DE4434699C2 - Anordnung zur Prüfung durchsichtiger oder spiegelnder Objekte - Google Patents

Description

Der Gegenstand der Erfindung ist die Prüfung transparenter oder spiegelnder Objekte mittels einer Anordnung aufeinander abgestimmter Komponenten zur Beleuchtung und Abbildung und zur Auswertung des Bildes. Insbesondere wird durch die Anordnung erreicht, daß Strukturen (z. B. Kratzer) auch dann erkannt werden können, wenn deren Breite um ein Vielfaches geringer ist, als die Größe der einzelnen Bildpunkte der Kamera bezogen auf die Objektebene. Beleuchtungs- und Abbildungsteil befinden sich beide auf derselben Seite des Objekts. Hinter dem Objekt (bei Transparenz) oder im Bereich der Reflexion (bei spiegelnder Oberfläche) wird in beliebigem Abstand eine retroreflektierende Oberfläche angeordnet, die einen wichtigen Teil der Beleuchtung darstellt. Bei dieser Anordnung werden Fehler des Objektes besonders kontrastreich und reproduzierbar, insbesondere aber gut vorhersehbar abgebildet, so daß eine maschinelle präzise Qualitätskontrolle vorwiegend mit automatischen Bildauswertegeräten erleichtert wird.

Stand der Technik

Zur Hervorhebung von Fehlern an glänzenden Oberflächen (Unebenheiten, Kratzer usw.) und von Fehlern innerhalb transparenter Objekte (z. B. Blasen) sind Dunkelfeldbeleuchtungen bzw. Streulichtverfahren üblich, bei denen die Lichtstrahlen ausgehend von der Lampe über die Reflexion an durch Fehler erzeugte Kanten des zu prüfende Objektes in das Objektiv einer Kamera gelangen.

Zur Hervorhebung von Oberflächenfehlern an glänzenden Objekten (Unebenheiten, Kratzer usw.) und von Fehlern innerhalb transparenter Objekte (z. B. Blasen, Fließlinien und Schlieren) werden auch Anordnungen verwendet, bei denen die Lichtstrahlen ausgehend von der Lampe über die Reflexion an der Oberfläche des zu prüfenden Objektes bzw. durch das zu prüfende Objekt hindurch auf eine retroreflektierende Oberfläche gelangen, an der die auftreffenden Lichtstrahlen in sich zurückgeworfen werden und bei fehlerfreiem Objekt schließlich in das Objektiv einer Kamera gefangen. Bei fehlerfreiem Objekt entsteht auf der Projektionsfläche der Kamera ein im wesentlichen helles Bild. Sobald sich Fehler auf der Objektoberfläche oder in dem Objekt befinden, gelangen die in ihrem Verlauf dadurch gestörten Lichtstrahlen nicht mehr in das Objektiv, so daß auf der Projektionsfläche eine registrierbare dunkle Stelle entsteht. (H. Marguerre: Kontrastierverfahren an Oberflächen zur Qualitätsprüfung, in Feinwerktechnik und Meßtechnik 93 (1985) 8, S. 419-422.)

Der Stand der Technik bezüglich optischer Anordnungen zur Erzeugung eines für die automatische Prüfung eines Objektes möglichst gut geeigneten Bildes des Objektes, muß auch unter dem Aspekt der nachfolgenden Auswertung der Bilder gesehen werden. Deshalb sollen die dazu verwendeten Techniken erläutert werden.

Aus der Sicht der Bildverarbeitung stellt sich ein Objekt detektierbar dar, wenn sein Helligkeits- (oder Farbwert) in der Abbildung von der Umgebung so abweicht, das entsprechende Filter ein Signal abgeben, mit deren Hilfe das Objekt registriert wird. Die Abweichung soll möglichst gut mit den Eigenschaften des Objektes korrelieren und möglichst unabhängig von Randbedingungen wie Justage, absolute Helligkeit, Ausrichtung gegenüber Zeilen- und Spaltenrichtungen der Kamera sein. Strukturen, die geringere Ausdehnung haben als die Größe der Pixel, bezogen auf die Bildebene, sollen möglichst ihrer Ausdehnung proportionale elektrische Helligkeitssignale erzeugen.

