專利名稱：用于借助于偏折術進行表面檢查的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于根據偏轉術(Deflektometrie)的原理對受測物進行表面檢查的方法，其中至少一個觀測設備記錄發出電磁輻射的照射設備的反射圖像，其中所述照射設備的反射圖像在受測物的表面處產生，并且其中從反射圖像的形式中確定受測物的表面的斜度。此外，本發明涉及一種用于執行根據本發明的方法的對應檢查裝置。
背景技術：
為了自動檢查旋轉對稱的產品的損傷和材料缺陷，使用具有垂直光或掃射光照射的圖像處理系統、具有經時間和空間調制的光的偏折系統、以及觸覺系統。觸覺測量系統大多僅僅在狹窄的線上掃描受測物的表面，并且因此為了完整地檢查表面而需要極多時間。 許多產品由于所述方法的技術限制以及出于經濟考慮還人工地經受目視檢查。因此，例如具有垂直光和掃射光照射的圖像處理系統不能通過灰度圖像形式的特征表示來區分幾何瑕疵、如劃痕或表面凹痕以及表面的變色。由于在許多測試對象中出現表面的亮度波動，但是這些亮度波動大多是與功能無關的，因此這樣的系統具有提高的偽差錯率。反射性的自由形狀表面的光學測量通過被稱為偏折術的方法來進行。在所述方法中，設置具有一個或多個相機的觀測裝置，所述相機對準測量對象的反射性表面，并且在那里觀測經延長的照射設備的反射圖像，所述照射設備通常是結構化的屏幕、結構化的被照射的毛玻璃或者顯示結構的電視機或監視器。在此，反射性表面本身是不可見的。通過分析反射圖像的結構，可以推斷出反射性表面的局部斜度以及因此推斷出其形狀。偏折測量方法的示例在EP 1882 8996 Al中予以了描述。可用的偏折系統可以分開地檢測表面的幾何特征和紋理。但是偏折系統在時間上進行調制并且出于該原因需要多次拍攝檢查對象。在旋轉對稱的主體的情況下，難以以所有照片中的每個像素都表示相同對象點為條件利用不同照射調制進行多次拍攝，并且這因此僅能以非常高成本實現。如果要測量的對象旋轉，則必須非常快并且空間上非常精確地觸發相機。
發明內容
因此，本發明的任務是，基于常規的偏折表面檢查方法提供與現有技術相比簡化的用于表面檢查的方法。此外，本發明的任務是提供一種與執行該方法相對應的裝置。涉及該方法的任務通過權利要求I至7的特征來解決。在此，該方法規定作為照射設備使用具有可以在顏色空間中預先給定的一個或多個顏色調制的照射面，并且作為觀測設備使用至少一個彩色線掃描相機，其中利用所述彩色線掃描相機同時地和像素精確地檢測一個或多個經有色編碼的圖像數據，并且從顏色信息中導出關于每個像素的表面斜度的信息以及從其強度中導出關于每個像素的表面紋理的 目息。涉及裝置的任務通過使用相應檢查裝置執行根據本發明的方法來解決，其中該檢查裝置具有至少一個觀測設備和至少一個照射設備，利用其可以檢測所述照射設備的處于可見光譜范圍中的反射圖像，所述反射圖像在受測物的表面產生，并且其中在分析單元中可以從反射圖像的形式中導出受測物的表面的斜度。在此，照射設備被構造成具有一個或多個可以在顏色空間中預先給定的顏色調制的照射面，并且觀測設備具有至少一個彩色線掃描相機，利用所述彩色線掃描相機可以同時地和像素精確地檢測一個或多個經有色編碼的圖像數據，并且在分析單元內可以從顏色信息中導出關于每個像素的表面斜度的信息以及從其強度中導出關于每個像素的表面紋理的信息。利用根據本發明的方法和用于執行該方法的裝置，與迄今為止用于偏折術的常用
