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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Güteprüfung von Oberflächen, mit
einer Lichtquelle und einer optischen Bilderfassungsvorrichtung,
wobei zwischen der Bilderfassungsvorrichtung und einer zu prüfenden Oberfläche eine
Relativbewegung stattfindet. Ferner betrifft die Erfindung eine
divergente Lichtquelle, umfassend eine optische Strahlungsquelle
und einen Reflektor, wobei der Reflektor eine zumindest abschnittsweise
reflektierende Mantelfläche
aufweist.
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Abhängig vom
technischen Einsatzgebiet und gegebenenfalls durchzuführender
weiterer Verfahrensschritte, werden an Oberflächen von Bauteilen zumeist
bestimmte Grenzwerte hinsichtlich der Beschaffenheit der Oberfläche gestellt,
insbesondere im Hinblick auf die optische Wirkung. Eine Oberfläche muss
beispielsweise konstruktiven Anforderungen genügen, um in einem weiteren Verfahrensschritt
einsetzbar zu sein, beispielsweise um Materialschichten auftragen
zu können.
Eine Oberfläche kann
jedoch auch als optisch dekoratives Element eines technischen Gerätes eingesetzt
werden und so das Erscheinungsbild des technischen Gerätes positiv
beeinflussen. Zumeist weist ein technisches Gerät ein Bedienfeld mit einer
Mehrzahl von Bedienelementen und/oder Anzeigelementen auf, wobei
das Bedienfeld zumeist eine Frontplatte mit Öffnungen zur Aufnahme bzw.
Anordnung der Bedienelemente bzw. der Anzeigeelemente umfasst. Eine
derartige Frontplatte ist zumeist aus einem metallischen Material
gebildet, wobei die dem Anwender zugewandte Oberfläche derart
behandelt wurde, beispielsweise durch mechanische und/oder chemische
Verfahren, dass ein möglichst
gleichmäßiger Reflexionsgrad
erreicht wird. Beispielsweise kann eine Oberfläche fein poliert werden, wodurch
eine matt scheinende Oberflächenstruktur
erreicht wird. Aufgrund einer derartigen Oberflächenbehandlung wird bei Beleuchtung eine
zumeist starke Reflexion erreicht, wobei die Reflexion sowohl gerichtet,
als auch ungerichtet sein kann.
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Im
Zuge der Herstellung eines derartigen Oberflächenelementes kann es aufgrund
der erforderlichen Bearbeitungsschritte dazu kommen, dass es neben
erwünschten
Durchbrüchen
und Strukturierungen, auch zu unerwünschten Deformationen der Oberfläche kommt.
Beispielsweise muss das Oberflächenelement
zwischen einzelnen Verfahrensschritten bewegt bzw. transportiert
werden, was immer wieder die Gefahr einer mechanischen Beschädigung mit
sich bringt. Auch bei der Anordnung von Einbauteilen kann es durch übermäßige Krafteinwirkung
zu einer Deformation der Oberfläche
kommen. Aufgrund des hohen Reflexionsgrads treten derartige Beschädigungen
bzw. Unregelmäßigkeiten
sehr stark in Erscheinung und werden daher von einer Bedienperson
verstärkt
wahrgenommen. Insbesondere wenn die Oberfläche eine gestalterische bzw.
dekorative Funktion erfüllt,
muss also auf eine hohe Oberflächengüte besonders
Wert gelegt werden.
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Zur
Güteprüfung von
Oberflächen
werden zumeist optische Verfahren eingesetzt, insbesondere werden
beispielsweise Bedienfelder und Frontplatten im Zuge einer optischen
Qualitätskontrolle
von einer Person kontrolliert. Da eine derartige optische Qualitätskontrolle
eine sehr genaue Fokussierung auf eine zumeist hell beleuchtete
und gegebenenfalls stark reflektierende Oberfläche erforderlich macht, ist
sie für
das menschliche Auge sehr ermüdend,
so dass eine Person die Kontrolle nur eine begrenzte Zeit lang durchführen kann,
bevor eine Pause zwingend notwendig ist. Auch weist eine optische
Kontrolle mit freiem Auge ein hohes Fehlerpotential auf, da es aufgrund
der Beleuchtungs- und Reflexionssituation vorkommen kann, dass eine
Deformation unter den durchgeführten
Betrachtungswinkeln nicht erkannt wird. Insbesondere müsste eine
Kontrollperson die Bedientafel aus jeder möglichen Blinkrichtung kontrollieren,
um so eine Beschädigung
zuverlässig
feststellen zu können.
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Bekannte
automatisierte Prüfsysteme
erfassen das Abbild einer beleuchteten Oberfläche und ermitteln daraus eine
Abweichung von einem Referenzbild. Die Beleuchtung der Oberfläche erfolgt
dabei zumeist mittels einer so genannten Dunkelfeldbeleuchtung,
wobei eine Lichtquelle einen Lichtstrahl weitestgehend parallel
zur betrachteten Oberfläche aussendet,
wodurch Deformationen und Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche in Erscheinung
treten. Ein wesentlicher Nachteil einer Dunkelfeldbeleuchtung liegt
jedoch darin, dass kleine Staubpartikel und Fingerabdrücke übermäßig in Erscheinung
treten und somit von Deformationen in einer ähnlichen Größenordnung kaum unterscheidbar
sind. Des Weiteren sind Scan-Verfahren bekannt, bei denen ein konzentrierter
Lichtstrahl, beispielsweise der eines Lasers, über die Oberfläche gelenkt
wird und das reflektierte Ergebnis ausgewertet wird. Nachteilig
an diesem Verfahren ist der hohe technische Aufwand für die Scan-Vorrichtung.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, ein Verfahren zur kontinuierlichen
Güteprüfung von Oberflächen zu
schaffen, insbesondere zur Erkennung von Beschädigungen und Defor mationen
in reflektierenden Oberflächen,
wobei die Nachteile bekannter Verfahren, insbesondere im Hinblick
auf die Empfindlichkeit bezüglich
Staub und Fingerabdrücke,
vermieden werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lichtquelle
zu schaffen, die für
das erfindungsgemäße Verfahren
einsetzbar ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein divergentes Strahlenbündel einer
Lichtquelle auf einen Abschnitt der zu prüfenden Oberfläche gerichtet
wird. Ein divergentes Strahlenbündel
ist dadurch gekennzeichnet, dass es idealerweise keine parallelen
Lichtstrahlen im Strahlenbündel
gibt. Richtet man ein divergentes Strahlenbündel auf eine Oberfläche, kommt
es dort zu einer Reflexion, wobei es durch die, aus jeweils geringfügig unterschiedlichen
Richtungen einfallenden Lichtstrahlen, zu einer Auffächerung
des reflektierten Strahlenbündels kommt.