Nachteile der beschriebenen Verfahren

Die Nachteile der bekannten Streulichtverfahren liegen im wesentlichen darin, daß der Helligkeitsverlauf der in der Abbildung erzeugten Strukturen von der individuellen und sehr vielfältigen 3d-Gestalt der Fehler abhängig ist. Dadurch ist es schwer, die Erkennbarkeit von Fehlern vorauszusagen und auf die Ausdehnung der Strukturen zu schließen, insbesondere, wenn die diskrete Rezeptorstruktur der Kamera gröber als zu erkennende Strukturen ist. Die Auflösung der Abtastung entsprechend zu erhöhen, scheitert an der immensen Anzahl von Bildpunkten, die zur Prüfung eines ausgedehnten Objektes herangezogen werden müßten.

Die von Marguerre beschriebene Anordnung, die unter Verwendung eines Retroreflektors zur Kontrastierung von Fehlern an der Oberfläche spiegelnder Objekte oder in transparenten Objekten benutzt wird, hat den Nachteil, das der Einfallswinkel der von der Lichtquelle aus auf das Objekt fallenden Strahlen ebenso wie die zur Abbildung durch das Objektiv fallenden Strahlen relativ zum Objekt je nach Ort im Bildfeld unterschiedliche Einfallswinkel aufweisen. Die optischen Verhältnisse variieren also über das Bildfeld. Die Folge ist eine schwer steuerbare Selektivität der Anordnung. Insbesondere ist die quantitative Beurteilung von Strukturen, deren Breite im Bereich der Bildpunktauflösung eines nachgeschalteten Bildwandlers ist oder sogar darunter liegt sehr schwierig (Bild 1).

Aufgabe und Lösung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine gute Selektivität der Anordnung den Anforderungen der Industrie bei einer Prüfung transparenter oder spiegelnder Objekte zu genügen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Hierzu wird eine Auflichtbeleuchtung verwendet, bei der die Lichtquelle in telezentrischem oder angenähert telezentrischem Strahlengang über einen flächig ausgeprägten Retroreflektor in die Pupille des Abbildungssystems abgebildet wird. Das mit Hilfe des telezentrischen oder annähernd telezentrischen Abbildungssystems erzeugte Bild wird dann durch eine geeignete Bildauswerteeinrichtung ausgewertet.

Annähernde Telezentrie ist dann erfüllt, wenn eine Abweichung von der vollständigen Telezentrie so gering ist, daß bei einer Auswertung des Bildes keine Ortsabhängigkeiten der Abbildungseigenschaften zu berücksichtigen sind.

Ausführungsbeispiele

Technische Ausführungen, welche die Erfindung betreffen, werden in den folgenden Beispielen beschrieben

Erstes Ausführungsbeispiel

Im ersten Ausführungsbeispiel sollen Risse, Kratzer, Blasen und sog. Fließlinien an transparenten Werkstücken erfasst werden. Die in dem Ausführungsbeispiel beschriebene Anordnung dient dazu, zunächst ein für die automatische Bildverarbeitung gut geeignetes Bild des Objektes in der Bildebene zu erzeugen und dieses dann mit Hilfe eines geeigneten Bildauswertegerätes zu interpretieren.

