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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Inspizieren
bzw. Untersuchen von Bauteilen, und insbesondere eine Vorrichtung,
die ein Array bzw. eine Gruppierung von Lichtquellen und Videoeinrichtungen
als Mittel zum Evaluieren eines Bauteils auf Konformität in Bezug
auf Raumformkriterien verwendet.
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Es
besteht ein stets wachsender Bedarf an der Erzielung hochqualitativer
Erzeugnisse, der zu einer signifikanten Zunahme der Nutzung kontaktfreier
Inspektionssysteme geführt
hat. Damit eine komplexe Maschine so arbeiten kann, wie sie konstruiert wurde,
ist es erforderlich, dass sämtliche
ihrer Bestandteile mit Qualitätskriterien übereinstimmen.
In einigen Herstellungsanordnungen fordern Kunden eine 100 %-ige
Inspektion der Bestandteile. Beispielsweise müssen in der Kraftfahrzeugindustrie verwendete
Befestigungsmittel einzeln inspiziert werden, um zu ermitteln, ob
sie Raumformkriterien entsprechen.
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Zahlreiche
Arten von Inspektionssystemen werden derzeit genutzt. Eine Systemart
verwendet Kontaktsonden, die ein Bauteil an verschiedenen Punkten
berühren,
um zu ermitteln, ob ihre Abmessungen oder ihr Profil bestimmte Kriterien
erfüllen. Kontaktvorrichtungen
sind jedoch an sich deshalb beschränkt, weil sie einem Verschleiß unterworfen sind
und üblicherweise
erfordern, dass das Bauteil und die Kontaktsonde während des
Evaluierungsprozesses exakt positioniert werden. Derartige Vorrichtungen
zeigen üblicherweise
eine langsame Arbeitsweise und sie sind beschränkt im Hinblick auf die Anzahl
von Kriterien und die Komplexität
der Profile, die sie evaluieren können. Eine Vielzahl kontaktfreier Systeme
ist ebenfalls bekannt, die eine Vielzahl von Techniken nutzen. Beispielsweise
prüfen
Ultraschallinspektionssysteme reflektierte Schallwellen als Mittel
zum Charakterisieren eines Bauteils. Verschiedene Systeme beruhen
auf der Fotoermittlung unter Nutzung von Einkanal-Fotodetektoren.
Zusätzlich werden
Lasermesssysteme verwendet, um spezielle Messungen bis zur Gitterabmessung
zu erzielen.
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Obwohl
bekannte kontaktfreie Inspektionssysteme üblicherweise sehr nützlich sind,
sind sie in bestimmtem Sinne beschränkt. Zahlreiche der aktuell verfügbaren kontaktfreien
Messsysteme erfordern eine komplexe Datenverarbeitung, die eine
Geschwindigkeitsbegrenzung bei Teilevaluierungen mit sich bringt.
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Beispielsweise
Systeme unter Verwendung von zweidimensionalen fotoempfindlichen
Arrays bzw. Gruppierungen stellen extreme Datenverarbeitungsanforderungen,
was mit sich bringt, dass der Teiledurchsatz reduziert ist. Bevorzugt
kann die Evaluierung eines Werkstücks in ausreichend rascher Weise
durchgeführt
werden, indem die Teile direkt in qualifizierte oder disqualifizierte
Teileströme
sortiert werden. Den Systemen, die eine derartige Hochgeschwindigkeitsinspektion
zulassen, mangelt es jedoch an wertvollen Signalverarbeitungsfähigkeiten, wie
etwa Randermittlung und Echtzeitabbildung. Die Randermittlung erhöht die Genauigkeit
der Inspektion und erlaubt es, dass das Teileinspektionssystem die
diskreten Fotodetektoren innewohnenden Beschränkungen überwindet. Frühe Fotoermittlungssysteme
und Ultraschallsysteme stellten eine Teileforminformation auf Grundlage
der Signalstärke
eines Wandlers bereit. Diese Information stellte lediglich eine
Annäherung
an die Teileform dar und erbrachte nicht das wahre Bild des Teils.
