檢測和分析樣品表面缺陷的方法
2023-09-12 23:59:25 2
專利名稱：檢測和分析樣品表面缺陷的方法
技術領域：
本發明涉及光學圖象識別方法，所述方法用於檢測和分析諸如車輛的塗漆表面之類的樣品表面的缺陷。本發明尤其涉及一種方法，在所述方法中，依次用兩種不同種類的光照射要研究的樣品表面，然後進行分析。
當按自然或人工氣候條件研究諸如車輛的塗漆表面之類的暴露表面時，以及當檢測和分析由這種氣候造成的表面缺陷時，光學圖象識別方法是一個重要的指標。
這些油漆塗層的質量檢查還特別涉及其在石頭撞擊方面的耐黏附性。為了如此進行，汽車工業通常提供有油漆塗層的金屬板的平面樣品，並用石頭或金屬碎片來轟擊它們。從而就可以分析在樣品油漆塗層中造成的任何缺陷，並進行分類。這個方法在油漆塗層的質量分級中是一個實質性的部分。
車輛油漆塗層通常具有一種結構，在這種結構中，依次對金屬主體施加電鍍層、填充劑塗層、實際油漆層以及最後的透明塗層。如上所述的這些外界影響會對這種塗覆結構造成不同種類的缺陷，例如，劃痕、穿孔或變形。尤其，除去材料造成的這些缺陷的深度尺寸是彼此不同的，這種破壞或是發生在相鄰塗覆層之間的邊界面處，或是發生在個別塗覆層之中。為了得到有關用於塗覆層結構的材料的耐久性或塗覆層之間的粘合性的信息，重要的是檢測這種缺陷的微結構和缺陷的不同結構特徵的頻數比。
為了如此進行，已經開發了各種各樣的光學圖象識別方法，這些方法的共同點是在再現條件下照射要研究的一塊材料的表面，把從所述表面排斥的光提供給一個圖象處理裝置，以產生油漆塗層缺陷的圖象。
DE-PS 41 39 107 C1揭示了一種方法，用於檢測和分析暴露於人工或自然氣候條件的樣品的表面變化。取得樣品表面的圖象，進行數位化，並存儲在計算機中，所述計算機通過照射裝置和包括位置—分解檢測器的電子攝像機來產生所述圖象的灰度等級直方圖。然後，通過不暴露於氣候條件或標準參考場的樣品和暴露於氣候條件的樣品的灰度等級直方圖的減法可以檢測表面的變化。然而，這還不能夠檢測發生在油漆塗層結構不同深度處的缺陷以及通過所述方法把它們相互區分。
WO 98/16815描述研究表面缺陷的一種裝置，所述裝置包括第一光源，所述第一光源用於通過合適光學元件在第一步驟中產生經準直的光，以及把所述光引導到要研究的樣品表面。所述光受到樣品表面的排斥，並引導到諸如圖象處理裝置的CCD檢測器之類的位置—分解檢測器，可以通過它來存儲取得的圖象。此外，提供另一個光源，該光源用於通過合適的光學裝置來產生散射光，並在另一個步驟中，把它引導到樣品表面。還把受到樣品表面排斥的光提供給圖象處理裝置，所述圖象處理裝置可以存儲相應的圖象。使用所述兩類光，並比較執行的步驟，以允許對所檢測的缺陷定出特徵。例如，所述方法使檢測和識別在車輛油漆塗層外部的透明塗層中出現的缺陷以及在所述透明塗層下面的油漆塗層中出現的缺陷成為可能。因此，WO 98/16815，尤其，這裡把在
圖1中結合用於產生兩類經準直的和散射的光的有關說明而描述的裝置包括在本申請的揭示中。
尤其，上述參考沒有描述要採取任何措施分別照射樣品、取得畫面以及分析所得到的圖象數據，以便取得最優對比度的圖象。就此而論，是一個決定性的因素，一方面，使用透明塗層，另一方面，在其它油漆塗層中的顏色差異可能是使任何識別變成更困難的次要的種類。
然而，到現在為止，還沒有發現表示在WO 98/16815中描述的效率可能如何何完全用盡的公布。