In Vereinfachung lässt
sich dies als Änderung des
Abbildmaßstabes
darstellen, insbesondere kommt es zu einer Auflösungsvergrößerung, da der beleuchtete
Abschnitt der Oberfläche
nach der Reflexion in einen vergrößerten Abschnitt projiziert
wird. Eine Oberflächendeformation
kann beispielsweise eine Vertiefung sein, wobei die infinitesimale
Ausrichtung der Flanken der Vertiefung, von der Ausrichtung der
umgebenden Oberfläche
abweichen wird. Trifft ein divergentes Strahlenbündel auf eine derartige Vertiefung,
kommt es zu einer stark ungleichmäßigen Reflexion der Lichtstrahlen
des Strahlenbündels,
was sich im Reflexionsbild deutlich abzeichnen wird. Da zwischen
der Bilderfassungsvorrichtung und der zu prüfenden Oberfläche eine
Relativbewegung statt findet und da die Bilderfassungsvorrichtung
in zeitlicher Abfolge zumindest zwei Abbilder der beleuchteten Oberfläche erfasst,
wird sich die Störung
des Reflexionsbildes in den erfassten Abbildern fortpflanzen. Somit
lasst sich bei Vergleich der erfassten Abbilder durch eine Auswertungsvorrichtung
eine Abweichung der Abbilder voneinander ermitteln. Bei einer Oberfläche ohne
Deformationen werden die erfassten Abbilder auch in zeitlicher Abfolge
gleichartig aussehen, da jeder Abschnitt der Oberfläche gleichartig
und insbesondere gerichtet reflektieren wird. Durch die zeitlich
versetzte Erfassung von zumindest zwei Abbildern und durch den anschließenden Vergleich
der erfassten Abbilder, kann beispielsweise mittels eines Bildanalyseverfahren
der sich fortpflanzende Fehler, insbesondere die unterschiedlichen Reflexionsmuster,
deutlich dargestellt werden.
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Im
Vergleich zu einem gerichteten Lichtstrahl lassen sich mit einem
divergenten Strahlenbündel deutlich
höhere
Auflösungen
erreichen, insbesondere eignet sich das Verfahren somit zur Erkennung
von Erhöhungen
und Vertiefungen in einer Oberfläche. Gegenüber einer
bekannten Dunkelfeldbeleuchtung hat das erfindungsgemäße Verfahren
den ganz besonderen Vorteil, dass Fingerabdrücke und Staubteilchen, sowie
auf der Oberfläche
aufgebrachte Abdrücke,
die Güteprüfung der
Oberfläche
nicht negativ beeinträchtigen.
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Die
Beleuchtung der Oberfläche
mit einem divergenten Strahlenbündel
hat den weiteren ganz besonderen Vorteil, dass durch die, aus unterschiedlichen
Richtungen auf die Oberfläche
treffenden Lichtstrahlen, beliebig ausgerichtete Deformationen erfasst
werden können,
ohne die Oberfläche
aus unterschiedlichen Richtungen beleuchten zu müssen. Durch die Relativbewegung
zwischen Bilderfassungsvorrichtung und der zu prüfenden Oberfläche, sowie
durch die Erfassung von zumindest zwei Abbildern, wird der zu prüfende Oberflächenabschnitt
hinreichend erfasst, um daraus zuverlässig eine Abweichung im Abbild
und damit eine zugrunde liegende Deformation feststellen zu können.
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Neben
einem Vergleich der erfassten Abbilder und einer Ermittlung einer
Abweichung daraus, kann gemäß einer
Weiterbildung auch eine Abweichung von einem Referenzbild ermittelt
werden. Beispielsweise kann es durch die Mikrostrukturierung der
Oberfläche
aufgrund der Oberflächenbehandlung,
zu einer deutlichen Abweichung beim Vergleich der erfassten Abbilder
kommen. Diese Abweichung rührt
jedoch nicht von einer Deformation der Oberfläche her, sondern lässt sich
durch ein Helligkeitsrauschen beschreiben, welches von der mikrostrukturierten
Oberfläche
hervorgerufen wird. Wird nun anspruchsgemäß die Abweichung von einem
Referenzmuster ermittelt, lassen sich Störeffekte aufgrund der Oberflächenstruktur
weitestgehend eliminieren. Auf einer Oberfläche, beispielsweise einer Oberfläche einer
Frontplatte eines Bedienfeldes, können jedoch auch gewollte Deformationen
vorhanden sein, beispielsweise Öffnungen
für Bedienelemente
und/oder optische Gestaltungselemente. Diese würden bei der Erfassung der
Abbilder und dem anschließenden Vergleich
ggf. als Abweichung erkannt werden. Das Referenzmuster könnte nun
beispielsweise derartige bekannte Abbilder hinterlegt haben, so
dass diese vom erfindungsgemäßen Verfahren
nicht als Fehler ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann
nun für
eine Vielzahl von Oberflächen
eingesetzt werden, wobei für
jede Oberfläche
ein definierter Sollzustand festlegbar ist. Dieser Sollzustand könnte beispielsweise
als Referenzmuster hinterlegt sein, ein Wechsel der zu prüfenden Oberflächenstruktur
ist somit ganz einfach möglich,
indem ein neues Referenzmuster zur Ermittlung der Abweichung angewendet
wird.
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Zur
Ermittlung der Abweichung zwischen den erfassten Abbildern eigenen
sich all jene Verfahren, mit denen Unterschiede in optischen Abbildern ermittelt
werden können.
Beispielsweise kann eine Differenzbildanalyseverfahren verwendet
werden, bei der vereinfacht dargestellt, von einem ersten erfassten
Abbild ein zweites erfasstes Abbild subtrahiert wird. Im Er gebnisbild
scheinen nur noch jene Abschnitte auf, in denen zwischen den beiden
Abbildern ein Unterschied bestand.
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Ein
weiteres mögliches
Verfahren verwendet eine Histogrammanalyse. Dabei wird das Histogramm
des ersten Abbilds ermittelt und dieses mit dem zweiten Abbild verknüpft, beispielsweise
ebenfalls substraktiv, so dass auch hier wiederum die Abweichungen
in der Helligkeitsverteilung im Abbild deutlich in Erscheinung treten.
Gegebenenfalls kann zusätzlich
noch eine Histogrammspreizung durchgeführt werden, um somit eine Erhöhung des
Kontrasts und damit eine deutlichere Darstellung der Abweichung
zu erreichen.
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Ein
weiteres mögliches
Verfahren zur Ermittlung der Abweichung basiert auf einer Schwellwertanalyse,
bei der ähnlich
wie bei der Histogrammanalyse, ein Mittelwert der Helligkeitsverteilung
in einem ersten Abbild ermittelt wird, dieser Mittelwert mit dem zweiten
Abbild verknüpft
wird, wobei jene Abschnitte mit dem größten Abweichungen vom Mittelwert
durch die Störungen
der Oberfläche,
also die Deformationen hervorgerufen werden. Von besonderem Vorteil sind
all jene Verfahren, mit denen mittels Schwellwerten die Empfindlichkeit
des Verfahrens beeinflusst werden kann. Da aufgrund der mikrostrukturierten Oberfläche immer
geringfügige
Unterschiede zwischen den erfassten Abbilder bestehen werden, diese
jedoch vom Strukturrauschen und nicht von tatsächlichen Deformationen herrühren, kann
durch entsprechende Wahl des Schwellwerts die Empfindlichkeit und
somit die erzielbare Auflösung
einstellbar ist. Bei entsprechend hoch eingestellten Schwellwerten
werden nur starke Störungen
der Oberfläche
erkannt, während
bei niedrigen Schwellwerten auch kleinste Störungen erfasst werden können, die
sich oft nur geringfügig
von den strukturbedingten Unregelmäßigkeiten der Oberfläche unterscheiden.
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In
einer Weiterbildung kann das Schwellwertanalyseverfahren eine adaptive
Anpassung der Schwellwerte durchführen, um so unmittelbar auf sich ändernde
Oberflächenbeschaffenheiten
reagieren zu können.
Dies ist bspw. dann von besonderem Vorteil, wenn aufeinander folgend
Oberflächen
zu prüfen
sind, die nicht gleichartig zur Relativbewegung ausgerichtet sind.
