Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Erkennung und Bewertung der Qualität optisch reflektierender Oberflächen, bei dem die Qualitätsmerkmale unter Verwendung photoelektrischer Detektoren, z.B. Phototransistoren, Photomultipliern oder Bildaufzeichnungsröhren in elektrische Daten umgesetzt werden. Die Erfindung soll bei der zerstörungsfreien Oberflächenprüfung, und zwar für die berührungslose Qualitätsprüfung optisch reflektierender Oberflächen, Einsatz finden. Produkte mit optisch reflektierenden Oberflächen enthalten oft als ein wichtiges Qualitätsmerkmal die Ebenheiten dieser Oberflächen. Sie erleiden erhebliche Qualitätsminderungen dadurch, dass ihre Oberflächenstruktur nicht exakt eben ist, so z.B. durch Ziehstreifen bei Glas oder durch Welligkeit, den "Orangenschaleneffekt", bei Lackoberflächen. Im ersten Falle weist die dadurch entstandene Unebenheit der Oberfläche auf Inhomogenitäten im Glas selbst hin, im zweiten Falle verliert der Lack seinen gleichmäßigen Glanz und erscheint "Orangenschalen"-ähnlich. In der Serienfertigung ist daher eine schnelle Qualitätskontrolle von hoher Bedeutung, insbesondere in der Kontrolle großflächiger Werkstücke wie in der Automobilindustrie. In der industriellen Praxis wird bisher die Qualität der Oberflächen durch visuelle Betrachtung der gesamten Oberfläche durch Prüfer festgestellt. Diese visuelle Auswertung stellt besonders bei der Prüfung von Massenteilen eine monotone Arbeit mit erheblicher Belastung der Augen des Prüfpersonals dar. Dies wirkt sich nachteilig auf die Konzentrationsfähigkeit aus. Außerdem sind subjektive Einflüsse bei der visuellen Betrachtung möglich, so dass eine sichere Feststellung von Qualitätsunterschieden nicht erreicht werden kann. Es besteht demzufolge ein Bedürfnis nach einer im industriellen Rahmen einsetzbaren Möglichkeit, um bei zerstörungsfreier Prüfung von Werkstücken den Arbeitsgang der Qualitätskontrolle
in Erkennung und Auswertung zu automatisieren. Es wurden daher mehrfach Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen. In der DT-AS 25 37 162 wird ein Interferenzverfahren beschrieben, bei dem die Oberflächen in Berührung mit einem Prisma gebracht werden, auf dessen Hypotenuse ein Gitter aufgebracht ist. Die so entstehenden Interferenzstreifenfelder enthalten Information über die Abweichung der geprüften Oberfläche von der Ebene. Es können aber jeweils nur kleine Oberflächen geprüft werden, und das Verfahren arbeitet nicht berührungslos. In DT-AS 26 36 498 wird ein verbessertes, berührungsloses Verfahren beschrieben. Hier fällt ein aus ebenen Wellenfronten bestehender kohärenter Lichtstrahl zu einem Teil unmittelbar auf ein Gitter, zum anderen Teil auf das Messobjekt und danach auf das Gitter. Die Einfallswinkel beider Teilstrahlen werden so gewählt, dass nach Streuung bzw. Reflexion beide Teilbündel in der 1. Ordnung ihrer Beugung parallel verlaufen und zur Interferenz gebracht werden. Das so entstehende Interferenzlinienfeld wird auf Abweichungen der Probenoberfläche von der Ebene ausgewertet. Das Verfahren erfordert hohe Genauigkeit in der Winkelposition des Werkstückes. Ebenso werden an die Beleuchtungsquellen hohe Anforderungen gestellt (Laser). Aus diesem Grund können auch nur vergleichsmäßig kleine Flächen geprüft werden. In der DT-OS 21 39 836 und in Applied Optics, 2, 1552 - 1557, (1973), wird ein interferometrisches Verfahren beschrieben, bei dem ein durch Bestrahlen eines Beugungsgitters erzeugtes Interferenzfeld an der zu untersuchenden Oberfläche reflektiert wird und vom Beugungsgitter erneut gebeugt wird. Das so entstehende Interferenzlinienfeld enthält quasi ein Höhenlinienmuster der untersuchten Probe. Ein weiteres Verfahren, beschrieben in DT-AS 15 48 284, erzeugt mit streng kohärentem Licht ein ähnliches Muster, wobei zunächst ein Hologramm einer fehlerfreien Vergleichsoberfläche erzeugt wird. In der US-PS 37 82 387 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein kohärenter Lichtstrahl mit gleichmäßiger Geschwindigkeit über die Oberfläche geführt wird und diese so vollständig abtastet. Der von der Oberfläche reflektierte Strahl wird in seiner Lichtintensität laufend gemessen. Je nach Welligkeit, bzw. Neigung der Oberfläche gegenüber einer Bezugsfläche ist die Lichtintensität verschieden. Das so erhaltene Signal der Lichtintensität wird einer Frequenzanalyse unterzogen. Diese enthält, wenn auch verschlüsselt, Information über die Oberfläche, die allerdings nur schwer in eine Qualitätskennzahl umzurechnen
