DE3309584C2

DE3309584C2 -

Info

Publication number: DE3309584C2
Application number: DE3309584A
Authority: DE
Inventors: Truman Frank Westchester Ohio Us Kellie; James David Wilmington N.C. Us Landry; Ching Chung Livermore Calif. Us Lai
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-03-25
Filing date: 1983-03-17
Publication date: 1988-11-10
Also published as: DE3309584A1; SE8301574L; SE8301574D0; US4532723A; JPH038483B2; ES520558A0; CA1210472A; IT8320297A0; ES8402931A1; JPS58169013A; SE462768B; IT1160841B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Inspi zieren der Oberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Eine solche Vorrichtung ist in der DE-OS 30 27 373 beschrie ben. Bei der bekannten Vorrichtung ist die erste Beleuchtungsein richtung zusammen mit einem Abbildungs-Fühlersystem Bestandteil ei ner ersten Erfassungseinheit zur Erfassung von Oberflächenfehlern, wie ungeschliffene Abschnitte und Metalleinschlüsse. Die erste Be leuchtungseinrichtung umfaßt eine Lichtquelle, eine Beleuchtungslin se, einen Spalt und eine Zylinderlinse. Das Abbildungs-Fühlersystem umfaßt eine bilderzeugende Linse, einen Bildfühler, einen Verstärker und einen Analog-Digital-Umsetzer sowie weiter eine Einrichtung zum Verarbeiten der Digitalsignale. Die zweite Beleuchtungseinrichtung ist zusammen mit einem weiteren Bestrahlungssystem Bestandteil einer zweiten Erfassungseinheit zum Erfassen von Oberflächenfehlern, wie Rissen oder Grübchen.

In der DE-OS 27 09 977 ist eine Prüfvorrichtung zur Qualitäts kontrolle von Werkstückoberflächen beschrieben, bestehend aus einer Abtast- und Umsetzervorrichtung, die elektrische Signale entspre chend der Beschaffenheit von nacheinander abgetasteten Oberflächen teilbereichen erzeugt. In der Abtasteinrichtung erfolgt ein Beleuch ten mit gleichmäßiger Lichtintensität und ein Projizieren des Lich tes auf Photodioden.

In der US-PS 42 98 285 ist eine Vorrichtung zum Messen der Kontur von Gegenständen mit einem Drehtisch zur Aufnahme des zu mes senden Gegenstandes, einem Detektor zum Erzeugen eines dem Drehwin kel des Drehtisches entsprechenden Signals, einem Kantendetektor zum Erzeugen eines der Position der Kante des Gegenstandes entsprechen den Signals, einem Speicher und einer Verarbeitungsschaltung be schrieben. Der Kantendetektor schließt Licht projizierende Glieder und Licht empfangende Glieder ein.

In der US-PS 40 37 103 ist ein System zum Messen des Durchmes sers von zylindrischen Gegenständen, wie Kernbrennstoffpellets, be schrieben, bei dem eine IR-Diode Licht in Richtung auf eine Empfän gereinrichtung abgibt, zwischen denen die zylindrischen Gegenstände hindurchgeführt werden, so daß die Empfängereinrichtung ein der Ab messung des hindurchgeführten Gegenstandes entsprechendes Signal er zeugt.

Für gewisse Arten hergestellter Gegenstände ist es vorteil haft, diesen Gegenstand hinsichtlich seiner Konformität im Hinblick auf vorbestimmte Kriterien zu inspizieren, ohne daß man die inspi zierten Gegenstände berührt. So müssen z. B. Kernbrennstoffpellets für Brennstoffstäbe nach dem Schleifen auf die Anwesenheit von Ober flächenfehlern, auf die Konformität bezüglich vorbestimmter Abmes sungen und auf andere Anomalien untersucht werden, die die Lei stungsfähigkeit der Pellets im Brennstoffstab beeinträchtigen kön nen. Um eine Berührung mit den zylindrischen Pellets zu vermeiden, kann eine optische Inspektion vorgenommen werden, vorzugsweise mit tels eines Systems, bei dem der ganze Inspektionsprozeß automati siert ist. Um die zylindrische Oberfläche des interessierenden Ge genstandes zu inspizieren, wird ein Lichtstrahl auf die Oberfläche projiziert und es werden lichtempfindliche Elemente benutzt, um das Licht nachzuweisen, das von der Oberfläche des Gegenstandes reflek tiert wird. Diese photoempfindlichen Elemente erzeugen Signale, die abgegeben werden und die repräsentativ sind für die Menge des re flektierten Lichtes, das auf sie auftrifft. Variationen in diesen abgegebenen Signalen werden interpretiert als Variationen in den Oberflächenmerkmalen des Gegenstandes entsprechend.

Eine Forderung zum richtigen Funktionieren einer solchen Vor richtung ist die, daß die Variationen der Intensität des reflektierten Lichtes nur durch Oberflächenmerkmale des Gegen standes, nicht aber durch Variationen der Intensität des den Gegenstand beleuchtenden Lichtes erzeugt werden. Licht quellen, wie sie häufig für den beabsichtigten Zweck erhält lich sind, erfüllen diese Forderung nicht, da die Intensitäts verteilung des gelieferten Lichtes häufig Variationen über den Querschnitt des Lichtstrahles sowie Variationen mit der Zeit aufweist.

Ein anderes Problem im Zusammenhang mit dieser Art optischer Inspektionstechnik ergibt sich aus Variationen der Intensität des reflektierten Lichtes, die durch Variationen in den re flektiven Eigenschaften des inspizierten Gegenstandes verur sacht sind. Wird ein Lichtstrahl durch eine glatte Oberfläche reflektiert, die glänzend ist, das heißt spiegelnd, dann breitet sich der reflektierte Strahl von dem Reflektions punkt oder -ort auf der Oberfläche im wesentlichen in einer einzigen Richtung aus. Es gibt dann sehr wenig Lichtstreuung in zufällige Richtungen und somit erreicht ein hoher Anteil des reflektierten Lichtes, der üblicherweise als spiegel artig reflektiertes Licht bezeichnet wird, die photoempfind lichen Elemente. Wird jedoch ein Lichtstrahl durch eine glat te Oberfläche reflektiert, die stumpf ist, das heißt diffus, dann tritt eine stärkere Streuung des Lichtes in zufällige Richtungen auf und ein geringerer Anteil des reflektierten Lichtes, als diffus reflektiertes Licht bezeichnet, erreicht die photoempfindlichen Elemente.

