WO2023139080A1 - Vorrichtung zur untersuchung eines transparenten werkstückes - Google Patents

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WO2023139080A1
WO2023139080A1 PCT/EP2023/051046 EP2023051046W WO2023139080A1 WO 2023139080 A1 WO2023139080 A1 WO 2023139080A1 EP 2023051046 W EP2023051046 W EP 2023051046W WO 2023139080 A1 WO2023139080 A1 WO 2023139080A1
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WO
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test pattern
information data
intensity information
transparent workpiece
camera
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PCT/EP2023/051046
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English (en)
French (fr)
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Holger Wild
Wolfgang Hauck
Martin DUMM
Lukas GROMANN
Monika Fuess
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Rodenstock Gmbh
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Publication date
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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
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/958—Inspecting transparent materials or objects, e.g. windscreens
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01M11/02—Testing optical properties
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    • G01M11/0257—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by analyzing the image formed by the object to be tested
    • G01M11/0264—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by analyzing the image formed by the object to be tested by using targets or reference patterns
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/958—Inspecting transparent materials or objects, e.g. windscreens
    • G01N2021/9583—Lenses

Definitions

  • the invention relates to a device for examining a transparent workpiece for particles or defects on the surface of the transparent workpiece, in the substrate of the transparent workpiece, or if present in a lacquer layer of the transparent workpiece or if present in a coating of the transparent workpiece, and the use of such a device as a telecentric measuring system in transmission for particle observation on optically transparent materials.
  • optical glasses in particular spectacle lenses, as examples of transparent workpieces.
  • FIG. 1 A structure as in FIG. 1 is typically used for this purpose, in which a so-called star lamp LS is placed in front of a black matt background BG at a distance dis (eg dis ⁇ 30 cm).
  • the star lamp LS generally provides a luminous flux of 400 lm and more.
  • An opaque luminous surface LF and a screen C are arranged in front of the light source LS in the direction of the viewer H, which abut one another on the optical connection axis from the viewer H to the light source LS, resulting in a (straight) edge.
  • the workpiece B to be measured is located in the control distance dc, which is arranged there in such a way that it can be displaced, twisted and tilted as desired.
  • the observer H is then at the clear vision distance ie behind the workpiece B. By turning, tilting, shifting, it is then possible to detect defects at various locations on the workpiece B up to a certain size using the light-dark edge. If an error, eg a particle, is found, then a corresponding error code is assigned by the observer H without further information on the location, size, number of errors. That is, the test procedure is highly subjective and depends not only on the experience of the respective observer H, but also on his current form on the day.
  • One aspect relates to a device for examining a transparent workpiece, in particular a spectacle lens or semi-finished spectacle lens, for particles or defects, in particular on or on the surface of the transparent workpiece and/or in or on the substrate of the transparent workpiece and/or (if present) in or on a lacquer layer of the transparent workpiece and/or (if present) in or on a coating of the transparent workpiece.
  • the device has a test pattern generation device, wherein the test pattern generation device is preferably set up to generate test patterns from an area of at least the size of a region of the transparent workpiece to be examined in front of the transparent workpiece to be examined, the area of the test pattern being in particular at least 30 mm in the may have diagonal.
  • the device has an imaging system or lens and a digital camera, wherein the test pattern generation device is arranged in such a way that during operation it irradiates a transparent workpiece to be examined with a test pattern from a first side, the imaging system being arranged in such a way that the light of the respective test pattern passing through the transparent workpiece to be examined is fed or projected onto the camera by means of the imaging system, with at least three test patterns being able to be generated by means of the test pattern generation device, in particular under the control of or by a control device (CPU), with each of this test pattern can be or can be detected by the camera as intensity information data at the pixel level, with the intensity information data received from the camera for each of the test patterns at the pixel level being able or being processable by means of an evaluation device, with conclusions about particles and/or defects of a size of 3 mm or less being made possible or being drawn from the processed intensity information data at the pixel level.
  • the test pattern generation device is arranged in such a way that during operation it irradi
  • the test pattern generation device is set up to generate test patterns from an area of at least the size of a region of the transparent workpiece to be examined in front of the transparent workpiece to be examined.
  • the area to be examined can include an area or surface of the workpiece in whole or in part, with the area of the test pattern being larger than or equal to the workpiece or smaller than the workpiece.
  • the test pattern can have a diagonal of greater than or equal to 30 mm.
  • test patterns can be provided which are in the range of the particles to be detected, which are, for example, larger than 5 mm, larger than 10 mm or larger than 20 mm.
  • the imaging system and a digital camera are designed so that the test pattern can be captured by the camera.
  • a suitable resolution of more than 6 megapixels more than 18 megapixels, preferably more than 25 megapixels, but in particular 29 megapixels and more can be provided.
  • a resolution of 18 megapixels can be sufficient for smaller areas of a workpiece B to be examined (eg a spectacle lens) or smaller workpieces B overall. In general, one can say that the resolution also depends on the distance and the size of the defects to be resolved.
  • the test pattern generating device irradiates a transparent workpiece to be examined from a first side with a test pattern.
  • the imaging system is arranged in such a way that the light of the respective test pattern passing through the transparent workpiece to be examined falls onto the camera or its sensor by means of the imaging system.
