DE19726094B4 - Verfahren zur Detektion von Oberflächenfehlstellen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Detektion von Oberflächenfehlstellen unter Verwendung einer TV-Kamera und einer die Oberfläche beleuchtenden Lichtquelle, bei dem
– die Relativpositionen von TV-Kamera, Beleuchtungsquelle und Oberfläche sequentiell verändert werden und sequentiell Bilder (S0, S1, ..., Sn) der Oberfläche erfaßt werden, in denen jeder Bildpunkt die Intensität (I0, I1, ..., In) der von diesem Bildpunkt reflektierten Strahlung bei Beleuchtung unter einem durch die jeweilige Relativposition bestimmten Beleuchtungswinkel angibt;
– die Bilder durch einen Index (0, 1, ..., n) bezeichnet werden, der jeweils einem verschiedenen Beleuchtungswinkel zugeordnet ist;
– für jeden durch Koordinaten (x, y) bestimmten Bildpunkt dasjenige Bild (S0, S1, ..., Sn) bestimmt wird, bei dem der entsprechende Bildpunkt gleicher Koordinaten (x, y) den größten Intensitätswert angibt;
– ein Winkelverteilungsbild (RP) erzeugt wird, in dem für die den Bildpunkten entsprechenden Koordinaten (x, y) jeweils als Bildelementwert der Index des Bildes mit dem größten Intensitätswert abgespeichert ist; und...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion von Oberflächenfehlstellen, mit dem eine Vermessung der dreidimensionalen Struktur eines Objekts erreicht werden kann, um bei hoher Geschwindigkeit hochpräzise mikrofeine, wellenförmige Fehlstellen und jegliche Fehlstelle zu detektieren, die als Information veränderlicher Helligkeit auf einem laminierten Substrat und dergleichen erscheint.
  • Als mögliche Maßnahme zum Bestimmen oder Vermessen der dreidimensionalen Struktur eines Objekts durch die Verarbeitung von Bildern, die mit einer Fernsehkamera (TV) aufgenommen wurden, wurde in der japanischen Patent- veröffentlichung Nr. 63-83873 (Ogata et al.) ein Verfahren zum Vermessen der dreidimensionalen Struktur eines Objekts auf Basis des Reflexionsvermögens anhand mehrerer Bilder vorgeschlagen, die durch aufeinanderfolgendes Erleuchten mehrerer Lichtquellen aufgenommen wurden (ein Beleuchtungsstärkendiffe renzraumbild). Bei diesem Verfahren erhält man eine Information über die reflektierte Lichtintensität (Karte des Reflexionsvermögens), die die planare Richtung der Oberfläche des Objekts, die anhand der Bilder bestimmt wurde, die bei Beleuchtung eines Referenzobjekts mit jeweiligen leuchtenden Körpern aufgenommen wurden, mit der Helligkeit oder der Leuchtdichte in Beziehung setzt, die durch die TV-Kamera gemessen wurde. Gradienten der Oberflächenelemente eines aktuellen Objekts der Vermessung werden dabei durch Vergleichen der Leuchtdichte, die von der TV-Kamera bei gleicher Beleuchtung des aktuellen Objekts mit den jeweiligen leuchtenden Körpern gemessen wurde, mit der oben beschriebenen Karte des Reflexionsvermögens bestimmt. Die dreidimensionale Struktur des aktuellen Objekts wird mit den verwendeten Gradienten erneut aufgebaut.
  • Als Verfahren zum Detektieren einer auf einem glänzenden Objekt vorhandenen Fehlstelle wurde in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3-296408 (Yamatake et al.) ein Verfahren vorgeschlagen, das die Interferenz eines Laserstrahls verwendet. Während eines Verfahrens zur Herstellung von kupferplattiertem Laminat werden die Kupferschichten, deren Dicke mehrere 10 μm auf beiden Oberflächen eines jeweiligen isolierenden Substrats beträgt, geätzt. Mehrere solcher kupferplattierten Substrate werden zu Endprodukten laminiert. Kratzer, Einbeulungen, Korrosion, Flecken oder ähnliche Fehlstellen treten auf den Oberflächen der Substrate vor der Laminierung auf und müssen vorher detektiert werden. Die Oberflächen der Substrate werden darüber hinaus aufgrund sehr kleiner Unebenheiten von mehreren Mikrometern, die beim Überfahren mit Walzen auftreten, matt, und der Aufbau des isolierenden Substrates aus mit Harz imprägniertem Gewebe führt dazu, daß die Struktur des Gewebes sichtbar wird. Bei dem bekannten Verfahren zum Detektieren von Fehlstellen wird die Detektierung der regelmäßig auf allen Oberflächen vorhandenen Unebenheiten und die Detektierung sehr kleiner Oberflächenfehlstellen auf den weniger glänzenden Ebenen durch Beleuchten mit einem Laser strahl unter sehr flachem Winkel bezüglich der Ebenen durchgeführt, und die Fehlstelle wird durch Beobachten eines Interferenzbandes detektiert, das aufgrund der mikrofeinen Struktur auf der Oberfläche bei der Reflexion des Strahls auftritt. Genauer ausgedrückt wird der von einer Laserquelle projizierte Strahl durch eine Linse so aufgefächert, daß er die Form eines Spalts aufweist, und der spaltförmige Strahl trifft durch eine Projektionslinse auf eine Zone des Substrats mit vorbestimmter Breite auf und wird von dieser in einem flachen Winkel reflektiert. Auf diese Weise wird reflektiertes Licht als Interferenzmuster auf den Schirm projiziert, der gegenüberliegend der Laserstrahlquelle angeordnet ist. Wenn das Substrat Kratzer aufweist, muß das Interferenzband beobachtet werden, indem das Band durch die TV-Kamera aufgenommen wird. Die Fehlstelle kann dann durch eine Einrichtung zur Bildverarbeitung erkannt werden.
  • Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren zum Detektieren der dreidimensionalen Struktur tritt jedoch, da die Karte des Reflexionsvermögens ausgehend von der Annahme erstellt wird, daß die Oberflächeneigenschaften des Objekts über alle Oberflächen des Objekts identisch sind, das Problem auf, daß dieses Verfahren nicht auf ein Objekt angewendet werden kann, das Schwankungen des Oberflächenreflexionsvermögens aufweist. Da weiterhin eine unregelmäßige Reflexionskomponente verwendet wird, ist das Verfahren auch nicht auf ein glänzendes Objekt anwendbar, von dem man keine unregelmäßige Reflexionskomponente erhält. Da die dreidimensionale Struktur anhand der Leuchtdichte beim Beleuchten mit dem Leuchtkörper als Referenz bestimmt wird, ist die Detektierung deutlich durch sekundäres Zurückstrahlen der Beleuchtung beeinflußt.
  • Bei dem oben beschriebenen Verfahren der Detektierung von Fehlstellen treten weiterhin Probleme dahingehend auf, daß jeder Fremdkörper auf dem Substrat eine deutliche Änderung des Interferenzbandes verursacht, so daß das Substrat fälschlich als Ausschuß erkannt wird. Wenn das Substrat verwunden ist, liegt das Interferenzband außerdem außerhalb des Meßbereichs, so daß es normalerweise nicht gemessen werden kann.
  • Wenn die dreidimensionale Struktur nicht bestimmt werden kann, können die Fehlstelle mit einigen Einbeulungen und die Fehlstelle ohne Einbeulungen nicht voneinander unterschieden werden. Da weiterhin die Interferenzerscheinung eines Laserstrahls verwendet wird, wird die Detektierung sehr kleiner Strukturen auf der Oberfläche des Substrates hiervon deutlich beeinflußt.
  • Aus der DE 41 23 916 A1 ist ferner ein Verfahren zum beleuchtungsdynamischen Erkennen und Klassifizieren von Oberflächenmerkmalen und Oberflächendefekten eines Objekts bekannt. Bei diesem Verfahren werden sequentiell Bilder des Objekten mit einer Kamera aufgenommen und zwischengespeichert. Bei jedem aufgenommenen Bild wird der Einfallswinkel durch selektive Ansteuerung von Lichtquellen eines kuppelförmigen Beleuchtungshimmels geändert. Die zwischengespeicherten Bilder werden einer Merkmalsanalyse unterzogen, insbesondere mittels Fouriertransformation.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Detektion von Oberflächenfehlstellen, das auch bei mit Farbschattierungen versehenen oder glänzenden Objektoberflächen Anwendung finden kann und keine aufwendigen Merkmalsanalyseverfahren erfordert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Patentanspruch 1, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Oberflächengradient an allen Punkten auf der Oberfläche des zu detektierenden Objekts mit einer einfachen Anordnung zu messen.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben, die folgendes darstellen:
  • 1 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung des Konzepts einer Einrichtung, die eine Ausführungsform des Verfahrens zur Bildverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der theoretischen Funktionsweise der Anordnung der 1;
  • 3 zeigt eine schematische Ansicht des Objekts, wie es von der TV-Kamera in der Anordnung der 2 aufgenommen wurde;
  • 4 zeigt eine weitere schematische Ansicht des Objekts, wie es von der TV-Kamera in der 2 aufgenommen wurde;
  • 5 zeigt ein Schaubild zur Erläuterung der Veränderung der Leuchtdichte auf Oberflächen mit verschiedenen Gradienten;
  • 6 stellt ein Ablaufdiagramm der Ausführungsform der 1 dar;
  • 7 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Einrichtung der Ausführungsform der 1;
  • 8 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Bilder, die man mit der Einrichtung der 7 erhält;
  • 9 zeigt eine Ansicht eines Winkelverteilungsbildes, das mit der Ausführungsform der 1 aufgenommen wurde;
  • 10 zeigt eine Darstellung eines Leuchtdichtenverteilungsbildes, das mit der Ausführungsform der 1 aufgenommen wurde;
  • 11 ist eine Ansicht eines Bildes der Oberflächengradientenverteilung, das durch Umwandeln des in der 9 gezeigten Winkelverteilungsbildes bestimmt wurde;
  • 12 zeigt eine Ansicht eines dreidimensionalen Bildes, das durch Verarbeitung des in der 11 gezeigten Bildes der Gradientenverteilung bestimmt wurde;
  • 13 ist ein Schaubild zur Erläuterung eines ergänzenden Verfahrens zur Verbesserung der Genauigkeit in bezug auf die Ausführungsform der 1;
  • 14 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur Durchführung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildverarbeitung;
  • 15 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur Durchführung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildverarbeitung;
  • Die 16(a) und 16(b) sind Ansichten, die zeigen, wie eine Veränderung der Lage der TV-Kamera und des zu detektierenden Objekts zueinander in der Ausführungsform der 15 erscheint;