Beispielsweise konnten Einkanal-Fotosignale ein einziges Ausgangssignal
in Bezug auf die Menge des ausgeschlossenen Lichts erzeugen. Über eine
gewählte Zeitperiode
ergibt dieser Einkanal-Fotodetektor eine Annäherung an die Teileform, stellt
jedoch nicht das tatsächliche
Bild des Teils bereit.
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Die
US-A-5568263 erläutert
ein kontaktfreies Inspektionssystem zum Evaluieren von Raumformparametern
eines Werkstücks,
wobei Teile nacheinander auf eine schräg verlaufende Schiene geladen werden,
wo sie durch einen Testabschnitt laufen. Der Testabschnitt enthält ein Längenermittlungsarray, das
eine Quelle enthält,
die einen Lichtstreifen erzeugt, der in Längsrichtung des Werkstücks ausgerichtet
ist. Das Profil der Teile wird durch eine oder mehrere Lichtquellen
evaluiert, die ein Lichtband erzeugen, das quer zur Längsachse
der Teile ausgerichtet ist. Erste und zweite Paare von Einkanal-Fotodetektoren sind
für jede
der Lichtquellen vorgesehen und stellen ein Paar von analogen Ausgangssignalen bereit,
die zu Längen-
und Profildaten führen,
die sich auf die Werkstückgeometrie
beziehen, und zwar nach einer geeigneten Signalverarbeitung.
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Die
US-A-5559727 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln
der Position einer Komponente, die auf einem Ende eines Abtastwerkzeugs
gehalten ist, das ein Abtastwerkzeug und ein Positionserfassungssystem
enthält.
Das Positionserfassungssystem enthält eine einstellbare Lichtquelle
zum Erzeugen eines intensiven Lichtfächers auf eine Kollimationslinse.
Die Kollimationslinse erzeugt ein Objektfeld, umfassend ein dünnes, breites Band
von kollimiertem Licht, das auf ein durch das Abtastwerkzeug gehaltenes
Bauteil projiziert wird. Das dünne,
breite Lichtband wird auf ein Bauteil projiziert, dessen Position
ermittelt werden soll, und nicht blockierte Lichtstrahlen werden
auf eine Objektivfokussierlinse projiziert, die das nicht blockierte
Licht durch eine sehr kleine Apertur auf eine Relaislinse fokussiert,
die die erneut fokussierten, nicht blockierten Lichtstrahlen empfängt und
ein erneut fokussierte kollimierte Lichtstrahlen erzeugt, die als
Bild auf einen linearen Arraysensor gerichtet werden, der mehrere
hochdichte Pixelsensoren aufweist, deren Position relativ zum Abtastwerkzeug
bekannt ist. Ein Drehen des Bauteils trägt dazu bei, die Positionsdaten des
Bauteils auf das Abtastwerkzeug zu übertragen.
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Die
US-A-4417147 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln
der Rundheit eines zylindrischen Gegenstands. Der Gegenstand wird
gedreht und ein kollimierter Lichtstrahl wird quer auf den sich
drehenden Gegenstand gerichtet, um einen Schatten auf einen Fotosensor
zu werfen, der ein elektrisches Signal erzeugt, das einen Strompegel aufweist,
der für
den beleuchteten Bereich repräsentativ
ist. Die Rundheit in dem zylindrischen Gegenstand manifestiert sich
als hin- und herlaufende Veränderung
im Bereich des Schattens, der auf den Fotosensor geworfen wird,
was zu einer periodischen Änderung
des Ausgangssignals des Fotosensors führt. Die Amplitude dieser Änderung
wird ermittelt, um ein Maß für die gesamte
angezeigte Rundheit des Gegenstands bereitzustellen.