  • the evaluation device which is part of the control device CPU and can in particular be communicatively connected to the camera, processes intensity information data obtained for each of the test patterns at the pixel level. This allows conclusions to be drawn about particles and/or defects of a size of less than or equal to 3 mm, in particular also 15 ⁇ m or less, but in particular 150 ⁇ m to 20 ⁇ m, from the processed intensity information data at pixel level.
  • test patterns are essentially the same. More preferably, the test patterns are essentially in the form of a sinusoidal wave or stripe pattern, with at least 3 test patterns being phase-shifted with respect to one another.
  • the processed intensity information data are preferably presented on a display device.
  • the test pattern generation device is preferably a monitor or a display or a display. More preferably, the test pattern generation device can display or generate a pattern with a size of 320 ⁇ 240, 640 ⁇ 480, 1080 ⁇ 960 or more pixels.
  • the test pattern generation device can be designed to generate a colored or monochrome test pattern. More preferably, the test pattern generation device is designed in such a way that the pattern generated has a spatial resolution of at least 60 or 80 DPI.
  • the monitor or the display preferably has an area of at least the size of a transparent workpiece to be examined. Alternatively, the area of the display can be smaller than the workpiece, but in particular independently of this can have a diagonal of at least 30 mm.
  • the test pattern generation device is preferably a monitor or a display which is positioned at the edge or outside the working distance of the imaging system, so that the image pixels of the monitor are only imaged out of focus by the camera and are therefore also out of focus in the intensity information data.
  • the imaging system is telecentric. More preferably, the imaging system is telecentric in the direction of the workpiece and/or in the direction of the camera.
  • conclusions about particles or defects of a size of 15 ⁇ m or less are made possible from the processed intensity information data at the pixel level.
  • the transparent work piece is preferably a spectacle lens or a spectacle lens semi-finished product. It goes without saying that the transparent workpiece can also be a contact lens, an optical lens or the like.
  • One aspect relates to the use of a device according to the invention as a measuring system, in particular a telecentric one, in particular in transmission, for the purpose of particle detection on optically transparent materials.
  • the use preferably relates to particle detection on or in a spectacle lens or on or in a spectacle lens semi-finished product or on or in a casting mold or on or in a flat glass.
  • Fig. 1 shows schematically a device as used in the prior art
  • the number of particles should be documented as well as the size distribution and the distribution on the glass.
  • the particles should be recognized independently of their effect. Particles larger than 15 pm must be recognized in transmitted light.
  • FIG. 2 shows embodiments of the device 1 according to the invention for examining a transparent workpiece B for particles or defects on the surface of the transparent workpiece, in the substrate of the transparent workpiece, or if present in a lacquer layer of the transparent workpiece or if present on a coating of the transparent workpiece.
  • the device 1 has a test pattern generation device TE, the test pattern generation device T) being set up to generate test patterns from an area of at least the size of an area to be examined of the transparent workpiece B in front of the transparent workpiece to be examined, with the area of the test pattern being at least 30 mm diagonally.
  • the size of the test pattern can be limited to approximately the size of the workpiece B to be examined.
  • the size of the test pattern is essentially limited downwards by the need to provide a reasonable area to be examined.
  • the device 1 has an imaging system 0 and a digital camera K.
  • the technical parameters of the camera K can be suitably chosen.
  • a camera K can provide a resolution of 18 megapixels and more, in particular 25 megapixels, but in particular 29 megapixels and more.
  • a resolution of 18 megapixels can be sufficient for smaller ones areas of a workpiece B to be examined (for example a spectacle lens) or workpieces B that are smaller overall.
  • the resolution also depends on the distance and the defects to be resolved.
  • the test pattern generation device TE is arranged in such a way that, during operation, it irradiates a transparent workpiece to be examined with a test pattern from a first side.
  • the imaging system is arranged in such a way that the light of the respective test pattern passing through the transparent workpiece to be examined is fed to the camera by means of the imaging system.
  • At least three test patterns can then be generated by the test pattern generation device TE under the control of a control device CPU, it being possible for each of these test patterns to be recorded by the camera K as intensity information data at the pixel level.
  • the intensity information data received from the camera K for each of the test patterns can be processed at the pixel level, with the processed intensity information data at the pixel level being able to be used to draw conclusions about particles or defects with a size of 3 mm or less, in particular also 15 ⁇ m or less, but in particular 150 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • a plurality of test patterns are phase-shifted and recorded in different alignments in transmission by means of a camera system K and corresponding illumination.
  • the workpiece B for example a spectacle lens, is typically within the depth of field of the imaging system O (objective).
  • the light beams are deflected and/or absorbed by particles/defects in the glass. From the pixel data that can be calculated from this (from recordings of the different test patterns), defects can be recognized as contrast differences and can be automatically detected using image recognition algorithms.
  • Typical Processing methods can be found, for example, in the article "Phase shifting algorithms for fringe projection profilometry: A review" by authors C. Zuo, L. Huang, published in Optics and Lasers in Engineering, Volume 109, October 2018, Pages 23-59
  • test patterns are essentially similar.