  • 17 ist eine Ansicht einer Einrichtung zur Durchführung einer weiteren Ausführungsform, die zur Beschleunigung des Verfahrens zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist;
  • 18 ist eine Ansicht einer Einrichtung, die bei einer weiteren Ausführungsform zur Beschleunigung des Verfahrens zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 19 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Eigenschaft des Winkelverteilungsbildes in dem Verfahren zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung;
  • Die 20 bis 22 sind schematische Schaubilder, die sich auf Gesichtspunkte des Arbeitsablaufs beim Durchführen einer Gradientenkorrektur in dem Verfahren zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung, einschließlich einer Anordnung zum Detektieren von Oberflächen-Fehlstellen, beziehen;
  • 23(a) ist eine schematische Ansicht eines Standardbildes, das bezüglich eines Gesichtpunktes des Arbeitsablaufs zum Detektieren einer Fehlstelle in dem Verfahren zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Anordnung zum Detektieren einer Oberflächen-Fehlstelle, verwendet wird;
  • 23(b) ist eine Ansicht des Prüfbildes entsprechend der 23(a);
  • 24(a) ist ein Schaubild, das die Veränderung des Beleuchtungswinkels zeigt, die in einer Richtung senkrecht zu der Lichtquelle auftritt, wenn die Fehlstelle eine Einbeulung ist;
  • 24(b) ist ein Schaubild, das die Veränderung des Beleuchtungswinkels zeigt, die in der Richtung senkrecht zu der Lichtquelle auftritt, wenn die Fehlstelle eine Blase ist;
  • 25 ist eine Ansicht, die den Gesichtspunkt der Fehlstellendetektierung von Kratzern in dem Verfahren zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Anordnung zum Detektieren von Oberflächen-Fehlstellen, erläutert;
  • 26 ist eine Ansicht, die den Gesichtspunkt der Fehlstellendetektierung von Korrosion in dem Verfahren zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Anordnung zum Detektieren von Oberflächen-Fehlstellen, erläutert;
  • 27 ist ein Ablaufdiagramm, um den Gesichtspunkt der Fehlstellendetektierung von Korrosion in dem Verfahren zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Anordnung zum Detektieren von Oberflächen-Fehlstellen zu erläutern;
  • 28 ist eine Ansicht, die einen Gesichtspunkt der Fehlstellendetektierung erläutert, wobei ein Gebiet dunkler Flecken in dem Verfahren zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Anordnung zum Detektieren von Oberflächen-Fehlstellen, als Referenz dient;
  • 29 ist eine Ansicht, die einen Gesichtspunkt der Detektierung von Fehlstellen erläutert, wobei in dem Verfahren zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Anordnung zum Detektieren von Oberflächen-Fehlstellen, ebenfalls ein Gebiet dunkler Flecken als Referenz verwendet wird;
  • 30 zeigt eine Ansicht zur theoretischen Erläuterung des Gesichtspunktes der Detektierung eines Fremdkörpers in dem Verfahren zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Anordnung zum Detektieren von Oberflächen-Fehlstellen;
  • 31 ist eine Ansicht, die den Gesichtspunkt der Detektierung des Fremdkörpers in dem Verfahren zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Anordnung zum Detektieren von Oberflächen-Fehlstellen, erläutert; und
  • 32 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung des Gesichtspunkts der Detektierung des Fremdkörpers in dem Verfahren zur Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Anordnung zum Detektieren von Oberflächen-Fehlstellen.
  • Auch wenn die vorliegende Erfindung nun in bezug auf die speziellen Ausführungsformen, die in der Zeichnung gezeigt sind, beschrieben wird, sollte einzusehen sein, daß nicht beabsichtigt ist, die Erfindung nur auf diese speziellen Ausführungsformen zu beschränken, sondern vielmehr alle Veränderungen, Modifikationen und gleichwertige Anordnungen mit einzuschließen, die innerhalb des Rahmens der angefügten Ansprüche möglich sind.
  • 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Bildverarbeitung, die bei der Verwirklichung einer Ausführungsform des Verfahrens zur Bildverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Einrichtung weist eine TV-Kamera 1, eine Lichtquelle 2 und einen Bildverarbeitungsabschnitt 4 auf, wobei eine Oberfläche eines zu detektierenden Objekts 3 durch ein Substrat eines kupferplattierten Laminats gebildet wird. Die beleuchtete Oberfläche wird von der TV-Kamera 1 aufgenommen, und das von der TV-Kamera aufgenommene Bild wird in dem Bildverarbeitungsabschnitt 4 verarbeitet.
  • Die Oberfläche der Kupferschicht auf dem Substrat weist eine Unebenheit von mehreren Mikrometern auf, die beim Walzen der Schicht als Streifen entstehen, die in Walzrichtung liegen und über die gesamte Oberfläche verteilt sind, so daß von der Lichtquelle 2 ausgehendes Licht von einer solchen feinen Unebenheit auf der Oberfläche gestreut wird, aber auch eine starke Komponente direkter Reflexion vorhanden ist, wobei der Reflexionswinkel in Richtung der Walzrichtung liegt.
