DE102004033526A1

DE102004033526A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse zumindest partiell reflektierender Oberflächen

Info

Publication number: DE102004033526A1
Application number: DE200410033526
Authority: DE
Inventors: Christoph Stiller; Sören Kammel; Jan Horbach
Original assignee: Institut fuer Mess und Regelungstechnik MRT KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-02-02

Abstract

Um auf dem technischen Gebiet des Analysierens und/oder des Vermessens, insbesondere des Inspizierens und/oder des Prüfens, mindestens einer zumindest partiell reflektierenden, insbesondere glänzenden und/oder spiegelnden, Oberfläche (202) mindestens eines Objekts (200) ein Verfahren sowie eine Vorrichtung (100; 100'; 100'') so weiterzuentwickeln, dass unter Einsatz der Methodik der Deflektometrie Probleme aus dem Stand der Technik überwunden werden, wird vorgeschlagen, dass die relative Orientierung und/oder die relative Position DOLLAR A - des Objekts (200), DOLLAR A - mindestens einer zum Generieren mindestens eines im sichtbaren und/oder nichtsichtbaren Bereich elektromagnetischer Strahlung liegenden, insbesondere örtlichen Musters vorgesehenen Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung (10), insbesondere mindestens eines Mustergenerators, und/oder DOLLAR A - mindestens einer zum Aufnehmen jeweils mindestens eines an der Oberfläche (202) reflektierten Bilds des Musters vorgesehenen Aufnahmeeinrichtung (20), insbesondere mindestens eines optischen Sensors, DOLLAR A zueinander verändert werden, um Informationen über die Oberfläche (202), insbesondere über die Geometrie der Oberfläche (202), zu erhalten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Analysierens und/oder des Vermessens, insbesondere des Inspizierens und/oder des Prüfens, von zumindest teilweise reflektierenden, insbesondere glänzenden und/oder spiegelnden, Oberflächen.

Generell gilt, dass die Untersuchung von Oberflächen, die ein partiell oder vollständig spiegelndes Verhalten aufweisen, eine häufige Aufgabe von Systemen zur automatisierten Sichtprüfung darstellt. Beispiele hierfür sind Formwerkzeuge, Karosserieteile, Linsen, lackierte Oberflächen, Parfümflakons, Presswerkzeuge, spanend bearbeitete Teile und Spiegel.

Ein bekanntes Verfahren zur Untersuchung von zumindest teilweise reflektierenden Oberflächen ist hierbei die Deflektometrie. Hierbei wird ein örtliches Muster elektromagnetischer Strahlung am zu vermessenden Objekt reflektiert. Das reflektierte Bild wird mit einem optischen Sensor ausgewertet.

In der Druckschrift DE 196 43 018 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein aus mindestens zwei verschiedenen Lichtintensitäten bestehendes Muster an einer zu untersuchenden Oberfläche reflektiert wird. Mindestens eine Kamera beobachtet den Bereich, in dem das Muster reflektiert wird. Die Auswertung erfolgt durch Bestimmung der Abweichung zwischen dem direkten und dem reflektierten Bild des Musters.

Aus der Druckschrift DE 199 44 354 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei dem ein sinusförmiges Muster auf ein spiegelndes oder transparentes Objekt abgebildet wird. Das durch das Objekt deformierte Muster wird auf seine lokale Phase hin untersucht.

In der Druckschrift DE 101 10 994 A1 ist eine Vorrichtung zur Untersuchung von Objekten beschrieben, bei der über dem zu untersuchenden Objekt parallel Leuchtstoffröhren angeordnet sind, die ein Hell-Dunkel-Muster in der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts erzeugen. Parallel zu den Leuchtstoffröhren angeordnete Kameras detektieren das durch die Oberfläche deformierte Hell-Dunkel-Muster.

Aus der Druckschrift DE 101 27 304 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei denen ein an der zu untersuchenden Oberfläche reflektiertes Raster auf seine Deformation durch die Reflexion hin untersucht wird, um auf die dreidimensionale Form der Oberfläche zu schließen.

Bei allen vorstehend aufgeführten Vorrichtungen und Verfahren aus dem Stand der Technik werden die Bilder, auch wenn sie aus verschiedenen Blickrichtungen aufgenommen werden, jeweils für eine einzige bestimmte Blickrichtung getrennt ausgewertet; es wird also keine Verknüpfung der Bilder aus verschiedenen Blickrichtungen durchgeführt.

Bei der Deflektometrie können lediglich Gradienten der Oberfläche bestimmt werden. Zur Berechnung der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche müssen die Gradientendaten integriert werden, was eine große Fehlerquelle darstellt. Triangulatorische Methoden können zwar dreidimensionale Daten direkt bestimmen, weisen aber prinzipbedingt eine größere Ungenauigkeit als deflektometrische Methoden auf.

Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile

Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anordnung bzw. Vorrichtung zum Analysieren und/oder zum Vermessen, insbesondere zum Inspizieren und/oder zum Prüfen, von zumindest teilweise reflektierenden, insbesondere glänzenden und/oder spiegelnden, Oberflächen so weiterzuentwickeln, dass unter Einsatz der Methodik der Deflektometrie die vorstehend dargelegten Probleme überwunden werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie durch eine Anordnung bzw. Vorrichtung mit den im Anspruch 12 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mithin liegt der Kern der vorliegenden Erfindung in einer neuartigen deflektometrischen Oberflächen- und Formuntersuchung unter Ausnutzung der Bewegung von Komponenten der Anordnung bzw. Vorrichtung, das heißt es wird die von der Oberfläche reflektierte Bildfolge des Musters bei Änderung der Position und/oder der Orientierung mindestens eines optischen Sensors relativ zum zu untersuchenden Objekt unter Verwendung mindestens einer Auswerte-/Steuereinheit genutzt.

Hierbei können durch Verändern der Position und/oder der Drehlage der einzelnen Komponenten der Anordnung Informationen, insbesondere geometrische Informationen, über die zu untersuchende Oberfläche gewonnen werden, wobei die Methode der Deflektometrie Verwendung findet.

In diesem Zusammenhang handelt es sich bei einer "Oberfläche" im Sinne der vorliegenden Erfindung im Regelfall

– um eine glatte Oberfläche mindestens eines Gegenstands, insbesondere mindestens eines Prüflings, oder
– um eine strukturierte Oberfläche zum Beispiel mindestens eines Gegenstands, insbesondere mindestens eines Prüflings.

Unabhängig davon, ob bei diesen Oberflächen eine vollständig spiegelnde Reflektanz oder nur eine teilweise spiegelnde Reflektanz vorliegt, wird durch die vorliegende Erfindung ein geeignetes Verfahren für die Prüfung beider Arten von Oberflächen, das heißt für die Prüfung strukturierter Oberflächen und für die Prüfung glatter Oberflächen, bereitgestellt:
Erfindungsgemäß wird die Position und/oder die Orientierung mindestens einer Komponente der Anordnung oder Vorrichtung gezielt geändert, so dass eine Veränderung der Bilddaten aktiv genutzt werden kann; dementsprechend kann die vorliegende Erfindung auch mit der Bezeichnung "aktive Deflektometrie" (englisch: "active deflectometry") belegt werden.

Hierzu werden im Rahmen der Deflektometrie unterschiedliche und/oder zeitlich veränderliche Muster an einer zumindest partiell reflektierenden, insbesondere glänzenden und/oder spiegelnden, Oberfläche reflektiert. Über ein oder mehrere Bilder mindestens eines in der Oberfläche reflektierten Musters können Aussagen insbesondere über die Geometrie der Oberfläche gemacht werden, an der das Muster oder die Muster reflektiert wurde(n).

Die Anordnung oder Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist als Komponenten

– mindestens eine Mustererzeugungseinheit zum Erzeugen des Musters, zum Beispiel mittels mindestens einer L[ight]E[mitting]D[iode],
– das zu untersuchende Objekt, das heißt das Objekt mit der zu untersuchenden Oberfläche sowie
– mindestens einen optischen Sensor

auf.

Auf diese Weise kann der Einfluss der Veränderung der Position und/oder der Drehlage mindestens einer dieser Komponenten der Anordnung oder Vorrichtung auf das im optischen Sensor detektierte Bild des in der Oberfläche reflektierten Musters in das Messverfahren einbezogen werden.

Insbesondere

– bei Kenntnis der relativen Positionen und/oder der relativen Drehlagen der Komponenten der Anordnung oder Vorrichtung sowie
– bei Kenntnis der ausgeführten Änderung(en) der Positionen und/oder der Drehlagen mindestens einer der Komponenten der Anordnung oder Vorrichtung

kann aus der Veränderung mindestens eines der reflektierten Muster auf die geometrische Eigenschaften der Oberfläche, insbesondere auf deren dreidimensionale Koordinaten, geschlossen werden.

Gemäß einer besonders erfinderischen Weiterbildung können durch mathematisches Verknüpfen der Bildinformation verschiedener, insbesondere aus verschiedenen Blickwinkeln und/oder aus verschiedenen Positionen aufgenommener Bilder, die den Bildpunkten als Skalar oder als Vektor zugeordnet sind, zusätzliche Informationen über die Oberfläche, insbesondere über deren dreidimensionalen räumlichen Verlauf, gewonnen werden.

Durch die Auswertung der Bildinformationen, insbesondere von vorherigen Messungen am selben Objekt, können bisher nicht untersuchte Bereiche erkannt werden und gezielt weitere Messungen initiiert werden, um diese Bereiche zu untersuchen.

Alternativ oder in Ergänzung hierzu können durch die Auswertung der Bildinformation in vorteilhafter Weise Aussagen über die Güte der Messung in mindestens einem bestimmten Bereich der zu untersuchenden Oberfläche gemacht werden und gezielt weitere Messungen initiiert werden, um die Messgenauigkeit zumindest in diesem Bereich zu erhöhen.

