DEVICE FOR OPTICALLY DETECTING LOCAL INHOMOGENEITIES IN THE STRUCTURE OF TESTED OBJECTS

Abstract: In the device for optically detecting spatial inhomogeneities, the surface (4) of the reflecting or transilluminatable object to be tested is illuminated using light beams (2) at a prescribed angle. The light beams (2) reflected or transmitted by the object are reflected from a retroreflector (5) and, in turn, from the surface (4) or through the latter into the lens (9) of a video camera (6). The strong angular dependence of the intensity of the reflection at the retroreflector (5) results in intense changes in the panning out of the light beam in the camera (6) in the event of inhomogeneities on the object, as a result of which these can easily be detected. The invention is applied in test devices for surfaces in the working of metals or plastics. <IMAGE>

Description: Anordnung zur optischen Erfassung räumlicher Unebenheiten in der Struktur eines zu untersuchenden Objekts Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäss dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 2. Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (DE-OS 32 43 680) werden die von dem zu untersuchenden Objekt reflektierten Lichtstrahlen mit einer Videokamera erfasst und mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung hinsichtlich der Erkennung von Unebenheiten an der zu untersuchenden Oberfläche mit einem Monitor dargestellt bzw. in automatischen Bildauswertesystemen weiterverarbeitet. Bei der bekannten Anordnung wird die untersuchte Oberfläche mit einer überla- gerten Rasterstruktur der Lichtstrahlen, z. B. durch ein optisches Gitter in der Beleuchtungseinrichtung, beaufschlagt. Ist die zu untersuchende Oberfläche eine glatte Ebene, so wird die Rasterstruktur der Lichtstrahlen ungestört reflektiert, weist die zu untersuchende Oberfläche Jedoch räumliche Abweichungen von einer glatten Ebene auf, so macht sich dies in einer Verzerrung der Rasterstruktur auf dem Monitor bemerkbar. Somit kann hier eine Kontrastierung von dreidimensionalen Strukturen auf glänzenden Oberflächen vorgenommen werden. Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Erkennung von Beschädigungen, Verschmutzungen, Materialfehlern, Fertigungsfehlern oder Formabweichungen an Lack-, Kunststoff-, Metall- oder Glasoberflächen. Die Erkennung von solchen störenden dreidimensionalen Unebenheiten ist von Bedeutung bei der Kontrolle von Automobilkarosserien im Lackierbetrieb oder von Blechen mit oder ohne Beschichtung nach verschiedenen Bearbeitungsvorgängen wie Walzen, Schneiden oder Beschichten (Eloxieren, Galvanisieren). Die alleinige Anwendung von Lichtstrahlenbündeln mit räumlicher Helligkeitsverteilung schafft jedoch nur begrenzte Möglichkeiten hinsichtlich der Trennung der Signalanteile von kleinen, räumlich begrenzten Formabweichungen (Mikro-Fehler) und periodischen Strukturen (z. B. Welligkeiten) an oder in den zu untersuchenden Objekten, wobei insbesondere eine Untersuchung nach Ortsfrequenz und Profilhöhe der Mikro Fehler schwierig ist. Wegen der flächenhaften Beleuchtung kann der Nutzsignalpegel gegenüber dem störenden Streulichtpegel sehr klein werden. Ausserdem ist bei der bekannten Anordnung ein hoher Glanzgrad des zu untersuchenden Objekts erforderlich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur optischen Erfassung räumlicher Unebenheiten in der Struktur eines zu untersuchenden Objekts zu schaffen, bei der die Erkennung auch von kleineren Unebenheiten mit einfachen Mitteln sicher durchführbar ist. Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine Anordnung der eingangs angegebenen Art die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 auf. Mit dem erfindungsgemässen Einsatz von Retroreflektoren, die eine weitgehend parallele Reflexion des einfallenden Lichtstrahls bewirken, kann eine besonders gute Kontrastierung von Oberflächenkrümmungen, d. h. Unebenheiten auf einer reflektierenden Oberfläche, als Folge der Reflexwertabhängigkeit am Retroreflektor vom Beobachtungswinkel durchgeführt werden. Eine mit der erfindungsgemässen Anordnung beobachtete Unebenheit an einem zu untersuchenden Objekt bewirkt eine starke Auffächerung der Lichtstrahlen nach der Reflexion am Retroreflektor und nach der zweiten Reflexion an der Oberfläche, wodurch die relativ starke Ablenkung im Strahlengang zu entsprechend veränderten Lichtverhältnissen auf dem Sensor der Videokamera führt und somit leicht auswertbar ist. Eine weitere Lösung der Aufgabe ist bei einer Anordnung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäss bei der Untersuchung von transparenten Objekten mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 2 angegeben. Auch bei der Untersuchung von Unebenheiten in der Struktur eines transparenten Objekts kann durch die von Dichteschwankungen, Dickenänderungen oder Unebenheiten, z. B. Schlieren in einer transparenten Folie, hervorgerufene Änderung im Strahlenverlauf und die dadurch bedingte Auffächerung der Lichtstrahlen in vorteilhafter Weise mit der Videokamera und der nachgeschalteten Auswerteeinrichtung verarbeitet und auf dem Monitor dargestellt werden. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Anordnung sind mit den Unteransprüchen 3 bis 8 angegeben. Bei der Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung mit räumlich sich ändernden Helligkeitswerten (DE-OS 32 43 680) ist es möglich, die Vorteile der bekannten Anordnung hinsichtlich der Untersuchung von Mikro-Strukturen an einem zu untersuchenden Objekt dadurch zu erweitern, dass mit der Helligkeitsverteilung in den Lichtstrahlen der Lichtquelle auch grössere Unebenheiten einfach ausgewertet und entsprechend auf dem Monitor dargestellt werden können. Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Untersuchung einer reflektierenden Oberfläche, Figur 2 eine Anordnung zur Untersuchung eines transparenten Objekts, die Figuren 3 und 4 verschiedene Ausführungsformen des Retroreflektors, Figur 5 eine Darstellung des Strahlengangs bei der Retroreflexion, die Figuren 6 und 7 Kurven bezüglich der Abhängigkeit des Reflexwertes vom Anleucht- bzw. vom Beobachtungswinkel, die Figuren 8, 9, 10 und 11 den Verlauf von Lichtstrahlen bei der Reflexion am zu untersuchenden Objekt bzw. am Retroreflektor, Figur 12 die Auffächerung der Lichtstrahlen in der Blendenebene des Objektivs und Figur 13 die Durchmodulation des Videosignals der Kamera darstellen. Bei der in der Figur 1 dargestellten Anordnung werden die Lichtstrahlen 2 einer Lichtquelle 1 von einem halbdurchlässigen Spiegel 3 auf die Oberfläche 4 eines zu untersuchenden Objekts reflektiert. Der Einfallswinkel der Lichtstrahlen ist im dargestellten Fall mita gekennzeichnet, wobei bei einer ebenen Oberfläche der Winkel der von der Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen ebenfalls gleich d ist. An einem Retroreflektor 5 werden die Lichtstrahlen 2 derart reflektiert, dass sie parallel zu den ankommenden Strahlen zur Oberfläche 4 zurückgeworfen werden und von der Oberfläche 4 durch den halbdurchlässigen Spiegel 3 von einer Videokamera 6 erfasst werden. Zur besseren Erkennung von grösseren Unebenheiten an der Objektoberfläche 4 kann der Retroreflektor 5 auch mit lichtabsorbierenden Punkten oder Streifen 5' an den erforderlichen Stellen bedeckt sein. In der Videokamera 6 wird somit das Bild der Oberfläche 4 in der Bildebene 7 abgebildet; das Bild der Lichtquelle 1 befindet sich in einer Blendenebene 8 im Objektiv 9 der Videokamera 6. Bei dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Anordnung zur Erfassung räumlicher Unebenheiten dient als zu untersuchendes Objekt eine transparente