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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Formerfassung
und/oder Beurteilung von Gegenständen
und Oberflächen.
Die meisten Verfahren und Vorrichtungen zur optischen Formerfassung und/oder
Beurteilung von Gegenständen
und Oberflächen
lassen sich in zwei Kategorien einteilen:
- • Vorrichtungen
der Bildverarbeitung, insbesondere der industriellen Bildverarbeitung.
Diese Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass innerhalb kürzester
Zeit ein oder mehrere Bilder des Gegenstandes aufgenommen werden
und dieses anschließend
automatisch durch eine elektronische Recheneinheit beurteilt und
geprüft
wird. Hierfür sind
Zeiten von Bruchteilen einer Sekunde für Bildaufnahme inklusive Beurteilung üblich. Die Vermessung
von zweidimensionalen (2D) Merkmalen in der Bildebene wie Längen, Winkel,
Flächen
etc. sind Stand der Technik. Die Vermessung und Prüfung dreidimensionaler
Merkmale bereitet Schwierigkeiten, da die aufgenommenen Bilder die
dritte Dimension senkrecht zur Bildebene nur unzureichend wiedergeben.
- • Demgegenüber sind
Vorrichtungen der optischen 3D-Messtechnik
darauf spezialisiert, neben den Merkmalen in der Bildebene auch
Merkmale der dritten Dimension senkrecht zur Bildebene zu vermessen.
Nachteilig ist dabei, dass diese Verfahren sehr viel mehr Zeit in
Anspruch nehmen als die der Bildverarbeitung. Hier sind Zeiten von
einer bis zu mehreren Sekunden und Minuten üblich. Auch eine automatische
Bewertung der Messergebnisse ist in vielen Fällen nicht üblich.
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Ziel
ist es, die Vorteile beider Kategorien zu vereinigen und die Nachteile
zu eliminieren. Damit können
sowohl zweidimensionale als auch dreidimensionale Merkmale innerhalb
kürzester
Zeit geprüft,
vermessen und automatisch beurteilt werden. Damit wird eine Brücke geschlagen
zwischen den Bereichen der Bildverarbeitung und der optischen 3D-Messtechnik.
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Hierbei
werden insbesondere glänzende
Gegenstände
und Oberflächen
aus Metall, Kunststoff etc. berücksichtigt,
die sehr häufig
im technischen Bereich zu finden sind. Diese Oberflächen bereiten sowohl
in der Bildverarbeitung als auch in der optischen 3D-Messtechnik große Schwierigkeiten
aufgrund von gerichteter Lichtreflexion. Genauso sind aber auch
diffus streuende Gegenstände
berücksichtigt,
die im allgemeinen keine Schwierigkeiten bereiten.
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Die
Prüfung
und/oder Vermessung von 2D- und/oder 3D-Merkmalen sowie optional
eine automatische Bewertung kann gemäß dem in WO 2004/051186 beschriebenen
Verfahren durchgeführt werden.
Bei diesem Verfahren, das als photometrische Deflektometrie bezeichnet
wird, werden ein photometrisches Stereoverfahren, ein deflektometrisches
Verfahren und ein Streukörper
(S) so kombiniert, dass die Orte auf der Streukörperoberfläche flächig codiert werden.
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Eine
Vorrichtung zur Durchführung
dieses bekannte Verfahrens ist beispielsweise wie folgt aufgebaut.
Eine Kamera K mit einem Objektiv Obj ist auf den Gegenstand G ausgerichtet.
Der Gegenstand wird beleuchtet von einem Streukörper S, der seinerseits von
mindestens einer, vorzugsweise mehreren, getrennt schaltbaren Lichtquellen
oder Gruppen von Lichtquellen 1, 2, 3,
... beleuchtet wird (1).
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In 1 sind drei Lichtquellen 1, 2 und 3 dargestellt.
Diese liegen vorzugsweise in einer Ebene, die senkrecht zur Bildebene
von 1 verläuft. Sie liegen
aber nicht alle in der Bildebene von 1.
Beispielsweise ist die mittlere, die Lichtquelle 3, nach hinten
aus der Bildebene von 3 versetzt.
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Bei
der Realisierung einer solchen Vorrichtung tauchen für den Fachmann
eine Reihe von Fragen auf:
- 1. An welchem Ort
sind die Lichtquellen 1, 2, 3... zu platzieren,
damit die bestmöglichen
Mess- und Prüfergebnisse
erreicht werden?
- 2. Wie ist eine helle Ausleuchtung des Gegenstandes zu erreichen?
- 3. Ist es vorteilhaft, den Strahl der Lichtquelle durch eine
Optik auf den Gegenstand zu bündeln?
- 4. An welchem Ort ist die Kamera K günstig zu platzieren?
- 5. Welche Abmessungen der Sichtöffnung im Streukörper S sind
vorteilhaft?
- 6. Aus welchem Material lässt
sich der Streukörper
vorteilhaft fertigen und wie muss seine Oberfläche beschaffen sein?
- 7. Wie kann man Verschmutzung und mechanische Beschädigungen
des Streukörpers
und damit schlechte Ergebnisse vermeiden?
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Die
besondere Schwierigkeit besteht darin, eine technische Lösung zu
finden, die allen Fragestellungen gleichermaßen gerecht wird.
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Dies
ist insbesondere deshalb schwierig, weil zur Lösung der Fragen gegensätzliche
Maßnahmen
nötig sind.