Hierzu kann in bevorzugter Weise mindestens eine Auswerte-/Steuereinheit vorgesehen sein, mittels derer mindestens ein Aktor derart steuerbar und/oder regelbar ist, dass die relative Orientierung und/oder die relative Position des Objekts, der Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung und/oder der Aufnahmeeinrichtung zueinander verändert werden können.

Mittels weiterer Messverfahren kann die Auswerte-/Steuereinheit in zweckmäßiger Ausgestaltung Informationen über die relative Orientierung und/oder die relative Position des Objekts, der Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung und/oder der Aufnahmeeinrichtung zueinander erhalten.

In der Folge kann dann die Auswerte-/Steuereinheit

– aus den von der Aufnahmeeinrichtung mittels der erfassten Bilder gewonnenen Bildinformationen und/oder
– aus den weiteren Informationen

geeignete Stellsignale für den Aktor ermitteln.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht bei der Messung die Möglichkeit, das durch die Oberfläche zu reflektierende Muster zeitlich zu verändern. Hierdurch kann in zweckmäßiger Weise eine Zuordnung oder Zuweisung zwischen einem Bildpunkt des optischen Sensors und einer Koordinate im unverzerrten Muster des betrachteten reflektierten Musters mittels örtlicher Kodierung und/oder mittels zeitlicher Kodierung bestimmt werden.

Insbesondere können das Objekt und/oder der optische Sensor in Bewegung sein, während diese Zuordnung oder Zuweisung erfolgt. Bei bekannter Geschwindigkeit und bei bekannter Richtung der Bewegung können diese Informationen in die Bestimmung der Zuordnung bzw. Zuweisung eingehen.

Die Verfahrensweise oder Methodik gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich wie folgt beschreiben:
Zunächst wird mittels mindestens einer Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung, insbesondere mittels mindestens eines Mustergenerators, mindestens ein Muster in der Umgebung der zu analysierenden Oberfläche, zum Beispiel auf mindestens einem Schirm, erzeugt; alternativ oder in Ergänzung hierzu kann auch mindestens ein bereits bestehendes Muster verwendet werden.

Mindestens eine optische Aufnahme- oder Sensoreinrichtung, insbesondere mindestens eine Kamera, dient nun dazu, Bilder des Musters aufzunehmen, wobei die optische Aufnahme- oder Sensoreinrichtung zur zu analysierenden bzw. zu überprüfenden, insbesondere zu inspizierenden bzw. zu untersuchenden, Oberfläche ausgerichtet ist und das Spiegelbild des Musters an der Oberfläche aufgenommen wird.

Erfindungsgemäß wird bzw. werden das Muster und/oder das Objekt und/oder die optische Aufnahme- oder Sensoreinrichtung nun rotatorisch und/oder translatorisch bewegt, das heißt in ihrer räumlichen Position verändert, und zu unterschiedlichen Zeitpunkten werden an der Oberfläche gespiegelte Bilder des Musters deflektometrisch aufgenommen; in diesem Zusammenhang kann ein Satz von Bildern unterschiedlicher Muster, die mit der Aufnahme- oder Sensoreinrichtung aufgenommen werden, als "Bildserie" bezeichnet werden.

Die im Rahmen des vorliegenden Verfahrens sowie bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangenden Sensoren können virtuell in dem Sinne sein, dass die Verwendung einer einzigen Aufnahmeeinrichtung, insbesondere einer einzigen Kamera, genügen kann, um sämtliche Bilder mit unterschiedlichen Beleuchtungsmustern aufzuzeichnen.

Die aufgenommenen unterschiedlichen Bilder werden direkt oder nach einer Bildvorverarbeitung insbesondere mathematisch, zum Beispiel mithilfe mindestens eines Digitalrechners, zu mindestens einem neuen Bild verknüpft, so dass im entstehenden Ergebnisbild defektbehaftete und defektfreie Bereiche visuell oder rechnerisch unterschieden werden können.

Bei mathematischer Verknüpfung der Bilder erfolgt dieses Verknüpfen zumindest punktweise, das heißt die Intensitätswerte des Ergebnisbilds ergeben sich aus einer Verknüpfung der Intensitätswerte der unterschiedlichen Bilder der Bildserie zumindest für denselben Punkt der Oberfläche.

Bei Bedarf erfolgt eine Weiterverarbeitung des Ergebnisbilds, etwa um eine Klassifikation der ermittelten Defekte, wie etwa der ermittelten Beulen, Blasen, Dellen, Einschlüsse, Kratzer, Orangenhaut, nachzubearbeitenden Stellen, Welligkeiten oder dergleichen, durchzuführen.

Fallstudien belegen, dass eine zuverlässige und trotzdem kostengünstige, mithin den Bedürfnissen der Industrie gerecht werdende Analyse und/oder Vermessung, insbesondere Inspektion und/oder Prüfung, von zumindest partiell reflektierenden, insbesondere von glänzenden und/oder spiegelnden, Oberflächen erzielt wird.