  • Four stripe patterns are shown in FIG. 2 as an example.
  • other test patterns can also be used.
  • the test patterns are essentially in the form of a sinusoidal wave or stripe pattern, with at least 3 test patterns being phase-shifted with respect to one another.
  • the test patterns can each be phase-shifted by 90° with respect to one another.
  • the test patterns are phase-shifted in relation to one another by a different amount. It is then preferred that the test patterns cover the phase space (as uniformly as possible).
  • the configuration with three phase-shifted test patterns proves to be mathematically advantageous since it enables a particularly simple calculation.
  • the processed intensity information data is displayed on a display device M, e.g.
  • particles or defects are detected in the processed intensity information data by means of automatic or semi-automatic image processing.
  • the test pattern generation device TE is a monitor.
  • the monitor can be a suitable computer display, for example.
  • the test pattern generation device TE is a monitor, the monitor having a resolution of at least 80 DPI (dots per inch), e.g. 100 DPI or more, and the monitor having an area of at least the size of a transparent workpiece to be examined, but at least 30 mm diagonally.
  • the test pattern generation device TE is a monitor which is positioned at the edge or outside the working distance of the imaging system, so that the image pixels of the monitor are only imaged out of focus by the camera K and are therefore also out of focus in the intensity information data.
  • the occurrence of artefacts can be prevented by the unsharpness.
  • Such a blur is advantageous in order to keep artefacts in the pixel data small.
  • the imaging system is telecentric.
  • Telecentric imaging systems O have the advantage that the dimensions become measurable and the image scales.
  • conclusions about particles or defects of a size of up to 15 ⁇ m or less are made possible from the processed intensity information data at the pixel level.
  • the transparent workpiece B is a spectacle lens.
  • the device according to the invention can be used as a telecentric measuring system in transmission for particle observation on optically transparent materials.
  • the device according to the invention for particle observation can be used on a spectacle lens or also on semi-finished products and casting molds.
  • the device according to the invention for particle observation can be used on a flat glass.
  • the workpiece B to be examined has an optical effect or has a light-absorbing coloring, it may be useful to adjust the exposure times or brightness intensities of the test pattern or the pattern sizes (test patterns).
  • the device 1 it is possible, for example, to detect particles from a size of 15 ⁇ m over the entire surface of a spectacle lens with a diameter of up to 80 mm.
  • a high-resolution camera (with 29 megapixels or more) can be used in combination with the phase shift method in transmission. This means that the method can also be used for smaller particles.
  • the outer contour of the workpiece B can be (automatically) detected in an (optional) first step.
  • images of the various test patterns are now taken through the workpiece B by means of the camera K on the test pattern generating device TE.
  • the evaluation device can then process intensity information on a pixel basis.
  • the detected errors can not only be visualized on a display device M, but also the coordinates and properties of the detected defects, such as size, shape, number... can be stored in a database DB for further post-processing, error documentation.
  • particles and/or defects can be detected using dynamic threshold methods.
  • the workpiece could still be processed, while it might have been sorted out as scrap beforehand. This increases the yield and the production costs can be reduced.
  • the invention thus allows automatic and objective detection of particles or defects in or on transparent materials, particularly in transmission.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung eines transparenten Werkstückes mit einer Testmustererzeugungseinrichtung, einem Abbildungssystem, einer Kamera, wobei die Testmustererzeugungseinrichtung so angeordnet ist, dass im Betrieb ein zu untersuchendes transparentes Werkstück von einer ersten Seite mit einem Testmuster bestrahlt werden kann, wobei das Abbildungssystem so angeordnet ist, dass das durch das zu untersuchende transparente Werkstück tretende Licht des jeweiligen Testmusters mittels des Abbildungssystems auf die Kamera zugeführt wird, wobei unter Steuerung einer Steuereinrichtung zumindest drei Testmuster mittels der Testmustererzeugungseinrichtung erzeugt werden können, wobei jedes dieser Testmuster mittels der Kamera als Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene erfasst werden kann, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung die von der Kamera für jedes der Testmuster erhaltenen Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene verarbeitet werden können, wobei aus den verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene Rückschlüsse auf Partikel oder Defekte ermöglicht werden.

Description

Vorrichtung zur Untersuchung eines transparenten Werkstückes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung eines transparenten Werkstückes auf Partikel oder Defekte an der Oberfläche des transparenten Werkstücks, im Substrat des transparenten Werkstücks, oder soweit vorhanden in einer Lackschicht des transparenten Werkstücks oder soweit vorhanden in einer Beschichtung des transparenten Werkstücks, sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung als telezentrisches Messystem in Transmission zur Partikelbeobachtung auf optisch transparenten Materialien.
Hintergrund
Nachfolgend wird anhand von optischen Gläsern, insbesondere Brillengläsern, als Beispiele von transparenten Werkstücken ein Problem mit der optischen Kontrolle beschrieben werden.
So ist es bekannt, dass bei der Herstellung von Brillengläsern, sowohl Werkstofffehler, d.h. Fehler im Substrat, als auch Fehler in Beschichtungen (Lackschichten, Antireflexbeschichtungen, etc.) oder auf der Oberfläche auftreten.