方法相比，可以明顯降低儀器成本，這尤其提供了經濟優點。利用所提出的方法，可以取消在迄今為止公知的用于偏折術的方法中所需的為了保證每個像素在每個調制照片中表示相同對象點的高成本技術構造。在此，一個優選的方法變型方案規定由照射設備發射可見光譜范圍中的電磁輻射以及檢測該可見光譜范圍中的反射圖像。在另一優選方法變型方案中規定借助于校準為經有色編碼的圖像數據的每個色值分配受測物的表面的斜度值。因此可以在檢查受測物的表面時快速識別表面結構(Topografie)的偏差。在一個優選的方法變型方案中規定唯一地預先給定照射面的顏色調制并且將其與相應的測量任務相匹配。因此可以實現根據表面的斜度以及根據反射角，可以為經有色編碼的圖像數據的每個像素唯一地分配受測物的對應表面區域。當對于照射源的顏色調制使用各個RGB顏色通道的其相位分別偏移120°的余弦調制時，可以實現在一個方向上的特別有效的顏色調制。該調制使得能夠借助于簡單的HSI顏色空間變換從經有色編碼的圖像數據中直接計算出斜度和紋理。如果對于照射源的顏色調制使用水平和垂直調制的疊加，則可以與僅僅空間方向上的調制相比實現可以在X方向以及在I方向上為受測物的表面從圖像數據中確定斜度值。為了提高斜度數據的空間分辨率，有利的是，對于照射源的顏色調制使用高頻和低頻調制的置加。原則上應當注意，對于照射源的顏色調制，可以將照射面的X和/或y方向上的不同顏色調制與疊加不同空間頻率的顏色調制任意組合。如之前所述那樣，該方法的一個特別優選的應用規定對旋轉對稱的受測物進行表面檢查，其中受測物被旋轉并且被彩色線掃描相機掃描。這樣的旋轉體的覆蓋面可以在短時間內利用常規的彩色線掃描相機來檢查，并且在表面缺陷方面被分析。
下面根據附圖中所示的實施例進一步闡述本發明。圖I以示意圖示出了用于表面檢查的檢查裝置；圖2示出了具有不同顏色調制的照射面的不同實施方式；
圖3示出了具有不同顏色調制的照射面的其他實施方式；
圖4示出了在此作為經有色編碼的圖像數據以及作為具有所計算出的斜度數據的所計算出的拓撲圖像數據的表面缺陷的示例；
圖5與利用其他方法測量的參考圖像數據相比較地示出了根據圖4的作為所計算出的拓撲圖像數據的表面缺陷；以及
圖6示出了在不同圖像數據中示出的其他表面缺陷。
具體實施方式
圖I示意性地示出了可用來執行根據本發明的方法的檢查裝置的構造。示出了旋轉對稱的受測物11，該受測物11以繞其縱軸旋轉的方式被懸掛。用照射面12照射受測物11，該照射面12具有顏色調制20，使得受測物的要檢查的表面可以被有色調制地被照射。在此，彩色線掃描相機13記錄不同顏色譜反射以用于確定受測物11的表面斜度和表面的紋理。這通過不同顏色的光路(紅21、藍23和綠25)示意性地示出。之前描述的方法明確地涉及光的可見光譜范圍中的顏色調制。原則上，該方法也可以擴展到其他光譜范圍，例如擴展到近紅外范圍(NIR)或者近UV范圍。在此應當考慮用于照射的相應光源以及相應的記錄系統，所述光源和記錄系統必須在所述范圍中具有足夠高的靈敏度。此外，在該情形下，尤其是也可以考慮受測物11在所使用的光譜范圍中的反射或透射特性。為了能夠確定每個像素的反射角，在對象上成像的照射面12被唯一地有色編碼。根據表面的斜度，根據輻射光學系統的反射定律，照射面12的另一點通過受測物11的表面在彩色線掃描相機13的相機芯片上成像。通過校準，可以給照射的每個顏色值分配表面的斜度值。為了完整地檢測旋轉對稱對象的覆蓋面，旋轉受測物11并且用彩色線掃描相機13掃描受測物11。通過這種方式采集的圖像數據30 (對此參見圖4 一 6)在其顏色信息(HIS顏色空間系中的顏色角)中包含關于表面斜度的信息并且在其強度中包含關于每個像素的表面紋理的信息。根據在受測物11上所尋找的特征，照射面12的不同顏色調制20是合乎目標的。圖2和3示出了照射面12的這種顏色調制20的相應示例。