EP2255176A1 - Verfahren und vorrichtung zur erkennung von dichte- und/oder dickenunterschieden für infrarotstrahlung transparenten oder teiltransparenten materialien - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erkennung von dichte- und/oder dickenunterschieden für infrarotstrahlung transparenten oder teiltransparenten materialien

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Publication number
EP2255176A1
EP2255176A1 EP09725225A EP09725225A EP2255176A1 EP 2255176 A1 EP2255176 A1 EP 2255176A1 EP 09725225 A EP09725225 A EP 09725225A EP 09725225 A EP09725225 A EP 09725225A EP 2255176 A1 EP2255176 A1 EP 2255176A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
infrared
examination
examination object
source
thermographic camera
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09725225A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Meinlschmidt
Volker MÄRGNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Braunschweig
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Braunschweig
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Technische Universitaet Braunschweig filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2255176A1 publication Critical patent/EP2255176A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/958—Inspecting transparent materials or objects, e.g. windscreens
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/34—Paper
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/38—Concrete; Lime; Mortar; Gypsum; Bricks; Ceramics; Glass
    • G01N33/386—Glass

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting density and / or thickness differences in transparent or partially transparent materials for infrared radiation.
  • the method and the device are particularly suitable for the examination of glass and thin, flat products such as canvases, papers, parchments, plastic or the like.
  • the method and the device are suitable for carrying out a quick and secure check of banknotes and watermarked security and security papers and similar documents or, in particular, to ensure the quality and safety of use in the case of glass products.
  • DE 100 47 269 A1 describes a method for determining the temperature distribution of bulk material that comes from a drying process.
  • the bulk material is separated over a fall distance and thermographically measured in a measuring range of the fall distance.
  • the aim of the method is to detect thermal irregularities due to clumping in an upstream drying process.
  • a risk of fire is to be excluded, which is given when these clumps dissolve and see hot areas exposed to increased oxygenation.
  • DE 695 03 663 T2 describes a method and a device for determining the authenticity of paper with watermarks, in which a paper area is heated, the temperature of the heated area is measured and then the measurement is analyzed, wherein a series of temperature measurements is carried out to determine the thermal reaction of the paper as a function of time. This process is very time consuming and requires the heating of the examined object.
  • Thickness and density differences of thin, transparent or semi-transparent materials play an important role not only in production but also in cultural sciences. As a rule, thickness and density differences, when they occur locally adjacent, can easily be visualized in transmitted light processes. For semi-transparent materials, such. As frosted glass or heavily blackened paper, the light absorption can be so strong that a thickness or density difference in transmitted light is no longer visible.
  • cosmetic bottles may contain so-called "monkey swings.” This is a thin glass thread that extends from one wall of the bottle to the other and is not visible from the outside These glass splinters may cause injury in use, so there is a need to detect such manufacturing defects quickly and safely, for clear glass or for transparent containers, and for non-transparent containers that can be viewed from above, Visual inspection by persons or inspection by video cameras can be carried out as it is possible to work in the visible light spectrum, but if they are glass products in which the glass is neither transparent in visible light nor whose interior can be observed through an opening, such as with bottles Frosted glass or bottles whose neck is curved, a control in the visible spectrum is not possible. Such kind formed bottles can not be satisfactorily checked for "monkey swings" out, unless these production errors are such that also show disturbances on the glass outside, which is not always the case.
  • Watermarks represent specific thickness and possibly density differences in paper and are an important feature of cultural scientists for the determination of age and authenticity historical Documents used.
  • Watermarks in papers or similar thin objects can usually be recognized by holding the document to be examined against the light and observing the transmitted light with the eye. In this case, watermarks are to be recognized as a lighter, ie less light-absorbing structure. This examination method may not be sufficient if the paper or the like is described or painted on one or both sides. Many text characters, lines, or graphics in dark ink can severely limit the visibility of watermarks. In the case of areally applied dark ink, it can lead to watermarks can not be made visible at all.
  • the inventive method for detecting density and / or thickness differences in transparent or partially transparent for infrared radiation materials in which an object under investigation between an infrared source and a Thermography camera is arranged, provides that the object to be examined is irradiated by the infrared source.
  • the thermographic camera arranged on the side of the examination subject opposite the infrared source detects and evaluates the infrared radiation penetrating through the examination subject, so that it is possible to visualize thickness and density differences in plastics, glasses or written or painted papers, screens or the like.
  • the examination objects are intransparent or partially intransparent for visible light, but they can transmit infrared radiation, so that the transmission radiation in the infrared range makes it possible to detect many errors or structures that are not or only badly visible in the visible light in the examination subject.
  • the penetration radiation is detected by the thermographic camera, so that with this thermographic transmission inspection system an immediate visualization and rapid recording of data on the density and / or thickness differences within an object possible are.
  • the evaluation of the recorded thermographic data is carried out with the methods of digital signal processing and pattern recognition and allows a quick comparison of watermarks or other introduced patterns with existing patterns or detection of hidden markings.
  • important parameters of a paper or a film can be detected, for example in the case of a web foil, the web lengths, web distances and web positions.