  • Bei der hier gezeigten Einrichtung ist daher die TV-Kamera 1 in einer Richtung angeordnet, die im wesentlichen mit der Walzrichtung übereinstimmt, um die direkte Komponente der Reflexion zu beobachten, während die Position der Lichtquelle 2, der TV-Kamera 1 und des zu detektierenden Objekts 3 zueinander verändert wird, wie durch die jeweiligen Pfeile angedeutet ist. Die Bilder, die bei dieser Beobachtung unter verschiedenen Winkeln des einfallenden Beleuchtungslichts erhalten werden, sind beispielsweise in den 3 und 4 gezeigt. Wenn die Lichtquelle 2 sich nun in einer Position L1, die in 2 gezeigt ist, befindet, ist ein beleuchteter Abschnitt an einer Position A auf der Oberfläche des Objekts 3 fast eben, und die direkte Reflexionskomponente des von der Quelle 2 einfallenden Lichts erscheint in der Form eines Bandes A, das sich seitlich erstreckt und in der 3 dargestellt ist. Liegt ein fehlerhafter Abschnitt in Form einer Einbeulung B vor, wie in der 2 gezeigt ist, erscheint eine lokale direkte Reflexionskomponente B1, wie sie in der 3 dargestellt ist. Wenn die Lichtquelle 2 sich in der 2 in einer anderen Position L2 befindet, kann die direkte Reflexionskomponente im Abschnitt A2 in 4, der der Position A in der 2 entspricht, nicht beobachtet werden, und statt dessen wird eine bandförmige direkte Reflexionskomponente im Abschnitt B2 in 4 beobachtet, die dem an die Position B in 2 angrenzenden Abschnitt entspricht. Im Fall des fehlerhaften Abschnitts mit lokal unterschiedlicher Oberflächenrichtung (B in 2) erhält man jedoch keine direkte Reflexionskomponente. Die Leuchtdichte an den Positionen A und B in der 4 ändert sich wie in der 5 dargestellt, wenn der Winkel des einfallenden Beleuchtungslichts verändert wird. Hierbei hat sich gezeigt, daß der Winkel des einfallenden Beleuchtungslichts, der die größte Leuchtdichte ergibt (entsprechend den Positionen Pa und Pb der Kurven), zwischen dem ebenen Abschnitt A, dargestellt durch eine Kurve weißer Punkte, und dem fehlerhaften Abschnitt B, dargestellt durch eine Kurve schwarzer Punkte, der einen anderen Gradient als der Abschnitt A aufweist, verschieden ist. Durch sequentielles Messen der Leuchtdichte bei Veränderung des Winkels des einfallenden Beleuchtungslichts kann daher ein Beleuchtungswinkel bestimmt werden, bei dem die Leuchtdichte am größten wird, indem der Winkel des einfallenden direkt reflektierten Lichts an den jeweiligen Meßpunkten des Objekts bestimmt wird. Durch Bestimmen dieses Winkels des einfallenden direkt reflektierten Lichts an zahlreichen vorbestimmten Punkten des Objekts kann ein Bild bestimmt werden, das eine Winkelverteilung des einfallenden direkt reflektierten Lichts enthält (Winkelverteilungsbild).
  • Als nächstes wird die Verarbeitungsoperation innerhalb des Bildverarbeitungsabschnitts 4 in dem Verfahren der vorliegenden Ausführungsform in bezug auf das Ablaufdiagramm der 6 beschrieben. Zunächst wird als Beispiel der einfachsten Verwirklichung ein Fall beschrieben, bei dem die Lichtquelle 2 bewegt wird. In der 7 ist der Betrieb der Einrichtung, die die vorliegende Ausführungsform verwirklicht, gezeigt, und die bei diesem Betrieb mit der TV-Kamera 1 erhältlichen Bilder sind in der 8 dargestellt.
  • Zunächst nehmen die TV-Kamera 1, die Lichtquelle 2 und das zu detektierende Objekt 3 eine anfängliche Stellung (i 0) ein, so daß die direkte Reflexionskomponente dann, wenn das zu detektierende Objekt 3 durch die Lichtquelle 2 beleuchtet wird, am Rand des Sichtbereichs der TV-Kamera 1 einfällt. Dann wird die Lichtquelle 2 bewegt und nach jeder Bewegung der Quelle 2 um einen festen Betrag (i i+1) werden Bildsignale mit unterschiedlicher Helligkeit in 256 Helligkeitsgradationen von der TV-Kamera 1 in den Bildverarbeitungsabschnitt 4 eingegeben. Bis das Licht von der Lichtquelle 2, das direkt auf dem Objekt 3 reflektiert wird, an dem gegenüberliegenden Rand des Sichtbereichs erscheint, wird die Lichtquelle 2 von der Position p0 bis zur Position pn bewegt, und die Bilder S0 bis Sn, wie in der 8 dargestellt, werden aufgenommen.
  • Als nächstes werden die Leuchtdichten I0 bis In der jeweiligen Bildelemente der aufgenommenen Bilder bei denselben Koordinaten (x, y) wie in den Bildern S0 bis Sn verglichen, und eine Bildnummer "i", die den größten Wert ergibt, und die Leuchtdichte Ii zum Zeitpunkt "i" werden bestimmt. Weiterhin wird die Bildnummer "i" als numerischer Wert angesehen, der den Beleuchtungswinkel bezeichnet, und wird als Bildelementwert an den Koordinaten (x, y) des Winkelverteilungsbildes RP abgespeichert. Darüber hinaus wird die größte Leuchtdichte Ii als Bildelementwert an den Koordinaten (x, y) des Leuchtdichtenverteilungsbildes RI abgespeichert.