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Es
besteht ein Bedarf auf diesem Gebiet der Technik an einem Hochgeschwindigkeitsinspektionssystem
mit leistungsfähigen
Signalverarbeitungsmöglichkeiten,
die die Randermittlung und die Echtzeitabbildung enthalten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein verbessertes kontaktfreies
Inspektionssystem bereitgestellt, das es erlaubt, eine rasche Inspektion
durchzuführen,
und das es erlaubt, dass Teile sofort im Hinblick auf ihre Konformität oder fehlende
Konformität
in Bezug auf Raumformkriterien sortiert werden können. Darüber hinaus kann eine Hardcopy
der Teilegeometrie aus einem Schattenbild oder aus einem Ausschlusslichtprofil
von dem Teil erzeugt werden, wodurch spezielle Formabweichungen
erarbeitet werden. Beispielsweise können für ein Gewindebefestigungselement
Durchmesser, Länge, Profil
und Gewinde evaluiert werden. Wenn Befestigungselemente hergestellt
werden, beginnt der Prozess häufig
ausgehend von einem Drahtvorrat, der in eine Kaltkopfbildungs- oder
Schraubenbildungsmaschine zugeführt
wird. Das Teil wird in der Maschine in eine Form geschnitten bzw.
gestanzt oder geformt und kann mehrere Durchmesser aufweisen und
möglicherweise über eine
bestimmte Länge
ein Gewinde oder eine Rändelung.
Das geformte Teil kann sekundäre
Arbeitsvorgänge
erfordern, wie etwa Gewinderollen, Wärmebehandeln, Einebnen und
dergleichen. Für
einen oder mehrere der Prozesse ist es nicht unüblich, dass die gewünschte Geometrie
des Teils nicht bereitgestellt wird. Das Auftreten derartiger Defekte
wird häufig
nicht in angemessener Weise durch eine zufällige Teileauswahl überwacht
oder durch andere Qualitätssicherungsprozesse,
die keine 100 %-ige Inspektion gewährleisten.
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In
der vorliegenden Erfindung bewegen sich die Teile durch Schwerkraft
oder andere Mittel entlang einer Bahn durch einen Testabschnitt.
Die Teileform wird ermittelt unter Verwendung eines CCD-Zeilenarray
bzw. einer -Kamera, obwohl eine andere Art von Fotodetektor verwendet
werden kann. Eine kollimierte, gleichförmige Lichtquelle in Form eines Bands
wird nahe an dem zu inspizierenden Teil erzeugt. Dieses gleichförmige bzw.
gleichmäßige Lichtband
erlaubt eine hochgradig detaillierte Teileprüfung. Das Ausmaß und die
Zeit, mit denen das Lichtband durch das Teil verdeckt wird, stehen
in Beziehung zu dessen Form. Das Teil bewegt sich durch den Testabschnitt,
der ein CCD-Zeilenarray enthält, welches
das abgehaltene Licht misst und ein Ausgangssignal für einen
Signalprozessor erzeugt. Der Signalprozessor misst die Zeit, während der
das Teil über
das CCD-Zeilenarray hinweg läuft
und kombiniert diese Zeitinformation mit dem Ausgangssignal betreffend
das abgehaltene Licht zur Erzeugung eines Bilds von dem Teil. Von
Interesse sind Teilemessungen bezüglich Länge und verschiedener radialer Profile.
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Ein
Teileermittlungsarray nutzt mehrere Lichtquellen und CCD-Zeilenarrays in einer
radialen Anordnung um das zu untersuchende Teil herum. Das Teileermittlungsarray
misst das abgehaltene Licht von einer angepassten oder gepaarten
Lichtquelle, die in der Nähe
des Teils angeordnet ist. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
ist die Lichtquelle mit einem Beugungsstrahlformgeber verbunden,
der ein gleichmäßiges Lichtband
bereitstellt. Das gleichmäßige Lichtband
wird verwendet, um ein nivelliertes Intensitätsmuster über einen bestimmten Bereich
zu erzielen. Dem durch die Teile erzeugten Schatten mangelt es auf
Grund der Verwendung des gleichförmigen
Lichtbands an Unterscheidbarkeit und an scharfen Übergängen zu
den beleuchteten Bereichen. Um diese verwischten Schattenränder zu interpretieren,
ist eine spezielle Software erstellt worden, die nachfolgend im
näher erläutert ist,
um den Ort des tatsächlichen
Rands zu definieren. Jede Lichtquelle, die in dem Array zum Einsatz
kommt, emittiert lediglich eine bestimmte Lichtfrequenz, und jedes
CCD-Zeilenarray enthält
einen Filter, um ausschließlich
die Ermittlung der passenden Frequenz zu ermöglichen. Auf diese Weise existiert
kein Übersprechen,
das zwischen der jeweiligen Lichtquelle und ihrer angepassten CCD-Zeilengruppierung
erzeugt wird.