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Legt
man beispielsweise besonderen Wert auf Fragestellung 1, dann sind
die Lichtquellen in ausreichendem Abstand vom Streukörper zu
platzieren (2). Damit ergibt sich von jedem
Punkt der Lichtquelle annähernd
derselbe Abstand zum Streukörper
und eine nahezu parallele Beleuchtung. Für diesen Fall liegen nach dem
in WO 2004/051186 beschriebenen Verfahren rechnerisch gut beherrschbare
Verhältnisse
vor, denn sowohl Richtung als auch Abstand der Lichtquelle können als
konstant angesehen werden. Dies ist besonders wichtig, da die flächige Kodierung
der Streukörperoberfläche aus
dem Zusammenspiel der Streukörperneigung
und der Beleuchtungsrichtung entsteht. Senkrechter Einfall der Beleuchtung
auf das jeweilige Flächenstück des Streukörpers bewirkt
eine Kodierung mit großer
Helligkeit, streifender Einfall mit minimaler Helligkeit. Von großer Bedeutung
ist auch, aus welcher Richtung die Lichtquellen den Streukörper beleuchten.
Liegen diese Richtungen nahe beieinander, so sind die Unterschiede
bei der Kodierung gering (geringe Empfindlichkeit der Messvorrichtung
gegenüber
der zu messenden Neigung), liegen sie weit auseinander sind sie
groß (hohe
Empfindlichkeit). Die Vorrichtung spricht dann sehr gut bereits
auf geringe Variationen der lokalen Gegenstandsneigung an. Allerdings
können
dann große
Bereiche des Streukörpers
gar nicht ausgeleuchtet werden.
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Für Fragestellung
2 wirkt sich ein großer
Abstand der Lichtquellen dagegen negativ aus. Bei einer Verdopplung
des Abstandes muss man damit rechnen, dass sich die Beleuchtungsstärke des Streukörpers und
damit des Gegenstandes um den Faktor 4 reduziert.
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Dies
führt zu
der Frage 3, ob sich das Licht vorteilhaft bündeln lässt. Die Beleuchtungsstärke lässt sich
dann auch bei größeren Abständen aufrechterhalten.
Dagegen spricht wiederum, dass die zur Bündelung erforderlichen optischen
Einrichtungen und Reflektoren meist keine so gleichmäßige Ausleuchtung
ermöglichen,
wie es ohne sie möglich ist.
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Zu
berücksichtigen
ist dabei auch die Frage 4. Die Position der Kamera ist so zu wählen, dass diese
keinen Schattenwurf auf dem Streukörper erzeugt. Dies ist aber
insbesondere dann der Fall, wenn die Kamera nahe am Streukörper positioniert wird
(3). Andererseits ist es wünschenswert, die Kamera möglichst
nahe am Streukörper
und dem Gegenstand zu platzieren, um eine gute Auflösung des
Gegenstandes zu erzielen.
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Die
Lösung
dieser Frage ist gekoppelt mit der Frage 5. Bei geringem Abstand
der Kamera kann die Sichtöffnung
im Streukörper
klein gewählt
werden, bei größerem Abstand
muss sie größer gewählt werden,
damit sämtliche
Bereiche des Gegenstandes erfassbar sind. Dadurch aber ist der Streukörper in
weiten Bereichen unterbrochen. Diese Bereiche stehen dann nicht
zur Beleuchtung des Gegenstands zur Verfügung. Ist die Oberfläche des
Gegenstandes so geneigt, dass nur Licht von diesen Fehlstellen des Streukörpers in
die Kamera reflektiert werden kann, so ist die Vorrichtung für alle betroffenen
Neigungen blind (4).
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In
den Fragen 6 und 7 geht es um das Material des Streukörpers, dessen
Beschaffenheit der Oberfläche,
Verschmutzung und mögliche
mechanische Beschädigungen.
Denkbar ist z. B. ein aufgerauter, durchsichtiger Kunststoff (Oberflächenstreuer)
oder ein milchig durchscheinender Kunststoff (Volumenstreuer). Eine
günstige,
gleichmäßige Streuung
in alle Raumrichtungen wird beim Volumenstreuer erreicht, allerdings
bleibt sehr viel Licht dabei ungenutzt. Darüber hinaus entsteht an der
glatten Oberfläche
ein unerwünschter
Lichtreflex. Ein Oberflächenstreuer
wiederum lenkt den Weg des Lichts in geringerem Maß ab, so
dass mehr Licht genutzt werden kann. Dagegen spricht, dass keine
gleichmäßige Abstrahlung
in alle Richtungen erreicht wird und eine raue Oberfläche zur
Verschmutzung durch Staub und Fingerabdrücke neigt und auch nur sehr
schwer zu reinigen ist. Wählt
man für
den Streukörper
statt Kunststoff Glas, so kann man bessere Eigenschaften bezüglich der
mechanischen Beständigkeit
und bezüglich
der Reinigung erreichen. Andererseits ist die präzise Fertigung eines formgenauen
Streukörpers bei
Glas sehr viel aufwendiger als bei Kunststoff. Hinzu kommt die Bruchgefahr
bei Glas.
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Alle
diese Fragen werden erfindungsgemäß wie folgt gelöst: Anstelle
des durchscheinenden Streukörpers
wird ein undurchsichtiger Streukörper verwendet,
außerdem
werden die Lichtquellen im Innern angeordnet. Diese Lösung ist
besonders im Hinblick auf die besonders wichtige Frage 1 alles andere als
nahe liegend. Je näher
eine Lichtquelle am Streukörper,
im Extremfall also sogar innerhalb des Streukörpers angeordnet ist, umso
weniger kann man davon ausgehen, dass der Streukörper von einem parallelen Strahlenbündel beleuchtet
wird. Stattdessen ist davon auszugehen, dass die Lichtquellen beispielsweise
in die gesamte Hemisphäre
abstrahlen (5). Je nach Lichtquelle und
Abstrahlcharakteristik bezüglich
der Richtung ergibt sich eine andere Beleuchtungsverteilung auf
dem Streukörper.
