DE102011116791A1 - Method for contactless optical testing of test contours on surfaces, particularly by triangulation light section method, involves irradiating light in form of light stripe on surface in area of test contours - Google Patents
Method for contactless optical testing of test contours on surfaces, particularly by triangulation light section method, involves irradiating light in form of light stripe on surface in area of test contours Download PDFInfo
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Abstract
Description
I. AnwendungsgebietI. Field of application
Die Erfindung betrifft das berührungslose, optische Prüfen von Prüfkonturen, insbesondere dreidimensionaler, längs verlaufender Prüfkonturen, auf Oberflächen.The invention relates to the non-contact, optical testing of test contours, in particular three-dimensional, longitudinal test contours, on surfaces.
II. Technischer HintergrundII. Technical background
Die Bestimmung der Form 3-dimensionaler Konturen wird in der Industrie häufig benötigt, um definiert angebrachte Konturen einer Qualitätskontrolle zu unterziehen.The determination of the shape of 3-dimensional contours is often required in industry to quality control defined defined contours.
Die Ermittlung der Form oder anderer, mit der Oberflächenform zusammenhängender Ergebnisdaten, z. B. des Volumens, einer Prüfkontur, z. B. einer Erhebung, wird dabei häufig mittels des Lichtschnittverfahrens durchgeführt.The determination of the shape or other result data related to the surface shape, e.g. B. the volume, a test contour, z. As a survey, it is often carried out by means of the light section method.
Dabei wird ein fächerförmiger, also in nur einer Ebene aufgespreizter, Lichtstrahl auf die zu untersuchende Oberfläche aufgestrahlt, ergibt dort eine Lichtlinie und wird unter einem Winkel, meist einem spitzen Winkel, zur Bestrahlungsrichtung beobachtet, so dass der Verlauf der Lichtlinie auf der Oberfläche dort vorhandene Erhebungen erkennen lässt, indem auch das beobachtete Abbild der Lichtlinie auf einem optischen Sensor dann eine Erhöhung zeigt, wenn der linienförmig auftreffende Lichtstrahl-Fächer über diese Erhebung hinweg verläuft. In der Regel soll hierfür die Verlaufsrichtung der Lichtlinie nicht parallel zur Verlaufsrichtung der Erhebung liegen, sondern quer dazu.In this case, a fan-shaped, so spread in only one plane, light beam is irradiated to the surface to be examined, there is a line of light and is observed at an angle, usually an acute angle to the irradiation direction, so that the course of the light line on the surface there Surveys can be seen by the observed image of the light line on an optical sensor then shows an increase, when the linear incident light beam fan runs over this survey. In general, the direction of the light line should not be parallel to the direction of the survey, but transverse to it.
Derartige einzelne Abbilder von Lichtlinien auf dem Objekt können – während sich das Objekt relativ und in Querrichtung zur Lichtlinie bewegt – in kurzen zeitlichen Abständen vielfach angefertigt werden, so dass durch Hintereinanderstellung dieser einzelnen Höhenschnitte, also Scans, die 3-dimensionale Oberflächengestaltung ermittelt werden kann, und/oder damit zusammenhängende Parameter wie Höhe, Volumen, Breite, Lage der Erhebungen usw.Such individual images of lines of light on the object can be made many times in short time intervals while the object is moving relatively and transversely to the light line, so that the three-dimensional surface design can be determined by placing these individual height sections, ie scans, in succession. and / or related parameters such as height, volume, width, location of the surveys, etc.
Auch Schweißnähte oder Lötnähte zwischen aneinander angrenzenden Blechteilen im Automobilbau werden auf diese Art und Weise auf ihre Form und damit Qualität untersucht, indem vor allem unzulässige Vertiefungen in der Lötnaht vor dem Lackieren aufgefunden werden sollen.Also, welds or solder joints between adjacent sheet metal parts in the automotive industry are examined in this way on their shape and thus quality, especially inadmissible depressions in the solder seam to be found before painting.
Die Überprüfung auf Fehlstellen wird dabei in der Regel nicht nur unter einem einzigen, sondern unter zwei verschiedenen Beobachtungswinkeln durchgeführt.The inspection for defects is usually carried out not only under a single, but under two different observation angles.
