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Die Erfindung betrifft allgemein die Detektion von Oberflächenfehlern an flächigen Werkstücken. Insbesondere betrifft die Erfindung die Erfassung von lokalen Deformationen ebener, reflektierender Oberflächen.
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Lokale Oberflächenverformungen in glänzenden Objekten, wie beispielsweise Glasartikeln absorbieren keine Lichtstrahlung und sind daher mit einfachen optischen Inspektionsverfahren nicht nachweisbar. Diese Verformungen führen allenfalls zu einer Ablenkung von Lichtstrahlen, entweder in Transmission oder in Reflexion.
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Solche Oberflächenverformungen stellen in den meisten Fällen einen Qualitätsmangel des entsprechenden Produktes dar, der im Herstellungsprozess möglichst frühzeitig erkannt und aussortiert werden sollte. Automatische Inspektionssysteme, die solche Oberflächenverformungen mit Transmissionsstrahlengängen erkennen, sind marktverfügbar. Solche Systeme funktionieren nur, wenn das zu untersuchende Objekt transparent und beide Oberflächen glatt sind, wie es beispielsweise bei Flachglas der Fall ist. Die entsprechenden Vorrichtungen sind kostspielig. Verfahren zur dreidimensionalen Oberflächenerfassung sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise das Verfahren der Deflektometrie. Diese Verfahren sind in der Lage, relativ komplexe Geometrien von unbewegten Objekten aufzunehmen und sind daher technisch sehr aufwendig. Wegen der Rückseitenreflexe bekommen Deflektometrieverfahren bei der Vermessung von Glasscheiben inhärent Probleme, da die beiden Reflexe schwer zu unterscheiden sind. Weitere Verfahren zur Erfassung der dreidimensionalen Oberflächentopographie sind Triangulation, Lichtschnitt, Streifenprojektion, Shape-from-Shading, Photogrammetrie/Stereoskopie und davon abgeleitete Methoden. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, dass von der Oberfläche gestreutes Licht erfasst wird. Während die Verfahren für matte Oberflächen sehr gute Resultate bringen, besteht aber das Problem, dass glatte und glänzende Oberflächen kein oder nicht hinreichend viel Streulicht erzeugen. Diese Verfahren funktionieren für Objekte mit glänzenden Oberflächen nicht, weil dort das am Objekt reflektierte Licht nicht in den Detektor gelangt.
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Ein geeignetes Verfahren an glänzenden Oberflächen wäre eine interferometrische Vermessung. Interferometrie erfordert aber unter anderem aufgrund der Empfindlichkeit des Interferenzmusters auf Lageänderungen ein sehr ruhig gehaltenes Objekt. Das Verfahren ist also dann nicht mehr geeignet, wenn, beispielsweise unter Produktionsbedingungen bei einer In-Line-Vermessung, eine Bewegung des Objekts in der Detektionsrichtung nicht ausgeschlossen werden kann. Kommt es beispielsweise zu Vibrationen, die schnell in der Größenordnung der zum Vermessen verwendeten Lichtwellenlänge liegen, kann ein Interferenzmuster nicht mehr aufgenommen werden.
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Aus der
DE 199 44 354 A1 und J. Bähr et al., „Abbildungsfreies Vermessen spiegelnder Freiformflächen“, Photonik 5/2007 ist ein deflektometrisches Verfahren bekannt, bei welchem ein zu untersuchendes, spiegelndes Objekt mit kollimierten Lichtstrahlen abgetastet wird, um die dreidimensionale Form der Oberfläche zu ermitteln. Dieses Verfahren basiert auf einer mehrfachen Bildaufnahme an einem stehenden Objekt. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass das Objekt ruhen muss und dass die Abtastung nur punktuell erfolgt. Jeder der diskreten Teilstrahlen liefert nur einen korrespondierenden Punkt des 3D-Modells. Kleine punktuelle Deformationen der Oberfläche, die zwischen den Auftreffpunkten der Lichtstrahlen liegen, werden nicht erfasst.
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Wünschenswert wäre daher ein einfaches und schnelles Verfahren, um kleine Oberflächendeformationen an spiegelnden, beziehungsweise glänzenden, bewegten Werkstücken ermitteln zu können.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein einfaches und robustes Verfahren dar, um an bewegten Glasobjekten oder allgemein glänzenden Objekten Abweichungen von einer gleichförmigen Oberflächenform nachzuweisen. Die zu untersuchenden Objekte müssen dabei nicht transparent sein. Wenn sie transparent sind, können sie auf der Seite der Oberfläche, welche der untersuchten Seite gegenüberliegt, eine beliebige Oberflächenstruktur haben.
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Die zu untersuchenden Objekte bewegen sich dabei erfindungsgemäß während der Messung. Die Bewegung erfolgt vorzugsweise gleichförmig. Eine kontinuierliche Bewegung ist beispielsweise innerhalb eines kontinuierlichen Produktionsprozesses, etwa durch einen Förderer gegeben. Die Bewegung kann gleichförmig, beziehungsweise mit konstanter Geschwindigkeit sein. Eine nicht-gleichförmige Bewegung ist aber ebenfalls möglich, insbesondere solange der Bewegungsablauf bekannt ist und die mit der beschriebenen Vorrichtung aufgenommenen Messdaten auf die jeweils abgetastete Position des Objektes zurück geführt werden können.
