WO2013041216A1 - Beleuchtungsvorrichtung, inspektionsvorrichtung und inspektionsverfahren für die optische prüfung eines objekts - Google Patents

Beleuchtungsvorrichtung, inspektionsvorrichtung und inspektionsverfahren für die optische prüfung eines objekts Download PDF

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WO2013041216A1
WO2013041216A1 PCT/EP2012/003901 EP2012003901W WO2013041216A1 WO 2013041216 A1 WO2013041216 A1 WO 2013041216A1 EP 2012003901 W EP2012003901 W EP 2012003901W WO 2013041216 A1 WO2013041216 A1 WO 2013041216A1
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lighting
lighting device
detector
elements
control electronics
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PCT/EP2012/003901
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Michael Stelzl
Andreas Ortner
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Schott Ag
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    • 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
    • G01N21/89—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles
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    • G01N21/892—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles characterised by the flaw, defect or object feature examined
    • G01N21/896—Optical defects in or on transparent materials, e.g. distortion, surface flaws in conveyed flat sheet or rod
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    • 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
    • G01N21/9501—Semiconductor wafers

Definitions

  • the invention relates to a lighting device, an inspection device and an inspection method for the optical inspection of an object, and the use of an inspection device for sorting out flat or tubular glass, steel components, fibers, silicon washers or of films which have defects ,
  • Quality requirements for the products produced are becoming increasingly important for timely inspection and inspection of the objects. On the one hand, it is often necessary to be able to reliably identify defects or defects on surfaces or in the volume of the objects. On the other hand, it is also necessary to quality-relevant
  • Quality-related errors can include, for example, voids, pores or scratches, while lying about
  • Automated inspection tasks can therefore often be carried out more safely if more than one test object is involved
  • WO 2009/112204 A2 is a diffused illumination of a line-shaped area for imaging by a
  • Line camera known.
  • a light source is positioned near the area to be illuminated, wherein a
  • the images are transformed pixel by pixel into a new color space in which two color channels are free of reflection components and a third channel comprises both reflection components and reflection components.
  • the background of the bulk material has a multiplicity of individual luminous means, of which each individual luminous means emits light with a spectral distribution which is adapted in each case to a spectral sensitivity range of the camera.
  • Body has direct view of the object, and one
  • the bulb is in
  • Reflected mirror images are evaluated by a camera. From AT 507 018 AI a device for testing an object is known which a plurality of
  • the light sources are formed as light segments or sub-segments with a defined distance from each other.
  • EP 1 477 793 A2 describes an apparatus and a method for detecting errors in transparent
  • the invention has for its object to provide a lighting for the examination of an object which has defects on its surface or in the object volume, the lighting flexible for a variety of
  • Defective is usable. Furthermore, it should also be easy and flexible for different tests or can be used for tests on different products.
  • the invention is further based on the object to provide a method which, on the one hand, the advantages of object images at different
  • images should also be able to be recorded with different illumination of objects, with a relative movement between the object to be measured and the device being present during the measuring operation.
  • the objects should be individual objects or objects as well as continuously manufactured objects or railway or
  • Tape products such as glass tapes, foils or metal strips include. An exam is also under
  • One aspect of the invention relates to a flexible
  • Lighting device for the non-contact optical inspection of an object can be any suitable optical test.
  • the optical test can be any suitable optical test.
  • a defect preferably to be executed, a defect, a Damage or defect in the surface or in the volume of the object to detect.
  • the lighting device can at least one or a plurality of lighting elements, a
  • computer-aided control electronics and at least one detector include.
  • the detector may be designed as an optical image sensor and one or more, preferably side by side, i. transverse to a direction of movement of the object,
  • the image sensor can be designed as a matrix or line scan camera based on CCD or CMOS chip technology. However, it may also be formed on the basis of hybrid chip technology, comprising a photosensitive material and a silicon readout technology. In general, the detector may be preferably configured to be
  • Wavelength spectrum can receive. This may include both electromagnetic radiation in the visible and in the non-visible region, for example in the infrared region.
  • the detector can therefore also
  • the imaging element may comprise optical elements, such as transmission or reflection optics.
  • the image sensor can be designed as a matrix sensor,
  • Inexpensive it can be designed as a line scan camera, where it is particularly cost-effective as a monochrome
  • Line camera is formed.
  • the illumination device can illuminate the object differently, in order to have several features of the object available for an optical examination. To take pictures of the object or
  • Subareas of the object, the detector can be used.
  • the different illuminations can be clocked particularly advantageously sequentially and synchronized with the image recording of the detector, wherein different individual images of the object can be recorded at each different illumination.
  • control electronics can trigger the recording of a sequence of individual images by means of an internal or external pulse.
  • an external pulse may be a signal from one
  • Transport device comprising information about the speed of the object relative to the
  • Lighting device contains.
  • An internal impulse can be, for example, in the control electronics
  • a single image comprises one or more lines which the detector receives from the object or from a subarea of the object in response to a signal from the control electronics. For each frame, the
  • Control electronics the AufnähmeZeittician and the Control the exposure time of the detector.
  • control electronics for each frame the
  • Lighting device flexible with respect to an active or a passive operating state of said
  • the individual images of a sequence can subsequently be combined to form an image of the object or a subarea of the object.
  • An image composed of the individual images of a sequence is also referred to below as a so-called superimage. From a plurality of superimages of the object or of a partial area of the object, an overall image of the object can then be generated. For a subsequent test both single images of a
  • Lighting device generated lighting can be adjusted flexibly and individually by controlling the operating state of the individual lighting elements.
  • the start and duration of the exposure of the detector can be controlled.
  • the control of the detector and lighting device can thus by the
  • the detector can be designed as a color line camera and particularly cost-effective as a monochrome line scan camera.
  • An illuminating element can be a spotlight,
  • Ball radiator, line radiator, cylindrical radiator or a free-form surface radiator or a radiator with an irregular radiation characteristic Ball radiator, line radiator, cylindrical radiator or a free-form surface radiator or a radiator with an irregular radiation characteristic.
  • the lighting element can be used as a light bulb, as
  • Gas discharge lamp as a light emitting diode or as
  • Laser radiation include.
  • it may also comprise radiation emitted from conductive plastic or glass fibers.
  • the radiation may be coherent or incoherent.
  • the radiation emitted by a lighting element can also be designed in such a way that it generates certain patterns, for example speckle patterns or grid-like patterns, on the object, for example very specific ones
  • the lighting elements can thus be preferably designed so that they allow the examination of the relevant features of the object.
  • Lighting element emitted electromagnetic radiation or the corresponding radiation-technical variables should be included. According to the invention is limited by a
  • Lighting element emitted electromagnetic radiation not only on the visible area, but also on the adjacent wavelength ranges such as UV and IR. Particularly advantageous, for example, electromagnetic
  • Lighting elements are used to make components out
  • the detector can be designed as an IR camera.
  • the detector can also be designed in such a way that it can record not only the emitted electromagnetic radiation of a lighting element but also radiation in other wavelength ranges. This can
  • An illumination element may be omnidirectional, with a directional characteristic that is constant in all directions, or directionally, with a directional in the direction of the object or a reflector or a scattering body,
  • Directivity emit light.
  • the lighting device may include a plurality of
  • Lighting elements can thus also be arranged in element groups, preferably next to each other.
  • an element group may preferably
  • one or more punctiform arranged side by side along a straight line lighting elements, or
  • a lighting element By means of a lighting element, light can be directed to at least a part of a surface of the object. That is, a lighting element may emit light on a part of the surface of the object, for example in the form of a light spot or spot, or on the entire surface of the object.
  • the object may be wholly or partially in the beam path of one or more lighting elements. In this case, the object can perform a movement relative to the detector and / or the lighting device. However, it is also possible to measure a stationary object, wherein the detector and / or the lighting device can be moved.
  • the radiation scattered and / or transmitted by the object and / or reflected and / or produced by luminescence can be detected by the detector.
  • Luminescence is to be understood that the object after a Radiation absorption itself emits radiation which can be measured by the detector.
  • the function of a lighting element may be one color and several radiation modes of the
  • Lighting element emitted radiation can be characterized.
  • each element group can be characterized by a color pattern and multiple radiation modes.
  • the color pattern of an element group may relate to a sequence of colors that the light of the lighting elements of the element group has. So can a color pattern
  • the radiation modes of an element group may, in accordance with the radiation modes of a lighting element, relate to an orientation, direction, emission characteristic, and / or light mode of the light emitted by the element group.
  • the lighting elements may each differ from each other or, in other words, a
  • Lighting element may differ from another
  • Distinguish lighting element by the color and at least one radiation mode.
  • Combined radiation generated by the illumination device can be scattered and / or transmitted by the object
  • the element groups can, in analogy to the
  • Illuminating elements by the color pattern and / or at least one radiation mode each differ from each other.
  • the object can be illuminated with red light in a bright field illumination in reflected light and with green light in a dark field illumination in transmitted light.
  • the respective lighting elements would differ from one another by their colors and by two modes of radiation.
  • the color of a lighting element may have a wavelength and a spectral width of the radiation emitted by the lighting element and thus the
  • the radiation modes of a lighting element can be any radiation modes.
  • the orientation can determine whether a luminous segment is perpendicular or parallel to the relative movement between the object and the detector.
  • the radiation mode "orientation” may take the values “vertical,” “parallel,” or “tilted.” If that
  • Lighting element is designed as a curved light segment, the orientation refers to how the plane which comprises the curved light segment, is arranged opposite to the direction vector of the relative movement between the device and object.
  • the direction can determine if the object is from a
  • Lighting element diffused or directed light
  • the light mode can determine whether the illumination of a lighting element with respect to the object is a bright field illumination or dark field illumination.
  • the arrangement of the illumination element with respect to the detector and / or object can thus be characterized by the illumination modes "emission characteristic", "orientation” or "light mode"
  • Radiation properties with the nature of the interaction of the Light with the object can be characterized by the lighting mode "direction”.
  • the radiation modes can also be used.
  • the polarization may indicate what polarization the light emitted by a lighting element has with respect to an incident plane of the emitted light.
  • the angle of incidence may indicate the angle that a light beam originating from the illumination element encloses with a surface normal vector of the object at the point of impact of the light beam.
  • the amplitude can be that of a monochromatic one
  • Lighting element emitted light, which thus has a small spectral width concern.
  • the average amplitude and average wavelength may relate to the light emitted by a lighting element having a larger spectral width.
  • the control electronics can control the lighting device and / or the detector. It can the
  • Lighting device and / or element groups and / or Send lighting elements and / or the detector may be digital signals that generate a switching operation in the lighting device and / or the element group and / or the lighting element and / or the detector.
  • control electronics to send switching operations send rectangular signals.
  • a switching operation may indicate the operating state of the detector and / or
  • the control electronics can further receive information about the speed of the object to be measured relative to the detector in order to be able to optimally adapt the signal frequency to the object or to the speed of the object relative to the detector. This information may be input by an operator, for example.
  • control electronics also information about the speed of a transport device on which moves an object to be measured, directly obtained from this.
  • an encoder can be used for this purpose.
  • control electronics can, due to the information about the speed of the motor
  • Signals or their frequency or their duration, determined and be adapted flexibly to the object or at its speed relative to the detector.
  • control electronics may generate signals having a frequency that may be in a range of 1 to about 500 kHz, and preferably in a range of about 1 to 120 kHz.
  • the frequency of the signals is selected taking into account the recording characteristics of the detector.
  • the signal frequency does not exceed the recording frequency of the detector.
  • the control electronics may particularly preferably comprise a frame grabber as a central control instrument.
  • the frame grabber comprises
  • Control electronics modules with additional functions or specific functionalities for the timing of the detector and / or the lighting device and / or the lighting elements and / or the element group.
  • the frame grabber preferably comprises a so-called field programmable gate array (FPGA), which can control the dynamic parameters of the detector, for example the exposure time of the detector. It is the
  • Frame grabber prefers freely programmable for
  • the frame grabber can therefore be a control and
  • Read window defines the area that can be imaged by the detector.
  • the frame grabber may further functionalities for controlling and controlling the lighting device and / or the lighting elements and / or the
  • the signals for generating the individual images of a sequence can be generated. It preferably sends frame grabber rectangular signals which one or more switching operations on the detector and / or the lighting device and / or a
  • Lighting element can trigger.
  • Frame grabber control the operating state of the detector and / or the lighting device and / or a lighting element.
  • the detector can convert a captured frame to a digital frame signal and to the
  • Reading window can be defined to be in focus. In the case of a line or linear
  • This area can also be used as a camera line
  • a camera line is called in in other words, that line-shaped area of the object which can be sharply imaged by the detector.
  • the detector can send a single image taken at a specific time as a digital image signal or single image signal to the frame grabber, which for this purpose preferably has functions for image processing
  • the detector can assume different operating states.
  • the operating state ON can determine the beginning of a recording, the operating state OFF the end of the recording. In this way, the exposure time can be controlled.
  • Detector can be switched.
  • control electronics in particular the frame grabber, the belonging to a sequence digital
  • an image or an overall image of the object can be generated, which is a superimposition of several individual images of the same object with approximately the same recording times at each
  • Lighting device or the lighting elements are used and the lighting elements or groups of elements in their illumination of each other
  • control electronics or the frame grabber send the same signals for controlling a plurality of devices or even different signals, which are sent at the same time.
  • Element groups and / or detectors are connected to each other such that they can be controlled by a specific frame grabber, which in turn by the control electronics or the central
  • Frame grabbers are controlled. Another aspect of the invention relates to a
  • the inspection device can be any suitable inspection device.
  • a detector the radiation scattered and / or transmitted and / or reflected by the object and / or generated by luminescence for generating a
  • a control electronics with a frame grabber include.