Dabei tritt das Problem auf, dass – je nach Reflektionsverhalten der entsprechenden Stelle der Oberfläche – das Abbild z. B. der Lichtlinie auf dem optischen Sensor in bestimmten Abschnitten über- oder unterbelichtet sein kann und nicht verwertbar ist.The problem arises that - depending on the reflection behavior of the corresponding location of the surface - the image z. B. the light line on the optical sensor in certain sections over or underexposed and is not usable.
In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, die Oberfläche mit unterschiedlichen Lichtmengen zu belichten, und von den einzelnen Belichtungsschritten jeweils diejenigen Teile des Abbildes der Lichtlinie auf dem optischen Sensor auszulesen und abzuspeichern, die korrekt belichtet sind, also nicht überbelichtet und nicht unterbelichtet sind.In this context, it is already known to expose the surface with different amounts of light, and to read from the individual exposure steps respectively those parts of the image of the light line on the optical sensor and store, which are correctly exposed, so are not overexposed and not underexposed.
Auf diese Art und Weise ergeben sich dann Teil-Abbilder von z. B. Lichtlinien, die anschließend wieder zu einem Gesamtbild z. B. der Lichtlinie zusammengesetzt werden müssen, was mittels der elektronischen Auswerteeinheit jedoch möglich ist.In this way, partial images of z. B. light lines, which then back to an overall z. B. the light line must be assembled, but this is possible by means of the electronic evaluation.
Der Nachteil besteht darin, dass für die Belichtung mit unterschiedlichen Lichtmengen nicht nur unterschiedliche Beleuchtungsvorgänge, sondern zugehörig auch jeweils eine unterschiedliche Aufnahme mit dem optischen Sensor durchgeführt werden muss, was die Zeit für das Abtasten einer Prüfkontur verdoppeln kann.The disadvantage is that for the exposure with different amounts of light not only different lighting processes, but also a respective different recording with the optical sensor must be performed, which can double the time for scanning a test contour.
III. Darstellung der ErfindungIII. Presentation of the invention
a) Technische Aufgabea) Technical task
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe das optische Prüfen schneller durchgeführt werden kann, als mit den bisherigen Vorgehensweisen.It is therefore the object of the invention to provide a method and a device with the aid of which the optical testing can be carried out faster than with the previous approaches.
b) Lösung der Aufgabeb) Solution of the task
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is solved by the features of
Ausgangspunkt für die Erfindung ist die Überlegung, dass je nach Belichtung – also dem Produkt aus Beleuchtungsstärke und Beleuchtungszeit – der Oberfläche meist nur Teile der Lichtlinie richtig belichtet sind, also weder unter- noch überbelichtet sind, während die anderen Teile bei jeweils einer anderen Belichtung korrekt belichtet sind.Starting point for the invention is the consideration that depending on the exposure - ie the product of illuminance and illumination time - the surface usually only parts of the light line are properly exposed, so neither under nor overexposed, while the other parts in each case a different exposure correct are exposed.
Um die gesamte Lichtlinie korrekt belichtet als Abbild zu erhalten, werden erfindungsgemäß zwei unterschiedliche Vorgehensweisen vorgeschlagen:
Der ersten Vorgehensweise liegt die Überlegung zugrunde, dass das Auslesen der Helligkeitswerte eines einzelnen Pixels oder gar einer Zeile aus dem optischen Sensor derzeit ca. 2 ms benötigt, während eine typische Belichtungszeit für die Oberfläche eines zu prüfenden Objektes sehr viel länger ist, z. B. 500 ms. Selbst bei 50 Pixeln pro Lichtlinie kann man somit innerhalb von 100 ms die Werte aller Pixel der Lichtlinie einmal auslesen und damit einen solchen Auslesevorgang innerhalb der Belichtungszeit von 500 ms sogar fünfmal hintereinander durchführen.In order to obtain the entire light line correctly as an image, two different approaches are proposed according to the invention:
The first approach is based on the consideration that the readout of the brightness values of a single pixel or even a line from the optical sensor currently requires about 2 ms, while a typical exposure time for the surface of a object to be tested is much longer, z. B. 500 ms. Even at 50 pixels per line of light, it is thus possible to read out the values of all pixels of the light line once within 100 ms and thus perform such a read-out process within the exposure time of 500 ms even five times in succession.