因此，本發明的目的是提供檢測和分析在樣品表面出現的缺陷的一種方法，通過所述方法可以無誤地檢測和確定缺陷，並具有最高的精確度。尤其，可以使用這種方法給出關於缺陷的結構和深度尺寸的報告書。
權利要求1的特徵解決了這個目的。在從屬權利要求中包括了進一步的有利發展。
因此，本發明描述了檢測和分析出現在樣品表面的缺陷的一種方法，其中，用兩類光依次照射要研究的樣品表面，並在經排斥的輻射的基礎上通過圖象處理裝置取得和分析表面的圖象。
因此，本發明的主要思想是使用分析用準直光執行的第一照射步驟得到的結果，在改進的照射條件下用散射光執行第二照射步驟。
首先，用準直光照射要研究的表面，並把受到表面排斥的輻射提供給位置一分解圖象處理裝置。現在，在提供給圖象處理裝置的圖象的基礎上產生一個屏蔽。通過相當亮的區域來定義屏蔽的區域，並通過所述圖象的相當暗的區域來定義未屏蔽區域。然而，用散射光照射要研究的表面，並把受到表面排斥的輻射提供給圖象處理裝置，只考慮來自未屏蔽區域的輻射，用於設置照射條件。
因為這個過程，可以在第二方法步驟中設置最優化照射條件，因為，由於屏蔽的效果，所以只考慮從缺陷始發的反向散射的散射光部分來設置照射條件。因此，從樣品表面區域始發的、沒有缺陷的反向散射光部分不作考慮，而可以最優化地照射無論如何必須研究的那些缺陷。
因此，具有準直的第一照射步驟，最好首先使用平行(直射)光，以使所有的平面表面，即，還有所有的油漆塗層缺陷，都可看到，不考慮所關心的塗覆層是透明的、不透光的還是絕對不透明的之類的問題。任何種類的這些偏差作為暗區出現在用準直光取得的畫面的底片上，由於在區域上沒有缺陷的情況中，不再把出現在偏差上的光反射到圖象處理裝置。所述沒有缺陷的區域依次作為亮區出現，由於把直射光反射到圖象處理裝置。
首先，使用準直光來設置照射條件。然後，圖象處理裝置產生圖象。現在，產生屏蔽，在所述屏蔽中，通過沒有缺陷的亮的圖象區域產生經屏蔽的區域，而通過暗的有缺陷的圖象區域產生未經屏蔽的區域。為了接著用散射光執行照射步驟，使用所述屏蔽來設置最優化照射條件。對於這種設置，有利地不考慮沒有缺陷的亮區域，否則它可能導致重疊不希望有的缺陷區域。可以最優化地不再照射缺陷區域。
在一個較佳實施例中，在相應的照射步驟中產生所取得畫面的灰度等級直方圖。可以特別使用所述直方圖來設置最優化照射條件，如果所取得圖象的灰度等級值是最寬的頻率分布，則可以給出這種直方圖。對於頻率分布的寬度的一個合適的量度是標準偏差。例如，在這種自動化的方式下，特別是準直光或散射光的光強度在給定區域上是分級變化，而且對於每種設置取得灰度等級直方圖的方式下，可以執行兩個照射步驟，確定它的頻率分布，並計算有關的標準偏差。然後，設置可能得到最大可能標準偏差的光強度，並以此光強度取得圖象和進行最後的分析。
最好以這種方式產生屏蔽，即以圖象處理裝置的象素列表的形式來產生未屏蔽的區域，所述圖象處理裝置是考慮要在第二照射步驟中設置照射條件的，因此，所述屏蔽只是虛擬的、電子地存儲的屏蔽。為了產生所述屏蔽，可以使用在第一照射步驟中取得的圖象灰度等級值。如對於相當暗的區域和相當亮的區域的定義，可以事先確定灰度等級值中的門限值。灰度等級值在這種門限值下面的那些圖象區域是亮區域，因此，定義為經屏蔽的區域，而灰度等級值在這種門限值上面的那些圖象區域是暗區域，並定義為未經屏蔽的區域。