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Im Speziellen liegt der Erfindung ein Verfahren zur Detektion von Oberflächendeformationen auf spiegelnd reflektierenden Objekten zugrunde, bei welchem eine Lichtquelle vorgesehen ist, welche zumindest einen linienförmigen Hell-Dunkel-Übergang aufweist, wobei mit der Lichtquelle die Oberfläche des Objekts unter schrägem Winkel beleuchtet wird, und wobei mittels eines bildgebenden Detektors das von der Oberfläche des Objekts reflektierte Licht der Lichtquelle und der Verlauf des Hell-Dunkel-Übergangs mehrfach zeitlich hintereinder erfasst werden, während das Objekt relativ zur Anordnung aus bildgebendem Detektor und Lichtquelle bewegt wird. Dabei liegt die Bewegungsrichtung des Objekts quer zur Längsrichtung des Hell-Dunkel-Übergangs. Eine Oberflächendeformation auf der Oberfläche des Objekts wird anhand einer lokalen Abweichung vom linienförmigen Verlauf des mit dem bildgebendem Detektor abgebildeten Hell-Dunkel-Übergangs erfasst.
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Eine entsprechend zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildete Vorrichtung zur Detektion von Oberflächendeformationen auf spiegelnd reflektierenden Objekten umfasst
- – eine Lichtquelle, welche zumindest einen linienförmigen Hell-Dunkel-Übergang aufweist,
- – einen bildgebenden Detektor, eingerichtet zur zeitlich sequentiellen Aufnahme von Bildern, sowie
- – eine Vorschubeinrichtung zur Bewegung des Objekts relativ zur Anordnung aus bildgebendem Detektor und Lichtquelle.
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Die Vorschubeinrichtung ist so eingerichtet, dass die Bewegungsrichtung des Objekts quer zur Längsrichtung des Hell-Dunkel-Übergangs liegt. Die Lichtquelle ist so angeordnet, dass diese die Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts unter schrägem Winkel, also unter einem Winkel relativ zur Oberflächennormalen beleuchtet. Der bildgebende Detektor ist weiterhin so angeordnet, dass dieser das von der Oberfläche des Objekts reflektierte Licht der Lichtquelle und den Verlauf des Hell-Dunkel-Übergangs erfasst, während das Objekt relativ zur Anordnung aus bildgebendem Detektor und Lichtquelle mittels der Vorschubeinrichtung bewegt wird.
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Die Vorrichtung umfasst eine Recheneinrichtung zur Verarbeitung von mehrfach zeitlich hintereinander und damit aufgrund der Bewegung des Objekts an unterschiedlichen, in Bewegungsrichtung versetzten Orten aufgenommenen Bilddaten des bildgebenden Detektors. Die Recheneinrichtung ist eingerichtet, eine Oberflächendeformation auf der Oberfläche des Objekts anhand einer lokalen Abweichung vom linienförmigen Verlauf des mit dem bildgebendem Detektor abgebildeten Hell-Dunkel-Übergangs in den Bilddaten zu erfassen. Die Erfassung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren alternativ oder zusätzlich aber auch visuell erfolgen. Dazu kann eine Bilddarstellungseinrichtung, wie etwa ein Bildschirm vorgesehen werden, mit welcher die Bilddaten, beziehungsweise die Bilder des aufgenommenen Hell-Dunkel-Übergangs dargestellt werden.
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Die Erfindung eignet sich besonders für die Inline-Inspektion von Flachglas-Produktionsanlagen. Durch die sequentielle Bildaufnahme kann mit der Bildserie die Oberflächentopographie eines in Bewegungsrichtung beliebig langen Objekts aufgenommen und anhand von in den Bildern auftretenden lokalen Abweichungen vom Verlauf des linienförmigen Hell-Dunkel-Übergangs der Ort, die Ausdehnung und die vertikale Erstreckung von Oberflächendeformationen erfasst werden. Diese Vorteile sind selbstverständlich auch bei der Untersuchung anderer Objekte gegeben.
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In einer solchen Flachglas-Produktionsanlage wird ein kontinuierliches Glasband aus einer Schmelze oder aus einem Vorkörper gezogen. Eine Vorschubeinrichtung ist im Allgemeinen Bestandteil einer solchen Anlage. Als Beispiel sei eine Walzglas-Fertigungsanlage genannt. Die Erfindung ist hierzu sehr geeignet, da eine kontinuierliche Bewegung des Glasbandes ohnehin aufgrund des Herstellungsprozesses erfolgt und das erfindungsgemäße Verfahren auch nicht sehr empfindlich auf Änderungen des Abstands der Lichtquelle oder des bildgebenden Detektors zur zu untersuchenden Glasoberfläche ist. Damit stören Bewegungen des Glasbands senkrecht zur regulären Transportrichtung beim Vorbeiführen an der Messanordnung weniger, als bei anderen Verfahren.
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Solche Bewegungen können beispielsweise durch Schwingungen verursacht werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist daher auch eine Flachglas-Herstellungsvorrichtung zur Herstellung eines Flachglas-Bands aus einer Schmelze oder einem erweichten Vorkörper vorgesehen, welche eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst oder zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend genauer und anhand der beigeschlossenen Figuren erläutert. In den Figuren bezeichnen dabei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente.
