EP3811063A1 - Device and method for detecting and/or evaluating articles or products - Google Patents

Device and method for detecting and/or evaluating articles or products

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EP3811063A1
EP3811063A1 EP19731272.1A EP19731272A EP3811063A1 EP 3811063 A1 EP3811063 A1 EP 3811063A1 EP 19731272 A EP19731272 A EP 19731272A EP 3811063 A1 EP3811063 A1 EP 3811063A1
Authority
EP
European Patent Office
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products
radiation
detector array
detectors
raman
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19731272.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Philipp Wollmann
Wulf Grählert
Florian Gruber
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
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3811063A1 publication Critical patent/EP3811063A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N2021/8887—Scan or image signal processing specially adapted therefor, e.g. for scan signal adjustment, for detecting different kinds of defects, for compensating for structures, markings, edges based on image processing techniques

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for recognizing and / or evaluating products or products. These can be different products or products that are or have been manufactured industrially. In the case of an evaluation, the quality can preferably be checked and, if necessary, a classification, sorting or assignment can be carried out.
  • one or more products or products are irradiated with a laser beam emitted by a laser beam source such that Raman or fluorescent radiation is generated on surfaces or areas of the surface of products or products.
  • the generated Raman or fluorescent radiation is aimed at a detector array designed for spatially resolved detection of this radiation.
  • detectors of the detector array can be arranged in a row which, for example, is aligned perpendicular to the direction of advance movement of a stream of products or products or in a row and column arrangement, with which a detection across the width of the stream can preferably be possible.
  • the products or products are at least approximately monochromatic electromagnetic radiation, the central wavelength of which is selected such that there is no influence on the Raman or fluorescent radiation Detection takes place, preferably directed over the width of the individual products or products emitted by several diodes emitting this electromagnetic radiation.
  • the individual detectors of the detector array are designed for spatially resolved detection of electromagnetic radiation reflected or scattered by the products or products.
  • An optical filter or a beam splitter is arranged between the products or the detector array and is designed such that electromagnetic radiation with the wavelength of the laser beam does not strike the detectors of the detector array.
  • An optical filter can be a bandpass or edge filter. With a beam splitter, electromagnetic radiation from the wavelength range of the laser radiation of the laser beam can be deflected such that this wavelength range of the laser radiation cannot strike detectors of the detector array.
  • the irradiation and detection takes place during a relative movement between the products or products, the focus area of the laser beam, the electromagnetic radiation-emitting diodes and the detectors of the detector array.
  • the products or products are moved and all other components mentioned can be rigidly attached.
  • At least the detectors of the detector array are connected to an electronic evaluation unit.
  • the electronic evaluation unit is designed for spatially and spectrally resolved evaluation of intensities of Raman or fluorescence radiation detected with detectors of the detector array and for carrying out an image analysis to determine the shape and position detection of individual products or products.
  • the laser beam for exciting Raman or fluorescent radiation can be swiveled by at least one or at least one axis rotatable reflective element or by means of a line-shaped optical lens, across the width in which products or products are arranged.
  • Swiveling reflective elements can be so-called scanner or galvo mirrors.
  • a rotatable reflecting element can have several planar reflecting surfaces distributed over its circumference, onto which a beam can be directed successively during the rotation. It can have the shape of a polygon mirror, on the circumferential surface of which several reflecting flat surfaces are arranged one after the other in the direction of rotation.
  • a reflective element which can be pivoted about at least one axis or a reflective element which can be rotated about an axis of rotation should be designed or controlled in such a way that the movement of the focus area of the laser beam during the generation of Raman or fluorescent radiation takes place at a frequency which is greater than the frequency, with which the detection takes place.
  • the electronic evaluation unit should advantageously be used to detect spectral intensity differences of intensities detected with detectors of at least one wavelength and / or to extract parameters, in particular by means of a multivariate or chemometric data analysis, preferably with a main component analysis, discriminant analysis, support vector method, a neural network, cluster analysis , random forest method.
  • HIS systems Classic hyperspectral image systems
  • Inexpensive silicon-based detectors can be used.
  • the respective samples to be sorted can be excited optically without contact using a laser beam.
  • RAMAN scattering or fluorescence is excited.
  • the laser wavelength should be selected so that
  • the signals of the RAMAN scattering / fluorescence can be detected in the optimal range of the detectors. This can be the area with the highest quantum efficiency.
  • a further area of the detector array can be used for the shape detection, the central wavelength (ZWL) of a line with the diodes of which can be emitted at least approximately monochromatic electromagnetic radiation can be chosen in this way that the RAMAN / fluorescence signals detected with detectors are not influenced.
  • ZWL central wavelength
  • detectors that are sensitive in a wavelength range between 400 nm - 1000 nm, laser radiation at a wavelength of 532 nm can be used.
  • RAMAN / fluorescence can be detected up to approx. 700 nm and diodes with ZWL of 850 nm can be used for irradiation and then for image analysis.
  • the data recorded on individual detectors can be processed separately.
  • the parameters required for the respective task can be extracted from the spectra recorded with the detectors in a spatially resolved manner. These can be obtained both from spectral intensity differences (at one or more wavelengths) and as a clear criterion for multivariate / chemometric data analysis (e.g. main component analysis, discriminant analysis, support vector method, neural networks [deep learning methods], cluster analysis, random forest Methods etc.).
  • multivariate / chemometric data analysis e.g. main component analysis, discriminant analysis, support vector method, neural networks [deep learning methods], cluster analysis, random forest Methods etc.
  • the determined shape, color, layer, surface, material and position / location parameters and / or data obtained from the image analysis can again together with the knowledge gained from the spectral evaluation for further sample classification / sample evaluation for samples, that are formed with several articles or products can be used.