Wird dagegen ein Lichtstrahl von einer Oberfläche reflektiert, die nicht glatt sondern rauh ist, das heißt von einer Ober fläche, die Irregularitäten aufweist, wie Risse oder Löcher, dann wird das Licht zu einem großen Ausmaß in zufällige Richtungen reflektiert, und es kann spiegelförmig oder diffus reflektiert sein. Die Reflektionsorte sind in diesem Falle nicht länger auf der Oberfläche lokalisiert, sondern an den Wandungen oder dem Boden der Risse oder Löcher. Diese Orte sind zufällig orientiert, und deshalb wird das Licht auch in zufällige Richtungen reflektiert. Damit erreicht weniger reflektier tes Licht die photoempfindlichen Elemente als bei einer stumpfen Oberfläche. Damit die zur Inspektion benutzte Vorrichtung jedoch wirksam arbeiten kann, muß sie in der Lage sein, zwischen den ver schiedenen vorbeschriebenen Bedingungen zu unterscheiden. Weiter muß sie dies auf einer kontinuierlichen Grundlage tun, da unterschiedli che Oberflächenbereiche inspiziert werden, während sich der Gegen stand durch ein Gesichtsfeld fortbewegt.

Eine weitere Anforderung an eine Vorrichtung zum optischen In spizieren, wie sie im vorliegenden diskutiert wird, ist die, daß das Licht in einer wirksamen Weise benutzt wird. Es werden üblicherweise zwei Arten von Lichtquellen benutzt, Quellen für Glühlicht und für kohärentes Licht, die beide Licht relativ geringer Intensität lie fern. Obwohl Quellen für Glühlicht mit hoher Intensität erhältlich sind, erzeugen sie sehr viel Wärme, die im Zusammenhang mit dem In spektionsverfahren unerwünscht sein mag. Andererseits sind Quellen für kohärentes Licht hoher Intensität außerordentlich teuer. Da praktische Betrachtungen den Einsatz von Lichtquellen geringer In tensität diktieren, muß ein Lichtverlust durch wirksames Sammeln des reflektierten oder durchgelassenen Lichtes und durch effektives Richten dieses Lichtes zu den photoempfindlichen Elementen vermieden werden. Außerdem muß der Lichtstrahl richtig fokussiert werden, um nur den Bereich zu beleuchten, der von den photoempfindlichen Ele menten betrachtet wird. Für eine lineare Anordnung solcher Elemente muß der betrachtete Bereich daher ebenfalls linear sein.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrich tung zum optischen Inspizieren der Oberfläche von Pellets der eingangs genannten Art zu schaffen, die im Beleuchtungsbereich eine im wesentlichen gleichförmige Intensitätsverteilung aufweist. Dabei soll diese In tensitätsverteilung im Beleuchtungsbereich unabhängig von der Ver wendung einer räumlichen ungleichförmigen Lichtquelle erreicht wer den, und sie soll auch erreicht werden unabhängig von der Verwendung einer Lichtquelle, deren Intensitätsverteilung mit der Zeit variie ren kann. Weiter soll die zu schaffende Vorrichtung der vor genannten Art einen Beleuchtungsbereich mit einem großen Verhältnis von Länge zu Breite erzeugen. Außerdem soll die zu schaffende Vor richtung zusätzlich gestatten, den Durchmesser, die Rundheit und die Abschrägung des Pellets zu inspizieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Inspektion der Oberfläche vermag zu unterscheiden zwischen Licht, das entwe der von einer glatten Oberfläche, einer stumpfen Oberfläche oder ei ner rauhen Oberfläche reflektiert wird. Außerdem fängt die erfin dungsgemäße Vorrichtung die von dem zu untersuchenden Gegenstand re flektierte Lichtmenge maximal ein.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht eines Teiles der Erfindung, die dazu benutzt wird, Gegenstände zu beleuch ten und Oberflächenmerkmale nachzuweisen,

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht der Intensitätsver teilung des von einer ersten Beleuchtungseinrichtung er zeugten Lichtstrahles,

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht der Intensitätsver teilung des Lichtstrahles der Fig. 2 nach einem Divergie ren,

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht der Intensitätsver teilung des Lichtstrahles der Fig. 3 nach seinem Konver gieren,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Intensität in Abhängigkeit vom Abstand des Lichtstrahl-Querschnittes der Fig. 4,

Fig. 6 eine schematische Querschnittsansicht eines Lichtstrahles, der von einer glatten glänzenden zylindrischen Oberfläche spiegelnd reflektiert wird,

Fig. 7 eine schematische Querschnittsansicht eines Lichtstrahles, der von einer glatten stumpfen zylindrischen Oberfläche diffus reflektiert wird,

Fig. 8 eine schematische Querschnittsansicht eines Licht strahles, der durch ein stark vergrößertes Loch bzw. eine solche Vertiefung in einer zylindrischen Ober fläche reflektiert wird,

Fig. 9 eine schematische Querschnittsansicht von Lichtstrah len, die durch zwei verschiedene Oberflächen reflek tiert und durch ein Linsensystem fokussiert werden,

Fig. 10 eine perspektivische schematische Ansicht eines Teiles der Erfindung, die benutzt wird, Gegenstände zu be leuchten und Querschnittsbildabmessungen zu messen,

Fig. 11 eine schematische Querschnittsansicht von zwei Trä gerwalzen, die ein zylindrisches Pellet in einem zweiten Beleuchtungsbereich tragen und

Fig. 12 eine Seitenansicht eines zylindrischen Pellets, das an den Enden zweier anderer solcher Pellets anliegt.