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Die
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich
aus der nachfolgenden Beschreibung und den anliegenden Ansprüchen in
Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen. Die Aufgaben der Erfindung
können
durch eine Vorrichtung in Übereinstimmung
mit dem unabhängigen
Vorrichtungsanspruch 1 gelöst
werden. Bevorzugte Ausführungsformen
bilden Gegenstand der Unteransprüche.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
verschiedenen Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich
dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik nach einem Studium der nachfolgenden
Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen kontaktfreien Inspektionssystems;
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2 eine
Ansicht entlang der Linie 2-2 von 1, insbesondere
unter Darstellung des Testabschnitts;
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3 schematisch
das erfindungsgemäße Signalverarbeitungssystem;
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4 eine
Aufrissansicht eines repräsentativen
Werkstücks;
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5 eine
schematische Ansicht der Lichtquelle, die in der vorliegenden Erfindung
zum Einsatz kommt; und
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6 eine
vergrößerte Ansicht
einer Ausführungsform
eines Gitters, das in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt
und eine geätzte Oberfläche aufweist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes kontaktfreies
Inspektionssystem, das allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet
ist. Das Inspektionssystem 10 umfasst allgemein einen Rahmen 12,
einen Teilesortiererkasten 14, eine Gleitbahn 16 mit
einem Testabschnitt 18 und ein Gehäuse 20 zum Aufnehmen von
Elektronikbestandteilen des Instruments.
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Während das
Inspektionssystem 10 für
zahlreiche Arten von Werkstücken
verwendet werden kann, ist ein Beispiel eines derartigen Bauteils
in 4 in Form eines Gewindebolzens 22 gezeigt,
der verwendet wird, um Räder
an ein Kraftfahrzeug zu montieren. Eine große Anzahl von Bolzen 22 (als "Teile" oder "Werkstücke" bezeichnet) werden
in den Teilesortierer 14 abgezweigt. Der Teilesortierer 14 veranlasst
die zufällig
ausgerichteten Teile 22 dazu, in einer gewünschten
Ausrichtung ausgerichtet zu werden, d. h., mit dem Kopf oder Gewindeende
voran, und er veranlasst sie, periodisch die Bahn 16 unter
Schwerkraft hinunter zu gleiten. Wenn die Teile 22 den
Testabschnitt 18 durchlaufen, werden sie evaluiert, wie
nachfolgend näher
erläutert.
Das Teil 22 wird bezüglich
Konformität
bzw. Formübereinstimmung mit
vorbestimmten Raumformkriterien inspiziert. Wenn ein bestimmtes
Teil die Kriterien erfüllt,
gelangt es in den Teilekasten 24, der für qualifizierte bzw. "gute" Teile bereitgestellt
ist. Wenn das Teil jedoch als nicht konform ermittelt wird, wird
eine Klappe 26 betätigt
und das Teil wird in den Teilekasten 28 ausgeleitet, der
für disqualifizierte
oder "schlechte" Teile bereitgestellt
ist.
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Gute
Teile liegen voraussichtlich in größerer Anzahl vor als schlechte
Teile, und die Teilekästen sind
entsprechend bemessen.