Aufgrund der mikrostrukturierten Oberfläche wird das Reflexionsbild
der unbeschädigten
Oberfläche
blickrichtungsabhängig
sein, so dass der Anteil des strukturbedingten Helligkeitsrauschens
zwischen zwei zu prüfenden
Oberflächen schwanken
kann. Durch eine adaptive Anpassung der Schwellwerte kann das erfindungsgemäße Verfahren
sofort auf die geänderte
Grundreflexion reagieren.
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Ein
weiteres Verfahren zur Eliminierung des unvermeidlichen Strukturrauschens
basiert auf einer spektralen Analyse, da sich die Reflexionen aufgrund von
Mikrostrukturen der Oberflä che,
in zeitlicher Abfolge der erfassten Abbilder sehr stark ändern, also im
Frequenzspektrum der Abweichung zu hohen Frequenzkomponenten führen. Durch
Wahl entsprechender Frequenz-Schwellwerte lassen sich die hohen
Frequenzkomponenten und damit das Strukturrauschen unterdrücken, wobei
auch hier eine adaptive Anpassung der Schwellwerte möglich ist.
Im Hinblick auf eine automatisierte Qualitätsprüfung von Oberflächen ist
eine Weiterbildung von besonderem Vorteil, nach der kontinuierlich
Abbilder erfasst werden. Als Bilderfassungsvorrichtung kann beispielsweise
eine bekannte CCD- oder CMOS-Kamera verwendet werden, die das erfasste
Abbild in digitaler Form bereitstellt. Durch eine entsprechend hohe
Erfassungsfrequenz kann auch direkt der Betrag der Geschwindigkeit
der Relativbewegung beeinflusst werden, denn je schneller die Abbilder
erfasst werden können,
desto größer kann
die Relativbewegung sein und trotzdem noch kleine Deformationen
erfassen zu können.
Erfindungsgemäß werden
in zeitlicher Abfolge zumindest zwei Abbilder der zu prüfenden Oberfläche erfasst,
wobei nach einer anspruchsgemäßen Weiterbildung
auch die Relativbewegung als kontinuierliche Bewegung erfolgt. Das
Bauteil mit der zu prüfenden
Oberfläche
kann somit kontinuierlich an der Bilderfassungseinrichtung vorbei
beweget werden, ohne dass ein schrittweiser Transport erforderlich
ist. Für
den Aufbau und den Betrieb der Prüfeinrichtung hat diese Weiterbildung
den Vorteil, dass eine kontinuierliche Transportvorrichtung einfacher aufgebaut
ist, einen höheren
Durchsatz ermöglicht und
eine geringere mechanische Belastung für das zu prüfende Bauteil bringt. Von besonderem
Vorteil ist ferner, dass die Güteprüfung quasi
in Echtzeit durchgeführt
werden kann, wobei insbesondere nach Durchlauf des zu prüfenden Bauteils
durch die Prüfeinrichtung,
das Ergebnis der Güteprüfung zur
Verfügung
steht.
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Zur
Erreichung eines möglichst
hohen Auflösungsvermögens und
zur Abdeckung eines möglichst
großen
Bereichs der zu prüfenden
Oberfläche ist
eine Weiterbildung von Vorteil, wonach das divergente Strahlenbündel einen
streifenförmigen
Abschnitt der Oberfläche
beleuchtet. In einer bevorzugten Ausbildung weist dieser streifenförmige Abschnitt beispielsweise
eine Breite im Bereich von 3 mm bis 15 mm auf, insbesondere ist
der Abschnitt 10 mm breit. In diesem Abschnitt konzentriert sich
ein Großteil
der Helligkeit der Lichtquelle, wobei es im Querschnitt des beleuchteten
Abschnitts bevorzugt zu einer gaußschen Helligkeitsverteilung
kommt. Die anspruchsgemäße Weiterbildung
hat jedoch auch noch den Vorteil, dass im Wesentlichen nur der streifenförmige Abschnitt
mit hoher Intensität
beleuchtet wird, währenddessen
die verbleibenden Oberflächenabschnitte
weitestgehend unbeleuchtet bleiben und es somit zu keinen unerwünschten
Reflexionen bzw. Lichteinstrahlungen in die Bilderfassungs vorrichtung kommen
kann. Für
die Ermittlung der Abweichung hat diese Weiterbildung insbesondere
den Vorteil, dass der Vergleich bzw. die Abweichungsanalyse nur in
einem begrenzten Abschnitt des erfassten Abbilds durchgeführt werden
muss, was die zu analysierende Informationsmenge wesentlich reduziert
und somit eine deutlich erhöhte
Verarbeitungsgeschwindigkeit ermöglicht.
Diese Abmessungen hängen
im Wesentlichen von der Ausbildung der divergenten Lichtquelle ab.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf diese
Detailausbildung beschränkt, die
Abmessungen des beleuchteten Abschnitts ergeben sich insbesondere
aus den minimal zu detektierenden Deformationen. Gilt es Deformationen
im sub-Millimeterbereich zu erkennen, wird der beleuchtete Abschnitt
deutlich schmäler
sein. Auch sind von der Geraden abweichende Linienformen denkbar. Beispielsweise
kann eine Oberfläche
eine gewollte Verformung aufweisen, die zu einer permanenten Verzerrung
des auftreffenden Strahlenbündels
und damit zur Abweichung von der Geraden führt. Unter Kenntnis der Oberflächengeometrie
könnte
die divergente Lichtquelle das Strahlenbündel bereits entsprechend verzerrt
auf die Oberfläche
leiten, so dass im Abbild der Oberfläche wiederum ein gerader Lichtstreifen
erfasst wird.
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Nach
einer Weiterbildung wird aus der Änderung der Helligkeitsverteilung
im erfassten Abbild, die Position der Abweichung ermittelt, wobei
die lokale Änderung
der Helligkeitsverteilung im Abbild, durch eine Deformation in der
Oberfläche
des zu prüfenden Gegenstandes
herrührt.
Von besonderem Vorteil ist dabei, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine
Deformation in der Oberfläche,
auf eine Änderung
einer erfassten Helligkeitsverteilung übergeführt werden kann, wobei aus
dieser Helligkeitsänderung mittels
Bildanalyseverfahren die Position der Änderung ermittelt werden kann.