Mithin weisen sowohl das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung als auch die Anordnung oder Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Reihe von Vorteilen auf, die nachstehend dargelegt werden:
Die Änderung der Drehlage und/oder der Orientierung und/oder der Position von mindestens einer Komponente der Anordnung oder Vorrichtung und die resultierende Verknüpfung der Bilder aus verschiedenen Blickrichtungen ermöglichen eine Gewinnung von hilfreichen zusätzlichen Informationen (oder "Beobachtungen" im messtechnischen Sinne) über die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts.

Diese zusätzlichen Informationen blieben in der Deflektometrie konventionellerweise, das heißt bei einer Vorgehensweise gemäß dem Stand der Technik ungenutzt, so dass die deflektometrische Oberflächen- und Formuntersuchung unter Ausnutzung der Bewegung von Komponenten der Anordnung bzw. Vorrichtung eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich effektivere Lösung darstellt.

Wenn nun das zu untersuchende Objekt an der Anordnung oder Vorrichtung vorbei oder durch die Anordnung oder Vorrichtung hindurch bewegt wird, kann die Untersuchung des Objekts erfolgen, ohne dass eine Änderung der Position und/oder der Drehlage von mindestens einem Mustergenerator und/oder vom zu reflektierenden Muster und/oder von mindestens einem optischen Sensor erforderlich ist.

Ohne den Arbeitsablauf in einer Fertigungsstraße zu unterbrechen, kann auf diese Weise eine Untersuchung erfolgen, bei der mit Ausnahme des zu untersuchenden Objekts alle Komponenten der Anordnung oder Vorrichtung unbewegt bleiben können.

Bei Objekten, die mit einer einzelnen Konfiguration mindestens eines Mustergenerators und mindestens eines optischen Sensors nicht in hinreichendem Maße untersucht werden können, kann eine Bewegung von mindestens einem Mustergenerator und/oder des Objekts und/oder von mindestens einem optischen Sensor den hinreichend untersuchbaren Bereich des Objekts derart erweitern, dass die gesamte Oberfläche oder der interessierende Bereich der Oberfläche abgedeckt ist.

Gleichzeitig mit der Abdeckung der gesamten oder interessierenden Oberfläche des Objekts kann bei der Bewegung in vorteilhafter Weise der Blickwinkel mindestens eines optischen Sensors auf die Oberfläche gezielt variiert werden, um Informationen über die zu untersuchende Oberfläche zu gewinnen; insbesondere lassen sich hierdurch große Oberflächen vollständig mit einer einzigen Messanordnung vermessen, die zu jedem Zeitpunkt nur einen Teil der Oberfläche vermisst.

Bei Verwendung von bekannten Mustern und von bekannten Objekten sowie bei bekannter Anordnung mindestens eines Mustergenerators und mindestens eines optischen Sensors ist eine Kalibrierung der vorliegenden Anordnung bzw. Vorrichtung sowie des vorliegenden Verfahrens möglich.

Die Kalibrierung kann auch ohne zu vermessendes Objekt erfolgen, indem mindestens ein optischer Sensor direkt oder über mindestens einen Spiegel, dessen Geometrie zumindest näherungsweise bekannt ist, auf mindestens einen Mustergenerator gerichtet wird und diesen Mustergenerator beobachtet.

Insbesondere durch die Bewegung mindestens eines Mustergenerators und/oder eines bekannten Messobjekts und/oder mindestens eines optischen Sensors und/oder mindestens eines Spiegels, dessen Geometrie bekannt ist, können Informationen für die Kalibrierung gewonnen werden. Die Kalibrierdaten lassen sich aus der Gesamtheit aller Beobachtungen mit bekannten Methoden, wie beispielsweise mit der Methode der Bündelausgleichung, bestimmen.

Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung eines Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens einer Anordnung oder Vorrichtung gemäß der vorstehend dargelegten Art zum Detektieren und/oder zum Ermitteln von Defekten, wie etwa von Beulen, von Blasen, von Dellen, von Einschlüssen, von Kratzern, von Orangenhaut, von nachzubearbeitenden Stellen, von Welligkeiten oder von dergleichen, zum Beispiel auf der Oberfläche eines sich im Bau befindlichen Kraftfahrzeugs.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die den Ansprüchen 1 und 12 nachgeordneten Ansprüche verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand dreier durch die 1A bis 3B veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
1A in schematischer Aufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel für eine prinzipielle Anordnung oder Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet und bei der das Messobjekt durch einen Aufbau von Mustergeneratoren und von optischen Sensoren bewegt wird;
1B in schematischer Seitenansicht die Anordnung oder Vorrichtung aus 1A;
2 in schematischer Seitenansicht ein zweites Ausführungsbeispiel für eine prinzipielle Anordnung oder Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
3A in schematischer Aufsicht ein drittes Ausführungsbeispiel für eine prinzipielle Anordnung oder Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet; und
3B in schematischer Seitenansicht die Anordnung oder Vorrichtung aus 3A.
Gleiche oder ähnliche Ausgestaltungen, Elemente oder Merkmale sind in den 1A bis 3B mit identischen Bezugszeichen versehen.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Grundsätzlich beruht die vorliegende Erfindung auf einer deflektometrischen Untersuchung der Oberfläche 202 und damit der Form eines oder mehrerer Objekte 200 unter Ausnutzung der Bewegung von Komponenten der Anordnung oder Vorrichtung 100 (= erstes Ausführungsbeispiel gemäß den 1A und 1B) bzw. 100' (= zweites Ausführungsbeispiel gemäß 2) bzw. 100'' (= drittes Ausführungsbeispiel gemäß den 3A und 3B). Mithin ist die Anordnung oder Vorrichtung 100 bzw. 100' bzw. 100'' für die Abbildung glatter Oberflächen 202 ausgelegt.
Für eines der bevorzugten Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung, nämlich für die Untersuchung von Werkstücken 200 in einer Fertigungsstraße, zum Beispiel die Prüfung von Karosserieteilen, etwa von lackierten Autotüren, bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen, bietet es sich an, das zu untersuchende Objekt 200 mittels einer Translationsbewegung T₂₀₀ an der Messanordnung 100 vorbeizubewegen (vgl. 1A und 1B); hierdurch wird der Produktionsablauf nach Möglichkeit nicht unterbrochen.
Das Objekt 200 wird mit insbesondere bekannter Geschwindigkeit durch die Anordnung bzw. Vorrichtung 100 hindurch bewegt, wobei diese Anordnung bzw. Vorrichtung 100 vier symmetrisch zueinander angeordnete, zum Erzeugen sowie zum Bereitstellen eines Musters in der Umgebung der Oberfläche 202 bestimmte Mustergeneratoren 10 sowie vier symmetrisch zueinander angeordnete optische Sensoren 20 aufweist.
Unter Ausnutzung insbesondere der Änderung des reflektierten Musters durch die Bewegung des Objekts 200 werden Informationen über das Objekt 200 gewonnen, insbesondere über dessen dreidimensionale Gestalt. Hierzu werden die aus verschiedenen Blickrichtungen aufgenommenen Bilder nicht getrennt ausgewertet; vielmehr wird eine Verknüpfung der Bilder aus verschiedenen Blickrichtungen durchgeführt.
Zu diesem Zwecke wird die Bildfolge der Reflexion des Musters auf dem Objekt 200 in einer Auswerte-/Steuereinheit 40 analysiert, die

– mit den jeweils vorhandenen Mustergeneratoren 10,
– mit den jeweils vorhandenen optischen Sensoren 20 sowie
– mit einem jeweils zum Anzeigen der verarbeiteten Bilder vorhandenen Bildschirm oder Display 50

Wird der Strahlengang eines einzelnen Punkts des Musters betrachtet, so lässt sich der Einfallswinkel in die Kamera 20 (und damit die Bildkoordinate) bei bekannter Position und bei bekannter Orientierung sowohl des Mustergenerators 10 als auch der Kamera 20 mit aus der Literatur bekannten Verfahren als Funktion der Entfernung und der Orientierung der Oberfläche 202 des Objekts 200 zur Kamera 20 formulieren.
In umgekehrter Weise erlaubt die Kenntnis der Bildkoordinaten der Abbildung eines bestimmten Punkts des Musters selbst bei bekannter Messanordnung 100 nicht die eindeutige Rekonstruktion der Entfernung sowie der Orientierung der Oberfläche 202 des Objekts 200. Dies wird – anschaulich gesprochen – dadurch verursacht, dass durch diese Beobachtungen mehr Unbekannte als Gleichungen entstehen.
Wird nun die Anzahl der Aufnahmen etwa

– durch Rotationsbewegung R₂₀ der Kamera 20 und/oder durch Translationsbewegung T₂₀ der Kamera 20 (vgl. zweites Ausführungsbeispiel gemäß 2, in der die Anordnung 100' von Mustergenerator 10 und Messobjekt 200 vor und nach Änderung R₂₀ und/oder T₂₀ der Position des optischen Sensors 20 illustriert ist) und/oder
– durch Rotationsbewegung R₂₀ sowie durch Translationsbewegung T₂₀ (vgl. drittes Ausführungsbeispiel gemäß 3A und 3B, in der die Messanordnung 100'' mit dem Mustergenerator 10 und mehreren optischen Sensoren 20 an einer Roboterhand 30 befestigt ist)