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Innerhalb
des Gehäuses 20 ist
ein Computer 32 vorgesehen, um die Ausgangssignale des
Systems zu evaluieren, das System zu steuern und ein Mittel zum
Speichern von Daten bereitzustellen in Bezug auf Teilekriterien
und Inspektionshistorie. Ein Paar von Anzeigeeinrichtungen 34 und 36 ist
vorgesehen, wobei eine der Anzeigen Konfigurationsdaten in grafischer
Form darstellt für
ein spezielles Teil, während
die andere verwendet werden kann, um statistische oder andere numerische
Daten in Bezug auf die Inspektion darzustellen. In einer Ausführungsform
dieser Erfindung handelt es sich bei den Anzeigeeinrichtungen 34 und 36 um
solche vom Elektrolumineszenztyp mit Berührungsbildschirmen für eine Interaktion
mit einem Nutzer. Das Gehäuse 20 besitzt Zugangsklappen 38,
die geschlossen werden können,
wenn das System nicht genutzt wird.
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Einzelheiten
der Elemente und der Betriebsabläufe
des Testabschnitts 18 werden unter Bezug auf 1 und 2 erläutert. Innerhalb
des Testabschnitts 18 erfolgen Evaluierungen von Profilen des
Teils 22. Die Länge
des Teils 22 (d. h., seine Abmessungen entlang seiner Bewegungsrichtung)
und verschiedene radiale Profile (d. h., seine Form senkrecht zu
seiner Bewegungsrichtung) werden durch mehrere Profilermittlungsarrays
evaluiert.
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Die
Profilermittlungsarrays umfassen Lichtquellen 40 und CCD-Zeilenarrays bzw.
Zeilenabtastkameras 42, wie in 2 gezeigt,
obwohl eine beliebige andere Art eines Fotodetektors hierzu eingesetzt
werden kann. Die Lichtquellen 40 stellen ein gleichmäßiges Lichtband 44 bereit,
welches das Teil 22 abdeckt, wenn es durch den Testabschnitt 18 läuft. Das
Ausmaß und
die Zeit, mit denen das gleichmäßige Band 44 durch
das Teil 22 abgedeckt wird, steht in Beziehung zu seiner
Form. Wenn sich das Teil 22 durch den Testabschnitt bewegt,
messen die CCD-Zeilenarrays 42 das ausgeschlossene bzw.
abgedeckte Licht und erzeugen ein Ausgangssignal und leiten dieses
Ausgangssignal zu einem Signalprozessor.
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In 5 ist
die bevorzugte Ausführungsform der
Lichtquelle 40 im Einzelnen dargestellt. Eine Rahmenstruktur 46 trägt einen
Steuer- und Stromversorgungsschaltkreis und schließt diesen
ein, einschließlich
einer Lasersteuerkarte 48 und einer Glasplatte 50 für die Lichtquelle 40.
Eine Laserdiode 52 besitzt eine Leuchtintensität, die durch
die Lasersteuerkarte 48 gesteuert wird, die außerdem mit
einem externen Steuersystem über
eine Datenkommunikationsverbindung verbunden sein kann, so dass
sie in eine Produktionsstraße
integriert sein kann. Obwohl eine Laserdiode 52 gezeigt
ist, kann eine beliebige andere Art eines Licht- oder Laserlichterzeugers
verwendet werden. Andere Halbleiterlaser, Gaslaser, Feststofflaser
und Flüssigfarbstofflaser
können
für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Die
Laserdiode 52 erzeugt Laserlicht 54, das auf einen
Beugungsstrahlformgeber 56 auftrifft, der eine Eingangsintensitätsverteilung
in einer Ausgangsintensitätsverteilung
abbildet. Der Beugungsstrahlformgeber 56 kann Gitter, Prismen,
Gitterprismen (Grisms), Linsen und Interferometer enthalten, um
die gewünschten
Umrandungsmuster (Fringe Patterns) und Intensitätsverteilungen zu erzeugen. Die
Umrandungsmuster variieren bezüglich
Breite und Ausrichtung abhängig
von den Kennlinien bzw. Eigenschaften des Beugungsstrahlformgebers 56. Durch
Auslegen des Beugungsstrahlformgebers 56 für ein geeig netes
Umrandungsmuster kann Licht in unterschiedliche Richtungen auf Grund
der Gleichungen reflektiert werden, die die unterschiedlichen Eigenschaften
bzw. Kennlinien des Beugungsstrahlformgebers 56 beschreiben.