Fig. 1 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform des Teiles der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächeninspek tion.

Eine erste Beleuchtungseinrichtung, für die vorzugsweise eine Vieltyp-Laserquelle 3 benutzt wird, projiziert einen ersten Lichtstrahl 6 in der Ausbreitungsrichtung, die durch den Pfeil 9 bezeichnet ist. Der Begriff "Ausbreitungsrichtung", wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, bezieht sich auf die Richtung, in der der Laserstrahl 6 in irgendei nem gegebenen Abschnitt des Strahles projiziert wird. Der Strahl kann durch Spiegel, Prismen oder ähnliche Vorrichtungen in andere Richtungen gelenkt werden, und die Bezugszahl 6 wird in der ganzen Fig. 1 zur Bezeichnung des Lichtstrahles be nutzt, unabhängig davon, in welche Richtung er gelenkt ist oder welche Form ihm gegeben worden ist.

Die Ausbreitung des Strahles 6 wird durch eine Reflektionsein richtung 12, z. B. einen Spiegel, um 90° geändert. Der Strahl 6 wird durch eine zweite Reflektionseinrichtung, die in der veran schaulichten Ausführungsform der Fig. 1 aus einem Prisma 15 be steht, redirigiert. Dieses Prisma 15 redirigiert den Lichtstrahl 6 wiederum um 90°, so daß er sich nun in einer Richtung parallel dem Pfeil 9 ausbreitet, bis er auf eine erste divergierende Einrichtung in Form der Linse 18 trifft. Die anamorphotische Linse 18 bricht den Lichtstrahl 6 und verursacht sein Divergieren in einer ersten Streu ungsebene, die durch das Rechteck 21 veranschaulicht ist. Diese Ebe ne liegt parallel der Ausbreitungsrichtung, die durch den Strahl 9 gegeben ist, und sie ist in der Ebene der Fig. 1 angeordnet. Die Li nie 24, die schematisch den Ort zeigt, wo der Lichtstrahl 6 den Spiegel 31 kreuzt, zeigt die vergrößerte Strahlbreite an diesem Ort. Der Spiegel 31 reflektiert den nun divergierenden Lichtstrahl 6 zu einer ersten Kollimierungseinrichtung in Form der Linse 33. Die Lin se 33 bricht den Lichtstrahl 6 unter Verminderung des Divergierungs grades, so daß sich alle Teile des Lichtstrahles nun in im allgemei nen parallelen Richtungen ausbreiten. Dies ist schematisch durch die Bezugszahlen 27 und 29 veranschaulicht, die die Kreuzungsstellen des Strahles 6 mit den Linsen 33 bzw. 36 zeigen.

Die Linse 36 bricht den Lichtstrahl 6 unter Konvergieren aller Teile des Strahles 6 in Richtungen parallel zu einer Konvergierungs ebene, die schematisch durch das Rechteck 39 wiedergegeben ist. Das Rechteck 39 liegt parallel zur Ausbreitungsrichtung des Strahles an diesem Orte, und es steht senkrecht zur Divergierungsebene, die durch das Rechteck 21 wiedergegeben ist. Die Rechtecke 21 und 39 sind an zwei Orten der Fig. 1 gezeigt, um weiter die Bezugsrichtungen zu veranschaulichen, die diese Rechtecke bilden. Es ist ersichtlich, daß der relativ flache Lichtstrahl 6, der aus der zweiten anamorpho tischen Linse 36 austritt, parallel zur Ebene des Rechteckes 21 ver läuft, das heißt, er liegt nahezu parallel zur Zeichnungsebene. Die Linse 36 richtet und fokussiert den Lichtstrahl 6 unter Bildung eines ersten langgestreckten Beleuchtungsbe reiches 48, der ein großes Länge zu Breite-Verhältnis auf weist. Dieser Beleuchtungsbereich 48, der einen Teil eines größeren Betrachtungsfeldes einnimmt, ist detaillierter in Fig. 4 gezeigt.

Der zur Erzeugung des Lichtstrahles 6 benutzte Multityp- Laser 3 wird benutzt wegen seiner hohen Abgabeleistung bei relativ geringen Kosten und wegen seines gleichförmigeren In tensitätsprofils im Querschnitt, verglichen mit anderen Lasern, die zu ähnlichen Kosten erhältlich sind.

Die momentane Intensitätsverteilung des Lichtstrahles 6 ist durch den Querschnitt der Fig. 2 veranschaulicht. Die gezeig te Verteilung kann wegen des Multityp-Betriebes der Laser quelle in Abhängigkeit von der Zeit variieren. In Fig. 2 sind die Intensitätsmaxima schematisch durch die Kreise 115 veranschaulicht. Bereiche geringerer Intensität sind durch die gestrichelten Kreise 118 wiedergegeben. Die Lichtintensi tät ändert sich graduell zwischen den Kreisen 115 und 118.

Die Linse 18 verursacht eine Verbreiterung des Lichtstrahles. Wie in Fig. 3 gezeigt, führt diese Verbreiterung schließlich dazu, daß die Punkte maximaler Lichtintensität gleichmäßiger zwischen den Punkten 121 und 122 verteilt sind, das heißt, längs der horizontalen Abmessung des beleuchteten Bereiches 48. Die Linse 36 konvergiert den Beleuchtungsbereich längs der Vertikaldimension, das heißt, sie vermindert die Höhe der Querschnittsansicht, wie sich aus einem Vergleich der Fig. 3 und 4 ergibt. Das Ergebnis ist ein Beleuchtungsbereich 48 mit einem großen Länge-zu-Breite-Verhältnis.