  • Another aspect of the invention relates to a
  • Lighting elements that emit electromagnetic radiation to the object
  • a lighting element wherein the function of a lighting element is characterized by one color and a plurality of radiation modes.
  • the colors and radiation modes of the lighting elements can be determined.
  • the determination can generally be made by an operator or, where appropriate, in the
  • Control electronics deposited control parameters are made. The determination can be made such that the
  • the surface of the object, the object volume or a part of the surface or the object volume are illuminated by the illumination device on the basis of the control parameters, the radiation scattered and / or transmitted by the object and / or reflected and / or produced by luminescence is detected by the detector, and
  • An image can be generated by the detector.
  • Lighting elements by the color and / or by two, three or four radiation modes each of each other
  • Light components may allow additional highlighting of the defects to be examined in the surface of the object.
  • a lighting element may advantageously have a switching state indicating whether the lighting element is active or inactive.
  • the switching state indicates whether the lighting element is on or off
  • An illumination element can be switched individually, that is to say independently of other illumination elements, in order to activate or deactivate the illumination element.
  • the circuit can be preferably carried out by means of the frame grabber.
  • An illumination element may be formed as a preferably straight or possibly curved light segment.
  • the luminous segment can be linear or planar be formed, wherein a sheet-like lighting segment has a radiation surface.
  • the light emitted by a lighting element may strike the object in a light spot comprising a part of the object or the entire object.
  • the light spots of every two illumination elements may overlap, or overlap, or be disjoint.
  • An element group may have a switching pattern indicating a sequence of ON-OFF switching states in which the lighting elements of the element group are at a certain time.
  • the individual lighting elements can thus be switched on if the corresponding value in the switching pattern is ON or remain off if the corresponding value in the switching pattern is OFF.
  • Element group can all lighting elements
  • An element group can be individually, ie separately from other element groups, switchable to activate or
  • the switching-on can preferably be carried out according to the switching pattern of the element group.
  • the illumination device may further comprise a reflector and / or a scattering body, on which the light of the illumination elements is emitted, so that it is diffused or directed by the reflector on the object.
  • a diffuse radiation can, for example, by a flat or curved shell with a rough surface can be produced.
  • Directed radiation can be generated for example by a section of a parabolic cylinder or a rotary paraboloid, in the focus of which a lighting element or a group of elements is arranged.
  • the lighting device may comprise a lighting support structure having slots, each having a
  • Connectors can be mounted to create the lighting device. The assignment of
  • Lighting elements to the element groups can by a corresponding electrical wiring or by a
  • Circuit logic can be realized.
  • Lighting elements can be changed very flexibly in this way.
  • the lighting support structure may comprise pivotable and / or flexible arms on which the connectors are arranged.
  • the connectors are arranged.
  • Lighting support structure have a matrix of attachment points for receiving the lighting elements, for example, glass fibers, glass fiber bundles,
  • Fiber optic cross-section transducers individual LEDs, LED line lights, LED surface lights or laser to attach.
  • Such a modular system can with regard to a
  • Lighting device depending on the respective technical goal and the needs of a user.
  • the lighting structure may further comprise the detector.
  • a highly flexible and mobile lighting device for optical testing can be formed, which, for example, for the inspection of
  • rohrformigen objects or containers can be used.
  • the illumination support system comprising the detector can be moved, whereas the object to be tested can stand firmly.
  • the illumination elements can be arranged in a luminous matrix which spans a flat or curved luminous surface.
  • the luminous area can be a partial area of a
  • Rotary body in particular a ball or a cylinder form.
  • Each one lighting element or element group can be switched individually to activate or
  • the lighting elements and / or element groups can each individually or in groups, simultaneously or in succession, periodically recurring in one
  • predetermined clock be switched.
  • the inspection device may advantageously comprise a control electronics coupled to the illumination device and the detector and a frame grabber.
  • the control electronics can be designed to determine the optical properties of the object. For this purpose, when emitting light having a predetermined spectral characteristic, preferably white light, through the illumination device to the object, a predetermined spectral characteristic, preferably white light, through the illumination device to the object, a predetermined spectral characteristic, preferably white light, through the illumination device to the object.
  • the optical properties of the object can be determined by means of a processing of the calibration image by the
  • Control electronics are determined.
  • the optical properties of the object can do this
  • the lighting device be used to produce an optimal illumination of the object by the lighting device.
  • Lighting may be in terms of maximizing the
  • the control electronics can be designed to determine or set the signals for controlling the lighting device by means of the optical properties of the object. A determination of the control parameters, for example, by an operator by means of a
  • An automatic determination of the control parameters may optionally by a pattern recognition system based on the optical
  • the control electronics can be designed to the lighting device by means of the signals or the
  • control electronics may also be adapted to the image by means of a pattern recognition system or
  • the pattern recognition system can be trained to detect defects by presenting images that show surfaces that have defects.
  • the pattern recognition system can be trained to detect defects by presenting images that show surfaces that have defects.
  • Pattern Recognition System Detect defects that are similar to the defects presented in training.
  • the control electronics can also be designed to record irregularities in the illuminations individually per individual image and to correct them for each pixel (shading correction). This intensity evaluation can also be used for automatic brightness adjustment to detect the total brightness per frame and to control it by varying the activation time of the sensor exposure and / or the illumination.
  • Lighting device of the inspection device a group of elements with five as straight light segments
  • trained lighting elements include, with the
  • Radiation characteristic directed or diffuse.
  • a first lighting element can be red light
  • a second lighting element can be blue light
  • Emitting with light darkfield, direction incident light, angle of incidence about 40 degrees.
  • a third lighting element can turn green
  • emitting with light darkfield, direction of incident light, angle of incidence about 70 degrees.
  • it can also be made visible grooves or scratches in the object surface by a resolution of the depth.
  • a fourth lighting element can emit pink light, dark-field light, direction of incident light, angle of incidence about 110 degrees.
  • defects in the glass can thus be made visible.
  • a fifth lighting element can be yellow light
  • the device can thus different
  • Error types are detected on the object or in the object volume, especially if a certain Error with only one, another with another
  • Illumination type can be identified.
  • Lighting types can be detected safely.
  • Lighting device of the inspection device two, three or four element groups, each with three as
  • Lighting elements can share the following:
  • Directional radiation directed or diffused, direction transmitted light
  • a first lighting element may be yellow light
  • a second lighting element can be blue light
  • a third lighting element can be red light
  • the lighting elements can be switched on and off timed, wherein
  • Lighting elements are ON and the others are OFF, and 3. in a third cycle, the third are each
  • Lighting elements are ON and the others are OFF.
  • the three bars can be repeated cyclically.
  • Another aspect of the invention relates to a use of the above-described inspection device for testing and / or sorting
  • the defects in particular bubbles, knots, streaks, stones, or scratches has, and / or
  • the defects, in particular grooves, voids, chatter marks, have, and / or
  • the object can also be fully continuous, for example as glass or Metal strip or in general as web or band goods,
  • the surfaces of the object may comprise wholly or partially diffusing, smooth, textured, reflective or even surfaces of other nature.
  • the object can also be completely or partially transparent or semitransparent.
  • the inspection device can also be formed by one or more detectors and one or more lighting elements or element groups such that it can be configured for testing different objects.
  • Transport route set and stored in a memory of the control electronics.
  • Parameter set can be specified by an operator and in
  • the inspection device is particularly suitable, with low system complexity
  • non-transparent, scattered objects where the surface finish is to be measured For example, non-transparent, scattered objects where the surface finish is to be measured. on the other hand also transparent and continuously manufactured objects such as a glass ribbon, in which
  • Impurities in the volume to be measured are measured by means of a same or similar configured device, with only the parameter sets can differ.
  • the illumination device can also comprise a plurality of detectors, each of which has a specific area of an object
  • a camera line can be formed, which may include the camera line of various detectors. From the control electronics, an overall picture can be generated from this.
  • the detectors can also be formed particularly cost-effectively as a monochrome line scan camera, each of which has a specific image area along one
  • Camera line can accommodate.
  • multicellular can take pictures.
  • Illuminating elements also emit electromagnetic radiation in the infrared or ultraviolet range, for example, to increase the visibility,
  • the detector can be advantageously designed as an IR or UV camera.
  • a lighting element can emit coherent, expanded laser light.
  • speckle patterns or granulation patterns can be generated on the object surface. In this way, for example, tensions in the object or very small spatial changes between lighting element and object can be checked.
  • Illuminating element also emit X-ray steels.
  • the lighting device can thus also a
  • X-ray tomograph include, whereby sectional images of the object can be generated.
  • the X-ray tomograph include, whereby sectional images of the object can be generated.
  • Lighting device also optical grating or
  • Illumination device comprise diffractive optical elements to the emitted radiation, preferably
  • Laser radiation to shape or to divide.
  • shaping for example, an approximately uniform
  • Figure 1 shows a first embodiment of a
  • Figure 2 shows a second embodiment of a
  • Figure 3 shows a third embodiment of a
  • FIG. 5 is an illustration of a schematic structure of an imaging apparatus
  • FIG. 6 shows a timing diagram for the detector control
  • FIG. 7 shows the operating state of the detector
  • FIG. 8 shows an overall image of an object, wherein the object is shown in FIG
  • FIG. 9 shows an overall image of an object, wherein the object is shown in FIG. 9
  • FIG. 10 shows an overall image of an object, wherein the object is shown in FIG.
  • Line cameras are used for the inspection of, for example, web or large disks.
  • different line lighting is available on the market.
  • the line lights have a preferred direction.
  • the appearance, especially the contrast, of defects depends strongly on the direction from which they are illuminated. So it may be that one type of lighting is well suited for one type of fault, but another type of fault is poor or even not visible in this lighting.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the inspection device 12 according to the invention for the
  • the optical test is performed to a
  • Defect to detect a damage or a defect in the surface of the object.
  • the inspection device 12 comprises
  • a lighting device 10 which emits light onto the object 18, and
  • a detector 14 that detects light scattered or transmitted by the object to form an image.
  • the lighting device comprises a plurality of
  • Lighting elements which are each designed as a line emitter. By means of a lighting element is Directed to at least a portion of a surface of the object.
  • the function of a lighting element may be one color and several radiation modes of the
  • the lighting elements differ in each case
  • the lighting elements 21-28 in FIG. 1 have the following colors and radiation modes:
  • the lighting element 21 makes it easier to make coatings visible in a reflection.
  • the lighting element 23 has the same function as the lighting element 22, but a changed
  • the lighting element 24 makes it easier, scattering
  • the lighting element 25 makes it easier to visualize dark defects in the glass.
  • the lighting device consists of switchable
  • Lighting elements that are designed as a linear light segment. Each light segment can be included
  • the lighting device is advantageously designed as a modular system, by means of which a suitable for the application system can be configured.
  • the switchable light segments are generally rectangular
  • Illuminated lighting angles are the colors for different types of lighting.
  • the colors can also be used for the physical color of the
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the inspection device 12 according to the invention for the
  • the lighting device comprises three element groups, in each of which three
  • Lighting elements 29, 30, 31 are arranged.
  • Lighting elements 29, 30, 31 are formed as semicircular or semi-cylindrical lighting segments, arranged coaxially, opened to the object.
  • Lighting elements have the following common
  • Directional radiation directed or diffused, direction transmitted light
  • the illumination elements 29, 30, 31 are arranged parallel to the scan line of the detector 14 in the form of a camera in this exemplary embodiment.
  • Each color represents a time switching state (3 channels).
  • the yellow area lights up in the second and the red one in the third.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of the invention
  • Inventive inspection device 12 in which a combined switching is performed.
  • the object 18, which is formed as a glass plate, moves out of the plane of the drawing.
  • Orientations parallel and perpendicular advantageously has a high flexibility.
  • Each color is representative of a temporal
  • the lighting elements 32-37 are driven in such a way that they are in the clocks 1 to 3 in the clock
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of the inspection device 12 according to the invention, in which a combined switching is performed.
  • This is an inspection of scratches in the surface of the object 18, which is designed as a glass plate performed.
  • the contrast of the scratches depends on the illumination. A lighting of several
  • FIG. 5 shows a structure of a lighting device comprising a detector 14, a
  • Control electronics 57 with a frame grabber 58 and a plurality of lighting elements 21, 22 and 23 a
  • the detector is as one
  • the object to be tested is a continuous glass band 18, which is conveyed by a transport device 56 in the direction of the arrow.
  • the control electronics controls by means of signals 53 the operating state of the lighting elements 21, 22 and 23 of the lighting device. Also controls the
  • Control electronics by means of signals 51 the detector 14.
  • control electronics receives over the
  • Signal path 52 information about the speed of the transport device 56, which are determined by means of an encoder 55.
  • the control electronics can by this information, the signal frequency for controlling the detector and / or the lighting elements of a in one
  • FIG. 6 shows a possible time diagram which shows the time sequence of the various signals or
  • Switching operations includes.
  • 1 to n frames can be generated.
  • the AI set signal for a super picture will be after a delay
  • the signal defined with A2 also marks the beginning of the frame 2.
  • the state of the outputs e.g. a bit pattern can be defined at the digital outputs (10 status, 63).
  • This signal is delayed analogously to the detector for a time and activated for a period of time.
  • the other frames can be analog
  • the time sequence of the operating states of the detector 14 and of the lighting elements of the lighting device is shown in FIG. 7.
  • the operating states of the lighting device 1 to n are controlled by the control electronics and alternately assume the operating states ON and OFF.
  • the detector assumes the operating state ON or OFF.
  • the operating state ON of the detector identifies the Time span within which an exposure or a
  • FIG. 8 each show an overall image of an object at a different illumination.
  • the detector receives transmitted light which has been generated by a lighting element in the bright field.
  • the image of FIG. 9 also shows transmitted light, the object being irradiated in a dark field illumination.
  • the detector receives reflected light, the object being irradiated in the bright field (reflection).