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6 zeigt
eine Ausführungsform
des Beugungsstrahlformgebers 56 gemäß der vorliegenden Erfindung
in Gestalt eines geätzten
Glasgitters 70. Die Oberfläche des Glasgitters 70 ist
vergrößert dargestellt,
um die geätzten 72 und
nicht geätzten 74 Bereiche
darzustellen. Die geätzten
Bereiche 72 sind als dunklere Bereiche dargestellt und
die nicht geätzten
Bereiche 74 sind als hellere Bereiche dargestellt. Das
Gitter 70 arbeitet wie folgt: Lichtstrahlen werden dort
unter größeren Winkeln
abgelenkt, wo die nicht geätzten
Bereiche 74 schmaler sind und näher aneinander liegen, und
dort unter kleineren Winkeln abgelenkt, wo die nicht geätzten Bereiche 74 breiter und
weiter voneinander weg liegend angeordnet sind. Auf diese Weise
kann das einfallende Licht gleichmäßig verteilt werden, wenn es
das Gitter 70 verlässt
bzw. aus diesem austritt. Die geätzten 72 und
nicht geätzten 74 Bereiche
besitzen Abmessungen in Größen entsprechend
den gewählten
Lichtwellenlängen,
die auf das Gitter 70 einfallen. Beispielsweise kann die
Breite von einem der nicht geätzten
Bereiche 74 eine Wellenlänge betragen.
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Eine
Anwendung des Beugungsstrahlformgebers 56 gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht darin, eine Gauss'sche Eingabe zu erhalten (d. h., eine
Gauss-Intensitätsverteilung
auf der Apertur des Strahlformers) und diese Eingabe in eine "Hut"-Verteilung abzubilden (eine ideale Hutintensitätsverteilung
besitzt lediglich einen Intensitätswert innerhalb
eines bestimmten Radius und den Intensitätswert null außerhalb
dieses Radius). Die Funktion kann als allgemeine Strahlenablenkfunk tion
angesehen werden. Das intensivste Licht im Zentrum der Gauss'schen Eingabe wird
radial auswärts
abgelenkt, während
das Licht in den Flanken der Gauss'schen Eingabe geringfügig einwärts abgelenkt
wird. Auf diese Weise kann die Intensität des Ausgangsstrahls bemessen
werden.
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Nach
Verlassen des Beugungsstrahlformgebers 56 wird das Laserlicht 54 zusätzlich konditioniert durch
eine kugelförmige
oder zylindrische Beugungslinse 58. Die Linse 58 reduziert
die Divergenz des Laserlichts 54 und reduziert dadurch
die Notwendigkeit zur Herstellung präziserer Beugungseinrichtungen
in dem Beugungsstrahlformgeber 56. Außerdem kann ein herkömmliches
Beugungselement zum Einsatz kommen, um den Ausgangsstrahl grob zu
kollimieren. Das Laserlicht 54 wird schließlich durch
eine konvexe Linse 60 konditioniert, um das Laserlicht 54 zu
fokussieren. Der Ausgang bzw. das Ausgangssignal der Lichtquelle 40 umfasst
dadurch ein gleichmäßiges Lichtband 44.
Durch Kombinieren von Beugungsstrahlformgebern mit herkömmlichen
Beugungseinrichtungen kann eine Familie von Intensitätsverteilungen
erzeugt werden, wie etwa eine Linie, die entsprechend einer Gauss'schen Verteilung über ihre
Breite variiert, jedoch entlang ihrer Länge gleichmäßige Intensität besitzt.