圖2在左圖中示出了各個顏色通道(紅21、藍23和綠25)的其相位分別偏移120°的余弦調制。由此得到顏色變化面，該顏色變化面從上向下看得出顏色紅21、洋紅22、藍23、青24、綠25和黃26。另一示例是圖2中的中間圖。示出了經灰度值編碼的顏色角。右圖示出了強度編碼。由于圖2中所示的照射面12的調制僅僅在一個方向上被有色調制，因此可以利用這種顏色調制20檢測受測物11的表面的僅僅一個斜度方向。為了檢測受測物11上的兩個彼此獨立的斜度方向、以及因此在3D空間中檢測表面的全部信息，需要將水平顏色調制20與垂直顏色調制20相疊加。圖3在左圖中示出了照射面12的相應的二維顏色調制20。由此得到顏色變化面，該顏色變化面從順時針看得出顏色綠25 (從左下方開始)、青24、藍23、洋紅22、紅21和黃26。
為了提高斜度數據的分辨率，各個顏色通道的調制斜率或調制頻率的變化是有幫助的。為此，在圖3的右圖中將低頻的綠和紅調制(從綠25、黃26和紅21的過渡)與高頻的藍調制相組合(藍23)。在圖4、5和6中示例性地作為可行性研究的結果示出了當前不同圖像數據30中的不同表面缺陷50。圖4作為表面缺陷50示出了凹痕形式的幾何瑕疵。圖4中的左圖示出了經有色編碼的圖像數據31并且對應地示出利用CMOS彩色相機在線掃描相機運行中采集的原始數據。右圖示出了所計算出的拓撲圖像數據33，從所述拓撲圖像數據33中得到在受測物11的表面的y方向上計算出的斜度數據36。亮像素對應于升高的面37 (正斜率)。暗像素對應于下降的面39 (負斜率)。平面38 (斜率=O)由拓撲圖像數據33中的所確定的平均灰度值來表示。
在圖5中示出了來自圖4的表面缺陷50的拓撲。左圖示出了從偏折方法的斜度數據(所計算出的拓撲圖像數據33)中計算出的高度圖。亮像素對應于高位面34。暗像素對應于低位面35。右圖示出了利用高值白光干涉儀記錄的相應的參考圖像數據40。在兩個照片中可明顯看出受測物11的表面中的凹痕(表面缺陷50)。諸如在白光干涉儀照片(WLT照片，右圖)中經上色的連接部41的結構在所計算出的拓撲圖像數據33中已經通過這種照射調制(僅是垂直的顏色調制20，參見圖2和圖3)被有針對性地抑制。圖6示出了用于自動檢查共軌噴射器的部件的可行性研究的圖像數據30。這些圖像數據示出了紋理數據和拓撲數據的分離，該分離是通過所提出的系統實現的。左圖示出了作為受測物11的表面的經有色編碼的圖像數據31的原始數據，所述原始數據利用圖I所示的檢查裝置10被記錄。中圖示出了表面的所計算出的紋理(強度圖像數據32)。可明顯看出表面的不均勻性以及施加在表面缺陷50的左邊和右邊的兩個暗標記51。在右圖中示出了所計算出的拓撲圖像數據33形式的拓撲。可明顯辨認的是，表面缺陷50 (在此為劃痕)僅僅在小區域中具有值得重視的深度。表面的不均勻性以及標記51具有可忽略的高度并且因此僅僅隱約地出現在拓撲圖像數據33中。
權利要求
1.根據偏轉術的原理對受測物(11)進行表面檢查的方法，其中至少一個觀測設備記錄發出電磁輻射的照射設備的反射圖像，其中所述照射設備的反射圖像在受測物(11)的表面處產生，并且其中從反射圖像的形式中確定所述受測物的表面的斜度，其特征在于，作為照射設備使用具有能夠在顏色空間中預先給定的一個或多個顏色調制(20)的照射面，并且作為觀測設備使用至少一個彩色線掃描相機(13)，其中利用彩色線掃描相機(13)同時地和像素精確地檢測一個或多個經有色編碼的圖像數據(31)，并且從顏色信息中導出關于每個像素的表面斜度的信息以及從其強度中導出關于每個像素的表面紋理的信息。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，由所述照射設備發射可見光譜范圍中的電磁輻射。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特征在于，借助于校準為經有色編碼的圖像數據(31)的每個色值分配受測物(11)的表面的斜度值。