Folie 10, die hier von den Lichtstrahlen 2 der Lichtquelle 1 durch den halbdurchlässigen Spiegel 3 hindurch angeleuchtet wird. Die durch das Objekt 10 hindurchtretenden Lichtstrahlen werden hier ebenso wie bei der Anordnung nach der Figur 1 am Retroreflektor 5 parallel reflektiert und erneut durch den halbdurchlässigen Spiegel 3 im Objektiv 9 der Videokamera 6 erfasst. Zur Erläuterung des Prinzips der Retroreflexion dienen die Figuren 3 und 4, wobei gemäss der Figur 3 Glaskugeln 15 vor einer Folie 16 mit einer Reflexschicht 17 angeordnet sind. Der Durchmesser der Glaskugeln 15 kann beispielsweise in der Grössenordnung von 0,1 mm liegen; der jeweilige Brennpunkt liegt unmittelbar hinter den Glaskugeln 15, wo sich die Reflexschicht 17 befindet. Anstelle der Glaskugeln können auch linsenförmige Glaskörper mit rasterförmiger Anordnung der Linsen verwendet werden. Der hier dargestellte Lichtstrahl 2' wird in der dargestellten Weise derart reflektiert, dass er im gleichen Winkel wie er auf die Anordnung auftrifft wieder von ihr reflektiert wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 4 ist als Retroreflektor ein Tripelreflektor 18 als ein pyramidenförmiges Prisma vorhanden, der im Ergebnis zu dem gleichen Strahlenverlauf der Lichtstrahlen 2' und 2" führt, wie anhand der Figur 3 erläutert. Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der besonderen Abhängigkeit der reflektierten Lichtintensität im Verlauf der Lichtstrahlen 2 gemäss der Anordnung nach den Figuren 1 und 2 ist in der Figur 5 zunächst eine Versuchsanordnung mit der Lichtquelle 1, dem Retroreflektor 5 und einem Lichtempfänger 25 dargestellt. Der von der Lampe (Lichtquelle 1) ausgesendete Lichtstrahl 2' bildet einen Winkel (Anleuchtwinkel) zur Normalen 26 des Retroreflektors 5. Der in den Empfänger 25 eintretende Lichtstrahl 2' weist zum von der Lampe ausgehenden Lichtstrahl 2' einen Winkel y (Beobachtungswinkel) auf. Anhand der Figur 6 ist nun die Abhängigkeit der Intensität I der Reflexion vom Anleuchtwinkel p bei einem bestimmten, hier günstigen Reflektortyp dargestellt. Es ist sehr leicht zu erkennen, dass insbesondere im Bereich der Veränderung des Anleuchtwinkels von 10 bis 40 eine Abnahme der reflek tierten Lichtintensität auftritt. Eine wesentlich stärkere Abnahme ist bei der Kurve 28 anhand der Figur 7 zu erkennen, wo die Intensität I der Reflexion über dem Beobachtungswinkel g aufgetragen ist. Hier tritt im Bereich von 1 ein sehr starker Abfall der Intensität auf, so dass die Kurve 28 auch idealisiert durch die Kurve 29 dargestellt werden kann. Die Abhängigkeit vom Anleuchtwinkel p bewirkt somit eine Kontrastierung von Oberflächenneigungen, die Abhängigkeit vom Beobachtungswinkel g bewirkt dagegen eine Kontrastierung von Oberflächenkrummungen. Zur Veranschaulichung der Funktion der Optikanordnung entsprechend Figur 1 oder 2 sind die Vorgänge der optischen Abbildung in Einzelschritten gemäss Figur 8, 9 und 10 dargestellt. Die Teildarstellungen in Figur 8 zeigen: a) die Ausleuchtung der Oberfläche 4 mit einer Punktlicht quelle 1 und Lichtstrahlen 20, b) die erste Reflexion an der Oberfläche 4, c) die Reflexion am Retroreflektor 5 und d) die zweite Reflexion an der Oberfläche 4 und Abbildung auf dem Bildsensor 7 der Kamera 6. Der Einfallswinkeloc (siehe Figur 1) ist hier nicht berücksichtigt, weil er für die Darstellung des Funktionsprinzips zunächst ohne Bedeutung ist. Die Figur 8 zeigt sowohl die Abbildung der Oberflächenpunkte PO, P1 und P2 auf dem Bildsensor 7 der Videokamera 6 (Bildpunkte PO', P1, und p2,) als auch die Abbildung der Lichtquelle 1 in die Blendenebene 8 des Kamera-Objektivs 9. Die winkelabhängige Intensität der Reflexion des Retroreflektors 5 ist hier noch nicht berücksichtigt. In Figur 8 wird die Abbildung des Punktes PO nur durch einen Lichtstrahl 20 