Bild 2 zeigt schematisch die Anordnung von Lampe 1, halbdurchlässigem Spiegel 2, Objekt 3, flächenhaft ausgeprägtem Retroreflektor 4 (im weiteren Retroreflektor genannt), Objektiv 5, Blende 6 und Bildaufnehmer 7. Der Bildaufnehmer 7 kann durch einen bildgebenden Sensor (z. B. Fernsehkamera) oder auch durch eine Mattscheibe realisiert werden, die eine Erfassung der abgebildeten Strukturen ermöglicht. Vorgezogen wird aber eine Kamera, mit der eine elektronische Repräsentation des Bildes erreicht wird. Das so repräsentierte Bild wird automatisch ausgewertet. Weiterhin sind vorhanden Kollektorlinse 9, Aperturblende 12, Feldlinse 13 und Feldblende 14. Die Aperturblende 12 befindet sich in der Brennebene der Feldlinse 13, so daß die Aperturblende 12 in das Unendliche abgebildet wird. Und die Blende 6 steht in der Brennebene des Objektivs 5. Damit entsteht eine Abbildung der Aperturblende 12 in der Ebene der Blende 6. Somit handelt es sich um eine Köhlersche Beleuchtung, wie sie bei Mikroskopen üblich ist. Es kann aber auch auf die klassische Ausgestaltung der Köhlerschen Beleuchtung verzichtet werden. In dem Fall befindet sich die Lampe 1 direkt an der Stelle der Aperturblende 12. Die Aperturblende 12 sowie Kollektorlinse 9 und Feldblende 14 entfallen dann.

Betrachtet man statt eines einzelnen alle Strahlen, die ausgehend von der Lampe 1 über den Retroreflektor 4 zur Lampe 1 zurückgehen, kann man schließen, daß die Lampe 1 in sich selber abgebildet wird. In der hier gegebenen Anordnung entsteht ein Bild der Lampe 1 jedoch nicht nur an dem Ort der Lampe selbst, sondern auch im Unendlichen hinter dem halbdurchlässigen Spiegel 2 infolge der Strahlen, die von dem Retroreflektor 4 ausgehend durch den halbdurchlässigen Spiegel 2 hindurchtreten. Innerhalb des zur Abbildung des Prüflings verwendeten telezentrischen Objektivs wird ein Bild der Lampe genau in die durch Blende 6 bestimmte Pupille des Objektivs erzeugt, so daß dessen Abbildungseigenschaften nicht gestört werden. Die Position der Lampe 1 wird nun so gewählt, daß dieses Bild der Lampe in der Pupille des Objektives 5 entsteht. Hinsichtlich der Ausnutzung des Lichtes und der Fernhaltung störenden Fremdlichtes ist diese Anordnung sehr effizient.

Bei dieser Anordnung erscheint das transparente Objekt 3 im Bild hell. Der Effekt kommt folgendermaßen zustande:

Ein Lichtstrahl, der an der Lampe 1 austritt, trifft den halbdurchlässigen Spiegel 2. Ein Teil davon gelangt nach der Reflexion an dem Spiegel 2 durch das Objekt auf den Retroreflektor 4. Dort wird er in sich zurückgeworfen. An der Oberfläche des halbdurchlässigen Spiegels 2 wird er in zwei Teile geteilt. Der reflektierte Teil trifft die Lampe 1 an der Stelle, von der ursprüngliche Lichtstrahl ausging und trägt nicht zur Abbildung bei. Der hindurchtretende Teil erzeugt eine Helligkeit auf der Bildebene an einem Punkt, der der Abbildung des Punktes auf oder in dem Objekt 3 entspricht, an dem der Lichtstrahl hindurchdringt bzw. reflektiert wird. Gelangen Lichtstrahlen infolge einer Ablenkung, die das Auftreffen auf den Retroreflektor unterbindet, nicht auf den Retroreflektor, gelangen sie nicht durch das Objektiv auf die Bildebene. Deshalb erscheint das entsprechende Bilddetail dunkel.