Die gesamte rechnerische Auswertung – wie sie sich aus WO 2004/051186
ergibt – würde hiermit
unbrauchbar. Auch der Abstand der Lichtquellen zu jedem Punkt des
Streukörper
variiert je nach Lage der Lichtquelle in großem Maß. Die Lichtquellen im Mittelpunkt
eines kugelförmigen
Streukörpers
zu platzieren scheidet aus, da der Mittelpunkt und seine Umgebung
für den
Gegenstand reserviert sind.
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Erfindungsgemäß wird diese
Problematik dadurch gelöst,
dass die komplexen Einflussfaktoren, beispielsweise Beleuchtungsrichtung
auf den Streukörper,
jeweiliger Abstand des Streukörpers und
seiner beleuchteten Oberfläche
von der Lichtquelle und die räumliche
Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle sich in geschickter Weise
so kompensieren, dass eine Beleuchtungsverteilung nachgeahmt wird,
wie sie bei einer Beleuchtung von außen mit paralleler Lichteinstrahlung
ergibt (2). Dieses Vorhaben scheint
anhand der großen
Zahl voneinander abhängiger
Parameter nahezu aussichtslos. Für
eine spezielle Kombination der Parameter konnte erfindungsgemäß aber eine
Lösung
gefunden werden. Aufgrund der rechnerisch komplexen Zusammenhänge wurde
eine Lösung
anhand einer Simulation ermittelt und hier nur das Ergebnis dargestellt.
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Als
Beleuchtungseinrichtung wird eine als Lambertstrahler ausgebildete
Lichtquelle bevorzugt. Das bedeutet, dass die Strahldichte mit dem
Kosinus des Abstrahlwinkels variiert. Diese Verteilung ist häufig bei
beleuchteten Körpern,
nicht aber bei selbstleuchtenden Körpern und Lichtquellen anzutreffen. Am
häufigsten
findet man eine konstante Abstrahlung in alle Raumrichtungen (z.B.
Glühlampen,
Gasentladungslampen) oder eine stark gerichtete Abstrahlung bei
Lasern und LEDs. Der Sonderfall der lambertförmigen Abstrahlung kann dennoch
mit speziell dafür
ausgelegten LEDs erreicht werden.
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Die
Form des Streukörpers
wird bevorzugt in der Form einer Kugel, Halbkugel oder Teilen hiervon ausgeführt. Als
Material werden bevorzugt Metall, undurchsichtiger Kunststoff oder
andere Materialien gewählt,
die fertigungstechnisch gut beherrschbar sind. Die kritische Frage
liegt darin, den Ort und die Ausrichtung der Lichtquellen richtig
zu wählen.
Zur Orientierung auf der Oberfläche
eines halbkugelförmigen
Streukörpers
werden die Begriffe Nordpol für den
kameraseitig gelegenen Scheitel der Halbkugel und Äquator für die Abschlusskante
der Halbkugel gewählt.
Die Lichtquellen sind vorzugsweise in einer Ebene nahe der Äquatorebene
zu platzieren. Ihr Hauptstrahl ist senkrecht zu dieser Ebene nach
oben auszurichten. Es werden mehrere, vorzugsweise aber vier Lichtquellen
verwendet, die vorzugsweise in Form eines Kreuzes, beispielsweise
eines „+" oder „X", angeordnet sind.
Der Mittelpunkt des Kreuzes liegt vorzugsweise auf einer Linie,
die senkrecht auf der Äquatorebene
steht und durch deren Mittelpunkt verläuft. Die Lichtquellen sind
in einem bestimmten Abstand zum Kugelmittelpunkt anzuordnen, beispielsweise
bei 20% bis 80%, vorzugsweise bei 30% bis 70% des Kugelradius. Besonders
günstige
Verhältnisse
liegen in der Nähe
von 50% des Kugelradius vor (6).
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Zu
der Darstellung der Lichtquellen 1, 2, 3, etc.
ist auch hier Folgendes festzuhalten: Vorzugsweise sind vier Lichtquellen
vorgesehen, die in einer Ebene angeordnet sind. Denkbar ist es,
die Lichtquellen in der Äquatorebene
des Streukörpers
S anzuordnen oder etwas darüber
oder darunter. In 6 sind die Lichtquellen nur
scheinbar in einer Reihe angeordnet. Tatsächlich liegen beispielsweise
die Lichtquellen 1 und 2 auf einer Durchmesserlinie
der Äquatorebene.
Die Lichtquelle 3 ist gegenüber der Bildebene von 6 nach
hinten versetzt und ihrerseits vorzugsweise auf einer Durchmesserlinie angeordnet,
gemeinsam mit einer hier nicht dargestellten Lichtquelle 4.
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Betrachtet
man die Lichtquellen senkrecht von oben, beispielsweise aus der
Sicht der Kamera K, so sieht man, dass sie in einem Abstand zu dem durch
ein Kreuz gekennzeichneten Mittelpunkt des Streukörpers in
einer Ebene angeordnet sind und beispielsweise auf den Ecken eines
vorzugsweise gleichseitigen Dreiecks oder an den Enden eines Kreuzes,
das vorzugsweise die Form eines „+" oder eines „X" aufweist.
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In 6 sind
im Strahlengang zwischen den Lichtquellen 1 und 2 einerseits
und dem Gegenstand G andererseits Abschattungen A vorgesehen, die eine
direkte Beleuchtung des Gegenstands verhindern. In 6 ist
die der Lichtquelle 3 zugeordnete Abschattung aus Gründen der
Vereinfachung nicht dargestellt.
