DE19501073A1 - Bildverarbeitungsverfahren zur Ermittlung der Strukturfestigkeit eines Prüfobjektes mit diffus streuender Oberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Struk­ turfestigkeit eines Prüfobjektes mit diffus streuender Ober­ fläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE-OS 42 31 578 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Prüfobjekt mit kohären­ tem Licht bestrahlt und die vom Prüfobjekt zurückgestreute Strahlung in zwei Teilstrahlungen aufgeteilt. Die zwei Teil­ strahlungen werden derart wieder zusammengeführt, daß die beiden Teilstrahlungen leicht verkippt sind (Shearing-Effekt). Die die Bildinformation tragenden Teilstrahlungen werden einem elektronischen Bildsensorsystem zugeführt. Dabei wird das Prüfobjekt durch die abbildende Komponente auf dem Bildsensor abgebildet. Die auf den Bildsensor auftreffende Strahlung wird nach einer A/D-Wandlung in digitale Signale umgewandelt. Die Oberfläche des Prüfobjekts hat zunächst den Zustand 1, nach einer aufgebrachten Verformung den Zustand 2. Die Aufzeichnung des Oberflächenzustandes 1 erfolgt derart, daß in einer ersten Bildfolge eine Teilstrahlung bezüglich der zweiten Teilstrah­ lung schrittweise phasenverschoben wird. Die Bildfolge wird typischerweise in dem temporären Speicher eines Rechners abgelegt. Von dem Oberflächenzustand 2 wird in derselben Weise eine zweite Bildfolge erzeugt. Die einzelnen Schritte der ersten und der zweiten Bildfolge werden in einem Rechner zu einem Modulo-2π-Bild weiterverarbeitet. Das Ziel der aufzu­ bringenden Verformung besteht immer darin, Schwachstellen dadurch zu erkennen, daß solche Stellen eine signifikant andere Verformung als die Umgebung aufweisen. Das aus diesem Verfahren resultierende Bild ist einerseits das Ergebnis der konstruktiven und geometrischen Ausgestaltung des Prüfobjekts und andererseits eine Folge von Strukturinhomogenitäten. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der Effekt von Strukturinhomogenitäten nur dann zu erkennen ist, wenn dieser Effekt signifikant größer ist als die konstruktiv oder geome­ trisch bedingten Effekte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das aus der DE-OS 42 31 578 A1 bekannte Verfahren derart weiterzuentwickeln, daß Strukturinhomogenitäten von konstruktiven und geome­ trischen Effekten auf einfache Weise unterschieden werden.

Ausgehend von dem gattungsgemäßen Stand der Technik wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsarten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.

Die numerisch durchgeführte und in ein resultierendes Grau­ wertbild umgesetzte partielle Differenzierung eines zu einem Ausgangs-Grauwertbild verstetigten Modulo-2π-Bildes gestattet es, Strukturinhomogenitäten von konstruktiv oder geometrisch bedingten Effekten zu unterscheiden, da Strukturinhomogenitä­ ten in der Regel größere Steigungen aufweisen als konstruktiv oder geometrisch bedingte Effekte. Dadurch, daß im numerischen Bildverarbeitungsprozeß vor der eigentlichen Differenzierung noch eine Grauwertverschiebung des Zweit-Grauwertbildes durch­ geführt wird, gelingt sogar eine Erkennung der Steigungsrich­ tung und folglich die Zuordnung der untersuchten Strukturinho­ mogenität zum konkaven oder konvexen Typ.

Eine vorteilhafte Verfahrensführung besteht darin, das Prüf­ objekt mit kohärentem Licht aus mehreren Laserdioden zu be­ leuchten, die jeweils einen Leuchtfleck auf dem Prüfobjekt erzeugen.

Wenn bei einer bestimmten Art von Prüfobjekten eine typische Strukturinhomogenität mit ellipsenähnlichem Verlauf und mit einer typischen Lageanordnung auftritt, wird das Verfahren vorteilhafterweise so durchgeführt, daß die Shearing- und Differenzierungsrichtung mit der Richtung der kurzen Halbachse der elliptisch ausgeprägten Strukturinhomogenität überein­ stimmt.

Treten bei einer bestimmten Art von Prüfobjekten zwei typische Strukturinhomogenitäten mit ellipsenähnlichem Verlauf und mit zueinander orthogonalen typischen Lageanordnungen auf, wird als Shearing- und Differenzierungsrichtung vorteilhafterweise die Richtung gewählt, die mit beiden kurzen Ellipsenhalbachsen einen Winkel von 45° einschließt.