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Es zeigen:
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1 schematisch in seitlicher Ansicht eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform in Aufsicht,
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3 eine mögliche Ausgestaltung einer Vorrichtung gemäß den 1 und 2,
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4 eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Ansicht,
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5 Beispiele von Lichtquellen für die in 4 gezeigte Ausführungsform,
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6 Aufnahmen von Hell-Dunkel-Übergängen, aufgenommen mit einer Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung und daraus rekonstruierte Oberflächentopographien,
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7 eine Auswertung des Kontrasts verschiedener Fehlergrößenklassen von Oberflächendeformationen,
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8 Aufnahmen von Hell-Dunkel-Übergängen, aufgenommen mit einer Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
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9 eine Flachglas-Herstellungsvorrichtung.
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In den 1 und 2 ist schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Mit der Vorrichtung 2, beziehungsweise dem mit der Vorrichtung 2 durchführbaren Verfahren werden lokale Deformationen 30 der Oberfläche 9 eines spiegelnd reflektierenden Objekts 3 detektiert. Insbesondere kann es sich bei dem spiegelnd reflektierenden Objekt 3 um ein Glasband 32 handeln. Die Vorrichtung 2 umfasst eine Lichtquelle 1, welche zumindest einen linienförmigen Hell-Dunkel-Übergang aufweist.
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Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird dazu das Objekt 3 mit einem in einer Richtung kollimierten, in Richtung quer zur Bewegungsrichtung des Objekts ausgedehnten Lichtstrahl beleuchtet. Es ist bevorzugt, aber nicht notwendig, dass die Bewegungsrichtung senkrecht zur Richtung der Ausdehnung des Lichtstrahls liegt. Um die Oberfläche 9 des Objekts abzutasten, ist der Lichtstrahl nur in einer Richtung kollimiert, in der anderen Richtung ausgedehnt (in der Darstellung der 1 senkrecht zur Papierebene). Auf dem Schirm erscheint als Reflex dann eine ganze Linie. Ein solcher kollimierter Lichtstrahl kann insbesondere ein in einer Richtung aufgeweiteter Laserstrahl 100 sein. Dieser Laserstrahl 100 wird von einem Laser 15 erzeugt. Eine aufweitenden Optik 17 ist vorgesehen, welche ausgebildet ist, den vom Laser 15 erzeugten Laserstrahl 100 in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung des Objekts 3 aufzuweiten. Beispielsweise kann die aufweitende Optik 17 ein Linienfokus sein, mit welchem der Laserstrahl in einer Richtung aufgefächert wird. Die Position des Linienfokus kann dabei gemäß einer Weiterbildung der Erfindung hinter der Reflexion, also zwischen der reflektierenden Oberfläche und dem Schirm liegen. Dies hat sich für eine hohe Messgenauigkeit als günstig erwiesen.
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Die Bewegungsrichtung ist in den Figuren durch einen Pfeil 21 gekennzeichnet. Der Pfeil ist als Doppelpfeil dargestellt, da das Verfahren sowohl mit einer Bewegung auf das einfallende Licht zu, als auch entgegengesetzt gleichermaßen gut funktioniert.
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Wie anhand von 1 ersichtlich ist, wird der kollimierte Lichtstrahl, vorzugsweise ein Laserstrahl 100, schräg auf die zu untersuchende, reflektierende Oberfläche 9 gerichtet. Der Reflex fällt auf einen Schirm 6.
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Fällt ein solcher in einer Richtung kollimierter Strahl, vorzugsweise ein aufgefächerter Laserstrahl 100 auf einen Schirm 6, so erscheint der Strahl dort, wie in 2 dargestellt, als leuchtende Linie, die einen auf dem Schirm 6 abgebildeten Hell-Dunkel-Übergang 10 repräsentiert. In Richtung senkrecht zu dieser Linie ergibt sich ein Hell-Dunkel-Übergang, nämlich vom Ort der Maximalintensität im Bereich des Laserstrahls zu einem Ort neben dem Laserstrahl, der dementsprechend nicht ausgeleuchtet und damit dunkel ist.
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Das Schirmbild wird mit einem bildgebenden Detektor 5, vorzugsweise einer elektronischen Matrixkamera aufgenommen, um lokale Deformationen zu erfassen. Diese Ausführungsform der Erfindung basiert also darauf, dass der Lichtstrahl nach der Reflexion an der Oberfläche 9 des Objekts 3 auf einen Schirm 6 fällt. Der bildgebende Detektor 5 ist so angeordnet, dass dieser das Bild des mit dem Laserstrahl 100 beleuchteten Schirms 6 erfasst und aufnimmt.
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Die Bilder, insbesondere in Form einer Bildserie können dann digital ausgewertet werden. Dazu ist eine Recheneinrichtung 19 zur Verarbeitung von Bilddaten des bildgebenden Detektors 5 vorgesehen. Die Aufnahmerate, also der zeitliche Abstand zwischen zwei jeweils nacheinander aufgenommenen Bildern, kann dann bei der Auswertung in Bezug zur Geschwindigkeit des Objektes gesetzt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, ohne Beschränkung auf das in 1 gezeigten Beispiel, werden die Aufnahmen des bildgebenden Detektors 5 zeitlich getriggert. Über die Geschwindigkeit des Objekts 3 können dann den Zeitabständen zwischen den einzelnen Aufnahmen Abstände der Aufnahmeorte auf der Oberfläche des Objekts 3 zugeordnet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine Zuordnung der Aufnahmen zu Aufnahmeorten auch über eine ortsabhängige Triggerung des bildgebenden Detektors 5 erfolgen.