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Die
Anordnung der hier dargestellten und auch bei anderen Ausführungsvarianten
vorgesehenen Abschattung A ist beliebig. Entscheidend ist der Gesichtspunkt,
eine direkte Beleuchtung des Gegenstands durch die Lichtquellen
zu vermeiden. Es ist also möglich,
die Abschattung an der Halterung einer Lichtquelle oder aber an
der Halterung des Gegenstands anzubringen. Schließlich kann
auch eine getrennte Halterung für
die Abschattungen vorgesehen werden.
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Mit
dieser Wahl der Parameter wird erreicht, dass alle Punkte des Streukörpers flächig kodiert werden.
Die Art der Kodierung und der Beleuchtungsverteilung entspricht
weitgehend einer Beleuchtung von außen aus großer Entfernung, obwohl die Lichtquellen
in Wirklichkeit aus geringster Entfernung im Innern den Streukörper beleuchten.
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Damit
ist Berechnung der Neigung entsprechend des bereits aus WO 2004/051186
bekannten Verfahrens möglich.
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Alternativ
können
die Lichtquellen aber auch in der Nähe des Äquators platziert sein und
die gegenüberliegende
Seite des Streukörpers
auf dem Äquator
anstrahlen. In diesem Fall können
die quellenfernen Punkte des Streukörpers heller ausgeleuchtet
sein als die quellennahen.
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Für Gegenstände mit
vorwiegend streuender Oberfläche
und/oder einer Kombination aus glänzender und streuender Oberfläche kann
zusätzlich
auch eine direkte Beleuchtung des Gegenstandes sinnvoll sein. Hierzu
können
Lichtquellen beispielsweise auf der Innenseite des Streukörpers befestigt
werden oder durch Öffnungen
in den Innenraum ragen, vorzugsweise mit der Lichtrichtung zum Gegenstand.
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Vorteilhaft
kann es in allen der genannten Fällen
sein, die Lichtquellen verschiebbar zu befestigen, um die Position
je nach Anwendung variieren zu können
(6).
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In
Bezug auf Frage 2 wird eine sehr gute Ausleuchtung erreicht, da
das Licht überall
die Innenseite des Streukörpers
erreichen kann. Eine Optik zum Bündeln
des Lichts ist nicht nötig
(Frage 3).
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Die
Kamera kann vorteilhaft direkt außerhalb des Streukörpers platziert
werden, es tritt kein Schattenwurf auf (Frage 4).
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Die
Sichtöffnung
kann daher minimal gehalten werden (Frage 5).
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Als
Materialien stehen sämtliche
nicht durchscheinenden Materialien zur Verfügung, beispielsweise Metall,
Kunststoff etc. (Frage 6).
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Eine
Reinigung ist im allgemeinen nicht nötig, da der Innenbereich des
Streukörpers
vor Schmutz und Berührung
geschützt
ist. Ein Beschädigung
ist ebenfalls weitgehend auszuschließen (Frage 7).
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Darüber hinaus
bietet diese Anordnung der Lichtquellen weitere Vorteile. Man kann
sicherstellen, dass der Benutzer der Vorrichtung nicht von einer Lichtquelle
geblendet wird. Dies ist vor allem bei Hochleistungslichtquellen
wie z. B. leistungsstarken LEDs von Bedeutung, für die unter Umständen bereits
Laserschutzbestimmungen gelten. Zusätzlich wird eine Verfälschungen
der Messung durch Umgebungslicht vermieden.
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Weiterhin
ist die Vorrichtung wie bevorzugt wie folgt aufgebaut.
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Kamera:
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Als
Kamera wird vorzugsweise eine elektronisch arbeitende Kamera, insbesondere
eine CCD- oder CMOS-Kamera verwendet. Deren Bilder können zur
Weiterverarbeitung an eine elektronisch arbeitende Recheneinheit übermittelt
werden oder innerhalb einer so genannten intelligenten Kamera selbst
verarbeitet werden.
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Objektiv:
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Das
Objektiv ist vorzugsweise als Makroobjektiv ausgeführt, da
sich der Gegenstand vorzugsweise in geringem Arbeitsabstand vom
Objektiv befindet. Ebenso können
mehrere Kameras mit mehreren Ob jektiven verwendet werden. Denkbar
sind auch Mikroobjektive, wenn sehr hohe Vergrößerungen gefordert sind.
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Streukörper:
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Dieser
Streukörper
ist vorzugsweise in Form einer Halbkugel, Kugel, Ellipsoids oder
Teilen hiervon ausgebildet (6).
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Der
Streukörper
bekannter Vorrichtungen kann bei Beleuchtung von außen aus
durchsichtigem Material wie Mattglas, mattem durchscheinendem Kunststoff
etc. bestehen (7). Erfindungsgemäß wird allerdings
ein undurchsichtiges Material wie Metall, undurchsichtiger Kunststoff
etc. verwendet (6). Der Streukörper kann
unbeschichtet, beispielsweise mit rauer und damit diffus streuender Oberfläche ausgeführt sein.
Vorzugsweise wird er allerdings mit einer diffus reflektierender
Farbe beschichtet, die einfallendes Licht ungerichtet streut. Der
bevorzugte Farbton ist Weiß,
andere Farben sind aber ebenso möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Farbe fluoreszierende oder
phosphoreszierende Eigenschaften aufweist. Auch das Material des Streukörpers selbst
kann diese Eigenschaft zeigen, in diesem Fall ist eine Beschichtung
nicht zwingend nötig.
Hierdurch kann Licht von bevorzugt kurzer Wellenlänge wie
z. B. blaues oder ultraviolettes Licht in längerwelliges Licht, insbesondere
aber auch weißes
Licht gewandelt werden. Besonders vorteilhaft ist es auch, die Kamera
bzw. das Objektiv mit einem Sperrfilter für bestimmte Wellenlängen auszurüsten, vorzugsweise
für kleine
Wellenlängen.
