用于检测划痕的装置和方法

专利名称：用于检测划痕的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，用于检测划痕，特别是在透明物质表面比如玻璃上的划痕，该装置包括照明装置和接收装置，其检测在物质表面上的扫描线，并且可相对物质表面移动，本发明涉及还一种相关方法。
背景技术：
玻璃上粗糙的划痕是由于具有尖锐部分的物质的移动而造成的。当所述物质被移动时，玻璃从光滑表面上碎落成不规则的微小颗粒。这导致结构不规则，它使光在各个方向漫射，不管该方向是否是在入射光来时的方向之外。这类粗糙划痕称作“摩擦(rub)”、“磨损(abrasion)”、“刮划(scuffing)”、“冰状划痕(ice-like scratches)”等。此外，还有其它划痕，它们一般更细微，是由于极其尖锐的物体在压力之下的塑性流动从而在玻璃表面上造成的，其分成“凹槽(groove)”、“沟槽(flute)”、“细缝(hairline)”、“脊(ridge)”等类。当从规定的方向观看玻璃时，必须从一确定的方向照射划痕才能使所述划痕可见。由于在玻璃中的划痕有任意可能的方向，所以必须从所有侧面照射将要进行划痕检测的被检玻璃表面，以便可以识别出所有的划痕。由于几乎所有的划痕在旋转180度后又变成了它们本身的形状，所以围绕玻璃表面照射180度就已经足够了。而不必围绕玻璃表面照射360度。
特别地，具有弯曲的玻璃表面很难实现这类照射。这种应用的一个典型实例是在挡风玻璃中的划痕的方向中。由于挡风玻璃通常都是球形弯曲的，所以必须从所有侧面均匀照亮至少一确定区域，该区域围绕接收装置例如数字照相机的扫描线设定，该扫描线有利地从顶部延长到底部。此外，不可能以相同的距离将球形弯曲的挡风玻璃的全部区域都移动通过所述照相机。因此照射必须具有所需的特性，即跨过一定深度范围的漫射照射。此外，接收相机也必须具有足够的深度分辨率，以便传送清晰的划痕图像。因而照射光必须足够亮。为产生足以清楚的被测划痕的差异，照相机一般必须先对准一个黑暗的光阱(light trap)。光只有在照射划痕时进入照相机。因此必须保证既没有从直接来自照明装置的光也没有从完好的物质表面上反射回来的光进入所述照相机。这是使用现有的采样和扫描装置无法实现的，尤其是当它们用于具有弯曲的例如球形弯曲的挡风玻璃时。

发明内容
因此本发明的目的还是使能够可靠地检测例如在球形弯曲的玻璃板或其它物质表面上的划痕。
借助权利要求1的特征，在最初提到的这类装置的情况下能够实现所述目的。所述照明装置包括至少一条光带(light strip)，其产生相对于扫描线横向传播的平行光，而该光在扫描线的方向上是漫射或准漫射的。优选地，照明装置还包括至少一个光源，其产生相对于扫描线横向传播的漫射或准漫射光，特别地，它在与曲面法线成一定角度的范围内投射在所述物质表面上。结果，由于所述照明包括，尤其是，两个不同的光组分，这两个光组分的走向彼此大致正交，所以由漫射或准漫射光，即，基本上从各个方向沿着所述组分的均匀入射的光，从所有侧向均匀照亮着在物质表面上的围绕成像扫描线的一个足够大的范围。
因此来自光带的光和来自光源的光各自覆盖近似180度的入射光区域，上述两个分量彼此基本垂直。结果，位于接收装置(照相机)的光学范围内的划痕被来自所有方向的光，即漫射和准漫射光照亮，所以划痕总是在照相机中产生明亮的映像(reflectance)。通过指定特定光分量在物质表面上的入射角，将同时保证没有从完好表面上反射回来的光进入到照相机，以及错误地显示划痕或缺陷存在。
根据本发明，当接收装置位于扫描线上的一点的曲面法线的区域中时可以特别容易地实现上述效果。在这种情况下，仅仅沿法线方向投射在物质表面上光将会漫射进入到照相机中。但是这可以通过照明装置的有创造性的定位来加以预防。对于例如球形弯曲的物质表面，由于所述弯曲，接收装置无法在每个检测位置都被准确地设置在扫描线上的一点的曲面法线上。在这种情况下，例如将接收装置设置在所述物质的弯曲表面中心的曲面法线的区域中是有意义的。然而，特别地，当弯曲不均匀时，将接收装置放在不同的位置也是有意义的。
