專利名稱：檢測(cè)和分析樣品表面缺陷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)圖象識(shí)別方法，所述方法用于檢測(cè)和分析諸如車輛的涂漆表面之類的樣品表面的缺陷。本發(fā)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，然后進(jìn)行分析。
當(dāng)按自然或人工氣候條件研究諸如車輛的涂漆表面之類的暴露表面時(shí)，以及當(dāng)檢測(cè)和分析由這種氣候造成的表面缺陷時(shí)，光學(xué)圖象識(shí)別方法是一個(gè)重要的指標(biāo)。
這些油漆涂層的質(zhì)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(jìn)行，汽車工業(yè)通常提供有油漆涂層的金屬板的平面樣品，并用石頭或金屬碎片來(lái)轟擊它們。從而就可以分析在樣品油漆涂層中造成的任何缺陷，并進(jìn)行分類。這個(gè)方法在油漆涂層的質(zhì)量分級(jí)中是一個(gè)實(shí)質(zhì)性的部分。
車輛油漆涂層通常具有一種結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，依次對(duì)金屬主體施加電鍍層、填充劑涂層、實(shí)際油漆層以及最后的透明涂層。如上所述的這些外界影響會(huì)對(duì)這種涂覆結(jié)構(gòu)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(fā)生在相鄰?fù)扛矊又g的邊界面處，或是發(fā)生在個(gè)別涂覆層之中。為了得到有關(guān)用于涂覆層結(jié)構(gòu)的材料的耐久性或涂覆層之間的粘合性的信息，重要的是檢測(cè)這種缺陷的微結(jié)構(gòu)和缺陷的不同結(jié)構(gòu)特征的頻數(shù)比。
為了如此進(jìn)行，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種各樣的光學(xué)圖象識(shí)別方法，這些方法的共同點(diǎn)是在再現(xiàn)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(gè)圖象處理裝置，以產(chǎn)生油漆涂層缺陷的圖象。
DE-PS 41 39 107 C1揭示了一種方法，用于檢測(cè)和分析暴露于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(jìn)行數(shù)字化，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，所述計(jì)算機(jī)通過(guò)照射裝置和包括位置—分解檢測(cè)器的電子攝像機(jī)來(lái)產(chǎn)生所述圖象的灰度等級(jí)直方圖。然后，通過(guò)不暴露于氣候條件或標(biāo)準(zhǔn)參考場(chǎng)的樣品和暴露于氣候條件的樣品的灰度等級(jí)直方圖的減法可以檢測(cè)表面的變化。然而，這還不能夠檢測(cè)發(fā)生在油漆涂層結(jié)構(gòu)不同深度處的缺陷以及通過(guò)所述方法把它們相互區(qū)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，所述第一光源用于通過(guò)合適光學(xué)元件在第一步驟中產(chǎn)生經(jīng)準(zhǔn)直的光，以及把所述光引導(dǎo)到要研究的樣品表面。所述光受到樣品表面的排斥，并引導(dǎo)到諸如圖象處理裝置的CCD檢測(cè)器之類的位置—分解檢測(cè)器，可以通過(guò)它來(lái)存儲(chǔ)取得的圖象。此外，提供另一個(gè)光源，該光源用于通過(guò)合適的光學(xué)裝置來(lái)產(chǎn)生散射光，并在另一個(gè)步驟中，把它引導(dǎo)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(chǔ)相應(yīng)的圖象。使用所述兩類光，并比較執(zhí)行的步驟，以允許對(duì)所檢測(cè)的缺陷定出特征。例如，所述方法使檢測(cè)和識(shí)別在車輛油漆涂層外部的透明涂層中出現(xiàn)的缺陷以及在所述透明涂層下面的油漆涂層中出現(xiàn)的缺陷成為可能。因此，WO 98/16815，尤其，這里把在