ist. In der Schrift DT-AS 24 48 288 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein an der zu prüfenden Oberfläche reflektiertes Bild eines bekannten Ausgangsmusters mit einem geometrisch ähnlichen überlagert wird. Dabei wird eine inkohärent optische Kreuzkorrelation durchgeführt. Bei optimaler Justierung ist die erzielte Helligkeit des Korrelogramms ein pauschales Maß für die Beschaffenheit der Oberfläche. Alle beschriebenen Verfahren stellen hohe Anforderungen in bezug auf optische Justierungen sowie die Positionsgenauigkeit der zu prüfenden Oberflächen. Zum Teil sind sogar Vergleichsflächen notwendig. Außerdem sind sie an bewegten Prüflingen, wie z.B. an Fließbändern, kaum anwendbar, und es können auch jeweils nur kleine Oberflächenstücke geprüft werden. Eine weitere Schwierigkeit bei den interferometrischen Verfahren ist die komplizierte Auswertung der Interferenzlinienmuster, aus denen schwer eine die Qualität der Oberfläche kennzeichnende Kennziffer zu erhalten ist. Ein industriell einsetzbares Verfahren sollte aber möglichst einfach sein und vor allem keine komplizierten optischen Justierungen und keine hohen Anforderungen an die Positionsgenauigkeit der zu prüfenden Werkstücke stellen. Es sollte außerdem in der Lage sein, bei größeren Werkstücken einen möglichst großen Teil der Oberflächen zu erkennen und zu bewerten. Interferometrische Verfahren scheinen für diese Aufgabe daher wenig geeignet. Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ohne hohen Aufwand von Präzision ein praktikables Verfahren zu schaffen, mit dem automatisch verschiedene Qualitätsstufen auch von größeren Oberflächen zuverlässig erkannt und bewertet werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, dass die zu untersuchende optisch reflektierende Oberfläche durch eine Punktlichtquelle mit einem Lichtbündel oder mit einem weiten parallelen Lichtbündel, z.B. durch einen Laser, beleuchtet wird, dass das von der Oberfläche reflektierte Lichtbündel durch einen photoelektrischen Detektor abgetastet wird und dass die so erhaltenen elektrischen Signale bei entsprechender Verarbeitung der Daten eine Qualitätskennzahl als Maß für die Qualitätsstufe der Oberfläche ergeben. Beleuchtet man nämlich eine nicht vollständig ebene Oberfläche durch eine Punktlichtquelle mit einem Lichtbündel oder durch ein weites paralleles Lichtbündel, z.B. mit einem Laser, so werden all diejenigen Lichtstrahlen, die auf Oberflächenstellen mit zueinanderThe invention relates to a method for the automatic detection and evaluation of the quality of optically reflective surfaces, in which the quality features are converted into electrical data using photoelectric detectors, e.g. phototransistors, photomultipliers or image recording tubes. The invention is intended to be used in non-destructive surface testing, specifically for non-contact quality testing of optically reflective surfaces. Products with optically reflective surfaces often contain the flatness of these surfaces as an important quality feature. They suffer considerable quality degradation because their surface structure is not exactly flat, e.g. from pulling strips on glass or from waviness, the "orange peel effect", on lacquered surfaces. In the first case, the resulting unevenness of the surface indicates inhomogeneities in the glass itself, in the second case the paint loses its uniform gloss and appears like "orange peel". Fast quality control is therefore of great importance in series production, especially in the control of large-area workpieces such as in the automotive industry. In industrial practice, the quality of the surfaces has so far been determined by visual inspection of the entire surface by inspectors. This visual evaluation represents monotonous work, particularly when testing mass-produced parts, with considerable strain on the eyes of the testing personnel. This has a disadvantageous effect on the ability to concentrate. In addition, subjective influences are possible in the visual observation, so that a reliable determination of quality differences cannot be achieved. There is consequently a need for a possibility that can be used in an industrial setting to carry out the quality control process in the case of non-destructive testing of workpieces