Die Anordnung erzeugt ein Bild, das grob einem konventionell erzeugten Durchlichtbild entspricht (Lichtquelle hinter dem Objekt). Ein ganz wesentlicher praktischer Vorteil ergibt sich auch dadurch, daß sich Beleuchtung und Abbildungsoptik leicht mechanisch verbinden und über ein Objekt gemeinsam hinweg bewegen lassen. Dabei bleibt die Abbildung der Lampe 1 in die durch Blende 6 bestimmte Pupille erhalten, so daß stets ein gut justierter und gebündelter Beleuchtungsstrahlengang sowie eine sehr hohe Lichtausbeute vorhanden sind. Der Retroreflektor kann nahezu beliebig weit hinter dem Objekt angebracht werden und bedarf nur einer groben Ausrichtung. Er muß nur wirksam sein.

Weitere Vorteile ergeben sich durch Anwendung des telezentrischen Prinzips sowohl im Beleuchtungs- als auch im Abbildungsstrahlengang.

• - Die Größe der Abbildung eines Objektes 3 wird konstant gehalten, auch wenn es aus der Schärfeebene heraus bewegt wird.
• - Es entsteht eine Parallelperspektive, die geometrische Interpretationen des Bildinhaltes für eine Erfassung der Abmessungen des Objektes durch einen bildgebenden Sensor erleichtern.
• - Die telezentrische Anordnung hat weiterhin den entscheidenden Vorteil, daß von allen Objektpunkten aus die Strahlenbündel, die zur Abbildung beitragen, zueinander parallel und bezüglich ihres Hauptstrahles parallel zu der Achse der Abbildungsoptik verlaufen. Somit ergeben sich für alle Orte innerhalb des Sehfeldes auf der Gegenstandsebene die gleichen Beleuchtungs- und Abbildungseigenschaften. Bei zentraler Projektion kann z. B. die Abbildung eines und desselben Objektdetails völlig unterschiedliche Glanzlichter aufweisen, je nachdem, ob es in die Mitte des Sehfeldes positioniert wird und mit einem Strahlenbündel abgebildet wird, das parallel zur optischen Achse verläuft, oder ob es sich am Rande des Sehfeldes befindet und mit einem Strahlenbündel abgebildet wird, das schräg zur optischen Achse verläuft. Folglich ergibt ein telezentrischer Strahlengang nicht nur Vorteile bei der Interpretation des Bildinhaltes durch Parallelperspektive, sondern eine über das ganze Bildfeld hinweg gleiche Wirkung der Beleuchtung, so daß das Bild eines Objektdetails unabhängig von seiner Position im Bildfeld ist.
• - Die Richtung aller Strahlenbündel bei der telezentrischen Anordnung ist wie oben erläutert, überall gleich. Deshalb braucht der Retroreflektor nur einen Raumwinkel abzudecken, der dem der Apertur des Objektives entspricht. Er kann also klein sein und trotzdem ein gleichmäßig helles Bild bei fehlerfreiem Prüfling erzeugen. Werden Lichtstrahlen beim Durchgang durch den Prüfling so abgelenkt, daß sie nicht mehr auf den Retroreflektor fallen, gelangen sie letztendlich nicht auf die Bildebene. Das entsprechende Bilddetail erscheint dunkel. Durch die geringe Fläche des Retroreflektors bildet die Anordnung sehr gut modulierend kleinste Störungen ab wie z. B. Kratzer, Unebenheiten in der Oberfläche brechende Inhomogenitäten innerhalb des transparenten Prüflings (z. B. Fließlinien).

Eine weitere Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels ergibt sich, wenn die Beleuchtung durch einen Teil der Abbildungsoptik hindurch ausgeführt wird in einer Anordnung, die bei Auflichtmikroskopen üblich ist. Bild 2a zeigt eine entsprechende Anordnung. Die Aperturblende 12 wird über einen Strahlteiler 15 oder einen teildurchlässigen Spiegel in der durch Blende 6 bestimmten Pupille abgebildet. Dieses Bild der Aperturblende wird über das Objektiv 5, den Retroreflektor 4, nochmals über das Objektiv 5 wiederum in der Pupille abgebildet.