圖1中結(jié)合用于產(chǎn)生兩類經(jīng)準(zhǔn)直的和散射的光的有關(guān)說(shuō)明而描述的裝置包括在本申請(qǐng)的揭示中。
尤其，上述參考沒(méi)有描述要采取任何措施分別照射樣品、取得畫(huà)面以及分析所得到的圖象數(shù)據(jù)，以便取得最優(yōu)對(duì)比度的圖象。就此而論，是一個(gè)決定性的因素，一方面，使用透明涂層，另一方面，在其它油漆涂層中的顏色差異可能是使任何識(shí)別變成更困難的次要的種類。
然而，到現(xiàn)在為止，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)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(fā)明的目的是提供檢測(cè)和分析在樣品表面出現(xiàn)的缺陷的一種方法，通過(guò)所述方法可以無(wú)誤地檢測(cè)和確定缺陷，并具有最高的精確度。尤其，可以使用這種方法給出關(guān)于缺陷的結(jié)構(gòu)和深度尺寸的報(bào)告書(shū)。
權(quán)利要求1的特征解決了這個(gè)目的。在從屬權(quán)利要求中包括了進(jìn)一步的有利發(fā)展。
因此，本發(fā)明描述了檢測(cè)和分析出現(xiàn)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，并在經(jīng)排斥的輻射的基礎(chǔ)上通過(guò)圖象處理裝置取得和分析表面的圖象。
因此，本發(fā)明的主要思想是使用分析用準(zhǔn)直光執(zhí)行的第一照射步驟得到的結(jié)果，在改進(jìn)的照射條件下用散射光執(zhí)行第二照射步驟。
首先，用準(zhǔn)直光照射要研究的表面，并把受到表面排斥的輻射提供給位置一分解圖象處理裝置?，F(xiàn)在，在提供給圖象處理裝置的圖象的基礎(chǔ)上產(chǎn)生一個(gè)屏蔽。通過(guò)相當(dāng)亮的區(qū)域來(lái)定義屏蔽的區(qū)域，并通過(guò)所述圖象的相當(dāng)暗的區(qū)域來(lái)定義未屏蔽區(qū)域。然而，用散射光照射要研究的表面，并把受到表面排斥的輻射提供給圖象處理裝置，只考慮來(lái)自未屏蔽區(qū)域的輻射，用于設(shè)置照射條件。
因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程，可以在第二方法步驟中設(shè)置最優(yōu)化照射條件，因?yàn)?，由于屏蔽的效果，所以只考慮從缺陷始發(fā)的反向散射的散射光部分來(lái)設(shè)置照射條件。因此，從樣品表面區(qū)域始發(fā)的、沒(méi)有缺陷的反向散射光部分不作考慮，而可以最優(yōu)化地照射無(wú)論如何必須研究的那些缺陷。
因此，具有準(zhǔn)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，還有所有的油漆涂層缺陷，都可看到，不考慮所關(guān)心的涂覆層是透明的、不透光的還是絕對(duì)不透明的之類的問(wèn)題。任何種類的這些偏差作為暗區(qū)出現(xiàn)在用準(zhǔn)直光取得的畫(huà)面的底片上，由于在區(qū)域上沒(méi)有缺陷的情況中，不再把出現(xiàn)在偏差上的光反射到圖象處理裝置。所述沒(méi)有缺陷的區(qū)域依次作為亮區(qū)出現(xiàn)，由于把直射光反射到圖象處理裝置。
首先，使用準(zhǔn)直光來(lái)設(shè)置照射條件。然后，圖象處理裝置產(chǎn)生圖象?，F(xiàn)在，產(chǎn)生屏蔽，在所述屏蔽中，通過(guò)沒(méi)有缺陷的亮的圖象區(qū)域產(chǎn)生經(jīng)屏蔽的區(qū)域，而通過(guò)暗的有缺陷的圖象區(qū)域產(chǎn)生未經(jīng)屏蔽的區(qū)域。為了接著用散射光執(zhí)行照射步驟，使用所述屏蔽來(lái)設(shè)置最優(yōu)化照射條件。對(duì)于這種設(shè)置，有利地不考慮沒(méi)有缺陷的亮區(qū)域，否則它可能導(dǎo)致重疊不希望有的缺陷區(qū)域?？梢宰顑?yōu)化地不再照射缺陷區(qū)域。
