DE4123916C2

DE4123916C2 - Verfahren und Vorrichtung zum beleuchtungsdynamischen Erkennen und Klassifizieren von Oberflächenmerkmalen und -defekten eines Objektes

Info

Publication number: DE4123916C2
Application number: DE4123916A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Malz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-07-19
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2011-07-20
Also published as: DE4123916A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum beleuchtungsdynamischen Erkennen und Klassifizieren von Oberflächenmerkmalen und -defekten eines Objektes, das von einem Beleuchtungshimmel umgeben ist gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung hierzu gemäß Anspruch 3.

In dem Aufsatz von R. Malz: Der Einsatz schneller Beleuchtungsoperationen für die robuste Merkmalsextraktion und Segmentierung in der industriellen Objekterkennung und Qualitätsprüfung, Informatik-Fachberichte "Musterer kennung 1988" 10. DAGM-Symposium 1988, Springer-Verlag, Seite 270 bis 276 ist eine Beleuchtungsanordnung bekannt, die aus vier Beleuchtungsmodulen besteht:
einem Auflichtmodul zur schattfreien Ausleuchtung diffus streuender Objekte, realisiert mit einer Punktlichtquelle, die über einen Teilerspiegel in den Beobach tungsstrahlengang der CCD-Matrixkamera eingespiegelt ist, einem Streiflicht modul zur Aufhellung von Kanten und diffus streuenden Oberflächenfehlern, realisiert durch eine oder mehrere Ringlampen, einem Durchlichtmodul zur Aufhellung der Innenflächen und Ränder von Objektdurchbrüchen, und einem Reflexionslichtmodul zur gleichmäßigen, reflektorischen Hellfeld-Beleuchtung von ebenen oder schwach gekrümmten Oberflächen, bestehend aus einem Beleuchtungsarray mit Fresnel-Linse und einem Teilerspiegel.

Aus demselben Aufsatz ist ein weiteres Beleuchtungssystem bekannt, das mit Hilfe eines zweidimensional abgelenkten und in seiner Intensität elektrisch modulierten Halbleiterlasers während der Belichtungszeit eines einzelnen Kamerabildes beliebig positionierbare Punkt- Cluster-, Linien- und Flächen lichtquellen erzeugt, die mit jedem Bildwechsel verändert werden können.

Merkmale mit anisotropen Streu- und Reflexionseigenschaften, wie Kanten oder Kratzer, liefern nur dann einen maximalen Bildkontrast, wenn sie aus einem kleinen Raumsektor beleuchtet und betrachtet werden, der sich je nach Orientierung der Merkmale ändert. Des weiteren muß beleuchtungstechnisch der gesamte Raumwinkel verfügbar sein, weil ansonsten nicht sämtliche Merkmale oder Fehler optimal beleuchtet werden können.

Beide genannten Beleuchtungssysteme genügen daher noch nicht den Anforde rungen, die an ein Inspektionssystem gestellt werden, das mit hohen Taktraten an ständig wechselnden Objekttypen und Objektorientierungen unterschiedliche Fehlertypen mit maximalem Kontrast detektieren und klassifizieren soll.

Durch die DE 35 40 288 A1 ist des weiteren eine Anordnung zur Durchführung von Kontrollen an Lötstellen bekanntgeworden, wobei Licht unter verschiedenen Einfallswinkeln auf die Lötstellen gerichtet wird. Informationen für die drei dimensionale Beschaffenheit der Lötstellen werden abgeleitet, um zu entschei den, ob diese Beschaffenheit einwandfrei ist oder nicht. Die Information über die Beschaffenheit kann durch Bestrahlung mit Licht von wenigstens zwei Stellen aus abgeleitet werden; die Kontrolle erfolgt nach quantitativen Gesichtspunkten. Durch die DE 38 15 539 A1 ist eine Vorrichtung zum selbsttätigen Prüfen von Hohlgläsern, z. B. Flaschen, auf Schadstellen im Mündungsbereich bekannt geworden durch Anstrahlung dieses Zielbereiches mittels mehrerer, in einem den Zielbereich halbkugelförmig umschließenden Raum strahlenförmig auf diesen ausgerichteter Lichtsende-Lampe, die lichtunterschiedliche Wellenlänge aussenden. Auf den gleichen Zielbereich sind in verschiedenen Winkelpositionen ausgerichtete Fotozellen gerichtet, die entweder Fehlerlicht-Reflexionen von Normallicht oder von Prüflicht in der abweichenden Wellenlänge zu empfangen geeignet sind. Die Fehlerlicht-Reflexionen werden verstärkt und aufbereitet und an einen Aussortier-Mechanismus übertragen. Die DE 35 34 019 C2 beinhaltet eine Vorrichtung zur optischen Fehlerfeststellung in Materialbahnen, bei der eine Lichtquelle eine Beleuchtungspupille beleuchtet und eine Beleuchtungsoptik zur Erzeugung eines streifenförmigen beleuchteten Bereiches einen streifen förmigen Beleuchtungshohlspiegel aufweist, der die Beleuchtungspupille über die Materialbahn in das Objektiv einer Diodenzeilenkamera abbildet.