  • FIG. 11 shows the overall image of an object, as it results from the ordered assembly of the recorded superpictures.
  • the recorded sequence consists of 1 to n individual images (71, 72, 73, 74), which differentiate the measurement object or parts of the measurement object
  • Illumination conditions include and to the super picture No. 1
  • the resulting 1 to m super images of the object to be measured (75, 76) are sorted according to the time sequence of their formation to the overall image of the object to be measured.
  • 75 thus embodies the superimage 1 of the object, whereas 76 represents the
  • Object total of 1 .. m super images are generated.
  • a superimage comprises in each case n partial images of the object in the different illumination states. Another resorting of partial information from the
  • control signals to the detector 52 control signals to the control electronics

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung (10) für die optische Prüfung eines Objekts (18), mit folgenden Merkmalen: • - die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Beleuchtungselementen (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28); • - mittels eines Beleuchtungselements wird Licht auf zumindest einen Teil des Objekts gerichtet, so dass von dem Objekt gestreutes oder transmittiertes oder reflektiertes Licht von einem Detektor (14) erfassbar ist; • - die Funktion eines Beleuchtungselements ist durch eine Farbe und mehrere Strahlungsmodi der von dem Beleuchtungselement ausgestrahlten Strahlung charakterisiert; • - die Beleuchtungselemente unterscheiden sich jeweils voneinander durch die Farbe und mindestens einen der Strahlungsmodi; • - eine Steuerungselektronik steuert die Beleuchtungsvorrichtung sowie den Detektor so dass ein Bild des Objektes oder eines Teilbereiches des Objektes durch Zusammenfügen von Einzelbildern bei unterschiedlicher Beleuchtung erzeugt werden kann.

Description

Beleuchtungsvorrichtung, Inspektions orrichtung und Inspektionsverfahren für die optische Prüfung eines Objekts
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, eine Inspektionsvorrichtung und ein Inspektionsverfahren für die optische Prüfung eines Objekts, sowie die Verwendung einer Inspektionsvorrichtung zum Aussortieren von Flach- oder Rohrglas, von Stahlbauteilen, Fasern, Silizium- afern bzw. -Bauteilen oder von Folien, die Defekte aufweisen.
Im Zuge einer weiter voranschreitenden Automatisierung in der Fertigung sowie hohen und steigenden
Qualitätsanforderungen an die erzeugten Produkte kommt einer zeitnahen Prüfung und Inspektion der Objekte eine stetig wachsende Bedeutung zu. So ist es zum einen oft erforderlich, Fehler oder Fehlstellen auf Oberflächen oder im Volumen der Objekte sicher identifizieren zu können. Zum anderen ist es ebenso erforderlich, qualitätsrelevante
Fehler und Fehlstellen von typischen, prozeßbedingten und tolerierbären Defekten, zu unterscheiden. Zu den
qualitätsrelevanten Fehlern können beispielsweise Lunker, Poren oder Kratzer zählen, während etwa aufliegende
Schmutzpartikel häufig kein qualitätsentscheidendes
Kriterium darstellen, da sie prozessbedingt auftreten und in späteren Reinigungsprozessen wieder entfernt werden können. Derartige unterschiedliche Fehler können häufig nicht mit ein und demselben Prüf- bzw. Inspektionsverfahren
detektiert werden. So ist es beispielsweise schwierig,
BESTÄTIGUNGSKOPIE mittels einer Auflichtbeleuchtung aufliegende
Schmutzpartikel von Lunkern zu unterscheiden.
Automatisierte Inspektionsaufgaben lassen sich daher häufig sicherer durchführen, wenn von einem PrüfObjekt mehrere
Bilder zur Verfügung stehen, welche bei unterschiedlicher Beleuchtung aufgenommen werden. Auf diese Weise können mittels einer Kombination verschiedener Beleuchtungen, beispielsweise einer Hell- oder Dunkelfeldbeleuchtung oder einer diffusen oder gerichteten Beleuchtung, deutlich mehr und spezifischere Merkmale für die Bildauswertung zur
Verfügung gestellt werden. Hierdurch kann die Erkennungsund PrüfSicherheit deutlich erhöht werden. Vorrichtungen und Verfahren der hier angesprochenen Art sind beispielsweise aus der DE 10 2008 022 292 AI bekannt, welche eine Formerfassung eines Objekts zeigt. Hierbei wird eine Kombination verwendet aus Lichtquellen mit breiter und mit enger Abstrahlcharakteristik, sowie Lichtquellen, die im Bereich des Objekts angeordnet sind. Die Lichtquellen sind derart ausgerichtet, dass sich ihre
Beleuchtungsverteilungen auf dem Objekt nicht oder nur geringfügig überlappen. Aus der WO 2009/112204 A2 ist ein diffuses Ausleuchten eines linienförmigen Bereichs zum Abbilden durch eine
Linienkamera bekannt. Hierbei ist eine Lichtquelle nahe des zu beleuchtenden Bereichs positioniert, wobei ein
Streukörper mit retroreflektierenden Eigenschaften
verwendet wird. Aus der US 2007/0132759 AI ist ein Verfahren zum Beseitigen von Spiegelungskomponenten und Trennen von
Reflexionskomponenten in Bildern bekannt. Hierzu werden die Bilder pixelweise in einen neuen Farbraum transformiert, in welchem zwei Farbkanäle frei von Reflexionskomponenten sind und ein dritter Kanal sowohl Spiegelungskomponenten als auch Reflexionskomponenten umfasst.
Aus der US 2006/0091825 ist eine optische Sortierung von Schüttgut mittels einer Kameraeinheit mit zwei oder drei Farbkanälen mit unterschiedlichen spektralen
Empfindlichkeitsbereichen bekannt. Der Hintergrund des Schüttguts weist eine Vielzahl einzelner Leuchtmittel auf, von denen jedes einzelne Leuchtmittel Licht mit einer spektralen Verteilung emittiert, die auf jeweils einen spektralen Empfindlichkeitsbereich der Kamera angepasst ist .
Aus der US 2006/0091825 ist ein BeleuchtungsSystem zum Beleuchten eines Objekts mit einem zylindrischen
lichtstreuenden Körper mit länglicher Öffnung, einer Scan- Kamera, welche durch eine Öffnung des lichtstreuenden
Körpers direkte Sicht auf das Objekt hat, und einem
zwischen dem lichtstreuenden Körper und dem Objekt
angeordneten Leuchtmittel. Das Leuchtmittel ist in
Abhängigkeit von einem industriellen Prozess, der eine Bearbeitung des Objekts betrifft, rekonfigurierbar .
Aus der US 6,392,754 Bl ist die Messung eines Verlaufs der Oberfläche eines durchsichtigen Gegenstands bekannt, der Licht an seiner Ober- und Unterseite reflektiert. Hierzu wird ein definiertes Lichtmuster auf den Gegenstand projiziert, wobei die von der Ober- und Unterseite
reflektierten Spiegelbilder von einer Kamera ausgewertet werden. Aus der AT 507 018 AI ist eine Vorrichtung zum Prüfen eines Gegenstands bekannt, welche eine Mehrzahl von zu
vorgegebenen Zeiten ein- und ausschaltbaren Lichtquellen zum Ausleuchten des Gegenstands und eine Kamera zum
Erfassen des Gegenstands umfasst. Die Lichtquellen sind als Leuchtsegmente oder Untersegmente mit einem definierten Abstand zueinander ausgebildet.
Die EP 1 477 793 A2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern in transparentem
Material, bei dem mit einer ersten Strahlungsquelle ein definiertes Teilvolumen des Materials bestrahlt wird und bei dem mit einer zweiten Strahlungsquelle Licht in das Material eingekoppelt wird. Als nachteilig erweist sich an den bekannten Verfahren, dass sie häufig einen hohen anlagentechnischen Aufwand erfordern. Zum anderen sind sie häufig nicht ausreichend flexibel, um für verschiedene Produkte oder
unterschiedliche Prüfungen eingesetzt werden zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtung für die Prüfung eines Objekts bereitzustellen, welches an seiner Oberfläche oder im Objektvolumen Defekte aufweist, wobei die Beleuchtung flexibel für eine Vielzahl von
Defekten verwendbar ist. Des weiteren soll sich auch einfach und flexible für unterschiedliche Prüfungen oder für Prüfungen an unterschiedlichen Produkten eingesetzt werden können.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches einerseits die Vorzüge von Objektbildern bei unterschiedlichen
Beleuchtungen bietet sowie andererseits nur einen geringen technischen Aufwand erfordert. Dabei sollen insbesondere auch Bilder bei unterschiedlicher Beleuchtung von Objekten aufgenommen werden können, wobei eine Relativbewegung zwischen Messobjekt und Vorrichtung während des Mess organgs vorhanden ist. Die Objekte sollen einzelne Objekte bzw. Gegenstände sowie auch kontinuierlich gefertigte Objekte oder Bahn- bzw.
Bandware wie etwa Glasbänder, Folien oder Metallbänder umfassen. Eine Prüfung soll auch unter
Produktionsbedingungen möglich sein.
Diese Aufgabe wird in höchst überraschend einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Merkmale der
Weiterbildungen können, soweit technisch sinnvoll,
miteinander kombiniert werden.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine flexible
Beleuchtungsvorrichtung für die berührungslose optische Prüfung eines Objekts. Die optische Prüfung kann
vorzugsweise dazu ausgeführt werden, eine Fehlstelle, eine Beschädigung oder einen Defekt in der Oberfläche oder im Volumen des Objekts zu detektieren.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann dabei zumindest eines oder eine Mehrzahl von Beleuchtungselementen, eine
computerunterstützte Steuerungselektronik sowie zumindest einen Detektor umfassen.
Der Detektor kann als optischer Bildaufnehmer ausgebildet sein und einen oder mehrere, vorzugsweise nebeneinander, d.h. quer zu einer Bewegungsrichtung des Objektes,
angeordnete Bildsensoren sowie ein oder mehrere abbildende Elemente umfassen. Dabei kann der Bildsensor als Matrixoder Zeilenkamera auf der Basis von CCD- oder CMOS- Chiptechnologie ausgebildet sein kann. Er kann aber auch auf der Basis der Hybrid-Chiptechnologie ausgebildet sein, umfassend ein photosensitives Material sowie eine Silizium- Auslesetechnologie. Im allgemeinen kann der Detektor vorzugsweise so ausgebildet sein, dass er
elektromagnetische Strahlung im relevanten
Wellenlängenspektrum empfangen kann. Dies kann sowohl elektromagnetische Strahlung im sichtbaren als auch im nicht-sichtbaren Bereich, beispielsweise im infraroten Bereich, umfassen. Der Detektor kann daher auch
beispielsweise als IR-Kamera ausgebildet sein.
Das abbildende Element kann optische Elemente umfassen, beispielsweise Transmissions- oder Reflexionsoptiken. Der Bildsensor kann als Matrixsensor ausgeführt sein,
kostengünstig kann er als Zeilenkamera ausgebildet sein, wobei er besonders kostengünstig als monochrome
Zeilenkamera ausgebildet ist. Im Sinne der Erfindung kann die Beleuchtungsvorrichtung das Objekt unterschiedlich beleuchten, um für eine optische Prüfung mehrere Merkmale des Objektes zur Verfügung zu haben. Zur Aufnahme von Bildern von dem Objekt oder
Teilbereichen des Objektes kann der Detektor verwendet werden.
Die unterschiedlichen Beleuchtungen können besonders vorteilhaft sequentiell getaktet und mit der Bildaufnahme des Detektors synchronisiert werden, wobei verschiedene Einzelaufnahmen des Objektes bei jeweils unterschiedlicher Beleuchtung aufgenommen werden können. Hierdurch können besonders geeignet auch Merkmale des Objektes zur Prüfung gewonnen werden, welche jeweils nur bei einer ganz
bestimmten Beleuchtung erkennbar sind.
Im Sinne der Erfindung kann die Steuerungselektronik durch einen internen oder externen Impuls die Aufnahme einer Sequenz von Einzelbildern auslösen. Ein externer Impuls kann beispielsweise ein Signal von einer
Transportvorrichtung umfassen, welches Informationen zu der Geschwindigkeit des Objektes relativ zu der
Beleuchtungsvorrichtung enthält. Ein interner Impuls kann beispielsweise durch in der Steuerungselektronik
hinterlegter Programme oder Steuerparameter erzeugt werden.
Ein Einzelbild umfasst eine oder mehrere Zeilen, die der Detektor von dem Objekt bzw. von einem Teilbereich des Objektes auf ein Signal der Steuerungselektronik hin aufnimmt. Für jedes Einzelbild kann die
Steuerungselektronik den AufnähmeZeitpunkt und die Belichtungszeit des Detektors steuern. Zudem kann die Steuerungselektronik zu jedem Einzelbild den
Betriebszustand der Beleuchtungselemente der
Beleuchtungsvorrichtung flexibel hinsichtlich eines aktiven oder eines passiven Betriebszustandes des besagten
Beleuchtungselements steuern.
Die Einzelbilder einer Sequenz können nachfolgend zu einem Bild des Objektes bzw. eines Teilbereiches des Objektes zusammengefügt werden. Ein aus den Einzelbildern einer Sequenz zusammengefügtes Bild wird nachfolgend auch als sogenanntes Superbild bezeichnet. Aus mehreren Superbildern des Objektes bzw. eines Teilbereiches des Objektes kann sodann ein Gesamtbild des Objektes erzeugt werden. Für eine nachfolgende Prüfung können sowohl Einzelbilder einer
Sequenz, ein Superbild oder auch ein Gesamtbild verwendet werden.
Für jedes Einzelbild kann also die durch die
Beleuchtungsvorrichtung erzeugte Beleuchtung flexibel und individuell eingestellt werden durch die Steuerung des Betriebszustandes der einzelnen Beleuchtungselemente.