在一個(gè)較佳實(shí)施例中，在相應(yīng)的照射步驟中產(chǎn)生所取得畫(huà)面的灰度等級(jí)直方圖?？梢蕴貏e使用所述直方圖來(lái)設(shè)置最優(yōu)化照射條件，如果所取得圖象的灰度等級(jí)值是最寬的頻率分布，則可以給出這種直方圖。對(duì)于頻率分布的寬度的一個(gè)合適的量度是標(biāo)準(zhǔn)偏差。例如，在這種自動(dòng)化的方式下，特別是準(zhǔn)直光或散射光的光強(qiáng)度在給定區(qū)域上是分級(jí)變化，而且對(duì)于每種設(shè)置取得灰度等級(jí)直方圖的方式下，可以執(zhí)行兩個(gè)照射步驟，確定它的頻率分布，并計(jì)算有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。然后，設(shè)置可能得到最大可能標(biāo)準(zhǔn)偏差的光強(qiáng)度，并以此光強(qiáng)度取得圖象和進(jìn)行最后的分析。
最好以這種方式產(chǎn)生屏蔽，即以圖象處理裝置的象素列表的形式來(lái)產(chǎn)生未屏蔽的區(qū)域，所述圖象處理裝置是考慮要在第二照射步驟中設(shè)置照射條件的，因此，所述屏蔽只是虛擬的、電子地存儲(chǔ)的屏蔽。為了產(chǎn)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(jí)值。如對(duì)于相當(dāng)暗的區(qū)域和相當(dāng)亮的區(qū)域的定義，可以事先確定灰度等級(jí)值中的門(mén)限值?；叶鹊燃?jí)值在這種門(mén)限值下面的那些圖象區(qū)域是亮區(qū)域，因此，定義為經(jīng)屏蔽的區(qū)域，而灰度等級(jí)值在這種門(mén)限值上面的那些圖象區(qū)域是暗區(qū)域，并定義為未經(jīng)屏蔽的區(qū)域。
剛通過(guò)第二照射步驟的發(fā)明方法得到最優(yōu)化照射條件，就在其檢測(cè)到的光強(qiáng)度值處取得圖象。最好，不但使用屏蔽來(lái)設(shè)置最優(yōu)化照射條件，而且還取得要分析的圖象，以便淡出定義為無(wú)缺陷區(qū)域的那些區(qū)域。例如，根據(jù)不考慮的象素的電子列表，把所有這些象素的輸出都設(shè)置為零，以致在取得圖象的相應(yīng)區(qū)域上出現(xiàn)暗區(qū)。
下面通過(guò)有缺陷的油漆涂層樣品來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的方法，其中，圖1是用準(zhǔn)直光取得的有缺陷樣品表面的圖象；圖2是從根據(jù)圖1的圖象產(chǎn)生的屏蔽；圖3A、B是根據(jù)圖1用散射光(A)取得的經(jīng)屏蔽的樣品表面的圖象以及有缺陷區(qū)域的放大部分，以使其個(gè)別的灰度等級(jí)區(qū)域可看到(B)；圖4A、B是根據(jù)圖3A(B)的圖象的經(jīng)平滑的灰度等級(jí)直方圖以及不使用屏蔽(B)取得的相應(yīng)圖象的灰度等級(jí)直方圖。
下面描述的圖象是用本來(lái)已知的現(xiàn)有技術(shù)圖象識(shí)別系統(tǒng)取得的，通過(guò)該系統(tǒng)可以用準(zhǔn)直光或散射光照射要研究的樣品。就這種結(jié)構(gòu)而論，這里的一種設(shè)備與上述參考說(shuō)明WO 98/16815有關(guān)的，特別是具有有關(guān)說(shuō)明的圖1。
圖1涉及受到碎片轟擊而受損傷的油漆涂層樣品，用準(zhǔn)直光取得圖象?？梢钥吹?，用這種類型的光，油漆涂層的受損傷區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上是黑色的，而未受損傷的涂覆區(qū)域是白色的。