  • the digital image processing and pattern recognition allows an adjustment of the captured image sections and a simplified comparison with previously stored patterns.
  • a use of the method together with a video camera also allows a common evaluation of brightness differences in reflected light, z. As in writing or graphics and the recognized pattern with respect to the density and / or thickness distribution, such. B. watermarks.
  • the thermographic camera stores the transmitted infrared rays as an image, instead of evaluating them directly.
  • the image evaluation can then take place after the storage in a computer.
  • a broadband infrared radiator can be used, which emits infrared rays in a wavelength range from 0.8 microns to 16 microns, to be able to examine a wide range of infrared infrared source of different materials with different transmission properties.
  • a selective radiator is used, which operates only in a certain wavelength range, so as to selectively transmit the infrared rays through the examination subject.
  • a selective radiator for example, diodes, laser or flash lamps can be used.
  • the infrared radiator is arranged at a distance behind the examination subject, wherein it may be provided that the spacing to the examination subject is made variable, depending on which examination subject is processed.
  • the examination object or the area of the examination subject to be examined is homogeneously irradiated with infrared rays so that inhomogeneities within the image of the thermographic camera are not due to inhomogeneities in the radiation source are.
  • thermographic camera Between the thermographic camera and the examination subject, a filter can be arranged which only transmits the infrared rays in certain wavelength ranges, for example in wavelength ranges from 0.8 to 5 ⁇ m or from 8 to 16 ⁇ m.
  • the thermographic camera is aligned in front of the examination object in such a way that the object to be examined or the section of interest is optimally focused with the optical system used. Due to the selective wavelength ranges, a sharper thermographic image can be obtained.
  • thermographic camera which is sensitive to infrared rays in the wavelength range of 0.8 - 5 microns or 8 - 16 microns, so the sharpness of the Thermography camera continue to increase and / or remaining, still disturbing influences of writing or overpainting or the like wegfilfiltern.
  • the images taken by the thermographic camera can be transmitted to a computer and subjected to image processing in the computer, for example to perform an image enhancement.
  • image processing methods can be used which perform noise removal with linear and nonlinear methods.
  • essential features of the image can be extracted and optionally an automatic pattern recognition can be carried out.
  • a suitable method can be selected, wherein in the case of the presence of only a few training data, a comparison of an unknown pattern, e.g. is performed by means of correlation in the image area or in feature space.
  • a feature space may, for. B. be generated by linear transformation of the image area in the spatial frequency space. If there are many training data available, methods of statistical pattern recognition are used, with which typical properties are represented and can be detected in unknown thermographic images.
  • the device according to the invention for carrying out the method provides an infrared radiation source to which an examination object holder is assigned. Furthermore, a thermographic camera is provided, which is arranged on the side opposite the infrared source side of the examination object holder and the infrared radiation transmitted by an examination object receives and evaluates the infrared radiation source. So there is a backlighting with infrared rays, in which the transmitted portion of the infrared radiation is detected and evaluated.
  • the thermographic camera can be equipped with at least one wavelength filter in order to increase the image sharpness or to avoid undesired surface effects.
  • the infrared source can be designed as a broadband infrared source, in particular as a heating plate or heat mat, which is arranged behind the object to be examined or behind the object holder. Alternatively it is the infrared source as a selective radiator, in particular as a diode, flash lamp or laser designed to emit only infrared rays of certain wavelength ranges on the object.
  • the under examination object holder may have a frame which forms a free space between the examination subject and the infrared source, so as to adjust the distance between the Untersuch ⁇ ngs réelle and the Infrarotqu ⁇ lle.
  • the examination object holder can be designed to be movable relative to the infrared source so as to be able to build up an optimal distance between the infrared radiation source and the examination subject. This serves to protect the examination object from damage by the infrared radiation or by an excessive intensity of the infrared radiation.
  • Figure 1 - a schematic structure of an apparatus according to the present invention
  • Figure 2 an object of examination of opaque glass; such as
  • Figure 3 an exemplary representation of a printed examination object.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a device for detecting density and / or thickness differences is shown, in which an examination object 1 in the form of a book rests on a unspecified document rests.
  • One side 10 of the examination subject 1 is erected and is located between a thermographic camera 2, which is arranged in FIG. 1 to the left of the print page 10 to be examined, and an infrared source 3.
  • the infrared source is on the side of the object 10 to be examined which faces away from the thermographic camera 3 arranged in the form of a heat lamp.
  • a heat lamp a wide variety of infrared sources 3 can be used, for example heat mats, diodes or laser emitters.
  • the object to be examined 10 in the form of a page leans against an inclined metal plate 10, which acts as a holder.
  • a spacer 5 is arranged to provide a sufficiently large distance between the metal plate 4 and the examination object 10.
  • the spacer 5 can also form a frame, so that only a certain area of the examination object 10 is exposed to the infrared radiation from the heat lamp 4. If the metal plate 4 is formed closed, this is heated by the infrared radiator 3 and emits infrared radiation in the desired wavelength range in the direction of the thermographic camera 2 from.
