekurven r (rot), g (grün) und b (blau) mehr oder weniger dicht benachbart parallel zueinander oder decken sich im Idealfall. Die absolute Höhe der Leuchtdichtekurven ist bei den Beleuchtungsbedingungen der Praxis nicht gleichbleibend, vielmehr ist die Leuchtdichte auf dem Projektionsschirm bei der hier beschriebenen Anordnung im Feld A wegen der größeren Entfernung zur beschichteten Glasscheibe deutlich niedriger und nimmt bis zum Ende des Feldes D hin stetig zu. Für die Auswertung ist dieser Verlauf der Leuchtdichte des weißen Lichtes ohne Bedeutung. Es kommt nämlich hier nur darauf an, daß Farbänderungen erkannt werden. Diese Farbänderungen zeigen sich in der Weise, daß eine der drei Leuchtdichtekurven an der fehlerhaften Stelle einen wesentlich anderen Verlauf nimmt als die beiden anderen Leuchtdichtekurven. Im dargestellten Beispiel, bei dem das Projektionsbild im Bereich X einen leicht roten Farbflecken zeigt, steigt die Leuchtdichtekurve für die rote Farbe in dem entsprechenden Feld deutlich stärker an als die Leuchtdichtekurven g und b der beiden anderen Farben. Bei entsprechender Eichung und Einstellung der gewünschten Grenzwerte für zulässige Farbänderungen lassen sich auf diese Weise eindeutige Aussagen über die Qualität der Beschichtung machen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Erkennen und Bewerten von örtlich begrenzten Fehlern in einer selektiv reflektierenden Oberflächenschicht auf einem transparenten Substrat durch digitale Datenverarbeitung eines von einer Videokamera gelieferten Bildes, dadurch gekennzeichnet, daß das beschichtete Substrat mit weißem Licht beleuchtet, das von der Oberflächenschicht reflektierte Licht auf einem Projektionsschirm sichtbar gemacht, das auf dem Projektionsschirm entstehende Bild von einer Farbvideokamera erfaßt, für jede der drei Grundfarben innerhalb der von der Farbvideokamera erfaßten Fläche die Leuchtdichtewerte ermittelt und die ermittelten Leuchtdichtewerte mit der Summe der Leuchtdichtewerte aller drei Grundfarben an den entsprechenden Bildpunkten verglichen werden, und daß bei Abweichungen des Leuchtdichteanteils einer Grundfarbe von einem vorgegebenen Grenzwert ein Signal ausgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das beschichtete Substrat unter einem Einstrahlungswinkel von Null bis 70 Grad, und vorzugsweise von 40 bis 60 Grad, beleuchtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bewertung eines großflächigen Substrats, beispielsweise einer beschichteten Glasscheibe nach der Beschichtung in einer Durchlaufbeschichtungsanlage, die beschichtete Fläche gleichzeitig mit mehreren Videokameras beobachtet wird, die jeweils einem Teilbereich der beschichteten Fläche zugeordnet sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich über die Breite des Substrats erstreckender streifenförmiger Bereich des auf dem Projektionsschirm entstehenden Bildes erfaßt und ausgewertet wird.