Durch die US 4876455 ist ein Löt-Inspektionssystem zur Feststellung der Qualität einer spiegelnden Lötverbindung durch die Überprüfung der Form der Verbindungsoberfläche bekanntgeworden, wobei eine Serie von Punktlicht quellen und benachbarten Lichtreflexionen von der Verbindungsoberfläche benützt wird. Die Vorrichtung arbeitet gemäß einem Verfahren zum beleuch tungsdynamischen Erkennen von Oberflächenmerkmalen der Lötstelle, die von einem Beleuchtungshimmel umgeben ist, innerhalb dem mehrere unterschied lich positionierte Beleuchtungsquellen die Lötstelle sequentiell und mit vorgeb barer Winkel- und Intensitätsabstufung beleuchten. Das Licht von den Punkt lichtquellen, welches auf die Lötverbindung gerichtet ist, wird von derselben auf einen lichtempfindlichen Array beispielsweise einer Kamera an einer festen Stelle geleitet. Indem unterschiedliche Intensitätswerte des Lichtes des Arrays verwendet werden, wird eine binäre Quadratkarte der Reflexionen für jede Punktlichtquelle erzeugt. Eine Serie derartiger Quadratkarten kann mathema tisch so interpretiert werden, um die Lötoberfläche zu rekonstruieren. Ein regel basiertes System bewertet durch Vergleich mit akzeptablen Lötstellen-Ausgestal tungen die Lötverbindungen nach ihrer Qualität.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Gattung zu schaffen, mit der bei Objekten, wie Metallteilen, Keramikscheiben, Blechen, Halbleiter-Chips, Hybridbausteinen, SMD-Schaltun gen, Dichtungen etc. Merkmale und Defekte der Oberfläche, wie Kanten, Textu ren, Knicke, Farbflecke, matte Stellen, Welligkeiten, Risse u. a.m., mit hoher Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit detektiert und klassifiziert werden können.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1; eine Vorrichtung ist in Anspruch 3 gekennzeichnet. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das Verfahren weist den Vorteil auf, daß mit diesem Merkmale und Defekte der Oberfläche eines Objektes, wie Kanten, Texturen, Knicke, Farbflecke, matte Stellen, Welligkeiten, Risse u. a.m., mit maximal möglichem Signal-Rausch verhältnis bzw. mit maximalem Kontrast detektiert und unabhängig von der jeweiligen Bildumgebung pixelweise, d. h. für jeden Oberflächenpunkt getrennt, klassifiziert werden können, weil die erhaltene Information jeweils in der zeitlichen Grauwertsequenz enthalten ist. Durch die vollständige Bereitstellung aller Beleuchtungswinkel wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Merkmale mit Optimalfiltern bzw. Matched-Filtern extrahiert werden können.

Bei ring-, sektor- oder ringsektorförmigen Verteilungen der Beleuchtungsfunk tionen und wenn als Merkmalsanalyse eine Fourier- oder ähnliche Transfor mation verwendet wird, wird vorteilhaft eine rotationsinvariante Klassifizierung der Merkmale erhalten. Mit einem Auswerteprogramm kann dann das Ergebnis der DFT-Operation graphisch dargestellt werden und die unterschiedlichen Fehlerklassen in π-periodische (D1<D2) oder 2π-periodische (D1<D2) oder nichtperiodische mit geringen Änderungen in der Grauwertsequenz (großes D0, kleines D1+D2) oder durchgehend dunkle (alle Spektralwerte gering) Grauwert sequenzen unterschieden werden.

Streut die Oberfläche isotrop, dann sind zur rotationsinvarianten Klassifizierung gerichteter Merkmale kreissymmetrische Beleuchtungssequenzen (Fig. 2) zweckmäßig. Ist jedoch die Oberflächenstruktur, zum Beispiel durch gerichtete Bearbeitung, wie Schleifen, nicht mehr rotationssymmetrisch, dann kann zur optimalen Signaltrennung von Oberfläche und gesuchtem Merkmal der Einsatz von elliptischen Beleuchtungsfunktionen vorteilhaft sein. Dabei muß die Strukturorientierung zur Ausrichtung der Ellipsen-Hauptachsen bekannt sein, was vorher mit Testbeleuchtungsfunktionen bestimmt werden kann.

In vorteilhafter Weise können die einzelnen Lichtquellen innerhalb des Beleuchtungshimmels, (der vorzugsweise kugelförmig ist und auf dem sich beliebige Punkt-, Linien- oder Flächenlichtquellen befinden können), durch Farblichtquellen ersetzt sein, vorzugsweise durch drei Farblichtquellen grün, rot und blau. Auf diese Weise kann der Aufwand der Bildaufnahme mindestens um den Faktor 3 reduziert werden, weil ein Farbbild einer Sequenz von mindestens drei Graubildern entspricht.