  • the infrared radiation penetrates the examination object 10 and the thermography camera 2, which may be equipped with suitable Wellendorfnf ⁇ ltern, density or thickness differences in the examination object 10 can be detected because different thicknesses or densities within the examination subject 10 have a different transmission behavior for infrared radiation.
  • the thermographic camera 2 instead of a continuous metal plate 4, only one frame is formed with a spacer 5, the infrared rays from the infrared source 3 impinge directly on the examination subject 10, and the infrared rays passing through the examination subject 10 are detected and evaluated by the thermographic camera 2. The evaluation can also be done in a computer, not shown, which is connected to the thermographic camera 2.
  • a flashlamp is provided as the infrared source 3
  • a very rapid examination of the examination object 10 can take place by irradiating the examination subject 10 once or several times so that a high number of examination objects 10 can be examined in a short time by short-term irradiation.
  • a study can be made in a simple and material-saving manner, and watermarks or the like within the documents or objects can be recognized.
  • FIG. 2 shows such a three-dimensional examination object 1 in the form of a frosted glass bottle.
  • monkey swings 6 can occur due to the manufacturing process, these are glass threads that extend between the inner surfaces of a glass hollow body and can break during filling
  • subjects 1 are likewise irradiated with infrared rays from an infrared source 3
  • the different permeability to infrared rays in the area of the monkey swings 6 or in the region of greater material thickness and the accumulation of material between inner walls are correspondingly less infrared rays through the examination body 3 transmitti ert, which can be detected easily and quickly by the thermographic camera 2.
  • FIG. 3 shows an example of an examination object 1 in the form of a sketch sheet from the Middle Ages.
  • a watermark 7 in the painted area of the sheet 10 is difficult or impossible to recognize due to the colors.
  • fluoroscopy by means of the device according to FIG. 1, it is possible to clearly identify a watermark 7 due to the transmitted infrared radiation, which can be used to determine the authenticity of the drawing or to date the artwork.
  • the examination by means of short-term irradiation with infrared rays makes it possible to detect watermarks on papers which are written or painted in the area of the watermarks, since conventional transillumination with light in the visible wavelength range would not be promising here.
  • the lack of absorption of infrared radiation of many inks and inks has a positive effect.
  • the writing or the drawing is usually not visible when examined by infrared radiation, whereas the watermark is very well recognizable as a thickness or density difference.
  • the density or thickness differences or watermarks 7 are present immediately after the fluoroscopy in the computer, so that in addition to a visualization for subjective assessment on a screen an automatic, objective evaluation can be done in the computer to z. B. to compare the detected watermark 7 with another watermark from a database or to measure objective parameters in the present paper or object under investigation 10. Similar to a database of fingerprints, a watermarked database containing other additional features may be used to automatically categorize and heretofore catalog previously unknown sheets based on the watermark 7 and the additional features.

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Abstract

Die Erfindung betriff ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Dichte- und/oder Dickenunterschieden in für Infrarotstrahlung transparenten oder teiltransparenten Materialien, bei dem ein Untersuchungsobjekt (1,10) zwischen einer Infrarotquelle (3) und einer Thermographiekamera (2) angeordnet wird, wobei das Untersuchungsobjekt (I 5 10) von der Infrarotquelle (3) bestrahlt wird und die auf der der Infrarotquelle (3) gegenüberliegend angeordnete Thermographiekamera (2) die durch das Untersuchungsobjekt (1, 10) hindurchdringenden Infrarotstrahlen der Infrarotquelle (3) erfasst und auswertet.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERKENNUNG VON DICHTE- UND/ODER DICKENUNTERSCHIEDEN FÜR INFRAROTSTRAHLUNG TRANSPARENTEN ODER
TEILTRANSPARENTEN MATERIALIEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Dichte- und/oder Dickenunterschieden in für Infrarotstrahlung transparenten oder teiltransparenten Materialien. Das Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere für die Untersuchung von Glas und dünnen, flächigen Produkten wie Leinwänden, Papieren, Pergamenten, Kunststoff oder dergleichen geeignet. Ebenfalls sind das Verfahren und die Vorrichtung dazu geeignet, eine schnelle und sichere Überprüfung von Banknoten und mit Wasserzeichen versehenen Wert- und Sicherheitspapieren und ähnlichen Dokumenten durchzuführen oder insbesondere bei Glasprodukten die Qualität und Gebrauchssicherheit zu gewährleisten.
Untersuchungsmethoden, die thermographische Effekte ausnutzen, um Inhomogenitäten innerhalb eines Produktionsstromes zu erkennen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt die DE 100 47 269 Al ein Verfahren zur Ermittlung der Temperaturverteilung von Schüttgut, das aus einem Trocknungsprozess kommt. Das Schüttgut wird über eine Fallstrecke vereinzelt und in einem Messbereich der Fallstrecke thermographisch vermessen. Ziel des Verfahrens ist es dabei, thermische Ungleichmäßigkeiten aufgrund von Verklumpungen in einem vorgeschalteten Trocknungsverfahren zu erkennen. Insbesondere soll eine Brandgefährdung ausgeschlossen werden, die gegeben ist, wenn sich diese Verklumpungen auflösen und heiße Bereiche einer erhöhten Sauerstoffzufuhr ausgesetzt sehen.