4.根據權利要求I至3之一所述的方法，其特征在于，唯一地預先給定照射面(12)的顏色調制(20)并且將該顏色調制(20)與相應的測量任務相匹配。
5.根據權利要求I至4之一所述的方法，其特征在于，對于照射源(12)的顏色調制(20)使用各個RGB顏色通道的其相位分別偏移120°的余弦調制。
6.根據權利要求I至5之一所述的方法，其特征在于，對于照射源(12)的顏色調制(20)使用水平和垂直調制的疊加。
7.根據權利要求I至6之一所述的方法，其特征在于，對于照射源(12)的顏色調制(20)使用聞頻和低頻調制的置加。
8.將根據權利要求I至7之一所述的方法用于對旋轉對稱的受測物(11)進行表面檢查的應用，其中受測物(11)被旋轉并且被彩色線掃描相機(13)掃描。
9.根據偏轉術的原理對受測物(11)進行表面檢查的檢查裝置(10)，所述檢查裝置(10)具有至少一個觀測設備和至少一個照射設備，利用其能夠檢測所述照射設備的反射圖像，所述反射圖像在受測物(11)的表面處產生，并且其中在分析單元中能夠從反射圖像的形式導出所述受測物的表面的斜度，其特征在于，所述照射設備被構造成具有能夠在顏色空間中預先給定的一個或多個顏色調制(20)的照射面(12)，并且所述觀測設備具有至少一個彩色線掃描相機(13)，利用該彩色線掃描相機(13)能同時地和像素精確地檢測一個或多個經有色編碼的圖像數據(31)，并且在所述分析單元內，從顏色信息中能夠導出關于每個像素的表面斜度的信息，并且從其強度中能夠導出關于每個像素的表面紋理的信息。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，利用所述照射設備能發射可見光譜范圍中的光。
全文摘要
本發明涉及一種根據偏轉術的原理對受測物進行表面檢查的方法，其中至少一個觀測設備記錄發出電磁輻射的照射設備的反射圖像，其中照射設備的反射圖像在受測物的表面處產生，并且其中從反射圖像的形式中確定受測物的表面的斜度。根據本發明規定，作為照射設備使用具有能夠在顏色空間中預先給定的一個或多個顏色調制的照射面，并且作為觀測設備使用至少一個彩色線掃描相機，其中利用彩色線掃描相機同時地和像素精確地檢測一個或多個經有色編碼的圖像數據，并且從顏色信息中導出關于每個像素的表面斜度的信息以及從其強度中導出關于每個像素的表面紋理的信息。此外，本發明涉及一種用于執行根據本發明的方法的對應檢查裝置，其中照射設備被構造成具有能夠在顏色空間中預先給定的一個或多個顏色調制的照射面，并且觀測設備具有至少一個彩色線掃描相機，利用彩色線掃描相機能同時地和像素精確地檢測一個或多個經有色編碼的圖像數據，并且在分析單元內，從顏色信息中能夠導出關于每個像素的表面斜度的信息以及從其強度中能夠導出關于每個像素的表面紋理的信息。與迄今為止用于偏折術的常用方法相比，該方法和與之對應的檢查裝置提供了特別經濟的優點。旋轉體的覆蓋面可以在短時間內利用常規的彩色線掃描相機被檢測，并且在表面缺陷方面被分析。
文檔編號G01N21/88GK102741649SQ201180008704
公開日2012年10月17日 申請日期2011年1月18日 優先權日2010年2月9日
發明者A.博內姆伯格, R.辛克 申請人:羅伯特·博世有限公司