Die Lichtintensitätsverteilung des Bereiches 48 ist weiter in Fig. 5 veranschaulicht. Die Punkte 121 und 122 der Fig. 5 entsprechen den gleich bezeichneten Punkten in den Fig. 3 und 4. Wie gezeigt, ist die Lichtintensität durchgehend relativ gleichmäßig. Eine solche Zeitveränderung der Inten sitätsverteilung der Laserquelle 3 kann z. B. auf Grund des Vieltyp-Betriebes auftreten, und er wird nur leichte Fluktu ationen in der Verteilung des Lichtstrahles, der auf dem Beleuchtungsbereich 48 konvergiert, verursachen. Dies ist hauptsächlich der Tatsache zuzuschreiben, daß Änderungen in der Laserintensitätsverteilung zur Verschiebung der Intensi tätsmaxima, wie bei 123 in Fig. 5, zu neuen Positionen, wie dem durch gestrichelte Linien veranschaulichten Maximum 124, dienen. Da das vorherrschende Intensitätsniveau an allen Punk ten zwischen den Punkten 121 und 122 das der gestrichelten Linie 125 ist und da die Intensitätsmaxima 123 oder 124 nur kleine Intensitätsbruchteile hinzufügen, wie die durch den Abstand 126 angezeigte Zunahme, verändern die Positionsver schiebungen des Intensitätsmaximums 123 das vorherrschende Niveau der Grundlinie 125 nicht sehr.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, projiziert die Linse 36 den ersten Beleuchtungsbereich auf einen Stapel 51, der die zylindrischen Pellets 53, 54, 55 und 57 einschließt. Obwohl dieser Stapel normalerweise eine große Anzahl von Pellets enthält, sind die gezeigten für die Erläuterung ausreichend. Der Stapel 51 befindet sich auf einem Paar rotierender Walzen 56 und 59.

Im Betrieb läßt eine nicht gezeigte Stoßeinrichtung den Sta pel 51 in Richtung des Pfeiles 62 fortschreiten. Die Rota tionsbewegung der Walzen 56 und 59 wird auf den Stapel 51 übertragen und mit der Translationsbewegung, die durch die Stoßeinrichtung übertragen wird, kombiniert und veranlaßt so den Stapel, sich spiralförmig um seine eigene Achse zu be wegen. Folglich bestreicht der Beleuchtungsbereich 48 die Oberfläche des Stapels 51 auf einem spiralförmigen Pfad, während der Stapel rotiert und in Richtung des Pfeiles 62 fortschreitet. Das von dem Oberflächenbereich des beleuchte ten Stapels reflektierte Licht wird durch die Linse 65 ge sammelt, die das Licht auf einen Lichtdetektor 68 in Form einer linearen Anordnung photoempfindlicher Elemente fokus siert. Jedes lichtempfindliche Element empfängt reflektiertes Licht von einem entsprechenden Unterabschnitt des beleuchteten Bereiches 48. Die Amplitude des von jedem Element des Licht detektors 68 abgegebenen Signals entspricht der Lichtmenge, die das Element zu irgendeinem gegebenen Augenblick erreicht.

Das auf die photoempfindlichen Elemente des Lichtdetektors 68 projizierte Licht enthält Informationen hinsichtlich der Ober flächenmerkmale der Pellets des Stapels 51, die in den be leuchteten Bereich 48 eingetreten sind. In der folgenden Dis kussion wird der konvergierende Lichtstrahl 6 als viele ein fallende Lichtstrahlen umfassend behandelt, die sich alle in relativ parallelen Richtungen ausbreiten.

Die Fig. 6 veranschaulicht ein Pellet 53 a auf das ein Licht strahl 74 a projiziert wird. Nimmt man an, das Pellet 53 a habe eine glänzende Oberfläche, dann wird der einfallende Licht strahl 74 a, wie dargestellt, spiegelartig reflektiert. Der reflektierte Strahl 75 a in Fig. 6 bewegt sich in einem Winkel 77 a hinsichtlich einer Bezugslinie 80 a. Die Bezugs linie 80 a steht senkrecht auf der Pelletoberfläche, das heißt senkrecht zu einer Tangente an der Pelletoberfläche am Re flexionsort, der in Fig. 6 mit 83 a bezeichnet ist.

Die Fig. 7 ist ähnlich der Fig. 6, doch veranschaulicht sie die Situation für ein Pellet 53 b mit einer stumpfen Oberfläche. Das Pellet 53 b reflektiert weniger Licht in ei nem Winkel 77 b, obwohl der einfallende Lichtstrahl 74 b iden tisch dem einfallenden Strahl 74 a nach Fig. 6 ist. Neben dem reflektierten Strahl 75 b wird weiteres Licht diffus in zu fällige Richtungen reflektiert, die durch die Strahlen 86 b veranschaulicht sind.

Die Fig. 8 zeigt ein Pellet 53 c, das eine rauhe Oberfläche hat. In übertriebener Form bei 89 gezeigt, hat die Pellet oberfläche eine Vertiefung bzw. ein Loch. Der einfallende Lichtstrahl 74 c erzeugt den reflektierten Strahl 75 c an einem zufälligen Reflexionsort 83 c. Spezifisch gibt es eine Viel zahl von Reflexionsorten für die jeweiligen Lichtstrahlen, die zusammen den einfallenden Strahl bilden, und diese Reflexionsorte können sich irgendwo innerhalb der Vertiefung 89 befinden. Folglich hat auch der Reflexionswinkel 77 c eine zufällige Größe, das heißt, er kann kleiner, größer oder gleich dem Winkel 77 a oder 77 b sein. Der einfallende Lichtstrahl 74 c wird daher in verschiedene zufällige Richtungen reflektiert. Das Reflexionsmuster der Strahlen 75 b, die von einer stumpfen Oberfläche ausgehen und das Reflexionsmuster der Strahlen 75 c, die von einer unebenen Oberfläche ausgehen, kann daher ähn lich sein. Beide Reflexionsmuster sind schematisch innerhalb des Bereiches gezeigt, der von der gestrichelten Linie 95 in Fig. 8 begrenzt ist. Da an der Stelle, an der ein Loch ist, ein Teil der zylindrischen Oberfläche fehlt, wie in Fig. 8 gezeigt ist, befindet sich der Reflexionsort in einem sol chen Falle nicht auf der idealen zylindrischen Oberfläche 95, wie dies bei den Fig. 6 und 7 der Fall ist.