to automate detection and evaluation. Methods for solving this problem have therefore been proposed several times. In the DT-AS 25 37 162 an interference method is described in which the surfaces are brought into contact with a prism, on the hypotenuse of which a grid is applied. The resulting interference fringe fields contain information about the deviation of the tested surface from the plane. However, only small surfaces can be tested at a time, and the method does not work without contact. In DT-AS 26 36 498 an improved, contactless method is described. Here a coherent light beam consisting of plane wave fronts falls partly directly onto a grid, partly onto the measurement object and then onto the grid. The angles of incidence of both partial beams are chosen so that after scattering or reflection both partial bundles run parallel in the first order of their diffraction and are brought into interference. The resulting interference line field is evaluated for deviations of the sample surface from the plane. The method requires high accuracy in the angular position of the workpiece. High demands are also placed on the lighting sources (laser). For this reason, only comparatively small areas can be tested. In DT-OS 21 39 836 and in Applied Optics, 2, 1552-1557, (1973), an interferometric method is described in which an interference field generated by irradiating a diffraction grating is reflected on the surface to be examined and diffracted again by the diffraction grating will. The resulting interference line field contains, as it were, a contour line pattern of the examined sample. Another method, described in DT-AS 15 48 284, generates a similar pattern with strictly coherent light, a hologram of an error-free comparison surface being generated first. In US-PS 37 82 387 a method is described in which a coherent beam of light is guided at a uniform speed over the surface and thus scans it completely. The light intensity of the beam reflected from the surface is continuously measured. The light intensity is different depending on the waviness or inclination of the surface in relation to a reference surface. The light intensity signal obtained in this way is subjected to a frequency analysis. This contains information about the surface, albeit encrypted, which, however, is difficult to convert into a quality indicator
is. In the document DT-AS 24 48 288 a method is described in which an image of a known initial pattern reflected on the surface to be tested is superimposed with a geometrically similar one. An incoherent optical cross-correlation is carried out. With optimal adjustment, the achieved brightness of the correlogram is a general measure for the condition of the surface. All of the methods described place high demands on optical adjustments and the positional accuracy of the surfaces to be tested. In some cases, comparison areas are even necessary. In addition, they can hardly be used on moving test objects, e.g. on assembly lines, and only small pieces of surface can be tested at a time. A further difficulty with the interferometric method is the complicated evaluation of the interference line pattern, from which it is difficult to obtain an indicator characterizing the quality of the surface. A method that can be used industrially should, however, be as simple as possible and, above all, should not have any complicated optical adjustments or high demands on the positional accuracy of the workpieces to be tested. It should also be able to recognize and evaluate as large a part of the surfaces as possible in the case of larger workpieces. Interferometric methods therefore appear to be unsuitable for this task. The present invention is therefore based on the object of creating a practicable method, without high expenditure of precision, with which automatically different quality levels can be reliably recognized and evaluated even from larger surfaces. This object is achieved according to the invention in that the optically reflective surface to be examined is illuminated by a point light source with a light bundle or with a wide parallel light bundle, for example by a laser, that the light bundle reflected from the surface is scanned by a photoelectric detector and that the electrical signals obtained in this way, with appropriate processing of the data, result in a quality index as a measure of the quality level of the surface. If you illuminate a not completely flat surface with a point light source with a light beam or with a wide parallel light beam, e.g. with a laser, then all those light rays that are on surface points with each other