202

Werden nun pro Aufnahme nur sechs zusätzliche Unbekannte, nämlich drei Translationsparameter und drei Rotationsparameter, jedoch pro Punkt auf der Oberfläche 202 eine zusätzliche Gleichung erhalten, so ergibt sich bei einer hinreichenden Menge und bei durch geeignete Bewegungen gewonnenen Aufnahmen ein sogar überbestimmtes Gleichungssystem, das mit Standardmethoden, wie etwa mit der Bündelausgleichung, die Berechnung der gewünschten Größen, nämlich der Entfernung und der Orientierung jedes Oberflächenpunkts, und der weiteren Unbekannten, wie etwa der Position und/oder der Orientierung, erlaubt.
Als weiterer Vorteil erlaubt die Bestimmung der Position und der Orientierung der Messkomponenten relativ zum Objekt 200 die stückweise Vermessung auch großer Objekte 200 und die inhärente Zusammensetzung der einzelnen vermessenen Bereiche zu einer ganzheitlichen Beschreibung des Gesamtobjekts.
Beim dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein zumindest einachsiger Roboterarm 30 vorgesehen, an dem zwei optische Sensoren 20 symmetrisch zum Roboterarm 30 befestigt sind. Der Mustergenerator 10 kann entweder fest installiert sein und/oder ebenfalls an mindestens einem zumindest einachsigen Roboterarm befestigt sein. Dieser Roboterarm ist insbesondere mit dem zumindest einachsigen Roboterarm 30 identisch, an dem die optischen Sensoren 20 befestigt sind, so wie dies in den 3A und 3B dargestellt ist.
Mittels dieser Anordnung bzw. Vorrichtung 100'' ist die Untersuchung des Objekts 200 von mehreren Seiten aus möglich. Durch die Verwendung der Informationen, die vom Roboterarm 30 über dessen räumliche Lage ermittelt werden, ist insbesondere eine genaue Bestimmung der Position und/oder des Blickwinkels des Mustergenerators 10 und/oder der optischen Sensoren 20 möglich.
Grundsätzlich können die Orientierungen sowie die Positionen der Muster und der Kamera(s) 20 aus der Bildfolge bestimmt werden. Durch Nutzung einer Approximation dieser Größen aus externer Sensorik des Roboters lässt sich die vorgenannte Berechnung jedoch in erheblicher Weise vereinfachen und stabilisieren.
Im dritten Ausführungsbeispiel gemäß den 3A und 3B steuert die Auswerte-/Steuereinheit 40 zusätzlich

– die rotatorischen Bewegungen R₁₀ des Mustergenerators 10 und
– die rotatorischen Bewegungen R₂₀ sowie die translatorischen Bewegungen T₂₀ der Kameras 20.

Schließlich werden der Auswerte-/Steuereinheit 40 Solldaten einschließlich Toleranzen des zu vermessenden Objekts 200 zur Verfügung gestellt. Die Auswerte-/Steuereinheit 40 kann dann die gemessene Gestalt und die Reflexionseigenschaften der Oberfläche 202 des Objekts 200 mit den Solldaten vergleichen und Toleranzüberschreitungen signalisieren.
Das erste Ausführungsbeispiel gemäß den 1A und 1B, das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 und das dritte Ausführungsbeispiel gemäß den 3A und 3B können bei Bedarf auch kombiniert werden, so dass sowohl die Bewegung des zu untersuchenden Objekts 200 (vgl. erstes Ausführungsbeispiel gemäß den 1A und 1B) als auch die Bewegung mindestens eines optischen Sensors 20 (vgl. zweites Ausführungsbeispiel gemäß 2) und/oder die Bewegung mindestens eines Mustergenerators 10 (vgl. drittes Ausführungsbeispiel gemäß den 3A und 3B) möglich ist.
Zusammenfassend ist im Hinblick auf die drei vorstehenden Ausführungsbeispiele festzustellen, dass mit dem vorbeschriebenen Verfahren nicht nur Blasen, Einschlüsse oder Kratzer in zuverlässiger Weise detektiert, sondern mit derselben Anordnung 100 bzw. 100' bzw. 100'' auch Beulen oder Dellen erfasst werden können, indem einfach die Fokusebene der verwendeten Kamera(s) 20 verschoben wird.
In erfindungswesentlicher Weise kann der Anwendungsbereich der vorbeschriebenen Verfahren ohne weiteres auf diffus reflektierende Oberflächen, wie zum Beispiele auf unlackierte Autokarosserieteile, erweitert werden, indem Licht einer größeren Wellenlänge verwendet wird und die sich ergebenden Bilder mit einer Infrarotkamera aufgezeichnet werden.
Insgesamt ist zu konstatieren, dass sich das anhand dreier Ausführungsbeispiele erläuterte, sich der Vorrichtung 100 (= erstes Ausführungsbeispiel) bzw. 100' (= zweites Ausführungsbeispiel) bzw. 100'' (= drittes Ausführungsbeispiel) bedienende Verfahren als äußerst zuverlässig erweist.
Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung bei Systemen zur automatisierten Sichtprüfung, zum Beispiel von Formwerkzeugen, von Karosserieteilen, von Linsen, von lackierten Oberflächen, von Parfümflakons, von Presswerkzeugen, von spanend bearbeiteten Teilen und natürlich von Spiegeln eingesetzt werden.