Zur Durchführung des Verfahrens wird vorteilhafterweise der Nullpunkt des Beleuchtungskoordinatensystems in diejenige Punktlichtquelle gelegt, die über die als Spiegel gedachte Objektebene in die Kamerapupille abgebildet wird und damit zum Hellfeld führt. Kleinere Verkippungen der Objektebene können durch eine relative Translation der Beleuchtungskonfiguration mit geringem Aufwand korrigiert werden, da die Beleuchtungsanordnung kartesisch und damit translationsinvariant ist.

Zum Verständnis des Verfahrens ist die Betrachtung der verallgemeinerten Beleuchtungs-Bildmatrix I(x,y,x,j) hilfreich, die den Zusammenhang zwischen der Leuchtdichtematrix L(x,j) und der Bildmatrix B(x,y) beschreibt und die gesamte fotometrische Information über das Objekt enthält, die mit der erfinderi schen Vorrichtung überhaupt gewonnen werden kann. Das Beleuchtungsarray erlaubt es, den 4-dimensionalen Beleuchtungs-Bildraum I(x,y,x,j) in einer diskreten Form I(x,y,i,j) zu erzeugen. Lichtpunkt für Lichtpunkt wird ange steuert und das jeweils entstehende Bild in den Bildspeicher abgelegt. Mit einer Benutzeroberfläche können verschiedene Projektionen oder Schnittebenen dieses 4-dimensionalen Datenraums betrachtet werden.

Für die pixelweise Untersuchung der Objektoberfläche eines Objektes spielt die lokale, d. h. für feste x- und y-Koordinaten gewonnene Streu-, Reflexions- und Schattencharakteristik eine entscheidende Rolle. Ein matter Fleck, der die Streukeule verbreitert, hat eine gleichmäßige Streucharakteristik ohne bevor zugte Richtung (isotrope Streucharakteristik). Punkte eines richtungsab hängigen Oberflächenmerkmals zeichnen sich durch eine anisotrope Streu charakteristik aus und unterscheiden sich von solchen mit isotroper Streucha rakteristik. Beispielsweise streut ein Oberflächenpunkt, der zu einem gerichteten Oberflächenmerkmal gehört (Kratzer oder Kante) vornehmlich das Licht in die Videokamera, das senkrecht zu seiner Orientierung eintrifft. Ein Punkt, der die Neigung der reflektierenden Oberfläche verändert, bevorzugt Streulicht aus einem bestimmten Sektor der Leuchtdichtematrix. Bei einem Fehlerpunkt mit verkippter spiegelnder Oberfläche erzeugt ein einziger Lichtpunkt des Beleuchtungshimmels einen hellen Grauwert in der Videokamera.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können nun Bilder mit möglichst geringer Redundanz und maximalem Aussagewert erzeugt werden. Dabei eignen sich im einfachsten Fall Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung als Konzepte zur Extraktion der Oberflächenmerkmale, wobei diejenige Beleuch tungsfunktion gewählt wird, die einen Maximalkontrast für die Fehlerquelle liefert. Ein optimales Beleuchtungsfilter wird erhalten, indem die Streucharak teristik als Beleuchtungsfunktion aufgefaßt wird. So ist beispielsweise die Hellfeldbeleuchtung mit einer Punktquelle ein Optimalfilter für einen idealspiegelnden Oberflächenpunkt, bei dem das Grauwerteergebnis einer Kamera maximal ausfällt, bei jeder anderen Oberflächenstruktur hingegen absinkt. Bei Oberflächenpunkten mit stark anisotrop streuenden Eigenschaften, wie Kratzer oder Kanten, die in der Regel mit verschiedenen Orientierungen auftreten, wird aus einer Richtung senkrecht zur Orientierung des Objektmerkmals beleuchtet, so daß das Helligkeitssignal in der Kamera deutlich stärker ist, als bei einer Beleuchtung aus anderen Richtungen. Wegen der Richtungsabhängigkeit der Streucharakteristik ist somit ein optimales Beleuchtungsfilter nur in der Lage, anisotrop streuende Merkmale in einer bestimmten Richtung zu detektieren. Deshalb werden in diesem Fall Beleuch tungssequenzen aus einer Vielzahl von Raumwinkeln eingesetzt. Dazu wird die Leuchtdichtematrix in Sektoren aufgeteilt, die nacheinander angesteuert werden. Dadurch werden rotationsinvariante bzw. von der Orientierung des Objektes unabhängige Ergebnisse erhalten, weil zwischen verschiedenen Arten von Streucharakteristiken unterschieden werden kann.