Bisher wird hier eine visuelle Kontrolle durch einen geschulten Beobachter H wie in Figur 1 skizziert durchgeführt. Dabei wird ein (gereinigtes) Werkstück an einer Hell- Dunkel-Kante in Auflicht begutachtet. Hierzu wird typischerweise ein Aufbau wie in Figur 1 verwendet, bei dem eine sogenannte Sternleuchte LS vor einem schwarzen matten Hintergrund BG in einem Abstand dis (z.B. dis ~ 30 cm) platziert wird. Die Sternleuchte LS stellt in aller Regel einen n Lichtstrom von 400 Im und mehr zur Verfügung. Vor der Lichtquelle LS ist in Richtung des Betrachters H ein opake Leuchtfläche LF und eine Blende C angeordnet, die an der optischen Verbindungsachse vom Betrachter H zur Lichtquelle LS aneinanderstoßen, sodass sich eine (gerade) Kante ergibt. Im Kontrollabstand dc befindet sich das zu vermessende Werkstück B, welches dort beliebig verschieb-, verdreh- und verkippbar angeordnet ist. Der Beobachter H befindet sich dann im Abstand für scharfes Sehen dH hinter dem Werkstück B. Durch Drehen, Kippen, Verschieben ist es dann möglich mittels der Hell-Dunkel-Kante Fehler an verschiedenen Orten auf dem Werkstück B bis zu einer gewissen Größe zu erkennen. Wird ein Fehler, z.B. Partikel, festgestellt, so wird dann ein entsprechender Fehlercode durch den Beobachter H ohne weitere Angabe von Ort, Größe, Fehlerzahl vergeben. D.h., das Prüfverfahren ist höchst subjektiv und hängt nicht nur von der Erfahrung des jeweiligen Betrachters H, sondern auch von dessen aktueller Tagesform ab.
Es ist zwar bekannt, dass in anderen Industriezweigen Oberflächen optisch begutachtet werden, jedoch sind diese reflektiven Verfahren nicht für optisch transparente Materialien, insbesondere solche mit gebogenen Oberflächen, geeignet. Zudem sind die Fehlergrößen, die in anderen Industriezweigen, wie z.B. der Belackung von Fahrzeugteilen auftreten, deutlich größer als jene, die für optische Werkstücke noch von Relevanz sind.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Objektivierung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Aspekt betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung eines transparenten Werkstückes, insbesondere eines Brillenglases oder Brillenglashalbzeugs, auf Partikel oder Defekte, insbesondere an bzw. auf der Oberfläche des transparenten Werkstücks und/oder in bzw. auf dem Substrat des transparenten Werkstücks und/oder (soweit vorhanden) in bzw. auf einer Lackschicht des transparenten Werkstücks und/oder (soweit vorhanden) in bzw. auf einer Beschichtung des transparenten Werkstücks. Die Vorrichtung weist eine Testmustererzeugungseinrichtung auf, wobei die Testmustererzeugungseinrichtung bevorzugt dazu eingerichtet ist, Testmuster von einer Fläche von zumindest der Größe eines zu untersuchenden Bereiches des transparenten Werkstücks vor dem zu untersuchenden transparenten Werkstück zu erzeugen, wobei die Fläche des Testmusters insbesondere mindestens 30 mm in der Diagonale aufweisen kann. Weiterhin weist die Vorrichtung ein Abbildungssystem bzw. Objektiv und eine digitale Kamera auf, wobei die Testmustererzeugungseinrichtung so angeordnet ist, dass sie im Betrieb ein zu untersuchendes transparentes Werkstück von einer ersten Seite mit einem Testmuster bestrahlt, wobei das Abbildungssystem so angeordnet ist, dass das durch das zu untersuchende transparente Werkstück tretende Licht des jeweiligen Testmusters mittels des Abbildungssystems auf die Kamera zugeführt bzw. projiziert wird, wobei insbesondere unter Steuerung einer bzw. durch eine Steuereinrichtung (CPU) zumindest drei Testmuster mittels der Testmustererzeugungseinrichtung erzeugt werden können, wobei jedes dieser Testmuster mittels der Kamera als Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene erfasst werden kann bzw. erfassbar ist, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung die von der Kamera für jedes der Testmuster erhaltenen Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene verarbeitet werden können bzw verarbeitbar sind, wobei aus den verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene Rückschlüsse auf Partikel und/oder Defekte von einer Größe von 3mm oder weniger ermöglicht werden bzw. ziehbar sind.
Vorteilhafterweise ist es mittels der Vorrichtung möglich eine objektivierte Untersuchung durchzuführen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet.
Die Testmustererzeugungseinrichtung ist eingerichtet, Testmuster von einer Fläche von zumindest der Größe eines zu untersuchenden Bereiches des transparenten Werkstücks vor dem zu untersuchenden transparenten Werkstück zu erzeugen. Der zu untersuchende Bereich kann dabei eine Fläche bzw. Oberfläche des Werkstücks vollständig oder bereichsweise umfassen, wobei die Fläche des Testmusters größer oder gleichgroß zum Werkstück oder kleiner als das Werkstück sein kann, insbesondere kann das Testmuster eine Diagonale von größer oder gleich 30 mm aufweisen. Es können aber Testmuster vorgesehen sein, welche von der Ausdehnung im Bereich der zu detektierenden Partikel liegt, welche beispielsweise größer als 5 mm, größer als 10 mm oder größer als 20 mm sind.