Somit ist eine kontaktlose und in ihrer Auflösung einstellbare Möglichkeit
geschaffen, strukturelle Störungen
in einer Oberfläche zu
erfassen.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt auch darin, dass ein Defekt in der Oberfläche in einer zeitlichen Abfolge
der ermittelten Abweichungen, zu einem eindeutigen und klar erkennbaren Muster,
insbesondere einem streifenförmigen
Muster führt,
wobei dieses streifenförmige
Muster parallel zur Richtung der Relativbewegung ausgerichtet ist. Durch
die Erfassung der Abbilder in zeitlicher Abfolge und Ermitteln der
Abweichung daraus, lässt
sich eine Bewegungsspur der Abweichung darstellen. Die ermittelte
Abweichung zwischen zwei hintereinander erfassten Abbildern ist
dabei um jenen Weg in Richtung der Relativbewegung gewandert, der
durch die Zeit zwischen den erfassten Abbildern, in Relation zur
Relativgeschwindigkeit gegeben ist. Bei der Analyse der Abweichung
zur Bestimmung der Fehlerposi tion, können nun in vorteilhafter Weise
all jene Suchalgorithmen eingesetzt werden, die besonders für streifen
bzw. linienartige Muster optimiert sind. Auch eine quer bzw. schräg zur Relativbewegung
orientierte Deformation, wird in der Bildfolge der ermittelten Abweichungen
in einem Streifen entsprechender Breite resultieren.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine divergente Lichtquelle
gelöst,
bei der eine abschnittsweise reflektierende Mantelfläche eines
Reflektors konvex ausgebildet ist und ein aus einer ersten Richtung
einfallendes Strahlenbündel
einer Strahlungsquelle in ein divergentes Strahlenbündel in
eine zweite Richtung reflektiert. Bekannte Strahlungsquellen sind
zur Erzeugung eines divergenten Strahlenbündel weitestgehend nicht geeignet,
da das geformte Strahlenbündel
bspw. aufgrund der endlichen Größe der Strahlungsquelle,
sowie durch gegebenenfalls im Strahlengang angeordnete optische Elemente,
zwar gegebenenfalls divergente Lichtstrahlen aufweist, die Strahlungsintensität im Strahlenbündel jedoch
nicht den gewünschten
Verlauf aufweist. Insbesondere ist gefordert, dass von der divergenten
Lichtquelle nur ein sehr schmales Strahlenbündel mit hoher Strahlungsintensität abgegeben wird,
wobei außerhalb
des Strahlenbündels
nur eine sehr geringe bzw. keine Lichtintensität vorhanden sein darf. Mit
bekannten Strahlungsquellen wird dies beispielsweise durch Zwischenschalten
bzw. Vorschalten von Blenden erreicht, wobei es an derartigen Vorrichtungen
wiederum zu Beugungseffekten kommen kann, welche die gewünschte Strahlformung
beeinträchtigen.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung
einer divergenten Lichtquelle wird sichergestellt, dass das einfallende
Strahlenbündel
der Strahlungsquelle mittels des konvexen Reflektors derart in eine
zweite Richtung umgelenkt wird, dass ein divergentes Strahlenbündel abgegeben
wird, wobei durch die bauliche Ausbildung der reflektierenden Mantelfläche, der
Reflektor quasi eine punktförmige Lichtquelle
darstellt und somit einoptimal divergentes Strahlenbündel abzugeben
vermag.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung erhält man, wenn der Reflektor
einen kreisförmigen Querschnitt
aufweist, da der Reflektor somit besonders einfach aufgebaut ist,
durch eine Vielzahl technologisch gut beherrschbarer Verfahrensschritte
herstellbar ist und durch entsprechende Ausbildung der reflektierenden
Mantelfläche
ferner sichergestellt ist, dass es aufgrund des Reflexionsgesetzes
für jeden aus
der ersten Richtung einfallenden Lichtstrahl genau einen, in die
zweite Richtung reflektierten Lichtstrahl gibt, wodurch eine im
Wesentlichen ideale punktförmige
Lichtquelle gebildet wird, die insbesondere im Wesentlichen von
der Strahlungscharakteristik der optischen Strahlungsquelle unabhängig ist.
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Im
Hinblick auf die Ausbildung unterschiedlicher zu beleuchtender Abschnitte
ist eine Weiterbildung von Vorteil, nach der der Reflektor einen
zumindest stückweise
konvexen Querschnitt aufweist. Die Ablenkung des Lichtstrahls bzw.
des Strahlenbündels
in die zweite Richtung und damit die Aufweitung auf den beleuchteten
Bereich, wird durch den Krümmungsradius
der konvexen Mantelfläche
festgelegt. Der Reflektor könnte
beispielsweise drehbar gelagert sein, wobei jeweils ein Abschnitt
der stückweise
konvexen Mantelfläche
in Richtung der ersten Einfallsrichtung angeordnet ist, wodurch
sich die Aufweitung der reflektierten Strahlen in die zweite Richtung
gezielt festlegen lasst. Beispielsweise könnte der Reflektor auch eine
kombinierte konvex-konkave Mantelfläche aufweisen, wodurch sich
beispielsweise ein spezifisches Helligkeitsverteilugsprofil im reflektierten
Strahlenbündel
ausbilden lässt.
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Die
vorteilhafte Umlenkung in ein divergentes Strahlenbündel in
eine zweite Richtung wird insbesondere dadurch erreicht, dass die
erste und zweite Richtung einen Winkel im Bereich von 10° bis 80° einschließen. Durch
diese Weiterbildung ist sichergestellt, dass die Strahlungsquelle
ihr Strahlenbündel überwiegend
in Richtung des Reflektors abgibt, so dass ein indirekter Lichteinfall
von der Strahlungsquelle auf das zu beleuchtende Objekt verhindert wird.
Bevorzugt wird die Hauptstrahlungsrichtung des ersten einfallenden
Strahlenbündels
bezüglich einer
Horizontalen durch den Auftreffpunkt am Reflektor, einen Winkel
von 45° einschließen, wobei
dieser Winkel in einem Bereich von +/–30° um den angegebenen Wert variieren
kann. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Strahlungsquelle,
gesehen in normaler Richtung zur prüfenden Oberfläche, zwischen
dem Reflektor und der Oberfläche
angeordnet ist, wobei insbesondere der Lichtaustritt der Strahlungsquelle
in Richtung des Reflektors orientiert ist, so dass auch gegebenenfalls
vorhandenes Streulicht nicht auf die zu prüfende Oberfläche gelangt.
Auch ist durch diese Weiterbildung sicher gestellt, dass der Reflektor
quasi eine punktförmige
Lichtquelle darstellt, was für
ein divergentes Strahlenbündel
von ganz besonderem Vorteil ist. Die Bildung des divergenten Strahlenbündels hängt jedoch
ganz wesentlich vom Auftreffpunkt des einfallenden Strahlenbündels auf
die Mantelfläche
des Reflektors ab. Trifft das erste Strahlenbündel beinahe tangential auf
den Reflektor, kommt es zu einer starken Aufweitung des reflektierten
Strahlenbündels.
Durch Wahl des Auftreffpunkts und durch die Ausbildung der konvexen
bzw. konvex-konkaven Mantelfläche,
lassen sich die Aufweitung und die Intensitätsverteilung im reflektierten Strahlenbündel festlegen.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist die reflektierende Mantelfläche verspiegelt und/oder hochglanzpoliert,
was den Vorteil hat, dass derartige mechanische Bearbeitungsverfahren
weit verbreitet sind, eine besonders hohe Oberflächengüte erreichen lassen und dennoch
kosten günstig
anwendbar sind. Abhängig
vom Material des Tragkörpers
wird die entsprechende Oberflächenvergütung gewählt, wobei
beispielsweise eine Ausbildung des Tragkörpers als hochglanzpolierter
metallischer Zylinder bevorzugt ist.
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Bei
den zu prüfenden
Bauteilen handelt es sich beispielsweise um Frontplatten bzw. Bedientafeln
technischer Vorrichtungen, die zumeist eine begrenzte endliche Flächenausdehnung
aufweisen. Beispielsweise haben Frontplatten technischer Haushaltsgeräte zumeist
eine Breite von einigen cm, wodurch eine Weiterbildung des Reflektors
von Vorteil ist, nach der dieser eine Längserstreckung im Bereich von
10 cm bis 30 cm und einen Durchmesser im Bereich von 0,5 cm bis
3 cm aufweist. In einer bevorzugten Ausbildung ist der Reflektor
20 cm lang und hat einen Durchmesser von 1 cm. Diese Ausbildung stellt
sicher, dass mit einem Reflektor die gesamte Breite eines zu prüfenden Bauteils
beleuchtet werden kann und somit eine Güteprüfung der Oberfläche unter
Einsatz des erfindungsgemäßen divergenten Leuchtmittels
in einem Vorgang erfolgen kann. Durch spezifische Wahl des Durchmessers
des Reflektors bzw. durch Festlegung der Krümmung der konvexen Mantelfläche, lässt sich
die Aufweitung des divergenten Lichtstrahls gezielt einstellen.