Wird als Vorrichtung zur Bildung des kuppelförmigen Beleuchtungshimmels ein Hohlspiegel, insbesondere Parabolspiegel, verwendet, so besitzt dieser den Vorteil, daß aufgrund der Abbildungsgesetze die vom Parabolspiegel mehr oder weniger horizontal reflektierten Lichtstrahlen, wie für eine ortsunabhängige Streuung gefordert, in Richtung zum Brennpunkt und zum Objekt parallel oder mehr oder weniger parallel verlaufen, so daß der virtuelle Abstand der diffus beleuchtenden Lichtquellen vom Objekt sehr groß ist und in erster Näherung als praktisch unendlich gelten kann. Das mehr oder weniger vertikal auf das Objekt einfallende Strahlenbündel ist hingegen konvergent, so daß dies Lichtquellen über die als spiegelnde Ebene gedachte Objektoberfläche in die Ebene der Kamerapu pille abgebildet werden. Damit können (wie beim eigens dafür realisierten Reflexions-Lichtmodul) spiegelnde Oberflächen gleichmäßig im Hellfeld beleuchtet werden. Zu dieser speziellen Anpassung kann der virtuelle Abstand der Lichtquellen variiert werden: Der Abstand der unteren Lichtquellen, wie LED-Arrays, vom Parabolspiegel ist entscheidend für die Strahlenformation, die auf das Objekt im Brennpunkt auftritt, ob es sich also um konvergentes, divergentes oder paralleles Licht handelt, weshalb der Abstand vorteilhaft variabel ist. Der geometrische Ort der Punktlichtquelle, die im Brennpunkt paralleles Licht erzeugt, ist ein Paraboloid oder ähnlich geformt. Konvergentes bzw. divergentes Licht wird dann im Brennpunkt erzeugt, wenn sich die Lichtquelle unterhalb bzw. oberhalb des geometrischen Ortes befindet; paralleles Licht zum Brennpunkt wird erzeugt, wenn die Lichtquelle sich auf diesem geometrischen Ort befindet.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Vorrichtung äußerst kompakt ist. Der Hohlspiegel kann des weiteren vorzugsweise einstückig aus transparentem Glas oder Kunststoff ohne Aussparung bestehen und in seinem obersten Bereich unverspiegelt sein zur Bildung einer Durchtrittsöffnung für das der reflekto rischen Beleuchtung dienende Licht der Beleuchtungseinrichtung.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Beleuchtungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens an einem Be leuchtungshimmel in Form einer Halbkugel und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Beleuchtungshimmel zur Darstellung der verschiedenen anwählbaren Sektoren, in denen sich jeweils eine oder eine Mehrzahl von Lichtquellen befinden können,

Fig. 3 einen Algorithmus eines Flußdiagramms für Pixel-Klassifikation mit (N+2) Beleuchtungen,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch eine Beleuchtungsvorrichtung bestehend aus einem zweidimensional gekrümmten Beleuchtungs himmel mit einer Beleuchtungsanordnung und

Fig. 5 eine weitere Beleuchtungsvorrichtung mit zweidimensional gekrümmten Beleuchtungshimmel und einer gestalterisch abweichenden Beleuchtungsanordnung und Objektzuführung.

Über eine Basis 8 (Fig. 1) wölbt sich ein halbkugelförmiger Beleuchtungs himmel, in welchem eine Vielzahl von Lichtquellen 2 angeordnet sind, vorzugsweise in verschiedene Sektoren sm, n gemäß der Fig. 2 aufgeteilt, wobei die Lichtquellen in ihrer Intensität einzeln freiprogrammierbar sind. Des weiteren befindet sich im Beleuchtungshimmel ein Beleuchtungsmodul 3 welches eine Mehrzahl von Lichtquellen 4 aufweist, die vorzugsweise als kartesisches Array angeordnet sind. Vor dem Beleuchtungsmodul 3 befindet sich eine Optik 5, die das von einer einzigen oder von wenigen Lichtquellen 4 ausgesandte Licht dergestalt bündelt, daß es zur gleichmäßigen Hellfeldausleuchtung ebener, reflektierender Oberflächen eines Objektes geeignet ist. Das Beleuchtungsmodul 3 dient insbesondere für die Welligkeit- und Knickprüfung an reflektierenden Oberflächen und somit zur Klassifizierung von Oberflächenneigungen. Die Lichtquellen 2 dienen zur diffusen Beleuchtung.

Das von den Lichtquellen 2 und 4 auf daß Objekt 1 geworfene und von diesem gestreute und reflektierte Licht wird von einem Objektiv 6 einer Videokamera aufgefangen und auf eine CCD-Matrix der Videokamera geleitet; die CCD-Matrix 7 der Videokamera ist an eine Bildspeichereinrichtung 9 angeschlossen, welche die Graubildfolgen speichert. Nach Abspeichern einer bestimmten, vorgebbaren Anzahl von Bildern bzw. Farbbildern innerhalb einer Bildspeichereinrichtung 9 der Videokamera werden die Bildinhalte bezüglich der Beleuchtungskoordinaten einer Fouriertransformation, vorzugsweise eine 2D-Fouriertransformation, unter worfen, um Betrag und Phase der Beleuchtungswinkelabhängigkeit des einzelnen Bildpunktes zu bestimmen.