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Dazu ist in Weiterbildung der Erfindung eine Bewegungserfassungseinrichtung 7 vorgesehen, mit welcher die Bewegung des Objekts 3 erfasst wird. Die Bewegungserfassungseinrichtung 7 löst den bildgebenden Detektor 5 derart aus, dass der bildgebende Detektor 5 jeweils nach vorbestimmten, von der Bewegungserfassungseinrichtung 7 erfassten Vorschubstrecken Bilder aufnimmt. Der bildgebende Detektor 5 wird also durch die Bewegungserfassungseinrichtung 7 getriggert. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Bewegungserfassungseinrichtung 7 ein mit einer Vorschubeinrichtung 12 gekoppelter Drehgeber. Dieser sendet Triggersignale an den bildgebenden Detektor 5. Es ist auch möglich, die Bewegung des Objekts 3 auf andere Weise zu erfassen, etwa mittels eines von der sich bewegenden Oberfläche des Objekts 3 angetriebenen mechanischen Sensors oder auch mittels einer optischen Messung. Streut die Oberfläche hinreichend, kann beispielsweise ein Laser-Doppler-Sensor als Bewegungserfassungseinrichtung 7 verwendet werden.
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Die Position des aufgrund der Form des Lichtstrahls linienförmigen Reflexes auf dem Schirm 6 hängt von der lokalen Oberflächenneigung ab. Ändert sich die Oberflächenneigung, dann bewegt sich der Reflex auf dem Schirm. Wird also das zu untersuchende Objekt 3 (vorzugsweise kontinuierlich) mittels einer Vorschubeinrichtung 12 unter dem Laserstrahl 100 hindurch bewegt, so kommt es beim Abtasten einer Oberflächendeformation 30 zu einer Oszillation des Reflexes auf dem Schirm 6. Im Speziellen werden Teilstrahlen des Lichtstrahls, die auf die Deformation fallen, insbesondere in Richtung des Schnitts der Reflexionsebene mit dem Schirm 6 abgelenkt.
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1 zeigt zur Verdeutlichung eine beispielhafte Deformation 30 in Form einer konkaven Vertiefung. Der gestrichelt eingezeichnete Pfeil kennzeichnet einen an der nicht deformierten Oberfläche 9 reflektierten Spiegelstrahl des auf die Oberfläche 9 gerichteten Laserstrahls 100. Im Bereich der Deformation 30 ändert sich gegenüber nicht deformierten Bereichen lokal die Neigung der Oberfläche 9. Dies führt zu einer Ablenkung des auf diesen Bereich fallenden Teilstrahls des Lichtstrahls 100. Aufgrund der Neigung der Oberfläche mit einer von der Lichtquelle 1 weg geneigten, als gestrichelte Linie eingezeichneten Oberflächennormalen 23 wird bei dem in 1 gezeigten Beispiel der Lichtstrahl unter flacherem Winkel reflektiert, als ein an einer ebenen Oberfläche gespiegelter Lichtstrahl.
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Eine lokale Oberflächendeformation 30 führt dann entsprechend zu einer lokalen Ausbeulung dieser Lichtlinie, beziehungsweise dem abgebildeten Hell-Dunkel-Übergang 10 auf dem Schirm 6. Bei einer (kontinuierlichen) Bewegung des zu untersuchenden Objekts geht diese Ausbeulung zuerst nach oben, dann nach unten, bzw. umgekehrt, entsprechend der Abfolge der Neigungen je nachdem ob es sich um eine Beule oder eine Delle handelt. Die Amplitude der Ausbeulung wird von der maximalen Neigung der Oberflächendeformation bestimmt und lässt damit Schlüsse auf die Form der Oberflächendeformation in der Tiefe zu.
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Die Breite des Lichtstrahls auf der Oberfläche (gemessen in Richtung der Relativbewegung) sollte deutlich kleiner sein als die laterale Ausdehnung der Deformation. Allgemeiner gesagt sollte der Hell-Dunkel-Übergang 10 eine Breite haben, die geringer ist, als die Deformation 30.
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Der schräge Winkel, mit dem der Lichtstrahl auf die zu untersuchende Oberfläche 9 gerichtet wird, ist prinzipiell frei wählbar.
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Die Abfolge der Ausbeulungen der Lichtlinie auf dem Schirm 6 lässt sich von automatischen Bildverarbeitungsprogrammen detektieren. Dementsprechend ist die Recheneinrichtung 19 eingerichtet, eine Oberflächendeformation 30 auf der Oberfläche 9 des Objekts 3 anhand einer Abweichung vom linienförmigen Verlauf des mit dem bildgebendem Detektor 5 abgebildeten Hell-Dunkel-Übergangs 10 in den Bilddaten zu erfassen. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel führt die lokale Oberflächenneigung an der Deformation 30 zu einer Abweichung δ vom linienförmigen Verlauf.