Vorteilhaft ist es, im resultierenden Grauwertbild Grauwert­ bereiche durch Farben zu markieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß sich im resultierenden Bild Strukturinhomogenitäten von konstruktiv oder geometrisch bedingten Effekten deutlich abheben und deshalb auf einfache Weise zu identifizieren sind. Ein weite­ rer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der unmittelbar möglichen Zuordnung der jeweiligen Strukturinhomo­ genitäten zum konkaven oder konvexen Typ.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Grauwert-Verteilung aufgrund der Prüfgeometrie im Falle eines Reifens (Absenken des Innendrucks),

Fig. 2 die tatsächliche Grauwert-Verteilung bei Einwirkung variabler Steifigkeit des Reifenquerschnitts,

Fig. 3 die Verfahrensschritte Shearing - Differenzbildung,

Fig. 4 die Auswirkung einer konvexen Verformung auf die Grauwert-Verteilung,

Fig. 5 die Auswirkung einer konkaven Verformung auf die Grauwert-Verteilung,

Fig. 6 Auswirkungen der Shearing-Differenzierungs-Richtung auf das Grauwert-Signal und

Fig. 7 typische Strukturschwächen an einem Reifen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das entsprechend dem aus der DE-OS 42 31 578 A1 gewonnene Modulo-2π-Bild zunächst in ein Grauwertbild derart umgesetzt, daß die Grauwerte der einzelnen Bildpunkte die Differenz der Verformung zweier benachbarter Punkte auf dem Prüfobjekt angeben. Hierfür ge­ eignete Entfaltungsmethoden sind z. B. beschrieben in "Digitale Verarbeitung und Auswertung von Interferenzbildern", Wolfgang Oten, Akademie-Verlag Berlin, 1991, Seiten 138 bis 144 und in "Proceedings of the I. International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns", Akademie-Verlag Berlin, 1989, Seiten 23 bis 31.

Die Grauwert-Verteilung wird durch die Verformungsdifferenz in Shearing-Richtung bestimmt, wobei die Shearing-Richtung defi­ niert ist als die Verkippungsrichtung der einen Teilstrahlung gegen die andere Teilstrahlung. Typische Grauwert-Verteilungen sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt.

Fig. 1 zeigt für den Fall des tangentialen Shearings die theoretische Grauwert-Verteilung an der Seitenwand eines homogenen Reifens bei Druckabsenkung. Fig. 2 zeigt die tat­ sächlich gemessene Grauwert-Verteilung. Dieser Verlauf ist im wesentlichen durch die konstruktive Ausbildung des Reifenquer­ schnitts bestimmt. Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß der Effekt von Strukturinhomogenitäten nur dann zu erkennen ist, wenn dieser Effekt signifikant größer ist als die konstruktiv oder geometrisch bedingten Effekte. Das Grauwertbild (d. h. die Verformung-Differenz) ist einerseits das Ergebnis der kon­ struktiven und geometrischen Ausgestaltung des Prüfobjektes und andererseits eine Folge von Strukturinhomogenitäten.

Da sich Strukturinhomogenitäten an Prüfobjekten von konstruk­ tiv oder geometrisch bedingten Effekten durch eine größere Steigung unterscheiden, kann eine einfache Separation der Strukturinhomogenitäten von den konstruktiven und geometri­ schen Effekten durch partielles Differenzieren des Shearing- Bildes erreicht werden. Das Differenzieren erfolgt näherungs­ weise durch Subtraktion zweier geringfügig gegeneinander ver­ schobener Bilder. Die beiden verschobenen Bilder haben dassel­ be Ausgangsbild. Als Verschiebungsrichtung ("partielles Diffe­ rential") wird vorteilhafterweise die Shearing-Richtung ge­ wählt. In Fig. 3 ist das Prinzip der einzelnen Stufen dieser Prozedur dargestellt. Das Wesen dieser Prozedur besteht darin, daß das optisch erzeugte Shearing-Bild geometrisch um den Betrag Δx verschoben und dem ursprünglichen Bild subtraktiv überlagert wird, wodurch eine entsprechende Grauwertverteilung entsteht. Durch Vorgabe von Grauwert-Schwellen können somit auf einfache Weise Strukturinhomogenitäten angezeigt werden. Vorteilhaft ist es, Grauwertbereiche durch Farben (z. B. grün- gelb-rot) zu markieren. Dadurch wird die Gut/Schlecht-Ent­ scheidung erheblich vereinfacht.

In vielen Fällen ist es notwendig, das Vorzeichen der Inhomo­ genität (z. B. konkave oder konvexe Beule) zu kennen. Im Falle eines Reifens beispielsweise bewirkt ein "Stoß" eine Erhöhung der lokalen Strukturfestigkeit, gesucht werden jedoch Struk­ turschwächen. Die Unterscheidung gelingt nur durch Erkennung des Vorzeichens der Verformungsänderung bei Druckänderung im Reifeninneren.