Diese Klassifikationsmethode baut auf den prinzipiellen Eigenheiten der Grau wertsequenz auf, die bei Durchlaufen der sektoriellen Beleuchtungen erhalten werden. Die Grauwertsequenz wird als endlicher Ausschnitt einer periodischen, zeit- und wertdiskreten Funktion angesehen, die in ihre Basiskomponenten zerlegt werden kann; Betrag und Phase der Komponenten werden durch diskrete Fouriertransformation (DFT) der Anzahl N Grauwerte der Sequenz erhalten.

Die Sektorzahl N soll dabei für die Fouriertransformation eine Potenz von 2 sein und hängt gemäß dem Abtasttheorem von der Periode der kompliziertesten relevanten Streucharakteristik ab:

N 2x 2π/Tmin.

Hat man es mit π-periodischen Phänomenen zu tun, muß mit mindestens vier Sektoren beleuchtet werden. Für N = 4 können somit beispielsweise die Grau wertsequenzen durch Beleuchtung aus vier Raumsektoren gewonnen und anschließend einer Fouriertransformation unterzogen werden. Die Ergebnisse dieses Vorgangs für drei Fehlerklassen sind nachfolgend dargestellt und lassen sich wie folgt beschreiben:

(A) Die Grauwertsequenz eines Kratzers ist π-periodisch (2 Maxima), da das Licht aus 2 senkrecht zu seiner Orientierung liegenden Beleuch tungssektoren in die Kamera gestreut wird. Das Betragsspektrum weist eine große 2. Komponente auf, die Phase der 2. Komponente Φ2 gibt die Orientierungsrichtung des Merkmals an.
(B) Die Grauwertsequenz eines Punktes ist 2π-periodisch, da er das Licht aus einem bestimmten Beleuchtungssektor in die Kamera streut. Das Betragsspektrum hat eine große 1. Komponente.
(C) Ein isotrop streuendes Objektmaterial (Spiegel, Fleck) hat eine kon stante Grauwertsequenz. Sein Betragsspektrum besteht nur aus einem Gleichanteil, der ein Maß für die Streuintensität darstellt.

Nachfolgend ist eine Spektralanalyse dreier exemplarischer Grauwertsequenzen gezeigt, wobei die horizontale Koordinate den azimutalen Beleuchtungswinkel beschreibt.

Mit Hilfe der Fouriertransformation kann nun ein Oberflächenpunkt bzw. ein Pixel des Bildes der Videokamera klassifiziert werden, wobei nachfolgend ein erfindungsgemäßer möglicher Algorithmus in Form eines Flußdiagramms für die schnelle hierarchische Klassifizierung in beispielsweise vier idealisierte Fehlerklassen, wie Spiegel, Punkt, Kratzer und Fleck, gezeigt. Ein unver sehrter Punkt der Oberfläche (Spiegel-Punkt) kann sofort ausgesondert werden, indem Hell- und Dunkelfeldbild mit in Betracht gezogen werden. In diesem Fall ist die Klassifikation ohne die Fouriertransformation beendet.

Gemäß der Fig. 4 wölbt sich über einer Ebene 35 oder Basis ein Beleuch tungshimmel, der vorzugsweise ein innenverspiegelter Parabolspiegel oder ein innenverspiegelter Spiegel mit etwa paraboloidischer Form ist oder ähnlich zweidimensional gekrümmt ist und der, vorzugsweise im obersten Bereich der Wölbung, eine Öffnung 12 zum Lichtdurchtritt besitzt; diese Öffnung kann auch aus einem unverspiegelten, transparenten Materialfeld des Spiegels bestehen.

Für weniger genaue Merkmalsextraktionen kann der Beleuchtungshimmel halbkugelförmig, für beste Merkmalsextraktionen angepaßt zweidimensional gekrümmt sein.

Unterhalb der Öffnung 12 des Spiegels 11 befindet sich auf einem transparenten Träger 13 ein zu analysierendes Objekt 10. Unterhalb des Trägers 13 befindet sich auf der Ebene 35 eine Beleuchtungseinrichtung 14, die aus einer Mehrzahl von kartesischen Lichtquellenfeldern 15, 15′, 15′′ besteht, wobei jedes Lichtquellenfeld eine Mehrzahl von einzelnen Lichtquellen 17, 17′ aufweist. Die Lichtquellenfelder 15, 15′, 15′′ sind vorzugsweise LED-Arrays, deren einzelne Lichtquellen 17, 17′ einzeln oder in Gruppen sequentiell ansteuerbar sind. Direkt oberhalb der Lichtquellenfelder 15, 15′, 15′′ kann ein dieselben abdeckender Diffusor angeord net sein, der ein Tiefpaß ist und dazu dient, daß die Lichtquellen ortskontinuier lich sind, um das Abtasttheorem zu erfüllen.