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Durch eine Synchronisation der Geschwindigkeit des zu untersuchenden Objektes 3, beziehungsweise der Vorschubeinrichtung 12 mit der Aufnahmerate des bildgebenden Detektors 5 ist die Abtastrate bekannt. Damit lässt sich in einfacher Weise auf die laterale Ausdehnung der Oberflächendeformation 30 in Bewegungsrichtung 21 zurückschließen.
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Mit automatischer Bildauswertung ist es möglich, die Ausbeulung immer relativ zum umgebenden, nicht ausgelenkten Teil der Lichtlinie zu betrachten. Es kann beispielsweise durch die Recheneinrichtung eine automatische Nachführung einer Referenzlinie errechnet werden.
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Damit wird das Verfahren unempfindlich gegen Verkippungen des zu untersuchenden Objektes und Änderungen der Höhenlage, etwa in Folge von Schwingungen. Analoges gilt für gekrümmte Objektoberflächen, bei denen anders als in 2 gezeigt eine gekrümmte Lichtlinie zu beobachten ist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist daher auch allgemein, ohne Beschränkung auf die spezielle Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels der 2 ein Verfahren vorgesehen, bei welchem ein Objekt 3 mit einer gekrümmten Oberfläche relativ zur Anordnung aus bildgebendem Detektor 5 und Lichtquelle 1 bewegt wird, wobei vom bildgebenden Detektor 5 ein entsprechend der Krümmung der Oberfläche des Objekts 3 gekrümmt verlaufender linienförmiger Hell-Dunkel-Übergang 10 aufgenommen wird, und wobei anhand einer lokalen Abweichung von der Krümmung des Hell-Dunkel-Übergangs eine Oberflächendeformation erfasst wird.
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Auch hier führen lokale Oberflächendeformationen nur zu lokalen Auslenkungen der Lichtlinie, die mit entsprechenden Bildverarbeitungsverfahren relativ zur (gekrümmten) Referenzlinie detektierbar sind.
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Selbstverständlich kann diese Ausführungsform auch mit der Erfassung von Deformationen an ebenen Objektoberflächen, die den Hell-Dunkel-Übergang als gerade Linie abbilden, kombiniert werden. Beispielsweise kann das Objekt sowohl ebene, als auch gekrümmte Oberflächenabschnitte aufweisen. Der vom bildgebenden Detektor aufgenommene Hell-Dunkel-Übergang weist dann sowohl gerade, als auch gekrümmte Abschnitte auf.
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Wenn es für eine große laterale Auflösung notwendig ist, den Beleuchtungstrahl (in Richtung der Bewegung) stark zu fokussieren, kann dieser Strahl bis zum Auftreffen auf dem Schirm auffächern und führt zu einer im Vergleich zum Auftreffort auf der Oberfläche breiteren Lichtlinie. Auch wenn diese Breite größer ist, als die Auslenkung durch eine Oberflächendeformation, ist eine Detektion aber noch möglich, da mit Bildverarbeitungsverfahren der Schwerpunkt der Linie, beziehungsweise des Hell-Dunkel-Übergangs (quer zur seitlichen Ausdehnung) berechnet und so die "dicke" Linie wieder auf eine geometrisch ideale Linie zurückführbar ist.
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Durch die Anordnung in Reflexion ist das Verfahren prinzipiell auch empfindlicher wie Verfahren in Transmission, da die Winkeländerung des Lichtstrahls durch eine geneigte Oberfläche in Reflexion doppelt so groß ist.
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Ein besonderer Vorzug des Verfahrens liegt auch darin, dass mit der lokalen Neigung eine Größe erfasst wird, die proportional zur ersten Ableitung der Form der Deformation ist. Die Form der Deformation kann demgemäß durch Integration der Ausbeulung des abgebildeten Hell-Dunkel-Übergangs rekonstruiert werden. Daten, die durch Integration einer Messgröße gewonnen werden, sind im Allgemeinen besonders rauscharm und genau. Im Speziellen kann durch die Bildverarbeitung der jeweilige Abstand des Hell-Dunkel-Übergangs zu einer ermittelten Referenzlinie bestimmt und diese Größe aufintegriert werden. Auch ist das Verfahren aufgrund der Messung in Reflexion gegenüber Verfahren, die in Transmission messen, vorteilhaft, da das Verfahren eindeutig Deformationen der Oberfläche von lichtablenkenden Strukturen im Inneren oder auf der Rückseite des Objekts unterscheiden kann.
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3 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der in den 1 und 2 schematisch dargestellten Vorrichtung. Lichtquelle 1 und bildgebender Detektor 5 sind in separaten Gehäuseteilen 25, 26 angeordnet. Als Lichtquelle 1 wird ein Laser 15 mit Linienfokus verwendet. Eine kompakte Anordnung wird erzielt, indem der Laser 15 senkrecht zur Oberfläche 9 des zu untersuchenden Objekts 3 (beispielsweise ein Flachglas 32) strahlt und auch die Blickrichtung des bildgebenden Detektors senkrecht auf die Oberfläche 9 weist. Der erfindungsgemäße schräge Winkel, unter dem der Laserstrahl 100 die Oberfläche 9 des Objekts 3 trifft, wird durch Umlenkspiegel 27, 28 in den Gehäuseteilen 25, 26 erzielt. Zur Aus- und Einkopplung des Lichts in das jeweilige Gehäuseteil 25, 26 sind Fenster 29 vorgesehen.