Die erste Beleuchtungseinrichtung der Fig. 1 umfaßt zusätz lich zu dem Vieltyp-Laser 3 einen Vieltyp-Laser 227. Diese beiden Laser können entweder abwechselnd oder gemeinsam be trieben werden. Ein abwechselnder Betrieb kann zwischen den Inspektionen für eine längere Gebrauchsdauer sorgen, indem man einen Laser benutzt, bis er nicht mehr richtig funktio niert und ihn dann durch den anderen ersetzt. Zusammen be nutzt können die Laser einen ersten Beleuchtungsbereich er geben, der eine größere Intensität hat als mit nur einem Laser.

Der zweite Laser ist symmetrisch zum ersten Laser angeordnet, das heißt, daß er einen Lichtstrahl 228 in einer Ausbreitungs richtung projiziert, die durch den Pfeil 230 wiedergegeben ist. Eine reflektierende Einrichtung, wie der Spiegel 233, reflek tiert den Lichtstrahl 228 zu einer weiteren reflektierenden Einrichtung, wie einem Prisma 236. Das Prisma 236 projiziert den Lichtstrahl zu der ersten divergierenden Einrichtung 18, die das Licht divergieren läßt, so daß es in Richtungen parallel zur Ebene 21 fächerförmig auseinandergeht. Der Spie gel 31 reflektiert den Lichtstrahl 228 an Punkten, die durch die gestrichelte Linie 238 wiedergegeben sind, zu der ersten Kollimierungseinrichtung, das heißt der Linse 33. Der Licht strahl 228 kreuzt die Linse 33 an Punkten, die durch die gestrichelte Linie 33 B gezeigt sind. Die Linse 33 reduziert den Divergenzgrad des Strahles. Die Strahlen des Lichtstrahles 228 breiten sich daher nach der Linse 33 alle in relativ paral lelen Richtungen aus.

Der Lichtstrahl 228 tritt aus der Linse 33 aus und kreuzt die Linse 36 an Punkten, die durch die Linse 36 B veranschaulicht sind. Die Linse 36 konvergiert alle Teile des Lichtstrahles 228 in Richtungen parallel zur Ebene 39, die sowohl senk recht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahles 228 als auch senkrecht zur Divergenzrichtung steht. Folglich wird der Lichtstrahl 228 in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungs richtung divergiert und in einer Richtung konvergiert, die senkrecht steht zur Divergenzrichtung als auch der Ausbrei tungsrichtung, so daß man einen langgestreckten Beleuchtungs bereich mit einem großen Länge-zu-Breite-Verhältnis erhält. Dieser Beleuchtungsbereich, der vom Strahl 228 erzeugt wird, fällt mit dem Beleuchtungsbereich zusammen, der vom Licht strahl 6 erzeugt wird, und man erhält den ersten Beleuchtungs bereich 48, der mehr im Detail in Fig. 3 gezeigt ist und der eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung der Lichtinten sität aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfin dung umfaßt die optische Einrichtung 65 ein Linsensystem, das als eine Übertragungslinse mit einer großen Öffnung und einem flachen Feld wirkt. Eine solche Linse dient dazu, viel von dem Licht zu sammeln, das von einem Punkt, wie 83 b, reflek tiert wird, unabhängig davon, ob das Licht im wesentlichen in einer einzigen Richtung reflektiert wird, wie von einer glän zenden Oberfläche, oder in viele zufällige Richtungen, wie von einer stumpfen Oberfläche. Diese Art des Sammelns ist schematisch im Querschnitt in Fig. 9 gezeigt, die auch aus gewählte überlagerte Teile der Fig. 7 und 8 wiedergibt.

Das Linsensystem 65, das ein Linsenelement 101 einschließt, sammelt die Strahlen 75 b und 75 c und fokussiert sie auf die Brenn punktebene 104. Die Strahlen 75 b, die vom Reflexionsort 83 b auf der Oberfläche 95 reflektiert werden, werden auf die Reihe 68 der photoempfindlichen Elemente fokussiert, die in der Brennpunktebene 104 angeordnet ist. Im Gegensatz dazu werden die Strahlen 75 c, die vom Ort 83 c reflektiert werden, der sich am Boden eines Loches befindet, auf den Punkt 107 fokussiert. Dieser Punkt 107 ist zwar auch in der Ebene des Brennpunktes lokalisiert, doch von der Anordnung 68 aus ent fernt. Das Linsensystem 65 unterscheidet zwischen zufällig gerichteten Strahlen, wie einem Strahl 75 c, der von einem Ort aus reflektiert wird, der entfernt ist von der idealen Ober fläche 95 und zufällig gerichteten Strahlen, wie den Strahlen 75 b, die von einem Punkt auf der Oberfläche 95 reflektiert werden. Der Abstand zwischen dem Punkt 107 und der Anordnung 68 ist ein Anzeichen für die Entfernung des Reflexionsortes 83 c von der Oberfläche 95. Die von den photoempfindlichen Ele menten der Anordnung 68 erzeugten Abgabesignale geben daher den Grad an, zu dem die Oberfläche der Pellets 53 einer vor bestimmten Konfiguration entspricht, wie einer solchen der Oberfläche 95.