照明装置和接收装置最好设在透明物质的同一侧。由于挡风玻璃一般包括在板内侧的印刷区域，因此必须将照相机和照明设定在外侧。这是在黑暗区域内的划痕可以从外侧检测到的唯一布局结构。这些区域在安装好后还可以看得见；由于背景是黑色的，所以对查看汽车的人来说划痕特别明显。因此，必须检查这些区域。如果没有印刷体区域(例如当含有若干个侧窗玻璃板(pane)时)，也可以从内侧照射，而将照相机安装在外侧，或者反之。
根据本发明，光带最好相对于扫描线上的一点的曲面法线倾斜一个角度，以便在扫描线周围的区域都能被照亮。在这样的布置中，照相机设置在相同侧，光带设置为与照相机相邻，从而保证了光不会直接进入照相机。或者，用这类布置，由于光在物质表面上以对应于入射角的反射角进行反射，所以使得在物质的光滑表面上反射的光也不会进入照相机。
为产生平行光，光带可以容易地包括使光束平行的光学器件。
根据本发明，漫射器——特别是透镜系统——可以设置在下游以在扫描线方向上产生漫射光。为了混合射出的光，可以用一无光泽(matt)屏，尽管它会引起透射损耗。因此由微柱透镜组成的透镜系统是有利的，由于微柱透镜可以以高透明度使光均匀分布。
为进一步提高照明等级，也可以提供两个光带，其优选设置在曲面法线的两侧。而后照相机优选设置在这两个光带之间。根据本发明，也可以设置若干个光带，彼此相邻接，例如两个光带，在接收装置(照相机)的每一侧各设置一个光带，以增强照明。在这种情况下，围绕扫描线的法线平面对称的设计结构特别有益。
特别地，用包括若干个光带的设计结构，根据本发明，在光带上或在多个光带中每一个上放置一个用于盖住光带的活动挡光板(flap)是有意义的。如果有直接反射进入照相机的风险的话，例如，由于物质表面极其大的弯曲，这个活动挡光板可以暂时叠放在光带的前面。因而消除灯的电子切换。根据所使用的灯的类型，这样能够产生等待时间——特别当灯再次打开的时候——直到灯再次达到它的工作温度。
根据本发明，用于在其它方向特别是相对于扫描线的横向方向上产生漫射或准漫射光分量的光源，包括一曲面反射镜，其围绕成像扫描线弯曲，例如在沿一定长度的圆形路径上，优选在该路径上延长180度。通过将该光源的灯设置在所述反射镜内部区域中的适当位置上，就可以用光束得到在围绕扫描线的区域近乎均匀的照明，光束方向变化大约180度。因此用这个设计结构就产生了准漫射光。代替所述反射镜，根据本发明，也可以在第二光源中提供大量的灯，其设置在围绕扫描线的近乎半圆图形上，因此产生接近来自180度范围的照明，即准漫射光。
另外，根据本发明，反射镜可设计成至少为一圆锥部分；弯曲接近180度的圆锥体部分的内侧形成反射镜。由于这类形状，光束以一定的角度投射在例如物质的球形弯曲表面，以使来从完好表面上反射来的光束不会进入到接收装置中。根据本发明，曲面的类型不必限定为圆锥部分。相应地，它可以由本领域熟练的可选地选择合适的曲面，以使在物质的无缺陷表面上反射回来的光束不会投射到所述接收装置上。也可以使用弯曲接近180度的凹面镜或弯曲近似半圆形的圆筒形反射镜。
根据本发明，光源可以容易地设定在光带的端面上，特别地，光源的灯设置在扫描线的法线平面中。结果，得到了所述扫描线的在180度角度范围的实质上的径向光线照明，该照明是准漫射。
还可以用这些光组份得到更高级的照明，特别地，两个光源优选设置在光带的每个端面上，其反射镜方向随意，只要它们彼此相对。
当光源和/或光带包括分离的、高强度的灯时可以达到格外高的光强度。
为在检查透明物质时提高接收装置中的对比度，根据本发明，可以设定一光阱，以使接收装置的拾取区域指向所述光阱。结果，由划痕反射的进入接收装置的光被检测到的可能性非常高。