Damit wird direkter Lichteinfall der Lichtquelle in die Kamera verhindert,
das durch Fluoreszenz und/oder Phosphoreszenz gestreute Licht aber
durchgelassen.
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Die
Innenseite des Streukörpers
wird von einer oder mehreren Lichtquellen beleuchtet. Vorzugsweise
ist der Gegenstand G im oder nahe dem Zentrum des Streukörpers angeordnet.
Die bevorzugte Form des Streukörpers
ist eine Halbkugel. Zur einfacheren Bezeichnung werden auch hier
die Begriffe Nordpol für
den Scheitel der Halbkugel und der Begriff Äquator für den Rand der Halbkugel verwendet. Um
den Gegenstand G einfach in einer Bewegung entlang der Äquatorebene
ins Zentrum des Streukörpers
führen
zu können,
ist es vorteilhaft, den Streukörper
vom Nordpol nur bis zu einem Bereich leicht nördlich des Äquators reichen zu lassen,
zumindest dort, wo der Gegenstand eingebracht werden soll.
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Für die Kamera
und das Objektiv, die sich vorzugsweise außerhalb des Streukörpers befinden, kann
der Streukörper
eine auch als Sichtöffnung
bezeichnete Öffnung
B aufweisen, welche die Sicht auf den Gegenstand ermöglicht (6).
Die Öffnung
B wirkt auch als Blende für
das Objektiv. Die Öffnung
B soll so groß ausgeführt sein,
dass sie den ungestörten
Blick auf den zu prüfenden
Gegenstand oder auch Teilen hiervon ermöglicht. Eine große Öffnung bewirkt,
dass viel Licht zur Kamera gelangt. Dies ist insbesondere für kurze
Belichtungszeiten wünschenswert.
Darüber
hinaus steigt die beugungsbegrenzte Auflösung bei einer weiten Öffnung.
Andererseits soll die Öffnung
B so klein wie möglich
sein, damit ein möglichst
großer
Teil der Streukörperoberfläche nutzbar
bleibt. Gleichzeitig kann der Schärfentiefebereich bei einer
kleinen Öffnung
B ausgedehnt werden, so dass auch Gegenstände G mit großen Höhenunterschieden überall scharf
abgebildet werden können.
Diese Anforderungen lassen sich vereinbaren, wenn die Lage der Öffnung B
und die Lage der Eintrittspupille EP des Objektivs identisch sind. Wahlweise
kann es auch technischen Gründen
auch vorteilhaft sein, die Ebene der Öffnung B nur in die Nähe der Eintrittspupille
EP zu legen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Ort der
Eintrittspupille physisch nicht zugänglich ist, weil sie innerhalb des
Objektivs liegt. Der Durchmesser der Sichtöffnung ist vorzugsweise gleich
oder kleiner als der Durchmesser der Eintrittspupille des Objektivs
zu wählen,
damit möglichst
wenig der Streukörperoberfläche ungenutzt
bleibt. Ist der Durchmesser der Sichtöffnung kleiner als die der
Eintrittspupille des Objektivs, so stellt die Sichtöffnung die
Aperturblende des optischen Gesamtsystems bestehend aus Objektiv
und Sichtöffnung
dar. Insbesondere bei einer weiten Öffnung der Kamerablende und
einer kleinen Sichtöffnung
kann somit die Lage der Eintrittspupille EP des Gesamtsystems an
den Ort der Sichtöffnung gezwungen
werden.
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Ein
weiterer günstiger
Effekt trägt
dazu bei, dass die nutzbare Fläche
des Streukörpers
möglichst groß sein kann.
Es wird zunächst
angenommen, der Gegenstand ist sehr stark glänzend und kann als ebener Spiegel
betrachtet werden, der in der Äquatorebene
liegt. Das Objektiv ist auf den Spiegel, d. h. die Äquatorebene
fokussiert. Im Spiegel ist die Sichtöffnung unscharf zu erkennen.
Es stellt sich die Frage, wie groß das Unschärfescheibchen ist. Aufgrund von
Symmetrieüberlegungen
kommt man zu dem Schluss, dass der Durchmesser des Unschärfescheibchens
genau dem Durchmesser der Eintrittspupille des optischen Gesamtsystems
entspricht, also der Sichtöffnung.
Der Rand der Sichtöffnung verschwimmt
damit bis ins Zentrum der Sichtöffnung, quasi
so als ob der Streukörper
keine Öffnung
hätte. Dieser
Effekt wird noch verstärkt,
wenn man auf eine Ebene etwas nördlich
des Äquators
fokussiert, das Unschärfescheibchen
wird damit größer als
die Sichtöffnung
und gewährleistet
einen sicheren Überlapp.
Bisher wurde von einem Spiegel als Objekt ausgegangen, der ein klares
Bild liefert. Für
rauere glänzende
Oberflächen
verschwimmt das Bild der Sichtöffnung
weiter, für
diffus streuende Oberflächen
völlig.
Vorteilhaft ist es, wenn die Sichtöffnung des Streukörpers als
wechselbarer Einsatz ausgeführt ist.
So kann je nach Anforderung eine größere oder kleinere Sichtöffnung verwendet
werden.
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Alternativ
zur kreisrunden Sichtöffnung
sind Varianten denkbar, die nur einen Teil der Kreisfläche freilassen.