Die Lichtmenge, die von der Linse 65 gesammelt wird, ist relativ unabhängig davon, ob das das Licht reflektierende Pellet wie in Fig. 6 glänzend oder wie in Fig. 7 stumpf ist. In beiden Fällen werden die reflektierten Lichtstrahlen, die Reflexionswinkel haben, die allgemein mit 77 b und 77 c be zeichnet sind, so daß die reflektierten Strahlen das Linsen element 101 innerhalb seiner Peripherie 110 treffen, gesam melt. Die so gesammelten Strahlen werden dann mehr oder weni ger genau auf die Anordnung 68 aus photoempfindlichen Elemen ten fokussiert, wobei die Genauigkeit der Fokussierung vom Grad der Entfernung des Reflexionsortes 83 c von der Ober fläche 95 abhängt. Die auf ein einzelnes photoempfindliches Element fokussierte Lichtmenge aus einer einzelnen Subregion ist daher relativ unabhängig vom Grad der Zerstreuung und so mit von der Reflektivität der Pelletoberfläche.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Anordnung 68 1024 photoempfindliche Elemente auf. Jedes Element "betrachtet" einen kleinen Abschnitt (Subregion) des von dem einfallenden Lichtstrahl beleuchteten Bereiches. Die von den photoempfindlichen Elementen abgegebenen Signale wer den einer datenverarbeitenden Schaltung (nicht gezeigt) zuge führt, die in der Lage ist, die Merkmale der Pelletoberfläche in dem Maße aufzuzeichnen, wie diese Pelletoberfläche spiral förmig in der oben beschriebenen Weise abgetastet wird. Eine solche Abbildung lokalisiert nicht nur isolierte Löcher, son dern gestattet auch die Bestimmung, ob die abgegebenen Si gnale das Vorhandensein eines längeren Risses in der Oberfläche anzeigen. Das Verarbeiten der abgegebenen Signale kann auch die Gesamtmenge der fehlenden Oberfläche bestimmen lassen, z. B. als Prozent der gesamten Oberfläche der Pellets. Dies mag dann als Wertzahl hinsichtlich der Annehmbarkeit eines besonderen Pellets bei der Inspektion dienen.

Zusätzlich zu dem vorbeschriebenen ersten Beleuchtungsbereich, der in den Fig. 1, 3 und 4 mit der Bezugsziffer 48 bezeich net ist, enthält das Betrachtungsfeld einen zweiten Beleuch tungsbereich, der in Fig. 10 veranschaulicht ist. Die Fig. 10 zeigt auch eine zweite Beleuchtungseinrichtung, die eine Multityp-Laserquelle 130 einschließt, die einen zweiten Lichtstrahl 131 projiziert. Die anfängliche Ausbreitungsrich tung dieses Strahles ist durch den Pfeil 132 angezeigt, und dieser Strahl kann eine Lichtintensitätsverteilung ähnlich der in Fig. 2 haben. Reflektierende Einrichtungen, wie die Spiegel 133 und 136, redirigieren den Strahl 131 und proji zieren ihn zu einer Divergierungseirichtung in Form einer Linse 139. Diese Linse 139 bricht den Lichtstrahl 131 und zerstreut ihn in einer Ebene parallel seiner Ausbreitungs richtung, wobei diese Ebene schematisch durch das Rechteck 141 veranschaulicht ist. Eine zweite Kollimierungseinrichtung in Form einer Linse 150 reduziert den Divergenzgrad und schaft einen Lichtstrahl, dessen Querschnittsabmessungen im wesentlichen parallel bleiben. Eine weitere reflektierende Ein richtung in Form eines Spiegels 153 reflektiert das Licht zu einem zweiten Beleuchtungsbereich, der allgemein mit der Bezugszahl 156 bezeichnet ist, wobei auch dieser zweite Beleuchtungsbereich ein großes Länge-zu-Breite-Verhältnis aufweist. Die Intensitätsvertei lung des auf den zweiten Beleuchtungsbereich projizierten Lichtes ähnelt der in Fig. 3 gezeigten.

Ein untersuchter Gegenstand, wie das zylindrische Pellet 53 in Fig. 10 wird einen Teil des Strahles 131 abdunkeln bzw. blockieren. Der abgedunkelte Teil des Strahles ist im Anschluß mit der Bezugs ziffer 157 bezeichnet und er befindet sich zwischen einem Paar durchgelassener Teile 159 und 162 des Strahles 131. Die durchgelas senen Teile des Strahles 131 werden auf einen Spiegel 165 projiziert und dort zu einem zweiten Linsensystem 168 reflektiert. In einer be vorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die letztgenannte optische Einrichtung 168 ein Linsensystem, das aus ei ner Anzahl von Linsenelementen besteht. Die Walzen 56 und 59, die das Pellet 53 tragen, weisen jeweils einen Schlitz 171 auf, der bei der Walze 56 nicht erkennbar ist, um den unteren Teil des Licht strahles 131, das heißt den Teil 162, unbeeinträchtigt unter dem Pellet 53 durchzulassen.

Das Linsensystem 168 wirkt als eine Übertragungslinse mit ei ner großen Öffnung und einem flachen Feld, ähnlich dem oben erläu terten Linsensystem 65. Dieses Linsensystem ist auf die Ebene senk recht zur Fig. 11 fokussiert und angedeutet durch die zentrale Li nie, die durch die Punkte 221 und 221 A verläuft. Dieses Fokussieren unterstützt das Einfangen von Licht, das an diesen Punkten gebrochen wird und das sonst das Bild des verdunkelten Abschnittes 157, das auf eine Anordnung 174 aus photoempfindlichen Elementen projiziert ist, unscharf machen würde. Dieses Linsensystem dient zum Fokussie ren der Teile 159 und 162 des Lichtstrahles 131 auf den Detektor 174. In einer bevorzugten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung umfaßt der Detektor 174 eine lineare Anordnung von tausendvierundzwanzig photo empfindlichen Elementen. Jedes Element entspricht einem Unterbereich des Beleuchtungsbereiches 156. Übertragenes Licht von dem Bereich 156, das auf die Elemente der An ordnung 174 projiziert ist, liefert Information hinsicht lich der Abmessungen des blockierten Gegenstandes, der quer zum Lichtstrahl liegt. Im Falle des Pellets 53 ist der Abstand zwischen den Teilen 159 und 162 des Strahles ein Maß für den Durchmesser des Pellets im Beleuchtungsbe reich 156. Dieser Abstand wird durch die Bezugsziffer 177 bezeichnet und ist auf den photoempfindlichen Elementen als ein Bereich 180 wiedergegeben, der nicht beleuchtet ist. Eine nicht gezeichnete datenverarbeitende Schaltung kann zum Verarbeiten der abgegebenen Signale, die von der Anord nung 174 erzeugt werden, benutzt werden und automatisch den Pelletdurchmesser errechnen. Weiter erhält man Information hinsichtlich der Bestimmung, ob das Pellet 53 einem perfek ten zylindrischen Körper entspricht, indem man die Durch messerabweichung während des Rotierens des Pellets 53 um seine eigene Achse mißt. Ein im wesentlichen konstanter Durchmesser zeigt einen hohen Grad von Rundheit an, d. h. das der erforderliche Standard erfüllt ist.