So wird mit einem geringen Durchmesser eine große Aufweitung erreicht, während dessen
ein großer
Durchmesser des Reflektors ein sehr schmales Strahlenbündel in
die zweite Richtung reflektiert. Die angegebenen Abmessungen des
Reflektors zeigen nur eine bevorzugte Ausbildung. Im Wesentlichen
sind die Abmessungen des Reflektors nicht begrenzt, da die erfindungsgemäße Lichtquelle
in einem Verfahren zur Güteprüfung von
deutlich größeren bzw.
kleineren Bauteilen als hier angegeben, verwendet werden kann.
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Die
optische Strahlungsquelle kann nun durch eine Vorrichtung der Gruppe
umfassend Glühwendellampe,
Punktstrahler, Flächenstrahler,
kohärente
und nicht kohärente
Halbleiterstrahlungsquelle gebildet sein. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung
des Reflektors mit einer konvexen Mantelfläche ist sichergestellt, dass
unabhängig
von der verwendeten optischen Strahlungsquelle und der damit zusammenhängenden
Richtcharakteristik des aus der ersten Richtung einfallenden Strahlenbündels, ein
divergentes Strahlenbündel
in die zweite Richtung reflektiert wird. Insbesondere ist als optische
Strahlungsquelle sowohl eine Glühwendellampe
mit einer weitestgehend kugelförmigen
Abstrahlcharakteristik möglich,
ebenso ist auch ein Punktstrahler wie beispielsweise eine Lichtbogenlampe
einsetzbar. Beispielsweise kann eine Halogenglühlampe mit hochfrequenter Energieversorgung
verwendet werden, was den Vorteil hat, dass es zu keinen Interferenzen mit
der Wiederholfrequenz der Bilderfassungsvorrichtung kommt. In einer
bevorzugten Ausbildung wird eine flächenhafte Halbleiter strahlungsquelle
verwendet, bei der eine Mehrzahl von Leuchtdioden derart angeordnet
sind, dass eine gleichmäßige Intensitätsverteilung über die
Fläche
der Strahlungsquelle sichergestellt ist. Die optische Strahlungsquelle
ist jedenfalls derart ausgebildet, dass das erzeugte Licht überwiegend
nur in eine Richtung, insbesondere in Richtung des Reflektors abgegeben
wird. Allfällige Streukomponenten,
wie sie beispielsweise bei einem Kugelstrahler zwangsläufig auftreten,
werden durch eine entsprechende bauliche Ausbildung der Strahlungsquelle
unterdrückt.
Von Bedeutung ist jedenfalls, dass die Strahlungsquelle den Reflektor
entlang dessen Längserstreckung
homogen beleuchtet.
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Bevorzugt
ist die optische Strahlungsquelle, insbesondere der Richtungsvektor
der höchsten Strahlungsintensität, normal
zur Achse der Längserstreckung
des Reflektors ausgerichtet. In einer Weiterbildung kann die Lichtquelle
verschwenkbar ausgebildet sein, so dass der Richtungsvektor der
Hauptintensität
des abgegebenen Strahlenbündels
der Strahlungsquelle und eine Langsachse des Reflektors, einen Winkel
im Bereich von 0 bis +/–50° zueinander
einschließen.
Diese Ausbildung hat den besonderen Vorteil, dass auch Oberflächen mit
Hinterschneidungen geprüft
werden können,
also dass das reflektierte Strahlenbündel beispielsweise auch eine Oberfläche hinter
einer, auf der Oberfläche
angebrachten Abdeckung beleuchten kann. Beispielsweise würde bei
einem, zur Ausrichtung der Oberfläche normalen Lichteinfall0
ein auf der Oberfläche
angeordnetes Element mit einer Hinterschneidung, den eintreffenden
Lichtstrahl abschatten und so eine Oberflächenprüfung verhindern. Durch die
verschwenkbare Ausbildung kann das reflektierte Strahlenbündel bzw.
die zweite Richtung gezielt geändert werden,
um beispielsweise auch nicht plane Oberflächen bzw. strukturierte Oberflächen prüfen zu können. In
einer Weiterbildung könnte
auch die Bilderfassungsvorrichtung zur Aufnahme des beleuchteten Abschnitts
der Oberfläche
verschwenkbar ausgebildet sein und insbesondere der Schwenkbewegung der
Lichtquelle entsprechend folgen. Zum besseren Verständnis der
Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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Es
zeigen jeweils in stark schematisch vereinfachter Darstellung:
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1 eine
Vorrichtung zur Güteprüfung von Oberflächen;
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2a)
und b) zwei mögliche
Ausbildungen einer divergenten Lichtquelle;
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3 eine
mögliche
Ausbildung des Reflektors zur Bildung unterschiedlicher divergenter
Strahlenbündel;
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4 die
Reflexionssituation beim Auftreffen eines divergenten Strahlenbündels auf
eine Deformation in einer Oberfläche;
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5a)
bis e) eine Folge von erfassten Abbilder bei der Bewegung einer
Deformation durch einen, von einer divergenten Lichtquelle beleuchteten Abschnitt;
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6 ein
divergent beleuchteter Abschnitt auf einer Oberfläche mit
angeordneten Bedien- und Anzeigeelementen;
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7a)
und b) großflächige Verformungen unter
divergenter Beleuchtung.
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Einführend sei
festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche
Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen
versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen
Offenbarungen sinngemäß auf gleiche
Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen
werden können.
Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z. B. oben,
unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte
Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die
neue Lage zu übertragen.
Weiters können
auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten
und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische
oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
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Sämtliche
Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind
so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus
mit umfassen, z. B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass
sämtliche
Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen
Grenze 10 mitumfasst sind, d. h. sämtliche Teilbereich beginnen mit
einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen
Grenze von 10 oder weniger, z. B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder
5,5 bis 10.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Güteprüfung von
Oberflächen.
Die Vorrichtung umfasst eine divergente Lichtquelle 1 und
eine Bilderfassungsvorrichtung 2, wobei die Lichtquelle 1 ein
divergentes Strahlenbündel 3 auf
einen Abschnitt 4 der Oberfläche 5 eines Bauteils 6 lenkt.
Die Bilderfassungsvorrichtung 2 ist auf die Oberfläche 5 ausgerichtet
und erfasst in zeitlicher Abfolge zumindest zwei Abbilder des beleuchteten
Abschnitts 4 der Oberfläche 5.
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Die
Bilderfassungsvorrichtung 2 ist bspw. durch eine CCD oder
CMOS-Kamera gebildet, weist bspw. eine Auflösung von 1024×256 Pixel
auf und ist zur Erfassung von 50 Bilder je Sekunde ausgebildet. In
einer bevorzugten Ausbildung ist die Kamera, insbesondere der Bildwandler
bzw. die Optik, mit einem Abstand 7 von 38 cm von der Oberfläche 5 entfernt angeordnet
und erfasst einen Bereich 8 der Oberfläche von 15 cm. Es liegt jedoch
im Wissen des Fachmanns, aus den optischen Kenndaten einer Bilderfassungsvorrichtung
den Erfassungsbereich zu ermitteln bzw. aus dem gewünschten
Erfassungsbereich die erforderliche Bilderfassungsvorrichtung und deren
Anordnung relativ zur Erfassungsoberfläche zu ermitteln.
