WO2003016819A1 - Method for measuring surface structures - Google Patents

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WO2003016819A1
WO2003016819A1 PCT/EP2001/009402 EP0109402W WO03016819A1 WO 2003016819 A1 WO2003016819 A1 WO 2003016819A1 EP 0109402 W EP0109402 W EP 0109402W WO 03016819 A1 WO03016819 A1 WO 03016819A1
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light pattern
test specimen
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PCT/EP2001/009402
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Jean Blondeau
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Metronom Gmbh Industrial Measurement
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/8806—Specially adapted optical and illumination features
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/306—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring long-wave surface structures on flat components.
  • Long-wave means an order of magnitude that goes beyond the roughness of the material, e.g. for dents, dents and ripple.
  • the accuracy of the parts produced using the new technology or the new tool can be checked using an appropriate checking method.
  • the methods mentioned require long measuring and evaluation times, which can take up to half a minute to a minute.
  • test object is irradiated with an illumination pattern and the reflected light is recorded and analyzed.
  • the change in the lighting pattern due to the reflection is used to measure the surface structures.
  • the component must therefore be pretreated, painted or oiled before the inspection and cleaned after the inspection if necessary, which in turn means a delay.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device with the aid of which surface structures can be detected with a short measuring time and precise resolution.
  • the object is achieved with a method with the features of claim 1 and a device with the features of claim 11.
  • the flat test specimen is irradiated with a pattern of infrared light.
  • the directly reflected infrared light is recorded with an infrared camera and the reflected pattern is analyzed to determine the surface structure.
  • the specular reflection of the light pattern in the infrared range can be used directly for analysis.
  • a surface treatment of a rough surface is no longer necessary. This significantly shortens the checking process and can also be used in processes in which only a few seconds are available for checking a flat component, without the resolution and accuracy being restricted.
  • the method according to the invention has a resolution of a few micrometers with measurement and evaluation times of a few seconds and it can be used without the use of brighteners, painting or oiling.
  • the device according to the invention provides an infrared light source which emits a defined light pattern which can be directed onto the test specimen.
  • An infrared camera is provided, with the aid of which the light pattern reflected by the test specimen can be recorded and sent to an analysis unit.
  • the signal can either be evaluated directly or compared with the incident light pattern.
  • the reflected light pattern with a previously certain reference patterns for an ideal surface are compared in order to determine the surface structure of the surface from the change in the light pattern.
  • the reflected light pattern with a previously certain reference patterns for an ideal surface are compared in order to determine the surface structure of the surface from the change in the light pattern.
  • a line-shaped light pattern is advantageous for later analysis. Such a line-shaped light pattern is used to analyze only one area of the test specimen, so that the exact position of a surface structure that may occur can be easily determined.
  • Such a line-shaped light pattern can e.g. to be scanned perpendicular to the extent of the line over the entire test object in order to test the entire test object.
  • a grid-shaped stripe pattern is blasted onto the test specimen and recorded with the infrared camera. By evaluating the individual reflected line patterns, the entire test object is analyzed directly in a parallel process.
  • the light pattern can easily be generated with the help of an infrared lamp and a correspondingly shaped aperture.
  • the light recorded by the infrared camera can be evaluated using various methods.
  • a conversion device can be used to convert it into a visible light pattern and display it on a screen, for example.
  • a Fourier analysis of a reflected stripe pattern is particularly simple and advantageous.
  • the evaluation of Fourier spectra can be used directly with known methods to determine the dimensions of the individual surface structures. In this way, the depth and extent of the individual surface structures and their periods, if any, can be determined quickly and easily.
  • a movable mounting of the infrared camera can advantageously be provided in order to be able to examine the entire test specimen.
  • the infrared light source can also be provided so that it can move over the test specimen.
  • the test specimen can also be movably received and moved by the light pattern.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a first embodiment of the arrangement according to the invention
  • the analysis unit 15 comprises a memory in which corresponding reference data are stored, which are expected when examining an ideal test object.
  • FIG. 2 shows an embodiment in which the infrared lamp 1 and the strip grating diaphragm 3 are replaced by an arrangement 30 of parallel filaments 30a.
  • the filaments 30a are fed by the current source 30b.
  • FIG. 3 shows in the left part a typical reflection pattern which is produced with an arrangement according to the invention and is output by the infrared camera 7.
  • a Fourier spectrum determined therefrom is shown, which is used for the analysis of the surface structures. The intensity is plotted against the spatial frequency f.
  • An arrangement according to the invention can e.g. be arranged directly after a press in the body shop in order to check the pressed parts directly for their accuracy.
  • the device under test 5 e.g. a body part is exposed to the infrared light stripe pattern which is produced by the infrared lamp 1 in connection with the stripe-grid-shaped diaphragm 3.
  • the untreated test object usually has a matt surface that diffusely reflects visible light.
  • Infrared light has a wavelength in the mirometer range, i.e. larger than the typical surface roughness of the test specimens, so that the irradiated infrared light pattern is reflected in a specular manner.
  • the specularly reflected infrared light pattern is recorded using the infrared camera 7. Due to the reflection on the test specimen, the striped infrared light pattern changes and a pattern is created, for example, as can be seen in the left part of FIG. 3.