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Ist die verwendete Lichtquelle nicht mehr punktförmig, so verwaschen diese Strukturen, und die noch abgebildeten Strukturen hängen von der Flächengröße der verwendeten Lichtquelle ab. Tastet man dieses Lichtfeld durch einen photoelektrischen Detektor ab, so lassen sich die so in elektrische Signale umgesetzten Helligkeitsschwankungen durch geeignete Datenverarbeitung in Qualitätskennzahlen umrechnen. Die Abtastung kann dadurch geschehen, dass ein im Vergleich zu den zu untersuchenden örtlichen Strukturen im Lichtfeld flächenmäßig kleinerer photoelektrischer Detektor verwendet wird, der sich relativ zum Werkstück in Bewegung befindet. Dann erhält man die örtlichen Schwankungen umgesetzt in ein entsprechend zeitabhängiges Spannungssignal, das durch entsprechende Datenverarbeitung auf die entsprechende Qualitätskennzahl umgerechnet werden kann. Es kann aber auch durch eine Bildaufzeichnungsröhre die räumliche Struktur des Lichtbündels momentan aufgenommen und gespeichert und dann entsprechend datenmäßig weiterverarbeitet werden. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in der großen Einfachheit des Verfahrens. Es stellt bezüglich der Beleuchtungsquelle keine großen Ansprüche. Es erfordert keine aufwendigen optischen Justierungen und benötigt bei der Kontrolle sich bewegender Werkstücke oder Produkte keine beweglichen Teile. Auch bezüglich der Positionsgenauigkeit vorbeifahrender Oberflächen sind keine hohen Ansprüche erforderlich. Außerdem ist es möglich, auch große Werkstücke zu prüfen, deren Oberflächen nicht eben sind. Dies kann geschehen durch das gleichzeitige Verwenden mehrerer räumlich entsprechend aufgestellter Lichtquellen, bzw. Detektoren. Das Verfahren eignet sich daher besonders gut zur automatischen Qualitätskontrolle, weil auch quantitative Unterschiede erkannt werden können. Schließlich ist bei der Einfachheit des Verfahrens die Qualitätskontrolle auch bei Tageslicht möglich, indem das beleuchtende Lichtbündel durch ein Chopper zerhackt wird. Dadurch entsteht am Photodetektor eine Wechselspannung, die vom Untergrund des zeitlich
unveränderlichen Tageslichtes frei ist. Als Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dieses Verfahren und eine demgemäße Vorrichtung zur Qualitätsbewertung lackierter Oberflächen dargestellt. Die Lackfläche wird mit einer durch eine 100 W Halogenlampe und eine Lochblende von 1 mm Durchmesser realisierten Punktquelle im Abstand von 1 m beleuchtet. Das von der Fläche reflektierte Lichtbündel kann bezüglich seiner Helligkeitsverteilung auf einer Mattscheibe direkt sichtbar gemacht werden. Für Lackoberflächen schlechter Qualität mit Orangenschaleneffekt erhält man ein netzartiges grobes Muster heller Linien auf einem relativ dunklen Untergrund, für Oberflächen guter Qualität dagegen ein kontrastärmeres Bild mit feiner Körnung und ohne die netzförmigen Strukturen. Die Helligkeitsverteilung im reflektierten Bündel wird durch einen Phototransistor mit einem Querschnitt seiner lichtempfindlichen Fläche von 2 mm abgetastet, indem die Lackfläche mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird und dadurch das Lichtfeld über den feststehenden Phototransistor hinweggeschoben wird. In diesem Falle wurde der Phototransistor in einer Entfernung von 25 cm von der Lackfläche angebracht. Wegen der Einfachheit des Verfahrens sind aber sowohl der Abstand der Beleuchtungsquelle wie auch der des Photodetektors von der Lackfläche über weite Bereiche variabel. Abb. 1 zeigt das vom Phototransistor erhaltene Signal einer Probe schlechter Qualität. Ein Teilstrich auf der Abszisse entspricht einem Abstand von 2,3 mm auf der Lackoberfläche. Im Vergleich dazu zeigt Abb. 2 im gleichen Maßstab das Signal für die Probe guter Qualität. Die beiden Signale unterscheiden sich stark in den Intensitätsschwankungen des Lichtfeldes, aber auch im Abstand ihrer Maxima. Die netzartige grobe Struktur bei der schlechten Probe ist deutlich korreliert zu den großen Abständen der Maxima. Für die gute Probe dagegen zeigt sich die Kontrastarmut in den geringen Schwankungen und die feinere Struktur im geringen Abstand der Maxima. Als Qualitätskennzahl für die Lackoberflächen wird die Größe