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Die
divergente Lichtquelle 1 umfasst eine Strahlungsquelle 9 und
einen Reflektor 10, wobei der Reflektor derart ausgebildet
ist, dass ein aus einer ersten Richtung einfallendes erstes Strahlenbündel 11 in
eine zweite Richtung umgelenkt wird, wobei durch die Umlenkung ein
divergenter Lichtstrahl bzw. ein divergentes Strahlenbündel 3 abgegeben
wird. Trifft das divergente Strahlenbündel 3 auf die Oberfläche 5 des
Bauteils 6, kommt es zu einer Reflexion der einfallenden
Lichtstrahlen gemäß dem Reflexionsgesetz,
wobei durch die Divergenz des einfallenden Strahlenbündels 3 im
Falle einer fehler- bzw. deformationsfreien Oberfläche 5 gleichmäßig reflektiert wird
12. Aufgrund des auch hier anzuwendenden Reflexionsgesetzes kommt
es zu einer deutlichen Aufweitung 13 des reflektierten
Strahlenbündels.
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Die
Bilderfassungsvorrichtung 2 erfasst in zeitlicher Abfolge
und bevorzugt kontinuierlich Abbilder des Erfassungsbereichs 8,
der jedenfalls den divergent beleuchteten Abschnitt 4 umfasst.
Insbesondere besteht zwischen dem Bauteil 6 und der Bilderfassungsvorrichtung 2 eine
Relativbewegung, bevorzugt wird das Bauteil von einer Transportvorrichtung kontinuierlich
unter der Bilderfassungsvorrichtung 2 vorbeibewegt, sodass
kontinuierlich Abbilder des Erfassungsbereichs 8 erfasst
werden, die von einer Auswertevorrichtung verglichen werden und
eine Abweichung zwischen den erfassten Abbildern bzw. zwischen den
Abbildern und einem Referenzabbild ermittelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
hat nun insbesondere den Vorteil, dass eine automatische und insbesondere
kontinuierliche Güteprüfung der
Oberfläche 5 eines
Bauteils 6 möglich
ist und somit die ermüdende
und belastende manuelle optische Kontrolle durch eine Person vermieden
wird. Insbesondere ist durch das erfindungsgemäße Verfahren sichergestellt,
dass stets eine gleich bleibende Qualität der Oberflächenanalyse
gegeben ist, wobei durch entsprechende Einstellung von Schwellwerten
bei der Vergleichs- und/oder
Analyseoperation, die erreichbare Auflösung, also die Größe der erkennbaren
Oberflächenfehler
festgelegt werden kann.
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2a und 2b zeigen
zwei Möglichkeiten,
wie ein erstes Strahlenbündel
in ein divergentes zweites Strahlenbündel umgelenkt werden kann.
Die in den Figuren dargestellten Größenverhältnisse wurden zur verdeutlichten
Darstellung der Strahlformung nicht maßstäblich verzerrt. 2a zeigt
eine Ausbildung bei der die Strahlungsquelle 9 ein erstes Strahlenbündel 11 abgibt,
bei dem die einzelnen Lichtstrahlen weitestgehend parallel zueinander
verlaufen. Eine derartige Strahlungsquelle 9 kann bspw. durch
einen Laser oder einen Raumstrahler mit im Strahlengang angeordneter
Richtoptik gebildet sein. Die Lichtstrahlen des ersten Strahlenbündels 11 treffen
auf die reflektierende Mantelfläche 14 des
Reflektors 10 auf und werden von diesem als divergentes Strahlenbündels 3 in
die zweite Richtung, insbesondere in Richtung der Oberfläche 5 des
Bauteils reflektiert. Der Reflektor ist bspw. durch einen Tragkörper gebildet,
dessen Mantelfläche 14 mittels
mechanischer Bearbeitungsverfahren wie bspw. Feinpolieren und/oder
elektrochemischer sowie Aufdampfverfahren bearbeitet bzw. behandelt
wurde, sodass ein sehr hoher Reflexionsgrad erreicht wird. Bevorzugt
ist der Reflektor 10 durch einen hochglanzpolierten Metallstab
gebildet.
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Entsprechend
dem Reflexionsgesetz wird jeder einfallende Lichtstrahl des ersten
Strahlenbündels 11 im
gleichen Winkel zum Lot auf die Mantelfläche im Auftreffpunkt reflektiert.
Durch den konvexen Querschnitt der Mantelfläche ist der Winkel zwischen eintreffendem
Lichtstrahl und Lot auf die Mantelfläche, für jeden einzelnen Lichtstrahl
unterschiedlich, insbesondere wird sich dieser Winkel vom ersten
Reflexionspunkt 15 bis zum zweiten Reflexionspunkt 16 vergrößern, sodass
es zu einer entsprechenden divergenten Aufweitung kommt. Insbesondere
wird dadurch eine Licht abstrahlende Breite 17 der Strahlungsquelle 9 auf
einen beleuchteten Abschnitt 4 aufgeweitet. Von besonderem
Vorteil der erfindungsgemäßen divergenten
Lichtquelle 1 ist nun, dass jeder auf die Oberfläche 5 auftreffenden
Lichtstrahl 3 in einem unterschiedlichen Winkel auftrifft.
Der von der Oberfläche
reflektierte Strahl wird daher wiederum aufgeweitet, wodurch es
zu einer Erhöhung
der Auflösung
im Sinne einer optischen Vergrößerung kommt.
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Durch
die erfindungsgemäße Beleuchtung einer
Oberfläche
mit einem divergenten Lichtstrahl wird eine deutliche Steigerung
der Auflösung
erreicht, was bei bekannten Vorrichtungen zur Oberflächenprüfung nur
mit wesentlich erhöhtem
technischen Aufwand bei der Bilderfassungsvorrichtung und/oder bei
der Lichtquelle möglich
wäre.
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2b zeigt
eine weitere mögliche
Ausbildung der divergenten Lichtquelle 1, wobei in diesem Fall
eine weitestgehend punktförmige
Strahlungsquelle 9 zum Einsatz kommt. Weitestgehend punktförmige Strahlungsquellen
wie bspw. Lichtbogenlampen, haben in der Optik den Vorteil, dass
sie dem Idealfall eines ideal kleinen punktförmigen Kugelstrahlers sehr
nahe kommen. Technologisch sind punktförmige Strahlungsquellen jedoch
schwierig herstellbar, gilt es jedoch, in einem sehr kleinen Volumen eine
sehr hohe Strahlungsdichte zu erzeugen. Bei einer punktförmigen Strahlungsquelle
bewegen sich die Lichtstrahlen des ersten Strahlenbündels 11 im Idealfall
kugelförmig
in alle Richtung von der Strahlungsquelle weg. Gegebenenfalls weist
die Strahlungsquelle 9 daher bereits einen Strahlbegrenzer auf
bzw. ist im Strahlengang 11 eine Blende 17 angeordnet.
Die weiteren Verhältnisse
an dieser Ausbildung des Reflektors entsprechen denen aus 2a, sodass
hier auf obige Beschreibung verwiesen wird.