Fig. 11 zeigt schematisch einen Teil der Vorrichtung der Fig. 10 im Querschnitt durch die Schlitze 171 in den Walzen und illustriert die Vorrichtung und das Verfahren zum Bestimmen der Rundheit des Pellets weiter. Die Walzen 56 und 59 enthalten Schlitze 171, die sich zwischen der Walzenoberfläche 183 und einer Schaftoberfläche 186 erstrecken. Die Walzen 56 und 59 sind so angeordnet, daß sie das Pellet 53 an Punkten 189 bzw. 192 abstützen. Ein Bezugsmarkierer, wie eine Messerkante 204, ist zur Schaffung eines Bezugspunktes 207 an geordnet. Das Pellet 53 rotiere in Richtung des Pfeiles 222. Der Lichtstrahl 131 ist begrenzt zwischen der oberen Kante 208 und der unteren Kante 209. Es wird in Richtung des Pfeiles 240 auf den Beleuchtungsbereich 156 projiziert, der in der Zeich nung schematisch dargestellt ist. Wie oben erwähnt, weisen die Walzen 56 und 59 im Bereich 156 bis zu den zentralen Schäften 186 Schlitze 171 auf, um die volle Höhe des Strahles 131 durchzulassen. Das Pellet 53 verdunkelt einen Teil des Strahles 131. Der verdunkel te Querabstand 177, der sich zwischen den durchgelassenen Strahlab schnitten 159 und 162 befindet, ist durch die obere Kante 214 und die untere Kante 215 begrenzt. Ohne die Messerkante 204 würde der Strahl 131 links von dem Pellet 53 in zwei Teilen auftreten, von de nen der Teil 159 die Oberkante 208 und die Unterkante 214 hat, wäh rend der Teil 162 die Oberkante 215 und die Unterkante 209 hätte. Bei Anwesenheit der Messerkante 204 verdunkelt diese jedoch einen Teil des Strahles 131 nahe der unteren Kante 209 und ergibt so eine neue Unterkante 213 des durchgelassenen Strahlteils 162, die ohne die Kante 204 bei 209 läge.

Die übertragenen Strahlteile 159 und 162 treffen nach der fol genden Behandlung durch das Linsensystem 168 auf die photoempfindli chen Elemente der Anordnung 174. Die Abgabesignale dieser Elemente enthalten Information, aus der der Querabstand 177 bestimmt werden kann. In ähnlicher Weise kann der Abstand 218, der durch die Kanten 213 und 214 begrenzt ist, bestimmt werden. Jede Veränderung in die sen beiden Abständen während das Pellet 53 in Richtung des Pfeiles 222 rotiert, zeigt eine Abweichung in der Rundheit des Pellets an.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die gegenüberliegen den Enden jedes Pellets vorzugsweise abgeschrägt. Dies ist in Fig. 12 veranschaulicht, in der das Pellet 54 in Seitenansicht mit seinen abgeschrägten Facetten 225 und 226 gezeigt ist. Diese Abschrägung begünstigt die Grenze zwischen dem Pellet 54 und den benachbarten Pellets 53 und 55. Aufgrund der obigen Erläuterung der Fig. 11 ist klar, daß die Querabmessung 177 sich vermindert, wenn der abge schrägte Pelletabschnitt in den Beleuchtungsbereich 156 eintritt. Dies geschieht, wenn sich der Pelletstapel in einer Richtung senk recht zur Ebene der Fig. 11 bewegt und den verminderten Durchmesser des abgeschrägten Abschnittes in das Gesichtsfeld bringt. Diese Ver änderung wird durch die Signale der Anordnung 174 angezeigt, auf der nun zusätzliche Elemente beleuchtet werden. Diese Signalvariation kann dazu benutzt werden, den Beginn oder das Ende des Pellets anzu zeigen und gestattet auch das Zählen der Zahl der Pellets, die den Bereich 156 passieren und gestattet das Messen der Pelletlänge, wenn die lineare Pelletgeschwin digkeit bekannt ist.

Die Länge der Lichtpfade, die in den Fig. 1 und 10 gezeigt ist, ist durch die optischen Eigenschaften der verschiedenen eingesetzten Linsen bestimmt, die ihrerseits gemäß den opti schen Wirkungen ausgewählt sind, die man wünscht. Um jeden Lichtpfad in einem relativ geringen Volumen zu enthalten, sind die verschiedenen Spiegel und Prismen gezeigt, die den Lichtstrahl wie erforderlich umdirigieren. Der tatsächliche Abstand zwischen der Lichtquelle und ihrem entsprechenden Beleuchtungsbereich ist daher beträchtlich kürzer, als der Pfad des umdirigierten Lichtstrahles, so daß die Vorrichtung in einem Gehäuse relativ geringer Größe untergebracht werden kann.

Die offenbarte Erfindung schafft einen ersten und einen zwei ten Beleuchtungsbereich, in denen die Lichtintensität im wesentlichen gleichmäßig ist, ungeachtet der Tatsache, daß räumlich ungleichmäßige und im allgemeinen mit der Zeit variierende Lichtquellen benutzt werden. Billigere Lichtquel len, wie Multityp-Laser, können daher benutzt werden. Die Lichtstrahlen werden zu dem ersten bzw. zweiten Beleuchtungs bereich projiziert. In diesen Bereichen reflektieren die hin sichtlich ihrer Oberflächenmerkmale zu untersuchenden Gegen stände das Licht. Die hinsichtlich ihrer abmessungsmäßigen Konformität untersuchten Gegenstände verdunkeln einen Teil des Lichtstrahles. Der Einsatz von Linsen, die einen großen Teil des Lichtes, der zu den Anordnungen von photoempfind lichen Elementen gerichtet ist, sammeln, halten den Lichtver lust minimal und gestatten den Einsatz billigerer Lichtquel len geringer Intensität. Diese Linsen fokussieren das Licht auf die Anordnungen von photoempfindlichen Elementen, die ihrerseits Signale liefern, die Anzeichen für die Oberflächen merkmale und Abmessungsmerkmale sind.