Zeitgleich dazu kann der Beginn und Dauer der Belichtung des Detektors gesteuert werden. Die Steuerung von Detektor und Beleuchtungsvorrichtung kann also durch die
Steuerungselektronik synchronisiert erfolgen.
Der Detektor kann als Farbzeilenkamera und besonders kostengünstig auch als monochrome Zeilenkamera ausgebildet sein. Ein Beleuchtxingselement kann ein Punktstrahler,
Kugelstrahler, Linienstrahler, Zylinderstrahler oder auch ein Freiformflächenstrahler bzw. ein Strahler mit einer irregulären Strahlungscharakteristik sein.
Das Beleuchtungselement kann als Glühlampe, als
Gasentladungslampe, als Leuchtdiode oder als
Induktionslampe ausgebildet sein. Es kann weiterhin
Laserstrahlung umfassen. Zudem kann es auch aus leitenden Kunststoff- oder Glasfasern austretende Strahlung umfassen. Die Strahlung kann kohärent oder nicht kohärent sein. Die von einem Beleuchtungselement emittierte Strahlung kann auch derart ausgebildet sein, dass sie auf dem Objekt bestimmte Muster, beispielsweise Speckle-Muster oder gitterartige Muster erzeugt, um etwa ganz bestimmte
Merkmale des Objektes prüfen zu können. So kann mittels Speckle-Mustern beispielsweise die Rauheit einer
Objektoberfläche geprüft werden. Die Beleuchtungselemente können also bevorzugt so ausgebildet sein, dass sie die Prüfung der relevanten Merkmale des Objektes ermöglichen.
Der Ausdruck „ein Beleuchtungselement" bezeichnet
nachfolgend ein beliebiges Beieuchtungselement oder mit anderen Worten jedes Beleuchtungselement der
Beleuchtungsvorrichtung, welches elektromagnetische
Strahlung emittieren kann.
Vereinfachend wird nachfolgend häufig von Licht bzw.
lichttechnischen Größen gesprochen, wobei im Sinne der Erfindung auch entsprechend die von einem
Beleuchtungselement emittierte elektromagnetische Strahlung bzw. die entsprechenden strahlungstechnischen Größen umfasst sein sollen. Erfindungsgemäß beschränkt sich die von einem
Beleuchtungselement emittierte elektromagnetische Strahlung nicht nur auf den sichtbaren Bereich, sondern auch auf die angrenzenden Wellenlängenbereiche wie UV und IR. Besonders vorteilhaft kann beispielsweise elektromagnetische
Strahlung im infraroten Bereich eines oder mehrere
Beleuchtungselemente genutzt werden, um Bauteile aus
Silizium im Volumen zu prüfen. Hierfür kann der Detektor als IR-Kamera ausgebildet sein.
Der Detektor kann auch derart ausgebildet sein, dass er nicht nur die emittierte elektromagnetische Strahlung eines Beleuchtungselements, sondern auch Strahlung in anderen Wellenlängenbereichen aufnehmen kann. Dies kann
beispielsweise genutzt werden, wenn das Nachklingen nach einer impuls- oder blitzartigen Anregung mit einer
Strahlung einer bestimmten Wellenlänge durch das Auslesen einer Strahlung einer anderen Wellenlänge geprüft werden soll.
Ein Beleuchtungselement kann omnidirektional , mit einer nach allen Richtungen konstanten Richtcharakteristik, oder direktional, mit einer in Richtung des Objekts oder eines Reflektors oder eines Streukörpers orientierten,
Richtcharakteristik, Licht ausstrahlen.
Die BeleuchtungsVorrichtung kann eine Mehrzahl von
Elementgruppen umfassen, wobei jeweils eine Elementgruppe mindestens ein Beleuchtungselement umfasst. Die
Beleuchtungselemente können somit auch in Elementgruppen, vorzugsweise nebeneinander, angeordnet sein. So kann eine Elementgruppe vorzugsweise
einen oder mehrere punktförmige, nebeneinander entlang einer geraden Linie angeordnete Beleuchtungselemente, oder
einen oder mehrere lineare, hintereinander entlang einer geraden oder gekrümmten Linie angeordnete
Beleuchtungselemente, oder
einen oder mehrere halbkreisförmige, koaxial
nebeneinander angeordnete Beleuchtungselemente
umfassen.
Mittels eines Beleuchtungselements kann Licht auf zumindest einen Teil einer Oberfläche des Objekts gerichtet werden. Das heißt, ein Beleuchtungselement kann Licht auf einen Teil der Oberfläche des Objekts, beispielsweise in Form eines Lichtflecks oder Lichtspots, oder auf die gesamte Oberfläche des Objekts ausstrahlen. Das Objekt kann sich ganz oder teilweise im Strahlengang von einem oder mehreren Beleuchtungselementen befinden. Dabei kann das Objekt eine Bewegung relativ zu dem Detektor und/oder der BeleuchtungsVorrichtung ausführen. Es kann aber auch ein ruhendes Objekt gemessen werden, wobei der Detektor und/oder die Beleuchtungsvorrichtung bewegt werden können .
Die von dem Objekt gestreute und/oder transmittierte und/oder reflektierte und/oder durch Lumineszenz erzeugte Strahlung kann von dem Detektor erfasst werden. Unter
Lumineszenz ist zu verstehen, dass das Objekt nach einer Strahlungsabsorption selbst Strahlung emittiert, welche durch den Detektor gemessen werden kann.
Die Funktion eines Beleuchtungselements kann durch eine Farbe und mehrere Strahlungsmodi der von dem
Beleuchtungselement emittierten Strahlung charakterisiert werden.
Die Funktion jeweils einer Elementgruppe kann durch ein Farbmuster und mehrere Strahlungsmodi charakterisiert sein.
Das Farbmuster einer Elementgruppe kann eine Folge von Farben betreffen, welche das Licht der Beleuchtungselemente der Elementgruppe hat. So kann ein Farbmuster
beispielsweise die Folge „Rot-Blau-Grün-Gelb-Pink"
umfassen.
Die Strahlungsmodi einer Elementgruppe können, entsprechend zu den Strahlungsmodi eines Beleuchtungselements, eine Orientierung, Richtung, Abstrahlcharakteristik, und/oder Leuchtart des von der Elementgruppe ausgestrahlten Lichts betreffen.
Die Beleuchtungselemente können sich jeweils voneinander unterscheiden oder, mit anderen Worten, ein
Beleuchtungselement kann sich von einem anderen
Beleuchtungselement unterscheiden, und zwar durch die Farbe und mindestens einen Strahlungsmodus . Eine von der
Beleuchtungsvorrichtung erzeugte, kombinierte Strahlung kann von dem Objekt gestreut und/oder transmittiert
und/oder reflektiert werden. Sie kann das Objekt auch zur Lumineszenz anregen. Die Elementgruppen können sich, in Analogie zu den
Beleuchtungselementen, durch das Farbmuster und/oder mindestens einen Strahlungsmodus jeweils voneinander unterscheiden.
Durch eine Verwendung von Elementgruppen können
vorteilhafter Weise Strahler mit ähnlichen Eigenschaften hinsichtlich Farbe und Strahlungsmodi gemäß der erwünschten und zu erzielenden Leuchtwirkung flexibel und mit geringem Aufwand im Raum positioniert werden und effizient gesteuert werden.
So kann beispielsweise das Objekt mit rotem Licht in einer Hellfeld-Beleuchtung im Auflicht und mit grünem Licht in einer Dunkelfeld-Beleuchtung im Durchlicht angestrahlt werden. In dem vorliegenden Beispiel würden sich die entsprechenden Beleuchtungselemente durch ihre Farben und durch zwei Strahlungsmodi voneinander unterscheiden.
Die Farbe eines Beleuchtungselements kann eine Wellenlänge und eine spektrale Breite der von dem Beleuchtungselement ausgestrahlten Strahlung und damit die
Strahlungseigenschaften des Beleuchtungselements betreffen.
Die Strahlungsmodi eines Beleuchtungselements können
eine Orientierung,
eine Richtung,
eine Abstrahlcharakteristik,
- eine Leuchtart des von dem Beleuchtungselernent ausgestrahlten Lichts betreffen.
Die Orientierung kann bestimmen, ob ein Leuchtsegment gegenüber der Relativbewegung zwischen Objekt und Detektor senkrecht oder parallel angeordnet ist. Somit kann der Strahlungsmodus „Orientierung" die Werte „senkrecht", „parallel" oder „geneigt" annehmen. Falls das
Beleuchtungselement als ein gekrümmtes Leuchtsegment ausgebildet ist, bezieht sich die Orientierung darauf, wie die Ebene, welche das gekrümmte Leuchtsegment umfasst, gegenüber dem Richtungsvektor der Relativbewegung zwischen Vorrichtung und Objekt angeordnet ist. Die Richtung kann bestimmen, ob das Objekt von einem
Beleuchtungselement im Durchlicht oder im Auflicht
beleuchtet wird.
Die Abstrahlcharakteristik kann bestimmen, ob ein
Beleuchtungselement diffuses oder gerichtetes Licht
ausstrahlt .
Die Leuchtart kann bestimmen, ob die Beleuchtung eines Beleuchtungselements gegenüber dem Objekt eine Hellfeld- Beleuchtung oder Dunkelfeld-Beleuchtung ist.
Das Zusammenspiel der Strahlungseigenschaften mit der
Anordnung des Beleuchtungselements gegenüber dem Detektor und/oder Objekt kann somit durch die Beleuchtungsmodi „Abstrahlcharakteristik", „Orientierung" oder „Leuchtart" charakterisiert werden. Das Zusammenspiel der
Strahlungseigenschaften mit der Art der Zwischenwirkung des Lichts mit dem Objekt kann durch den Beleuchtungsmodus „Richtung" charakterisiert werden.
Die Strahlungsmodi können ferner auch
- eine Polarisation,
einen Einfallswinkel,
eine Amplitude,
eine mittlere Amplitude, oder
eine mittlere Wellenlänge
umfassen.
Die Polarisation kann angeben, welche Polarisation das von einem Beleuchtungselement ausgestrahlte Licht gegenüber einer Einfallsebene des ausgestrahlten Lichts hat.
Der Einfallswinkel kann den Winkel angeben, den ein vom Beleuchtungselement ausgehender Lichtstrahl mit einem Flächennormalenvektor des Objekts am Auftreffpunkt des Lichtstrahls einschließt.
Die Amplitude kann das von einem monochromatischen
Beleuchtungselement ausgestrahlte Licht, das also eine kleine spektrale Breite aufweist, betreffen. Die mittlere Amplitude und mittlere Wellenlänge können das von einem Beleuchtungselement ausgestrahlte Licht mit einer größeren spektralen Breite betreffen.
Die Steuerungselektronik kann die Beleuchtungsvorrichtung und/oder den Detektor steuern. Dabei kann die
Steuerungselektronik Signale zur Steuerung an die
BeleuchtungsVorrichtung und/oder Elementgruppen und/oder Beleuchtungselemente und/oder den Detektor senden. Dies können digitale Signale sein, die einen Schaltvorgang in der Beleuchtungsvorrichtung und/oder der Elementgruppe und/oder dem Beleuchtungselement und/oder dem Detektor erzeugen.
Bevorzugt kann die Steuerungselektronik zum Auslösen von Schaltvorgängen Rechteck-Signale senden. Ein Schaltvorgang kann den Betriebszustand von Detektor und/oder
Beleuchtungselement und/oder Elementgruppe ändern,
beispielsweise von einem aktiven Betriebszustand "EIN" auf einen inaktiven Betriebszustand "AUS" oder umgekehrt.
Die Steuerungselektronik kann weiterhin Informationen über die Geschwindigkeit des zu messenden Objektes relativ zu dem Detektor erhalten, um die Signalfrequenz optimal an das Objekt bzw. an die Geschwindigkeit des Objektes relativ zu dem Detektor anpassen zu können. Diese Informationen können beispielsweise durch einen Bediener eingegeben werden.
Ebenso kann die Steuerungselektronik auch Informationen zur Geschwindigkeit einer Transportvorrichtung, auf dem sich ein zu messendes Objekt bewegt, direkt von dieser erhalten. Vorteilhafterweise kann hierzu ein Encoder eingesetzt werden.
Mittels hinterlegter oder programmierter Funktionen oder auch gespeicherter Werte kann die Steuerungselektronik aufgrund der Information über die Geschwindigkeit des
Objektes relativ zu dem Detektor die Erzeugung der Signale anpassen. Auf diese Weise kann die zeitliche Abfolge der
Signale, bzw. deren Frequenz oder deren Dauer, bestimmt und flexibel an das Objekt bzw. an dessen Geschwindigkeit relativ zu dem Detektor angepasst werden.
Bewegt sich beispielsweise das Objekt mit einer hohen
Geschwindigkeit in Relation zu dem Detektor, empfiehlt es sich, Einzelbilder von dem Objekt mit einer hohen
Aufnahmefrequenz aufzunehmen. Die maximale Aufnahmefrequenz kann einerseits hardwarebedingt, andererseits auch
physikalisch bedingt vorgegeben sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform für aktuell verfügbare Hardware kann die Steuerungselektronik Signale mit einer Frequenz, die in einem Bereich von 1 bis etwa 500 kHz und bevorzugt in einem Bereich von etwa 1 bis 120 kHz liegen kann, erzeugen. Vorzugsweise ist die Frequenz der Signale ausgewählt unter Berücksichtigung der Aufnahmeeigenschaften des Detektors. Vorzugsweise übersteigt die Signalfrequenz nicht die Aufnahmefrequenz des Detektors .
Die Steuerungselektronik kann besonders bevorzugt einen Framegrabber als zentrales Steuerungsinstrument umfassen. Besonders bevorzugt umfasst der Framegrabber der
Steuerungselektronik Module mit zusätzlichen Funktionen bzw. bestimmte Funktionalitäten zur zeitlichen Steuerung des Detektors und/oder der Beleuchtungsvorrichtung und/oder der Beleuchtungselemente und/oder der Elementgruppe.
