DE69415125T2 - Prozess und Gerät zur Charakterisierung, Optimierung und automatischer Kontrolle einer Analyse mittels Farbeindringverfahren - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Optimieren, Charakterisieren und Prüfen einer Eindringanalysemethode.
• Die Erfindung findet Anwendung bei der Erfassung von Oberflächenfehlern auf allen Typen von Werkstücken durch sogenannte Eindringverfahren, insbesondere bei der Automatisierung, der Charakterisierung und der Optimierung der Eindringverfahren.
• Bei den bekannten Eindringprüfverfahren wird das zu prüfende Werkstück zuvor so präpariert, daß die Oberflächenfehler markiert werden. Die Präparierung besteht darin, daß man auf der Oberfläche des Werkstücks eine (auch als Indikatorsubstanz bezeichnete) Eindringmischung aufbringt, die einen fluoreszierenden oder colorierten Farbstoff enthält und die in die an der Oberfläche des Teils mündenden Öffnungen der Fehler eindringt, daß man dann die überschüssige Eindringmischung von der Oberfläche des Teils entfernt, bevor man eine Entwicklersubstanz aufbringt. Die Entwicklersubstanz arbeitet ähnlich wie ein Löschblatt und bewirkt, daß die flüssige Eindringmischung, die den fluoreszierenden Farbstoff enthält, durch Kapillarwirkung aus den Fehlstellen der Oberfläche herausgezogen wird. Das Teil wird anschließend geeigneten Beleuchtungsbedingungen ausgesetzt, z. B. einem unsichtbaren Licht, das Fluoreszenz erzeugt. Das Vorhandensein der offenen Fehlstellen wird dadurch angezeigt, daß der Farbstoff der Eindringmischung, der in den Rissen oder Spalten zurückgehalten wurde, nachdem die Eindringmischung von der Oberfläche des Teils entfernt wurde, sichtbares Fluoreszenzlicht emittiert. Im allgemeinen enthält die Eindringmischung fluoreszierende Pigmente, die unter der Einwirkung eines im Ultraviolettbereich liegenden Lichts sichtbares Licht aussenden, das meistens im gelbgrünen Farbbereich liegt. In diesem Fall wird das Verfahren als Fluoreszenzeindringmethode bezeichnet.
• Diese Methoden zum Sichtbarmachen der Fehlstellen ermöglichen eine bequeme visuelle Prüfung der Teile durch das Prüfpersonal. Die visuelle Bewertung ist jedoch eine anspruchsvolle Tätigkeit, bei der die Augen des Prüfpersonals sehr stark ermüden, insbesondere, wenn Großserienteile geprüft werden. Dies hat Auswirkungen auf die Konzentration. Außerdem ist es schwierig, subjektive Einflüsse bei der visuellen Bewertung auszuschalten.
• Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die durch die Eindringmethode gewonnenen Anzeigen automatisch zu prüfen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, optoelektronisch arbeitende Geräte für das Erfassen und die automatische Bewertung der Fehleranzeigen zu benutzen, die Mittel für die Beleuchtung eines Bildfelds aufweisen, in welchen das zu prüfende Teil angeordnet wird, ferner eine Videoeinrichtung, z. B. eine Kamera, mit der digitale Bilder des Teils gewonnen werden können, sowie eine Bildverarbeitungseinrichtung, z. B. einen Rechner, mit dem eventuelle Fehler auf der Oberfläche des zu prüfenden Teils durch Vergleichen mit Bildern von Referenzteilen detektiert werden können.
• Bei dem bekannten automatischen Verfahren sind die Empfindlichkeit und das Diskriminierungsvermögen allerdings beschränkt. Dies ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen, insbesondere auf die Bedingungen, unter denen das zu prüfende Teil beleuchtet wird und auf die Bedingungen, unter denen das Teil präpariert wird, bevor die Prüfung durchgeführt wird.
• Bei den Fluoreszenzanalyseeindringmethoden erfolgt die Beleuchtung durch eine Lichtquelle, die ultraviolette Strahlung aussendet. Am Ausgang der Lichtquelle wird die Strahlung durch Filter gefiltert, um einen für die gewählte Eindringmischung geeigneten Wellenlängenbereich auszuwählen. Am Eingang der Kamera sind ebenfalls Filter angeordnet, um parasitäre Strahlungen zu eliminieren, die nicht von der Eindringmischung herrühren. Die Benutzung dieser Filter ist nicht völlig zufriedenstellend, weil sie Energie verbrauchen und den Raumbedarf der automatischen Prüfvorrichtung vergrößern. Außerdem haben die Filter keinen an diese Art von Anwendungen angepaßten Durchlaßbereich, und es ist insbesondere sehr schwierig, die parasitären Bandbreiten um 400 Nanometer zu eliminieren. Diese Wellenlängen an der Grenze des sichtbaren Lichts sind im allgemeinen sehr energiereich. Sie beeinträchtigen die Bilder, indem sie Reflexe hervorrufen, und beeinflussen die Zuverlässigkeit des Prüfergebnisses, indem sie die Spaltinformationen verdecken und zu parasitären Anzeigen führen, die als Phantomfehler bezeichnet werden.