Es kann die Art und Weise, in der der Lichtstrahl durch den Gebrauch von Spiegeln und Prismen um geleitet wird, variiert werden, um sich einer besonderen Situation anzupassen. Wo die Kompaktheit unwichtig ist und ein im wesentlichen linearer Lichtpfad möglich ist, können die Spiegel und Prismen völlig weggelassen werden.

Obwohl eine Anordnung aus photoempfindlichen Elementen offen bart ist, die ein Detektor ist, kann doch ein abtastender Elektronendetektor, wie eine Fernsehkamera, benutzt werden.

Der Einsatz von Übertragungslinsen mit großer Öffnung und flachem Feld ergibt eine hohe Wirksamkeit beim Sammeln des Lichtes sowie bei der genauen Fokussierung.

Claims

Vorrichtung zum optischen Inspizieren der Oberfläche des Durchmessers, der Rundheit und der Abschrägung eines je den einer Aufeinanderfolge im wesentlicher zylindrischer, koaxial aneinanderstoßender Pellets, die sich um eine gemeinsame Achse dre hen, während sie durch ein Gesichtsfeld vorwärts bewegt werden, wo bei die Vorrichtung die folgenden Bestandteile umfaßt:
eine erste Beleuchtungseinrichtung,
eine erste Linse,
eine erste Kollimatoreinrichtung sowie
eine erste Detektoreinrichtung und
eine zweite Beleuchtungseinrichtung,
eine dritte Linse,
eine zweite Kollimatoreinrichtung und
eine zweite Detektoreinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Beleuchtungseinrichtung (3, 227) mindestens einen ersten (6) und einen zweiten Laserstrahl (228) in einer ersten Ausbrei tungsrichtung (9, 230) projiziert;
die erste Linse (18) eine anamorphotische Linse ist, die den ersten und den zweiten Laserstrahl in einer ersten Streuungsebene (21), die im wesentlichen parallel zur ersten Ausbreitungsrichtung verläuft, divergieren läßt;
die erste Kollimatoreinrichtung (33) das Ausmaß der Streuung der ge nannten Laserstrahlen in der genannten ersten Streuungsebene vermin dert;
weiter eine zweite anamorphotische Linse (36) zum Konvergieren des ersten und des zweiten Laserstrahls in einer Richtung, die im we sentlichen senkrecht zur genannten ersten Streuungsebene verläuft, vorhanden ist, wobei die zweite anamorphotische Linse weiter die ge nannten Strahlen auf einen ersten langgestreckten Beleuchtungsbe reich (48) beschränkt, der ein großes Verhältnis von Länge zu Breite auf der Oberfläche der untersuchten Pellets aufweist;
die erste Detektoreinrichtung (68) eine lineare Reihe erster photo empfindlicher Elemente und eine Übertragungslinse (65) mit einer großen Öffnung und einem flachen Feld aufweist, die Licht zu den ge nannten ersten Elementen leitet, wobei jedes der ersten Elemente ein Ausgabesignal erzeugt, das repräsentativ ist für die Menge des zu diesem Element reflektierten Lichtes, wobei das von den ersten Ele menten empfangene Licht durch entsprechende Unterbereiche des ersten Beleuchtungsbereiches auf der Oberfläche des untersuchten Pellets reflektiert wird und die ersten Elemente so angeordnet sind, daß sie reflektiertes Licht nur empfangen, wenn der Winkel und der Ort der Reflektion in dem entsprechenden Unterbereich innerhalb vorbestimm ter Grenzen bleibt;
die zweite Beleuchtungseinrichtung (130) einen dritten Laserstrahl (131) in einer zweiten Ausbreitungsrichtung (132) projiziert;
die dritte Linse (139) eine anamorphotische Linse ist, die den drit ten Laserstrahl in einer zweiten Streuungsebene (141), die parallel zur zweiten Ausbreitungsrichtung liegt, diver giert;
die zweite Kollimatoreinrichtung (150) das Ausmaß der Divergenz in der zweiten Streuungsebene vermindert und den dritten Laserstrahl zu einem zweiten Beleuchtungsbereich (156) richtet, wobei dieser zweite Bereich ein langgestreckter Bereich mit einem großen Verhältnis von Höhe zu Breite ist, der den gesamten Durchmesser jedes der in der zeitlichen Aufeinanderfolge von Pellets schneidet;
die zweite Detektoreinrichtung (174) mit einer linearen Reihe zwei ter photoempfindlicher Elemente versehen ist, wobei jedes dieser Elemente ein Ausgabesignal erzeugt, das repräsentativ ist für die Menge des übertragenen Lichtes von dem auffallenden dritten Laser strahl, und das untersuchte Pellet (53) einen Teil des zweiten Be leuchtungsbereiches zwischen der zweiten Beleuchtungseinrichtung und der zweiten Detektoreinrichtung einnimmt, um einen Teil (157) des dritten Laserstrahls abzudunkeln, so daß zwei nicht miteinander ver bundene Teile (159, 162) des dritten Laserstrahls auf die zweiten Elemente gerichtet werden, wobei der erste, zweite und dritte Laser strahl jeweils eine im wesentlichen gleichförmige räumliche Intensi tätsverteilung aufweisen und
die ersten Ausgabesignale repräsentativ für den Zustand der Oberflä che des untersuchten Pellets und die zweiten Ausgabesignale reprä sentativ für zumindest den Durchmesser des untersuchten Pellets sind, die quer zu dem dritten Laserstrahl angeordnet ist.