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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Inspizieren eines Prüflings mit einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche, mit den Schritten:
- – Bereitstellen einer Kamera mit einer Anzahl von Pixeln,
- – Bereitstellen einer Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von räumlich verteilten Lichtquellen,
- – Positionieren des Prüflings relativ zu der Beleuchtungseinrichtung und der Kamera, so dass Licht der Lichtquellen über die Oberfläche zu der Kamera reflektiert wird,
- – Erzeugen einer Serie von unterschiedlichen Beleuchtungsmustern auf der Oberfläche, wobei im Verlauf der Serie verschiedene Lichtquellen angeschaltet werden,
- – Aufnehmen einer Serie von Bildern der Oberfläche mit jeweils einem der Beleuchtungsmuster, und
- – Bestimmen von Eigenschaften des Prüflings in Abhängigkeit von den Bildern.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum optischen Inspizieren eines Prüflings mit einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche, mit einer Kamera mit einer Anzahl von Pixeln, mit einer Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von räumlich verteilten Lichtquellen, mit einer Werkstückaufnahme zum Positionieren des Prüflings relativ zu der Beleuchtungseinrichtung und der Kamera, so dass Licht der Lichtquellen über die Oberfläche zu der Kamera reflektiert wird, mit einer Steuereinheit zum Erzeugen einer Serie von unterschiedlichen Beleuchtungsmustern auf der Oberfläche, wobei im Verlauf der Serie verschiedene Lichtquellen angeschaltet werden, und zum Aufnehmen einer Serie von Bildern der Oberfläche mit jeweils einem der Beleuchtungsmuster, und mit einer Auswerteeinheit zum Bestimmen von Eigenschaften des Prüflings in Abhängigkeit von den Bildern.
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Das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung verwenden eine Vielzahl von unterschiedlichen Beleuchtungsmustern, die jeweils einen räumlichen Intensitätsverlauf mit einer definierten Periode aufweisen. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Beleuchtungsmuster helle und dunkle Streifen, die quer zur Streifenrichtung einen sinusförmigen Intensitätsverlauf bilden. Verschiebt man ein solches Muster relativ zu der Oberfläche eines Prüflings und nimmt zumindest drei Bilder der Oberfläche mit den verschobenen Streifenmustern auf, kann man anhand der aufgenommenen Bilder verschiedene Eigenschaften der Oberfläche bestimmen, insbesondere die lokale Neigung jedes betrachteten Oberflächenpunktes oder ein lokales Streuverhalten des Oberflächenpunktes. Allerdings setzt das bekannte Verfahren voraus, dass die Reflexionseigenschaften der untersuchten Oberfläche eine hinreichend deutliche Trennung der hellen und dunklen Streifen in den aufgenommenen Bildern ermöglichen. Je schmaler die einzelnen Streifen des Beleuchtungsmusters sind, desto eher ”verschwimmen” die Streifen in den aufgenommenen Bildern, wenn die Oberfläche diffus streut. Andererseits ermöglichen schmale Streifen (das entspricht kurzen Perioden des Intensitätsverlaufs) eine höhere Auflösung und eine höhere Messgenauigkeit. Aus diesem Grund schlägt
DE 10 2007 063 529 A1 vor, mehrere Beleuchtungsmuster mit Intensitätsverläufen unterschiedlicher Periode zu verwenden, um auf diese Weise eine optimale Streifenbreite (Periode) zu bestimmen. Mit anderen Worten verwenden das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung eine Vielzahl von Beleuchtungsmustern mit räumlichen Intensitätsverläufen unterschiedlicher Periode, um eine für die Streucharakteristik der untersuchten Oberfläche repräsentative Kenngröße zu bestimmen.