剛通過第二照射步驟的發明方法得到最優化照射條件，就在其檢測到的光強度值處取得圖象。最好，不但使用屏蔽來設置最優化照射條件，而且還取得要分析的圖象，以便淡出定義為無缺陷區域的那些區域。例如，根據不考慮的象素的電子列表，把所有這些象素的輸出都設置為零，以致在取得圖象的相應區域上出現暗區。
下面通過有缺陷的油漆塗層樣品來詳細說明本發明的方法，其中，圖1是用準直光取得的有缺陷樣品表面的圖象；圖2是從根據圖1的圖象產生的屏蔽；圖3A、B是根據圖1用散射光(A)取得的經屏蔽的樣品表面的圖象以及有缺陷區域的放大部分，以使其個別的灰度等級區域可看到(B)；圖4A、B是根據圖3A(B)的圖象的經平滑的灰度等級直方圖以及不使用屏蔽(B)取得的相應圖象的灰度等級直方圖。
下面描述的圖象是用本來已知的現有技術圖象識別系統取得的，通過該系統可以用準直光或散射光照射要研究的樣品。就這種結構而論，這裡的一種設備與上述參考說明WO 98/16815有關的，特別是具有有關說明的圖1。
圖1涉及受到碎片轟擊而受損傷的油漆塗層樣品，用準直光取得圖象。可以看到，用這種類型的光，油漆塗層的受損傷區域實質上是黑色的，而未受損傷的塗覆區域是白色的。
通過配備CCD晶片作為位置分解檢測器的電子視頻攝像機取得圖象。把油漆塗層表面映射到CCD晶片上。可以在定標範圍0和255之間取得各個象素的灰度等級值。按預定的分級改變光強度，對於每個設置的光強度，可檢測到所取得圖象的灰度等級值的頻率分布，然後再從其檢測到標準偏差。現在，選擇最可能標準偏差的光強度，並使用所取得的圖象進行進一步的分析。在圖1中示出所述圖象。
現在，使用圖1的圖象來產生屏蔽，即，定義一些區域，這些區域是要考慮進行進一步圖象處理步驟的那些，特別是當用散射光取得圖象時用於設置最優化照射條件的，以及不再考慮的那一些。
黑色的、經屏蔽的區域以CCD檢測器象素電子列表的形式出現，它們的灰度等級值在預定的給定門限值之下，以致因此而把它們定義為沒有缺陷的區域。為了產生屏蔽，因此而把所取得畫面的灰度等級值分成兩個區域，就是，未經屏蔽的有缺陷區域和經屏蔽的無缺陷區域。
現在，用準直光取得油漆塗層表面的圖象。在用準直光取得曝光的情況中，還按給定的分級改變散射光的光強度，對於每個設置的光強度，檢測到所取得圖象的灰度等級值的頻率分布，然後從其檢測到標準偏差。然而，如此進行，只考慮相應於在以前步驟中產生的屏蔽的未經屏蔽區域的那些象素的灰度等級值。只從灰度等級值確定頻率分布和標準偏差。剛通過如此給定的光強度區域，就選擇頻率分布的最可能標準偏差的光強度，並分析所取得的圖象。為了取得畫面，可以把相應於屏蔽區域的象素設置為零，以致它們作為暗區而出現，如已經根據圖2的屏蔽所示出。
圖3A示出從所取得圖象產生的偽—彩色顯示的黑—和—白拷貝，其中，已經把確定的有關圖象灰度等級值賦予不同的顏色。圖3B中的放大的方形部分示出大約在圖象中心處的一個區域。根據所述部分，可以把檢測到的缺陷分類成四個不同的組或區域類型，就是I-IV。
圖象的上面一半涉及類型I的圓形區域。在這個區域中，已經通過碎片轟擊使主體的金屬暴露。圍繞所述區域的區域是類型II和III，由陰影線表示。類型II的圓形區域圍繞圓形金屬區域，以致可以假設在這個區域中已經暴露了接在後面的塗覆層材料。因此，通過施加到金屬的第一塗覆層，即，電鍍層，產生這類區域。類型III區域因此圍繞這個區域，以致可以假設這是塗覆結構的接在後面的一層，就是，填充物塗覆層，該層已經在類型III的區域中暴露。圖象的底部示出類型IV的較暗的區域，該區域大部分圍繞類型III的區域。因此，接著，在這些位置處已經暴露了油漆塗層。