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3 zeigt
eine weitere mögliche
Ausbildung des Reflektors 10, bei dem die Mantelfläche 14 aus
mehreren stückweise
konvexen Abschnitten 18 gebildet ist, wobei jeder Abschnitt 18 bspw.
als Kreisbogen mit einem unterschiedlichen Radius 19 gebildet
sein kann. Zur Verdeutlichung sind in 3 die Grenzen
der Abschnitte dargestellt. Durch die unterschiedlich konvexen Mantelflächen lasst
sich das Reflexionsverhalten, insbesondere die Aufweitung des reflektierten
Strahls und damit die Breite des beleuchteten Abschnitts verändern. Beispielsweise
wird durch einen konvexen Abschnitt mit kleinem Radius 19a das
reflektierte Strahlenbündel
auf einen kleinen Abschnitt gelenkt, während dessen eine konvexe Mantelfläche mit
großem
Radius 19b eine große
Aufweitung des reflektierten Strahls bewirkt und somit auch der
beleuchtete Abschnitt auf der zu prüfenden Oberfläche vergrößert sein
wird. In einer Weiterbildung kann ein Abschnitt der Mantelfläche auch
kombiniert konvex-konkav ausgebildet sein, um so bspw. eine spezifische
Helligkeitsverteilung im beleuchteten Abschnitt zu erreichen. Durch
Verschwenken des Reflektors 10 um eine Drehachse 20 kann
der jeweils erforderliche konvexe Abschnitt 18 in den Strahlengang
des ersten einfallenden Strahlenbündels geschwenkt werden, um
somit das gewünschte
divergente Strahlenbündel
zu formen.
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4 zeigt
eine Detaildarstellung der Reflexionsverhältnisse eines einfallenden
divergenten Strahlenbündels 3 auf
eine reflektierende Oberfläche 5,
im Bereich einer Beschädigung
bzw. Deformation 21. In den deformationsfreien Abschnitten 22 der Oberfläche 5 werden
die Lichtstrahlen des einfallenden Strahlenbündels 3 entsprechend
dem Reflexionsgesetz reflektiert 12, wobei es aufgrund
der Divergenz des einfallenden Strahlenbündels 11 zu einer Aufweitung 13 des
reflektierten Strahlenbündels kommt.
Im Bereich einer Deformation 21 der Oberfläche werden
die einfallenden Lichtstrahlen des divergenten Strahlenbündels 3 ebenfalls
wiederum nach dem Reflektionsgesetz zurückgeworfen, aufgrund der Orientierung
der reflek tierenden infinitesimalen Teilflächen der Deformation 21,
welche insbesondere von der Ausrichtung der Oberfläche 5 abweichen, kommt
es zu einer weitestgehend umgerichteten Reflexion in verschiedene
Raumrichtungen 23. In der 4 ist dies
beispielhaft für
einige Lichtstrahlen 23 dargestellt.
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Das
Reflexionsmuster wird von einer über der
Oberfläche
angeordneten Bilderfassungseinrichtung erfasst, aufgrund der nicht
gleichförmigen
Reflexion wird es im erfassten Abbild zu deutlich erkennbaren Helligkeitsunterschieden
kommen.
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Erfindungsgemäß findet
zwischen der Bilderfassungsvorrichtung und dem Bauteil, insbesondere also
der Oberfläche 5,
eine Relativbewegung 24 statt, des weiteren werden in zeitlicher
Abfolge von der Bilderfassungsvorrichtung zumindest zwei Abbilder
des beleuchteten Abschnitts 4 erfasst, miteinander verglichen
und daraus eine Abweichung ermittelt. Durch die Relativbewegung 24 wandert
auch der beleuchtete Abschnitt 4 relativ zur Deformation 21 über die
Oberfläche 5,
wodurch sich die ungerichtete Reflexion 23 und somit auch
die Helligkeitsverteilung des erfassten Abbilds des reflektierten
Strahlenbündels 12 deutlich
indem wird. Durch Vergleich der erfassten Abbilder und ermitteln
einer Abweichung daraus, werden nur die sich ändernden Abschnitte im erfassten
Abbild aufscheinen. Insbesondere kann durch entsprechende Wahl der
Vergleichs- und Analyseoperation festgelegt werden, welche Strukturgrößen nach
dem Vergleich und der Ermittlung der Abweichung berücksichtigt
werden. Aufgrund der unvermeidlichen Oberflächenrauhigkeit der Oberfläche 5 wird
es immer zu einem gewissen Anteil an nicht gerichteter Reflexion
kommen, der sich im erfassten Abbild als Helligkeitsrauschen wieder
spiegelt, wodurch dieser Rauschanteil nach dem Vergleich und Bildung
der Abweichung als Fehler aufgezeigt werden würde. Durch Wahl eines Schwellwerts,
dessen Helligkeit insbesondere über
der durchschnittlichen Helligkeit dieses Reflexionsrauschens liegt,
kann dieser Anteil im Bild der Abweichung weitestgehend eliminiert
werden. Dieses Verfahren entspricht bspw. einer spektralen Mittelwertbildung,
wobei im Abbild statistisch gleichartige Bildkomponenten für die weitere Verarbeitung
zur Bildung einer Abweichung nicht berücksichtigt werden.
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5 zeigt mehrere in zeitlicher Abfolge
erfasste Abbilder der beleuchteten Oberfläche. Dargestellt ist hier eine
Ausbildung, nach der von der divergenten Lichtquelle ein doppelter
Lichtstreifen auf die Oberfläche
reflektiert wird. Die Oberfläche
weist einen Defekt in der Form einer Vertiefung auf, wobei das erfindungsgemäße Verfahren
jedoch selbstverständlich
auch für
hervortretenden Verformungen, sowie allgemeine, von einer gleichförmigen Oberflächenausrichtung
abweichende Verformungen geeignet ist; die erfassten Abbilder werden sich
jedoch geringfügig
von den dargestellten Abbildern unterscheiden. Von der Lichtquelle
wird ein divergenter Strahl 3 auf die Oberfläche 5 gelenkt
und beleuchtet auf dieser einen Abschnitt 4. In 5a befindet
sich die Deformation außerhalb
des beleuchteten Abschnitts und ist daher insbesondere mit freiem
Auge nicht erkennbar. Erst durch die Relativbewegung der Oberfläche bzw.
des Bauteils zur Bilderfassungsvorrichtung gelangt die Deformation 21 in
den beleuchteten Abschnitt, wobei durch die Deformation die gerichtete
Reflexion gestört
wird und es zu einer Änderung der
Beleuchtungslinie kommt, insbesondere weicht diese von der geraden
Linienform ab und es wird weiters zu Einschnürungen der Linienbreite kommen, wie
es in 5b dargestellt ist. 5c und 5d zeigen
die erfassten Abbilder bei fortschreitender Relativbewegung, also
bei Bewegung der Deformation durch den beleuchteten Abschnitt. Deutlich
erkennbar sind die starken Helligkeitsschwankungen im erfassten
Abbild, insbesondere wird die gerade Linienform des Lichtstreifens
stark gestört.
Bei 5d hat die Deformation den beleuchteten Abschnitt
passiert, die Beleuchtungslinie nähert sich wieder der Geraden
an. Wird nun aus den Abweichungen der einzelnen Abbilder ein Gesamtbild
ermittelt, zeigt sich eine streifenförmige Störung, die in Richtung der Relativbewegung
orientiert ist. In 6 ist ein weiterer besonderer
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt,
da auch Oberflächen
mit bereits angeordneten bzw. integrierten Bedienelementen auf Ihre Güte geprüft werden
können.