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Das in
DE 10 2007 063 529 A1 beschriebene Verfahren und die entsprechende Vorrichtung ermöglichen eine automatisierte Inspektion eines Prüflings mit einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche, wobei das für die Inspektion benötigte Vorwissen über die Eigenschaften des Prüflings gegenüber noch älteren Verfahren reduziert werden kann. Allerdings sind das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung noch nicht optimal, da auch die Streifenrichtung Einfluss auf das Detektionsvermögen des Verfahrens und der Vorrichtung besitzt. Außerdem müssen für jede Streifenbreite (Periode) und für jede Streifenrichtung zumindest drei (vorzugsweise zumindest vier) Bilder der Oberfläche aufgenommen werden, wobei die Oberfläche in jedem Bild relativ zu den Streifenmustern verschoben ist. Bei einer unbekannten oder im Vorhinein schwer charakterisierbaren Oberfläche wird also eine hohe Anzahl an Bildaufnahmen und Schiebeschritten benötigt. Gleichwohl liefern das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung keine vollständige Charakterisierung einer unbekannten Oberfläche, es sei denn, man würde jeden Oberflächenpunkt mit einer großen Anzahl von Beleuchtungsmustern mit fein abgestuften Streifenbreiten, Streifenrichtungen und Schiebepositionen aufnehmen.
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Aus
WO 2005/031251 A1 sind ein ähnliches Verfahren und eine ähnliche Vorrichtung bekannt. Auch dieses Dokument schlägt die Verwendung von Beleuchtungsmustern mit unterschiedlicher Streifenperiode vor, um unter anderem die Reflektivität der Oberfläche eines Prüflings zu bestimmen. Hinsichtlich der Nachteile gilt das Gleiche wie bei dem Verfahren und der Vorrichtung aus
DE 10 2007 063 529 A1 .
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Es gibt eine Reihe von weiteren bekannten Verfahren zum Inspizieren eines Prüflings, wobei der Prüfling zusammen mit einem definierten Beleuchtungsmuster aufgenommen wird und die resultierenden Bilder ausgewertet werden. Hierzu gehören insbesondere Streifenprojektionsverfahren, bei denen ein Streifenmuster von einer bekannten Position aus auf die Oberfläche des Prüflings projiziert wird, um anhand von trigonometrischen Beziehungen Formmerkmale des Prüflings zu bestimmen. Des weiteren ist ein Verfahren als Shape from Shading bekannt. Hier handelt es sich um ein Verfahren, bei dem ein Prüfling ohne Änderung seiner Position relativ zu der Kamera aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet wird, wobei Formmerkmale des Prüflings anhand der unterschiedlichen Helligkeiten abhängig von der Lichteinfallsrichtung bestimmt werden. Streifenprojektion und Shape from Shading eignen sich jedoch nicht oder nur bedingt für Prüflinge mit einer stark glänzenden Oberfläche. Sie liefern darüber hinaus keine Charakterisierung der Prüflingsoberfläche, sondern nur Formmerkmale.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine möglichst umfassende messtechnische Charakterisierung und/oder Typisierung eines Prüflings mit einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche ermöglichen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei anhand der Bilder für zumindest ein Pixel ein individuelles Lichtherkunftsgebiet bestimmt wird, das eine räumliche Verteilung von (vorzugsweise allen) individuellen Lichtbeiträgen repräsentiert, die die Lichtquellen über die Oberfläche auf dem zumindest einen Pixel erzeugen, wobei die Eigenschaften des Prüflings anhand des individuellen Lichtherkunftsgebiets bestimmt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Auswerteeinheit erstens dazu ausgebildet ist, anhand der Bilder für zumindest ein Pixel ein individuelles Lichtherkunftsgebiet zu bestimmen, das eine räumliche Verteilung von individuellen Lichtbeiträgen repräsentiert, die die verwendeten Lichtquellen über die Oberfläche auf dem zumindest einen Pixel erzeugen, und wobei die Auswerteeinheit ferner dazu ausgebildet ist, die Eigenschaften des Prüflings anhand des individuellen Lichtherkunftsgebiets zu bestimmen.