Beispiele sind ein oder mehrere Kreissektoren. Unterteilungen sind
auch in radialer Richtung denkbar, vorzugsweise kombiniert mit Kreissektoren. Es
sind aber andere Formen möglich
wie z. B. ein Loch exzentrisch bezüglich der optischen Achse des Objektivs
bis hin zu beliebigen Formen. Diese Sichtöffnung wird vorzugsweise drehbar
um die optische Achse des Objektivs ausgeführt, beispielsweise als drehbare
Kalotte, die bündig
in den Streukörper
eingesetzt wird. Während
der Belichtung eines Kamerabildes kann dann die sich drehende Sichtöffnung die Eintrittspupille
des Objektivs überstreichen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sichtöffnung die Eintrittspupille
während
einer Belichtung genau einmal, zweimal oder mit einem anderen ganzzahligen
Vielfachen überstreicht,
damit eine gleichmäßige Belichtung
innerhalb der Eintrittspupille erreicht wird.
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Ist
ein transparenter Gegenstand zu prüfen, z. B. aus klarem Glas,
Kunststoff etc. so wird die Kamera mit dem Objektiv vorzugsweise
vom Südpol nach
Norden blickend angeordnet. Die Kamera betrachtet den Streukörper durch
den zu prüfenden Körper hindurch
(8). In diesem Fall ist eine Sichtöffnung nicht
zwingend nötig.
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Lichtquellen:
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Als
Lichtquellen sind beispielsweise Glühlampen, Gasentladungslampen,
Lichtquellen mit Lichtleitfaser, Blitzlampen, Laserlichtquellen
sowie Halbleiterstrahlungsquellen denkbar. Insbesondere sind Lumineszenzdioden
(LEDs) von Interesse, da sie eine geringe Baugröße aufweisen, schnell schaltbar
sind und eine lange Lebensdauer besitzen. Insbesondere sind Hochleistungs-LEDs
mit hoher Strahlungsleistung vorteilhaft. Die Lichtquellen können unabhängig voneinander
eingeschaltet werden und lassen verschiedene Beleuchtungssituationen entstehen.
Die Lichtquellen oder auch Gruppen von Lichtquellen sind unabhängig voneinander
schaltbar. Je nachdem, welche Lichtquelle oder Gruppe von Lichtquellen
eingeschaltet ist, entsteht eine andere Beleuchtungssituation. Ziel
ist es, die Lichtquellen 1, 2, 3 ...
so zu platzieren, dass alle Orte auf der Streukörperoberfläche flächig codiert werden können. Um diese
Fläche
beispielsweise in einem Punkt des Äquators entlang der Richtung
zum Nordpol und weiter zum gegenüberliegenden
Punkt des Äquators
zu kodieren, ist eine stetig wachsende bzw. fallende Ausleuchtung
entlang dieser Linie wünschenswert. Dies
wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Lichtquelle außerhalb
des Zentrums des Streukörpers
platziert wird, vorzugsweise in der Äquatorebene mit der Lichtrichtung
senkrecht dazu. Je näher
die Lichtquelle sich am Zentrum befindet, umso gleichmäßiger ist
die Verteilung, je weiter am Rand, umso ungleichmäßiger. Für die Codierung
sind möglichst große Unterschiede
der Ausleuchtung zwischen einem Endpunkt und dem anderen erwünscht, wobei aber
der Übergang
möglichst
gleichmäßig sein
soll. Gleichzeitig soll die Lichtquelle eine möglichst großen Bereich im Zentrum des
Streukörpers
für den
zu prüfenden
Gegenstand freilas sen. Ein guter Kompromiss hinsichtlich all dieser
Kriterien wird erzielt, wenn die Lichtquelle bei etwa 20% bis 80%,
vorzugsweise bei etwa 30% bis 70% des Kugelradius platziert wird. Insbesondere
Positionen im Bereich von 50% sind günstig (6).
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Alternativ
kann eine Lichtquelle aber auch in der Nähe des Äquators platziert sein und
die gegenüberliegende
Seite des Streukörpers
anstrahlen. In diesem Fall sind die quellenfernen Punkte des Streukörpers heller
ausgeleuchtet sein als die quellennahen.
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Vorteilhaft
kann es in allen der genannten Fällen
sein, die Lichtquellen verschiebbar zu befestigen, um die Position
je nach Anwendung variieren zu können
(6). Bei einer Verschiebung der Lichtquellen wird
vorzugsweise darauf geachtet, dass deren symmetrische Anordnung
erhalten bleibt.
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Für Gegenstände mit
vorwiegend streuender Oberfläche
und/oder einer Kombination aus glänzender und streuender Oberfläche kann
zusätzlich
eine direkte Beleuchtung des Gegenstandes sinnvoll sein. Hierzu
können
Lichtquellen beispielsweise auf der Innenseite des Streukörpers befestigt
werden oder durch Öffnungen
in den Innenraum leuchten oder in diesen ragen, vorzugsweise mit
der Lichtrichtung zum Gegenstand.
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Neben
dem Ort der Lichtquelle und der daraus resultierenden Entfernung
zu jedem Ort der Streukörperoberfläche geht
maßgeblich
die jeweilige Neigung der Streukörperoberfläche zur
Beleuchtungsrichtung und die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle
in Abhängigkeit
der verschiedenen Raumrichtungen ein. Vorteilhaft sind beispielsweise die
kugelförmige
Form des Streukörpers,
bei der die Neigung jedes Oberflächenpunktes
unterschiedlich ist und eine eindeutige Codierung ermöglicht.
Gleichzeitig findet ein stetiger Übergang der Neigung von einem
Punkt zu einem Nachbarpunkt statt, so dass die Beleuchtungsstärke gleichmäßig zu oder
abnehmen kann. Eine vorteilhafte Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle
ist die lambert'sche,
da hier vom der Äquatorebene
aus beispielsweise die gesamte Nordhalbkugel ausgeleuchtet werden
kann. Alternativ dazu könnten
auch seitlich abstrahlende Lichtquellen verwendet werden, die beispielsweise
in der Nähe des
Streukörperoberfläche platziert
werden.