Bedienelemente 25, Anzeigenelemente 26, sowie
Gestaltungselemente 27 wie bspw. Aufdrucke, sind insbesondere
dadurch charakterisiert, dass sie im Gegensatz zur Oberfläche 5 nicht
oder nur unwesentlich reflektieren. Durch entsprechende Wahl der
Schwellwerte kann beim Vergleich der erfassten Abbilder und der
Ermittlung der Abweichung festgelegt werden, welches Mindestmaß an Reflexion,
also welche Mindesthelligkeit des reflektierten Strahlenbündel erforderlich
ist, um in einem Vergleich bzw. zur Ermittlung einer Abweichung
herangezogen zu werden. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung
der divergenten Lichtquelle ist sichergestellt, dass die Lichtintensität im beleuchteten
Abschnitt im Vergleich zur Umgebungshelligkeit sehr hoch ist, ferner
ist auch sichergestellt, dass abseits des beleuchteten Abschnitts 4 nur
sehr wenig bzw. kein Streulicht auf die Oberfläche auftrifft. Daher ist eine
zuverlässige
Unterscheidung zwischen einer Störung
der Reflexion aufgrund eines Einbauteils bzw. aufgrund einer Deformation
gegeben.
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Da
jede Deformation in der Oberfläche
zu einer Störung
der Lichtlinie auf der Oberfläche
führt, lassen
sich neben dem zuvor beschriebenen kleinräumigen und zumeist örtlich begrenzten
Deformationen bzw. Beschädigungen
in der Oberfläche,
auch großflächigere
Deformationen erkennen, die bspw. von Verspannungen der Bauteiloberfläche bzw.
von einer unsachge mäßen Druckverteilung
auf die Oberfläche
während
der Produktion und/oder während
der Montage herrühren.
Insbesondere ist eine plane, nicht deformierte Oberfläche dadurch
gekennzeichnet, dass die Beleuchtungslinie nicht von der geraden Linienform
abweicht, also dass insbesondere über die gesamte Länge des
beleuchteten Abschnitts, eine gleichmäßig breite und insbesondere
weitestgehend gleichmäßig helle
Linie reflektiert wird.
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7 zeigt derartige Störungen in einem erfassten Abbild,
wobei in 7a eine Unebenheit in einer
lackierten Oberfläche
dargestellt ist. Gegebenenfalls kann zu Schutz- bzw. Dekorationszwecken auf
einer glänzenden
bzw. reflektierenden Oberfläche,
insbesondere einer Metalloberfläche,
ein Schutzüberzug
in Form eines transparenten Lacks aufgebracht werden. Bei einem
ungleichmäßigen Lackauftrag
kann eine Unebenheit entstehen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
festgestellt werden kann, da die Lichtlinie 28 von ihrer
geraden Linienform abweicht. Ein ähnliches Abbild erhält man auch,
wenn bei der Montage der Bedienelemente 25 ungleichmäßiger bzw. übermäßiger Druck
auf die Oberfläche
bzw. das Bauteil ausgeübt
wurde, wodurch die Oberfläche
im betroffenen Abschnitt geringfügig
deformiert wurde, was mit freien Auge jedoch beinahe nicht erkennbar
ist.
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7b zeigt
ein weiteres mögliches
Fehlerbild, welches bspw. von einer Delle herrühren kann, wie sie bspw. bei
einem stoßartigen
Kontakt mit einem länglichen
Teil vorkommen kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bzw. die erfindungsgemäße divergente
Lichtquelle haben mm den ganz besonderen Vorteil, dass sich glänzende bzw.
stark reflektierende Oberflächen
bspw. von Abdeckblechen und/oder Frontplatten auf Deformationen
bzw. Schäden
untersuchen lassen, ohne dass eine manuelle Kontrolle durch eine
Person erforderlich wäre
und wobei insbesondere Verschmutzungen wie Staubteilchen und Fingerabdrücke das
Messergebnis nicht verfälschen.
Durch die spezielle Art der Beleuchtung mit einer divergenten Lichtquelle
lassen sich insbesondere stark reflektierende Oberflächen analysieren,
ohne dass es aufgrund von Streureflexionen zu einer Störung des
Erfassungsverfahren kommt. Mittels Bildanalyseverfahren lassen sich
aus den erfassten Abbildern jene Abschnitte ermitteln, in denen
zwischen den erfassten Abbildern ein großer Unterschied festgestellt
werden kann, der durch die sich ändernden
Reflexionsrichtungen der reflektierten Lichtstrahlen des reflektierten
Strahlenbündels gegeben
ist. Insbesondere wird es aufgrund der Relativbewegung zwischen
Oberfläche
und Bilderfassungseinrichtung, beim Relativbewegen des beleuchteten
Abschnitts im Bezug zu einer Deformation, zu einer stetigen Änderung
des erfassten Abbilds kommen, was sich eindeutig als Oberflächenfehler klassifizieren
lasst. Durch Analyse dieser stetigen Ände rungen lasst sich die Position,
sowie die Form und Abmessungen der Störung eindeutig erkennen. Mit
einer nachgeschalteten Auswertevorrichtung ist es bspw. möglich, aus
diesen ermittelten charakteristischen Werten der Störung eine
Klassifizierung zu erstellen, um darauf basierend eine Qualitätsklassifizierung
durchzuführen
und die geprüfte
Oberfläche frei
zu geben bzw. als fehlerhaft zu kennzeichnen und aus dem weiteren
Verfahrensprozess auszuscheiden.
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Die
Ausführungsbeispiele
zeigen mögliche Ausführungsvarianten
des Verfahrens zur Güteprüfung von
Oberfläche,
sowie der divergenten Lichtquelle, wobei an dieser Stelle bemerkt
sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten
derselben eingeschränkt
ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten
untereinander möglich
sind und diese Variationsmöglichkeit
aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche
Erfindung im Können
des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. Es
sind also auch sämtliche
denkbaren Ausführungsvarianten,
die durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und
beschriebenen Ausführungsvariante möglich sind,
vom Schutzumfang mit umfasst.
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In
der 3 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform
eines Reflektors der divergenten Lichtquelle gezeigt, wobei wiederum
für gleiche
Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den
vorangegangenen Figuren verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden,
wird auf die detaillierte Beschreibung in den vorangegangenen 1 und 2 hingewiesen bzw. Bezug genommen.
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Der
Ordnung halber sei abschließend
darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Verfahrens
zur Güteprüfung von
Oberfläche,
sowie der divergenten Lichtquelle, diese bzw. deren Bestandteile
teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder
verkleinert dargestellt wurden.
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Die
den eigenständigen
erfinderischen Lösungen
zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
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Vor
allem können
die einzelnen in den 1 bis 7 gezeigten
Ausführungen
den Gegenstand von eigenständigen,
erfindungsgemäßen Lösungen bilden.
Die diesbezüglichen,
erfindungsgemäßen Aufgaben
und Lösungen
sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.
-
- 1
- Divergente
Lichtquelle
- 2
- Bilderfassungsvorrichtung
- 3
- Divergenter
Lichtstrahl, divergentes Strahlenbündel
- 4
- Abschnitt
- 5
- Oberfläche
- 6
- Bauteil
- 7
- Abstand
- 8
- Erfassungsbereich
- 9
- Optische
Strahlungsquelle
- 10
- Reflektor
- 11
- Erster
Lichtstrahl, erstes Strahlenbündel
- 12
- Zweiter
Lichtstrahl, zweites Strahlenbündel
- 13
- Strahlaufweitung
- 14
- Mantelfläche
- 15
- Erster
Reflexionspunkt
- 16
- Zweiter
Reflexionspunkt
- 17
- Blende
- 18
- Abschnitt
- 19
- Radius
- 20
- Drehachse
- 21
- Deformation,
Beschädigung
- 22
- Abschnitt
- 23
- Nicht
gerichtete Reflexion
- 24
- Relativbewegung
- 25
- Bedienelement
- 26
- Anzeigeelement
- 27
- Gestaltungselement
- 28
- Lichtlinie
- 29
- Erste
Richtung
- 30
- Zweite
Richtung