Die Beleuchtungseinrichtung 23 oberhalb des Spiegels 11 und der Öffnung 12 besteht aus wenigstens einer Reflexions-Lichtquelle 23 und ist vorzugsweise ebenfalls ein LED-Array, der eine Optik zur reflektorischen Beleuchtung des Objektes 10 aus einem begrenzten Raumwinkel vorgeschaltet ist und vor der sich ebenfalls ein Diffusor 24 befinden kann. Die im Strahlengang der von der Beleuchtungs einrichtung 23 ausgesandten Lichtstrahlen 32 befindliche Optik ist beispielsweise eine Kollimationslinse 25, auf die ein Teilerspiegel 20 folgt. Seitlich des Teiler spiegels ist eine Videokamera 21 mit Bildspeichereinrichtung angeordnet, die eine Optik-Blenden-Einrichtung 22 aufweisen kann. Die Beleuchtungsein richtung 23 und die Videokamera 21 sind dergestalt aufeinander abgestimmt, daß die Konvergenz des Lichtbündels 32 gleich der Konvergenz des Beobach tungslichtbündels 32′ ist.

Die Beleuchtungseinrichtung 23 dient der mehr oder weniger vertikalen Beleuch tung flacher, reflektierender Objekte, wobei das Lichtstrahlenbündel 32 durch die Kollimationslinse 25 und nach Passieren des Teilerspiegels 20 sowie der Öffnung 12 innerhalb des Spiegels 11 als konvergentes Lichtbündel auf das Objekt 10 auftritt, von dort reflektiert und durch den Teilerspiegel 20 auf die Videokamera 21 geworfen wird. Die Beleuchtungseinrichtung 23 arbeitet analog der in Fig. 1 beschriebenen Beleuchtungseinrichtung 3.

Von den einzelnen Lichtquellen 17, 17′ der Lichtquellenfelder 15, 15′, 15′′ werden Lichtbündel 19 zum Spiegel 11 gesandt, die von dort als parallele Lichtbündel 19′ auf das Objekt 10 fallen, welches sich im Brennpunkt oder ungefähr im Brennpunkt des Spiegels 11 befindet. Diese mehr oder weniger horizontal ein fallenden Lichtbündel 19′ werden gestreut und durch den Teilerspiegel 20 auf die Videokamera 21 gelenkt. Von oben hingegen trifft auf das Objekt 10 konvergentes Licht ein, so daß die Vorrichtung die theoretischen Voraus setzungen für das gleichzeitige Vorhandensein von horizontalen, parallelen Beleuchtungs-Lichtstrahlen und von vertikalen, konvergenten Beleuchtungs- Lichtstrahlen gleichermaßen erfüllt.

Alternativ kann statt dem Kamerastrahlengang der Beleuchtungsstrahlengang abgeknickt verlaufen; alternativ zur Linse kann auch ein Spiegel zur Kollimation vorhanden sein. Ebenso können die ins Hellfeld gebrachten Objektoberflächen sphärisch gekrümmt sein, wenn die Kollimationsoptik entsprechend angepaßt ist.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Beleuchtungseinrichtung 26, bestehend aus einer Mehrzahl von kartesischen Lichtquellenfeldern 28, 28′, die wie die Licht quellenfelder der Fig. 4 aufgebaut sein können. Die Lichtquellenfelder 28,28′ sind ebenfalls mit einem Diffusor 30 abgedeckt. Die Beleuchtungseinrichtung 26 sowie der Diffusor 30 weisen mittig je eine Aussparung 29 bzw. 31 auf, durch die ein Objektträger 33 mit dem zu detektierenden Objekt 10 in vertikaler Richtung verschoben werden kann. Durch eine einfache Höhen- und Seitenverstellbarkeit kann somit das Objekt 10 bezüglich des Brennpunktes des Spiegels 11 vertikal und gegebenenfalls auch horizontal korrigiert werden. Ansonsten entspricht die Ausgestaltung des Spiegels 11 sowie der Beleuchtungseinrichtung 23 und der Videokamera 21 derjenigen der Fig. 1.

Die Größe und Anzahl der optimal erforderlichen Sektoren hängt von der Objekt funktion mit der niedrigsten Halbwertsbreite ab. Die geeignete Sektorzahl kann gefunden werden, indem das Verhältnis zwischen Merkmalssignal und Oberflächensignal über der Zahl der Sektoren aufgetragen wird. Dabei zeigt sich nach einem steilen Anstieg meist eine rasche Sättigung; bereits mit 3 bis 8 Bildern lassen sich leistungsfähige Fehlererkennungen realisieren, die gegen über statisch beleuchteten Einzelbildern von wesentlichem Vorteil sind.