Das Abbildungssystem und eine digitale Kamera sind ausgelegt, so dass das Testmuster durch die Kamera erfasst werden kann. Um die Auswertung zu ermöglichen, kann eine geeignete Auflösung von mehr als 6 Megapixel, von mehr als 18 Megapixel, bevorzugt mehr als 25 Megapixel, insbesondere aber 29 Megapixel und mehr bereitgestellt werden. Dabei kann eine Auflösung von 18 Megapixel ausreichend für kleinere zu untersuchende Gebiete eines Werkstückes B (z.B. eines Brillenglases) oder insgesamt kleinere Werkstücke B sein. Allgemein kann man sagen, dass die Auflösung auch abhängig vom Abstand und der Größe der aufzulösenden Fehlstellen ist.
Die Testmustererzeugungseinrichtung bestrahlt im Betrieb ein zu untersuchendes transparentes Werkstück von einer ersten Seite mit einem Testmuster. Das Abbildungssystem ist so angeordnet, dass das durch das zu untersuchende transparente Werkstück tretende Licht des jeweiligen Testmusters mittels des Abbildungssystems auf die Kamera bzw. deren Sensor fällt. Diese erfasst die zumindest drei Testmuster, die mittels der Testmustererzeugungseinrichtung erzeugt werden, wobei jedes dieser Testmuster mittels der Kamera als Intensitätsinformationsdaten erfasst werden kann. Die Auswerteeinrichtung, die Teil der Steuereinrichtung CPU und insbesondere kommunikativ mit der Kamera verbunden sein kann, verarbeitet für jedes der Testmuster erhaltene Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene. Dadurch kann aus den verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene Rückschlüsse auf Partikel und/oder Defekte von einer Größe von kleiner oder gleich 3 mm, insbesondere auch 15 pm oder weniger, insbesondere aber 150 pm bis 20 pm ermöglicht werden.
Vorzugsweise sind die Testmuster im Wesentlichen gleichartig. Weiter vorzugsweise sind die Testmuster im Wesentlichen als sinusförmiges Wellen- oder Streifenmuster ausgebildet, wobei mindestens 3 Testmuster zueinander phasenverschoben sind.
Vorzugsweise werden die verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten auf einer Anzeigeeinrichtung dargestellt.
Vorzugsweise werden mittels automatischer oder halb-automatischer Bildverarbeitung in den verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten Partikel oder Defekte erkannt. Vorzugsweise ist die Testmustererzeugungseinrichtung ein Monitor bzw. ein Display bzw. eine Anzeige. Weiter vorzugsweise kann die Testmusterzeugungseinrichtung ein Muster mit einer Größe von 320 x 240, von 640 x 480, von 1080 x 960 oder mehr Bildpunkte darstellen bzw. erzeugen. Die Testmustererzeugungseinrichtung kann ausgelegt sein, ein farbiges oder monochromes Testmuster zu erzeugen. Weiter vorzugsweise ist die Testmustererzeugungseinrichtung derart ausgelegt, dass das erzeugte Muster eine räumliche Auflösung von mindestens 60 oder 80 DPI aufweist. Bevorzugt weist der Monitor bzw. die Anzeige eine Fläche von zumindest der Größe eines zu untersuchenden transparenten Werkstücks auf. Alternativ kann die Fläche der Anzeige kleiner als das Werkstück sein, insbesondere jedoch unabhängig davon mindestens 30 mm in der Diagonale aufweisen.
Vorzugsweise ist die Testmustererzeugungseinrichtung ein Monitor bzw, eine Anzeige, welche(r) am Rand oder außerhalb des Arbeitsabstandes des Abbildungssystems positioniert ist, so dass die Bildpixel des Monitors von der Kamera nur unscharf abgebildet werden und damit in den Intensitätsinformationsdaten ebenfalls unscharf sind.
Vorzugsweise ist das Abbildungssystem telezentrisch. Weiter bevorzugt ist das Abbildungssystem in Richtung des Werkstücks und/oder in Richtung der Kamera telezentrisch.
Vorzugsweise werden aus den verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene Rückschlüsse auf Partikel oder Defekte von einer Größe von 15 pm oder weniger ermöglicht.
Vorzugsweise ist das transparente Werkstück ein Brillenglas oder ein Brillenglashalbzeug. Es versteht sich, dass das transparente Werkstück auch eine Kontaktlinse, eine optische Linse oder ähnliches sein kann.
Ein Aspekt betrifft die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als, insbesondere telezentrisches, Messystem, insbesondere in Transmission zum Zwecke der Partikelerkennung auf optisch transparenten Materialien. Vorzugsweise betrifft die Verwendung die Partikelerkennung auf bzw. in einem Brillenglas oder auf bzw. in einem Brillenglashalbzeug oder auf bzw. in einer Gießform oder auf bzw. in einem Flachglas.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind im Folgenden mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Darin zeigt:
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung, wie sie im Stand der Technik verwendet wurde, und
Fig.2 schematische Ausführungsformen der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung beschreibt bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen gleiche Referenzzeichen die gleichen oder ähnliche Elemente repräsentieren.