本发明还涉及在物质表面上的划痕的检测，尤其，这可以用前述装置实现。使用该方法，用照明装置照亮物质表面，由接收装置沿具体的扫描线记录。根据本发明，照明装置可这样定位，即当物质的表面无缺陷时，就没有来自照明装置的光进入到接收装置中。为提高对比度，当检查透明物质的表面时，接收装置可以对准光阱。
根据本发明，照明装置优选以近似180度的漫射角漫射和/或准漫射地照射物质的表面。漫射或准漫射照明优选发生在两个非平行的方向——尤其是垂直方向，以便各光组份在各个空间方向上投射到所述表面上，从而可以以高度的确定性检测划痕。
在该方法的优选实施方式中，识别出在物质表面中的缺陷的位置，并判定划痕的长度、形状和/或方向。为了识别出划痕的成因以及消除划痕这个信息是重要的。
当划痕是连续的划痕时，相对容易判定它们的长度。由于它们的成因，一些划痕是不连续的。为检测不连续的划痕，根据本发明，可以这样，即在一个划痕的末端以特定的角度并沿特定的路径寻找新的划痕。然而，也可以使用这类搜索算法来定位不连续的划痕。在划痕之间的直接关系也可以例如通过执行划痕片段的方向分析得出。当几个划痕片段定位在一个连续的路径上时，就可以假定它们具有相同的成因。
为显示所述划痕，可以在显示器上显示它们，或者打印出来等等。也可以描绘出若干个划痕片段，只是它们被看作是被连接在一起的。
本发明的其它特征、优点和可能的应用也可以通过下面的具体实施方式
的描述和附图得出。全部所描述的和/或图示的特征，其自身或它们的任意组合是本发明的一部分，独立于它们在权利要求或其后面的参考中的措词。


图1表示通过根据本发明第一实施方式的用于检测划痕的装置的水平截面图；图2表示通过根据本发明第二实施方式的用于检测划痕的装置的水平截面图；图3表示通过根据图1的装置的垂直的部分截面图，其具有光源；图4表示通过根据图3的光源的水平截面图；及图5表示在被检测的物质的表面上的划痕。
具体实施例方式
在图1中示意性地描绘出的装置1，用于检测在物质的表面2上的划痕，包括照明装置3和数字照相机形式的接收装置4，其朝向挡风玻璃5的表面2定位，其中它覆盖住扫描线6，该扫描线垂直于该图示的截面延伸，沿着挡风玻璃板的整个高度。当扫描线6不沿挡风玻璃板的整个高度延长时，它可以沿着扫描线6移动具有照明装置3和接收装置4的装置1和/或移动挡风玻璃5。而且，所示设计结构是优选的，其中静止不动的接收装置4的横过挡风玻璃板的整个高度的拾取区域7覆盖住扫描线6，将挡风玻璃5在与拾取方向横交的方向移动，从而扫描挡风玻璃5的全部表面2。
光阱8被示出在挡风玻璃5的另一侧，与接收装置4相对，接收装置4(照相机)对准该光阱。
为了检测在物质表面2上的划痕，必须用漫射或准漫射光以近似180度的入射角范围照射在扫描线6的区域内，该漫射或准漫射光将由接收装置4进行记录，所以来自划痕的光反射也高度可靠地反射进入接收装置4中。
为此，照明装置3从侧面照射扫描线6。这个侧向照射是由两个直的、近似垂直的光带9提供的，它们彼此相向倾斜。照相机4放置在光带9之间，基本上位于扫描线6上的一点的曲面法线10的区域内。当挡风玻璃5以平移运动的方式在箭头P方向上相对装置1移动时，曲面法线10的方向因挡风玻璃5的球形弯曲而改变。在这种情况下，根据本发明，照相机4被设置在曲面法线10的区域内，并且位于在垂直和/或水平方向上接近被曲面法线10覆住的区域的中心。
分散的、高强度灯11安装在光带9中。需要灯11来达到高亮度。光束通过光学器件平行射出。透镜系统13安装在光学器件12的后面，以混合射出的光。透镜系统13由微柱透镜组成，其使光均匀分布，具有高的透光度。如果使用一无光泽屏代替透镜系统13，将引起传输损耗。用这种方式，垂直方向上的光是完全漫射的。这使得便于从上或从下照射划痕——这将在下文描述，而没有光反射进入到照相机4中，就象具有完好的物质表面2的情况。因此光带9在扫描线6的横向方向各自产生平行的光，并且沿扫描线6漫射。
通过图1中描绘的设计结构，可在区域14中得到一定深度的自扫描线6两侧的均匀照明，所述深度应当如挡风玻璃5的弧形的拱起一样大。