Damit kann man das Auslesen bei 1/5, 2/5, 3/5, 4/5, sowie der vollen Belichtung der Oberfläche des Objektes jeweils einmal durchführen, und es ist davon auszugehen, dass eine der Belichtungsstufen ein verwertbares Bild oder zumindest Teil-Bild der Lichtlinie ergibt.Thus one can read-out at 1/5, 2/5, 3/5, 4/5, as well as perform the full exposure of the surface of the object each time, and it is assumed that one of the exposure steps a usable image or at least partial Image of the light line results.
Bei jeder Belichtungsstufe wird dieses verwertbare Teilbild der Lichtlinie in einem Speicher abgelegt.At each exposure stage, this usable partial image of the light line is stored in a memory.
Diese Teilbilder werden anschließend aus dem Speicher automatisch wieder zu einem Gesamtbild der Lichtlinie zusammengesetzt.These partial images are then automatically reassembled from memory into an overall image of the light line.
Die zweite Vorgehensweise besteht darin, die jeweils auf dem optischen Sensor korrekt belichteten Bereiche, also Pixel, der Lichtlinie gar nicht sofort in einen Speicher auszulesen, sondern mit dem korrekten Belichtungswert auf dem optischen Sensor zu fixieren (das so genannte „Einfrieren”) also bei den nachfolgenden Belichtungsstufen diese Pixel nicht weiter zu belichten.The second approach is to read the areas that are correctly exposed on the optical sensor, that is to say pixels, of the light line not at all immediately into a memory, but instead to fix it with the correct exposure value on the optical sensor (the so-called "freezing") the subsequent exposure levels these pixels no longer to expose.
Hierfür ist ein optischer Sensor Voraussetzung, der zum Einen – optimalerweise für jeden einzelnen Pixel oder zumindest für Pixelbereiche – die Überprüfung vornehmen kann, ob der Helligkeitswert des Pixels in einem vorgegebenen Bereich liegt und als zweiten Schritt diese Pixel oder Pixelbereiche wie oben beschrieben eingefroren werden können, also bei weiterer Belichtung der Oberfläche kein von dort reflektiertes Licht mehr zusätzlich aufnehmen.For this purpose, an optical sensor is required, on the one hand-optimally for each individual pixel or at least for pixel areas-to check whether the brightness value of the pixel is within a predetermined range and, as a second step, these pixels or pixel areas can be frozen as described above , so on further exposure of the surface no more reflected light from there more.
Nachdem auf diese Art und Weise der gesamte optische Sensor korrekt belichtet ist, wird er ausgelesen und sein Informationsgehalt wie bisher bekannt weiter verarbeitet.After correctly exposing the entire optical sensor in this way, it is read out and its information content is further processed as previously known.
Bei beiden Vorgehensweisen wird vorzugsweise miterfasst, welcher Pixel seinen Helligkeitswert, der abgespeichert wurde, mittels welcher Belichtungsstufe, also Beleuchtungsmenge der Oberfläche, erhalten hat.In both approaches, it is preferably also detected which pixel has received its brightness value that has been stored by means of which exposure level, that is to say illumination quantity of the surface.
Dies kann bei der Weiterverarbeitung der Helligkeitswerte der Pixel des Sensors mitberücksichtigt werden und lässt zum Einen eine genauere Auswertung und zum Anderen eventuelle Rückschlüsse auf die Struktur der beleuchteten Oberfläche und die in Zukunft zu verwendende Lichtmenge zu.This can be taken into account in the further processing of the brightness values of the pixels of the sensor and allows on the one hand a more accurate evaluation and on the other hand possible conclusions about the structure of the illuminated surface and the amount of light to be used in the future.