  • Durch die oben beschriebene Verarbeitung erhält man schließlich ein Winkelverteilungsbild RP, wie es in der 9 gezeigt ist, und ein Leuchtdichtenverteilungsbild RI, wie es in der 10 gezeigt ist. Die in dem Winkelverteilungsbild RP gespeicherten Daten sind die Bildnummern, bei denen die Leuchtdichte an den jeweiligen Koordinaten am größten ist, und da die Lage der TV-Kamera 1, der Lichtquelle 2 und des zu detektierenden Objekts 3 zueinander für diese Bildnummer über die Anordnung der Einrichtung bekannt ist, kann das Winkelverteilungsbild RP in ein Bild umgewandelt werden, das den der Oberfläche eigenen Gradienten darstellt und in der 11 gezeigt ist. Durch Integrieren dieses Gradientenbildes in der Richtung "y" der 11 ist es auch möglich, die vollständige dreidimensionale Struktur wiederherzustellen, wie sie in der 12 gezeigt ist.
  • Da bei dem Verfahren der vorstehenden Ausführungsform die aufgenommene Bildnummer als Index verwendet wurde, der bei der Erzeugung des Winkelverteilungsbildes RP den Winkel des einfallenden Beleuchtungslichts zeigt, ist eine sich ergebende Auflösung nur durch die Auflösung bei der Veränderung des Winkels des einfallenden Beleuchtungslichts begrenzt, die durch eine relative Bewegungsgeschwindigkeit der Kamera 1, der Lichtquelle 2 und des Objektes 3 und durch die Aufnahmeintervalle der Bilder bestimmt ist.
  • Als diesbezügliche Ergänzungsmaßnahme kann ein Verfahren vorgesehen sein, bei dem das Verhältnis des Winkels des einfallenden Beleuchtungslichts zu der Leuchtdichte durch eine Gaußsche Funktion, eine sekundäre Funktion oder dergleichen approximiert ist und der Scheitelwert der Leuchtdichte aus dem Scheitelwert solch einer Funktion mit einer Auflösung bestimmt wird, die die Bewegungsauflösung des Beleuchtungswinkels übersteigt (Subpixel-Detektierungsverfahren). Das heißt, daß es möglich ist, den Winkel des einfallenden Beleuchtungslichts, der die größte Leuchtdichte ergibt, mit höherer Auflösung zu bestimmen als in dem Fall (A), bei dem nur der größte Wert bestimmt wird, indem im Fall (B) der Scheitelwert mit Hilfe der Näherungsfunktion FP bestimmt wird, wodurch die Auflösung der Messung verbessert ist.
  • Da in der 7 die Positionen der TV-Kamera 1 und des zu detektierenden Objekts 3 fest sind und in der verwendeten Einrichtung lediglich die Lichtquelle 2 bewegt wird, kann es vorkommen, daß die vorstehende Anordnung, bei der der Bereich jeder Detektierung auf die Größe des Sichtbereichs der TV-Kamera 1 begrenzt ist, in einem Fall nicht geeignet ist, bei dem das zu detektierende Objekt 3 eine große längliche Oberfläche, wie beispielsweise ein gewalztes Kupferblech, aufweist. In diesem Fall kann wirkungsvoll eine Anordnung eingesetzt werden, bei der die Lage der TV-Kamera 1 und der Lichtquelle 2 zueinander in einer einstückigen Einheit fest ist, und das zu detektierende Objekt 3 oder die einstückige Einheit relativ bewegt wird, um die Messung durchzuführen. Eine schematische Anordnung einer Einrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ist in der 14 gezeigt, in der eine Förderanlage 5 für die Bewegung des zu detektierenden Objekts 3 vorgesehen ist.
  • Wenn das Objekt 3 eine große seitliche Breite aufweist, so daß ein großer Leuchtkörper als Lichtquelle 2 erforderlich ist, können die obigen Detektierungsmittel wirksam eingesetzt werden, indem das Objekt 3 und die Lichtquelle 2 fixiert werden und die TV-Kamera 1 bewegt wird. Eine schematische Anordnung einer Einrichtung, die von dieser Maßnahme Gebrauch macht, ist in der 15 gezeigt.
  • Mit Anordnungen, wie sie in den 14 und 15 gezeigt sind, ist es notwendig, die Zuordnung ein und desselben Punktes auf dem Objekt 3 zwischen jeweiligen Bildern zu erreichen, da die Lage der TV-Kamera 1 zu dem Objekt 3 sich im Gegensatz zu der Anordnung, bei der die Lichtquelle 2 bewegt wird, verändert. Da die 16(a) und 16(b) den identischen fehlerhaften Abschnitt B auf der Oberfläche des Objekts 3 zeigen, ist erkennen, daß der Abschnitt B sich auf den Bildern aufgrund der relativen Bewegung zwischen der Kamera 1 und dem Objekt 3 bewegt zu haben scheint. Da das Ausmaß dieser Bewegung ausgehend sowohl von der Geschwindigkeit der relativen Bewegung zwischen der Kamera 1 und dem Objekt 3 als auch der Anordnung des verwendeten optischen Systems abgeschätzt werden kann, ist es möglich, die Zuordnung ein und desselben Abschnitts des Objekts 3 zwischen den jeweiligen Bildern zu erreichen.