• Außerdem arbeiten die bekannten automatischen Verfahren im allgemeinen so, daß sie mit Bildern oder Referenzteilen vergleichen und lediglich qualitative Resultate liefern, die mehr oder weniger zuverlässig sind, weil sie von zahlreichen Parametern bestimmt werden, die von dem Benutzer empirisch bestimmt werden.
• Die Zuverlässigkeit der Teileprüfung hängt insbesondere von dem Präparierungsverfahren ab, das der Prüfung des Teils vorangeht, und speziell von der Wahl der Eindringmischung und den Bedingungen, unter denen das Teil gereinigt wird, um die überschüssige Eindringmischung zu entfernen. Die Zuverlässigkeit des Ergebnisses hängt auch von der Kamera und von der Verarbeitung der von der Videoeinrichtung gewonnenen Bilder ab.
• Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, diese Nachteile der bekannten Eindringanalysemethoden, insbesondere der Fluoreszenzeindringanalysemethode, zu beseitigen und die Zuverlässigkeit der Teileprüfung durch diese Methoden zu verbessern.
• Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein Verfahren und eine automatische Vorrichtung zum Gegenstand, die es erlauben, die bekannten Eindringanalysemethoden quantitativ zu charakterisieren, diese Methoden untereinander zu vergleichen, die verschiedenen Parameter zu optimieren, welche die Zuverlässigkeit des gewonnenen Ergebnisses beeinflussen, und die zuvor optimierte Analysemethode periodisch zu überprüfen, um sicherzustellen, daß keine großen Abweichungen in der Methode auftreten.
• Die quantitative Charakterisierung einer Eindringanalysemethode besteht erfindungsgemäß darin, daß die Detektierungsempfindlichkeit und das Hintergrundrauschen, die durch das Analyseverfahren entstehen, durch eine Verarbeitung von Bildern bestimmt werden, die aus einem oder mehreren Referenzmustern gewonnen werden, welche nach dieser Methode präpariert und dann geeigneten und optimierten Beleuchtungsbedingungen ausgesetzt werden.
• Die Optimierung der Eindringanalysemethode erfolgt dadurch, daß man untersucht, welches die Einflußparameter sind, und daß man denjenigen Wert dieser Parameter untersucht, mit dem die Detektierungsempfindlichkeit maximiert und das Hintergrundrauschen minimiert werden kann.
• Bei der Prüfung der zuvor optimierten Analysemethode geht man von den gleichen Referenzmustern aus, indem man periodisch nachprüft, ob die Detektierungsempfindlichkeit und das Hintergrundrauschen sich nicht verschlechtert haben. Andernfalls signalisiert ein Alarmsignal die Fehlfunktion, und die Ursache dieser Fehlfunktion wird untersucht.
• Die automatische Vorrichtung besitzt eine an das Fluoreszenzeindringverfahren angepaßte und hierfür optimierte Beleuchtungsvorrichtung, bei der die Beleuchtung des Teils durch eine Lichtquelle mit ultravioletter Strahlung erfolgt, die durch die Auswahl eines Wellenlängenbandes optimiert ist, das um die Anregungsspektrallinie der Indikatorsubstanz zentriert ist, wobei dieses Wellenlängenband hinreichend schmal ist, um die Wellenlängen, die von der Lichtquelle im sichtbaren Spektrum emittiert werden, insbesondere die Wellenlänge, die im Blauen bei etwa 400 Nanometern liegt, zu eliminieren.
• Gemäß der Erfindung ist das Verfahren zum Charakterisieren, Optimieren und automatischen Prüfen eine Eindringanalysemethode, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht,
• - wenigstens ein Vergleichsmuster auszuwählen,
• - dieses Muster entsprechend der gewählten Analysemethode zu präparieren, indem eine Indikatorsubstanz benutzt wird, die eine Darstellung der Oberflächenfehler ermöglicht,
• - das Vergleichsmuster unter einer geeigneten und an die gewählte Indikatorsubstanz angepaßten Beleuchtung zu exponieren,
• - wenigstens ein Bild des Vergleichsmusters zu erfassen,
• - dieses Bild so zu verarbeiten, daß Artefakte eliminiert und die Detektierungsempfindlichkeit und das Hintergrundrauschen, die durch die gewählte Analysemethode erzeugt werden, quantitativ bestimmt werden, wobei die Detektierungsempfindlichkeit aus den Abmessungen und der mittleren Luminanz der auf dem verarbeiteten Bild sichtbar gemachten Oberflächenfehler gewonnen wird,