Bezugszeichenliste

1, 10 Objekte
2 Lichtquellen
3 Beleuchtungsmodul
4 Lichtquellen
5 Optik
6 Objektiv
7 CCD-Matrix der Videokamera
8 Objektebene
9 Bildspeichereinrichtung der Video-Kamera
11 Spiegel
12 Öffnung
13 transparenter Träger
14 Beleuchtungseinrichtung
15, 15′, 15′′ ebene Lichtquellenfelder
16, 27, 34 Bewegungsdoppelpfeile
17, 17′ einzelne Lichtquellen
18, 24, 30 Diffusoren
19 Lichtbündel einer einzelnen Lichtquelle zum Spiegel
19′ vom Spiegel reflektiertes Lichtbündel einer einzelnen Lichtquelle
20 Teilerspiegel
21 Videokamera mit Bildspeichereinrichtung
22 Optik-Blenden-Einrichtung
23 Beleuchtungseinrichtung
25 Optik, z. B. Kollimationslinse
26 Beleuchtungseinrichtung
28, 28′ ebene Lichtquellenfelder
29, 31 Aussparungen
32 Lichtbündel
32′ Beobachtungslichtbündel
33 Objektträger
35 Ebene

Claims

1. Verfahren zum beleuchtungsdynamischen Erkennen und Klassifizieren von Oberflächenmerkmalen und -defekten eines Objektes (1), das von einem Beleuch tungshimmel umgeben ist, innerhalb dem mehrere unterschiedlich positionierte Beleuchtungsquellen (2, 4) zur diffusen Beleuchtung in flächiger Anordnung das Objekt (1) sequentiell beleuchten und mit vorgebbarer Winkel- und Intensitäts abstufung frei programmierbar sind zum Erzeugen - einer variablen Anzahl beliebiger Beleuchtungsfunktionen, wobei das von der Oberfläche des Objektes (1) in jedem Zeitpunkt jeweils diffus zurückgeworfene oder reflektierte Licht mittels einer CCD-Matrix (7), einer Videokamera, die eine Bildspeichereinrichtung (9) aufweist, als raum zeitlich verschiedene Bilder aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (1) zusätzlich aus einem begrenzten Raumwinkelbereich mit einem weiteren programmierbaren, flächenhaften Beleuchtungsmodul (3) zur reflektorischen Beleuchtung über eine Kollimationsoptik so beleuchtet wird, daß für alle Punkte einer ebenen Objektoberfläche die Reflexionswinkelbedingung erfüllt wird und der Nullpunkt des Beleuchtungskoordinatensystems in diejenige Punktlichtquelle gelegt wird, die über die als ebener Spiegel gedachte Oberfläche des Objektes (1) in die Kamerapupille abgebildet wird, die entstehenden Bilder von der CCD-Matrix (7), der Videokamera aufgenommen und in einer Bildspeichereinrichtung (9) abgespeichert und die Grauwertfolgen des aufgenommenen Bildstapels einer Merkmalsanalyse unterzogen werden, die eine Fouriertransformation ist und dadurch eine rotationsinvariante Klassifizierung der Merkmale erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Algorithmus für die hierarchische Klassifizierung in vier idealisierte Fehlerklassen, nämlich Spiegel, Punkt, Kratzer und Fleck, mit Fourier transformation wie folgt verwendet wird:

a) mit den Grauwertdaten des Beleuchtungsversuchs N Sektoren-, Hellfeld-, Dunkelfeldbeleuchtung = N + 2 Bilder wird eine Grauwertsequenz extrahiert d_n (n = 0, 1, . . . , N+1)
b) in einer Vorentscheidung wird geprüft, ob der Grauwertunterschied zwischen ringförmiger Dunkelfeldbeleuchtung und Hellfeldbeleuchtung an der jeweiligen Bildkoordinate größer ist als ein geeignet gewählter Schwellwert S₀ gemäß d_N - d_N+1 < S₀, was auf eine spiegelnde, ebene Oberfläche am entsprechenden Ort der Oberfläche schließen läßt und eine weitere Verarbeitung erübrigt
c) in allen anderen Fällen werden die bei umlaufenden Dunkelfeldsektoren gewonnenen Grauwertefolgen der jeweiligen Bildkoordinate einer Fouriertrans formation gemäß d_n(n = 0, 1, . . . , N-1) → D_k, Φ_k(k = 0, 1, 2) unterzogen,
d) das daraus resultierende Betragsspektrum D_k wird einer Klassifikation unterzogen, wobei in einer ersten Entscheidung überprüft wird, ob die Summe der Spektralkoeffizienten D1 und D2 klei ner ist als ein Schwellwert S1, wenn dies der Fall ist, dann wird die Klasse "Fleck" ausgegeben, ist dies nicht der Fall, dann wird in einer weiteren Entscheidung überprüft, ob der Spektralkoeffizient D2 größer ist als der Spektralkoeffizient D1, wenn dies der Fall ist, wird die Klasse "Punkt" ausgegeben, andernfalls die Klasse "Kratzer".