Vorzugsweise umfasst der Framegrabber ein sogenanntes Field Programmable Gate Array (FPGA) , welches die dynamischen Parameter des Detektors, beispielsweise die Belichtungszeit des Detektors, kontrollieren kann. Dabei ist der
Framegrabber bevorzugt frei programmierbar für
unterschiedliche Detektoren. Der Framegrabber kann also eine Steuerungs- und
Kontrollfunktion über einen oder mehrere Detektoren
übernehmen, sowie weitere Framegrabber und damit verbundene Detektoren auf die Sequenz synchronisieren. Weiterhin kann er auch die Größe und die Position eines Auslesefensters für jede Bildaufnahme des Detektors bestimmen. Das
Auslesefenster legt dabei denjenigen Bereich fest, der durch den Detektor abgebildet werden kann. Im Sinne der Erfindung kann der Framegrabber weiterhin Funktionalitäten zur Steuerung und Kontrolle der Beleuchtungsvorrichtung und/oder der Beleuchtungselemente und/oder der
Elementgruppen umfassen. Mittels des Framegrabbers können die Signale zur Erzeugung der Einzelbilder einer Sequenz erzeugt werden. Bevorzugt sendet er Framegrabber dabei rechteckförmige Signale, welche einen oder mehrere Schaltvorgänge an dem Detektor und/oder der Beleuchtungsvorrichtung und/oder einem
Beleuchtungselement auslösen können. Somit kann der
Framegrabber den Betriebszustand von Detektor und/oder der Beleuchtungsvorrichtung und/oder einem Beleuchtungselement steuern. Der Detektor kann ein aufgenommenes Einzelbild in ein digitales Einzelbildsignal umwandeln und an den
Framegrabber leiten. Dabei kann ein bestimmter Bereich des Objektes bzw. der Objektoberfläche, welcher durch das
Auslesefenster definiert sein kann, scharf abgebildet werden. Im Falle eines Zeilen- bzw. linienförmigen
Bereiches kann dieser Bereich auch als Kameralinie
bezeichnet werden. Eine Kameralinie bezeichnet also in anderen Worten denjenigen linienförmigen Bereich des Objektes, der durch den Detektor scharf abgebildet werden kann. Der Detektor kann ein zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgenommenes Einzelbild als digitales Bildsignal bzw. Einzelbildsignal an den Framegrabber senden, der hierzu vorzugsweise mit Funktionen zur Bildverarbeitung
ausgestattet sein kann.
Der Detektor kann verschiedene Betriebszustände annehmen. Der Betriebszustand EIN kann den Beginn einer Aufnahme bestimmen, der Betriebszustand AUS das Ende der Aufnahme. Auf diese Weise kann die Belichtungszeit kontrolliert werden. Durch ein Signal der Steuerungselektronik bzw. des Framegrabbers können also die Betriebszustände des
Detektors geschaltet werden.
Die Steuerungselektronik, insbesondere der Framegrabber, kann die zu einer Sequenz gehörenden digitalen
Einzelbildsignale zu einem Superbild zusammenfügen. Aus mehreren Superbildern kann ein Gesamtbild des Objektes durch den Framegrabber zusammengefügt werden. Die Einzelbilder, das Superbild und das Gesamtbild können gespeichert werden können.
Auf überraschend einfache Weise kann somit ein Bild bzw. ein Gesamtbild des Objektes erzeugt werden, welches einer Überlagerung mehrerer Einzelbilder desselben Objektes mit annähernd gleichen Aufnahmezeitpunkten bei jeweils
unterschiedlicher Beleuchtung entspricht, wenn die Signale der Steuerungselektronik bzw. des Framegrabbers synchron bzw. annähernd zeitgleich zur Steuerung des
Beleuchtungsvorrichtung bzw. der Beleuchtungselemente verwendet werden und sich die Beleuchtungselemente bzw. Elementgruppen in ihrer Beleuchtungsart voneinander
unterscheiden .
Dabei kann die Steuerungselektronik bzw. der Framegrabber gleiche Signale zur Steuerung mehrerer Vorrichtungen senden oder auch jeweils unterschiedliche Signale, welche zu einem gleichen Zeitpunkt gesendet werden.
Es können auch bestimmte Beleuchtungselemente,
Elementgruppen und/oder Detektoren derart miteinander verbunden werden, dass sie durch jeweils einen spezifischen Framegrabber gesteuert werden können, welcher wiederum durch die Steuerungselektronik bzw. den zentralen
Framegrabber gesteuert werden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine
Inspektionsvorrichtung für die optische Prüfung eines
Objekts .
Die Inspektionsvorrichtung kann
- die oben beschriebene BeleuchtungsVorrichtung, welche elektromagnetische Strahlung auf das Objekt
ausstrahlt, und
- einen Detektor, der von dem Objekt gestreute und/oder transmittierte und/oder reflektierte und/oder durch Lumineszenz erzeugte Strahlung zum Erzeugen eines
Bildes erfasst, sowie
eine Steuerungselektronik mit einem Framegrabber umfassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein
Inspektionsverfahren zum optischen Prüfen eines Objekts mittels
- einer BeleuchtungsVorrichtung mit mehreren
Beleuchtungselementen, die elektromagnetische Strahlung auf das Objekt ausstrahlt, und
- eines Detektors, auf welchen vom Objekt gestreute
und/oder transmittierte und/oder reflektierte und/oder durch Lumineszenz erzeugte Strahlung gerichtet wird zum zumindest teilweise Erfassen des Objekts und zum
Erzeugen eines Bildes,
wobei die Funktion eines Beleuchtungselements durch eine Farbe und mehrere Strahlungsmodi charakterisiert ist.
In einem ersten Schritt des Inspektionsverfahrens können die Farben und Strahlungsmodi der Beleuchtungselemente festgelegt werden. Die Festlegung kann im Allgemeinen durch eine Bedienperson oder gegebenenfalls durch in der
Steuerungselektronik hinterlegte Steuerparameter gemacht werden. Die Festlegung kann derart erfolgen, dass die
Beleuchtungselemente sich durch die Farbe und durch
mindestens einen Strahlungsmodus jeweils voneinander unterscheiden.
In weiteren Schritten des Inspektionsverfahrens kann
- die Oberfläche des Objekts, das Objektvolumen oder ein Teil der Oberfläche oderdes Objektvolumens durch die Beleuchtungsvorrichtung auf Basis der Steuerparameter ausgeleuchtet werden, - die von dem Objekt gestreute und/oder transmittierte und/oder reflektierte und/oder durch Lumineszenz erzeugte Strahlung durch den Detektor erfasst werden, und
- ein Bild durch den Detektor erzeugt werden.
Gemäß einer Ausführungsform können sich die
Beleuchtungselemente durch die Farbe und/oder durch zwei, drei oder vier Strahlungsmodi jeweils voneinander
unterscheiden. Der höhere Grad der Unterschiedlichkeit der durch die BeleuchtungsVorrichtung ausgestrahlten
Lichtkomponenten kann eine zusätzliche Hervorhebung der zu untersuchenden Defekte in der Oberfläche des Objekts ermöglichen.
Ein Beleuchtungselement kann vorteilhafter Weise einen Schaltzustand haben, der angibt, ob das Beleuchtungselement aktiv oder inaktiv ist. Der Schaltzustand gibt mit anderen Worten an, ob das Beleuchtungselement ein- oder
ausgeschaltet ist.
Ein Beleuchtungselement kann einzeln, das heißt unabhängig von anderen Beleuchtungselementen, geschaltet werden zum Aktivieren oder Deaktivieren des Beleuchtungselements.
Die Schaltung kann vorzugsweise mittels des Framegrabbers ausgeführt werden.
Ein Beleuchtungselement kann als ein vorzugsweise gerades oder gegebenenfalls gekrümmtes Leuchtsegment ausgebildet sein. Das Leuchtsegment kann linienförmig oder flächenartig ausgebildet sein, wobei ein flächenartiges Leuchtsegment eine Strahlungsoberfläche aufweist.
Das von einem Beleuchtungselement ausgestrahlte Licht kann auf das Objekt in einem Lichtfleck auftreffen, der einen Teil des Objekts oder das gesamte Objekt umfasst. Die Lichtflecken von jeweils zwei Beleuchtungselementen können sich überlappen, oder sich überschneiden, oder disjunkt sein.
Eine Elementgruppe kann ein Schaltmuster haben, das eine Folge von EIN-AUS-Schaltzuständen angibt, in welchen die Beleuchtungselemente der Elementgruppe zu einem bestimmten Zeitpunkt sind. Beim Einschalten einer Elementgruppe können somit die einzelnen Beleuchtungselemente eingeschaltet werden, falls der entsprechende Wert im Schaltmuster EIN ist, oder ausgeschaltet bleiben, falls der entsprechende Wert im Schaltmuster AUS ist. Beim Ausschalten der
Elementgruppe können alle Beleuchtungselemente
ausgeschaltet werden oder bleiben.
Eine Elementgruppe kann einzeln, also separat von anderen Elementgruppen, schaltbar sein zum Aktivieren oder
Deaktivieren der Elementgruppe . Das Einschalten kann vorzugsweise gemäß dem Schaltmuster der Elementgruppe ausgeführt werden.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann ferner einen Reflektor und/oder einen Streukörper umfassen, auf welchen das Licht der Beleuchtungselemente ausgestrahlt wird, damit es von dem Reflektor auf das Objekt diffus oder gerichtet gestreut wird. Eine diffuse Strahlung kann beispielsweise durch eine ebene oder gekrümmte Schale mit rauher Oberfläche erzeugt werden. Eine gerichtete Strahlung kann beispielsweise durch einen Ausschnitt aus einem parabolischen Zylinder oder einem Drehparaboloid erzeugt werden, in dessen Fokus ein Beleuchtungselement oder eine Elementgruppe angeordnet ist.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann ein Beleuchtungstragwerk umfassen, das Steckplätze aufweist, die jeweils eine
VersorgungsSpannung bereitstellen und an welche jeweils Beleuchtungselemente und/oder Elementgruppen mittels
Steckverbindungen montiert werden können zum Erstellen der Beleuchtungsvorrichtung. Die Zuordnung der
Beleuchtungselemente zu den Elementgruppen kann durch eine entsprechende elektrische Verdrahtung oder durch eine
Schaltungslogik realisiert werden. Die Anordnung der
Beleuchtungselemente kann auf diese Weise sehr flexibel verändert werden .
Das Beleuchtungstragwerk kann schwenkbare und/oder flexible Arme umfassen, an denen die Steckverbindungen angeordnet sind. In einer besondere Ausführungsform kann das
Beleuchtungstragwerk eine Matrix von Befestigungspunkten für die Aufnahme der Beleuchtungselemente aufweisen, um beispielsweise Glasfasern, Glasfaserbündel ,
Glasfaserquerschnittswandler, einzelne LEDs, LED- Linienleuchten, LED-Flächenleuchen oder Laser befestigen zu können .
Ein solches Baukastensystem kann hinsichtlich eines
einfachen, preiswerten und flexiblen Aufbaus der
BeleuchtungsVorrichtung in Abhängigkeit von der jeweiligen technischen Zielsetzung und den Bedürfnissen eines Nutzers sehr vorteilhaft sein.
Das Beleuchtungstragwerk kann weiterhin den Detektor umfassen. Auf diese Weise kann eine hochflexible und mobile BeleuchtungsVorrichtung zur optischen Prüfung ausgebildet werden, welche beispielsweise zur Inspektion von
rohrformigen Objekten oder Behältern verwendet werden kann. Mittels geeigneter Bewegungsvorrichtungen kann also das den Detektor umfassende Beleuchtungstragwerk bewegt werden, wohingegen das zu prüfende Objekt fest stehen kann.
Die Beleuchtungselemente können in einer Leuchtmatrix angeordnet sein, die eine ebene oder gekrümmte Leuchtfläche aufspannt. Die Leuchtfläche kann eine Teilfläche eines
Drehkörpers, insbesondere einer Kugel oder eines Zylinders, bilden.
Jeweils ein Beleuchtungselement oder eine Elementgruppe kann einzeln geschaltet werden zum Aktivieren oder
Deaktivieren des Beleuchtungselements oder der
Elementgruppe .
Die Beleuchtungselemente und/oder Elementgruppen können jeweils einzeln oder gruppenweise, gleichzeitig oder hintereinander, periodisch wiederkehrend in einem
vorgegebenen Takt, geschaltet werden.
Die Inspektionsvorrichtung kann vorteilhafter Weise eine mit der Beleuchtungsvorrichtung und dem Detektor gekoppelte Steuerungselektronik sowie einen Framegrabber umfassen. Die Steuerungselektronik kann dazu ausgebildet sein, die optischen Eigenschaften des Objekts zu ermitteln. Hierzu kann beim Ausstrahlen von Licht mit einer vorbestimmten spektralen Charakteristik, vorzugsweise von weißem Licht, durch die Beleuchtungsvorrichtung auf das Objekt, ein
Kalibrierbild durch den Detektor erzeugt werden. Die optischen Eigenschaften des Objekts können mittels einer Verarbeitung des Kalibrierbildes durch die
Steuerungselektronik ermittelt werden.
Die optischen Eigenschaften des Objekts können dazu
verwendet werden, eine optimale Beleuchtung des Objekts durch die Beleuchtungsvorrichtung zu erzeugen. Die
Beleuchtung kann hinsichtlich einer Maximierung der
Trefferquote bei der Erkennung von Defekten in der
Oberfläche des Objekts optimiert werden.