  • Wenn das zu detektierende Objekt 3 bezogen auf die TV-Kamera 1 groß ist oder eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung erforderlich ist, kann es vorkommen, daß die einzelne TV-Kamera 1 nicht ausreichend ist. In einem solchen Fall kann dieses Problem durch Verwendung mehrerer, parallel angeordneter TV-Kameras 1 gelöst werden, wie in der 17 gezeigt ist.
  • Weiterhin ist es möglich, die Bildaufnahmefrequenz zu verringern und die Messung in kürzerer Zeit auszuführen, indem die direkte Reflexionskomponente in mehreren Farben innerhalb eines Sichtbereichs der TV-Kamera 1 erfaßt wird. Hierzu enthält die Lichtquelle 2 mehrere, verschiedenfarbiges Licht aussendende lichtemittierende Dioden, Neonröhren oder dergleichen, und diese verschiedenfarbigen Komponenten werden durch eine Farbbildverarbeitung getrennt verarbeitet. Eine diesbezügliche Anordnung ist in der 18 gezeigt, bei welcher die Lichtquellen eine rote Farbe 2R, eine grüne Farbe 2G und eine blaue Farbe 2B aufweisen.
  • Bei der Anordnung der vorstehenden Ausführungsform der 7 können mehrere Bilder, bei denen sich die direkte Reflexionskomponente an dem ebenen Abschnitt allmählich verschiebt, wie in der 8 gezeigt ist, durch Bewegen der Lichtquelle 2 erhalten werden. Die Winkelverteilungsbilder RP weisen einen Gradient in senkrechten Richtungen auf, wie in der 19 gezeigt ist, da die Bildnummer, bei der die Leuchtdichte des jeweiligen Bildelements unter den Bildern RP am größten ist, als der Bildelementwert angesehen wird. Da die Detektierung des fehlerhaften Abschnittes mit einer einfachen Verarbeitung über einen Schwellenwert oder dergleichen unsicher ist, wenn der Gradient unverändert bleibt, ist eine Korrektur des Gradienten notwendig. Zu diesem Zweck können zwei Möglichkeiten bei der Anordnung der Einrichtung vorgesehen sein.
  • Bei einer ersten Anordnung wird der auftretende Gradient nur in den senkrechten Richtungen der Abbildung in den Winkelverteilungsbildern RP verwendet, und der Gradient wird durch eine lineare Differenzierung in den senkrechten Richtungen in der Abbildung der Bilder entfernt, wobei diese Anordnung in der 20 gezeigt ist. Mit dieser Anordnung wird der erzielbare Effekt nicht nur die Korrektur des Gradienten sein, sondern auch daß eine große Welligkeit, Verwindung oder dergleichen der Oberfläche des zu detektierenden Objekts 3 entfernt werden kann und daß jegliche sehr kleine fehlerhafte Abschnitte betont werden.
  • Bei einer zweiten Anordnung wird der in den Bildern auftretende Gradient mit einem Betrag der Veränderung des Winkels des einfallenden Beleuchtungslichts als Basis vorläufig abgeschätzt, und der Gradient wird durch Bestimmen einer Differenz zwischen dem abgeschätzten Gradienten und dem tatsächlichen Gradienten in den Winkelverteilungsbildern RP korrigiert.
  • Die zweite Anordnung entspricht der in der 21 gezeigten Anordnung, nach der ein Betrag des Gradienten 11, wie in der 21 gezeigt, von dem ursprünglichen Bildelementwert subtrahiert wird und das Bild dadurch, wie in der 22 gezeigt ist, flach verläuft. Bei dieser Anordnung kann die Welligkeit der Oberfläche oder die Verwindung des Objekts 3 nicht entfernt werden, und die Anordnung ist dann wirkungsvoll einzusetzen, wenn die Welligkeit oder die Verwindung detektiert werden sollen.
  • Als nächstes wird eine Verarbeitung zur Durchführung der Detektierung einer tatsächlichen Fehlstelle anhand der erhaltenen Winkelverteilungsbilder RP beschrieben. Bei der einfachsten Fehlstellendetektierungsanordnung werden zunächst mit der speziellen Anordnung an nicht fehlerhaften Gegenständen gemessene Daten als Standardbild gespeichert, wie in der 23(a) gezeigt ist, um diese mit Prüfbilddaten zu vergleichen, wie sie in der 23(b) gezeigt sind, die in bezug auf das zu detektierende Objekt gemessen wurden.
  • Durch Verwendung der Oberflächengradientdaten, die in den Winkelverteilungsbilder RP gespeichert sind, können feine Einbeulungen, Blasen, Kratzer und dergleichen, die auf der Oberfläche des zu detektierenden Objekts 3 vorhanden sind, detektiert werden. Bezogen auf die Oberflächengradientdaten entlang der Bewegungsrichtung der Lichtquelle wird eine Schwankung des Gradienten zwischen der Einbeulungs-Fehlstelle und der Blasen-Fehlstelle genau entgegengesetzt sein, und die Art der Fehlstelle kann mit den verwendeten Daten unterschieden werden. Die Veränderung des Winkels des einfallenden Beleuchtungslichts in Y-Richtung in der 7 in den Fällen der Einbeulungs-Fehlstelle und der Blasen-Fehlstelle ist in den 24(a) und 24(b) gezeigt.