100: Anordnung oder Vorrichtung
: (erstes Ausführungsbeispiel; vgl. 1A und 1B)
100': Anordnung oder Vorrichtung
: (zweites Ausführungsbeispiel; vgl. 2)
100'': Anordnung oder Vorrichtung
: (drittes Ausführungsbeispiel; vgl. 3A und 3B)
10: Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung,
: insbesondere Mustergenerator,
: im speziellen Videoprojektor oder Bilderzeugungssystem
20: Aufnahmeeinrichtung, insbesondere optischer Sensor,
: im speziellen Kamera und/oder Mikroskop
30: Roboterarm oder Roboterhand
40: Auswerte-/Steuereinheit
50: Bildschirm oder Display
200: Objekt, insbesondere Messstück
202: Oberfläche des Objekts 200
R₁₀: rotatorische Bewegung oder Rotation(sbewegung)
: der Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung 10
R₂₀: rotatorische Bewegung oder Rotation(sbewegung)
: der Aufnahmeeinrichtung 20
R₂₀₀: rotatorische Bewegung oder Rotation(sbewegung) des Objekts 200
T₁₀: translatorische Bewegung oder Translation(sbewegung) der
: Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung 10
T₂₀: translatorische Bewegung oder Translation(sbewegung) der
: Aufnahmeeinrichtung 20
T₂₀₀: translatorische Bewegung oder Translation(sbewegung) des
: Objekts 200

