Освещение царапин на металлических поверхностях: тёмное поле без догадок

Почти каждая неудачная инспекция царапин начинается одинаково: устанавливается яркая кольцевая подсветка, изображение выглядит чистым и равномерно освещённым, а царапины по-прежнему невидимы. Свет не слишком слабый. Геометрия неверна, и никакой ток это не исправит.

Эта заметка — о геометрии: что тёмное поле действительно делает на металле, как задать угол вместо того, чтобы угадывать его, и где метод перестаёт работать. В ней не называются уровни обнаружения, потому что они принадлежат конкретной детали, конкретной популяции царапин и конкретному критерию приёмки, и ни один из них плохо переносится между проектами.

Почему чистое, равномерно освещённое изображение скрывает царапины

На обработанной или полированной поверхности царапина — это изменение наклона, а не изменение цвета. При высокоугольном освещении и плоская поверхность, и стенки царапины направляют свет к объективу, поэтому оба выглядят яркими, и контраст схлопывается. Чем лучше освещение — равномерное, рассеянное, без бликов —, тем полнее исчезает царапина.

Тёмное поле переворачивает геометрию. Источник размещается вне зеркального клина, который видит камера («W освещения» в стандартном изложении фронтального освещения). Плоская поверхность отражает скользящий свет в сторону от объектива и выглядит тёмной; стенки царапины, наклонённые относительно поверхности, рассеивают свет обратно в объектив и выглядят яркими. Контраст рождается из наклона, поэтому он выживает на деталях, где контрасту по яркости не с чем работать.

Практический тест на пригодность поверхности к тёмному полю прост: если на ней видно отражение лампы или окна, тёмное поле сработает. Если поверхность выглядит равномерно матовой под любым углом, то же рассеяние, на котором держится тёмное поле, уже происходит повсюду, и фон будет подниматься вместе с дефектом.

Угол: выбирать его из бюджета тени, а не из каталога

Низкоугольное освещение лежит примерно от 5° до 30° над поверхностью. Чем ниже угол, тем полнее подавляется отражение от плоской поверхности, что повышает контраст дефекта; но выступ высотой h отбрасывает тень длиной около h / tanθ, и эта тень может скрыть дефект за ним. При 10° заусенец высотой 0.5 mm отбрасывает тень длиной около 2.8 mm — на плотной детали это ширина в несколько элементов.

Значит, угол — не свободный параметр, который надо минимизировать. Его задают два конкурирующих требования: достаточно крутой, чтобы тени не поглощали соседние участки, и достаточно пологий, чтобы плоская поверхность оставалась тёмной. На практике начните с 20–30° для деталей с высокими элементами и 10–15° для плоских поверхностей с тонкими царапинами, затем проверьте, поворачивая эталонную царапину в четырёх ориентациях.

Азимут решает, видна ли царапина вообще

Царапина — это канавка с двумя стенками. Свет, приходящий перпендикулярно канавке, сильно рассеивается от обеих стенок; свет, приходящий параллельно ей, даёт в основном тень вдоль канавки и куда меньший сигнал. Поэтому одиночная линейная подсветка имеет систематическую слепую зону под 90° к своей предпочтительной ориентации, и эта слепая зона не видна на изображении — оператор просто видит «дефектов нет» на этой половине детали.

Решение — не больше мощности, а больше направлений: противоположные линейные подсветки с углом между ними 120–180° или четырёхсекторное низкоугольное кольцо. Если одно направление неизбежно, поворачивайте деталь или свет между снимками и объединяйте изображения. Стоит изготовить эталонный образец с царапинами как минимум в четырёх ориентациях, потому что набор валидации с одним направлением царапин пропустит монтаж, теряющий половину реальной популяции.

Линейные источники, кольца и предел шероховатости

Линейная подсветка — гибкий вариант: один линейный источник для известной ориентации, два противоположных — для смешанной, четыре — для всенаправленной проверки. Низкоугольные кольца компактнее и симметричнее, что подходит цилиндрическим деталям, где любая азимутальная предпочтительность будет вращаться вместе с заготовкой. Оба работают по одному принципу; выбор механический.

Предел — шероховатость поверхности. Тёмное поле зависит от того, что плоская поверхность остаётся тёмной. С ростом Ra всё большая часть поверхности рассеивает под углами, которые видит объектив, фон поднимается, контраст падает. Дробеструйные, отлитые в песчаную форму и сильно обработанные щёткой поверхности обычно плохие кандидаты; притёртые, шлифованные, точёные и полированные поверхности — хорошие. Текстурированные поверхности также дают пятнистый фон, который ломает пороговую сегментацию — в таких случаях высокоугольное рассеянное освещение с фильтрацией подавления текстуры часто стабильнее, хотя оптически оно менее элегантно.