  • Weiterhin wird nun eine Verarbeitung zur Durchführung der Detektierung einer tatsächlichen Fehlstelle anhand der erhaltenen Leuchtdichtenverteilungsbilder RI beschrieben werden. In den Leuchtdichtenverteilungsbildern RI, die durch die oben beschriebene Anordnung bestimmt wurden, sind die Oberflächenreflexionsdaten des Objekts 3 gespeichert, und eine Analyse dieser Daten ermöglicht es, eine Fehlstelle, die eine Schwankung der Leuchtdichte mit sich bringt, zu detektieren, d.h. die Kratzer-Fehlstelle oder die Korrosions-Fehlstelle.
  • Die Kratzer-Fehlstelle tritt auf, wenn die Metalloberfläche durch irgend ein anderes hartes Objekt zerkratzt wird. Ihr Oberflächenprofil zeigt, daß die Mikrostruktur der Oberfläche gequetscht ist und so einer Spiegeloberfläche nahe kommt. Ihr Reflexionsvermögen ist dadurch sehr hoch und erscheint in den erhaltenen Leuchtdichtenverteilungsbildern RI in der Form einer hellen Fehlstelle, wie in der 25 gezeigt ist. Da der Kratzer dadurch gekennzeichnet ist, daß er linienförmig auftritt ist es möglich, die kratzerförmige Fehlstelle durch Extrahieren eines Abschnitts, zu detektieren, in dem sich die Leuchtdichte in den Leuchtdichtenverteilungsbildern linienförmig ändert.
  • Im Fall der Korrosions-Fehlstelle ist das Oberflächenreflexionsvermögen der Metallschicht aufgrund einer Oxydation verringert, so daß in dem erhaltenen Leuchtdichtenverteilungsbild eine dunkle Fehlstelle auftreten wird, wie sie in der 26 gezeigt ist. Da die Korrosions-Fehlstelle in bezug auf die Fläche deutlich größer ist als andere Fehlstellen, werden jegliche Abschnitte in dem Leuchtdichtenverteilungsbild, die eine geringere Leuchtdichte als die Umgebung und eine große Fläche aufweisen, in gewissem Grade als Korrosions-Fehlstelle erkannt.
  • Das Detektierungsverfahren für die Korrosions-Fehlstelle wird unter Bezugnahme auf ein Ablaufdiagramm beschrieben, das in der 27 gezeigt ist. Zunächst wird das Leuchtdichten-(Verteilungs)-Bild RI durch einen Schwellenwert TH1 binär codiert. Daraufhin werden mehrere aufeinanderfolgende Zonen extrahiert und, wie in der 28 gezeigt ist, numeriert. Die Oberflächengröße der jeweiligen extrahierten Zonen wird bestimmt, und eine der Zonen, die eine Größe aufweist, die den Schwellenwert IT1 überschreitet, wird als die Korrosions-Fehlstelle angesehen. 29 zeigt einen Zustand, in dem die mit 1 und 3 numerierten Zonen als Korrosions-Fehlstelle erkannt sind.
  • In einem Fall, in dem ein Fremdkörper auf der Oberfläche des zu detektierenden Objekts 3 vorhanden ist, erscheint der durch die TV-Kamera 1 beobachtete Fremdkörper 6 stets als Schattenbild, da Lichtquelle 2 in bezug auf den Fremdkörper 6 immer auf der gegenüberliegenden Seite liegt, wie in der 30 gezeigt ist. Folglich erscheint der dem Fremdkörper entsprechende Abschnitt in dem Leuchtdichtenverteilungsbild als dunkler Fleck, wie in der 31 gezeigt ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Fremdkörper 6 auf der Oberfläche des Objekts von einer Blasen-Fehlstelle zu unterscheiden, da der Fremdkörper 6 eine größere Höhe als die Blase aufweist und die oben beschriebenen Eigenschaften zeigt. Da der Fremdkörper 6 als dunkler Fleck kleiner Fläche in dem Leuchtdichtenverteilungsbild erscheint, kann ein Abschnitt mit geringerer Leuchtdichte, aber mit im Gegensatz zu der Korrosions-Fehlstelle kleiner Fläche, als Fremdkörper bestimmt werden.