• - Einflußparameter zu ermitteln und für jeden Einflußparameter einen Wert dieses Parameters festzulegen, der es erlaubt, die Detektierungsempfindlichkeit zu maximieren und das Hintergrundrauschen zu minimieren.
• Die Erfindung betrifft auch eine automatische Vorrichtung zum Charakterisieren, Optimieren und automatischen Prüfen einer Fluoreszenzeindringanalysemethode mit einer Beleuchtungsvorrichtung, einer Aufnahmevorrichtung und einer Bildverarbeitungsvorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Beleuchtungsvorrichtung in Serienanordnung aufweist: eine Lichtquelle für ultraviolette Strahlung, einen Monochromator mit wenigstens einem Zerstreuungsgitter zur Auswahl eines um die Anregungswellenlänge der Indikatorsubstanz zentrierten Wellenlängenbandes und einen Lichtwellenleiter zur Fokussierung der ultravioletten Strahlung auf einer Zone des zu prüfenden Werkstücks.
• Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Beispiels, auf das die Erfindung natürlich nicht beschränkt ist. Diese Beschreibung bezieht sich auf die anliegenden Zeichnungen.
• Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Bilderfassung und -verarbeitung,
• Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Beleuchtung von Teilen, die durch eine Fluoreszenzeindringmethode geprüft werden,
• Fig. 3 zeigt die verschiedenen Stufen des Bildverarbeitungsverfahrens gemäß der Erfindung,
• Fig. 4 zeigt die der Bildverarbeitung entsprechenden Unterschritte des Verfahrens zur Bestimmung eines Empfindlichkeitsindex gemäß der Erfindung,
• Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die Auswirkungen der verschiedenen Parameter auf die Detektierungsempfindlichkeit, die einer gegebenen Fluoreszenzeindringanalysemethode entsprechen,
• Fig. 6 zeigt ein Beispiel der Auswirkungen verschiedener Parameter auf das Hintergrundrauschen, das durch eine gegebene Fluoreszenzeindringanalysemethode erzeugt wird.
• Bei dem Eindringprüfverfahren zur Prüfung von Werkstücken werden die Werkstücke zunächst präpariert, wobei man Indikatorsubstanzen verwendet, die bei der Anzeige von Spalten einen möglichst großen Kontrast relativ zu der Oberfläche des Werkstücks liefern. Bei der Fluoreszenzeindringanalyse sind die Indikatorsubstanzen fluoreszierende Pigmente, die unter ultraviolettem Licht lebhaft aufleuchten, während der Oberflächengrund dunkel bleibt. Der gewonnene Kontrast kann für die automatische Prüfung des Werkstücks genutzt werden, indem die Helligkeit der fluoreszierenden Anzeigen mit Hilfe einer entsprechend angepaßten lichtempfindlichen Vorrichtung ermittelt und die so gewonnenen Informationen ausgewertet werden.
• Fig. 1 zeigt eine Bilderfassungs- und -verarbeitungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
• Die Vorrichtung weist eine auch als Beleuchtungsvorrichtung bezeichnete Vorrichtung 10 zur Lichtemission auf, mit der ein Bildfeld beleuchtet wird, in dem sich das zu prüfende Werkstück 11 befindet. Das Werkstück wird anschließend von einer Fernsehkamera 12, die für niedrige Beleuchtungspegel sehr empfindlich ist, optisch detektiert und elektronisch verarbeitet. Das erzeugte Bild wird durch ein Bildverarbeitungssystem 13, z. B. einen Rechner, ausgewertet.
• Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Beleuchten der Werkstücke, die durch Fluoreszenzfarbeindringverfahren geprüft werden sollen.
• Die Beleuchtungsvorrichtung besitzt eine Lichtquelle 20, die in Abhängigkeit von der während des Zyklus zur Präparierung des Werkstücks benutzten Indikatorsubstanz gewählt ist. Die Indikatorsubstanz kann beispielsweise so gewählt werden, daß sie bei Anregung durch eine auf einer Wellenlänge von der Größenordnung 365 Nanometer zentrierten ultraviolette Strahlung sichtbare Strahlung abgibt, deren Wellenlänge im Bereich der Farben Gelb-Grün zwischen 450 und 550 Nanometern liegt. Die ultraviolette Lichtquelle kann ein Laser sein oder ein Multispektrallampe, z. B. eine Quecksilberdampflampe. Wenn eine Lampe benutzt wird, wählt man vorzugsweise eine solche mit variabler Leistung, so daß eine konstante Beleuchtung aufrechterhalten werden kann. Es ist auch möglich, die Beleuchtung zu regeln, indem man das emittierte Wellenlängenspektrum verschiebt.