c) Ausführungsbeispielec) embodiments
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments according to the invention are described in more detail below by way of example. Show it:
Wenn auf einer zu überprüfenden Oberfläche eine z. B. erhabene linienförmige Prüfkontur wie etwa eine Schweißnaht mittels des Lichtschnitt-Triangulationsverfahrens überprüft wird, wird dabei mittels einer Laserlichtquelle ein fächerförmiger Laserlichtstrahl so auf die Prüfkontur aufgestrahlt, dass die sich auf der Oberfläche ergebende Lichtlinie quer zur Längsrichtung der Prüfkontur liegt.If on a surface to be checked a z. B. sublime line-shaped test contour such as a weld is checked by the light-cut triangulation method, a fan-shaped laser light beam is irradiated to the test contour by means of a laser light source so that the light line resulting on the surface is transverse to the longitudinal direction of the test contour.
Das von der Prüfkontur reflektierte Laserlicht wird als linienförmiges Abbild
Durch einen unterschiedlichen Betrachtungswinkel der Prüfkontur gegenüber dem Aufstrahlungswinkel des Laserlichts gibt es einen definierten geometrischen Zusammenhang, mittels dessen aus der Gestalt des Abbildes
Im vorliegenden Fall ist eine nach oben aufgewölbte Prüfkontur und dementsprechend ein eine Aufwölbung darstellendes Abbild
Die Abtastung der Prüfkontur erfolgt durch eine Vielzahl in Längsrichtung der Prüfkontur versetzt aufgestrahlte Lichtlinien und deren Auswertung, vorzugsweise in so geringem Abstand, dass eine lückenlose Überprüfung der Prüfkontur stattfindet. In der
Dabei wird das Problem klar, dass auch im Verlauf der Lichtlinie und damit des sich ergebenden Abbildes
Eine übliche Belichtungszeit beim Aufstrahlen einer Lichtlinie
Dabei kann es sein, dass bereits nach 100 ms Belichtungszeit auf dem optischen Sensor
Nach einer Belichtungszeit von 200 ms sind beispielsweise die Teilbereiche
Gleiches gilt z. B. nach 300 ms Belichtungszeit gemäß
Zunächst muss klargestellt werden, dass gemäß der Detaildarstellungen links oben in
Um dieses Problem zu lösen, werden erfindungsgemäß zwei Vorgehensweisen vorgeschlagen:
Die erste Vorgehensweise ist in den
The first approach is in the
Hierfür müssen der optische Sensor
Dabei wird während der Gesamtbelichtungszeit, beispielsweise zu festgelegten Belichtungszeiten, beim vorliegenden Beispiel etwa nach 100, 200, 300 und 400 ms, jeweils überprüft, ob es Pixel auf dem optischen Sensor
In this case, during the total exposure time, for example at fixed exposure times, in the present example, for example after 100, 200, 300 and 400 ms, it is checked in each case whether there are pixels on the
Bei der Belichtung nach 100 ms seien dies beispielsweise die Pixel P, die von den Teilbereichen
Zum zweiten Überprüfungszeitpunkt, beispielsweise nach 200 ms erfolgter Belichtung, wird diese Überprüfung erneut vorgenommen, aber nicht mehr für diejenigen Pixel, die bereits „eingefroren” waren, also der Teilbereiche
Auf der zweiten Belichtungszeitstufe nach beispielsweise 200 ms könnten dies also die Teilbereiche
Nach einer weiteren Belichtungszeit, dann nach insgesamt beispielsweise 300 ms, wird dieselbe Überprüfung durchgeführt, jedoch wiederum ohne die bereits eingefrorenen Pixel der Teilbereiche
Nach einer weiteren Teil-Belichtungszeit von weiteren 100 ms, also z. B. nach 400 ms, wird dieselbe Überprüfung wieder durchgeführt, nicht jedoch für die bereits eingefrorenen Pixel der Bereiche
Nach Ende der Gesamtbelichtungszeit von z. B. 500 ms wird dann der komplette Inhalt des optischen Sensors
Es ist möglich, dass der optische Sensor
So kann beispielsweise jede Reihe unterteilt sein in Gruppen von je fünf Pixeln, die nur gemeinsam auf ihren Helligkeitswert, dann beispielsweise die Summe ihrer Helligkeitswerte, überprüft werden kann.For example, each row can be subdivided into groups of five pixels each, which can only be checked jointly for their brightness value, then, for example, the sum of their brightness values.