  • the laser beam (coherent, monochromatic point source) can be guided by means of a scanner mirror (galvanoscanner or rotating mirror) across the width of the current formed with products or products or onto the surface of individual products or products, which is done at a significantly higher speed than the recording frequency should
  • a scanner mirror galvanoscanner or rotating mirror
  • an optical line lens can also be used, so that the intensity applied per location point, per unit of time decreases o
  • the laser beam can be introduced obliquely or vertically via a dichroic beam splitter o
  • An optical edge or notch filter can be arranged in front of the HSI system be with which the excitation wavelength can be masked out for the detectors, otherwise overexposure and signal superimposition can occur
  • Diodes for example a row of diodes, can be inserted on one or two sides of an observation line, the angle is variable (shading may have to be taken into account)
  • the intrinsic combination of mechanical imaging (diode rows) and imaging spectroscopy (HSI system) for the evaluation enables a complex determination of evaluation characteristics, in particular taking into account the shape / uniformity of the different products or products.
  • the invention is therefore based on a laser excitation, the simultaneous Detection of RAMAN and / or fluorescence signals as well as data for shape recognition / image acquisition in an unused spectral range of detectors. Previously, this had to be done in two separate optical test systems (spectroscopy system + machine vision system). This enables a completely new type of optical inspection of surfaces, components (general: industrial products).
  • the invention can be used in the quality and process control of industrial products, such as
  • Figure 1 shows an example of a device according to the invention in a schematic representation.
  • a laser beam 1 with a wavelength of 532 nm is pivotable about an axis, the laser beam 1 reflecting element 6 via a current directed with products 3.
  • the focal spot of the laser beam 1 is directed over the entire width of the current moving in one direction, which is formed with the products 3.
  • the movement of the focal spot takes place perpendicular to the direction of advance of the current.
  • Raman scattering is generated and / or fluorescent radiation is excited.
  • This electromagnetic radiation has a central wavelength of 850 nm and a scattering around this wavelength of ⁇ 10%.
  • This irradiation preferably takes place in the area of the surfaces of the products 3, in which no Raman scattering or fluorescent radiation is detected.
  • a detector array 4 is arranged, which is formed with a plurality of detectors arranged in a row or in a row and column arrangement.
  • the detectors are designed in such a way that they enable spatially and spectrally resolved detection of intensities.
  • a spectral spatially resolved analysis and a spatially resolved image analysis are thus possible.
  • the measurement signals of the individual detectors are fed to an electronic evaluation unit (not shown), with which products 3 can be evaluated, for example, from certain materials or with certain shapes or colors / color combinations.
  • an optical filter 5 is arranged between the area irradiated with the laser beam 1 and the detector array 4, which can be used to prevent reflected and scattered laser radiation from striking the detectors of the detector array 4 and can adversely affect the actual measurement signals.
  • the optical filter 5 is an edge filter that is almost completely transparent only for electromagnetic radiation with wavelengths greater than 532 nm.
  • the evaluation can be done using a PC.
  • the recorded data from the detector must be transmitted via a sufficiently fast data connection.
  • the software must be able to evaluate the data at the speed of acquisition.
  • the procedure for the evaluation can be defined as a 'recipe', or it can be freely defined in advance. Ideally, only the results of the evaluation are saved, the original data are discarded. In addition to the results of the detection, other data such as location information and time stamps can also be recorded and passed on.

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Abstract

The invention relates to a device for detecting and/or evaluating articles or products, which are irradiated by means of a laser beam, such that generation of Raman or fluorescence radiation takes place on surfaces of the articles or products, and the generated radiation is directed to a detector array designed for the locally resolved detection of said radiation. Monochromatic electromagnetic radiation with no influence on the Raman or fluorescence radiation is directed at the articles or products. Detectors detect radiation reflected or scattered by the articles or products in a locally resolved manner. An optical filter or a beam splitter is arranged between the articles or products and the detector array. The irradiation and detection are carried out during a relative movement between the articles or products, the focal range of the laser beam, the diodes emitting electromagnetic radiation and the detectors of the detector array. The detectors are connected to an electronic evaluation unit, which is designed for the locally and spectrally resolved evaluation of detected intensities of the Raman or fluorescence radiation and for the performance of image analysis.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERKENNUNG UN D/ODER BEWERTUNG VON ERZEUGN ISSEN ODER PRODUKTEN  DEVICE AND METHOD FOR DETECTING AND / OR EVALUATING PRODUCTS OR PRODUCTS
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung und/oder Bewertung von Erzeugnissen oder Produkten. Dabei kann es sich um unterschiedliche Erzeugnisse oder Produkte handeln, die insbesondere industriell hergestellt werden bzw. worden sind. Bei einer Bewertung kann bevorzugt die Qualität überprüft und ggf. eine Klassifizierung, Sortierung oder Zuordnung durchgeführt werden. The invention relates to a device and a method for recognizing and / or evaluating products or products. These can be different products or products that are or have been manufactured industrially. In the case of an evaluation, the quality can preferably be checked and, if necessary, a classification, sorting or assignment can be carried out.