  • the shape of the reflected pattern depends directly on the surface shape of the specimen. Bumps, dents or little bits are reflected in correspondingly distorted lines.
  • the output signal of the infrared camera is sent to the analysis device 15. All possible analysis and measurement methods can be used there. There, for example, the distorted infrared light pattern or the difference between the distorted pattern and a reference pattern is displayed on a screen as in a false color camera, the corresponding infrared frequencies having been assigned to the different infrared frequencies.
  • the individual strips of the distorted reflected infrared light pattern z. B. subjected to a Fourier analysis.
  • a reference pattern that is expected for an ideal surface is subtracted from the distorted pattern and the difference is subjected to the Fourier analysis.
  • a Fourier analysis of the distorted pattern can first be carried out, a Fourier spectrum similar to that shown in the right part of FIG. 3 being produced, and the Fourier spectrum of a reference pattern then being subtracted from this.
  • the surface structure of the test object can be determined directly.
  • the periods of long-wave surface structures, the depth of surface structures and their lateral extent can be determined very precisely from the Fourier spectra in a known manner.
  • the evaluation unit 15 can also be set up in such a way that a signal is output when a threshold value of the intensity in the Fourier spectrum is exceeded, or when a structure is present in the Fourier spectrum that indicates an undesired surface structure.
  • the dimensions of the strip-shaped diaphragm 3 depend on the area of the test specimen whose surface structure is to be examined.
  • the number of strip-shaped openings in the strip-grid-shaped diaphragm 3 depends on the desired resolution. The smaller the distance between two strips, the greater the resolution of surface structures in a direction perpendicular to the extension of the strips.
  • test specimen If the test specimen is larger than the area irradiated by the light pattern, it is moved by the light pattern and the reflected light pattern is recorded and analyzed as a function of time.
  • the infrared lamp 1 and / or the strip grating 3 can be moved accordingly to illuminate different areas of the test specimen. Even then, the recording by the camera 7 and the analysis by the analysis device 15 are time-dependent.
  • the infrared camera 7 When the infrared camera 7 is movably mounted, it is possible for the infrared camera 7 to also examine test specimens 5 whose dimensions are larger than the image area which can be detected by the camera 7.
  • the method is carried out in an analogous manner.
  • the strip-shaped diaphragm 3 and the infrared lamp 1 are replaced by the strip-shaped arrangement 30 of glow wires 30a.
  • the method according to the invention can be used alone or in combination with other methods for surface examination.

Abstract

The invention relates to a method for recognising long wave length surface structures of flat test samples. According to the invention, a sample of infrared light is beamed at the test sample, the infrared light sample reflected by the test sample is photographed by an infrared camera and is analysed in order to identify the surface structure. The invention also relates to a corresponding device.

Description

Verfahren zur Vermessung von Oberflächenstrukturen Methods for measuring surface structures
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung von langwelligen Oberflächenstrukturen auf flächigen Bauteilen.The invention relates to a method and a device for measuring long-wave surface structures on flat components.
Dabei bedeutet "langwellig" eine Größenordnung, die über die Rauigkeit des Materials hinausgeht, wie z.B. bei Beulen, Dellen und Welligkeit."Long-wave" means an order of magnitude that goes beyond the roughness of the material, e.g. for dents, dents and ripple.
Bei der Fertigung flächiger Bauteile, z.B. Karosseriebauteilen, entsteht oftmals die Notwendigkeit, diese vor einer Weiterverarbeitung zu überprüfen. Dabei sollen langwellige Oberflächenstrukturen, wie Beulen, Dellen oder Welligkeiten detektiert und vermessen werden. So sollen z.B. beim Karosseriebau entsprechende Blechteile nach der Formung geprüft werden, bevor sie lackiert bzw. eingebaut werden. Dabei soll z.B. festgestellt werden, ob eine gewünschte Oberflächenqualität erreicht worden ist, oder ob eine unerwünschte Oberflächenqualität vorliegt.When manufacturing flat components, e.g. Body components, there is often a need to check them before further processing. Long-wave surface structures such as dents, dents or undulations are to be detected and measured. For example, In the body shop, corresponding sheet metal parts are checked after they have been formed before they are painted or installed. For example, determine whether a desired surface quality has been achieved or whether there is an undesirable surface quality.
Andererseits kann bei der Entwicklung einer neuen Formtechnik oder eines neuen Formwerkzeuges mit Hilfe eines entsprechenden Überprüfungsverfahrens die Genauigkeit der mit der neuen Technik bzw. dem neuen Werkzeug hergestellten Teile überprüft werden.On the other hand, when developing a new molding technology or a new molding tool, the accuracy of the parts produced using the new technology or the new tool can be checked using an appropriate checking method.
Es ist dabei seit längerem bekannt, die Prüflinge mit Strukturen im sichtbaren Spektralbereich zu beleuchten und das Bild des Prüflings zu analysieren. Dazu können entsprechende Bildanalyse- und essverfahren, wie Gray-Code- oder Phasenshift- Verfahren eingesetzt werden, um die lateralen Ausmaße bzw. die Tiefe entsprechender Oberflächenstrukturen zu analysieren.It has long been known to illuminate the test objects with structures in the visible spectral range and to analyze the image of the test object. Appropriate image analysis and measurement methods, such as Gray code or phase shift methods, can be used to analyze the lateral dimensions or the depth of corresponding surface structures.