Der Strahlteiler und die sich auf seiner seitlichen Achse befindenden Teile der Beleuchtungseinrichtung können auch zwischen der Blende 6 und dem Objektiv 5 angeordnet werden. Die Blende 6 kann sich auch innerhalb des Strahlteilers befinden.

Weitere Möglichkeiten, einen telezentrischen Strahlengang für die Abbildung zu erreichen, bestehen in einer zweistufigen Anordnung. Diese ist vorteilhaft, weil die Abbildungsqualität und gleichzeitig die Lichtstärke erhöht werden können. Dabei wird die Blende 6 durch eine Linse bzw. ein Objektiv ersetzt. Die Pupille dieses Objektives muß in der Ebene liegen, in der sich parallele Strahlen, die in das Objektiv 5 eintreten, sammeln. Es sind auch Anordnungen anwendbar, bei denen die Pupille als solche erhalten bleibt und zwischen dieser und der Bildebene ein zweites Objektiv angeordnet wird. Ein solcher zweistufiger telezentrischer Strahlengang ist vorteilhaft, wenn die Pupille zugänglich sein soll, um an dieser Stelle in den Strahlengang einzugreifen.

Der halbdurchlässige Spiegel 2 kann auch durch ein anderes Element ersetzt werden, das eine teilweise spiegelnde plane Schicht aufweist, z. B. durch einen Strahlteilerwürfel.

Eine weiterhin sehr vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn durch eine große Apertur der Beleuchtung und eine ebenfalls große aber durch eine einstellbare Blende 6 reduzierbare Apertur des abbildenden Objektivs eine Empfindlichkeitseinstellung möglich ist. Bei sehr kleiner Apertur entsteht schon bei kleiner Brechung der Lichtstrahlen durch den Prüfling eine große Helligkeitsmodulation. Dieses kann erwünscht sein. Es kann aber auch die automatische Auswertung des Bildes durch diese Empfindlichkeit sehr erschwert sein: Wenn beispielsweise durch eine angeätzte Oberfläche wie bei Kopiererfenstern üblich, eine erhebliche Helligkeitsmodulation schon durch die vom Ätzen erzeugte Oberflächenstruktur entsteht, in der durch Kratzer erzeugte Helligkeitsmodulation kaum noch erkennbar ist. Durch Wahl einer großen Apertur kann die Helligkeitsmodulation durch die gewollte Oberflächenstruktur gering gehalten werden, so daß die eigentlichen Fehler sich dem gegenüber kontrastreich herausheben. Die Fläche des Retroreflektors muß so groß gewählt werden, daß der durch die Beleuchtung erfüllte Raumwinkel überdeckt wird.

Die in allen oben geschilderten Varianten aufgezeigten Vorteile treten auch ein, wenn Beleuchtung und Abbildung nicht exakt sondern nur annähernd telezentrisch sind.

Die Aufnahme des wie oben dargestellt erzeugten Bildes geschieht mit einem Wandler, der das Bild in ein elektrisches Signal umwandelt, vorzugsweise einer Fernsehkamera oder einem linienhaften Bildaufnehmer. In letzteren Fall ist eine relative Bewegung zwischen dem Prüfling und dem Bildwandler nötig, um ein flächenhaftes Bild zu erzeugen. Die Extraktion der in dem Bildsignal enthaltenen Information und die Aufarbeitung zu einer Darstellung, die entweder direkt dem Bediener zugänglich ist oder automatisch weiter verwertet werden kann, geschieht in einem nachgeschalteten Digitalisierer und einem Bildverarbeitungsrechner.

Zweites Ausführungsbeispiel

Auch bei glatten reflektierenden Oberflächen ansonsten transparenter Werkstücke ist die im zweiten Ausführungsbeispiel beschriebene Anordnung vorteilhaft zur Erkennung von Unebenheiten in der Oberfläche.