Die optische Prüfung von industriellen Erzeugnissen erfolgt bisher auf ver schiedenen Wegen: The optical inspection of industrial products has so far been carried out in various ways:
• manuelle Sichtprüfung durch Personal • manual visual inspection by personnel
• Einsatz von Graustufen- oder Farbkameras, mit monochromati scher oder breitbandiger Beleuchtung spektrale Bildgebung (HSI) mit breitbandiger Beleuchtung • Use of grayscale or color cameras with monochromatic or broadband lighting spectral imaging (HSI) with broadband illumination
Dabei kann es zu Fehlern bei der Erkennung oder Bewertung kommen. Es be steht auch die Möglichkeit, dass bestimmte Eigenschaften nicht erkannt wer den konnten. Ein weiterer Nachteil ist der üblicherweise erforderliche Zeit aufwand, der auch durch eine begrenzt erreichbare Automatisierbarkeit her vorgerufen wird. This can lead to errors in the detection or evaluation. There is also the possibility that certain properties could not be recognized. A further disadvantage is the time usually required, which is also caused by the fact that automation can be achieved to a limited extent.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Erkennung und/oder Bewertung von Erzeugnissen oder Produkten anzugeben, mit denen deren Erkennbarkeit verbessert, die Bewertungsqualität und -Sicherheit erhöht werden kann, was insbesondere mit hoher Produktivität erreicht werden soll. It is therefore an object of the invention to provide possibilities for the detection and / or evaluation of products or products, with which their recognizability can be improved, the evaluation quality and safety can be increased, which should be achieved in particular with high productivity.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 5 definiert ein Verfahren. Vorteil hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in un tergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden. According to the invention, this object is achieved with a device which has the features of claim 1. Claim 5 defines a method. Advantageous refinements and developments of the invention can be realized with features designated in unordinate claims.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden ein oder mehrere Erzeugnis se oder Produkte mit einem Laserstrahl, der von einer Laserstrahlquelle emit tiert wird, so bestrahlt, dass an Oberflächen oder Bereichen der Oberfläche von Erzeugnissen oder Produkten eine Generierung von Raman- oder Fluores zenzstrahlung erfolgt. In the device according to the invention, one or more products or products are irradiated with a laser beam emitted by a laser beam source such that Raman or fluorescent radiation is generated on surfaces or areas of the surface of products or products.
Die generierte Raman- oder Fluoreszenzstrahlung ist auf ein zur ortsaufgelös ten Erfassung dieser Strahlung ausgebildetes Detektorarray gerichtet. Dabei können Detektoren des Detektorarrays in einer Reihenanordnung, die bei spielsweise senkrecht zur Vorschubbewegungsrichtung eines Stromes von Erzeugnissen oder Produkten ausgerichtet oder in einer Reihen- und Spalten anordnung angeordnet sein, mit der bevorzugt eine Erfassung über die Breite des Stromes möglich sein kann. The generated Raman or fluorescent radiation is aimed at a detector array designed for spatially resolved detection of this radiation. In this case, detectors of the detector array can be arranged in a row which, for example, is aligned perpendicular to the direction of advance movement of a stream of products or products or in a row and column arrangement, with which a detection across the width of the stream can preferably be possible.
Auf die Erzeugnisse oder Produkte ist zumindest annähernd monochromati sche elektromagnetische Strahlung, deren zentrale Wellenlänge so gewählt ist, dass keine Beeinflussung der Raman- oder Fluoreszenzstrahlung bei der Detektion erfolgt, bevorzugt über die Breite der vereinzelten Erzeugnisse oder Produkte, die von mehreren diese elektromagnetische Strahlung emittieren den Dioden emittiert ist, gerichtet. The products or products are at least approximately monochromatic electromagnetic radiation, the central wavelength of which is selected such that there is no influence on the Raman or fluorescent radiation Detection takes place, preferably directed over the width of the individual products or products emitted by several diodes emitting this electromagnetic radiation.
Die einzelnen Detektoren des Detektorarrays sind zur ortsaufgelösten Erfas sung von den Erzeugnissen oder Produkten reflektierten oder gestreuten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet. The individual detectors of the detector array are designed for spatially resolved detection of electromagnetic radiation reflected or scattered by the products or products.
Zwischen den Erzeugnissen oder Produkten und dem Detektorarray ist ein optischer Filter oder ein Strahlteiler angeordnet, das/der so ausgebildet ist, dass elektromagnetische Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls nicht auf die Detektoren des Detektorarrays auftrifft. Ein optischer Filter kann dabei ein Bandpass- oder Kantenfilter sein. Mit einem Strahlteiler kann elektromag netische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich der Laserstrahlung des La serstrahls so abgelenkt werden, dass dieser Wellenlängenbereich der Laser strahlung nicht auf Detektoren des Detektorarrays auftreffen kann. An optical filter or a beam splitter is arranged between the products or the detector array and is designed such that electromagnetic radiation with the wavelength of the laser beam does not strike the detectors of the detector array. An optical filter can be a bandpass or edge filter. With a beam splitter, electromagnetic radiation from the wavelength range of the laser radiation of the laser beam can be deflected such that this wavelength range of the laser radiation cannot strike detectors of the detector array.
Die Bestrahlung und Detektion erfolgt während einer Relativbewegung zwi schen den Erzeugnissen oder Produkten, dem Fokusbereich des Laserstrahls, den elektromagnetische Strahlung emittierenden Dioden und den Detektoren des Detektorarrays. In der Regel werden die Erzeugnisse oder Produkte be wegt und alle anderen genannten Komponenten können starr befestigt sein. Es erfolgt nur eine Bewegung des Fokusbereichs des Laserstrahls über die Oberfläche oder Bereiche der Oberfläche von Erzeugnissen oder Produkten, wenn der Laserstrahl mit einem schwenk- oder drehbaren reflektierenden Element ausgelenkt wird. The irradiation and detection takes place during a relative movement between the products or products, the focus area of the laser beam, the electromagnetic radiation-emitting diodes and the detectors of the detector array. As a rule, the products or products are moved and all other components mentioned can be rigidly attached. There is only a movement of the focus area of the laser beam over the surface or areas of the surface of products or products if the laser beam is deflected with a pivotable or rotatable reflecting element.
Zumindest die Detektoren des Detektorarrays sind an eine elektronische Aus werteeinheit angeschlossen. Die elektronische Auswerteeinheit ist zur orts- und spektralaufgelösten Auswertung von mit Detektoren des Detektorarrays erfassten Intensitäten der Raman- oder Fluoreszenzstrahlung sowie einer Durchführung einer Bildanalyse zur Bestimmung der Form- und Positionser kennung einzelner Erzeugnisse oder Produkte ausgebildet. At least the detectors of the detector array are connected to an electronic evaluation unit. The electronic evaluation unit is designed for spatially and spectrally resolved evaluation of intensities of Raman or fluorescence radiation detected with detectors of the detector array and for carrying out an image analysis to determine the shape and position detection of individual products or products.