Die Erkennung des Vorzeichens wird dadurch ermöglicht, daß das zur Differenzbildung geometrisch verschobene Shearing-Bild auch in seinen Grauwerten verschoben wird. Die resultierende Grauwert-Verteilung unterscheidet sich dann signifikant ab­ hängig vom Vorzeichen. Dies ist in den Fig. 4 und 5 darge­ stellt.

Es muß weiter darauf geachtet werden, daß bei komplizierten Konstruktionen oder Geometrien des Prüfobjekts der Prüfbereich so beschränkt wird, daß Strukturinhomogenitäten im Grauwert­ bild signifikant bleiben.

In vielen Fällen äußern sich Strukturschwächen als asymmetri­ sche Beulen oder Falten. Die Shearingrichtung, bzw. die Rich­ tung der Differenzbildung beeinflussen entscheidend die Aus­ prägung des durch die Beulen (Falten) bedingten Signals. In Fig. 6 ist diese Wirkung dargestellt. Bei der gewählten Aus­ bildung der Beule ergibt die Shearing-/Differenzrichtung x das beste Signal, unter 45° erhält man immer noch eine gute Aus­ prägung, während die Richtung y keinerlei Signifikanz des Grauwertbildes aufweist.

Für den Fall eines Reifens sind typische Strukturschwächen in Fig. 7 dargestellt. Die Stelle "1" zeigt eine Gürtelkanten- Ablösung resp. Vorstufen der Ablösung. Sie zeigt typischerwei­ se einen tangentialen Verlauf, die beste Indikation ist durch radiales Shearing/Differenzieren gegeben. Strukturschwächen über den Reifenquerschnitt äußern sich in radial ausgerichte­ ten Falten (Stelle "2"); die beste Indikation ist durch tan­ gentiales Shearing/Differenzieren gegeben. Für beide Fehler­ typen bietet sich als akzeptabler Kompromiß die 45°-Richtung an.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ermittlung der Strukturfestigkeit eines Prüfobjektes mit diffus streuender Oberfläche, bei dem

• - das Prüfobjekt mit kohärentem Licht beleuchtet wird,
• - die vom Prüfobjekt zurückgestreute Strahlung in einem Zweistrahl-Interferometer in zwei Teilstrahlungen aufge­ teilt wird,
• - in dem Zweistrahl-Interferometer die eine der beiden Teilstrahlungen gegen die andere Teilstrahlung verkippt wird (Shearing),
• - in dem Zweistrahl-Interferometer eine der beiden Teil­ strahlungen schrittweise phasenverschoben wird,
• - die von dem Prüfobjekt zurückgestreute und in dem Zwei­ strahl-Interferometer in die zwei Teilstrahlungen aufge­ teilte und wieder zusammengeführte Strahlung durch die Oberfläche des Prüfobjektes abbildende Komponenten mit großer Öffnung einem elektronischen Bildsensorsystem zugeführt wird,
• - die von dem Bildsensorsystem abgegebenen Signale digita­ lisiert und in einem Bildverarbeitungssystem zu einem Modulo-2π-Bild weiterverarbeitet werden und das Modulo- 2π-Bild zu einem Ausgangs-Grauwertbild verstetigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangs-Grauwertbild in der Weise partiell differenziert wird, daß ein zweites, dem Ausgangs-Grauwertbild gleiches Grauwertbild erzeugt wird und dieses gegen das Ausgangs-Grauwertbild in Shearing-Richtung geometrisch verschoben und um einen über den gesamten Bildbereich konstanten Grauwert ver­ ändert wird und das so manipulierte Zweit-Grauwertbild von dem Ausgangs-Grauwertbild subtrahiert wird und damit ein resultierendes Grauwertbild entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfobjekt mit kohärentem Licht aus mehreren Laserdioden beleuchtet wird, die jeweils einen Leuchtfleck auf dem Prüfobjekt erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß, wenn bei einer bestimmten Art von Prüf­ objekten eine typische Strukturinhomogenität mit ellipsen­ ähnlichem Verlauf und typischerweise in einer bestimmten Lageorientierung auftritt, als Shearing- und Differenzie­ rungsrichtung die Richtung der kurzen Halbachse dieser elliptisch ausgeprägten Strukturinhomogenität gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß, wenn bei einer bestimmten Art von Prüf­ objekten zwei typische Strukturinhomogenitäten mit el­ lipsenähnlichem Verlauf und zueinander orthogonalen typi­ schen Lageanordnungen auftreten, als Shearing- und Diffe­ renzierungsrichtung die Richtung gewählt wird, die mit jeder der beiden kurzen Ellipsenhalbachsen einen Winkel von 45° einschließt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im resultierenden Grauwertbild Grau­ wertbereiche durch Farben markiert werden.