vermittelt. Berücksichtigt man, wie im folgenden erläutert wird, die Abhängigkeit der Intensität der Reflexion vom Beobachtungswinkel , dann ergibt sich gemäss der Figur 10 bei der Abbildung des Punktes PO ein Lichtstrahlbündel mit dem Öffnungswinkel te. In der Figur 9 ist nunmehr die Ausleuchtung des Punktes PO an der Oberfläche 4 mit Lichtstrahlen 20 aus der ersten Reflexion an PO gemäss Figur 8, Teil b) dargestellt. Im Teil a) von Figur 9 weist die Reflexion am Retroreflektor eine Auffächerung auf; im Teil b) ist die zweite Reflexion am Oberflächenpunkt PO (vergleiche Figur 8, Teil d)) mit dem Lichtstrahl 20 zum Objektiv 9 und zum Bildsensor 7 der Kamera 6 dargestellt. In der Figur 10 ist wiederum die Ausleuchtung des Oberflächenpunktes PO mit Lichtstrahlen 20 aus der ersten Reflexion an den Punkten P1 und PO gemäss Figur 8, Teil b) aufgezeigt. Im Teil a) von Figur 10 weisen auch hier die Reflexionen am Retroreflektor 5 Auffächerungen auf; gemäss Teil b) von Figur 10 weist die zweite Reflexion am Oberflächenpunkt PO hier jedoch einen Öffnungswinkel < f der Lichtstrahlen 20 auf, die vom Objektiv 9 und vom Bildsensor 7 erfasst werden. Die Intensität der Reflexion in Abhängigkeit vom.Beobach- tungswinkel g wird bei diesem Ausführungsbeispiel zur Vereinfachung entsprechend Figur 7 (Kurve 29) angenommen (Intensität konstant zwischen 0 und 1 ). Für den Lichtstrahl 20 aus der ersten Reflexion an PO ergibt sich nach Reflexion am Retroreflektor 5 gemäss Figur 9 eine Auffächerung, die sich über den Oberflächenbereich von P1 bis P2 erstreckt. Für die Lichtstrahlen aus der ersten Reflexion an P1 und P2 gemäss Figur 10 ergibt sich somit eine entsprechende, in Figur 10, Teil a) dargestellte Auffächerung. Der Oberflächenpunkt PO wird daher auch von Lichtstrahlen ausgeleuchtet, die ursprünglich aus der ersten Reflexion an P1, P2 und allen dazwischenliegenden Punkten stammen. In Figur 11 ist die Strahlenauffächerung der Lichtstrahlen 20 in gekrümmten Bereichen der Oberfläche 4 dargestellt. Im Teil a) sind die Ausleuchtung der Punkte F1, PO, P2 und die erste Reflexion an der Oberfläche dargestellt. Die Lichtstrahlen 20 kommen hier von der nicht dargestellten Lichtquelle 1 und werden in Richtung des Retroreflektors 5 reflektiert. Im Teil b) ist der Verlauf der Lichtstrahlen 20 vom nicht dargestellten Retroreflektor 5 zur Oberfläche 4 nach Auffächerung gezeigt, und im Teil c) ist die zweite Reflexion an der Oberfläche 4 mit den Lichtstrahlen 20 zum Objektiv 9 und zum Bildsensor 7 dargestellt. Die Ausleuchtung des Punktes PO geschieht hier in gleicher Weise durch Lichtstrahlen aus der ersten Reflexion an Nachbarpunkten (Figur 10) Im Unterschied zu ebenen Oberflächenteilen sind die zum Objektiv 9 gerichteten Lichtstrahlen 20 beim Verlauf nach Figur 11 gegenüber der Horizontalen stärker geneigt. Dadurch ergibt sich ein im Vergleich zum Öffnungswinkel y gemäss Figur 10 grösserer Öffnungswinkel Y'. Es ist somit leicht erkennbar, dass bei der erfindungsgemässen Anordnung Unebenheiten in der Struktur des zu untersuchenden Objekts zu einer starken Veränderung des Reflexionswinkels bei der Reflexion an der Oberfläche 4 des Objekts führen, wodurch sich eine Änderung des Verlaufs der Lichtstrahlen aus dem Beobachtungswinkel y mit grosser Intensität der Reflexion heraus (siehe Kurven 28 bzw. 29 in der Figur 7) ergeben kann, was eine leichte Detektion dieser Unebenheiten möglich macht. Die Auswirkung auf eine entsprechende Helligkeitsänderung in der Kamera 6 kann, wie in der Figur 12 dargestellt, durch die Objektivblende 8' bei Lichtstrahlen 20 mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln w bzw. ?' beeinflusst werden. Bei kleinem Winkel 9 gehen alle Lichtstrahlen eines Punktes (z. B. PO) durch die Objektivblende 8' und tragen zur Abbildung in dem entsprechenden Bildpunkt (z. B. PO') bei. Bei