Der Laserstrahl zur Anregung von Raman- oder Fluoreszenzstrahlung kann mittels mindestens eines um mindestens eine Achse schwenkbaren oder drehbaren reflektierenden Elements oder mittels einer linienförmigen opti schen Linse, über die Breite in der Erzeugnisse oder Produkte angeordnet sind, gerichtet sein. Bei schwenkbaren reflektierenden Elementen kann es sich um so genannte Scanner- oder Galvo-Spiegel handeln. Ein drehbares reflektie rendes Element kann über seinen Umfang verteilt mehrere ebene reflektie rende Flächen aufweisen, auf die ein Strahl sukzessive während der Drehung gerichtet werden kann. Es kann die Form eines Polygonspiegels haben, an dessen Umfangsfläche mehrere reflektierende ebene Flächen in Drehrichtung nacheinander angeordnet sind. The laser beam for exciting Raman or fluorescent radiation can be swiveled by at least one or at least one axis rotatable reflective element or by means of a line-shaped optical lens, across the width in which products or products are arranged. Swiveling reflective elements can be so-called scanner or galvo mirrors. A rotatable reflecting element can have several planar reflecting surfaces distributed over its circumference, onto which a beam can be directed successively during the rotation. It can have the shape of a polygon mirror, on the circumferential surface of which several reflecting flat surfaces are arranged one after the other in the direction of rotation.
Ein um mindestens eine Achse schwenkbares oder ein um eine Rotationsach se drehbares reflektierendes Element sollte so ausgebildet oder ansteuerbar sein, dass die Bewegung des Fokusbereichs des Laserstrahls bei der Generie rung von Raman- oder Fluoreszenzstrahlung mit einer Frequenz erfolgt, die größer als die Frequenz ist, mit der die Detektion erfolgt. A reflective element which can be pivoted about at least one axis or a reflective element which can be rotated about an axis of rotation should be designed or controlled in such a way that the movement of the focus area of the laser beam during the generation of Raman or fluorescent radiation takes place at a frequency which is greater than the frequency, with which the detection takes place.
Die elektronische Auswerteeinheit sollte vorteilhaft zur Erkennung spektraler Intensitätsunterschiede von mit Detektoren erfassten Intensitäten mindes tens einer Wellenlänge und/oder zur Extraktion von Parametern, insbesonde re mittels einer multivariaten oder chemometrischen Datenanalyse, bevorzugt mit einer Hauptkomponentenanalyse, Diskriminanzanalyse, Stützvektorme thode, einem neuronalen Netz, Clusteranalyse, random forest Methode aus gebildet sein. The electronic evaluation unit should advantageously be used to detect spectral intensity differences of intensities detected with detectors of at least one wavelength and / or to extract parameters, in particular by means of a multivariate or chemometric data analysis, preferably with a main component analysis, discriminant analysis, support vector method, a neural network, cluster analysis , random forest method.
Für die Detektion können klassische Hyperspectral Image Systeme (HSI- Systeme) genutzt werden. Dabei können preiswerte Detektoren auf Silizium- Basis eingesetzt werden. Die jeweiligen zu sortierenden Proben können mit Hilfe eines Laserstrahls optisch, berührungslos angeregt werden. Je nach Ma terial kommt es dabei zur Anregung von RAMAN-Streuung oder Fluoreszenz. Die Laserwellenlänge sollte so ausgewählt werden, dass Classic hyperspectral image systems (HSI systems) can be used for detection. Inexpensive silicon-based detectors can be used. The respective samples to be sorted can be excited optically without contact using a laser beam. Depending on the material, RAMAN scattering or fluorescence is excited. The laser wavelength should be selected so that
a) im optimalen Bereich der Detektoren die Signale der RAMAN- Streuung/Fluoreszenz erfasst werden können. Dies kann der Be reich mit der höchsten Quanteneffizienzsein.  a) the signals of the RAMAN scattering / fluorescence can be detected in the optimal range of the detectors. This can be the area with the highest quantum efficiency.
b) ein weiterer Bereich des Detektorarrays kann für die Formerken nung genutzt werden, die Zentralwellenlänge (ZWL) einer Zeile mit dessen Dioden zumindest annähernd monochromatische elektro magnetische Strahlung emittiert werden kann, kann so gewählt werden, dass keine Beeinflussung der mit Detektoren erfassten RAMAN/Fluoreszenzsignale erfolgt. b) a further area of the detector array can be used for the shape detection, the central wavelength (ZWL) of a line with the diodes of which can be emitted at least approximately monochromatic electromagnetic radiation can be chosen in this way that the RAMAN / fluorescence signals detected with detectors are not influenced.
So können beispielswiese Detektoren, die in einem Wellenlängenbereich zwi schen 400 nm - 1000 nm empfindlich sind, Laserstrahlung bei einer Wellen länge von 532 nm eingesetzt werden. Die Detektion von RAMAN/Fluoreszenz kann bis ca. 700 nm erfolgen und Dioden mit ZWL von 850 nm können zur Bestrahlung und dann für eine Bildanalyse genutzt werden. For example, detectors that are sensitive in a wavelength range between 400 nm - 1000 nm, laser radiation at a wavelength of 532 nm can be used. RAMAN / fluorescence can be detected up to approx. 700 nm and diodes with ZWL of 850 nm can be used for irradiation and then for image analysis.