當用散射光取得畫面時，在透明塗層中不可能檢測到諸如劃痕等的任何缺陷，但是只有在用準直光取得時才可能。因此，當用散射光取得畫面時，由於某些區域是黑色的這樣的事實，可以容易地識別，因為這種畫面只示出有缺陷的區域。
圖4A、B示出經平滑的灰度等級直方圖，其中，圖4a涉及不使用屏蔽、用散射光確定的油漆塗層樣品圖象的灰度等級直方圖。可以清楚地看到，在左面一半，低灰度等級值的無缺陷的亮區域的影響形成較寬的最大值。與它對比，圖4B示出使用屏蔽的相同樣品產生的灰度等級直方圖。沒有屏蔽，覆蓋了有缺陷區域中的決定性信息，以致這個區域中的對比度不能最優化。
使用球面裝置來產生散射光，還稱之為「球狀光度計」，還可以使用LED(發光二極體)作為光源，例如，紅色、綠色和藍色LED，通過這些LED可以覆蓋整個色譜，因此，根據要研究的樣品的油漆塗層的要求和顏色，可以把特定顏色的散射光引導到樣品的表面。
權利要求
1.一種檢測和分析樣品表面缺陷的方法，其特徵在於a)使要研究的表面曝光於準直光，並把從表面排斥的輻射提供給位置分解圖象處理裝置；b)根據圖象處理裝置所提供的圖象，產生屏蔽，所述屏蔽具有通過所述圖象的相當亮的區域限定的經屏蔽的區域，以及通過所述圖象的相當暗的區域限定的未經屏蔽的區域；c)使要研究的表面曝光於散射光，並把從表面排斥的輻射提供給圖象處理裝置，只考慮來自未經屏蔽的區域的輻射，用於設置照射條件。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，—使在方法步驟a)和c)期間通過所述圖象處理裝置得到的圖象信號數位化，並通過計算機產生所述圖象的灰度等級直方圖。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，—按如此的方式設置照射條件，使表示灰度等級直方圖中的灰度等級值的一個參數，特別是標準偏差，最大化，以及—選擇在所述照射條件下產生的圖象。
4.如權利要求2或3所述的方法，其特徵在於，—在方法步驟b)中，定義相當亮的和相當暗的區域，使得它們的灰度等級值或是在預定門限值以上，或是在預定門限值以下。
5.如權利要求2到4中任何一條所述的方法，其特徵在於，—按如此的方式產生屏蔽，按圖象處理裝置象素列表的形式產生未經屏蔽的區域，所述圖象處理裝置是為了分析的目的而必須考慮的。
全文摘要
在本方法中，首先使要研究的表面曝光於準直光，並把被所述表面排斥的輻射提供給位置－分解圖象處理裝置。然後，在圖象處理裝置所提供的圖象的基礎上產生屏蔽，所述屏蔽具有通過所述圖象的相當亮的區域定義的經屏蔽的區域以及通過所述圖象的相當暗的區域定義的未經屏蔽的區域。現在，使要研究的表面曝光於散射光，並把被所述表面排斥的輻射提供給圖象處理裝置。為了分析的目的，只考慮來自未經屏蔽的區域的輻射。
文檔編號G06T7/00GK1486421SQ01822042
公開日2004年3月31日 申請日期2001年12月12日 優先權日2001年1月19日
發明者C·貝納特克, F·凱爾納, P·馬奇, C 貝納特克 申請人:阿特拉斯材料測試技術有限公司