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Der bildgebende Detektor 5 schaut bei diesem Ausführungsbeispiel ähnlich wie bei 2 auf die der bestrahlten Seite gegenüberliegende Seite des Schirms 6.
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Bei der anhand der Beispiele der 1, 2 und 3 erläuterten Ausführungsform der Erfindung wird eine gerichtete Beleuchtung verwendet. Die gerichteten, kollimierten Lichtstrahlen werden am Schirm durch Streuung oder diffuse Reflexion in ungerichtete Lichtstrahlen umgewandelt, um mit dem bildgebenden Detektor 5 den Hell-Dunkel-Übergang abbilden zu können. Denkbar wäre zwar auch, den kollimierten Lichtstrahl direkt auf den Bildsensor des bildgebenden Detektors zu richten, dies hätte aber zur Folge, dass die erfassbare Auslenkung des Lichtstrahls durch die Apertur der Abbildungsoptik des bildgebenden Sensors begrenzt ist. Der kollimierte Lichtstrahl kann nur detektiert werden, solange er auf die Abbildungsoptik fällt. Ist der Ablenkungswinkel zu groß, fällt der abgelenkte Lichtstrahl nicht mehr in die Eingangsapertur des bildgebenden Detektors. Bei einer Ausführungsform, die auf den Einsatz eines Schirms bei der Abbildung des reflektierten Lichtstrahls verzichtet, wird daher eine diffus abstrahlende Lichtquelle vorgesehen. Demgemäß ist eine Einrichtung vorgesehen, welche das am Hell-Dunkel-Übergang abgegebene Licht diffus macht.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird hierzu gleich eine diffus strahlende Lichtquelle vorgesehen.
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In dieser Variante schaut ein bildgebender Detektor, wie vorzugsweise eine Matrixkamera indirekt über die Reflexion an der zu untersuchenden Oberfläche 9 in eine Lichtquelle mit einem Hell-Dunkel-Übergang. Eine solche Lichtquelle kann beispielsweise wiederum linienförmig sein.
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Diese Lichtquelle ist nicht auf ein Parallelstrahlbündel kollimiert, sondern sendet Licht in einem Raumwinkel aus, so dass das Licht von verschiedenen Richtungen aus sichtbar ist. Durch eine Oberflächendeformation ändert sich lokal die Lage des virtuellen Bildes der Lichtquelle aus der Perspektive des bildgebenden Detektors und damit auch die Position des Hell-Dunkel-Übergangs. Im Kamerabild sind ganz analoge Ausbeulungen erkennbar, wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Es gelten auch die gleichen Argumente hinsichtlich Rekonstruktion der Form der Deformation, der Verkippung des zu untersuchenden Objektes und gekrümmter Oberflächen.
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung basiert also darauf, dass eine Lichtquelle 1 verwendet wird, welche in zumindest einem Raumwinkelbereich diffus Licht abgibt, so dass der linienförmige Hell-Dunkel-Übergang 10 aus verschiedenen Richtungen innerhalb des Raumwinkelbereichs sichtbar ist.
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Die Lichtquelle 1 des in 4 gezeigten Beispiels umfasst ein diffus leuchtendes Leuchtelement 103. Um einen linienförmigen Hell-Dunkel-Übergang zu erzeugen, ist dem Leuchtelement 103 beispielsweise eine Schlitzblende 105 vorgeschaltet. Jede der Kanten der Schlitzblende 105 bildet einen Hell-Dunkel-Übergang. Ist die Schlitzblende sehr eng, erscheint die Lichtquelle 1 bei Betrachtung wie eine leuchtende Linie. Neben einem als dicker Pfeil eingezeichneten Lichtstrahl 101, der vom bildgebenden Detektor 5 abgebildet wird, sind noch zwei aus der Lichtquelle 1 austretende Lichtstrahlen als gestrichelte Linien eingezeichnet. Diese Lichtstrahlen sind die Randstrahlen des von der Lichtquelle 1 ausgeleuchteten Raumwinkelbereiches Φ. Der bildgebende Detektor 5 ist nun so angeordnet, dass dieser das nach der Reflexion des Lichts an der Oberfläche 9 des Objekts 3 gespiegelte Bild der Lichtquelle 1 erfasst. Der Hell-Dunkel-Übergang, hier speziell das linienförmige Bild der ausgeleuchteten Schlitzblende 105 wird dazu mittels einer Optik 50 auf einen Matrixsensor 52 des bildgebenden Detektors 5 abgebildet.
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Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen ist die Lichtquelle 1 mehr oder weniger linienförmig. Dies ist jedoch nicht zwingend. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform kann die Schlitzblende 105 auch durch eine Kantenblende ersetzt werden. Dann ergibt sich der Hell-Dunkel-Übergang an der Kante dieser Blende. Im aufgenommenen Bild einer solchen Quelle ergeben sich dann entsprechend ein helles und ein dunkles Feld, wobei diese Felder durch einen linienförmigen Hell-Dunkel-Übergang getrennt sind.