Bei den genannten Verfahren sind lange Mess- und Auswertezeiten nötig, die bis zu einer halben bis einer Minute dauern.können.The methods mentioned require long measuring and evaluation times, which can take up to half a minute to a minute.
Bei vielen Produktionsprozessen ist ein solcher Zeitraum bereits ein signifikanter Verzögerungsfaktor. Z.B. bei der modernen Karosserieteil-Serienproduktion würde eine individuelle Überprüfung der einzelnen Bauteile, die jeweils eine solche Zeit in Anspruch nimmt, die Serienproduktion in unerwünschterweise verlängern.In many production processes, such a period is already a significant delay factor. For example, in modern body part series production an individual check of the individual components, which each take such a time, undesirably prolong the series production.
Werden andererseits die Messzeiten auf ein erträgliches Maß reduziert, so erhält man nur eine qualitative Auswertung oder eine ungenaue Auflösung. Informationen über die genauen Maße und Tiefen von Oberflächenstrukturen können so nicht mehr erhalten werden.On the other hand, if the measurement times are reduced to an acceptable level, you only get a qualitative evaluation or an inaccurate resolution. Information about the exact dimensions and depths of surface structures can no longer be obtained.
Eine bessere Auflösung und kürzere Messzeiten werden erreicht, wenn man den Prüfling mit einem Beleuchtungsmuster bestrahlt und das reflektierte Licht aufnimmt und analysiert. Dabei wird die Veränderung des Beleuchtungsmusters durch die Reflexion herangezogen, um die Oberflächenstrukturen zu vermessen.Better resolution and shorter measuring times are achieved if the test object is irradiated with an illumination pattern and the reflected light is recorded and analyzed. The change in the lighting pattern due to the reflection is used to measure the surface structures.
Um ein solches Verfahren mit ausreichender Genauigkeit anwenden zu können, muss ausreichende spiegelnde Reflexion vorliegen, so dass spiegelnde Oberflächen notwendig sind. Z.B. bei der Metallverarbeitung, wie dem Karosseriebau, müssen jedoch auch matte Oberflächen analysiert werden können. So wäre es z.B. wünschenswert, ein Metallteil direkt nach dem Formen auf seine Genauigkeit zu überprüfen. Um dies Reflexionsverfahren dennoch anwenden zu können, werden daher heutzutage die matten Oberflächen eingeölt, lackiert oder mit Aufhellern bearbeitet, um ausreichend glatte Oberflächen zu erzeugen, die zur spiegelnden Reflexion sichtbaren Lichtes geeignet sind.In order to be able to use such a method with sufficient accuracy, there must be sufficient specular reflection so that specular surfaces are necessary. For example, in metal processing, such as body construction, matt surfaces must also be able to be analyzed. So it would be e.g. desirable to check a metal part for accuracy immediately after molding. In order to still be able to use this reflection method, the matt surfaces are therefore oiled, varnished or processed with brighteners in order to produce sufficiently smooth surfaces which are suitable for the reflective reflection of visible light.
Das Bauteil muss also vor der Überprüfung vorbehandelt, lackiert bzw. geölt werden und nach der Überprüfung gegebenenfalls wieder gereinigt werden, was wiederum eine Verzögerung bedeutet.The component must therefore be pretreated, painted or oiled before the inspection and cleaned after the inspection if necessary, which in turn means a delay.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe Oberflächenstrukturen bei kurzer Messzeit und genauer Auflösung detektiert werden können.The object of the present invention is to provide a method and a device with the aid of which surface structures can be detected with a short measuring time and precise resolution.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der flächige Prüfling mit einem Muster infraroten Lichtes bestrahlt. Das direkt reflektierte Infrarotlicht wird mit einer Infrarotkamera aufgenommen und das reflektierte Muster zur Feststellung der Oberflächenstruktur analysiert.The object is achieved with a method with the features of claim 1 and a device with the features of claim 11. In the method according to the invention, the flat test specimen is irradiated with a pattern of infrared light. The directly reflected infrared light is recorded with an infrared camera and the reflected pattern is analyzed to determine the surface structure.
Bei typischerweise auftretenden Oberflächenrauigkeiten, z.B. bei der Verarbeitung von Metall ohne weitere Oberflächenbehandlung, wird sichtbares Licht diffus reflektiert, d.h. die Oberflächen sind nicht spiegelnd. Von der größeren Wellenlänge infraroten Lichtes werden jedoch die typischen Oberflächenrauigkeiten, die im sichtbaren Bereich zu matten Oberflächen führen, in der Regel nicht aufgelöst, so dass die Oberfläche im Infraroten spiegelnd reflektiert.With surface roughness typically occurring, e.g. when processing metal without further surface treatment, visible light is diffusely reflected, i.e. the surfaces are not reflective. However, the typical surface roughness, which leads to matt surfaces in the visible range, is generally not resolved by the longer wavelength of infrared light, so that the surface reflects in the infrared mirror.