Die DE 695 03 663 T2 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Echtheitsbestimmung von Papier mit Wasserzeichen, bei dem ein Papierbereich erwärmt, die Temperatur des erwärmten Bereichs gemessen und anschließend die Messung analysiert wird, wobei eine Reihe von Temperaturmessungen durchgeführt wird, um die thermische Reaktion des Papiers als Funktion der Zeit zu bestimmen. Dies Verfahren ist sehr zeitaufwendig und benötigt zwingend die Erwärmung des untersuchten Objektes.
Dicken- und Dichteunterschiede dünner, transparenter oder teiltransparenter Materialien spielen nicht nur in der Produktion, sondern auch in Kulturwissenschaften eine wichtige Rolle. In der Regel können Dicken- und Dichteunterschiede, wenn sie örtlich benachbart auftreten, einfach in Durchlichtverfahren sichtbar gemacht werden. Bei teiltransparenten Materialien, wie z. B. Milchglas oder stark geschwärztem Papier, kann die Lichtabsorption so stark sein, dass ein Dicken- oder Dichteunterschied im Durchlicht nicht mehr sichtbar ist.
Bei der Herstellung von undurchsichtigen Glasflaschen, z. B. Flakons für Kosmetika, kann es zu sogenannten „Affenschaukeln" kommen. Dabei handelt es sich um einen dünnen Glasfaden, der sich von einer Wandung der Flasche zur anderen erstreckt und von außen nicht sichtbar ist. Dieser Glasfaden kann beim Befüllen zersplittern und dadurch den Füllstoff mit Glassplittern verunreinigen. Diese Glassplitter können unter Umständen beim Gebrauch zu Verletzungen führen. Es besteht daher die Notwendigkeit, solche Fertigungsfehler schnell und sicher zu erkennen. Bei durchsichtigem Glas oder bei durchsichtigen Behältern sowie bei nicht transparenten Behältern, die von oben eingesehen werden können, kann eine visuelle Inspektion durch Personen oder durch eine Inspektion durch Videokameras erfolgen, da im sichtbaren Lichtspektrum gearbeitet werden kann. Wenn es sich aber um Glasprodukte handelt, bei denen das Glas weder im sichtbaren Licht transparent ist noch deren Innenraum durch eine Öffnung beobachtet werden kann, wie z. B. bei Flaschen aus Milchglas oder Flaschen, deren Hals gekrümmt ist, ist eine Kontrolle im sichtbaren Spektrum nicht möglich. Solcher Art ausgebildete Flaschen können derzeit nicht befriedigend auf „Affenschaukeln" hin überprüft werden, es sei denn, diese Produktionsfehler sind so geartet, dass sich auch Störungen auf der Glasaußenseite zeigen, was nicht immer der Fall ist.
Ein weiteres Problem besteht bei der sicheren Erkennung von Wasserzeichen in Papier, z. B. bei historischen oder auch modernen Dokumenten. Wasserzeichen stellen gezielte Dicken- und gegebenenfalls Dichteunterschiede in Papier dar und werden als wichtiges Merkmal von Kulturwissenschaftlern zur Alters- und Echtheitsbestimmung historischer Dokumente verwendet. Wasserzeichen in Papieren oder ähnlichen dünnen Objekten lassen sich üblicherweise dadurch erkennen, dass man das zu untersuchende Dokument gegen das Licht hält und mit dem Auge das transmittierte Licht beobachtet. Dabei sind Wasserzeichen als hellere, also weniger lichtabsorbierende Struktur zu erkennen. Diese Untersuchungsmethode kann dann nicht ausreichend sein, wenn das Papier oder dergleichen einseitig oder beidseitig beschrieben oder bemalt ist. Viele Textzeichen, Linien oder Grafiken in dunkler Tinte können die Erkennbarkeit der Wasserzeichen stark einschränken. Im Falle von flächenhaft aufgebrachter dunkler Tinte kann es dazu führen, dass Wasserzeichen überhaupt nicht mehr sichtbar gemacht werden können. In solchen Fällen sind Wasserzeichen nur mit Röntgenstrahlung sichtbar zu machen, was bedeutet, dass ein Röntgengerät zu dem zu untersuchenden Objekt transportiert werden muss, was zu sicherheitstechnischen Problemen führen kann. Die Alternative, die Dokumente zu den röntgentechnischen Geräten zu transportieren, stößt ebenfalls auf Probleme, da der Aufwand für die Gewährleistung der Sicherheit und die spezielle Handhabung der mitunter wertvollen Dokumente sehr hohe Kosten verursachen kann und sehr zeitaufwendig ist. Ebenfalls muss für die Verwendung von Röntgenstrahlung ein hoher Aufwand für die persönliche Sicherheit der untersuchenden Personen betrieben werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der auf einfache Art und Weise Dichte- und Dickenunterschiede sichtbar