Die Steuerungselektronik kann dazu ausgebildet sein, mittels der optischen Eigenschaften des Objekts die Signale zum Steuern der Beleuchtungsvorrichtung zu ermitteln oder festzulegen. Eine Festlegung der Steuerparameter kann beispielsweise durch eine Bedienperson mittels einer
Tastatureingabe durchgeführt werden. Eine automatische Ermittlung der Steuerparameter kann gegebenenfalls durch ein Mustererkennungssystem auf Basis der optischen
Eigenschaften des Objekts durchgeführt werden.
Die Steuerungselektronik kann dazu ausgebildet sein, die BeleuchtungsVorrichtung mittels der Signale bzw. der
Steuerparameter zu steuern, um eine entsprechende
Beleuchtung des Objekts durch die Beleuchtungsvorrichtung zu bewirken. Die Steuerungselektronik kann auch dazu ausgebildet sein, das Bild mittels eines Mustererkennungssystems oder
Klassifikators auszuwerten zum Erkennen eines Defekts an der Oberfläche des Objekts oder in dem Objektvolumen.
Hierzu kann das Mustererkennungssystem trainiert werden, Defekte zu erkennen indem es Bilder vorgelegt bekommt, die Oberflächen zeigen, welche Defekte aufweisen. In einem dem Training nachfolgenden Praxis-Einsatz kann das
MustererkennungsSystem Defekte erkennen, welche den im Training vorgelegten Defekten ähnlich sind.
Die Steuerungselektronik kann auch dazu ausgebildet sein, Ungleichmäßigkeiten in den Beleuchtungen individuell pro Einzelbild zu erfassen und für jeden Pixel zu korrigieren (Shading Korrektur) . Diese Auswertung der Intensität kann ebenfalls für eine automatische Helligkeitsanpassung verwendet werden, um die Gesamthelligkeit pro Einzelbild zu erfassen und durch die Variation der Aktivierungsdauer der Sensorbelichtung und/oder der Beleuchtung zu regeln.
Gemäß einer Ausführungsform kann die
Beleuchtungsvorrichtung der Inspektionsvorrichtung eine Elementgruppe mit fünf als gerade Leuchtsegmente
ausgebildete Beleuchtungselemente umfassen, mit den
gemeinsamen Strahlungsmodi: Orientierung senkrecht,
Abstrahlcharakteristik gerichtet oder diffus.
Ein erstes Beleuchtungselement kann rotes Licht
ausstrahlen, mit Leuchtart Hellfeld, Richtung Auflicht, Einfallswinkel etwa 10 Grad. Vorteilhafter Weise können damit BeSchichtungen oder Texturen in der Objektoberfläche sichtbar gemacht werden.
Ein zweites Beleuchtungselement kann blaues Licht
ausstrahlen, mit Leuchtart Dunkelfeld, Richtung Auflicht, Einfallswinkel etwa 40 Grad. Vorteilhafter Weise können damit Riefen oder Kratzer auf Glasoberflächen sichtbar gemacht werden. Ein drittes Beleuchtungselement kann grünes Licht
ausstrahlen, mit Leuchtart Dunkelfeld, Richtung Auflicht, Einfallswinkel etwa 70 Grad. Vorteilhafter Weise können damit ebenfalls Riefen oder Kratzer in der Objektoberfläche sichtbar gemacht werden durch eine Auflösung der Tiefe.
Ein viertes Beleuchtungselement kann pinkfarbiges Licht ausstrahlen, mit Leuchtart Dunkelfeld, Richtung Auflicht, Einfallswinkel etwa 110 Grad. Vorteilhafter Weise können damit Defekte im Glas sichtbar gemacht werden.
Ein fünftes Beleuchtungselement kann gelbes Licht
ausstrahlen, mit Leuchtart Dunkelfeld, Richtung Durchlicht, Einfallswinkel etwa 140 Grad. Vorteilhafter Weise können damit streuende Effekte wie Blasen oder Lunker sichtbar gemacht werden .
Durch die Vorrichtung können somit verschiedene
Beleuchtungen auf sehr einfache Weise miteinander
kombiniert werden. Besonders vorteilhaft können auf diese Weise nahezu zeitgleich unterschiedliche Fehler oder
Fehlerarten auf dem Objekt oder in dem Objektvolumen erkannt werden, insbesondere auch dann, wenn ein bestimmter Fehler nur mit einer, ein anderer mit einer weiteren
Beleuchtungsart identifiziert werden kann.
Ebenso können auch Fehler identifiziert werden, welche nur bei einer bestimmten Kombination unterschiedlicher
Beleuchtungsarten sicher festgestellt werden können.
Besonders günstig kann auf diese Weise ein Fehler auf oder in einem Objekt, der durch nur eine einzige Beleuchtungsart überhaupt nicht oder nicht sicher identifiziert werden kann, ermittelt und lokalisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die
Beleuchtungsvorrichtung der Inspektionsvorrichtung zwei, drei oder vier Elernentgruppen mit jeweils drei als
halbkreisförmige oder halbzylinderförmige Leuchtsegmente ausgebildete, koaxial angeordnete, zum Objekt hin
geöffnete, Beleuchtungselemente umfassen. Die
Beleuchtungselemente können folgende gemeinsame
Strahlungsmodi aufweisen: Orientierung parallel,
Abstrahlcharakteristik gerichtet oder diffus, Richtung Durchlicht .
Ein erstes Beleuchtungselement kann gelbes Licht
ausstrahlen mit Leuchtart Dunkelfeld.
Ein zweites Beleuchtungselement kann blaues Licht
ausstrahlen mit Leuchtart Dunkelfeld.
Ein drittes Beleuchtungselement kann rotes Licht
ausstrahlen mit Leuchtart Hellfeld. Die Beleuchtungselemente können zeitlich getaktet ein- und ausschaltbar werden, wobei
1. in einem ersten Takt jeweils die ersten
Beieuchtungselemente EIN und die anderen AUS sind, 2. in einem zweiten Takt jeweils die zweiten
Beleuchtungselemente EIN und die anderen AUS sind, und 3. in einem dritten Takt jeweils die dritten
Beleuchtungselemente EIN und die anderen AUS sind. Die drei Takte können zyklisch wiederholt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung der oben beschriebenen Inspektionsvorrichtung zum Prüfen und/oder Aussortieren
von Flach- und Rohrglas, das Defekte, insbesondere Blasen, Knoten, Schlieren, Steine, oder Kratzer, aufweist, und/oder
- von Stahlbauteilen, die Defekte, insbesondere Riefen, Lunker, Rattermarken, aufweisen, und/oder
von Folien, die Defekte, insbesondere Blasen,
Verschmutzungen, Löcher, aufweisen, und/oder
- von Fasern aus Glas oder Kunststoff, welche Blasen, Verschmutzungen oder inhomogene
Materialzusammensetzungen aufweisen und/oder
- von Silizium- afern oder -Bauteilen, welche Risse im Volumen, Materialverunreinigungen oder Riefen auf der
Oberfläche aufweisen können.
Dabei kann das Objekt Materialien aus der Gruppe der
Metalle, Kunststoffe, Gläser, Keramiken oder Glaskeramiken, Holz, Papier oder Silizium umfassen. Das Objekt kann auch vollkontinuierlich, beispielsweise als Glas- oder Metallband bzw. allgemein als Bahn- bzw. Bandware,
gefertigt werden und während eines Transportes,
beispielsweise über eine Förder- oder Transportbahn, in einer Produktionsumgebung mit der Inspektionsvorrichtung geprüft werden.
Die Oberflächen des Objektes können ganz oder teilweise diffus streuende, glatte, texturierte, spiegelnde oder auch Oberflächen anderer Beschaffenheit umfassen. Das Objekt kann dabei auch ganz oder teilweise transparent oder semitransparent ausgebildet sein.
Besonders vorteilhaft kann die Inspektionsvorrichtung auch durch einen oder mehrere Detektoren sowie eine oder mehrere Beleuchtungselemente bzw. Elementgruppen derart ausgebildet werden, dass sie für die Prüfung unterschiedlicher Objekte konfiguriert werden kann.
Dabei kann für die unterschiedlichen zu prüfenden Objekte beispielsweise jeweils ein Parametersatz, umfassend
Steuerparameter für die Signale und die Triggerimpulse sowie für die Transportgeschwindigkeit der
Transportstrecke, festgelegt und in einem Speicher der Steuerungselektronik hinterlegt werden. Dieser
Parametersatz kann durch einen Bediener vorgegeben und in
Abhängigkeit der Objekte ausgewählt bzw. angepasst werden.
Hierdurch ist die Inspektionsvorrichtung besonders günstig geeignet, bei geringem anlagentechnischen Aufwand
unterschiedliche Objekte zu prüfen. So können
beispielsweise nicht transparente, vereinzelte Objekte, bei denen die Oberflächenbeschaffenheit gemessen werden soll, andererseits aber auch transparente und kontinuierlich gefertigte Objekte wie ein Glasband, bei dem
Verunreinigungen im Volumen gemessen werden sollen, mittels einer gleich oder ähnlich konfigurierten Vorrichtung gemessen werden, wobei sich lediglich die Parametersätze unterscheiden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die BeleuchtungsVorrichtung auch mehrere Detektoren umfassen, die jeweils einen bestimmten Bereich eines Objektes
abbilden. Auf diese Weise kann eine Kameralinie ausgebildet werden, welche die Kameralinie verschiedener Detektoren umfassen kann. Durch die Steuerungselektronik kann hieraus ein Gesamtbild erzeugt werden.
Dabei können die Detektoren auch besonders kostengünstig als monochrome Zeilenkamera ausgebildet sein, welche jeweils einen bestimmten Bildbereich entlang einer
Kameralinie aufnehmen können.
Es können auch Detektoren verwendet werden, welche
mehrzellig Bilder aufnehmen können.
In einer weiteren Ausführungsform können die
Beleuchtungselemente auch elektromagnetische Strahlung im infraroten oder ultravioletten Bereich emittieren, um beispielsweise die Sichtbarkeit zu erhöhen,
Temperaturunterschiede im oder am Objekt prüfen zu können oder Sprünge in Glasoberflächen. Der Detektor kann hierfür günstig als IR- oder als UV-Kamera ausgebildet sein. In einer nochmaligen Weiterbildung der Erfindung kann ein Beleuchtungselement kohärentes, aufgeweitetes Laserlicht emittieren. Hierdurch können auf der Objektoberfläche Specklemuster bzw. Granulationsmuster erzeugt werden. Auf diese Weise können beispielsweise Verspannungen in dem Objekt oder sehr kleine räumliche Veränderungen zwischen Beleuchtungselement und Objekt geprüft werden.
In einer nochmaligen Weiterbildung kann ein
Beleuchtungselement auch Röntgenstrählen emittieren. Die Beleuchtungsvorrichtung kann somit auch einen
Röntgentomograph umfassen, wodurch Schnittaufnahmen von dem Objekt erzeugt werden können. In einer nochmals weiteren Ausführungsform kann die
Beleuchtungsvorrichtung auch optische Gitter bzw.
Beugungsgitter umfassen. Diese können zur
Monochromatisierung der Strahlung und/oder zur Analyse im Rahmen der optischen Prüfung genutzt werden.
Weiterhin kann ein Beleuchtungselement der
Beleuchtungsvorrichtung diffraktive optische Elemente umfassen, um die emittierte Strahlung, vorzugsweise
Laserstrahlung, zu formen oder zu teilen. Durch die Formung kann beispielsweise eine annähernd gleichmäßige
Intensitätsverteilung erreicht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher erläutert. Dabei verweisen gleiche
Bezugszeichen auf gleiche oder entsprechende Elemente . Die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden.
Die Zeichnungen zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer
InspektionsVorrichtung,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer
InspektionsVorrichtung,
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer
InspektionsVorrichtung,
Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer
InspektionsVorrichtung,
Figur 5 eine Abbildung eines schematischen Aufbaus einer abbildenden Vorrichtung,
Figur 6 ein Timing Diagramm zur Detektor-Steuerung, Figur 7 den Betriebszustand von Detektor und
Beleuchtungselementen im zeitlichen Ablauf
Figur 8 Gesamtbild eines Objektes, wobei das Objekt im
Hellfeld-Auflicht bestrahlt wird,
Figur 9 Gesamtbild eines Objektes, wobei das Objekt im
Dunkelfeld-Auflicht bestrahlt wird,
Figur 10 Gesamtbild eines Objektes, wobei das Objekt im
Hellfeld-Durchlicht bestrahlt wird, und Figur 11 Gesamtbild eines Objektes, entstanden durch
geordnetes Zusammensetzen von m Superbildern.
Generell gilt, dass unterschiedliche Defekte in den
Oberflächen von Produkten mit Kameras detektieren werden können unter Verwendung angepasster Beleuchtungen. Für die Inspektion von z.B. Bahnware oder großen Scheiben werden beispielsweise Zeilenkameras eingesetzt. Für diese Anwendungen sind am Markt verschiedene Linienbeleuchtungen verfügbar. Im Allgemeinen haben die Linienbeleuchtungen eine Vorzugsrichtung. Das Erscheinungsbild, speziell der Kontrast, von Defekten hängt aber stark von der Richtung ab, aus der sie beleuchtet werden. So kann es sein, dass eine Beleuchtungsart für eine Fehlerart gut geeignet ist, aber eine andere Fehlerart in dieser Beleuchtung schlecht oder sogar gar nicht sichtbar ist.
Die Erfindung stellt eine Zeilenbeleuchtung bereit, in welcher mehrere schaltbare Beleuchtungen kombiniert werden. Die Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung 12 für die
optische Prüfung eines Objekts 18. Hierbei handelt es sich um ein Glas-Objekt, das in eine Transportrichtung 18 bewegt wird. Die optische Prüfung wird ausgeführt, um eine
Fehlstelle, eine Beschädigung oder einen Defekt in der Oberfläche des Objekts zu detektieren.