Durch das Bestrahlen mit einem infraroten Lichtmuster und dessen Auswertung kann also die spiegelnde Reflexion des Lichtmusters im Infrarotbereich direkt zur Analyse eingesetzt werden. Es ist keine Oberflächenbehandlung einer rauen Oberfläche mehr notwendig. Der Überprüfungsvorgang wird dadurch signifikant verkürzt und kann auch in Prozessen eingesetzt werden, in denen nur einige Sekunden für die Überprüfung eines flächigen Bauteiles zur Verfügung stehen, ohne dass die Auflösung und Genauigkeit beschränkt wird.By irradiating with an infrared light pattern and evaluating it, the specular reflection of the light pattern in the infrared range can be used directly for analysis. A surface treatment of a rough surface is no longer necessary. This significantly shortens the checking process and can also be used in processes in which only a few seconds are available for checking a flat component, without the resolution and accuracy being restricted.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat eine Auflösung von wenigen Mikrometern bei Meß- und Auswertezeiten von wenigen Sekunden und es ist ohne Einsatz von Aufhellern, Lackieren oder Einölen anwendbar.The method according to the invention has a resolution of a few micrometers with measurement and evaluation times of a few seconds and it can be used without the use of brighteners, painting or oiling.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt dazu eine Infrarotlichtquelle zur Verfügung, die ein definiertes Lichtmuster aussendet, das auf den Prüfling gerichtet werden kann. Eine Infrarotkamera ist vorgesehen, mit deren Hilfe das vom Prüfling reflektierte Lichtmuster aufgenommen werden und einer Analyseeinheit zugeleitet werden kann.For this purpose, the device according to the invention provides an infrared light source which emits a defined light pattern which can be directed onto the test specimen. An infrared camera is provided, with the aid of which the light pattern reflected by the test specimen can be recorded and sent to an analysis unit.
Das Signal kann entweder direkt ausgewertet oder mit dem eingestrahlten Lichtmuster verglichen werden. Z. B. wird das reflektierte Lichtmuster mit einem vorher bestimmten Referenzmuster für eine ideale Oberfläche verglichen, um so aus der Veränderung des Lichtmusters die Oberflächenstruktur der Oberfläche zu bestimmen. Bei bekanntem eingestrahlten Lichtmuster kann so auf sehr leichte Art und Weise dieThe signal can either be evaluated directly or compared with the incident light pattern. For example, the reflected light pattern with a previously certain reference patterns for an ideal surface are compared in order to determine the surface structure of the surface from the change in the light pattern. With a known irradiated light pattern, the
Oberflächenstruktur direkt vermessen werden.Surface structure can be measured directly.
Es können verschiedene infrarote Lichtmuster eingesetzt werden. Vorteilhaft für die spätere Analyse ist jedoch ein strichförmiges Lichtmuster. Ein solches strichförmiges Lichtmuster dient zur Analyse von nur einem Bereich des Prüflings, so dass die genaue Lage einer eventuell auftretenden Oberflächenstruktur leicht festgestellt werden kann.Different infrared light patterns can be used. However, a line-shaped light pattern is advantageous for later analysis. Such a line-shaped light pattern is used to analyze only one area of the test specimen, so that the exact position of a surface structure that may occur can be easily determined.
Ein solches strichförmiges Lichtmuster kann z.B. senkrecht zu der Ausdehnung des Striches über den gesamten Prüfling gerastert werden, um den gesamten Prüfling zu testen. Um eine schnellere, parallele Messung zu ermöglichen, wird ein gitterförmi- ges Streifenmuster auf den Prüfling gestrahlt und mit der Infrarotkamera aufgenommen. Durch Auswertung der einzelnen reflektierten Strichmuster wird in einem parallelen Prozess direkt der gesamte Prüfling analysiert.Such a line-shaped light pattern can e.g. to be scanned perpendicular to the extent of the line over the entire test object in order to test the entire test object. In order to enable a faster, parallel measurement, a grid-shaped stripe pattern is blasted onto the test specimen and recorded with the infrared camera. By evaluating the individual reflected line patterns, the entire test object is analyzed directly in a parallel process.
Das Lichtmuster kann einfacherweise mit Hilfe einer Infrarotlampe und einer entsprechend geformten Blende erzeugt werden.The light pattern can easily be generated with the help of an infrared lamp and a correspondingly shaped aperture.
Im Fall eines strichförmigen Lichtmusters ist es möglich, einen Glühdraht einzusetzen, der infrarotes Licht in der gewünschten Form aussendet. Bei einem streifengit- terförmigen Lichtmuster kann eine entsprechend gitterförmig angeordnete Glühdrahtanordnung verwendet werden. Der Einsatz entsprechender Glühdrahtanordnungen machen die Verwendung einer Blende unnötig, deren möglicherweise ungenaue Ausrichtung die Messgenauigkeit begrenzen könnte.In the case of a line-shaped light pattern, it is possible to use a filament that emits infrared light in the desired shape. In the case of a stripe-grid-shaped light pattern, a correspondingly arranged filament arrangement can be used. The use of appropriate glow wire arrangements makes it unnecessary to use an aperture, the possibly inaccurate alignment of which could limit the measurement accuracy.