活动挡光板15安装在各个光带9的侧面，在有直接反射到达照相机4的危险时，其可被折叠在光带9的具有透镜系统13的光学器件12的前面。高强度灯11的电子切换常常不是足够快速；因此更容易暂时遮住一个灯。即使当灯11必须由活动挡光板15遮住时，照明仍然可以达覆盖180度，因此保证所有的划痕都可以被看见。
图2示出了与图1近似的设计结构，其中在接收装置的每一侧设置有两个光带9。每个光带9的设计结构和装置1的其它部分是同样的，因此在这里不再对其详细描述。这种类型的设计结构尤其被推荐使用于大幅度弯曲的玻璃板。根据本发明，各光带9可以被分别切换。根据本发明，也可以将光带9设计成可移动的，尤其是在扫描线6的横向方向移动，以例如通过绕光带9的光轴旋转光带9来使平行光束朝向接收装置4的拾取区域。根据本发明，也可以一起或分开调节从各光带9到物质的表面2之间的距离。这也适用于另外的光源16，下面将参考图3和图4对其详细描述。
为从上或从下照射挡风玻璃5，将光源16安置在光带9的每个端面，图3中只显示出了其中一个。光源16还包括高强度灯11。灯11放置在反射镜17的内侧，反射镜17设计成如一圆锥部分，优选具有未示出的遮光板，以避免直接照射挡风玻璃5。但是，对于本发明的原理来说，这类遮光板并不是必须的。
如图3所示，反射镜17有一个直的背侧，该背侧是倾斜的——与圆锥部分一致——并近似180度弯曲。从这个反射镜17上，反射的灯11的光束准漫射地投射到球形挡风玻璃5上，它们被完好的表面2反射所以没有挠乱的反射光照射到位于在扫描线6上的一点的曲面法线10的区域内的照相机4中。所述反射镜的形状还可以便于垂直漫射照射。图3只示出了下部的光源16。上部的光源16有相同的设计结构，且它们绕中间的平面镜像对称，因此大体上形成一近似桶形设计结构。
通过围绕扫描线6的垂直线沿一定长度引导锥形反射镜17，来产生在扫描线6的横向方向的准漫射光，如图4所示。灯11放置在扫描线6的法向面中，以便光在近似180度的角度范围内投射到挡风玻璃5上。所述灯被放置在反射镜17的曲面中心处。为得到其它的照射角度，可以一个接一个地放置若干个灯11，特别是沿着曲面法线10。甚至可能，在原理上，用多个灯11代替反射镜17，其中该多个灯11被相应地定位以产生准漫射光。
通过具有光带9和光源16的照明装置3，在球形弯曲的玻璃板5的表面2上在足够的深度范围产生漫射和/或准漫射光，其具有在180度的角度范围内基本上相互垂直的两个方向，所以玻璃板5被足够地照亮以检测所有可能的划痕。当然，也可以使用装置1来检查平面玻璃的划痕。
上面描述的装置1利用反射工作，也就是说照相机4和照明装置3位于相同侧。具有创造性的照明装置3的装置1还可以设计成使其利用透射来工作。在这种情况下，照相机4和照明装置3位于物质的透明表面2的不同侧。
当在装置1的照相机4中检测到光反射时，则表示在物质表面2中存在缺陷。使用未示出的联接到装置1的评价单元，在物质的表面2上的缺陷的位置就可以识别，划痕18的长度、形状和/或方向就可以确定。
当划痕18是连续的时，很容易判定该划痕的长度。然而，由于它们的成因，一些划痕却是不连续的。这些划痕越是能够被彻底地跟踪，这些划痕轨迹的成因就越容易判定。事实上，不连续的划痕轨迹经常都位于相同的路径上，这通常用人眼就能非常准确的判断出来。当这由机器来完成时，必须使用一种搜索算法。在下面将参照图5来解释这个算法。
新的划痕18的轨迹从一个划痕片段18的末端开始寻找，以一定角度W和沿具有特定长度的一定路径S寻找。如果新的划痕18在这个区域被找到的话，这就表示它是一个连续的划痕18。搜索在下一个划痕片段18的末端继续，直到在搜索区域再也找不到新的划痕时停止。搜索区域的角度W和路径S可以根据个人的看法进行调整。
划痕检测的结果通过评价装置以众所周知的方式来描述。用这种方法，尤其当使用装置1时，就可以以很高的可靠度在物质表面2上的任意地方找到划痕18。
