DE4243863A1 - Verfahren zur optischen Kontrolle regelmäßig strukturierter Oberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Kontrolle von regelmäßig strukturierten technischen Oberflächen mittels Kamera und Bildauswertesystem.

Bei der optischen Kontrolle von technischen Oberflächen mittels einer Kamera (derzeit meist eine CCD-Kamera) wird die zu prü­ fende Oberfläche mit einer geeigneten Beleuchtungsanordnung so beleuchtet, daß sich die zu erkennenden Fehler möglichst gut im Bild darstellen. Das Bild wird i.a. digitalisiert und das digitalisierte Bild wird mit einem geeigneten Computer - ggf. unter Zuhilfenahme einer speziellen Hardware - analysiert.

Die i.a. kritischen Komponenten eines solchen Systems sind die Beleuchtung und das verwendete Bildauswertungsverfahren.

Viele Oberflächenfehler lassen sich nur unter einem ganz be­ stimmten Beleuchtungs- und Betrachtungswinkel darstellen. Spezielle, aufgabenspezifische Beleuchtungsanordnungen erfor­ dern einen erheblichen Entwicklungsaufwand. Es wurden deshalb Anordnungen mit mehreren schaltbaren Lichtquellen vorgeschlagen, mit denen es möglich ist, den Prüfling aus unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichen Raumwinkeln zu beleuchten. (VIKON: Zwei- und dreidimensionale optische Oberflächenin­ spektion. Heiko Frohn, Schrift der Firma Vitronic Bildverar­ beitungssysteme GmbH, Wiesbaden./ITO: 3D-Meßtechnik und beleuchtungsdynamische Inspektion. R. Malz, Informationsblatt des Instituts für technische Optik, Universität Stuttgart).

In der Regel experimentell wird dann die für die vorliegende Aufgabe günstigste Beleuchtungsart bestimmt.

Die vorliegende Erfindung geht von einer solchen, bekannten Anordnung von schaltbaren Lichtquellen aus.

Bei den Bildanalyseverfahren kann man unterscheiden:

• - Merkmalsextraktionsverfahren, bei denen zunächst spezielle Merkmale berechnet werden; aus den Merkmalswerten wird in einer anschließenden Entscheidungsstufe eine Aussage über die Qualität der Oberfläche hergeleitet.

Beispiele für solche Merkmale sind:

• - Anzahl und die Fläche von zusammenhängenden Objekten in sog. Binärbildern, zur Detektion von Vertiefungen.
• - Anzahl, Länge und/oder Ballung von Konturen oder Linien, hergeleitet aus Grauwertbildern, zur Detektion von Kratzern und Rissen.
• - Bildvergleichsverfahren, bei denen in der Lernphase unter Vorlage eines fehlerfreien Teils ein Referenzbild gewonnen wird; die Analyse basiert dann auf einem Vergleich des aktuellen Bildes mit dem Referenzbild. Die Bewertung der Abweichung des aktuellen Bildes vom Referenzbild - in der einfachsten Form als Differenzbetragsbild dargestellt - kann auf vielfältige Weise geschehen, im einfachsten Fall durch Berechnung der Grauwertsumme des Differenzbetrags­ bildes (oder wiederum in Form einer Merkmalsextraktion).

Merkmalsextraktionsverfahren sind dann sehr schwierig einzu­ setzen, wenn die fehlerfreien Oberflächen bereits sehr inhomo­ gen sind, die Merkmalsanalyse im fehlerfreien Fall also orts­ spezifisch bereits sehr unterschiedliche Werte liefert.

Solchen ortsspezifischen Erscheinungen kann man mit Bildver­ gleichsverfahren begegnen, da diese im Referenzbild mit ent­ halten sind.

Bildvergleichsverfahren sind jedoch dann sehr schwierig ein­ setzbar, wenn die Darstellung der fehlerfreien Oberflächen starken Exemplarstreuungen unterworfen ist. Zum Beispiel können exemplarspezifische Kontrastunterschiede normaler­ weise noch herausgerechnet werden, bei exemplarspezifischen Unterschieden in der Hauptrichtung von Feinstrukturen ver­ sagen Bildvergleichsverfahren in der Regel. Auch zeitliche Beleuchtungsänderungen führen bei Bildvergleichsmethoden zu Schwierigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die oben aufgeführten Probleme beseitigt.