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Wie
vorstehend zur Arbeitsweise des Inspektionssystems 10 ausgeführt, deckt
das Teil 22 einen Teil der Lichtstrahlen ab und erzeugt
einen Schatten in Bezug auf die CCD-Zeilenarrays 42. Die durch
die Teile erzeugten Schatten sind nicht deutlich und es fehlt ihnen
an Formübergängen zu
den beleuchteten Bereichen. Um diese undeutlichen Schattenränder zu
interpretieren, ist eine spezielle Software entwickelt worden, um
zu definieren, wo sich der tatsächliche
Teilerand auf dem CCD-Zeilenarrays 42 befindet.
Jede Lichtquelle 40, die in dem Ar ray verwendet wird, emittiert
lediglich eine bestimmte Lichtfrequenz und jedes CCD-Zeilenarray 42 enthält einen
Filter, um ausschließlich
seine angepasste Frequenz ermitteln zu können. Auf diese Weise existiert kein Übersprechen
zwischen der jeweiligen Lichtquelle und ihrer angepassten CCD-Zeilengruppierung 42.
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Bei
dem CCD-Zeilenarray bzw. der CCD-Zeilengruppierung handelt es sich
um eine elektronische Abbildungseinrichtung, die eine lineare Reihe
diskreter Fotoerfassungselemente oder Pixel enthält, die einfallendes Licht
in ein elektrisches Signal wandeln. Die Stärke des Signals steht in direkter
Beziehung zur Intensität
des Lichts, das auf den Pixeln auftrifft. Das CCD-Zeilenarray erzeugt
ein Ausgangssignal, das aus mehreren digitalen und analogen Signalen besteht.
Jedes Pixel kann, wenn es durch intensives Licht gesättigt ist,
eine "Ein"-Schaltbedingung
bereitstellen, oder wenn es vollständig abgedeckt ist, kann es
eine "Aus"-Schaltbedingung
darstellen. Es existieren Umstände,
unter denen bestimmte Pixel ausschließlich teilweise blockiert sein
können.
Während dieser
Perioden können
die Pixel analoge Signale proportional zu der Lichtmenge erzeugen,
die sie empfangen. Das CCD-Zeilenarray wandelt das einfallende Licht
auf jedes Pixel in diskrete Ladungspakete. Die Ladungsmenge, die
auf jedem Pixel erzeugt bzw. integriert wird, ist eine Funktion
der Integrationszeit sowie der Intensität und der Wellenlänge des Lichts,
das auf die Fotozelle fokussiert wird. Nach einer geeigneten Integrationsperiode
werden die Ladungspakete gleichzeitig in Hochgeschwindigkeits-CCD-Schieberegister 62 überführt zum
Transport zu einem Signalprozessor 64, wie in 3 gezeigt.
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Die
CCD-Zeilenarrays können
mit Daten arbeiten, die im Bereich von Megahertz oder darüber liegen
und 70.000 oder mehr Abtastungen pro Sekunde erzeugen. Die Daten
stehen außerdem
sofort zur Verfügung,
während
eine spezielle Zeile von einem Flächensensor lediglich zur Verfügung steht, nachdem
die vorausgehenden Zeilen ausgelesen worden sind. Die Zeilen folgen
außerdem
aufeinander und stehen eine nach der anderen verfügbar. Dies
macht CCD-Zeilenarrays in idealer Weise geeignet für Anwendungen,
bei denen Bewegung vorkommt. Typischerweise ist in der vorliegenden
Erfindung ein CCD-Zeilenarray derart positioniert, dass es mit der
Reihe von Pixeln senkrecht zur Bewegungsrichtung fluchtet. Dies
führt dazu,
dass die Auflösung in
Bewegungsrichtung von der Integrationszeit, der Pixelgröße und der
Bewegungsgeschwindigkeit abhängt.
Bei der vorliegenden Erfindung kann das CCD-Zeilenarray so eingestellt
sein, dass es für
die Anwendung geeignet ist.
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Das
CCD-Zeilenarray besitzt hervorragende Gleichmäßigkeit bzw. Gleichförmigkeit.