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Eine
zweite Lichtquelle kann bezüglich
des Mittelpunkts des Streukörpers
symmetrisch angeordnet werden. Bei zwei Lichtquellen kann die Streukörperoberfläche entlang
einer Richtung codiert werden, entlang einer gedachten Richtung
von einem Äquatorpunkt
zum gegenüberliegenden Äquatorpunkt.
Es kann also nur eine Neigungsrichtung erfasst werden.
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Werden
drei Lichtquellen verwendet, können diese
vorzugsweise an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet
werden, es sind aber auch andere Anordnungen möglich. Mit drei Lichtquellen können bereits
zwei Richtungen auf der Streukörperoberfläche codiert
werden. Drei Lichtquellen stellen somit die minimale Anzahl von
Quellen dar, mit denen die Streukörperoberfläche flächig codiert werden kann.
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Für die hier
angesprochenen Lichtquellen gilt das oben Gesagte entsprechend:
Sie sind in einer Ebene angeordnet, die beispielsweise der Äquatorebene
eines Streukörpers
entspricht oder in einem Abstand zu dieser parallel angeordnet ist.
Das Dreieck weist einen Mittelpunkt auf, der auf einer Linie liegt, die
den Mittelpunkt des Streu körpers
schneidet und die senkrecht auf der Äquatorebene des Streukörpers steht.
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Besonders
vorteilhaft ist es allerdings, vier Lichtquellen zu verwenden, die
in Form eines „X" oder eines „+" angeordnet werden.
Bei dieser Anordnung liegen sich jeweils zwei Quellen gegenüber. Man
kann beispielsweise ein solches Paar aktivieren, wenn nur die eine
Codierungsrichtung von Interesse ist, wenn beide Richtungen gefragt
sind, wird auch das andere Paar aktiviert. Auch für die Zuführung der zu
prüfenden
Gegenstände
ist diese Anordnung von Vorteil, da sie mehr Zwischenraum bietet
als beispielsweise die symmetrische Anordnung von drei Quellen.
Eine größere Anzahl
von Lichtquellen ist ebenfalls möglich,
aber nicht zwingend nötig.
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Bei
Verwendung von vier Lichtquellen gilt grundsätzlich das oben Gesagte entsprechend:
Die Lichtquellen sind in einer Ebene angeordnet, die der Äquatorebene
entspricht oder parallel zu dieser liegt. Die Lichtquellen liegen
jeweils einander paarweise gegenüber
und sind vorzugsweise symmetrisch angeordnet. Bei der Anordnung
in Form eines Kreuzes, sei es in Form eines „X" oder eines „+", so liegt der Mittelpunkt des Kreuzes
auf einer Linie, die den Mittelpunkt der Äquatorebene schneidet und senkrecht auf
dieser steht.
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Als
eine mögliche
Lage der Lichtquellen wurde bisher die Äquatorebene genannt. Für eine einfache
Zuführung
der Prüfteile
kann es aber sinnvoll sein, die Quellen in einer anderen Ebene zu
platzieren, beispielsweise weiter nördlich, um die Äquatorebene
als Messebene völlig
frei zu lassen.
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Um
einen direkten Lichteinfall der Lichtquellen auf den zu prüfenden Gegenstand
zu verhindern, können
Abschattungen A nötig
sein, die beispielsweise mit den Halterungen der Lichtquellen oder
einem Halter des Prüfgegenstandes
verbunden sind. Es können
auch separate Halterungen für
die Abschattungen A vorgesehen werden. Die Abschattungen A sind
so groß zu
wählen,
dass keine direktes Licht einfällt,
aber gleichzeitig möglichst
klein, damit vom Gegenstand aus gesehen nicht ein Teil des Streukörpers verdeckt
wird.
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Der
Streukörper
S kann im Bereich der Öffnung
B außen
einen zylindrischen Ansatz aufweisen, der als Halterung für verschiedene
Blenden zur Realisierung verschiedener Größen und Formen der Sichtöffnung (Öffnung B)
und für
die Kamera dienen kann.
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Stereosystem:
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Neben
der Zahl der Lichtquellen kann auch die Zahl der Kameras bzw. Objektive
variiert werden (
9). Benutzt man beispielsweise
zwei Kameras, so kann mit der Vorrichtung auch ein binokulares Stereoverfahren
ausgeführt
werden. Vorzugsweise werden für
die beiden Kameras bzw. Objektive zwei Sichtöffnungen vorgesehen, die den
Blick aus zwei verschiedenen Positionen in Richtung des zu prüfenden Gegenstandes
ermöglichen.
Die Disparität
korrespondierender Punkte in den beiden Kameraansichten liefert
eine Aussage über
die Lage von Gegenstandspunkten bezüglich der dritten Dimension, also
senkrecht zur Äquatorebene.
Beim binokularen Stereoverfahren handelt es sich damit um ein höhenmessendes
Verfahren im Unterschied zum neigungsmessenden Verfahren der photometrischen
Deflektometrie. Beide Verfahren lassen sich vorteilhaft kombinieren,
beispielsweise wie in
US 6,590,669 beschrieben.
Hierbei bietet das höhenmessende
Verfahren Vorteile bei der Erfassung der globalen dreidimensionalen
Gestalt des Gegenstandes, das nei gungsmessende bei der Erfassung
der lokalen dreidimensionalen Gestalt. Die Zahl der Kameras kann
weiter erhöht werden,
beispielsweise auf drei oder vier Kameras.