grossem Öffnungswinkel if bzw. y' geht nur noch ein Teil der Lichtstrahlen 20 durch die Objektivblende 8'. Der Bildpunkt erscheint in diesem Falle nur noch mit einer Helligkeit, die dem Verhältnis der Pupillenfläche (Blende) zur Auffächerungsfläche in der Blendenebene ent 2 spricht. Die Pupillenfläche ist hier gleich 5r- r2 mit r als Radius der Blendenöffnung, und die Auffächerungsfläche ist bei kleinen Winkeln f näherungsweise gleich X b2 . f2/4 mit b als Abstand zwischen der Objektivblende 8' und der Oberfläche 4. Um gegebenenfalls auch Lichtstrahlen mit kleinerem Öffnungswinkel f im Objektiv 9 ausfiltern zu können, kann die Objektivblende 8' auch eine Zentralblende 8" aufweisen, die diese Lichtstrahlen vom Bildsensor 7 fernhält. Es ist darüber hinaus auch möglich, die Blende 8 mit einem stetigen Transmissionsverlauf, vorzugsweise in radialer Richtung, zu versehen. In der Figur 13 ist mit einer Kurve 30 (Teil a)) die optische Hochpassfilterung bei Retroreflexbeleuchtung einer Modelloberfläche mit Sinusprofil 31 (Teil b)) dargestellt. Im Teil a) ist auf der Ordinate die Durchmodulation des Videosignals der Kamera 6 entsprechend der Amplitudendifferenz (Wendepunkt/Scheitelpunkt) des Sinusprofils dargestellt. Auf der Abszisse ist die Ortsfrequenz k = 2 n/iL des Sinusprofils aufgetragen. Im Teil b) der Figur 13 ist das Sinusprofil 31 mit den Scheitelpunkten 32 und den Wendepunkten 33 gezeigt. Es ist somit aus dieser Figur erkennbar, dass zwischen dem Mass der Krümmung und der Bildpunkthelligkeit im Bildsensor 7 ein Zusammenhang besteht, der besonders bei Welligkeiten hoher Ortsfrequenz - entsprechend kleinen Wellenlängen X - zu einer grossen Durchmodulation des Videosignals führt und somit gut mit der erfindungsgemässen optischen Anordnung erkennbar ist. 8 Patentansprüche 13 Figuren

Claims: Arrangement for the optical detection of spatial unevenness in the surface of an object to be examined, in which the object is illuminated by a light source (1) in a predetermined angle zone, there is an optical receiver (6) with an electronic evaluation device connected on the output side with which the light rays (2) from the light source (1) affected by the object can be detected and evaluated, there is a retroreflector (5) which reflects an incident light ray as a bundle of rays fanned out in the region of an angle  and is arranged in the ray path of the light rays (2) in such a way that when examining a reflecting surface (4) of the object the light rays (2) of the light source (1) are reflected from the surface (4) to the retroreflector (5) and from this back to the surface, and from there to the optical receiver (6), for filtering out light rays reflected for the second time on the surface of the object to be examined and having the predetermined opening angle  or an opening angle increased with respect to ' a diaphragm (8') is arranged in front of the optical receiver, characterised in that the light source (1) illuminates as an area the surface (4) of the object to be examined, in that the optical receiver (6) is a video camera for producing an image of the surface, in that the diaphragm (8') is arranged in the diaphragm plane (8) of a lens (9) at the location of the image of the light source (1), in that the diaphragm (8') is formed as an aperture- and/or central diaphragm or has a constant transmission course, preferably in the radial direction, and in that the retroreflector (5) is covered with light-absorbing dots or strips (5') in a grid shape. Arrangement according to claim 1, characterised in that the retroreflector (5) is formed from a reflector provided with lens-shaped glass bodies arranged adjacently in a grid.

Inventors: MARGUERRE, HANS-HELMUT, DIPL.-PHYS.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: G01B11
IPC codes: G01N21, G01B11