Bezugnahmen in dieser Spezifikation auf "eine Ausführungsform" oder in ähnlicher Sprache bedeuten, dass ein/e bestimmte/s Merkmal, Struktur oder Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Somit kann sich die Formulierung "in einer Ausführungsform" und ähnliche Sprache in dieser Spezifikation stets auf die gleiche Ausführungsform beziehen, muss dies aber nicht.
Die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Charakteristika der Erfindung können auf jedwede geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. In der Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten angeführt, um ein genaues Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Das heißt, sofern nur als Alternative angegeben, kann ein Merkmal einer Ausführungsform auch in einer anderen Ausführungsform verwendet werden.
Auch wenn in manchen Fällen bestimmte Merkmale in Bezug auf eine einzelne Entität beschrieben werden, dient solch eine Beschreibung darüber hinaus nur zu veranschaulichenden Zwecken und tatsächliche Implementierungen der Erfindung können auch eine oder mehrere dieser Entitäten umfassen. Das heißt, Verwendung des Singulars schließt auch plurale Entitäten mit ein, sofern nicht anders angegeben.
Bei der Beschichtung von Brillengläsern treten häufig Partikel auf, die visuell erkannt werden müssen. Die Anzahl der Partikel soll dokumentiert werden sowie die Größenverteilung und die Verteilung auf dem Glas. Die Partikel sollen wirkungsunabhängig erkannt werden. Partikel ab einer Größe von 15pm müssen im Durchlicht erkannt werden.
In Figur 2 sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Untersuchung eines transparenten Werkstückes B auf Partikel oder Defekte an der Oberfläche des transparenten Werkstücks, im Substrat des transparenten Werkstücks, oder soweit vorhanden in einer Lackschicht des transparenten Werkstücks oder soweit vorhanden auf einer Beschichtung des transparenten Werkstücks gezeigt.
Die Vorrichtung 1 weist eine Testmustererzeugungseinrichtung TE auf, wobei die Testmustererzeugungseinrichtung T) eingerichtet ist, Testmuster von einer Fläche von zumindest der Größe eines zu untersuchenden Bereiches des transparenten Werkstücks B vor dem zu untersuchenden transparenten Werkstück zu erzeugen, wobei die Fläche des Testmusters mindestens jedoch 30 mm in der Diagonale aufweist. Die Größe des Testmusters ist nach oben hin nicht beschränkt, sondern es kann aus praktischen Erwägungen die Größe der Fläche auf in etwa die Größe des zu untersuchenden Werkstückes B beschränkt sein. Die Größe des Testmusters ist nach unten im Wesentlichen dadurch beschränkt, dass ein vernünftiges zu untersuchendes Gebiet bereitgestellt werden muss.
Weiterhin weist die Vorrichtung 1 ein Abbildungssystem 0 und eine digitale Kamera K auf. Die technischen Parameter der Kamera K können geeignet gewählt werden. Beispielhaft kann eine Kamera K eine Auflösung von 18 Megapixel und mehr, insbesondere 25 Megapixel, insbesondere aber 29 Megapixel und mehr bereitstellen. Dabei kann eine Auflösung von 18 Megapixel ausreichend für kleinere zu untersuchende Gebiete eines Werkstückes B (z.B. eines Brillenglases) oder insgesamt kleinere Werkstücke B sein. Allgemein kann man sagen, dass die Auflösung auch abhängig vom Abstand und der aufzulösenden Fehlstellen ist.
Die Testmustererzeugungseinrichtung TE ist dabei so angeordnet, dass sie im Betrieb ein zu untersuchendes transparentes Werkstück von einer ersten Seite mit einem Testmuster bestrahlt.
Das Abbildungssystem wiederum ist so angeordnet, dass das durch das zu untersuchende transparente Werkstück tretende Licht des jeweiligen Testmusters mittels des Abbildungssystems auf die Kamera zugeführt wird.
Unter Steuerung einer Steuereinrichtung CPU können dann zumindest drei Testmuster mittels der Testmustererzeugungseinrichtung TE erzeugt werden, wobei jedes dieser Testmuster mittels der Kamera K als Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene erfasst werden kann.
Mittels einer Auswerteeinrichtung, die Teil der Steuereinrichtung CPU sein kann, können die von der Kamera K für jedes der Testmuster erhaltenen Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene verarbeitet werden, wobei aus den verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene Rückschlüsse auf Partikel oder Defekte von einer Größe von 3 mm oder weniger, insbesondere auch 15 pm oder weniger, insbesondere aber 150 pm bis 20 pm ermöglicht werden.