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Insbesondere
eine Vorrichtung mit einer größeren oder
gleichen Zahl an Kameras wie Lichtquellen bietet den Vorteil, dass
für jede
Lichtquelle eine einzelne Kamera zur Verfügung steht, was die Aufnahmezeit
der Bilder enorm reduzieren kann (9). Bei
typischen elektronischen Kameras (z.B. CCD- und CMOS-Kameras) besteht
ein großer
Unterschied zwischen der minimalen Belichtungszeit und der minimalen
Zeit für
einen gesamten Bildzyklus inklusive Auslesen des Bildsensors. Die
Belichtungszeit lässt
sich problemlos auf Werte unter 100 Mikrosekunden einstellen, während für den gesamten
Bildzyklus Zeiten ab 10 Millisekunden üblich sind. Dies liegt daran,
dass sehr viel mehr Zeit für
das Auslesen des Bildsensors und die Übertragung der Daten benötigt wird
als für
die eigentliche Belichtung. Wird eine einzelne Kamera verwendet,
so ist die Zeit für den
Bildzyklus maßgeblich,
da dieselbe Kamera mehre Bilder in Folge aufnehmen muss. Ist die
Zahl der Kameras gleich der Zahl der Lichtquellen, so ist die reine
Belichtungszeit maßgeblich.
Die Bildaufnahme würde
im Takt der Beleuchtungen mit sehr kurzer Verzögerung gestartet, man kann
also von einer Triggerkaskade sprechen.
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Kombination
mit anderen höhenmessende Verfahren.
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Alternativ
kann die Vorrichtung auch dazu benutzt werden, die photometrische
Deflektometrie mit einem anderen höhenmessenden Verfahren als dem
binokularen Stereoverfahren zu kombinieren, beispielsweise dem Verfahren
der Streifenprojektion, der Interferometrie, der Weißlichtinterferometrie,
einem Laufzeitverfahren oder vorzugsweise dem Laserlichtschnittverfahren
(10). Hierzu wird vorzugsweise eine Sichtöffnung im
Streukörper
für den beleuchtenden
Laser vorgesehen. Besonders vorteilhaft sind Halbleiterlaser L,
insbesondere solche, die bereits eine Optik zur Erzeugung einer
oder mehrerer Laserlinien integriert haben. Solche Lichtquellen
sind sehr kompakt und sind mit äußerst geringem
zeitlichen Verzug elektronisch schaltbar. Üblicherweise arbeiten Laserlichtschnittverfahren
mit einer Mechanik, die den Prüfling
und eine einzelne Laserlinie relativ zueinander bewegen und so den
Prüfling
Profilschnitt für
Profilschnitt nacheinander abtasten. Für jeden Profilschnitt ist eine
einzelne Kameraaufnahme nötig,
was dementsprechend Zeit kostet. Nachteilig ist zudem, dass eine
präzise
und auf die Kameraaufnahme synchronisierte Verschiebeeinheit benötigt wird.
Es ist daher vorteilhaft, wenn mehrere Laserlinien gleichzeitig
projiziert werden (11). Damit lassen sich mehre
Profilschnitte des zu prüfenden
Gegenstands gleichzeitig erfassen, beispielsweise 10 oder 20 Stück. In der
erfindungsgemäßen Kombination
mit der photometrischen Deflektometrie kann dann bereits eine einziges
Kamerabild ausreichend sein, so dass die Verschiebeeinheit und der
zeitliche Mehraufwand entfallen können. Dies ist deshalb möglich, weil
das höhenmessende
Verfahren nur globale Formdaten liefern muss, die lokalen Formdaten aber
von der photometrischen Deflektometrie bereitgestellt werden.
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Kalibrierung:
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann um einen Kalibriergegenstand Kal ergänzt werden (12).
Er dient dazu, die gemessenen Neigungswerte anhand eines bekannten
Referenzgegenstandes mit den wahren Neigungswerten abzugleichen. Hierdurch
ist es möglich, u.
a. Toleranzen der räumlichen
Beleuchtungsverteilung der Lichtquellen, deren Strahlungsleistung,
deren Position und Ausrichtung, der Form und Lage des Streukörpers, der
Abstrahlcharakteristik seiner Oberfläche oder Beschichtung sowie
der Position und Ausrichtung der Kamera zu kompensieren. Als Referenzgegenstände können Gegenstände bekannter
Form verwendet werden, insbesondere solche, deren Oberfläche reflektierend ist
und die eine große
Zahl verschiedener Neigungen aufweisen. Hierbei wird eine präzise gefertigte,
glänzende
Metallkugel bevorzugt, da hier sämtliche
möglichen
Neigungen vorkommen. Werden matte oder teilweise matte Gegenstände untersucht,
kann es von Vorteil sein, einen matten Kalibriergegenstand vorzusehen,
beispielsweise eine matte oder teilweise matte Kugel. Für diesen
Kalibriergegenstand werden die Neigungswerte flächig gemessen und anschließend mit
den bekannten Werten abgeglichen. Die Zuordnung von gemessenen Werten
zu den wirklichen Werten stellt die Kalibrierung dar. Darüber hinaus
ist es möglich,
die Kalibrierung auch während
der Prüfung
von Gegenständen
zu überwachen,
insbesondere auch eine mögliche
Variation der Strahlungsleistung der Lichtquellen. Hierzu kann ein
Referenzgegenstand zusätzlich
zum Prüfgegenstand
in das Sichtfeld der Kamera eingebracht werden (13),
beispielsweise eine ebene spiegelnde Fläche oder eine spiegelnde Kugel,
eine ganz oder teilweise matte Fläche oder Kugel. Andere Formen
und Oberflächenbeschaffenheiten
sind möglich.