Die spektralaufgelöst auf einzelnen Detektoren erfassten Daten können ge trennt verarbeitet werden. The data recorded on individual detectors can be processed separately.
a) Auswertung der (Raman-/Fluoreszenz)Spektren  a) Evaluation of the (Raman / fluorescence) spectra
b) Separierung der Daten aus der Dioden-Anregung zur Form- und La ge/Positionserkennung bzw. zur Bildanalyse  b) Separation of the data from the diode excitation for shape and position / position detection or for image analysis
Aus den mit den Detektoren ortsaufgelöst erfassten Spektren können die für die jeweilige Aufgabe notwendigen Parameter extrahiert werden. Diese kön nen sowohl aus spektralen Intensitätsunterschieden (bei einer oder mehrerer Wellenlängen) gewonnen werden, als auch als eindeutiges Kriterium einer multivariaten/chemometrischen Datenanalyse (z.B. Hauptkomponentenana lyse, Diskriminanzanalyse, Stützvektormethode, neuronale Netze [deep lear- ning Methoden], Clusteranalyse, random forest Methoden etc.). The parameters required for the respective task can be extracted from the spectra recorded with the detectors in a spatially resolved manner. These can be obtained both from spectral intensity differences (at one or more wavelengths) and as a clear criterion for multivariate / chemometric data analysis (e.g. main component analysis, discriminant analysis, support vector method, neural networks [deep learning methods], cluster analysis, random forest Methods etc.).
Die ermittelten Form-, Färb-, Schicht-, Oberflächen-, Material- und Positions- /Lageparameter bzw. gewonnenen Daten aus der Bildanalyse können wiede rum gemeinsam mit den aus der spektralen Auswertung gewonnenen Er kenntnissen für eine weitergehende Probenklassifizierung/Probenbewertung bei Proben, die mit mehreren Erzeugnissen oder Produkten gebildet sind, ge nutzt werden. The determined shape, color, layer, surface, material and position / location parameters and / or data obtained from the image analysis can again together with the knowledge gained from the spectral evaluation for further sample classification / sample evaluation for samples, that are formed with several articles or products can be used.
• Der Einsatz der Hyperspektraltechnik bzw. bildgebender Spektros kopie ermöglicht die flächige (lateral aufgelöste) Charakterisierung anhand • The use of hyperspectral technology or imaging spectroscopy enables the flat (laterally resolved) characterization based on
o der Auswertung von Spektren (Transmission oder(/und) Re flexion), die gleichzeitig an unterschiedlichen Orten einer mit Erzeugnissen oder Produkten gebildeten Probe gemes sen wurden (hier in einer Linie) o the evaluation of spectra (transmission or (/ and) reflection), which are simultaneously in different locations were measured with products or products (here in a line)
o einer Relativbewegung Probe/Detektorarray  o a relative movement sample / detector array
• Voraussetzungen • Requirements
o der Laserstrahl (kohärente, monochromatische Punktquel le) kann mittels eines Scannerspiegels (Galvanoscanner oder Rotationsspiegel) über die Breite des mit Erzeugnissen oder Produkten gebildeten Stromes oder auf die Oberfläche einzelner Erzeugnisse oder Produkte geführt werden, was mit deutlich höherer Geschwindigkeit als die Aufnahmefre quenz erfolgen sollte  o The laser beam (coherent, monochromatic point source) can be guided by means of a scanner mirror (galvanoscanner or rotating mirror) across the width of the current formed with products or products or onto the surface of individual products or products, which is done at a significantly higher speed than the recording frequency should
■ alternativ kann auch eine optische Linienlinse ver wendet werden, damit sinkt die pro Ortspunkt punktuell, pro Zeiteinheit eingebrachte Intensität o der Laserstrahl kann schräg oder senkrecht über einen dich roitischen Strahlteiler eingebracht werden o ein optisches Kanten- oder Notchfilter kann vor dem HSI- System angeordnet sein, mit dem die Anregungswellenlän ge für die Detektoren ausgeblendet werden kann, da es sonst zu Überbelichtung und Signalüberlagerung kommen kann ■ Alternatively, an optical line lens can also be used, so that the intensity applied per location point, per unit of time decreases o The laser beam can be introduced obliquely or vertically via a dichroic beam splitter o An optical edge or notch filter can be arranged in front of the HSI system be with which the excitation wavelength can be masked out for the detectors, otherwise overexposure and signal superimposition can occur
o Dioden, beispielsweise einer Diodenzeile können einseitig oder zweiseitig einer Beobachtungslinie eingebracht wer den, der Winkel ist variabel (ggf. muss Abschattung beach tet werden)  o Diodes, for example a row of diodes, can be inserted on one or two sides of an observation line, the angle is variable (shading may have to be taken into account)
Durch die intrinsische Kombination aus maschineller Bildgebung (Dioden- Zeilen) und bildgebender Spektroskopie (HSI-System) für die Bewertung kann eine komplexe Ermittlung von Bewertungsmerkmalen, insbesondere unter Einbeziehung von Form/ Gleichmäßigkeit der unterschiedlichen Erzeugnisse oder Produkte erreicht werden. The intrinsic combination of mechanical imaging (diode rows) and imaging spectroscopy (HSI system) for the evaluation enables a complex determination of evaluation characteristics, in particular taking into account the shape / uniformity of the different products or products.
Die Erfindung liegt daher, basierend auf einer Laseranregung, die gleichzeitige Erfassung von RAMAN- und/oder Fluoreszenz-Signalen sowie von Daten zur Formerkennung/Bilderfassung in einem ungenutzten Spektralbereich von De tektoren zugrunde. Dies musste bislang in zwei getrennten optischen Prüfsys temen (Spektroskopie-System + machine Vision System) vorgenommen wer den. Dies ermöglicht eine völlig neue Art der optischen Prüfung von Oberflä chen, Bauteilen (allg.: industriellen Erzeugnissen). The invention is therefore based on a laser excitation, the simultaneous Detection of RAMAN and / or fluorescence signals as well as data for shape recognition / image acquisition in an unused spectral range of detectors. Previously, this had to be done in two separate optical test systems (spectroscopy system + machine vision system). This enables a completely new type of optical inspection of surfaces, components (general: industrial products).