Eine hell und gleichmäßig erscheinende Abbildung des Spiegels ist bei einer Beleuchtung, die aus dem Glazwinkel auf das Objekt gerichtet ist, schwer zu erreichen und sehr von der individuellen Konstellation abhängig.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung, die sich durch Abwandlung aus dem ersten Ausführungsbeispiel ergibt, treten derartige Schwierigkeiten nicht auf. Bild 3 zeigt einen Aufbau mit Lampe 1, halbdurchlässigem Spiegel 2, Spiegel 3, Retroreflektor 4, Objektiv 5, Blende 6 und Bildaufnehmer 7. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel wird der Retroreflektor hier nicht unter dem Objekt angebracht, sondern so, daß die an dem Spiegel gespiegelte optische Achse den Reflektor etwa in der Mitte trifft. Dazu ist die optische Achse gegenüber der Spiegelnormalen geneigt.

Wie im ersten Ausführungsbeispiel ist die Richtung aller Bündel wegen der Telezentrie im Beleuchtungs- und im Abbildungsstrahlengang gleich und unabhängig von dem Ort im Bildfeld. Deshalb braucht der Retroreflektor auch nur einen von der Objektebene ausgehenden Raumwinkel abzudecken, der der Apertur des Objektives entspricht. Er kann also klein sein. Dadurch kann der Winkel zwischen optischer Achse und Normalen der Spiegeloberfläche auch klein gewählt werden. (Abbildungsoptik und der Raum, durch den das Licht auf den Retroreflektor fällt, müssen nebeneinander passen. Bei großem Raumwinkel" den der Retroreflektor abdecken muß, muß deshalb der Einfallswinkel groß sein.) Die Spiegeloberfläche braucht also nur wenig aus der Schärfeebene gekippt werden. Daraus ergeben sich sehr geringe Ansprüche an die Schärfentiefe des Abbildungsstrahlenganges.

Die weitere Ausgestaltung hinsichtlich Erfassung und Auswertung der im Bild enthaltenen Information entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel ebenso die vorteilhaft angewandten Varianten.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Erkennung von Fehlern an der Oberfläche oder im Inneren von transparenten Objekten oder an spiegelnden Objekten oder in deren Innerem, wenn die spiegelnde Schicht der Beobachtungsrichtung abgewandt ist, mit Erzeugung eines Bildes durch eine Einrichtung zur Beleuchtung des Objektes auf der gleichen Seite des Objektes, wobei das Licht zur Beleuchtung des Objekts mit Hilfe einer Lichtquelle (1) einer teilspiegelnden planen Oberfläche (2) und einer beliebig geformten retroreflektierenden Oberfläche (4) erzeugt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung einen telezentrischer oder annähernd telezentrischer Optik zur Beleuchtung und zur definierten Abbildung des Objektes (3) und einer automatisch wirkenden Einrichtung zur Erfassung von Fehlern.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung eine Köhlersche Beleuchtung verwendet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ins Unendliche und dann über die retroreflektierende Oberfläche (4) in die durch eine Blende (6) bestimmte Pupille des Teils der Anordnung abgebildet wird.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur der Abbildungsoptik durch Verstellen der Blende (6) einstellbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Beleuchtung und Abbildungsoptik sich vor und der Retroreflektor (4) sich hinter dem Objekt (3) befinden.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Beleuchtung und Abbildungsoptik sowie der Retroreflektor (4) sich auf derselben Seite des Objektes (3) befinden, wobei der Retroreflektor (4) in der Verlängerung der optischen Achse angebracht ist, die sich aus der Reflexion der durch Beleuchtung und Abbildung gegebenen Achse an der Oberfläche des Objektes (3) ergibt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur der Beleuchtung und der Abbildung so gewählt werden, daß geringe Unebenheiten oder geringe Inhomogenitäten in dem Objekt (3), die bei der späteren Verwendung nicht stören, nur zu schwacher Helligkeitsmodulation im Bild führen und die Fläche des Retroreflektors (4) dem angepaßt wird.