Die InspektionsVorrichtung 12 umfasst
eine Beleuchtungsvorrichtung 10, welche Licht auf das Objekt 18 ausstrahlt, und
einen Detektor 14, der von dem Objekt gestreutes oder transmittiertes Licht zum Erzeugen eines Bildes erfasst.
Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von
Beleuchtungselementen, die jeweils als Linienstrahler ausgebildet sind. Mittels eines Beleuchtungselements wird Licht auf zumindest einen Teil einer Oberfläche des Objekts gerichtet .
Die Funktion eines Beleuchtungselements kann durch eine Farbe und mehrere Strahlungsmodi des von dem
Beleuchtungselement ausgestrahlten Lichts charakterisiert werden.
Die Beleuchtungselemente unterscheiden sich jeweils
voneinander durch die Farbe und mindestens einen.
Strahlungsmodus . Eine von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugte, kombinierte Strahlung wird von dem Objekt
gestreut und/oder transmittiert und/oder reflektiert und/oder als Lumineszenzstrahlung emittiert, um eine
Prüfung des Objekt mittels einer Analyse des von dem
Detektor erzeugten Bildes zu ermöglichen.
Die Beleuchtungselemente 21-28 in Figur 1 weisen folgende Farben und Strahlungsmodi auf :
21 Rot, senkrecht , Hellfeld, Auflicht
22 Blau, senkrecht , Dunkelfeld, Auflicht
23 Grün, senkrecht , Dunkelfeld, Auflicht
24 Pink, senkrecht , Dunkelfeld, Durchlicht
25 Gelb, senkrecht , Hellfeld, Durchlicht
26 Pink, senkrecht , Dunkelfeld, Durchlicht
27 Grün, senkrecht , Dunkelfeld, AufIicht
28 Blau, senkrecht , Dunkelfeld, Auflicht
Das Beleuchtungselement 21 erleichtert es, Beschichtungen in eine Reflexion sichtbar zu machen. Das Beleuchtungselement 22, das unter einem steilen Winkel angeordnet ist, erleichtert es, Riefen auf Metallbändern sichtbar zu machen. Das Beleuchtungselement 23 hat die gleiche Funktion wie das Beleuchtungselement 22, jedoch eine geänderter
Vorzugsrichtung, beispielsweise zur Unterscheidung der Tiefe . Das Beleuchtungselement 24 erleichtert es, streuende
Defekte wie Blasen sichtbar zu machen.
Das Beleuchtungselement 25 erleichtert es, dunkle Defekte im Glas sichtbar zu machen.
Die Beleuchtungsvorrichtung besteht aus schaltbaren
Beleuchtungselementen, die als lineares Leuchtsegment ausgebildet sind. Jedes Leuchtsegment kann dabei
verschiedene Eigenschaften habe, betreffend Wellenlänge, diffuses oder gerichtetes Licht oder Beleuchtungsrichtung.
Die Beleuchtungsvorrichtung ist vorteilhafter Weise als ein modulares Baukastensystem ausgebildet, mittels welchem ein für die Applikation passendes System konfiguriert werden kann.
Die schaltbaren Leuchtsegmente sind im Allgemeinen
senkrecht zur Scanlinie schaltbar. Für einige Applikationen kann es auch sinnvoll sein die Leuchtsegmente parallel zur Scanlinie zu schalten. Gemäß Figur 1 wird das Objekt aus mehreren
Beleuchtungswinkeln angeleuchtet. Hierbei stehen die Farben für verschiedene Beleuchtungsarten. Die Farben können ebenso aber auch für die physikalische Farbe des
Beleuchtungselements stehen.
Die Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung 12 für die
optische Prüfung eines Objekts 18. In diesem
Ausführungsbeispiel umfasst die Beleuchtungsvorrichtung drei Elementgruppen, in welchen jeweils drei
Beleuchtungselemente 29, 30, 31 angeordnet sind. Die
Beleuchtungselemente 29, 30, 31 sind als halbkreisförmige oder halbzylinderförmige Leuchtsegmente ausgebildet, koaxial angeordnet, zum Objekt hin geöffnet. Die
Beleuchtungselemente weisen folgende gemeinsame
Strahlungsmodi auf: Orientierung parallel,
Abstrahlcharakteristik gerichtet oder diffus, Richtung Durchlicht .
Beim senkrechten Schalten würden Riefen, die genau
senkrecht zur Transportrichtung angeordnet sind, wenig Kontrast liefern. Um solche Fehler zu vermeiden sind in diesem Ausführungsbeispiel die Beleuchtungselemente 29, 30, 31 parallel zur Scanlinie des als Kamera ausgebildeten Detektors 14 angeordnet .
Das Objekt 18, welches vorliegend eine Glasplatte ist, bewegt sich aus der Papierebene heraus. Jede Farbe steht für einen zeitlichen Schaltzustand (3 Kanäle) . Im ersten Takt leuchtet die gelbe Fläche im zweiten die blaue und im dritten die rote. Die Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der
.erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung 12, in welcher ein kombiniertes Schalten durchgeführt wird. In dieser Figur bewegt sich das Objekt 18, welches als eine Glasplatte ausgebildet ist, aus der Zeichenebene heraus.
Eine Kombination von Beleuchtungselementen mit den
Orientierungen parallel und senkrecht weist vorteilhafter Weise eine hohe Flexibilität auf. Jede Farbe ist stellvertretend für einen zeitlichen
Schaltzustand (6 Kanäle) .
Takt 1 nur die gelbe Fläche leuchtet .
Takt 2 nur die rote Fläche leuchtet .
Takt 3 nur die blaue Fläche leuchtet.
Takt 4 nur die grüne Fläche leuchtet .
Takt 5 nur die pinke Fläche leuchtet .
Takt 6 nur die orangefarbene Fläche leuchtet . Hierbei werden in jedem Takt die Beleuchtungselemente 32-37 derart angesteuert, dass sie in den Takten 1 bis 3 im
Strahlungsmodus „parallel" und in den Takten 4 bis 6 im Strahlungsmodus „senkrecht" Licht auf das Objekt 18
ausstrahlen.
Die Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung 12, in welcher ein kombiniertes Schalten durchgeführt wird. Damit wird eine Inspektion von Kratzern in der Oberfläche des Objekts 18, das als eine Glasplatte ausgebildet ist, durchgeführt. Bei Kratzern auf Glas ist der Kontrast der Kratzer abhängig vom Beleuchtungswihkel . Eine Beleuchtung aus mehreren
Richtungen hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen. Diese Beleuchtung wird mittels eines Reflektors 16 realisiert Im linken Bild der Figur 4 wird der Reflektor 16, der als ein „Leuchttunnel " angesehen werden kann, von unten
angestrahlt. Ein Teil des Lichts durchstrahlt das Glas 18 und gelangt anschließend durch eine Öffnung des Reflektors an die Kamera 14, von welcher es erfasst wird, wobei die dazugehörenden Strahlungsmodi „Durchlicht" und „Hellfeld" sind. Ein anderer Teil des Lichts durchstrahlt das Glas 18, gelangt auf den Reflektor 16, von dem es auf das Glas 18 zurückgestreut wird, wird von dem Glas 18 an die Öffnung des Reflektors 16 gestreut und gelangt anschließend durch eine Öffnung des Reflektors 16 an die Kamera 14, von welcher es erfasst wird, wobei die dazugehörenden
Strahlungsmodi eine Kombination von „Durchlicht",
„Auflicht" und „Hellfeld" sind. Im rechten Bild der Figur 4 wird der Reflektors 16 von unten angestrahlt. Ein Teil des Lichts durchstrahlt das Glas 18 und gelangt anschließend an die Kamera 14, von welcher es erfasst wird, wobei die dazugehörenden
Strahlungsmodi „Durchlicht" und „Hellfeld" sind. Ein anderer Teil des Lichts wird vom Glas 18 reflektiert, gelangt auf den Reflektor 16, von dem es auf das Glas 18 zurückgestreut wird, durchleuchtet das Glas 18 und gelangt anschließend an die Kamera 14, wobei die dazugehörenden Strahlungsmodi eine Kombination von „Durchlicht",
„Dunkelfeld" und „Hellfeld" sind. In Figur 5 ist ein Aufbau einer BeleuchtungsVorrichtung dargestellt, umfassend einen Detektor 14, eine
Steuerungselektronik 57 mit einem Framegrabber 58 sowie mehrere Beleuchtungselemente 21, 22 und 23 einer
Beleuchtungsvorrichtung. Der Detektor ist als eine
monochrome Zeilenkamera ausgebildet.
Das zu prüfende Objekt ist vorliegend ein kontinuierliches Glasband 18, welches durch eine TransportVorrichtung 56 gefördert wird in Pfeilrichtung.
Die Steuerungselektronik steuert mittels Signalen 53 den Betriebszustand der Beleuchtungselemente 21, 22 und 23 der Beleuchtungsvorrichtung. Ebenfalls steuert die
Steuerungselektronik mittels Signalen 51 den Detektor 14.
Weiterhin erhält die Steuerungselektronik über die
Signalstrecke 52 Informationen über die Geschwindigkeit der Transportvorrichtung 56, welche mittels eines Encoders 55 ermittelt werden. Die Steuerungselektronik kann durch diese Information die Signalfrequenz zur Steuerung des Detektors und/oder der Beleuchtungselemente aus einem in einer
Datenbank hinterlegten Parametersatz der Geschwindigkeit der Transportstrecke auswählen. Figur 6 zeigt ein mögliches Zeitdiagramm, welches den zeitlichen Ablauf der verschiedenen Signale bzw.
Schaltvorgänge umfasst . In dem Beispiel können innerhalb einer Sequenz A 1 bis n Einzelbilder erzeugt werden. Nach dem mit AI festgelegten Signal für ein Superbild wird nach einer Verzögerung
(Delay) der Detektor (61) für eine Zeitdauer (Duration) aktiv geschaltet. Für das Einzelbild 1 wird der Beginn durch AI und das Ende durch A2 verdeutlicht. Ebenso wird die Beleuchtungsvorrichtung und/oder ein oder mehrere
Beleuchtungselemente (62) und/oder ein oder mehrere
Elementgruppen geschaltet.
Das mit A2 festgelegte Signal markiert zugleich den Beginn für das Einzelbild 2.
Gleichzeitig kann für jedes Einzelbild der Zustand der Ausgänge, z.B. ein Bitmuster an den digitalen Ausgängen (10 Status, 63) definiert werden. Dieses Signal wird analog dem Detektor um eine Zeit verzögert und für eine Zeitdauer aktiviert. Die weiteren Einzelbilder können analog
parametriert werden.
Den zeitlichen Ablauf der Betrxebszustände des Detektors 14 sowie der Beleuchtungselemente der Beleuchtungsvorrichtung zeigt Figur 7.
Die Betrxebszustände der Beleuchtungseinrichtung 1 bis n werden von der Steuerungselektronik gesteuert und nehmen abwechselnd die Betrxebszustände EIN und AUS ein.