Das von der Infrarotkamera aufgenommene Licht kann mit verschiedenen Verfahren ausgewertet werden. Z.B. kann mit Hilfe einer Umwandlungseinrichtung in ein sichtbares Lichtmuster umgewandelt werden und z.B. auf einem Bildschirm dargestellt werden. Besonders einfach und vorteilhaft ist jedoch eine Fourier-Analyse eines reflektierten Streifenmusters. Die Auswertung von Fourier-Spektren kann mit bekannten Verfahren direkt zur Bestimmung der Maße der einzelnen Oberflächenstrukturen benutzt werden. So lassen sich Tiefe und Ausdehnung der einzelnen Oberflächenstrukturen und deren ggf. vorhandene Perioden leicht und schnell feststellen.The light recorded by the infrared camera can be evaluated using various methods. For example, a conversion device can be used to convert it into a visible light pattern and display it on a screen, for example. However, a Fourier analysis of a reflected stripe pattern is particularly simple and advantageous. The evaluation of Fourier spectra can be used directly with known methods to determine the dimensions of the individual surface structures. In this way, the depth and extent of the individual surface structures and their periods, if any, can be determined quickly and easily.
Für großflächige Prüflinge, die nicht im Aufnahmebereich eines Bildes der Infrarotkamera erfasst werden können, kann vörteilhafterweise eine bewegliche Lagerung der Infrarotkamera vorgesehen sein, um den gesamten Prüfling untersuchen zu können. Andererseits kann auch die Infrarotlichtquelle beweglich vorgesehen sein, um den Prüfling überstreichen zu können. Andererseits kann auch der Prüfling beweglich aufgenommen werden und durch das Lichtmuster bewegt werden.For large test specimens that cannot be captured in the recording area of an image of the infrared camera, a movable mounting of the infrared camera can advantageously be provided in order to be able to examine the entire test specimen. On the other hand, the infrared light source can also be provided so that it can move over the test specimen. On the other hand, the test specimen can also be movably received and moved by the light pattern.
Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert erläutert. Dabei zeigt:An exemplary embodiment of the invention is explained in detail below with reference to the figures. It shows:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,1 shows a schematic structure of a first embodiment of the arrangement according to the invention,
Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer weiteren Ausführungsform, und2 shows a schematic structure of a further embodiment, and
Fig. 3 ein Beispiel einer möglichen Auswertung des reflektierten Bildes.3 shows an example of a possible evaluation of the reflected image.
Fig. 1 zeigt eine Infrarotlampe 1. Das von dieser Lampe ausgestrahlte Licht 9 wird durch eine streifengitterförmige Blende 3 mit streifenförmigen Öffnungen 3a gestrahlt. Das so mit einem Muster behaftete Licht 11 trifft auf den Prüfling 5 mit in der Regel matter Oberfläche. Im Beispiel ist ein Autotürrohling nach dem Blechpressen gezeigt. Das von diesem Prüfling 5 spiegelnd reflektierte infrarote Licht wird von der Infrarotkamera 7 aufgenommen, dessen Ausgangssignal an die Analyseeinrichtung 15, z.B. eine Datenverarbeitungsanlage, gegeben wird. Die Analyseeinheit 15 umfasst einen Speicher, in dem entsprechende Referenzdaten abgelegt sind, die bei der Untersuchung eines idealen Prüflings erwartet werden.1 shows an infrared lamp 1. The light 9 emitted by this lamp is emitted through a strip-shaped diaphragm 3 with strip-shaped openings 3a. The light 11 thus afflicted with a pattern strikes the test specimen 5 with a generally matt surface. In the example, a car door blank is shown after sheet metal pressing. The infrared light specularly reflected by this test object 5 is recorded by the infrared camera 7, the output signal of which is sent to the analysis device 15, for example a data processing system. The analysis unit 15 comprises a memory in which corresponding reference data are stored, which are expected when examining an ideal test object.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, in der die Infrarotlampe 1 und die Streifengitterblende 3 durch eine Anordnung 30 paralleler Glühdrähte 30a ersetzt ist. Die Glühdrähte 30a werden dabei von der Stromquelle 30b gespeist.FIG. 2 shows an embodiment in which the infrared lamp 1 and the strip grating diaphragm 3 are replaced by an arrangement 30 of parallel filaments 30a. The filaments 30a are fed by the current source 30b.
Fig. 3 zeigt im linken Teil ein typisches Reflexionsmuster, das mit einer erfindungsgemäßen Anordnung hergestellt wird und von der infrarotkamera 7 ausgegeben wird. Im rechten Teil der Fig. 3 ist ein daraus ermitteltes Fourier-Spektrum gezeigt, das zur Analyse der Oberflächenstrukturen eingesetzt wird. Aufgetragen ist die Intensität gegen die räumliche Frequenz f.3 shows in the left part a typical reflection pattern which is produced with an arrangement according to the invention and is output by the infrared camera 7. In the right part of FIG. 3, a Fourier spectrum determined therefrom is shown, which is used for the analysis of the surface structures. The intensity is plotted against the spatial frequency f.