Mit der Erfindung können nachfolgende vorteilhafte Wirkungen erreicht wer den: The following advantageous effects can be achieved with the invention:
i. doppelte Auslegung von optischen Inspektionssystemen entfällt (keine doppelte Software, doppelte Prozessein bindung etc.)  i. there is no double design of optical inspection systems (no double software, double process integration etc.)
ii. intrinsische Kombination aus maschineller Bildgebung und bildgebender Spektroskopie iii. komplexe Qualitätsbeurteilungen und Ermittlung kom plexer Qualitätsmerkmale, insbesondere wenn  ii. intrinsic combination of machine imaging and imaging spectroscopy iii. complex quality assessments and determination of complex quality features, especially if
Form/Lage/Gleichmäßigkeit in der Fläche mit einbezo gen werden müssen  Shape / position / uniformity in the surface must be included
iv. geringer Platzbedarf bei Prozesseinbindungen v. Oberfläche wird berührungslos und kontaminationsfrei untersucht  iv. low space requirement for process integration v. The surface is examined without contact and contamination-free
vi. schnelle, vollständige und automatisierbare Qualitäts kontrolle und  vi. fast, complete and automatable quality control and
inline-Überwachungen direkt an oder in der Produktion  inline monitoring directly on or in production
Die Erfindung kann bei der Qualitäts- und Prozesskontrolle industriel ler Erzeugnisse, wie The invention can be used in the quality and process control of industrial products, such as
• Gläser, Folien, Holz, keramische und metallische Oberflächen, Beschichtungen und Lacke • Glasses, foils, wood, ceramic and metallic surfaces, coatings and varnishes
• strukturierte Oberflächen bzw. strukturierte Bauteile/Produkte • structured surfaces or structured components / products
• Reinheits-/Sauberkeitsprüfung • Purity / cleanliness check
• komplexe technische Bauteile im Automobilbau, Flugzeugbau, Apparate- und Gerätebau, Halbleiterindustrie, Beschichter, Hersteller optischer Gläser eingesetzt werden. • complex technical components be used in automobile construction, aircraft construction, apparatus and device construction, semiconductor industry, coater, manufacturer of optical glasses.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail below by way of example.
Dabei zeigt: It shows:
Figur 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schemati scher Darstellung. Figure 1 shows an example of a device according to the invention in a schematic representation.
In Figur 1 ist lediglich der optische Teil der Vorrichtung gezeigt und es ist auf die Darstellung der elektronischen Auswerteinheit verzichtet worden. In Figure 1, only the optical part of the device is shown and the electronic evaluation unit has been omitted.
Mit einer Laserstrahlungsquelle 2 wird ein Laserstrahl 1 mit einer Wellenlänge von 532 nm über ein um eine Achse schwenkbares den Laserstrahl 1 reflektie rendes Element 6 über einen Strom, der mit Produkten 3 gerichtet. Der Brennfleck des Laserstrahls 1 wird dabei über die gesamte Breite des sich in eine Richtung bewegenden Stromes, der mit den Produkten 3 gebildet ist, gerichtet. Die Bewegung des Brennflecks erfolgt dabei senkrecht zur Vor schubbewegungsrichtung des Stromes. Durch diese Bestrahlung wird With a laser radiation source 2, a laser beam 1 with a wavelength of 532 nm is pivotable about an axis, the laser beam 1 reflecting element 6 via a current directed with products 3. The focal spot of the laser beam 1 is directed over the entire width of the current moving in one direction, which is formed with the products 3. The movement of the focal spot takes place perpendicular to the direction of advance of the current. This radiation will
Ramanstreuung generiert und/oder Fluoreszenzstrahlung angeregt. Raman scattering is generated and / or fluorescent radiation is excited.
Gleichzeitig erfolgt eine linienförmige Bestrahlung des Stromes mit elektro magnetischer Strahlung, die von einer Reihenanordnung von Dioden 7 emit tiert wird. Diese elektromagnetische Strahlung hat eine Zentralwellenlänge von 850 nm und eine Streuung um diese Wellenlänge von ± 10 %. Bevorzugt erfolgt diese Bestrahlung im Bereich der Oberflächen der Produkte 3, in dem keine Ramanstreuung oder Fluoreszenzstrahlung mehr detektiert wird. At the same time there is a linear irradiation of the current with electromagnetic radiation, which is emitted by a series arrangement of diodes 7. This electromagnetic radiation has a central wavelength of 850 nm and a scattering around this wavelength of ± 10%. This irradiation preferably takes place in the area of the surfaces of the products 3, in which no Raman scattering or fluorescent radiation is detected.
Oberhalb des bestrahlten Bereichs ist ein Detektorarray 4 angeordnet, das mit mehreren in einer Reihen- oder in einer Reihen- und Spaltenanordnung ange ordneten Detektoren gebildet ist. Die Detektoren sind so ausgebildet, dass sie eine orts- und spektralaufgelöste Erfassung von Intensitäten ermöglichen. Above the irradiated area, a detector array 4 is arranged, which is formed with a plurality of detectors arranged in a row or in a row and column arrangement. The detectors are designed in such a way that they enable spatially and spectrally resolved detection of intensities.
Es ist somit eine spektrale ortsaufgelöste Analyse und eine ortsaufgelöste Bildanalyse möglich. Die Messsignale der einzelnen Detektoren werden einer nicht dargestellten elektronischen Auswerteeinheit zugeführt, mit der eine Auswertung von Pro dukten 3 beispielsweise aus bestimmten Materialien oder mit bestimmten Formen bzw. Farben/Farbkombinationen durchgeführt werden kann. A spectral spatially resolved analysis and a spatially resolved image analysis are thus possible. The measurement signals of the individual detectors are fed to an electronic evaluation unit (not shown), with which products 3 can be evaluated, for example, from certain materials or with certain shapes or colors / color combinations.