Da eine Zeilenabtastkamera eine einzige Reihe von Pixeln enthält, kann
die Gleichförmigkeit
enger toleriert gehalten werden in einem Flächenarray mit mehreren Hunderttausend
Pixeln. In der vorliegenden Erfindung lassen sich hochpräzise Abbildungsanwendungen, eine
Kontrastkorrekturhardware und Softwarealgorithmen einfacher implementieren über eine
einzige Zeile von Pixeln. Eine weitere wertvolle Eigenschaft des
CCD-Zeilenarrays besteht darin, dass ein unendlich langes oder kontinuierliches
Bild erzeugt werden kann. Tatsächlich
ist es genau dieses, was ein kontinuierliches Förderband oder ein anderes kontinuierliches
Fördersystem
der Kamera präsentiert.
Das CCD-Zeilenarray zerstückelt
Bilder nicht, wenn eine Bereichs- bzw. Flächenkamera benötigt wird,
um Daten zu untersuchen. Das CCD-Zeilenarray stellt eine praktische
Lösung
für eine
Hochgeschwindigkeitsabbildung kontinuierlicher Zufuhrsysteme dar.
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Sobald
das CCD-Zeilenarray das Bild abgetastet hat, muss es seine Ausgangssignale
zu einem Bildprozessor überführen. Wie
aus 3 hervorgeht, ist in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Mikrocomputer, wie etwa ein PC mit
einer Signalprozessor-I/O-Karte 64 und einer Schnittstelle zu
den CCD-Zeilenarrays 42 versehen. Die vorliegende Erfindung
ist bevorzugt mit einem Intel basierten PC integriert, obwohl andere
Computer, einschließlich
Sun Workstations, Hewlett Packard Workstations, Silicon Graphics
Workstations, Macintosh Computer, IBM Workstations, Motorola Mikroprozessor
basierte PCs und digitale Controller verwendet werden können. Das
Ausgangssignal von den CCD-Zeilenarrays 42 besteht aus
sequenziellen, sich aneinander anschließenden Zeilen. Diese Zeilen werden
in der Abfolge verarbeitet, in der sie empfangen werden. Die Schieberegister 62 übertragen
diskrete und analoge Information zu der Signalprozessor-I/O-Karte 64,
die in einem Computer 32 vorgesehen ist. Der Signalprozessor 64 interpretiert
analoge und digitale Information, die durch die Schieberegister 62 übertragen
wird, wobei der Signalprozessor 64 die Zeilen in die korrekte
Sequenz neu anordnet. Die verarbeiteten Daten werden daraufhin im
Speicher 66 gespeichert, um durch den Mikroprozessor 68 weiter
manipuliert zu werden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist propietäre Software erstellt worden,
um die Ermittlung von Werkstückrändern zu unterstützen, die
durch das Inspektionssystem geprüft
werden. Diese Software ist dazu ausgelegt, die undeutlichen Schatten
zu interpretieren, die durch das Teil auf die CCD-Zeilenarrays 42 geworfen
werden, wenn das Teil das Licht von der diffusen Lichtquelle abdeckt.
Die Pixel der CCD-Zeilenarrays 42 besitzen, wie vorstehend
angesprochen, die Fähigkeit,
analoge Signale proportional zu der Lichtmenge zu erzeugen, die
sie empfangen. Die Pixelsignale, die durch die Pixel erzeugt werden,
die die verschmierten Schattenränder
empfangen, erzeugen Signale, die einen Lichtstärkengradienten von solchen Pixeln
darstellen, die vollständig
abgedeckt sind zu solchen Pixeln, die vollständig nicht abgedeckt sind bzw.
freiliegen. Die Software interpretiert diesen Gradienten und sagt
vorher, wo der Rand des Teils liegen sollte.
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Es
wird bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die dargestellte und
vorstehend erläuterte
exakte Konstruktion beschränkt,
sondern zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich ist,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, die in den nachfolgenden
Ansprüchen
festgelegt ist.