verwendet. Dabei ist <u> der Mittelwert der Spannung und kleines Sigma tief u hoch 2 ihre Varianz. Auf diese Weise erhält man eine von der Beleuchtungsstärke unabhängige, allein die Struktur der Oberfläche beschreibende Größe. Für die Lackprobe schlechter Qualität ergab eine Serie von Messungen an verschiedenen Stellen der Oberfläche einen Wert von Q = 0,31 plus minus 0,06. Für die Probe guter Qualität ergab sich Q zu Q = 0,02 plus minus 0,01. Für die Abb. 1 beträgt Q = 0,29, für die Abb. 2 dagegen Q = 0,015. Die Berechnung dieserIf the light source used is no longer point-shaped, these structures are washed out, and the structures still shown depend on the area size of the light source used. If this light field is scanned by a photoelectric detector, the fluctuations in brightness converted into electrical signals can be converted into quality indicators by suitable data processing. The scanning can be done by using a photoelectric detector which is smaller in area in comparison to the local structures to be examined in the light field and which is in motion relative to the workpiece. The local fluctuations are then obtained converted into a corresponding time-dependent voltage signal, which can be converted to the corresponding quality indicator by means of appropriate data processing. However, the spatial structure of the light beam can also be momentarily recorded and stored by an image recording tube and then further processed in terms of data. The advantages achieved with the invention consist in the great simplicity of the process. It does not make great demands on the source of illumination. It does not require any complex optical adjustments and does not require any moving parts when checking moving workpieces or products. In terms of the positional accuracy of passing surfaces, too, no high demands are required. It is also possible to test large workpieces whose surfaces are not even. This can be done through the simultaneous use of several spatially appropriately positioned light sources or detectors. The method is therefore particularly suitable for automatic quality control, because quantitative differences can also be recognized. Finally, given the simplicity of the process, quality control is also possible in daylight, in that the illuminating light beam is chopped up by a chopper. This creates an alternating voltage at the photodetector, which is free from the background of the unchanging daylight. This method and a corresponding device for assessing the quality of painted surfaces are presented as an exemplary embodiment of the invention. The paint surface is illuminated with a point source implemented by a 100 W halogen lamp and a perforated screen with a diameter of 1 mm at a distance of 1 m. The light bundle reflected from the surface can be made directly visible with regard to its brightness distribution on a matt screen. For poor-quality lacquered surfaces with an orange peel effect, you get a net-like, coarse pattern of light lines on a relatively dark background, whereas for surfaces of good quality, you get a low-contrast image with fine grain and without the net-like structures. The brightness distribution in the reflected beam is scanned by a phototransistor with a cross-section of its photosensitive surface of 2 mm by moving the lacquer surface at constant speed and thereby pushing the light field over the fixed phototransistor. In this case the phototransistor was placed at a distance of 25 cm from the lacquer surface. Because of the simplicity of the method, however, both the distance between the source of illumination and the distance between the photodetector and the paint surface can be varied over a wide range. Fig. 1 shows the signal obtained from the phototransistor for a sample of poor quality. A graduation on the abscissa corresponds to a distance of 2.3 mm on the paint surface. In comparison, Fig. 2 shows the signal for the sample of good quality on the same scale. The two signals differ greatly in the intensity fluctuations of the light field, but also in the distance between their maxima. The net-like coarse structure in the bad sample is clearly correlated to the large distances between the maxima. For the good sample, on the other hand, the poor contrast is shown in the small fluctuations and the finer structure in the small distance between the maxima. The size used. Here <u> is the mean value of the voltage and lower sigma u high 2 is its variance. In this way one obtains a variable that is independent of the illuminance and only describes the structure of the surface. For the poor quality paint sample, a series of measurements at various points on the surface gave a value of Q = 0.31 plus minus 0.06. For the good quality sample, Q was Q = 0.02 plus minus 0.01. For Fig. 1, Q = 0.29, while for Fig. 2, Q = 0.015. Calculating this