• Die von der Lichtquelle emittierte Strahlung wird durch einen Monochromator 21 mit wenigstens einem Dispersionsgitter und über eine erste optische Adaptierungs- und Fokussie rungsvorrichtung 22 übertragen. Das Ausgangssignal des Monochromators 21 wird mittels einer zweiten optischen Adaptierungs- und Fokussierungsvorrichtung 24 durch einen Lichtleiter 23 geführt.
• Die Fokussierungsvorrichtungen 22 und 24 haben die Aufgabe, die gesamte emittierte Leistung auf den Einlaßschlitz des Monochromators und auf das Innere des Lichtleiters zu fokussieren.
• Um bei der Anzeige der Spalte einen großen Kontrast zu erreichen, wird der Monochromator 21 als Emissionsfilter benutzt. Er ist so gewählt, daß er zwei wesentlichen Bedingungen erfüllen kann: einerseits darf das gewählte Wellenlängenband um die Anregungsspektrallinie der Indikatorsubstanz, z. B. 365 Nanometer, nicht zu schmal sein, damit genügend Energie emittiert wird, andererseits muß es genügend selektiv sein, damit diejenigen Wellenlängen eliminiert werden, die die Lichtquelle im sichtbaren Spektrum emittiert. Dies sind bei Verwendung einer Quecksilberdampflampe insbesondere die Wellenlängen im Blaubereich bei etwa 400 Nanometern. Diese beiden einschränkenden Bedingungen fassen beispielsweise durch die Benutzung eines Doppelmonochromators mit geringer Brennweite erfüllen, der zwei mechanisch gekoppelte Dispersionsgitter aufweist, die so geregelt werden, daß sie die gleiche Wellenlänge auswählen. Um zu verhindern, daß die beiden Gitter durch die thermische Leistung der Lampe 20 beschädigt werden, können sie zuvor durch eine Oberflächenbearbeitung chemisch gehärtet werden. Außerdem kann vor dem Monochromator 21 zwischen der ersten Fokussierungsvorrichtung 22 und dem Eingang 26 des Monochromators ein Wärmefilter 25 angeordnet sein, das die thermische Leistung am Eingang des Monochromators begrenzt. Dieses Wärmefilter kann beispielsweise ein System mit zwei durch eine Vakuumlamelle getrennten Quarzwänden sein. Die Kühlung erfolgt durch natürliche Konvektion oder durch Zirkulation eines Fluids.
• Der Lichtleiter soll die ultraviolette Strahlung genau übertragen, indem er sie so wenig wie möglich dämpft und keine parasitäre Strahlung erzeugt. Man wählt vorzugsweise einen flüssigen Leiter, weil diese sehr flexibel und robust sind. Man kann jedoch auch eine optische Faser, z. B. aus Silizium, benutzen, obwohl diese Faserart sehr zerbrechlich ist.
• Der Lichtleiter 23 ist an jedem seiner Enden mit einer nicht dargestellten Fokussierungsoptik, z. B. mit Quarzfenstern, ausgestattet, um eine homogene Beleuchtung zu erzielen und die ultraviolette Strahlung auf einer kleinen Zone des Werkstücks, z. B. mit den Abmessungen 25 mm · 25 mm, zu fokussieren.
• Die Oberfläche des Werkstücks wird sukzessiv in kleinen Zonen geprüft, indem man das Werkstück oder die Erfassungseinheit (Kamera und Beleuchtungsvorrichtung) manuell oder automatisch verschiebt.
• Das Verfahren zur Charakterisierung einer Fluoreszenzeindringanalysemethode besteht darin, daß man die Detektierungsempfindlichkeit und das Hintergrundrauschen bestimmt, die bei dieser Methode auftreten. Zu diesem Zweck wird das Eindringanalyseverfahren auf ein oder mehrere Referenzmuster angewendet, die auf ihrer Oberfläche Spalte aufweisen.
• Um die Detektierungsempfindlichkeit zu bewerten, ist es insbesondere vorteilhaft, Eichkeile als Referenzmuster zu benutzen, die Spalte mit bekannter Tiefe aufweisen und einen guten Oberflächenzustand haben. Im Handel sind beispielsweise Keile aus Messing erhältlich, die mit einer Nickel-Chrom-Ablagerung bestimmter Dicke beschichtet sind und Spalte aufweisen, deren Tiefe gleich der Dicke der Nickel-Chrom-Ablagerung ist. Die Keile sind mit verschiedenen Dicken der Nickel-Chrom-Ablagerung zwischen 5 und 100 Mikrometern verfügbar. Die Benutzung solcher Keile als Referenzmuster ermöglicht eine Bewertung der Detektierungsempfindlichkeit des Verfahrens.
• Zur Bewertung des Hintergrundrauschens müssen die gewählten Referenzmuster für die zu prüfenden Werkstücke repräsentativ sein, was das Material und den Oberflächenzustand betrifft. Die Muster können unter den zu prüfenden Werkstücken oder aus Teilen von Werkstücken gewählt werden, oder es können Proben sein, die für das Material und den Oberflächenzustand der prüfenden Werkstücke repräsentativ sind.