Ebenso nimmt der Detektor den Betriebszustand EIN bzw. AUS ein. Der Betriebszustand EIN des Detektors kennzeichnet die Zeitspanne, innerhalb derer eine Belichtung bzw. eine
Bildaufnahme erfolgt. Dargestellt sind die jeweiligen
Schaltzustände der Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung. Die Figuren 8, 9 und 10 zeigen jeweils ein Gesamtbild eines Objektes bei einer unterschiedlichen Beleuchtung. Bei Figur 8 empfängt der Detektor transmittiertes Licht, welches von einem Beleuchtungselement im Hellfeld erzeugt wurde. Das Bild der Figur 9 zeigt ebenfalls transmittiertes Licht, wobei das Objekt in einer Dunkelfeld-Beleuchtung bestrahlt wurde. In Figur 10 empfängt der Detektor reflektiertes Licht, wobei das Objekt im Hellfeld (Reflektion) bestrahlt wurde . Die Figur 11 zeigt das Gesamtbild eines Objektes, wie es sich aus dem geordneten Zusammenfügen der aufgenommenen Superbilder ergibt: Die aufgenommene Sequenz besteht aus 1 bis n Einzelbildern (71, 72, 73, 74), die das Messobjekt oder Teile des Messobjektes in unterschiedlichen
Beleuchtungszuständen beinhalten und zum Superbild Nr. 1
(75) zusammengesetzt werden. Die derart entstehenden 1 bis m Superbilder des Messobjektes (75, 76) werden entsprechend der zeitlichen Reihenfolge ihrer Entstehung zum Gesamtbild des Messobjektes geordnet zusammengesetzt. 75 verkörpert also das Superbild 1 des Objektes, wohingegen 76 das
Superbild m des Objektes verkörpert und wobei von dem
Objekt insgesamt 1 .. m Superbilder erzeugt werden. Ein Superbild umfasst dabei jeweils n Teilbilder des Objektes in den unterschiedlichen Beleuchtungszuständen. Eine weitere Umsortierung von Teilinformationen aus den
einzelnen Bildkanälen entfällt. Bezugszeichen
10 BeleuchtungsVorrichtung
12 Inspektionsvorrichtung
14 Detektor
16 Reflektor
18 Objekt
20 Transportrichtung
Beleuchtungselemente mit folgenden Farben und Strahlungsmodi, wobei LI= lineares Leuchtsegment, GE= gekrümmtes Leuchtsegment ,
PK= punktförmiges Beleuchtungselement
21 LI, Rot, senkrecht, Hellfeld, Auflicht
22 LI, Blau, senkrecht, Dunkelfeld, Auflicht
23 LI, Grün, senkrecht, Dunkelfeld, Auflicht
24 LI, Pink, senkrecht, Dunkelfeld, Durchlicht
25 LI, Gelb, senkrecht, Hellfeld, Durchlicht
26 LI, Pink, senkrecht, Dunkelfeld, Durchlicht
27 LI, Grün, senkrecht, Dunkelfeld, Auflicht
28 LI, Blau, senkrecht, Dunkelfeld, Auflicht
29 GE, Gelb, parallel, Dunkelfeld, Durchlicht
30 GE, Blau, parallel, Dunkelfeld, Durchlicht
31 GE, Rot, parallel, Dunkelfeld, Durchlicht
32 PK, Gelb, senkrecht, Dunkelfeld, Durchlicht
33 PK, Rot, senkrecht, Dunkelfeld, Durchlicht
34 PK, Blau, senkrecht, Dunkelfeld, Durchlicht
35 PK, Grün, parallel, Dunkelfeld, Durchlicht
36 PK, Pink, parallel, Dunkelfeld, Durchlicht
37 PK, Orange, parallel, Dunkelfeld, Durchlicht 38 LI, Gelb, senkrecht, Hellfeld, Durchlicht
39 LI, Gelb, parallel, Hellfeld, Durchlicht
51 Steuersignale zum Detektor 52 Steuersignale zur Steuerungselektronik
53 Steuersignale zum Beleuchtungselement
56 Transport orrichtung
57 Steuerungselektronik
58 Framegrabber
61 Schaltung des Detektors
62 Schaltung eines Beleuchtungselementes
63 Bitmuster
70 Vollständige Darstellung des Objektes
71 Darstellung in Beleuchtungszustand 1
72 Darstellung in Beleuchtungszustand 2
73 Darstellung in Beleuchtungszustand 3
74 Darstellung in Beleuchtungszustand n
75 Superbild Nr. 1
76 Superbild Nr. m

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungsvorrichtung für die berührungslose optische Prüfung eines Objekts, umfassend zumindest einen Detektor mit zumindest einem abbildenden Element, eine computerunterstützte Steuerungselektronik sowie zumindest eine
Beleuchtungsvorrichtung, wobei die Beleuchtungsvorrichtung ein oder mehrere Beleuchtungselemente umfasst, welche
elektromagnetische Strahlung emittieren, sich das Objekt ganz oder teilweise im Strahlengang der BeleuchtungsVorrichtung befindet , der Detektor von dem Objekt gestreute und/oder transmittierte und/oder reflektierte und/oder durch Lumineszenz emittierte Strahlung durch Aufnahme eines Einzelbildes erfasst,
die Steuerungselektronik die
Beleuchtungsvorrichtung steuert, die Steuerungselektronik zeitgleich den Detektor steuert, und wobei ein Bild des Objektes oder eines Teilbereiches des Objektes durch Zusammenfügen von Einzelbildern bei unterschiedlicher Beleuchtung erzeugt werden kann. Beleuchtungsvorrichtung nach vorstehendem
Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der
Detektor als optischer Bildaufnehmer ausgebildet ist und einen oder mehrere angeordnete
Bildsensoren sowie ein oder mehrere abbildende Elemente umfasst, wobei der Bildsensor auf der Basis von CCD-, CMOS- oder Hybrid-Chiptechnologie ausgebildet sein kann zur Erfassung von
elektromagnetischer Strahlung.
Beleuchtungsvorrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik einen Framegrabber umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerungselektronik oder des Framegrabbers die Aufnahme einer Sequenz von Einzelbildern ausgelöst wird.
Beleuchtungsvorrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzelbild eine oder mehrere Zeilen umfasst, welche der Detektor von dem Objekt oder von einem Teilbereich des Objektes aufnimmt.
Beleuchtungsvorrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerungselektronik oder des Framegrabbers zu jedem Einzelbild der Aufnahmezeitpunkt und die Belichtungszeit des Detektors flexibel
eingestellt wird. Beleuchtungsvorrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerungselektronik und/oder des
Framegrabbers zeitgleich zu der Steuerung des Detektors zu jedem Einzelbild der Betriebszustand eines oder mehrere Beleuchtungselemente
hinsichtlich Startzeitpunkt und Leuchtdauer geschaltet werden kann,
Beleuchtungsvorrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerungselektronik und/oder des
Framegrabbers (Master) weitere Framegrabber
(Slaves) mit eigenen angeschlossenen Detektoren auf diese Sequenz synchronisiert werden.
Beleuchtungsvorrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik und/oder der Framegrabber die zu einer Sequenz gehörenden Einzelbilder nebeneinander zu einem Superbild zusammenfügt.
Beleuchtungs orrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik und/oder der Framegrabber die Superbilder nachfolgend untereinander zu einer vollständigen und nach Beleuchtungszustand sortierten Darstellung des Objektes bzw. eines Teilbereiches des Objektes zusammenfügt. Beleuchtungsvorrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, wobei die Richtung der emittierten Strahlung eines Beleuchtungselements bestimmt, ob das Objekt im Auflicht oder im Durchlicht
bestrahlt wird.
Beleuchtungsvorrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, wobei die Abstrahlcharakteristik des Beleuchtungselements bestimmt, ob das Objekt diffus oder direkt bzw. mit gerichteter Strahlung bestrahlt wird.
BeleuchtungsVorrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, wobei die Leuchtart des
Beleuchtungselements bestimmt, ob das Objekt im Hellfeld oder im Dunkelfeld bestrahlt wird.
Beleuchtungsvorrichtung nach vorstehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung Beleuchtungselemente umfasst, wobei die Wellenlänge und/oder die spektrale Breite und/oder die Richtung und/oder die Abstrahlcharakteristik und/oder die Leuchtart der emittierten elektromagnetischen Strahlung von zumindest zwei Beleuchtungselementen voneinander abweicht .
Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem der
vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass sich die Beleuchtungselemente durch die Farbe und/oder zwei, drei oder vier
Strahlungsmodi jeweils voneinander unterscheiden. Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem der
vorstehenden Ansprüche, wobei:
ein Beleuchtungselement einzeln schaltbar ist zum Aktivieren (Betriebszustand EIN) oder Deaktivieren (Betriebszustand AUS) des
Beleuchtungselements ;
ein Beleuchtungselernent einen Schaltzustand hat, der angibt, ob das Beleuchtungselement aktiv oder inaktiv ist;
mehrere Beleuchtungselemente zu einer
Elementgruppe zusammengefasst sein können; ein Beleuchtungselement ein Schaltmuster hat, das eine Folge von Schaltzuständen angibt, in welchen die Beleuchtungselemente der
Elementgruppe sind;
eine Elementgruppe einzeln schaltbar ist zum Aktivieren oder Deaktivieren der
Elementgruppe, vorzugsweise gemäß dem
Schaltmuster der Elementgruppe;
die Beleuchtungselemente zeitlich getaktet sind, periodisch, ein- und ausschaltbar;
eine Periode eine vorgegebene Taktzahl umfasst, wobei die während der Periode angenommenen Schaltzustände mit jeder Periode taktweise wiederholt werden;
für jeden Takt die Beleuchtungselemente eine Elementgruppe bilden, vorzugsweise gemäß dem zu diesem Takt gehörenden Schaltmuster;
die zu unterschiedlichen Takten einer Periode gehörenden Elementgruppen sich jeweils zueinander unterscheiden, vorzugsweise in einer Farbe und/oder mindestens einem
Strahlungsmodus .
Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem der
vorstehenden Ansprüche, umfassend: ein Beleuchtungstragwerk, das Steckplätze aufweist, die jeweils eine
VersorgungsSpannung und/oder Schaltsignale bereitstellen und an welche jeweils
Beleuchtungselemente und/oder Elementgruppen mittels Steckverbindungen montierbar sind zum Erstellen der Beleuchtungsvorrichtung, ein Beleuchtungstragwerk mit einer Matrix von Befestigungspunkten für die Aufnahme der Beleuchtungselemente, um beispielsweise
Glasfasern, Glasfaserbündel,
Glasfaserquerschnittswandler, einzelne LEDs, LED-Linienleuchten, LED-Flächenleuchen oder Laser befestigen zu können,
eine gemeinsame Verdrahtung mehrere
Beleuchtungselemente für eine gemeinsame Steuerung,
eine gemeinsame Steuerung mehrerer
Beleuchtungselemente und/oder Detektoren durch eine Schaltlogik und/oder weitere
Framegrabber,
einen Reflektor und/oder einen Streukörper, auf welchen das Licht der
Beleuchtungselemente ausgestrahlt wird, damit es von dem Reflektor auf das Objekt diffus oder gerichtet gestreut wird.
Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem der
vorstehenden Ansprüche, wobei
die Beleuchtungselemente in einer
Leuchtmatrix angeordnet sind, die eine ebene oder gekrümmte Leuchtfläche aufspannt;
die Leuchtfläche eine Teilfläche eines
Drehkörpers bildet, insbesondere einer Kugel oder eines Zylinders.
Inspektionsvorrichtung für die optische Prüfung eines Objekts, umfassend
eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welche
elektromagnetische Strahlung auf das Objekt ausstrahlt ,
einen Detektor, der von dem Objekt gestreute und/oder transmittierte und/oder reflektierte und/oder durch Lumineszenz erzeugte Strahlung erfasst und ein Bild erzeugt und
eine Steuerungselektronik und/oder einen Framegrabber zum Steuern und Kontrollieren der Beleuchtungsvorrichtung und des
Detektors .
Inspektionsvorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine mit der
Beleuchtungsvorrichtung und dem Detektor
gekoppelte Steuerungselektronik, welche dazu ausgebildet ist, pro Einzelbild
Ungleichmäßigkeiten in den Beleuchtungen zu erfassen und für jeden Pixel zu korrigieren, sowie eine automatische Helligkeitsanpassung der Gesamthelligkeit durch die Variation der
Aktivierungsdauer der Sensorbelichtung und/oder der Beleuchtung vorzunehmen.
Inspektionsvorrichtung gemäß einem der
vorstehenden zwei Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerungselektronik und/oder der Framegrabber dazu ausgebildet ist,
mittels der optischen Eigenschaften des
Objekts die Steuerparameter zum Steuern der Beleuchtungsvorrichtung zu ermitteln, und/oder
die Beleuchtungsvorrichtung mittels der
Steuerparameter zu steuern, und/oder
das Bild mittels eines
Mustererkennungssystems oder Klassifikators auszuwerten zum Erkennen eines Defekts an der Oberfläche des Objekts oder in dem
Obj ektvolumen .
Verwendung einer Inspektionsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zum Aussortieren von Flach- oder Rohrglas, das Defekte, insbesondere Blasen, Knoten, Schlieren, Steine, oder Kratzer, aufweist, oder von Stahlbauteilen, die Defekte, insbesondere Riefen, Lunker, Rattermarken, aufweisen, oder von Folien, die Defekte, insbesondere Blasen, Verschmutzungen, Löcher, aufweisen, oder von Fasern aus Glas oder Kunststoff, welche Defekte, insbesondere Blasen, Verschmutzungen oder inhomogene Materialzusammensetzungen aufweisen, oder
von Silizium-Wafern oder -Bauteilen, welche Risse im Volumen, Materialverunreinigungen oder Riefen auf der Oberfläche aufweisen.
Inspektionsverfahren zum optischen Prüfen eines Objekts mittels
einer Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren Beleuchtungselementen, die elektromagnetische Strahlung auf das Objekt ausstrahlt, und zumindest eines Detektors, auf welchen vom Objekt gestreute und/oder transmittierte und/oder reflektierte und/oder durch
Lumineszenz erzeugte Strahlung gerichtet wird zum zumindest teilweise Erfassen des Objekts und zum Erzeugen eines Bildes, wobei
die Funktion eines Beleuchtungselements durch eine Farbe und mehrere Strahlungsmodi
charakterisiert ist,
mit folgenden Schritten:
a) Festlegen der Farben und Strahlungsmodi der Beleuchtungselemente, vorzugsweise durch eine Bedienperson oder durch eine Steuerungselektronik, derart, dass
zumindest zwei Beleuchtungselemente sich durch die Farbe und mindestens einen Strahlungsmodus jeweils voneinander 5 unterscheiden;
b) Steuern des Detektors durch die
Steuerungselektronik und/oder den
Framegrabber,
c) Steuern der Beleuchtungsvorrichtung bzw. 10 der Beleuchtungselemente durch die
Steuerungselektronik und/oder den
Framegrabber,
d) Anordnen oder Bewegen des Objektes bw. eines Anteils des Objektes in den
15 Strahlengang oder einen Anteil des
Strahlengangs von einem oder mehreren Beleuchtungselementen,
e) Ausleuchten von zumindest einem Teil des Obj ekts durch die Beleuchtungsvorrichtung
20 auf Basis der Steuerparameter;
f) Erfassen der von dem Objekt gestreuten und/oder transmittierten und/oder
reflektierten und/oder durch Lumineszenz erzeugte Strahlung durch den Detektor;
25 g) übermitteln der aufgenommenen
Einzelbilder als digitales
Einzelbildsignal an die
Steuerungselektronik und/oder den
Framegrabber und
30 h) Zusammenfügen der Einzelbildsignale zu einem Superbild des Objektes. Inspektionsverfahren gemäß dem vorstehenden
Anspruch, wobei
eine Mehrzahl von Beleuchtungselementen zu einer Elementgruppe zusammengefasst wird, wobei die Beleuchtungsvorrichtung eine
Mehrzahl von Elementgruppen umfasst;
jeweils ein Beleuchtungselement oder eine Elementgruppe wird einzeln geschaltet zum Aktivieren oder Deaktivieren des
Beleuchtungselements oder der Elementgruppe ; die Beleuchtungselemente und/oder
Elementgruppen werden jeweils einzeln oder gruppenweise, gleichzeitig oder
hintereinander, periodisch wiederkehrend in einem vorgegebenen Takt, geschaltet;
das Bild wird durch ein
Mustererkennungssystem oder Klassifikator analysiert und ausgewertet zum Erkennen eines Defekts an der Oberfläche des Objekts oder in dem Obj ekt .
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