D.h. in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 werden mehrere Testmuster, bevorzugt mit sinusförmigem Streifenmuster phasenverschoben und in unterschiedlicher Ausrichtung in Transmission mittels eines Kamerasystems K und entsprechender Beleuchtung aufgenommen. Das Werkstück B, z.B. ein Brillenglas liegt dabei typischerweise innerhalb der Schärfentiefe des Abbildungssystems O (Objektiv). Durch Partikel/Defekte im Glas werden die Lichtstrahlen abgelenkt und/oder absorbiert. Aus den daraus errechenbaren Pixeldaten (aus Aufnahmen der unterschiedlichen Testmuster) werden Defekte als Kontrastunterschied erkennbar und können per Bilderkennungsalgorithmen automatisch detektiert werden. Typische Verarbeitungsverfahren können z.B. aus dem Artikel „Phase shifting algorithms for fringe projection profilometry: A review“ der Autoren C. Zuo, L. Huang, veröffentlicht in Optics and Lasers in Engineering, Volume 109, October 2018, Pages 23-59 entnommen werden
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Testmuster im Wesentlichen gleichartig. Beispielhaft sind in Figur 2 vier Streifenmuster gezeigt. Offensichtlich können auch andere Testmuster verwendet werden. Zudem kann es vorteilhaft sein, mehrere Zyklen mit unterschiedlichen Testmustern zu verwenden, z.B. drei oder mehr horizontal leicht verschiedene Streifenmuster und drei oder mehr vertikal leicht verschiedene Streifenmuster.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Testmuster im Wesentlichen als sinusförmiges Wellen- oder Streifenmuster ausgebildet, wobei mindestens 3 Testmuster zueinander phasenverschoben sind. Beispielsweise können die Testmuster um jeweils 90° zueinander phasenverschoben sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Testmuster um einen anderen Betrag jeweils zueinander phasenverschoben sind. Bevorzugt ist dann, dass die Testmuster den Phasenraum (möglichst gleichförmig) überdecken. Die Ausgestaltung mit drei phasenverschobenen Testmustern erweist sich als mathematisch vorteilhaft, da eine besonders einfache Berechnung damit ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten auf einer Anzeigeeinrichtung M, z.B. einem Monitor, dargestellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mittels automatischer oder halb-automatischer Bildverarbeitung in den verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten Partikel oder Defekte erkannt.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Testmustererzeugungseinrichtung TE ein Monitor. Der Monitor kann z.B. ein geeignetes Computerdisplay sein. Insbesondere ist die Testmustererzeugungseinrichtung TE ein Monitor, wobei der Monitor eine Auflösung von mindestens 80 DPI (dots per inch), z.B. 100 DPI oder mehr, aufweist und wobei der Monitor eine Fläche von zumindest der Größe eines zu untersuchenden transparenten Werkstücks aufweist, mindestens jedoch 30 mm in der Diagonale aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Testmustererzeugungseinrichtung TE ein Monitor, welcher am Rand oder außerhalb des Arbeitsabstandes des Abbildungssystems positioniert ist, so dass die Bildpixel des Monitors von der Kamera K nur unscharf abgebildet werden und damit in den Intensitätsinformationsdaten ebenfalls unscharf sind. Vorteilhafterweise kann durch die Unschärfe dem Auftreten von Artefakten vorgebeugt werden.
Eine solche Unschärfe ist vorteilhaft, um Artefakte in den Pixeldaten klein zu halten.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Abbildungssystem telezentrisch. Telezentrische Abbildungssysteme O haben den Vorteil, dass die Dimensionen messbar werden und das Bild skaliert.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden aus den verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene Rückschlüsse auf Partikel oder Defekte von einer Größe von bis zu 15 pm oder weniger ermöglicht.
Insbesondere kann in Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass das transparente Werkstück B ein Brillenglas ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als telezentrisches Messystem in Transmission zur Partikelbeobachtung auf optisch transparenten Materialien verwendet werden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Partikelbeobachtung auf einem Brillenglas oder auch an Halbfertigprodukten sowie Gießformen verwendet werden.
Ebenso kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Partikelbeobachtung auf einem Flachglas verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass wenn das zu untersuchende Werkstück B eine optische Wirkung aufweist oder eine lichtabsorbierende Färbung besitzt, es sinnvoll sein kann die Belichtungszeiten oder Helligkeitsintensitäten des Testmusters oder die Mustergrößen (Testmuster) anzupassen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist es z.B. möglich Partikel ab einer Größe von 15pm vollflächig auf einem Brillenglas mit einem Durchmesser von bis zu 80mm zu detektieren. Dafür kann beispielsweise eine hochauflösende Kamera (mit 29 Megapixel oder mehr) in Kombination mit dem Phasenshiftverfahren in Transmission verwendet werden. Damit kann das Verfahren auch für kleinere Partikel verwendet werden.
In einem Arbeitsverfahren für die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann in einem (optionalen) ersten Schritt zunächst die Außenkontur des Werkstückes B (automatisch) erfasst werden.
In einem für die Erfindung wesentlichen Schritt werden nunmehr durch das Werkstück B hindurch mittels der Kamera K jeweils Aufnahmen der verschiedenen Testmuster auf der Testmustererzeugungseinrichtung TE aufgenommen.
Anschließend kann aus diesen Aufnahmen der Kamera K die Auswerteeinrichtung Intensitätsinformationen auf Pixelbasis verarbeiten.