  • Das Verfahren zur Detektierung des Fremdkörpers 6 wird unter Bezugnahme auf ein Ablaufdiagramm erläutert, das in der 32 gezeigt ist. Das Leuchtdichten-(Verteilungs)-Bild RI wird zunächst durch einen Schwellenwert TH2 binär codiert, und daraufhin werden aufeinanderfolgende Zonen extrahiert, wie in der 28 gezeigt ist. Die Oberflächengrößen dieser Zonen werden bestimmt, und jede Zone oder alle Zonen deren Flächengröße geringer ist als der Schwellenwert IT2 können als Fremdkörper angesehen werden. In diesem Fall ist die in der 29 mit 2 bezeichnete Zone als der Fremdkörper 6 bestimmt.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Detektion von Oberflächenfehlstellen unter Verwendung einer TV-Kamera und einer die Oberfläche beleuchtenden Lichtquelle, bei dem – die Relativpositionen von TV-Kamera, Beleuchtungsquelle und Oberfläche sequentiell verändert werden und sequentiell Bilder (S0, S1, ..., Sn) der Oberfläche erfaßt werden, in denen jeder Bildpunkt die Intensität (I0, I1, ..., In) der von diesem Bildpunkt reflektierten Strahlung bei Beleuchtung unter einem durch die jeweilige Relativposition bestimmten Beleuchtungswinkel angibt; – die Bilder durch einen Index (0, 1, ..., n) bezeichnet werden, der jeweils einem verschiedenen Beleuchtungswinkel zugeordnet ist; – für jeden durch Koordinaten (x, y) bestimmten Bildpunkt dasjenige Bild (S0, S1, ..., Sn) bestimmt wird, bei dem der entsprechende Bildpunkt gleicher Koordinaten (x, y) den größten Intensitätswert angibt; – ein Winkelverteilungsbild (RP) erzeugt wird, in dem für die den Bildpunkten entsprechenden Koordinaten (x, y) jeweils als Bildelementwert der Index des Bildes mit dem größten Intensitätswert abgespeichert ist; und – die Oberflächenfehlstellen durch Analyse des Winkelverteilungsbildes bestimmt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Schritte: – Bestimmen von Leuchtdichtenverteilungsbildern, die eine Verteilung der Leuchtdichte bei dem Winkel des einfallenden direkt reflektierten Lichts an gewünschten zahlreichen Punkten auf der Oberfläche des Objekts zeigen und – Bestimmen eines fehlerhaften Abschnitts auf der Oberfläche des Objekts durch Unterscheidung anhand der Leuchtdichtenverteilungsbilder.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein fehlerhafter Abschnitt auf der Oberfläche eines Objektes bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Art des fehlerhaften Abschnittes in den Winkelverteilungsbildern anhand der Veränderung des Winkels des einfallenden direkt reflektierten Lichts an Positionen unterschieden wird, die an den fehlerhaften Abschnitt angrenzen.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Art des fehlerhaften Abschnitts in den Leuchtdichtenverteilungsbildern durch Detektieren eines Abschnitts, in dem eine linienförmige Veränderung der Leuchtdichte auftritt, unterschieden wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Art des fehlerhaften Abschnitts durch Bestimmen eines Referenzwerts der Flächengröße des fehlerhaften Abschnitts und Detektieren eines Abschnitts unterschieden wird, in dem Bildelemente mit einer Leuchtdichte, die von einer Standardleuchtdichte deutlich verschieden ist, aufeinanderfolgend mit einer größeren Fläche als der Referenzwert vorhanden sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Art des fehlerhaften Abschnitts durch Bestimmen eines Referenzwerts der Flächengröße des fehlerhaften Abschnitts und Detektieren eines Abschnitts unterschieden wird, in dem Bildelemente mit einer Leuchtdichte, die von einer Standardleuchtdichte deutlich verschieden ist, aufeinanderfolgend mit einer kleineren Fläche als der Referenzwert vorhanden sind.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die verwendete Lichtquelle eine linienförmige Lichtquelle ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die verwendete Lichtquelle eine Punktlichtquelle ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem eine dreidimensionale Struktur des Objekts an Positionen bestimmt wird, die jeweiligen Bildelementen der Bilder entsprechen, und diese anhand des Winkels des direkt reflektierten Lichts an derselben Position auf dem Objekt bestimmt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem dieselbe Position auf dem Objekt in den mehreren Bildern, die von der TV-Kamera aufgenommen wurden, anhand der relativen Lage des Objekts zu der TV-Kamera zugeordnet wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem für das Abspeichern des Winkels des einfallenden direkt reflektierten Lichts an derselben Position des Objekts ein Interpolationsschritt anhand der Leuchtdichtendaten auf den Bildern vor und nach dem Bild, das die größte Leuchtdichte zeigt, durchgeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Winkelverteilungsbilder linear in einer Richtung differenziert werden, in der sich die beobachtete direkte Reflexionskomponente bewegt.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in den Winkelverteilungsbildern ein Gradient des Bildelementwerts, der in der Bewegungsrichtung der beobachteten direkten Reflexionskomponente auftritt, anhand eines Bereichs, in dem sich der Winkel des einfallenden Beleuchtungslichts ändert, korrigiert wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem die Lage der TV-Kamera und des Objekts zueinander fixiert ist und die Lichtquelle so bewegt wird, daß der Winkel des einfallenden Beleuchtungslichts an den jeweiligen Positionen auf dem Objekt sequentiell verändert wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem die Lage der TV-Kamera und der Lichtquelle zueinander fixiert ist und das Objekt so bewegt wird, daß der Winkel des einfallenden Beleuchtungslichts an den jeweiligen Positionen auf dem Objekt sequentiell verändert wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem die Lage des Objekts und der Lichtquelle zueinander fest ist und die TV-Kamera so bewegt wird, daß der Winkel des einfallenden Beleuchtungslichts an den jeweiligen Positionen auf dem Objekt sequentiell verändert wird.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mehrere TV-Kameras gleichzeitig verwendet werden.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen Farben verwendet werden.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem dann, wenn das Objekt ein gewalztes Metall ist, die TV-Kamera so angeordnet ist, daß ihre Beobachtungsrichtung mit einer Streifenrichtung auf dem gewalzten Metall ausgerichtet ist.
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