Werte wurde im Online-Betrieb durch einen Analog-Digitalwandler und einen Tischrechner durchgeführt. Zwischen den beiden Werten der Qualitätskennzahl besteht ein hinreichend großer Unterschied, um auch Lackoberflächen mehrerer Qualitätsstufen sicher unterscheiden zu können. Messungen an weiteren Proben bestätigen dies. Ein wichtiger Aspekt bei der Ermittlung der Qualitätskennzahl ist die Größe der Detektorfläche im Vergleich zur Größe der Strukturen auf der Oberfläche. Abb. 3 und Abb. 4 zeigen das mit einem Photomultiplier aufgenommene Signal der schlechten bzw. guten Lackprobe. Hier wurde im Vergleich zum Phototransistor mit einem Durchmesser der lichtempfindlichen Fläche von 2 mm das räumliche Auflösungsvermögen durch Abdecken des Photomultipliers mit einer Lochblende von 0,3 mm erheblich gesteigert. Die Signale zeigen dementsprechend wesentlich feinere Strukturen mit geringeren Amplituden. Die räumlich gröberen Strukturen rühren von dem Orangenschaleneffekt her, die feineren dagegen spielen für die Qualität der lackierten Oberfläche eine geringere Rolle. Bei einer Auflösung von 2 mm wird über diese feinen Strukturen gemittelt. Sie können daher zur Varianz kleines Sigma tief u hoch 2 keinen Beitrag liefern, und die Varianz wird durch solche Mittelung allein durch die relevanten Qualitätsmerkmale bestimmt. Die Auswahl der Detektorgröße ist daher wichtig für die Beurteilung der Qualitätskennzahl. Sie spielt eine wesentliche Rolle bei der Anwendung des Verfahrens, weil die zu erkennenden räumlichen Strukturen die Detektorgröße bestimmen. Als weiteres Anwendungsbeispiel der Ausführung der Erfindung ist die Qualitätskontrolle von Glasoberflächen zu nennen. Die durch den Produktionsprozeß entstehenden Ziehstreifen auf der Oberfläche lassen sich durch dieses Verfahren insbesondere bei gefärbten Gläsern auf einer Mattscheibe direkt sichtbar machen und sind dadurch visuell leichter zu erkennen. Abb. 5 zeigt den mit einem Phototransistor aufgenommenen Verlauf der Lichtintensität quer zu den Ziehrillen. Eine Qualitätsbewertung ist hier bezüglich Zahl und Tiefe der Ziehrillen durch die Zahl der Spannungsspitzen und ihre Amplitude möglich.Values were carried out online using an analog-to-digital converter and a desktop computer. There is a sufficiently large difference between the two values of the quality index to be able to reliably differentiate between paint surfaces of several quality levels. Measurements on other samples confirm this. An important aspect when determining the quality index is the size of the detector area compared to the size of the structures on the surface. Fig. 3 and Fig. 4 show the signal recorded with a photomultiplier for the bad and good paint sample, respectively. In comparison to the phototransistor with a diameter of the photosensitive surface of 2 mm, the spatial resolution was considerably increased by covering the photomultiplier with a pinhole of 0.3 mm. The signals accordingly show much finer structures with lower amplitudes. The spatially coarser structures are due to the orange peel effect, while the finer structures play less of a role in the quality of the painted surface. These fine structures are averaged at a resolution of 2 mm. You can therefore not make a contribution to the variance small sigma deep u high 2, and the variance is determined by such averaging solely by the relevant quality features. The selection of the detector size is therefore important for assessing the quality index. It plays an essential role in the application of the method because the spatial structures to be recognized determine the size of the detector. The quality control of glass surfaces should be mentioned as a further example of application of the embodiment of the invention. The pulling strips on the surface resulting from the production process can be made directly visible on a ground glass screen with this method, especially in the case of colored glasses, and are therefore easier to see visually. Fig. 5 shows the course of the light intensity recorded with a phototransistor across the drawing grooves. A quality assessment is possible here with regard to the number and depth of the drawing grooves through the number of stress peaks and their amplitude.