Что измерять вместо «выглядит лучше»

Три числа делают монтаж с тёмным полем обоснованным:

• Контраст дефект-фон при фиксированной экспозиции, измеренный на известной царапине, а не на самом красивом снимке.
• Равномерность фона по всему полю, потому что яркий угол замаскирует дефекты в этом месте. Выборки из девяти точек достаточно.
• Покрытие ориентаций: одна и та же царапина при азимутах 0°, 45°, 90° и 135°, с зафиксированным минимальным контрастом.

Держите экспозицию одинаковой для всех кандидатов. Если сравнение делается при «лучшей экспозиции» для каждой геометрии, результат измеряет терпение оператора, а не освещение.

Совмещение тёмного поля с измерением

Многим ячейкам нужны и размер, и контроль поверхности. Именно здесь тёмное поле становится дорогим: телецентрический объектив отсекает большую часть рассеянного света, поэтому изображение тусклое, а увеличение экспозиции для компенсации снижает производительность. Когда измерение — главное требование, обычное решение — отдельный просвечивающий канал для силуэта и низкоугольный канал для поверхности, каждый со своим рецептом, а не один компромиссный источник. Компромиссы между просвечивающими и низкоугольными схемами для метрологии рассмотрены в материале освещение для телецентрических измерений.

Для плоского отражающего металла, где дефект — это пятно или вмятина, а не царапина, коаксиальное освещение часто лучше подходит, и логика выбора иная: в материале коаксиальное освещение для отражающего металла изложено, когда это применимо.

Оборудование, соответствующее геометрии

В линейке POMEAS эту геометрию обеспечивают низкоугольные планки и кольца. Диапазон осветителей для машинного зрения включает линейные источники для противоположного и четырёхстороннего скользящего освещения, рассеивающие кольца для поверхностей, где нужна меньшая направленность, и четырёхканальный контроллер, позволяющий балансировать каждую сторону независимо — а это важно, потому что несбалансированная четырёхсторонняя схема пропускает одну ориентацию систематически, а не случайно.

Когда деталь — точёный или шлифованный цилиндр, низкоугольное кольцо сохраняет геометрию симметричной при вращении детали, поэтому яркость не пульсирует раз за оборот. Это механическое преимущество, которое стоит больше, чем небольшой прирост пиковой отдачи.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли найти царапины обычной кольцевой подсветкой, если убавить яркость?

Нет. Яркость — это не геометрия. Приглушение высокоугольного кольца держит освещение внутри зеркального клина, поэтому плоские участки продолжают возвращать свет, и контраст остаётся низким. Источник должен выйти из этого клина — физически, а не электрически.

Насколько низким должен быть угол?

Начинайте с 20–30°, когда на детали есть высокие элементы, и с 10–15°, когда поверхность плоская, а царапины тонкие. Затем сопоставьте длину тени (примерно h / tanθ) с шагом элементов и проверьте эталонной царапиной, повёрнутой в четырёх ориентациях.

Почему на некоторых деталях светлеет всё изображение?

Потому что поверхность диффузная, а не зеркальная: шероховатость рассеивает свет во всех направлениях, в том числе в объектив. Тёмное поле не может отделить дефект от фона, который рассеивает так же; такие детали требуют иной стратегии.

Нужны четыре источника или достаточно двух?

Две противоположные линейные подсветки закрывают большинство ориентаций, но оставляют остаточную слепую зону под 90° к их оси. Четыре стороны или четырёхсекторное кольцо устраняют предпочтительность. Если известно, что популяция царапин идёт в одном направлении, одна планка плюс повёрнутая валидация — допустимый вариант.

Помогает ли телецентрический объектив при работе с тёмным полем?

Он помогает измерению, а не контрасту поверхности. Телецентрическая апертура отсекает большую часть рассеянного света, поэтому изображения в тёмном поле тусклее. Используйте телецентрическую оптику, когда важны размеры, и примите потерю света, либо разнесите две функции по отдельным каналам.

Что прислать для экспертизы освещения

Пришлите одну годную деталь и одну деталь с типичными царапинами, шероховатость поверхности (Ra или процесс обработки), поле зрения, доступное расстояние для низкоугольного источника и критерий приёмки, сформулированный словами. Фотография текущего изображения полезна, но только если указаны геометрия освещения и экспозиция — иначе она описывает симптом без его причины.