Wird die korrekte Gesamthelligkeit einer solchen Gruppe von Pixeln bei einer der Überprüfungen festgestellt, so wird diese gesamte Gruppe von Pixeln hinsichtlich ihres Helligkeitswertes eingefroren. If the correct total brightness of such a group of pixels is determined during one of the checks, this entire group of pixels is frozen in terms of their brightness value.
Da das Abbild
Sofern der Sensor
Dabei wird zu den definierten Belichtungszeiten keine Überprüfung der Helligkeitswerte im Sensor durchgeführt, da dies der Sensor hinsichtlich seiner Bauform nicht zulässt, sondern der Sensor jeweils hinsichtlich der Helligkeitswerte aller seiner Pixel ausgelesen in einen Speicher
In this case, the brightness values in the sensor are not checked at the defined exposure times, since the sensor does not permit this with respect to its design, but rather the sensor is read into a memory with regard to the brightness values of all its
Dabei werden von jeder quer zur Verlaufsrichtung
Dies kann im einfachsten Fall erfolgen, indem der Speicher
Um den Speicherbedarf zu verringern, besteht eine Variante darin, pro in diesem Fall Reihe R nur die Position des obersten durch die Lichtlinie
In dem ebenfalls in Form eines Rechteckrasters faktisch in Reihen und Zeilen oder auf andere Art geordneten Speichers
Wie ersichtlich, werden im weiteren Verlauf, ab der fünften Spalte durch die Krümmung des Abbildes
Nach dem Auslesen des Inhalts des Sensors
Auf der ersten Belichtungszeitstufe bei z. B. 100 ms werden dies die Pixel des Bereiches
Derselbe Auslesevorgang wird bei den festgelegten Zwischenzeiten der Gesamtbelichtungszeit, also z. B. bei 200, 300, 400 und 500 ms, ebenfalls durchgeführt, wodurch dann nacheinander die Pixel der Bereiche
Auch bei dieser Methode kann es sein, dass man anstelle der Helligkeitswerte H einzelner korrekt belichteter Pixel nur die Gesamthelligkeitswerte von definierten Gruppen von Pixeln bzw. Speicherplätzen überprüft, analog zur ersten Methode, um z. B. den Speicherbedarf und Auswerteaufwand zu reduzierten.In the case of this method, too, instead of the brightness values H of individual correctly exposed pixels, it is possible to check only the total brightness values of defined groups of pixels or memory locations, analogously to the first method, in order, for. B. reduced the memory requirements and evaluation effort.
Vorzugsweise wird vor allem bei der zweiten Methode mitgespeichert, auf welcher Belichtungsstufe, also nach welcher Belichtungszeit, der jeweilige Helligkeitswert des Pixels oder der Gruppe von Pixeln abgespeichert wurde.Preferably, especially in the second method, it is stored on which exposure stage, ie after which exposure time, the respective brightness value of the pixel or the group of pixels was stored.
Dies kann in einem separaten Feld des Speichers, z. B. pro Reihe geschehen, wie auch die Position des obersten Pixels pro Reihe abgespeichert wird, oder pro einzelnem Pixel.This can be done in a separate field of memory, e.g. Example, per row, as well as the position of the top pixel per row is stored, or per single pixel.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- 22
- 33
- Umgebungsbereichsurrounding area
- 44
- Abstanddistance
- 4a–d4a-d
- Teilbereichsubregion
- 55
- 66
- Detektoreinheitdetector unit
- 77
- 88th
- Verlaufsrichtungrunning direction
- 99
- 10 10
- SpeicherStorage
- 11 11
- Verarbeitungseinheitprocessing unit
- 12 12
- Optischer SensorOptical sensor
- 1313
- 1414
- Lichtquellelight source
- AA
- Auslesevorgangreading process
- HH
- Helligkeitswertbrightness
- PP
- Pixelpixel
Claims (7)
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