附图标记说明1 用于检测划痕的装置2 物质表面3 照明装置4 接收装置5 挡风玻璃6 扫描线7 拾取区域8 光阱9 光带10 曲面法线
11 高强度灯12 光学器件13 透镜系统14 区域15 活动挡光板16 光源17 反射镜18 划痕P 箭头W 角度S 路径
权利要求
1.一种装置，用于检测物质的表面(2)尤其是玻璃上的划痕，其具有照明装置(3)和接收装置(4)，其检测在所述物质的所述表面(2)上的扫描线(6)，且相对于所述物质的所述表面(2)能够移动，其中所述照明装置(3)包括光带(9)，其产生在所述扫描线(6)的横向的平行光，该光在所述扫描线(6)的方向是漫射或准漫射的，并优选有至少一个光源(16)，其产生在所述扫描线(6)的横向的漫射或准漫射光。
2.如权利要求1中所述的装置，其中所述接收装置(4)设置在所述扫描线(6)上的一点的曲面法线(10)的区域内。
3.如权利要求1或2中所述的装置，其中所述光带(9)被定位为使得围绕所述扫描线(6)的区域被照亮。
4.如上述任意一个权利要求中所述的装置，其中所述光带(9)包括光学器件(12)，其使所述光束平行。
5.如上述任意一个权利要求中所述的装置，其中所述光带包括漫射器，尤其是透镜系统(13)，用于在所述扫描线(6)的方向上产生漫射光。
6.如上述任意一个权利要求中所述的装置，其中设置有两个光带(9)，其优选设置在所述曲面法线(10)的两侧。
7.如上述任意一个权利要求中所述的装置，其中在所述光带(9)上设置用于遮挡所述光带(9)的活动挡光板(15)。
8.如上述任意一个权利要求中所述的装置，其中所述光源(16)包括曲面反射镜(17)。
9.如权利要求8中所述的装置，其中至少所述反射镜(17)的部分被设计为圆锥形。
10.如上述任意一个权利要求中所述的装置，其中所述光源(16)位于所述光带(9)的端面，尤其用于所述光源(16)的灯(11)位于所述扫描线(6)的法线平面内。
11.如上述任意一个权利要求中所述的装置，其中尤其设置两个光源(16)，使所述光带(9)的每一端面具有其中一个所述光源。
12.如上述任意一个权利要求中所述的装置，其中所述光源(16)和/或所述光带(9)包括高强度灯(11)。
13.如上述任意一个权利要求中所述的装置，其中设置光阱(8)，以使所述接收装置(4)的所述拾取区域(7)指向所述光阱(8)。
14.一种用于检测在物质的表面(2)上的划痕方法，尤其使用如权利要求1到13中任意一个所述的装置，采用所述装置所述物质表面(2)被照明装置(3)照射，并使用接收装置(4)沿扫描线(6)检测所述物质表面(2)，其中所述照明装置(3)定位为使得当所述物质的表面(2)是没有缺陷时，就没有来自所述照明装置(3)的光进入到所述接收装置(4)中。
15.如权利要求14中所述的系统，其中所述照明装置(3)用至少180度的漫射角，漫射和/或准漫射地照亮所述物质的所述表面(2)。
16.如权利要求14或15中所述的方法，其中识别出所述物质的所述表面(2)中的缺陷的位置，并判定出划痕(18)的长度、形状和/或方向。
17.如权利要求16中所述的方法，其中以指定的角度(W)和在指定的路径(S)上，在一个划痕(18)的末端寻找新的划痕(18)。
全文摘要
本发明涉及一种用于探测物质表面(2)尤其是玻璃表面的划痕的装置和相应的方法。所述装置包括照明装置(3)和记录装置(4)，其检测在所述物质的所述表面(2)上的扫描线(6)，且相对于所述物质的所述表面(2)能够移动。为了能够更精确地确定所述划痕，所述照明装置(3)包括至少一个光带(9)，其产生在所述扫描线(6)的横向的平行光，该光在所述扫描线(6)的方向是漫射或准漫射的，并优选有至少一个光源(16)，其产生在所述扫描线(6)的横向的漫射或准漫射光。
文档编号G01N21/896GK1961208SQ200580017521
公开日2007年5月9日 申请日期2005年2月12日 优先权日2004年5月29日
发明者A·鲁德特, U·平戈 申请人:伊斯拉表面视觉有限公司