Beispielsweise (unter der Annahme, dass die Testmuster jeweils 90° zueinander phasenverschoben sind, womit das erste Testmuster identisch mit dem vierten Testmuster wäre), können die Pixelweise die einzelnen Intensitäten I1..4 (z.B. bei 90° Phasenverschiebung mit h =k)
Figure imgf000014_0001
verrechnet werden, um ein Phasenbild zu erhalten.
Dabei können die erkannten Fehler nicht nur auf einer Anzeigeeinrichtung M visualisiert werden, sondern auch die Koordinaten und Eigenschaften der erkannten Defekte, wie z.B. Größe, Form, Anzahl... in einer Datenbank DB für die weitere Nachbearbeitung, Fehlerdokumentation gespeichert werden. Beispielhaft können Partikel und/oder Defekte mittels dynamischer Threshold-Verfahren erkannt werden.
Liegen z.B. Fehler außerhalb eines für eine mögliche Nachbearbeitung (z.B. Formrandung) interessierenden Bereiches, so könnte das Werkstück trotzdem verarbeitet werden, während es zuvor als Ausschuss möglicherweise aussortiert worden wäre. Damit steigt die Ausbeute und die Produktionskosten können gesenkt werden.
Die Erfindung erlaubt somit eine automatische und objektive Erkennung von Partikeln bzw. Defekten in oder auf transparenten Materialien, insbesondere in Transmission.
Referenzzeichenliste
1 Vorrichtung zur Untersuchung eines transparenten Werkstückes B
B transparentes Werkstück
TE Testmustererzeugungseinrichtung
0 Abbildungssystem
K digitale Kamera
LS Sternlichtquelle
C Blende
BG Hintergrund
LF Leuchtfläche
H Beobachter
DB Speichereinrichtung M Anzeigeeinrichtung
CPU Steuereinrichtung

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zur Untersuchung eines transparenten Werkstückes (B) auf Partikel oder Defekte, aufweisend:
• eine Testmustererzeugungseinrichtung (TE), wobei die Testmustererzeugungseinrichtung (TE) eingerichtet ist, Testmuster vor dem zu untersuchenden transparenten Werkstück zu erzeugen, wobei die Fläche des Testmusters bevorzugt mindestens 30 mm in der Diagonale aufweist,
• ein Abbildungssystem (0),
• eine digitale Kamera (K),
• wobei die Testmustererzeugungseinrichtung (TE) so angeordnet ist, dass im Betrieb ein zu untersuchendes transparentes Werkstück von einer ersten Seite mit einem Testmuster bestrahlt werden kann,
• wobei das Abbildungssystem so angeordnet ist, dass das durch das zu untersuchende transparente Werkstück tretende Licht des jeweiligen Testmusters mittels des Abbildungssystems auf die Kamera zugeführt wird,
• wobei unter Steuerung einer Steuereinrichtung zumindest drei Testmuster mittels der Testmustererzeugungseinrichtung erzeugt werden können, wobei jedes dieser Testmuster mittels der Kamera als Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene erfasst werden kann,
• wobei mittels einer Auswerteeinrichtung die von der Kamera für jedes der Testmuster erhaltenen Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene verarbeitet werden können,
• wobei aus den verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene Rückschlüsse auf Partikel oder Defekte von einer Größe von 3mm oder weniger ermöglicht werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Testmuster im Wesentlichen gleichartig sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Testmuster im Wesentlichen als sinusförmiges Wellen- oder Streifenmuster ausgebildet sind, wobei die mindestens 3 Testmuster zueinander phasenverschoben sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten auf einer Anzeigeeinrichtung dargestellt werden.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels automatischer oder halb-automatischer Bildverarbeitung in den verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten Partikel oder Defekte erkannt werden.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testmustererzeugungseinrichtung eine Anzeige bzw. ein Monitor ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testmustererzeugungseinrichtung ein Monitor ist, wobei der Monitor eine Auflösung von mindestens 60 oder 80 DPI oder 100 DPI aufweist und wobei der Monitor eine Fläche von zumindest der Größe eines zu untersuchenden transparenten Werkstücks s aufweist, mindestens jedoch 30 mm in der Diagonale aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testmustererzeugungseinrichtung ein Monitor bzw. eine Anzeige ist, welche(r) am Rand oder außerhalb des Arbeitsabstandes des Abbildungssystems positioniert ist, so dass die Bildpixel des Monitors von der Kamera nur unscharf abgebildet werden und damit in den Intensitätsinformationsdaten ebenfalls unscharf sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungssystem telezentrisch ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den verarbeiteten Intensitätsinformationsdaten auf Pixelebene Rückschlüsse auf Partikel oder Defekte von einer Größe von 15 pm oder weniger ermöglicht werden. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Werkstück ein Brillenglas oder ein Brillenglashalbzeug oder eine Kontaktlinse oder eine optische Linse oder ein Flachglas ist. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere als telezentrisches Messystem in Transmission, zum Zwecke der Partikelerkennung auf optisch transparenten Werkstücken bzw. Materialien. Verwendung nach Anspruch 12 zur Partikelerkennung auf oder in einem Brillenglas oder auf oder in einem Brillenglashalbzeug oder auf oder in einer Gießform oder auf oder in einem Flachglas.
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