gemacht werden können, wobei insbesondere Objekte untersucht werden können sollen, die im Gegenlicht im sichtbaren Wellenspektrum nur teilweise oder vollständig intransparent sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung von Dichte- und/oder Dickenunterschieden in für Infrarotstrahlung transparenten oder teiltransparenten Materialien, bei dem ein Untersuchungsobjekt zwischen einer Infrarotquelle und einer Thermographiekamera angeordnet wird, sieht vor, dass das Untersuchungsobjekt von der Infrarotquelle bestrahlt wird. Die auf der der Infrarotquelle gegenüberliegenden Seite des Untersuchungsobjektes angeordnete Thermographiekamera erfasst die durch das Untersuchungsobjekt durchdringende Infrarotstrahlung und wertet diese aus, so dass es möglich ist, Dicken- und Dichteunterschiede bei Kunststoffen, Gläsern oder beschriebenen oder bemalten Papieren, Leinwänden oder dergleichen sichtbar zu machen. Die Untersuchungsobjekte sind dabei für sichtbares Licht intransparent oder teilweise intransparent, können jedoch Infrarotstrahlung hindurchlassen, so dass die Transmissionsstrahlung im Infrarotbereich ermöglicht, viele im sichtbaren Licht nicht oder nur schlecht erkennbare Fehler oder Strukturen in dem Untersuchungsobjekt zu detektieren. Statt einer Erfassung der durch das Objekt absorbierten und dann emittierten Strahlen, wird durch die Thermographiekamera die Durchdringungsstrahlung erfasst, so dass mit diesem thermographischen Transmissions-Inspektionssystem eine sofortige Sichtbarmachung und eine schnelle Aufnahme von Daten bezüglich der Dichte- und/oder Dickenunterschiede innerhalb eines Objektes möglich sind. Die Auswertung der erfassten Thermographiedaten erfolgt mit den Methoden der digitalen Signalverarbeitung und Mustererkennung und ermöglicht einen schnellen Vergleich von Wasserzeichen oder auch anderen eingebrachten Mustern mit vorhandenen Mustern oder einer Erkennung von verdeckten Kennzeichnungen. Ebenfalls können bei der Anwendung des Verfahrens in einem Produktionsprozess wichtige Parameter eines Papiers oder einer Folie erfasst werden, beispielsweise bei einer Stegfolie die Steglängen, Stegabstände und Stegpositionen. Die digitale Bildverarbeitung und Mustererkennung ermöglicht eine Justierung der erfassten Bildausschnitte und einen erleichterten Vergleich mit vorher abgespeicherten Mustern. Ein Einsatz des Verfahrens zusammen mit einer Videokamera ermöglicht zudem eine gemeinsame Auswertung von Helligkeitsunterschieden im Auflicht, z. B. bei Schrift oder Grafik und dem erkannten Muster bezüglich der Dichte- und/oder Dickenverteilung, wie z. B. Wasserzeichen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Thermographiekamera die transmittierten Infrarotstrahlen als Bild abspeichert, statt sie unmittelbar auszuwerten. Die Bildauswertung kann dann im Anschluss an die Abspeicherung in einem Rechner erfolgen. Als Infrarotquelle kann ein Breitbandinfrarotstrahler eingesetzt werden, der Infrarotstrahlen in einem Längenwellenbereich von 0,8 μm bis 16 μm aussendet, um mit einer einzigen Breitbandinfrarotquelle unterschiedlichste Materialien mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften untersuchen zu können. Alternativ ist vorgesehen, dass ein selektiver Strahler eingesetzt wird, der nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich arbeitet, um so gezielt die Infrarotstrahlen durch das Untersuchungsobjekt zu übertragen. Als selektive Strahler können beispielsweise Dioden, Laser oder Blitzlampen verwendet werden.
Um eine Beschädigung des Untersuchungsobjektes durch die Infrarotstrahlung zu vermeiden, ist vorgesehen, dass der Infrarotstrahler beabstandet hinter dem Untersuchungsobjekt angeordnet wird, wobei vorgesehen sein kann, dass die Beabstandung zu dem Untersuchungsobjekt variabel gestaltet wird, je nachdem, welches Untersuchungsobjekt bearbeitet wird.
Um das gesamte Objekt bzw. den gesamten Untersuchungsabschnitt hinsichtlich Dichteunterschiede oder Dickenunterschiede untersuchen zu können, ist vorgesehen, dass das Untersuchungsobjekt oder der zu untersuchende Bereich des Untersuchungsobjektes homogen mit Infrarotstrahlen bestrahlt wird, damit Inhomogenitäten innerhalb des Bildes der Thermographiekamera nicht auf Inhomogenitäten in der Strahlungsquelle zurückzuführen sind.