Die erfindungsgemäße Lösung betrifft Oberflächen mit regelmä­ ßiger Feinstruktur; bei solchen Strukturen wiederholt sich, ähnlich wie bei einer Tapete, das zugrundeliegende Muster zumindest näherungsweise regelmäßig. Der Abstand, in dem sich das Muster in einer Grundrichtung wiederholt, wird im folgenden Gitter konstante genannt. I.a. existieren mehrere Gitterkon­ stanten verschiedener Richtungen.

Die Lösung ist wie folgt:
Unter Zugrundelegung einer an sich bekannten Anordnung mit mehreren Lichtquellen wird der Prüfling aus unterschiedlichen Richtungen und/oder mit unterschiedlichen Raumwinkeln beleuch­ tet. Für jede dieser Beleuchtungsarten wird ein Bild aufge­ nommen und gespeichert, im folgenden Testbild genannt. Für jedes Testbild

• - werden ein oder mehrere "Verschiebebilder" erzeugt, wobei die Verschiebebilder aus dem Testbild durch zumindest näherungsweise Verschiebung um die Gitterkonstante der regelmäßigen Feinstruktur entstehen.
• - werden alle Verschiebebilder mit dem Testbild nach bekannten Bildvergleichsmethoden verglichen.

Die Verschiebung kann wahlweise mechanisch oder elektronisch oder softwaremäßig erfolgen.

Spezielle Ausgestaltungen zur Beleuchtung sind in den Ansprüchen aufgeführt.

Vorteile dieses Verfahrens sind:

• - Exemplarspezifische Streuungen globaler Objekteigenschaften (Kontrast, globale Eigenschaften von Texturelementen) treten nicht als Fehler in Erscheinung.
• - Lokale Abweichungen von einer ansonsten regelmäßigen Struktur treten sicher hervor.
• - Aufgrund inhomogener Beleuchtung können sich allmähliche Änderungen der Feinstruktur ergeben; das System unterdrückt solche beleuchtungsbedingte, allmähliche Änderungen, signali­ siert nur die abrupten, objektbedingten Änderungen jedoch zuverlässig ("allmählich" und "abrupt" hier örtlich, nicht zeitlich zu verstehen).
• - Durch die Kombination mit einer Anordnung von (schaltbaren) Lichtquellen können sehr unterschiedliche Fehlerarten mit ein und derselben Anordnung und ein und demselben Verfahren sicher erkannt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur optischen Kontrolle von regelmäßig strukturierten technischen Oberflächen, mittels Kamera und Bildauswertesystem, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• 1) Der Prüfling wird aus unterschiedlichen Richtungen und/oder mit unterschiedlichen Raumwinkeln beleuchtet, entweder zeitlich oder spektral voneinander getrennt.
• 2) Für jede dieser Beleuchtungsarten wird ein Bild aufgenommen im folgenden Testbild genannt.
• 3) Für jedes Testbild werden ein oder mehrere "Verschiebe­ bilder" erzeugt, wobei die Verschiebebilder aus dem Test­ bild entstehen durch zumindest näherungsweise Verschiebung um eine Gitterkonstante der regelmäßigen Feinstruktur - in der der Gitterkonstanten entsprechenden Richtung - oder einem ganzzahligen Vielfachen dieser Gitterkonstanten.
• 4) Die Verschiebebilder werden mit dem Testbild, aus dem sie jeweils hervorgegangen sind, verglichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebebilder durch mechanische Verschiebung des Prüflings erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebebilder durch Ablenkung des Strahlengangs (Drehspiegel oder dergleichen) erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebebilder elektronisch mit einer speziellen Hardware erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebebilder softwaremäßig mit einem konventionellen Computer erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ver­ schiedene Beleuchtungseinrichtungen geschaltet werden, wodurch sich eine Beleuchtung aus unterschiedlichen Richtungen und/oder mit verschiedenen Raumwinkeln ergibt, und die Testbilder zeit­ lich nacheinander aufgenommen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtungen in unterschiedlichen Spektral­ bereichen arbeiten (z. B. durch geeignete Filter) und die Testbilder von einer Farbkamera aufgenommen werden und über die Farbart voneinander getrennt werden.