• Jedes Referenzmuster wird zuvor mit Hilfe einer Eindringmischung präpariert, um die Oberflächenfehler darzustellen. Sie wird anschließend einer ultravioletten Strahlung aus einer Beleuchtungsvorrichtung, z. B. der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Vorrichtung, ausgesetzt. Die Beleuchtungsvorrichtung wird so geregelt, daß die Beleuchtungsintensität so konstant und homogen wie möglich ist, um Bilder guter Qualität zu gewinnen, die miteinander vergleichbar sind. Die von dem Referenzmuster zurückgeworfene sichtbare Strahlung wird detektiert und mit Hilfe einer Videokamera in ein Videobild umgewandelt, um ein digital codiertes Bild zu gewinnen, dessen Dynamikbereich beispielsweise 256 Graupegel umfaßt. Die Kamera wird vorzugsweise so geregelt, daß man für den Hintergrund einen Graupegel von 0 erreicht. Die Empfindlichkeit der benutzten Kamera hängt von der Tiefe der zu analysierenden Risse, der Empfindlichkeit der benutzten Eindringmischung und der für das Resultat gewünschten Feinheit ab. Die Vergrößerung der Kamera wird so justiert, daß stets das gleiche Bildfeld abgedeckt wird. Im Fall von Messingteilen beispielsweise, die mit einer Nickel- Chrom-Ablagerung beschichtet sind, wird die Vergrößerung der Kamera so eingestellt, daß die Spalte über die gesamte Höhe des Bildes reichen. Die Bilder werden immer gleich oft (z. B. 256 mal) integriert, um das Rauschen zu unterdrücken. Die Bilder werden von einer Bildverarbeitungsvorrichtung ausgewertet, die die Detektierungsempfindlichkeit und das Hintergrundrauschen aus ihnen extrahiert.
• Fig. 3 zeigt die verschiedenen Schritte des Bildverarbeitungsverfahrens gemäß der Erfindung in Form einer Folge von Funktionsblöcken.
• Das Verfahren läuft in zwei Stufen ab.
• In einer ersten Stufe, die den Verfahrensschritten 30 bis 34 entspricht, werden in dem Schritt 30 aus Mustern, die beispielsweise aus Referenzkeilen bestehen, Bilder Ci gewonnen und verarbeitet, um aus ihnen einerseits im dem Schritt 31 einen Schwellwert Si zu gewinnen, der eine binäre Digitalisierung des Bildes ermöglicht, um aus diesem die Artefakte zu eliminieren, und andererseits in dem Schritt 32 einen Empfindlichkeitsindex li zu gewinnen. Die Einzelheiten der an den Mustern durchgeführten Verarbeitung wird in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben. Der Schritt 33 ist ein Test, mit dem festgestellt werden kann, ob noch weitere Bilder Ci zur Verarbeitung anstehen. Wenn der Test positiv ist, werden der Iterationsindex i und die Zahl n der bearbeiteten Bilder inkrementiert, und die Schritte 30 bis 32 werden mit dem folgenden Bild erneut ausgeführt. Wenn der Test negativ ist, werden in dem Schritt 34 der Mittelwert I der für die einzelnen Bilder Ci gewonnenen Empfindlichkeitsindizes li sowie der minimale Schwellwert S berechnet.
• In einer zweiten Stufe, die den Verfahrensschritten 35 bis 39 entspricht, werden in dem Schritt 35 aus Mustern, die Werkstücken oder Proben entsprechen, welche für die zu prüfenden Werkstücke repräsentativ sind, Bilder Fj gewonnen und verarbeitet, um aus ihnen in dem Schritt 37 nach einer Schwellwertbewertung in dem Schritt 36 den Rauschpegel zu extrahieren, wobei als Schwellwert der minimale Schwellwert S benutzt wird, der bei der Bestimmung des mittleren Empfindlichkeitsindex I gewonnen wurde. Der Schritt 38 ist ein Test, mit dem festgestellt werden kann, ob noch weitere Bilder Fj zu bearbeiten sind. Wenn der Test positiv ist, werden der Iterationsindex j und die Anzahl m der verarbeiteten Bilder inkrementiert, und die Schritte 35 bis 38 werden mit dem folgenden Bild erneut durchgeführt. Wenn der Test negativ ist, wird der Mittelwert der für die einzelnen Bilder Fj ermittelten Rauschpegel Fj in einem Schritt 39 berechnet, und das Verfahren ist beendet. Die Werte I und B stellen die Detektierungsempfindlichkeit bzw. das Hintergrundrauschen dar, die bei der betrachteten Eindringanalysemethode erzeugt werden.
• Fig. 4 zeigt in Form von Funktionsblöcken die die Unterschritte des Verfahrens, die der Verarbeitung der Bilder Ci für die Bestimmung eines Empfindlichkeitsindex gemäß der Erfindung entsprechen. Damit die Bilder untereinander vergleichbar sind, muß der Hintergrund homogen sein und für alle Bilder Ci annähernd den gleichen Wert annehmen.