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5 zeigt hierzu verschiedene Beispiele geeigneter Lichtquellen 1. In Teilbild a) der 5 ist das vorstehend erwähnte Beispiel einer Lichtquelle 1 mit einer Kantenblende 106 und diffus abstrahlendem Leuchtelement 103. Die Kante der Kantenblende 106 ist in der Abbildung des bildgebenden Detektors dann als linienförmiger Hell-Dunkel-Übergang sichtbar.
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Teilbild b) zeigt ein Beispiel mit einer Streifenblende 107. Bei dieser Ausführungsform wird mittels der Streifenblende 107. Die Streifenblende 107 bewirkt eine streifenförmige Abschattung des ausgedehnten, diffus abstrahlenden Leuchtelements 103. Jede der beiden Kanten des Streifens bildet einen Hell-Dunkel-Übergang 10. Diese Ausführungsform stellt gewissermaßen die Negativform einer Schlitzblende 105 dar. Es ist ohne weiteres auch möglich, noch weitere Hell-Dunkel-Übergänge 10 zu schaffen, indem mehrere solcher Streifen, oder mehrere Schlitze vorgesehen werden. Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung wird dazu eine Gitterblende vorgesehen. Ein Beispiel mit einer solchen Gitterblende zeigt Teilbild c). Die Gitterblende 109 umfasst mehrere Drähte 111, die vorzugsweise parallel zueinander verlaufen. Sind die Drähte 111 sehr dünn, bildet jeder der Drähte 111 einen einzelnen Hell-Dunkel-Übergang. Eine Lichtquelle 1 mit mehreren Hell-Dunkel-Übergängen 10 vorzusehen kann vorteilhaft sein, wenn mehrere Hell-Dunkel-Übergänge 10 simultan auf dem Matrixdetektor 52 abgebildet werden. Auf diese Weise kann die Oberfläche 9 des Objekts beim Vorbeibewegen an der Anordnung aus Lichtquelle und bildgebendem Detektor ohne zeitlichen Mehraufwand mehrfach abgetastet werden.
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Bei dem Verfahren gemäß der Ausführungsform mit diffus abstrahlender Lichtquelle wird die laterale Auflösung unter anderem bestimmt durch die Ausdehnung des Lichtbündels im Abbildungsstrahlengang, der durch den Abstand der Kamera von der zu untersuchenden Oberfläche und der Apertur des Objektivs abhängig sind.
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Sowohl die Variante mit einem kollimierten Strahl, als auch mit diffus abstrahlender Lichtquelle sind geeignet, Oberflächendeformationen mit sehr geringer Tiefe im Bereich einiger Mikrometer zu detektieren, die visuell fast nicht mehr wahrnehmbar sind.
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6 zeigt Beispielbilder von aufgenommenen Oberflächendeformationen 30. Bei dem in 6 gezeigten Beispiel wurde zur Messung eine Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Laserstrahl mit einer Kollimation auf einen Linienfokus verwendet. Auf der linken Seite sind Aufnahmen des auf dem Schirm abgebildeten Lichtstrahls mit dem linienförmigen Hell-Dunkel-Übergangs gezeigt. Auf der rechten Seite sind rekonstruierte Bilder der Oberflächentopographie gezeigt. Dazu werden aus den aufgenommenen Bildserien des Hell-Dunkel-Übergangs und dessen lokaler Auslenkung die Höheninformationen extrahiert und diese Höheninformation zu einem Bild zusammengesetzt. Besonders bei der mit „Fehler 8“ bezeichneten Aufnahme des Hell-Dunkel-Übergangs 10 ist eine Ausbeulung 11, beziehungsweise eine Abweichung vom linienförmigen Verlauf gut zu erkennen. Entsprechend ist auch die Oberflächendeformation 30 im Bild der rekonstruierten Oberflächentopographie gut zu erkennen.
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Die Bezeichnungen „Fehler 1“ bis „Fehler 8“ der Bilder bezieht sich auf verschiedene Fehlergrößenklassen der Oberflächendeformationen. Die untersten, mit „Fehler 8“ bezeichneten Bilder kennzeichnen demnach die größten auftretenden Deformationen.
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7 zeigt ergänzend noch eine Auswertung des Kontrastes in Abhängigkeit von der Fehlergrößenklasse. Die Fehlergrößenklassen sind ein subjektives Maß, dass von Sichtprüfern bei der Klassierung der untersuchten Oberflächendefekte verwendet wird. Als Kontrast wird hier weiterhin eine numerische Auswertung der Bilddaten bezeichnet, die im Wesentlichen die maximale lokale Auslenkung des Lichtstrahls einbezieht. Die gestrichelte Linie ist das unter anderem durch Rauschen verursachte Untergrundsignal. Wie anhand von 7 zu erkennen ist, können auch kleinste Fehler sicher gegenüber dem Untergrund diskriminiert werden. Die Tiefe der Deformationen der kleineren Fehlergrößenklassen liegt dabei in diesem Beispiel bei etwa 2 µm bis 3 µm, wobei der Durchmesser der Deformationen 3 bis 5 Millimeter beträgt. Demgemäß können sehr flache Deformationen detektiert werden, deren Höhe oder Tiefe drei Größenordnungen kleiner sind, als deren laterale Abmessungen.