Zwischen der Thermographiekamera und dem Untersuchungsobjekt kann ein Filter angeordnet werden, der die Infrarotstrahlen nur in bestimmten Längenwellenbereichen durchlässt, beispielsweise in Längenwellenbereichen von 0,8 - 5 μm oder von 8 - 16 μm. Dabei wird die Thermographiekamera so vor dem Untersuchungsobjekt ausgerichtet, dass mit der eingesetzten Optik das zu untersuchende Objekt oder der interessierende Abschnitt optimal scharf abgebildet wird. Durch die selektiven Wellenlängenbereiche kann ein schärferes Thermographiebild erhalten werden. Statt oder ergänzend zu der Anordnung eines Filters ist vorgesehen, dass eine Thermographiekamera eingesetzt wird, die für Infrarotstrahlen im Längenwellenbereich von 0,8 - 5 μm oder 8 - 16 μm empfindlich ist, um so die Bildschärfe der Thermographiekamera weiter zu erhöhen bzw. verbliebene, noch störende Einflüsse der Schrift oder der Übermalung oder dergleichen wegzufiltern.
Die von der Thermographiekamera aufgenommenen Bilder können an einen Rechner übertragen und in dem Rechner einer Bildbearbeitung unterzogen werden, um beispielsweise eine Bildverbesserung durchzuführen. Dazu können Bildvorvεrarbeitungsmεthoden zürn Einsatz gelangen, die mit linearen und nichtlinearen Verfahren eine Rauschbeseitigung durchführen. In einem weiteren Bearbeitungsschritt können wesentliche Merkmale des Bildes extrahiert und gegebenenfalls eine automatische Mustererkennung durchgeführt werden. Dabei kann, ausgehend von zur Verfügung stehenden Trainingsdaten, ein geeignetes Verfahren ausgewählt werden, wobei im Falle des Vorhandenseins nur weniger Trainingsdaten ein Vergleich eines unbekannten Musters z.B. mittels Korrelation im Bildbereich oder im Merkmalsraum durchgeführt wird. Ein Merkmalsraum kann z. B. durch lineare Transformation des Bildbereichs in den Ortsfrequenzraum erzeugt werden. Liegen viele Trainingsdaten vor, so werden Methoden der statistischen Mustererkennung eingesetzt, mit denen typische Eigenschaften repräsentiert werden und in unbekannten Thermographiebilder nachgewiesen werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht eine Infrarotstrahlenquelle vor, der eine Untersuchungsobjekthalterung zugeordnet ist. Weiterhin ist eine Thermographiekamera vorgesehen, die auf der der Infrarotquelle gegenüberliegenden Seite der Untersuchungsobjekthalterung angeordnet ist und die durch ein Untersuchungsobjekt transmittierte Infrarotstrahlung die Infrarotstrahlenquelle aufnimmt und auswertet. Es findet also eine Hinterleuchtung mit Infrarotstrahlen statt, bei der der transmittierte Anteil der Infrarotstrahlung erfasst und ausgewertet wird.
Die Thermographiekamera kann mit zumindest einem Wellenlängenfilter ausgestattet sein, um die Bildschärfe zu erhöhen bzw. unerwünschte Oberflächeneffekte zu vermeiden. Die Infrarotquelle kann als eine breitbandige Infrarotquelle, insbesondere als eine Heizplatte oder Wärmematte ausgebildet sein, die hinter dem zu untersuchenden Objekt bzw. hinter der Objekthalterung angeordnet ist. Alternativ ist die Infrarotquelle als ein selektiver Strahler, insbesondere als Diode, Blitzlampe oder Laser ausgebildet, um nur Infrarotstrahlen bestimmter Wellenlängenbereiche auf das Objekt auszusenden.
Die Unter suchungsobjekthalterung kann einen Rahmen aufweisen, der zwischen dem Untersuchungsobjekt und der Infrarotquelle einen Freiraum ausbildet, um so den Abstand zwischen dem Untersuchυngsobjekt und der Infrarotquεlle einzustellen. Ebenfalls kann die Untersuchungsobjekthalterung relativ zu der Infrarotquelle verfahrbar ausgebildet sein, um so einen optimalen Abstand zwischen der Infrarotstrahlenquelle und dem Untersuchungsobjekt aufbauen zu können. Dies dient dazu, das Untersuchungsobjekt vor Schädigungen durch die Infrarotstrahlung bzw. durch eine zu hohe Intensität der Infrarotstrahlung zu schützen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 - ein Untersuchungsobjekt aus undurchsichtigem Glas; sowie
Figur 3 - eine beispielhafte Darstellung eines bedruckten Untersuchungsobjektes.