Eine erfindungsgemäße Anordnung kann z.B. direkt im Anschluss an eine Presse bei der Karosserieherstellung angeordnet sein, um die gepressten Teile direkt auf ihre Genauigkeit zu überprüfen.An arrangement according to the invention can e.g. be arranged directly after a press in the body shop in order to check the pressed parts directly for their accuracy.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einer Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform wie folgt durchgeführt:The method according to the invention is carried out with an arrangement according to the first embodiment as follows:
Der Prüfling 5, z.B. ein Karosserieteil, wird dem infraroten Lichtstreifenmuster ausgesetzt, das von der infraroten Lampe 1 in Verbindung mit der streifengitterförmigen Blende 3 erzeugt wird. Der unbehandelte Prüfling hat in der Regel eine matte Oberfläche, die sichtbares Licht diffus reflektiert.The device under test 5, e.g. a body part is exposed to the infrared light stripe pattern which is produced by the infrared lamp 1 in connection with the stripe-grid-shaped diaphragm 3. The untreated test object usually has a matt surface that diffusely reflects visible light.
Infrarotes Licht hat eine Wellenlänge im Mirometerbereich, also größer als die typische Oberflächenrauigkeit der Prüflinge, so dass das eingestrahlte infrarote Lichtmuster spiegelnd reflektiert wird. Das spiegelnd reflektierte infrarote Lichtmuster wird mit Hilfe der Infrarotkamera 7 aufgenommen. Durch die Reflexion an dem Prüfling verändert sich das streifenförmige infrarote Lichtmuster und es entsteht z.B. ein Muster wie es im linken Teil der Fig. 3 sichtbar ist. Die Form des reflektierten Musters hängt direkt von der Oberflächenform des Prüflings ab. Beulen, Dellen oder Wenigkeiten spiegeln sich in entsprechend verzerrten Linien wider. Das Ausgangssignal der Infrarotkamera wird an die Analyseeinrichtung 15 geleitet. Dort können alle möglichen Analyse- und Messverfahren angewendet werden. Dort wird z.B. das verzerrte infrarote Lichtmuster oder die Differenz des verzerrten Musters und eines Referenzmusters wie bei einer Falschfarbenkamera auf einem Bildschirm dargestellt, wobei den verschiedenen Infrarotfrequenzen entsprechende sichtbaren Frequenzen zugeordnet worden sind.Infrared light has a wavelength in the mirometer range, i.e. larger than the typical surface roughness of the test specimens, so that the irradiated infrared light pattern is reflected in a specular manner. The specularly reflected infrared light pattern is recorded using the infrared camera 7. Due to the reflection on the test specimen, the striped infrared light pattern changes and a pattern is created, for example, as can be seen in the left part of FIG. 3. The shape of the reflected pattern depends directly on the surface shape of the specimen. Bumps, dents or little bits are reflected in correspondingly distorted lines. The output signal of the infrared camera is sent to the analysis device 15. All possible analysis and measurement methods can be used there. There, for example, the distorted infrared light pattern or the difference between the distorted pattern and a reference pattern is displayed on a screen as in a false color camera, the corresponding infrared frequencies having been assigned to the different infrared frequencies.
Zur schnellen Analyse, wie sie z.B. in Produktionsprozessen bei der Karosserieherstellung notwendig ist, werden die einzelnen Streifen des verzerrten reflektierten infraroten Lichtmusters z. B. einer Fourier-Analyse unterzogen. Dazu wird entweder ein Referenzmuster, das für eine ideale Oberflächen erwartet wird, von dem verzerrten Muster abgezogen und die Differenz der Fourier-Analyse unterzogen. Alternativ kann zuerst eine Fourier-Analyse des verzerrten Musters vorgenommen werden, wobei ein Fourierspektrum ähnlich dem im rechten Teil der Fig. 3 gezeigten entsteht, und von diesem dann das Fourier-Spektrum eines Referenzmusters abgezogen werden.For quick analysis, e.g. is necessary in production processes in body production, the individual strips of the distorted reflected infrared light pattern z. B. subjected to a Fourier analysis. To do this, either a reference pattern that is expected for an ideal surface is subtracted from the distorted pattern and the difference is subjected to the Fourier analysis. Alternatively, a Fourier analysis of the distorted pattern can first be carried out, a Fourier spectrum similar to that shown in the right part of FIG. 3 being produced, and the Fourier spectrum of a reference pattern then being subtracted from this.
Zur absoluten Vermessung wird kein Referenzmuster bzw. Referenzspektrum abgezogen.No reference pattern or reference spectrum is subtracted for absolute measurement.
Mit bekannten Bildanalyseverfahren lässt sich daraus jeweils die Oberflächenstruktur des Prüflinges direkt bestimmen. Im Speziellen lassen sich die Perioden von langwelligen Oberflächenstrukturen, die Tiefe von Oberflächenstrukturen und deren laterale Ausdehnung aus den Fourier-Spektren in bekannter Weise sehr genau bestimmen.With known image analysis methods, the surface structure of the test object can be determined directly. In particular, the periods of long-wave surface structures, the depth of surface structures and their lateral extent can be determined very precisely from the Fourier spectra in a known manner.