通過(guò)配備CCD芯片作為位置分解檢測(cè)器的電子視頻攝像機(jī)取得圖象。把油漆涂層表面映射到CCD芯片上?？梢栽诙?biāo)范圍0和255之間取得各個(gè)象素的灰度等級(jí)值。按預(yù)定的分級(jí)改變光強(qiáng)度，對(duì)于每個(gè)設(shè)置的光強(qiáng)度，可檢測(cè)到所取得圖象的灰度等級(jí)值的頻率分布，然后再?gòu)钠錂z測(cè)到標(biāo)準(zhǔn)偏差?，F(xiàn)在，選擇最可能標(biāo)準(zhǔn)偏差的光強(qiáng)度，并使用所取得的圖象進(jìn)行進(jìn)一步的分析。在圖1中示出所述圖象。
現(xiàn)在，使用圖1的圖象來(lái)產(chǎn)生屏蔽，即，定義一些區(qū)域，這些區(qū)域是要考慮進(jìn)行進(jìn)一步圖象處理步驟的那些，特別是當(dāng)用散射光取得圖象時(shí)用于設(shè)置最優(yōu)化照射條件的，以及不再考慮的那一些。
黑色的、經(jīng)屏蔽的區(qū)域以CCD檢測(cè)器象素電子列表的形式出現(xiàn)，它們的灰度等級(jí)值在預(yù)定的給定門(mén)限值之下，以致因此而把它們定義為沒(méi)有缺陷的區(qū)域。為了產(chǎn)生屏蔽，因此而把所取得畫(huà)面的灰度等級(jí)值分成兩個(gè)區(qū)域，就是，未經(jīng)屏蔽的有缺陷區(qū)域和經(jīng)屏蔽的無(wú)缺陷區(qū)域。
現(xiàn)在，用準(zhǔn)直光取得油漆涂層表面的圖象。在用準(zhǔn)直光取得曝光的情況中，還按給定的分級(jí)改變散射光的光強(qiáng)度，對(duì)于每個(gè)設(shè)置的光強(qiáng)度，檢測(cè)到所取得圖象的灰度等級(jí)值的頻率分布，然后從其檢測(cè)到標(biāo)準(zhǔn)偏差。然而，如此進(jìn)行，只考慮相應(yīng)于在以前步驟中產(chǎn)生的屏蔽的未經(jīng)屏蔽區(qū)域的那些象素的灰度等級(jí)值。只從灰度等級(jí)值確定頻率分布和標(biāo)準(zhǔn)偏差。剛通過(guò)如此給定的光強(qiáng)度區(qū)域，就選擇頻率分布的最可能標(biāo)準(zhǔn)偏差的光強(qiáng)度，并分析所取得的圖象。為了取得畫(huà)面，可以把相應(yīng)于屏蔽區(qū)域的象素設(shè)置為零，以致它們作為暗區(qū)而出現(xiàn)，如已經(jīng)根據(jù)圖2的屏蔽所示出。
圖3A示出從所取得圖象產(chǎn)生的偽—彩色顯示的黑—和—白拷貝，其中，已經(jīng)把確定的有關(guān)圖象灰度等級(jí)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(gè)區(qū)域。根據(jù)所述部分，可以把檢測(cè)到的缺陷分類成四個(gè)不同的組或區(qū)域類型，就是I-IV。
圖象的上面一半涉及類型I的圓形區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域中，已經(jīng)通過(guò)碎片轟擊使主體的金屬暴露。圍繞所述區(qū)域的區(qū)域是類型II和III，由陰影線表示。類型II的圓形區(qū)域圍繞圓形金屬區(qū)域，以致可以假設(shè)在這個(gè)區(qū)域中已經(jīng)暴露了接在后面的涂覆層材料。因此，通過(guò)施加到金屬的第一涂覆層，即，電鍍層，產(chǎn)生這類區(qū)域。類型III區(qū)域因此圍繞這個(gè)區(qū)域，以致可以假設(shè)這是涂覆結(jié)構(gòu)的接在后面的一層，就是，填充物涂覆層，該層已經(jīng)在類型III的區(qū)域中暴露。圖象的底部示出類型IV的較暗的區(qū)域，該區(qū)域大部分圍繞類型III的區(qū)域。因此，接著，在這些位置處已經(jīng)暴露了油漆涂層。
當(dāng)用散射光取得畫(huà)面時(shí)，在透明涂層中不可能檢測(cè)到諸如劃痕等的任何缺陷，但是只有在用準(zhǔn)直光取得時(shí)才可能。因此，當(dāng)用散射光取得畫(huà)面時(shí)，由于某些區(qū)域是黑色的這樣的事實(shí)，可以容易地識(shí)別，因?yàn)檫@種畫(huà)面只示出有缺陷的區(qū)域。