Claims

Verfahren zum Analysieren und/oder zum Vermessen, insbesondere zum Inspizieren und/oder zum Prüfen, mindestens einer zumindest partiell reflektierenden, insbesondere glänzenden und/oder spiegelnden, Oberfläche (202) mindestens eines Objekts (200), dadurch gekennzeichnet, dass die relative Orientierung und/oder die relative Position – des Objekts (200), – mindestens einer zum Generieren mindestens eines im sichtbaren und/oder nichtsichtbaren Bereich elektromagnetischer Strahlung liegenden, insbesondere örtlichen Musters vorgesehenen Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung (10), insbesondere mindestens eines Mustergenerators, und/oder – mindestens einer zum Aufnehmen jeweils mindestens eines an der Oberfläche (202) reflektierten Bilds des Musters vorgesehenen Aufnahmeeinrichtung (20), insbesondere mindestens eines optischen Sensors, zueinander verändert werden, um Informationen über die Oberfläche (202), insbesondere über die Geometrie der Oberfläche (202), zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung und/oder die Position der Aufnahmeeinrichtung (20) gegenüber dem Objekt (200) verändert werden, indem das Objekt (200) gegenüber der Aufnahmeeinrichtung (20) bewegt (R₂₀₀, T₂₀₀) wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung und/oder die Position der Aufnahmeeinrichtung (20) gegenüber dem Objekt (200) verändert werden, indem die Aufnahmeeinrichtung (20) gegenüber dem Objekt (200) bewegt (R₂₀, T₂₀) wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Orientierung und/oder die relative Position der Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung (10), der Aufnahmeeinrichtung (20) und des Objekts (200) zueinander, insbesondere gezielt, eingestellt werden.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Abbildungsparameter der Aufnahmeeinrichtung (20) zum Zwecke der Gewinnung von Bildinformationen zeitlich verändert werden.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster in periodischer Form, insbesondere in Form sinusförmiger Intensitätsmuster oder in Form binärer Streifenmuster, erzeugt werden oder existieren.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das an der Oberfläche (202) reflektierte Bild des Musters mittels der zur Oberfläche (202) ausgerichteten Aufnahmeeinrichtung (20) aufgenommen wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von mindestens einer Position der Aufnahmeeinrichtung (20) im Raum aus deflektometrisch aufgenommen und/oder vermessen wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere der diffus reflektierte Anteil des Musters für eine insbesondere triangulatorische Auswertung herangezogen wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100; 100'; 100''), insbesondere der Messaufbau, mittels mindestens eines bekannten Musters kalibriert wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen des vermessenen Objekts (200) mit vorgegebenen Sollwerten, insbesondere – mit Daten mindestens eines Referenzobjekts, – mit Daten einer C[omputer]A[ided]D[esign]-Zeichnung und/oder – mit Toleranzendaten, verglichen werden, um Abweichungen des Objekts (200) von seinem Sollzustand zu ermitteln und um eine Korrektur der ermittelten Abweichungen des Objekts (200) von seinem Sollzustand einzuleiten.
Vorrichtung (100; 100'; 100'') zum Analysieren und/oder zum Vermessen, insbesondere zum Inspizieren und/oder zum Prüfen, mindestens einer zumindest partiell reflektierenden, insbesondere glänzenden und/oder spiegelnden, Oberfläche (202) mindestens eines Objekts (200), aufweisend – mindestens eine zum Generieren mindestens eines im sichtbaren und/oder nichtsichtbaren Bereich elektromagnetischer Strahlung liegenden, insbesondere örtlichen Musters vorgesehene Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung (10), insbesondere mindestens einen Mustergenerator, und – mindestens eine Aufnahmeeinrichtung (20), insbesondere mindestens einen optischen Sensor, zum Aufnehmen jeweils mindestens eines an der Oberfläche (202) reflektierten Bilds des Musters, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Orientierung und/oder die relative Position des Objekts (200), der Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung (10) und/oder der Aufnahmeeinrichtung (20) zueinander variierbar sind, um Informationen über die Oberfläche (202), insbesondere über die Geometrie der Oberfläche (202), zu erhalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, gekennzeichnet durch zwei oder mehr Aufnahmeeinrichtungen (20), deren Orientierung und/oder deren Position zueinander und/oder zum Objekt (200) insbesondere gezielt einstellbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Orientierung und/oder die relative Position der Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung (10), der Aufnahmeeinrichtung (20) und des Objekts (200) zueinander, insbesondere gezielt, einstellbar sind.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch mindestens einen zumindest einachsigen Roboterarm (30), mittels dessen Bewegung die angesteuerte Orientierung und/oder die angesteuerte Position der Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung (10), der Aufnahmeeinrichtung (20) und des Objekts (200) zueinander zumindest näherungsweise definierbar ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch mindestens ein Fließband, mittels dessen das Objekt (200) bewegbar (T₂₀₀) ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch mindestens eine Unterlage, auf der das Objekt (200) drehbar und/oder kippbar und/oder verschiebbar gelagert ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch mindestens eine Auswerte-/Steuereinheit (40), mittels derer mindestens ein Aktor derart steuerbar und/oder regelbar ist, dass die relative Orientierung und/oder die relative Position des Objekts (200), der Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung (10) und/oder der Aufnahmeeinrichtung (20) zueinander verändert werden können.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte-/Steuereinheit (40) mittels weiterer Messverfahren, insbesondere der Bildanalyse, der Aufnahmeeinrichtung (20) Informationen über die relative Orientierung und/oder die relative Position des Objekts (200), der Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung (10) und/oder der Aufnahmeeinrichtung (20) zueinander erhält.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte-/Steuereinheit (40) – aus den von der Aufnahmeeinrichtung (20) mittels der erfassten Bilder gewonnenen Bildinformationen und/oder – aus weiteren Informationen geeignete Stellsignale für den Aktor ermittelt.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mustererzeugungs-/- bereitstellungseinrichtung (10) zum Erzeugen des Musters – mindestens eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer L[ight]E[mitting]D[iode] oder – mindestens ein Heizelement, insbesondere mindestens einen Quarzstrahler, oder – mindestens eine Kathodenstrahlröhre oder – mindestens eine flüssigkeitsdurchflossene Leitung oder – mindestens ein Polymerdisplay oder – mindestens einen Videoprojektor, zum Beispiel mindestens einen L[iquid]C[rystal]D[isplay]-basierten Projektor oder mindestens einen D[igital]M[icromirror]D[evice]-basierten Projektor, oder – mindestens eine mechanisch bewegte, insbesondere beheizte, Fläche mit insbesondere örtlich variierendem Abstrahlverhalten für elektromagnetische Strahlung aufweist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung (10) so ausgelegt ist, dass das Muster eine elektromagnetische Strahlung ausstrahlt, deren Wellenlänge größer als die Wellenlänge von sichtbarem Licht ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mustererzeugungs-/-bereitstellungseinrichtung (10) von der Auswerte-/Steuereinheit (40) aus steuerbar ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (20) im nichtsichtbaren Bereich, insbesondere im thermischen I[nfra]R[ot]-Bereich, empfindlich für elektromagnetische Strahlung ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 24, gekennzeichnet durch mindestens einen Bildschirm oder durch mindestens ein Display (50) zum Anzeigen der verarbeiteten Bilder.
Vorrichtung gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ausgang der Auswerte-/Steuereinheit (40) mit mindestens einem Eingang des Bildschirms oder des Displays (50) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass – sowohl die mindestens eine Aufnahmeeinrichtung (20) – als auch der mindestens eine Bildschirm oder das mindestens eine Display (50) fest zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ausgang der Aufnahmeeinrichtung (20) mit mindestens einem Eingang der Auswerte-/Steuereinheit (40) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte-/Steuereinheit (40) – Bestandteil der Aufnahmeeinrichtung (20) ist und/oder – in die Aufnahmeeinrichtung (20) integriert ist.
Verwendung eines Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder mindestens einer Vorrichtung (100; 100'; 100'') gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 29 zum Detektieren und/oder zum Ermitteln von Defekten, wie etwa von Beulen, von Blasen, von Dellen, von Einschlüssen, von Kratzern, von Orangenhaut, von nachzubearbeitenden Stellen, von Welligkeiten oder von dergleichen, zum Beispiel in der Oberfläche (202) eines sich im Bau befindlichen Kraftfahrzeugs.