• Der erste Verarbeitungsschritt 311 besteht für jedes Bild darin, festzustellen, ob der Hintergrund des Bildes homogen ist und einem gegebenen Graupegel, z. B. in der Nähe von 0 bis zu 5 benachbarten Graupegeln, entspricht. Wenn der Hintergrund nicht homogen ist und/- oder nicht in der Nähe von 0 liegt, wird in einem Schritt 312 das Bild auf flach zurückgesetzt, indem daß die Hintergrundanzeigen eliminiert werden. Dieser Vorgang kann nach verschiedenen Methoden durchgeführt werden, z. B. durch die Gewinnung eines weißen Bildes und Subtrahieren dieses Bildes von dem Bild Ci.
• Es ist auch möglich, die Hintergrundanzeigen dadurch zu eliminieren, daß man das Bild mit Hilfe von morphologischen Filterungen oder Frequenzfilterungen relativ zu sich selbst korrigiert oder indem man das Bild relativ zu einem Referenzbild korrigiert.
• Wenn der Hintergrund homogen ist, wird in einem Schritt 313 eine Filterung des Bildes bezüglich der Graupegel durchgeführt. Diese Filterung erlaubt es, diskontinuierliche Anzeigen, die einem einzigen Spalt entsprechen, miteinander zu vereinigen. Damit diskontinuierliche Anzeigen vereinigt werden können, müssen sie einander genügend naheliegen, um dem unbewaffneten Auge als kontinuierlich zu erscheinen. Die Filterung kann mit Hilfe von morphologischen mathematischen Filtern oder Frequenzfiltern durchgeführt werden.
• In dem Schritt 314 wird der Schwellwert Si berechnet, der eine binäre Digitalisierung des Bildes erlaubt, um aus diesem die Artefakte zu eliminieren. Der Schwellwert wird so gewählt, daß er zweimal so groß ist wie der mittlere Luminanzwert der Luminanzmaxima.
• Der Faktor zwei entspricht einer Bewertung auf mittlerer Höhe der Relevanz einer Luminanzspitze. Die Luminanzmaxima werden gewonnen, nachdem die binäre Digitalisierung des Bildes mit einem approximativen Schwellwert durchgeführt wurde, der aus dem Histogramm des Bildes gewonnen wird und so gewählt ist, daß er der Summe des Mittelwerts und des Abstandstyps der Luminanzen des Bildes, der Skelettierung des binär digitalisierten Bildes und der Multiplikation des skelettierten binären Bildes mit dem Graupegelbild entspricht.
• Das Bild wird dann auf diesen Schwellwert binär digitalisiert, um alle Bildpunkte zu eliminieren, deren Luminanzwert unterhalb dieses Schwellwerts liegt. In dem Schritt 315 wird eine zweite Filterung an dem binären Bild durchgeführt, um die kleinen Artefakte zu eliminieren, die in dem Schritt 313 bei der Filterung des Bildes in Graupegeln nicht unterdrückt wurden. Diese zweite Filterung umfaßt eine lineare Dilatation und eine lineare Erosion.
• In dem folgenden Schritt 316 wird eine Prüfung durchgeführt, um Mehrfachanzeigen zu untersuchen, mit denen die Fälle detektiert werden können, in denen sich zwei sehr nahe beieinanderliegende Spalte zu einem einzigen vereinigt haben. Zu diesem Zweck wird das binär gefilterte Bild skelettiert, um die Tripelpunkte zu untersuchen, die drei Nachbarn haben. Wenn der Test positiv ist, geht man in dem Schritt 317 zur Segmentierung der Mehrfachanzeigen über.
• Die Segmentierung besteht darin, daß die Anzeigen von Spalten, die sich vereinigt haben, getrennt werden. Da die Tripelpunkte im allgemeinen von den in den Endbereichen liegenden Punkten Abstand haben, wird die Segmentierung durchgeführt, nachdem man die Punkte in den Endbereichen untersucht und die Nähe zwischen den Tripelpunkten und den Extrempunkten getestet hat.
• Wenn alle Mehrfachanzeigen getrennt sind, werden in einem Schritt 318 die verschiedenen Parameter berechnet, mit denen ein Empfindlichkeitsindex bestimmt werden kann. Der Empfindlichkeitsindex wird beispielsweise so gewählt, daß er gleich dem Produkt aus dem Längenindex und dem Auflösungsindex ist. Der Längenindex ist das Verhältnis der abgelesenen Länge zu der theoretischen Länge der Anzeigen. Der Auflösungsindex ist das Verhältnis der mittleren Luminanz der Luminanzmaxima zu der abgelesenen Breite der Anzeigen.
• Die theoretische Länge eines Spalts ist bekannt und entspricht der Höhe des Bildes wenn die Muster so positioniert sind, daß die Spalte auf dem Bild vertikal erscheinen. Die Zahl der Spalte auf einem gegebenen Muster wird bestimmt, indem man zuvor das Muster unter dem binokularen Mikroskop beobachtet. Die Breite der Anzeigen wird gewonnen, indem man das Verhältnis zwischen der Fläche, die von den Punkten besetzt wird, deren Luminanz über dem ersten Schwellwert liegt, und der abgelesenen Länge der Anzeigen berechnet.