In der Figur 1 ist ein schematischer Aufbau einer Vorrichtung zur Erkennung von Dichte- und/oder Dickenunterschieden dargestellt, bei der ein Untersuchungsobjekt 1 in Gestalt eines Buches aufgeschlagen auf einer nicht näher bezeichneten Unterlage aufliegt. Eine Seite 10 des Untersuchungsobjektes 1 ist aufgerichtet und befindet sich zwischen einer Thermographiekamera 2, die in der Figur 1 links von der zu untersuchenden Druckseite 10 angeordnet ist, und einer Infrarotquelle 3. Auf der der Thermographiekamera abgewandten Seite des zu untersuchenden Objektes 10 ist die Infrarotquelle 3 in Gestalt einer Wärmelampe angeordnet. Statt einer Wärmelampe können unterschiedlichste Infrarotquellen 3 eingesetzt werden, beispielsweise Wärmematten, Dioden oder Laserstrahler. Das zu untersuchende Objekt 10 in Gestalt einer Seite lehnt gegen eine schräggestellte Metallplatte 10, die als Halter fungiert. An der Metallplatte 4 ist ein Abstandshalter 5 angeordnet, um einen hinreichend großen Abstand zwischen der Metallplatte 4 und dem Untersuchungsobjekt 10 bereitzustellen. Der Abstandshalter 5 kann ebenfalls einen Rahmen ausbilden, so dass nur ein bestimmter Bereich des Untersuchungsobjektes 10 der Infrarotstrahlung von der Wärmelampe 4 ausgesetzt wird. Sofern die Metallplatte 4 geschlossen ausgebildet ist, wird diese durch den Infrarotstrahler 3 erwärmt und gibt Infrarotstrahlung in dem gewünschten Wellenlängenbereich in Richtung auf die Thermographiekamera 2 ab. Dabei durchdringt die Infrarotstrahlung das Untersuchungsobjekt 10 und über die Thermographiekamera 2, die mit geeigneten Wellenlängenfϊltern ausgerüstet sein kann, können Dichte- oder Dickenunterschiede in dem Untersuchungsobjekt 10 erfasst werden, da unterschiedlich dicke oder dichte Stellen innerhalb des Untersuchungsobjektes 10 ein unterschiedliches Transmissionsverhalten für Infrarotstrahlungen aufweisen. Sofern statt einer durchgehenden Metallplatte 4 nur ein Rahmen mit einem Abstandshalter 5 ausgebildet ist, treffen die Infrarotstrahlen aus der Infrarotquelle 3 unmittelbar auf das Untersuchungsobjekt 10, und die durch das Untersuchungsobjekt 10 durchdringenden Infrarotstrahlen werden von der Thermographiekamera 2 erfasst und ausgewertet. Die Auswertung kann auch in einem nicht dargestellten Rechner erfolgen, der an die Thermographiekamera 2 angeschlossen ist. Ist als Infrarotquelle 3 eine Blitzlampe vorgesehen, kann durch ein- oder mehrmaliges kurzzeitiges Bestrahlen des Untersuchungsobjektes 10 mit Infrarotstrahlen eine sehr schnelle Untersuchung des Untersuchungsobjektes 10 erfolgen, so dass durch kurzfristiges Bestrahlen eine hohe Anzahl an Untersuchungsobjekten 10 in kurzer Zeit untersucht werden kann. Insbesondere für Geldscheine, Wertpapiere, andere Dokumente mit Wasserzeichen oder dergleichen sowie wertvolle Kunstobjekte kann auf einfache und materialschonende Art und Weise eine Untersuchung durchgeführt und können Wasserzeichen oder dergleichen innerhalb der Dokumente oder Objekte erkannt werden.
Statt einer Untersuchung flächiger Materialien, die für Infrarotstrahlung transparent oder teiltransparent sind, hingegen für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich nicht oder nur teilweise transparent sind, ist es auch möglich, dreidimensionale Gegenstände zu untersuchen. In der Figur 2 ist ein solches dreidimensionales Untersuchungsobjekt 1 in Gestalt einer Milchglasflasche dargestellt. Im Inneren dieser Flasche 1 kann es also aufgrund des Herstellungsverfahrens zu sogenannten „Affenschaukeln" 6 kommen, dies sind Glasfäden, die sich zwischen den inneren Oberflächen eines Glashohlkörpers erstrecken und beim Befüllen zerbrechen können. Dadurch besteht die Gefahr, dass beim Ausgießen und Anwenden z.B. von Emulsionen scharfkantige Glaspartikel Verletzungen herbeiführen können. Um solche Affenschaukeln 6 erkennen zu können, insbesondere solche Affenschaukeln, die durch die Form des Gegenstandes 1 nicht unmittelbar einsehbar oder in einem undurchsichtigen Material ausgeführt sind, werden Untersuchungsgegenstände 1 ebenfalls mit Infrarotstrahlen aus einer Infrarotquelle 3 bestrahlt. Aufgrund der unterschiedlichen Durchlässigkeit für Infrarotstrahlen im Bereich der Affenschaukeln 6 bzw. im Bereich der größeren Materialdicke und der Materialansammlung zwischen Innenwandungen werden entsprechend weniger Infrarotstrahlen durch den Untersuchungskörper 3 transmittiert, was durch die Thermographiekamera 2 leicht und schnell erkannt werden kann. Auch hier ist es nicht erforderlich, den Untersuchungsgegenstand 1 zu erwärmen, vielmehr reicht es aus, wenn nur kurzfristig Infrarotstrahlung auf den zu untersuchenden Gegenstand aufgebracht wird, da keine Abstrahlung von Infrarotstrahlen seitens des Untersuchungsgegenstandes 1 erfolgt, sondern eine Untersuchung der Transmissivität.