Die Auswerteeinheit 15 kann auch so eingerichtet sein, dass ein Signal ausgegeben wird, wenn ein Schwellwert der Intensität im Fourierspektrum überschritten wird, oder wenn eine Struktur im Fourierspektrum vorliegt, die auf eine unerwünschte Oberflächenstruktur hinweist. Die Dimensionen der streifenförmigen Blende 3 richten sich nach dem Bereich des Prüflings, dessen Oberflächenstruktur untersucht werden soll. Die Anzahl der streifenförmigen Öffnungen in der streifengitterförmigen Blende 3 richtet sich nach der gewünschten Auflösung. Je kleiner der Abstand zwischen zwei Streifen ist, desto größer ist die Auflösung von Oberflächenstrukturen in einer Richtung senkrecht zu der Ausdehnung der Streifen.The evaluation unit 15 can also be set up in such a way that a signal is output when a threshold value of the intensity in the Fourier spectrum is exceeded, or when a structure is present in the Fourier spectrum that indicates an undesired surface structure. The dimensions of the strip-shaped diaphragm 3 depend on the area of the test specimen whose surface structure is to be examined. The number of strip-shaped openings in the strip-grid-shaped diaphragm 3 depends on the desired resolution. The smaller the distance between two strips, the greater the resolution of surface structures in a direction perpendicular to the extension of the strips.
Ist der Prüfling größer als der von dem Lichtmuster bestrahlte Bereich, so wird dieser durch das Lichtmuster bewegt und das reflektierte Lichtmuster zeitabhängig aufgenommen und analysiert. Alternativ kann die Infrarotlampe 1 und/oder das Streifengitter 3 entsprechend zur Beleuchtung verschiedener Bereiche des Prüflings bewegt werden. Auch dann erfolgt die Aufnahme durch die Kamera 7 und die Analyse durch die Analyseeinrichtung 15 zeitabhängig.If the test specimen is larger than the area irradiated by the light pattern, it is moved by the light pattern and the reflected light pattern is recorded and analyzed as a function of time. Alternatively, the infrared lamp 1 and / or the strip grating 3 can be moved accordingly to illuminate different areas of the test specimen. Even then, the recording by the camera 7 and the analysis by the analysis device 15 are time-dependent.
Bei beweglicher Lagerung der Infrarotkamera 7 ist es möglich, dass diese auch Prüflinge 5 untersucht, deren Ausmaße größer sind als der von der Kamera 7 erfassbare Bildbereich.When the infrared camera 7 is movably mounted, it is possible for the infrared camera 7 to also examine test specimens 5 whose dimensions are larger than the image area which can be detected by the camera 7.
Mit der zweiten Ausführungsform, die in Fig. 2 gezeigt ist, wird das Verfahren in a- naloger Weise durchgeführt. Dabei ist die streifenförmige Blende 3 und die Infrarotlampe 1 durch die streifenförmige Anordnung 30 von Glühdrähten 30a ersetzt.With the second embodiment, which is shown in FIG. 2, the method is carried out in an analogous manner. The strip-shaped diaphragm 3 and the infrared lamp 1 are replaced by the strip-shaped arrangement 30 of glow wires 30a.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann alleine oder in Kombination mit anderen Ve- rahren zur Oberflächenuntersuchung angewendet werden.The method according to the invention can be used alone or in combination with other methods for surface examination.
Durch den Einsatz eines infraroten Lichtmusters können auch matte Oberflächen, wie sie z.B. typischerweise bei der Metallverarbeitung im Karosseriebau vorkommen, mit dem sehr genauen Verfahren der Analyse eines spiegelnd reflektierten Lichtmusters untersucht werden.By using an infrared light pattern, even matt surfaces, such as those typically occur in metal processing in car body construction, using the very precise method of analyzing a specularly reflected light pattern.
Es ist keine Vorbehandlung der Oberflächen mehr notwendig, so dass eine signifikante Zeiteinsparung und Erhöhung der Genauigkeit erreicht wird. It is no longer necessary to pre-treat the surfaces, so that significant time savings and increased accuracy are achieved.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Erkennung von Oberflächenstrukturen auf einem flächigen Prüfling (5), bei welchem ein Muster infraroten Lichtes (11) auf den Prüfling (5) gestrahlt wird, das von dem Prüfling reflektierte Infrarotlichtmuster (13) mit einer Infrarotkamera (7) aufgenommen wird und das Lichtmuster nach der Reflexion zur Feststellung von Oberflächenstrukturen auf dem Prüfling (5) analysiert wird.1. A method for recognizing surface structures on a flat test specimen (5), in which a pattern of infrared light (11) is radiated onto the test specimen (5), the infrared light pattern (13) reflected by the test specimen is recorded with an infrared camera (7) and analyzing the light pattern after reflection to determine surface structures on the test specimen (5).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , in welchem zur Auswertung des Lichtmusters ein Vergleich des reflektierten Lichtmusters (13) mit einem Referenzmuster vorgenommen wird.2. The method according to claim 1, in which a comparison of the reflected light pattern (13) with a reference pattern is carried out to evaluate the light pattern.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, in welchem ein strichförmiges Lichtmuster infraroten Lichtes (11) auf den Prüfling (5) gestrahlt wird.3. The method according to any one of claims 1 and 2, in which a line-shaped light pattern of infrared light (11) is radiated onto the test specimen (5).
4. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem das strichförmige Lichtmuster infraroten Lichtes eine parallele Anordnung mehrerer Striche infraroten Lichtes in Form eines Streifengitters umfasst.4. The method according to claim 3, in which the line-shaped light pattern of infrared light comprises a parallel arrangement of a plurality of lines of infrared light in the form of a strip grating.
5. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem das strichförmige infrarote Lichtmuster mit Hilfe eines Glühdrahtes erzeugt wird.5. The method according to claim 3, in which the line-shaped infrared light pattern is generated with the aid of a filament.
6. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem die parallele Anordnung der strichförmi- gen infraroten Lichtmuster (11) mit Hilfe einer streifengitterförmigen Glühdrahtanordnung (30) erzeugt wird.6. The method according to claim 4, in which the parallel arrangement of the line-shaped infrared light patterns (11) is generated with the aid of a strip-shaped filament arrangement (30).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem das infrarote Lichtmuster mit Hilfe einer Infrarotlampe (1) und einer entsprechend geformten, zwischen der Infrarotlampe (1) und dem Prüfling (5) angeordneten Blende (3) erzeugt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 4, in which the infrared light pattern is generated with the aid of an infrared lamp (1) and a correspondingly shaped, arranged between the infrared lamp (1) and the test specimen (5) arranged diaphragm (3).
8. Verfahren nach Anspruch 7, in welchem die Blende (3) parallele strichförmige Öffnungen (3a) in Form eines Streifengitters aufweist. 8. The method according to claim 7, in which the diaphragm (3) has parallel line-shaped openings (3a) in the form of a strip grid.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, in welchem das von der Infrarotkamera (7) ausgegebene Signal Fourier-analysiert wird.9. The method according to any one of the preceding claims, in which the signal output by the infrared camera (7) is Fourier analyzed.
10. Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Analyse von Oberflächenstrukturen von Metallteilen, insbesondere Karosseriebauteilen.10. Use of a method according to one of the preceding claims for the analysis of surface structures of metal parts, in particular body components.
11. Vorrichtung zur Vermessung von langwelligen Oberflächenstrukturen flächiger Prüflinge (5) mit einer Infrarotlichtquelle (1, 3, 30), die ein definiertes Lichtmuster aussendet und auf einen Prüfling (5) gerichtet werden kann, einer Infrarotkamera (7), mit der das von dem Prüfling (5) reflektierte Licht (13) aufgenommen werden kann und einer Analyseeinheit (15) zur Analyse des von der Infrarotkamera (7) aufgenommenen Bildes.11. Device for measuring long-wave surface structures of flat test specimens (5) with an infrared light source (1, 3, 30) that emits a defined light pattern and can be directed onto a test specimen (5), an infrared camera (7) with which the light (13) reflected on the test object (5) and an analysis unit (15) for analyzing the image recorded by the infrared camera (7).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, in welcher die Infrarotlichtquelle zur Erzeugung eines definierten infraroten Lichtmusters eine Infrarotlampe (1) und eine entsprechend geformte Blende (3) zwischen der Infrarotlampe (1) und dem Prüfling (5) um- fasst.12. The device according to claim 11, in which the infrared light source for generating a defined infrared light pattern comprises an infrared lamp (1) and a correspondingly shaped diaphragm (3) between the infrared lamp (1) and the test specimen (5).
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, in welcher die Infrarotlichtquelle zur Erzeugung eines definierten Lichtmusters einen entsprechend geformten Glühdraht umfasst.13. The apparatus of claim 11, in which the infrared light source for generating a defined light pattern comprises a correspondingly shaped filament.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, in welcher die Infrarotlichtquelle zur Erzeugung eines definierten Lichtmusters eine parallele Anordnung (30) von Glühdrähten (30a) umfasst.14. The apparatus of claim 11, in which the infrared light source for generating a defined light pattern comprises a parallel arrangement (30) of filaments (30a).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, in welcher die Analyseeinrichtung (15) eine Umwandlungseinheit von infrarotem Licht in ein sichtbares Muster umfasst.15. Device according to one of claims 11 to 14, in which the analysis device (15) comprises a conversion unit of infrared light into a visible pattern.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, in welcher die Analyseeinrichtung (15) eine Einrichtung zur Durchführung einer Fourier-Analyse umfasst. 16. Device according to one of claims 11 to 15, in which the analysis device (15) comprises a device for performing a Fourier analysis.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, in welcher die Analyseeinrichtung (15) eine Speichereinheit zur Ablage von Referenzdaten umfasst.17. Device according to one of claims 11 to 16, in which the analysis device (15) comprises a storage unit for storing reference data.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, in welcher die Infrarotkamera (7) beweglich gelagert ist.18. Device according to one of claims 11 to 17, in which the infrared camera (7) is movably mounted.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, in welcher die Infrarotlichtquelle (1 , 3, 30) beweglich gelagert ist. 19. Device according to one of claims 11 to 18, in which the infrared light source (1, 3, 30) is movably mounted.
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