• Die Detektierungsempfindlichkeit und das Hintergrundrauschen für eine gegebene Fluoreszenzeindringanalysemethode, die in der beschriebenen Weise durch das Verfahren gemäß der Erfindung bestimmt werden, erlauben eine quantitative Charakterisierung dieser Methode.
• Das Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt es außerdem, die Einflußparameter zu optimieren, indem man diejenigen Werte dieser Parameter ermittelt, mit denen sich die Detektierungsempfindlichkeit maximieren und das Hintergrundrauschen minimieren läßt. Die Optimierung einer gegebenen Analysemethode besteht also darin, die Einflußparameter auszuwählen, die Werte dieser Parameter zu suchen, die eine Maximierung der Detektierungsempfindlichkeit ermöglichen, und zu prüfen, ob diese Parameterwerte das Hintergrundrauschen nicht verschlechtern.
• Fig. 5 zeigt für eine gegebene Eindringfluoreszenzanalysemethode ein Beispiel der Auswirkungen verschiedener Parameter auf die Detektierungsempfindlichkeit. Die Ergebnisse wurden mit Musterkeilen gewonnen. In Fig. 5 ist die Entwicklung der Empfindlichkeit durch sechs verschiedene Parameter visualisiert, wobei jeder dieser Parameter drei verschiedene Werte annimmt, die mit 1 bis 3 numeriert sind.
• Die sechs Parameter sind:
• - Durchlaufgeschwindigkeit der Düse (G DÜSE) für das Waschen der Werkstücke, bezogen auf die Zahl der Durchgänge der Düse über die zu waschenden Werkstücke. Es werden drei verschiedene Düsengeschwindigkeiten betrachtet, wobei die Anzahl der Durchgänge der Düse um so größer ist, je größer die Düsengeschwindigkeit ist, so daß ein konstantes Verhältnis beibehalten wird. In Fig. 5 ist die Geschwindigkeit Nr. 1 kleiner als die Geschwindigkeit Nr. 2, die ihrerseits kleiner ist als die Geschwindigkeit Nr. 3.
• - Typ der Wasserdüse (WASSERDÜSE), die für das Waschen des Werkstücks benutzt wird,
• - Druck des Emulgators (D EMULG), der auf den Werkstücken aufgebracht wird,
• - Wasserdruck für das Vorwaschen (D ORWASCH) der Werkstücke,
• - Wasserdruck für das Waschen (D WASCHEN) der Werkstücke,
• - Typ der Düse (DÜSE EMULG), die für das Aufbringen des Emulgators auf die Werkstücke benutzt wird.
• In Fig. 5 sind die Auswirkungen der einzelnen Parameter auf die Detektierungsempfindlichkeit, bezogen auf den Mittelwert jedes Parameters, gemessen, wobei die Parameter in einer Reihenfolge geordnet sind, die es ermöglicht, die für die Optimierung der Detektierungsempfindlichkeit günstigsten Werte zu visualisieren. Die Detektierungsempfindlichkeit ist insbesondere dann besser, wenn die Geschwindigkeit der Waschdüse gering ist, die verwendete Waschdüse die Düse Nr. 1 ist und der Wasserdruck für das Vorwaschen und das Waschen der Werkstücke dem dritten der betrachteten Werte entspricht.
• Fig. 6 zeigt ein Beispiel für die Auswirkungen der verschiedenen Parameter auf das durch eine gegebene Eindringfluoreszenzanalysemethode erzeugte Hintergrundrauschen.
• Die Analysemethode und die betrachteten Parameter sind die gleichen wie bei Fig. 5. Die Ergebnisse wurden mit einem Musterstück erzielt, das für die zu prüfenden Werkstücke repräsentativ ist.
• Die Auswirkungen der einzelnen Parameter auf das Hintergrundrauschen werden in Bezug auf den Mittelwert der einzelnen Parameter gemessen.
• Fig. 6 ermöglicht es, beispielsweise nachzuprüfen, daß die Wahl einer Geschwindigkeit für die Waschdüse nicht nur die Maximierung der Empfindlichkeit erlaubt, sondern auch die Minimierung des Hintergrundrauschens. Infolgedessen ermöglicht dieser Parameterwert die Optimierung der gewählten Analysemethode.
• Wenn die Analysemethode charakterisiert und optimiert ist, kann das Verfahren gemäß der Erfindung schließlich auch dazu benutzt werden, periodisch zu überprüfen, ob keine Abweichungen bei dem Analyseverfahren aufgetreten sind. Zu diesem Zweck werden die von der Analysemethode erzeugten Werte der Detektierungsempfindlichkeit und des Hintergrundrauschens, ausgehend von den gleichen Referenzmustern, die auch für die Charakterisierung der Analysemethode benutzt wurden, überprüft. Wenn die Resultate sich verschlechtert haben, werden die Ursachen der Fehlfunktion der Analysemethode erforscht, um sie zu beseitigen.
• Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere ist das Bildverarbeitungsverfahren für die Bestimmung der Detektierungsempfindlichkeit und des Hintergrundrauschens nicht auf die Fluoreszenzeindringanalyse beschränkt, sondern auf jede Eindringanalysemethode anwendbar.