圖4A、B示出經(jīng)平滑的灰度等級(jí)直方圖，其中，圖4a涉及不使用屏蔽、用散射光確定的油漆涂層樣品圖象的灰度等級(jí)直方圖?？梢郧宄乜吹?，在左面一半，低灰度等級(jí)值的無(wú)缺陷的亮區(qū)域的影響形成較寬的最大值。與它對(duì)比，圖4B示出使用屏蔽的相同樣品產(chǎn)生的灰度等級(jí)直方圖。沒(méi)有屏蔽，覆蓋了有缺陷區(qū)域中的決定性信息，以致這個(gè)區(qū)域中的對(duì)比度不能最優(yōu)化。
使用球面裝置來(lái)產(chǎn)生散射光，還稱之為“球狀光度計(jì)”，還可以使用LED(發(fā)光二極管)作為光源，例如，紅色、綠色和藍(lán)色LED，通過(guò)這些LED可以覆蓋整個(gè)色譜，因此，根據(jù)要研究的樣品的油漆涂層的要求和顏色，可以把特定顏色的散射光引導(dǎo)到樣品的表面。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)和分析樣品表面缺陷的方法，其特征在于a)使要研究的表面曝光于準(zhǔn)直光，并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(jù)圖象處理裝置所提供的圖象，產(chǎn)生屏蔽，所述屏蔽具有通過(guò)所述圖象的相當(dāng)亮的區(qū)域限定的經(jīng)屏蔽的區(qū)域，以及通過(guò)所述圖象的相當(dāng)暗的區(qū)域限定的未經(jīng)屏蔽的區(qū)域；c)使要研究的表面曝光于散射光，并把從表面排斥的輻射提供給圖象處理裝置，只考慮來(lái)自未經(jīng)屏蔽的區(qū)域的輻射，用于設(shè)置照射條件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，—使在方法步驟a)和c)期間通過(guò)所述圖象處理裝置得到的圖象信號(hào)數(shù)字化，并通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生所述圖象的灰度等級(jí)直方圖。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，—按如此的方式設(shè)置照射條件，使表示灰度等級(jí)直方圖中的灰度等級(jí)值的一個(gè)參數(shù)，特別是標(biāo)準(zhǔn)偏差，最大化，以及—選擇在所述照射條件下產(chǎn)生的圖象。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，—在方法步驟b)中，定義相當(dāng)亮的和相當(dāng)暗的區(qū)域，使得它們的灰度等級(jí)值或是在預(yù)定門(mén)限值以上，或是在預(yù)定門(mén)限值以下。
5.如權(quán)利要求2到4中任何一條所述的方法，其特征在于，—按如此的方式產(chǎn)生屏蔽，按圖象處理裝置象素列表的形式產(chǎn)生未經(jīng)屏蔽的區(qū)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于準(zhǔn)直光，并把被所述表面排斥的輻射提供給位置－分解圖象處理裝置。然后，在圖象處理裝置所提供的圖象的基礎(chǔ)上產(chǎn)生屏蔽，所述屏蔽具有通過(guò)所述圖象的相當(dāng)亮的區(qū)域定義的經(jīng)屏蔽的區(qū)域以及通過(guò)所述圖象的相當(dāng)暗的區(qū)域定義的未經(jīng)屏蔽的區(qū)域。現(xiàn)在，使要研究的表面曝光于散射光，并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(lái)自未經(jīng)屏蔽的區(qū)域的輻射。
文檔編號(hào)G06T7/00GK1486421SQ01822042
公開(kāi)日2004年3月31日 申請(qǐng)日期2001年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月19日
發(fā)明者C·貝納特克, F·凱爾納, P·馬奇, C 貝納特克 申請(qǐng)人:阿特拉斯材料測(cè)試技術(shù)有限公司