In Figur 3 ist ein Beispiel eines Untersuchungsobjektes 1 in Gestalt eines Skizzenblattes aus dem Mittelalter dargestellt. Ein Wasserzeichen 7 im übermalten Bereich des Blattes 10 ist aufgrund der Farben nicht oder nur schwer zu erkennen. Durch eine Durchleuchtung mittels der Vorrichtung gemäß Figur 1 ist es möglich, aufgrund der transmittierten Infrarotstrahlung ein Wasserzeichen 7 eindeutig zu erkennen, das genutzt werden kann, um die Echtheit der Zeichnung zu bestimmen bzw. das Kunstwerk zu datieren.
Die Untersuchung mittels einer kurzfristigen Bestrahlung mit Infrarotstrahlen ermöglicht insbesondere das Erkennen von Wasserzeichen auf Papieren, die im Bereich der Wasserzeichen beschrieben oder bemalt sind, da ein herkömmliches Durchleuchten mit Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich hier nicht erfolgversprechend wäre. Hier macht sich zusätzlich zu dem Vorteil der Erkennung von Dicken- und Dichteunterschieden mittels Transmissionsthermographie auch die fehlende Absorption von Infrarotstrahlung vieler Tinten und Farben positiv bemerkbar. So ist die Schrift oder die Zeichnung bei einer Untersuchung mittels Infrarotstrahlung meist nicht sichtbar, wohingegen das Wasserzeichen als Dicken- oder Dichteunterschied sehr gut erkennbar ist.
Die Dichte- oder Dickenunterschiede bzw. Wasserzeichen 7 liegen unmittelbar nach der Durchleuchtung im Rechner vor, so dass neben einer Sichtbarmachung zur subjektiven Beurteilung an einem Bildschirm eine automatische, objektive Auswertung im Rechner erfolgen kann, um z. B. das detektierte Wasserzeichen 7 mit einem anderen Wasserzeichen aus einer Datenbank zu vergleichen oder um objektive Parameter im vorliegenden Papier oder Untersuchungsgegenstand 10 zu vermessen. Vergleichbar mit einer Datenbank mit Fingerabdrücken, kann eine Datenbank mit Wasserzeichen, die weitere zusätzliche Merkmale enthält, dazu verwendet werden, bislang unbekannte Blätter anhand des Wasserzeichens 7 und der Zusatzmerkmale automatisch zu kategorisieren und gegebenenfalls katalogisieren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erkennung von Dichte- und/oder Dickenunterschieden in für Infrarotstrahlung transparenten oder teiltransparenten Materialien, bei dem ein Untersuchungsobjekt (1, 10) zwischen einer Infrarotquelle (3) und einer Thermographiekamera (2) angeordnet wird, das Untersuchungsobjekt (1 , 10) von der Infrarotquelle (3) bestrahlt wird und die Thεrrnographiεkamera (2), die auf der Infrarotquelle (3) gegenüberliegenden Seite des Untersuchungsobjektes (1, 10) angeordnet ist, die durch das Untersuchungsobjekt (1 , 10) durchdringenden Infrarotstahlen der Infrarotquelle (3) erfasst und auswertet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermographiekamera (2) die transmittierten Infrarotstrahlen als Bild abspeichert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Infrarotquelle (3) ein Breitbandinfrarotstrahler oder ein selektiver Strahler eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotstrahler (3) in einem Abstand hinter dem Untersuchungsobjekt (1, 10) angeordnet wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahlfläche des Infrarotstrahlers (3) nicht größer als die Projektionsfläche des Untersuchungsobjektes (1 , 10) eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersuchungsobjekt (1 , 10) homogen bestrahlt wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Thermographiekamera (2) und dem Untersuchungsobjekt (1 , 10) ein Filter angeordnet wird, der Infrarotstrahlen im Längenwellenbereich von 0,8 bis 5 μm oder 8 bis 16μm durchläset.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Thermographiekamera (2) eingesetzt wird, die für Infrarotstrahlen im Längenwellenbereich von 0,8 bis 5 μm oder 8 bis 16μm empfindlich ist.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Thermographiekamera (2) aufgenommenen Bilder an einen Rechner übertragen und in dem Rechner einer Bildbearbeitung unterzogen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder einer automatischen Mustererkennung zugeführt werden
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche, mit einer Infrarotstrahlenquelle (3), einer Untersuchungsobjekthalterung (4), die der Infrarotstrahlenquelle (3) zugeordnet ist, und einer Thermographiekamera (2), die auf der der Infrarotquelle (2) gegenüberliegenden Seite der Untersuchungsobjekthalterung (4) angeordnet ist und durch ein Untersuchungsobjekt (1, 10) transmittierte Infrarotstrahlung aufnimmt und auswertet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Thermographiekamera (2) mit zumindest einem Wellenlängenfilter ausgestattet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotquelle (3) als eine breitbandige Infrarotquelle, insbesondere eine Heizplatte oder Wärmematte ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotquelle (3) als selektiver Strahler, insbesondere als Diode, Blitzlampe oder Laser ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchungsobjekthalterung (4) einen Rahmen (5) aufweist, der zwischen dem Untersuchungsobjekt (1 , 10) und der Infrarotquclle (3) einen Freiraum ausbildet.
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