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8 zeigt entsprechend zu 6 Aufnahmen des Hell-Dunkel-Übergangs, welche mit einer Vorrichtung gemäß 4, beziehungsweise gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer diffus abstrahlenden Lichtquelle erzeugt wurden. Auch bei diesen Aufnahmen sind die Ausbeulungen 11 des Hell-Dunkel-Übergangs 10, welche durch Reflexion an lokalen Oberflächendeformationen 30 entstehen, deutlich zu erkennen. Die Bildserien aus den fortlaufend während des Vorbeibewegens des Objekts mit dem bildgebenden Detektor aufgenommenen Bildern des Hell-Dunkel-Übergangs können in gleicher Weise ausgewertet werden, wie bei dem in 6 gezeigten Beispiel.
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9 zeigt als bevorzugte Anwendung der Erfindung eine Flachglas-Herstellungsvorrichtung 40 zur Herstellung eines Flachglas-Bands 32 aus einer Schmelze oder einem erweichten Vorkörper. Die Flachglas-Herstellungsvorrichtung 40 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 oder ist ausgebildet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Flachglas-Herstellungsvorrichtung 40 kann insbesondere, wie im dargestellten Beispiel eine Walzglas-Linie sein.
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Die Flachglas-Herstellungsvorrichtung 40 in Form einer Walzglas-Linie umfasst eine Schmelzwanne 41 zur Aufnahme und Herstellung einer Glasschmelze 38. Durch einen Ausguss 42 wird die Glasschmelze auf eine Anordnung von rotierenden Walzen 43 gegeben, welche aus der Glasschmelze 38 dann ein Flachglas 32 formen. Wird der Herstellungsvorgang kontinuierlich durchgeführt, so wird ein Flachglas 32 in Form eines Flachglas-Bandes hergestellt. Durch die Rotation der Walzen 43 wird das Glas dabei nicht nur flach ausgewalzt, sondern gleichzeitig von der Schmelzwanne 41 weg bewegt. Die Herstellung von Walzglas mit einer solchen Vorrichtung ist gegenüber der Herstellung von Floatglas günstiger und weniger energieintensiv. Zudem entfällt die Problematik von Zinn-Rückständen auf der Oberfläche. Allerdings können sich auf den Walzen Ablagerungen bilden. Diese führen zu Unebenheiten auf dem Walzenmantel und damit auch zu Abdrücken auf der Glasoberfläche.
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Mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 können nun kleine Abdrücke im Walzglas, die durch Ablagerungen auf den Walzen verursacht werden, nachgewiesen werden. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel ist dazu oberhalb des Flachglases eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 angeordnet, um die Oberseite des Walzglases zu untersuchen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 kann aber auch mit ober- und unterhalb des Flachglases 32 angeordneten Lichtquellen und bildgebenden Detektoren ausgestattet sein, um eine beidseitige Kontrolle der Glasoberfläche zu schaffen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 ist Bestandteil der Flachglas-Herstellungsvorrichtung, so dass die Walzen 43 gleichzeitig auch die Vorschubeinrichtung 12 bilden, mit welchen das zu untersuchende Flachglas relativ zur Anordnung aus Lichtquelle 1 und bildgebendem Detektor bewegt wird.
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Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Figuren lediglich beispielhafte Ausführungsbeispiele darstellen und die Ausführungsbeispiele vielfach im Rahmen des Gegenstands der nachfolgenden Patentansprüche variiert werden können. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die erfindungsgemäße Lösung des Problems der Detektion von Verformungen spiegelnder Oberflächen lässt sich insbesondere auf alle lokalen Oberflächenverformungen (Beulen und Dellen) von Flachglas übertragen, sowohl im Endlosband, als auch für einzelne Substrate. Die zu untersuchende Glasoberfläche kann in begrenztem Rahmen auch gekrümmt sein, die Krümmung der nachzuweisenden lokalen Verformung muss nur signifikant davon abweichen.
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Weiterhin wurde die Erfindung in den Ausführungsbeispielen anhand der Untersuchung von Glasoberflächen erläutert. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann aber generell auf alle glänzenden Materialien, etwa Metalle, Kunststoffe oder lackierte Oberflächen angewendet werden. Bezugszeichenliste
| Lichtquelle | 1 |
| Vorrichtung | 2 |
| Objekt | 3 |
| bildgebender Detektor | 5 |
| Schirm | 6 |
| Oberfläche von 3 | 9 |
| linienförmiger Hell-Dunkel-Übergang | 10 |
| Ausbeulung in 10 | 11 |
| Vorschubeinrichtung | 12 |
| Laser | 15 |
| Aufweitende Optik | 17 |
| Recheneinrichtung | 19 |
| Bewegungsrichtung | 21 |
| Oberflächennormale | 23 |
| Gehäuseteile | 25, 26 |
| Spiegel | 27, 28 |
| Fenster | 29 |
| Oberflächendeformation | 30 |
| Flachglas | 32 |
| Glasschmelze | 38 |
| Flachglas-Herstellungsvorrichtung | 40 |
| Schmelzwanne | 41 |
| Ausguss | 42 |
| Walze | 43 |
| Abbildungsoptik | 50 |
| Matrixdetektor | 52 |
| Laserstrahl | 100 |
| Lichtstrahl | 101 |
| diffus leuchtendes Leuchtelement | 103 |
| Schlitzblende | 105 |
| Kantenblende | 106 |
| Gitterblende | 109 |
| Draht | 111 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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