Um eine nahezu störungsfreie Detektion der Messsignale zu ermöglichen ist zwischen dem mit dem Laserstrahl 1 bestrahlten Bereich und dem Detektorar- ray 4 ein optischer Filter 5 angeordnet, mit dem verhindert werden kann, dass reflektierte und gestreute Laserstrahlung auf die Detektoren des Detektorar- rays 4 auftreffen und die eigentlichen Messsignale negativ beeinträchtigen kann. Das optische Filter 5 ist bei diesem Beispiel ein Kantenfilter, das lediglich für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von größer als 532 nm nahezu vollständig transparent ist. In order to enable an almost interference-free detection of the measurement signals, an optical filter 5 is arranged between the area irradiated with the laser beam 1 and the detector array 4, which can be used to prevent reflected and scattered laser radiation from striking the detectors of the detector array 4 and can adversely affect the actual measurement signals. In this example, the optical filter 5 is an edge filter that is almost completely transparent only for electromagnetic radiation with wavelengths greater than 532 nm.
Die Auswertung kann mittels PC erfolgen. Die erfassten Daten des Detektors müssen über eine ausreichend schnelle Datenverbindung übertragen werden. Die Software muss in der Lage sein, die Daten mit der Geschwindigkeit der Erfassung auszuwerten. Die Vorgehensweise zur Auswertung kann dabei fest definiert als , Rezept' vorliegen, oder sie ist vorab frei definiert worden. Ideal erweise werden nur die Ergebnisse der Auswertung gespeichert, die Original daten werden verworfen. Neben den Ergebnissen der Erkennung können ebenso weitere Daten wie Lageinformation und Zeitstempel erfasst und wei tergegeben werden. The evaluation can be done using a PC. The recorded data from the detector must be transmitted via a sufficiently fast data connection. The software must be able to evaluate the data at the speed of acquisition. The procedure for the evaluation can be defined as a 'recipe', or it can be freely defined in advance. Ideally, only the results of the evaluation are saved, the original data are discarded. In addition to the results of the detection, other data such as location information and time stamps can also be recorded and passed on.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Erkennung und/oder Bewertung von Erzeugnissen oder Produkten, bei der Erzeugnisse oder Produkte (3) mit einem La serstrahl (1), der von einer Laserstrahlquelle (2) emittiert wird, be strahlt sind, so dass an Oberflächen der Erzeugnisse oder Produkte (3) eine Generierung von Raman- oder Fluoreszenzstrahlung erfolgt und die generierte Raman- oder Fluoreszenzstrahlung auf ein zur ortsauf gelösten Erfassung dieser Strahlung ausgebildetes Detektorarray (4) gerichtet ist und auf die Erzeugnisse oder Produkte (3) zumindest annähernd mono chromatische elektromagnetische Strahlung, deren zentrale Wellen länge so gewählt ist, dass keine Beeinflussung der Raman- oder Fluo reszenzstrahlung bei der Detektion erfolgt, über die Oberfläche oder Bereiche der Oberfläche der jeweiligen Erzeugnisse oder Produkte (3), die von mehreren diese elektromagnetische Strahlung emittierenden Dioden (7) emittiert ist, gerichtet ist und 1. Device for the detection and / or evaluation of products or products, in which products or products (3) with a laser beam (1), which is emitted by a laser beam source (2), be irradiated, so that on surfaces of the products or products (3) a generation of Raman or fluorescent radiation takes place and the generated Raman or fluorescent radiation is directed at a detector array (4) designed for the locally resolved detection of this radiation and at least approximately monochromatic electromagnetic radiation on the products or products (3) , whose central wavelength is selected so that there is no influence on the Raman or fluorescence radiation during detection, over the surface or areas of the surface of the respective products or products (3), which are emitted by several diodes (7) emitting this electromagnetic radiation. is emitted, directed and
Detektoren des Detektorarrays (4) zur ortsaufgelösten Erfassung von den Erzeugnissen oder Produkten (3) reflektierten oder gestreuten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet sind und zwischen den Erzeugnissen oder Produkten (3) und dem Detektorarray (4) ein optisches Filter (5) oder ein Strahlteiler angeordnet ist, das/der so ausgebildet ist, dass elektromagnetische Strahlung mit der Wellen länge des Laserstrahls (1) nicht auf die Detektoren des Detektorarrays (4) auftrifft; wobei die Bestrahlung und Detektion während einer Relativbewegung zwischen den Erzeugnissen oder Produkten (3), dem Fokusbereich des Laserstrahls (1), den elektromagnetische Strahlung emittierenden Dio den (7) und den Detektoren des Detektorarrays (4) erfolgt und zumindest die Detektoren des Detektorarrays (4) an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen sind und die elektronische Auswerteeinheit zur orts- und spektralaufgelösten Auswertung von mit den Detektoren des Detektorarrays erfassten In tensitäten der Raman- oder Fluoreszenzstrahlung sowie einer Durch führung einer Bildanalyse zur Bestimmung der Form-, Farbe und/oder Oberflächenerkennung einzelner Erzeugnisse oder Produkte (3) ausge bildet ist. Detectors of the detector array (4) are designed for spatially resolved detection of electromagnetic radiation reflected or scattered from the products or products (3) and an optical filter (5) or a beam splitter is arranged between the products or products (3) and the detector array (4) , which is designed such that electromagnetic radiation with the wavelength of the laser beam (1) does not strike the detectors of the detector array (4); wherein the irradiation and detection during a relative movement between the products or products (3), the focus area of the Laser beam (1), the electromagnetic radiation emitting diodes (7) and the detectors of the detector array (4) and at least the detectors of the detector array (4) are connected to an electronic evaluation unit and the electronic evaluation unit for spatially and spectrally resolved evaluation of intensities of the Raman or fluorescence radiation detected by the detectors of the detector array and an image analysis for determining the shape, color and / or surface recognition of individual products or products (3) are formed.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser strahl (1) mittels eines um mindestens eine Achse schwenkbaren oder drehbaren reflektierenden Elements (6) oder mittels einer linienförmi gen optischen Linse, über die Breite in der Erzeugnisse oder Produkte (3) angeordnet sind, gerichtet ist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the laser beam (1) by means of a pivotable or rotatable about at least one axis reflecting element (6) or by means of a linieniform gene lens over the width in the products or products (3) are arranged, is directed.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinheit zur Erkennung spektraler Intensitätsunterschiede von mit Detektoren erfassten Inten sitäten mindestens einer Wellenlänge und/oder 3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic evaluation unit for detecting spectral intensity differences of intensities detected with detectors of at least one wavelength and / or