Claims (11)

1. Verfahren zum Charakterisieren, Optimieren und automatischen Prüfen einer Eindringanalysemethode,

dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht,

- wenigstens ein Vergleichsmuster auszuwählen,

- dieses Muster entsprechend der gewählten Analysemethode zu präparieren, indem eine Indikatorsubstanz benutzt wird, die eine Darstellung der Oberflächenfehler ermöglicht,

- das Vergleichsmuster unter einer geeigneten und an die gewählte Indikatorsubstanz angepaßten Beleuchtung zu exponieren,

- wenigstens ein Bild des Vergleichsmusters zu erfassen,

- dieses Bild so zu verarbeiten, daß Artefakte eliminiert und die Detektierungsempfindlichkeit und das Hintergrundrauschen, die durch die gewählte Analysemethode erzeugt werden, quantitativ bestimmt werden, wobei die Detektierungsempfindlichkeit aus den Abmessungen und der mittleren Luminanz der auf dem verarbeiteten Bild sichtbar gemachten Oberflächenfehler gewonnen wird,

- Einflußparameter zu ermitteln und für jeden Einflußparameter einen Wert dieses Parameters festzulegen, der es erlaubt, die Detektierungsempfindlichkeit zu maximieren und das Hintergrundrauschen zu minimieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Bildverarbeitung zur Bestimmung der Detektierungsempfindlichkeit für jedes erfaßte Bild darin besteht,

- das Bild zu korrigieren (311, 312), um einen homogenen Hintergrund zu gewinnen, der einen Graupegel mit einem vorbestimmten Wert aufweist,

- das Bild bezüglich des Graupegels so zu filtern (313), daß diskontinuierliche Anzeigen, die einem einzigen Riß entsprechen, vereinigt werden,

- einen Schwellwert zu berechnen und das Bild mit diesem Schwellwert einer Binärumwandlung zu unterziehen (314), so daß nur solche Bildpunkt beibehalten werden, die möglicherweise einem Fehler des Werkstücks entsprechen,

- das binäre Bild zu filtern (315), um Bildpunkte zu eliminieren, die nicht zu Fehlern gehören und die nicht durch die Graupegelfilterung des Bild eliminiert wurden,

- Mehrfachanzeigen zu ermitteln (316), um nebeneinanderliegende Fehler zu detektieren, die sich vereinigt haben,

- die Anzeigen von Fehlern zu trennen (317), die sich vereinigt haben,

- einen Empfindlichkeitsindex zu extrahieren (318).

3. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Detektierungsempfindlichkeit der Analysemethode gleich dem Mittelwert der aus jedem der erfaßten Bilder extrahierten Empfindlichkeitsindizes ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Bildverarbeitung zur Bestimmung des Hintergrundrauschens für jedes erfaßte Bild darin besteht, daß eine Schwellwertbewertung (36) des Bildes mit dem kleinsten Schwellwert durchgeführt wird, der für die Bestimmung der Empfindlichkeit gewonnen wurde, bevor eine Hintergrundrauschgröße extrahiert wird (37).

5. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß das durch die Analysemethode erzeugte Hintergrundrauschen gleich dem Mittelwert der Hintergrundrauschgrößen ist, die für jedes der erfaßten Bilder gewonnen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Vergleichmuster für die Bestimmung der Detektierungsempfindlichkeit eine Musterscheibe ist, die Risse aufweist, deren Tiefe bekannt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Vergleichmuster für die Bestimmung des Hintergrundrauschens ein Werkstück ist, das aus einem mit dem Material der zu prüfenden Werkstücke identischen Material hergestellt ist und einen Oberflächenzustand besitzt, der für die zu prüfenden Werkstücke repräsentativ ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Charakterisieren, Optimieren und automatischen Prüfen einer mit Fluoreszenz arbeitenden Eindringanalysemethode, nach welcher Oberflächenfehler der zu prüfenden Werkstücke, die durch die Benutzung einer Indikatorsubstanz dargestellt werden, die eine Strahlung emittiert, welche unter einer Beleuchtung sichtbar ist, die um die Anregungswellenlänge der Indikatorsubstanz zentriert ist, mit einer Beleuchtungsvorrichtung (10), einer Aufnahmevorrichtung (12) und einer Bildverarbeitungsvorrichtung (13),

dadurch gekennzeichnet,

daß die Beleuchtungsvorrichtung (10) in Serienanordnung aufweist: eine Lichtquelle (20) für ultraviolette Strahlung, einen Monochromator (21) mit wenigstens einem Zerstreuungsgitter zur Auswahl eines um die Anregungswellenlänge der Indikatorsubstanz zentrierten Wellenlängenbandes und einen Lichtwellenleiter (23) zur Fokussierung der ultravioletten Strahlung auf einer Zone des zu prüfenden Werkstücks.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

daß sie ferner zwei Adaptierungs- und Fokussierungsvorrichtungen (22, 24) aufweist, die am Eingang bzw. am Ausgang des Monochromators angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

daß sie weiterhin ein Wärmefilter (22) aufweist, das vor dem Monochromator (21) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Monochromator ein Doppelmonochromator mit zwei Zerstreuungsgittern ist, die mechanisch gekoppelt sind und so geregelt werden, daß sie die gleiche Wellenlänge auswählen.