3. Vorrichtung zum beleuchtungsdynamischen Erkennen und Klassifizieren von Oberflächenmerkmalen und -defekten eines Objektes (1), das von einem Beleuch tungshimmel umgeben ist, innerhalb dem mehrere unterschiedlich positionierte Beleuchtungsquellen (2, 4) zur diffusen Beleuchtung in flächiger Anordnung das Objekt (1) sequentiell beleuchten und mit vorgebbarer Winkel- und Intensitäts abstufung frei programmierbar sind zum Erzeugen einer variablen Anzahl beliebiger Beleuchtungsfunktionen, wobei das von der Oberfläche des Objektes (1) in jedem Zeitpunkt jeweils diffus zurückgeworfene oder reflektierte Licht mittels der CCD-Matrix (7) der Videokamera die eine Bildspeichereinrichtung (9) aufweist, als raum zeitlich verschiedene Bilder aufnehmbar ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) wenigstens ein weiteres programmierbares Beleuchtungsmodul (3) mit einer Linsen- oder Spiegeloptik (5) zur gleichmäßigen reflektorischen Hellfeld-Beleuch tung von ebenen oder schwach gekrümmten Oberflächen, wobei der Nullpunkt des Beleuchtungskoordinatensystems in diejenige Punktlichtquelle gelegt ist, die über die als ebener Spiegel gedachte Oberfläche des Objektes (1) in die Kamera pupille abgebildet wird und
b) ein Algorithmusgenerator, der die von der Videokamera (21) aufgenommenen Bildstapel einer Transformation zu unterwerfen imstande ist, die eine Fourier transformation ist und dadurch eine rotationsinvariante Klassifizierung der Merkmale erhalten wird, womit bei geeigneter Wahl der Beleuchtungsfunktion die gesuchten Oberflächenmerkmale und Fehlertypen mit maximalem Signal- Rausch-Abstand detektierbar und klassifizierbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmodul (3) eine Mehrzahl von Lichtquellen (4) aufweist, die als kartesisches Array angeordnet sind, die Beleuchtungsfunktionen elliptische ring-, sektor- oder ringsektorförmige Verteilungen aufweisen und aus einer Anzahl von Ringsektoren (sm,n) bestehen, deren erzeugte Grauwertbildfolgen einer 1D- oder 2D-Fouriertransformation bezüglich der Ringsektorindices m, n unterworfen werden, wobei mittels der erhaltenen Koeffizienten die rotations invariante Klassifizierung der Merkmale durchführbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lichtquelle (2, 4) innerhalb des Beleuchtungshimmels aus einer Mehrzahl von getrennt ansteuerbaren Farblichtquellen, vorzugsweise grün, rot und blau, besteht und gleichzeitig je ein Bild mit den verschiedenen überlagerten Farben aufnehmbar ist, wobei ein Farbbild jeweils mindestens drei aufeinander folgende Graubilder zu ersetzen imstande ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Beleuchtungshimmel ein innen verspiegelter, konkav gekrümmter Hohl spiegel (11) ist, der in seinem obersten Bereich eine Öffnung (12) aufweist, oberhalb derselben sich die zur reflektorischen Beleuchtung dienende Beleuch tungseinrichtung (23) befindet und daß die zur diffusen Beleuchtung dienende Beleuchtungseinrichtung (14, 26) aus ebenen Lichtquellenfeldern (15, 15′, 15′′; 28, 28′) besteht, die sich unterhalb des Hohlspiegels befinden, wobei das Objekt (10) unterhalb der Öffnung (12) und ungefähr mittig innerhalb der ebenen Lichtquellenfelder innerhalb der Sammelfläche des Hohlspiegels angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel (11) ein Parabolspiegel ist und sich das Objekt (10) im Brennpunkt desselben befindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel (11) ein Kugelspiegel oder ein Ellipsoidspiegel ist und sich das Objekt (10) im Brennpunkt desselben befindet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsquellen (2) zur diffusen Beleuchtung ebene LED-Arrays (15, 15′, 15′′) sind, die auf einer gemeinsamen Ebene (35) unterhalb des Hohlspiegels (11) geordnet und mit einem Diffusor (18) abgedeckt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Beleuchtungsquellen (15, 15′, 15′′) zur diffusen Beleuchtung und dem Hohlspiegel (11) ein transparenter Träger (13) zum Plazieren des Objektes (10) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmodul ein LED-Array (23) ist, vor dem ein Diffusor (18) und oberhalb der Öffnung (12) des Hohlspiegels (11) ein Teilerspiegel (20) angeordnet sind, der das reflektierte Licht auf die Videokamera (21) leitet.