zur Extraktion von Parametern, insbesondere mittels einer multivaria- ten Datenanalyse, bevorzugt mit einer Hauptkomponentenanalyse, Diskriminanzanalyse, Stützvektormethode, einem neuronalen Netz, ei ner Clusteranalyse, random forest Methode ausgebildet ist.  for the extraction of parameters, in particular by means of a multivariate data analysis, preferably with a main component analysis, discriminant analysis, support vector method, a neural network, a cluster analysis, random forest method.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass ein um mindestens eine Achse schwenkbares oder ein um eine Rotationsachse drehbares reflektierendes Element so aus gebildet oder ansteuerbar ist, dass die Bewegung des Brennflecks des Strahls (1) bei der Generierung von Raman- oder Fluoreszenzstrahlung mit einer Frequenz erfolgt, die größer als die Frequenz ist, mit der die Detektion erfolgt. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a pivotable about at least one axis or a rotatable about an axis of rotation reflecting element is formed or controlled such that the movement of the focal spot of the beam (1) in the generation of Raman - or fluorescence radiation takes place at a frequency which is greater than the frequency at which the detection takes place.
5. Verfahren zur Erkennung und/oder Bewertung von Erzeugnissen oder Produkten (3) mit einem Laserstrahl (1), der von einer Laserstrahlquel le (2) emittiert wird, so bestrahlt werden, dass an Oberflächen oder Bereichen der Oberfläche der jeweiligen Erzeugnisse oder Produkte (3) eine Generierung von Raman- oder Fluoreszenzstrahlung erreicht wird, die generierte Raman- oder Fluoreszenzstrahlung wird auf ein zur ort- und spektralaufgelösten Erfassung dieser Strahlung ausgebildetes De- tektorarray (4) gerichtet und auf die Erzeugnisse oder Produkte (3) wird zumindest annähernd mo nochromatische elektromagnetische Strahlung, die von mehreren die se elektromagnetische Strahlung emittierenden Dioden (7) emittiert wird, gerichtet, deren zentrale Wellenlänge so gewählt ist, dass keine Beeinflussung der Raman- oder Fluoreszenzstrahlung bei der Detektion erfolgt und mit einem zwischen den Erzeugnissen oder Produkten (3) und dem De- tektorarray (4) angeordneten optischen Filter (5) oder einem Strahltei ler verhindert wird, dass keine elektromagnetische Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls (1) auf die Detektoren des Detektorar- rays (4) auftrifft; wobei die Bestrahlung und Detektion während einer Relativbewegung zwischen den Erzeugnissen oder Produkten (3), dem Fokusbereich des Laserstrahls (1), den elektromagnetische Strahlung emittierenden Dioden (7) und den Detektoren des Detektorarrays (4) durchgeführt wird und zumindest die Detektoren des Detektorarrays (4), die zur orts- und spektralaufgelösten Erfassung von den Erzeugnissen oder Produkten (3) der Raman- oder Fluoreszenzstrahlung sowie der reflektierten und gestreuten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet sind, an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen sind und mit der elektronischen Auswerteeinheit, die zur orts- und spektralauf gelösten Auswertung von mit Detektoren des Detektorarrays erfassten Intensitäten ausgebildet ist, wird die ortsaufgelöst erfasste Raman- oder Fluoreszenzstrahlung ausgewertet sowie eine Bildanalyse zur Be stimmung der Form-, Färb- und/oder Positionserkennung einzelner Er zeugnisse oder Produkte (3) durchgeführt. 5. A method for the detection and / or evaluation of products or products (3) with a laser beam (1), which is emitted by a laser beam source (2), is irradiated in such a way that on surfaces or areas of the surface of the respective products or products (3) generation of Raman or fluorescent radiation is achieved, the generated Raman or fluorescent radiation is directed onto a detector array (4) designed for the location and spectrally resolved detection of this radiation, and the products or products (3) are at least approximated mo still chromatic electromagnetic radiation, which is emitted by several diodes (7) emitting this electromagnetic radiation, the central wavelength of which is selected such that there is no influence on the Raman or fluorescent radiation during the detection and with a between the products or products ( 3) and the detector array (4) arranged optical filter (5) or one Beam splitter is prevented that no electromagnetic radiation with the wavelength of the laser beam (1) strikes the detectors of the detector array (4); the irradiation and detection being carried out during a relative movement between the products or products (3), the focus area of the laser beam (1), the electromagnetic radiation-emitting diodes (7) and the detectors of the detector array (4) and at least the detectors of the detector array ( 4), which are designed for spatially and spectrally resolved detection of the products or products (3) of the Raman or fluorescent radiation as well as the reflected and scattered electromagnetic radiation, are connected to an electronic evaluation unit and with the electronic evaluation unit which is used for the local and spectrally resolved evaluation of detected with detectors of the detector array Intensities is formed, the locally resolved Raman or fluorescent radiation is evaluated and an image analysis is carried out to determine the shape, color and / or position detection of individual products or products (3).
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