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Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung beruhen auf der Idee, die Streucharakteristik eines Punktes an der Prüflingsoberfläche zu bestimmen, indem man untersucht, welche der räumlich verteilten Lichtquellen ein definiertes Kamerapixel über die Prüflingsoberfläche an dem betreffenden Oberflächenpunkt ”sehen” kann. Jede Lichtquelle, die das Kamerapixel über den Oberflächenpunkt ”sehen” kann, kann einen Lichtbeitrag auf dem Kamerapixel erzeugen. Dieser Lichtbeitrag hängt von der Position der Lichtquelle, der Position des Kamerapixels und der Streucharakteristik des Oberflächenpunktes ab. Handelt es sich um eine stark spiegelnde Oberfläche, gilt im Wesentlichen das Gesetz ”Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel”. Das definierte Kamerapixel wird daher nur eine geringe Anzahl von Lichtquellen ”sehen” können. Das Lichtherkunftsgebiet für das definierte Pixel ist relativ klein. Eine diffus streuende Oberfläche ”verteilt” einfallendes Licht hingegen in einen größeren Raumwinkel. Dementsprechend können auch weiter abseits liegende Lichtquellen, die das definierte Pixel nach dem Gesetz ”Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel” nicht erreichen können, trotzdem einen Lichtbeitrag auf dem Kamerapixel erzeugen.
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Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung nutzen diesen Zusammenhang, um die Streucharakteristik eines Oberflächenpunktes der Prüflingsoberfläche anhand der Raumrichtungen zu charakterisieren, aus denen Licht einen definierten Messpunkt, nämlich das definierte Kamerapixel, erreichen kann. Die Menge dieser Raumrichtungen definiert das Lichtherkunftsgebiet, das man alternativ auch als Lichteinzugsgebiet oder Lichtsammelgebiet eines bestimmten Kamerapixels bezeichnen könnte.
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Das Lichtherkunftsgebiet ermöglicht eine umfassende Charakterisierung der Streueigenschaften eines betrachteten Oberflächenpunktes. Anhand von Parametern, wie Form, Ausdehnung, Orientierung und/oder Symmetrie des Lichtherkunftsgebietes, können die Streueigenschaften des Oberflächenpunktes auf einfache und reproduzierbare Weise charakterisiert werden. Bestimmt man das Lichtherkunftsgebiet für eine Vielzahl von Kamerapixeln, erhält man eine ortsabhängige Charakterisierung der Streueigenschaften der Oberfläche.
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Die reproduzierbare Bestimmung des Lichtherkunftsgebietes ermöglicht eine einfache und schnell vergleichbare Typisierung von Prüflingen mit weitgehend unbekannten Oberflächeneigenschaften. Gleichzeitig erfordern das neue Verfahren und die neue Vorrichtung recht wenig Vorwissen über die Eigenschaften des Prüflings. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird im Verlauf der Serie jede Lichtquelle, deren Licht über die Oberfläche zu der Kamera reflektiert wird, einmal angeschaltet.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr genaue Bestimmung des individuellen Lichtherkunftsgebietes, und sie trägt daher zu einer umfassenden Charakterisierung der Prüflingsoberfläche bei. Prinzipiell genügt es, jede Lichtquelle, deren Licht über die Oberfläche zu der Kamera reflektiert wird oder werden kann, genau einmal anzuschalten, um den individuellen Lichtbeitrag dieser Lichtquellen zu bestimmen. Diese Variante ist in einigen Ausführungsbeispielen auch bevorzugt, um die Zahl der Bildaufnahmen zu reduzieren. Es ist jedoch auch möglich, Lichtquellen im Verlauf des neuen Verfahrens mehrfach anzuschalten, etwa um durch Mittelwertbildung statistische Einflüsse reduzieren zu können. Des Weiteren ist es prinzipiell möglich, jede vorhandene Lichtquelle zum Bestimmen des individuellen Lichtherkunftsgebietes eines Pixels (zumindest) einmal anzuschalten. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Reflexionseigenschaften des Prüflings unbekannt sind. Alternativ ist es möglich, Lichtquellen, deren Licht die Kamera über die Prüflingsoberfläche per se nicht erreichen kann, aufgrund von entsprechendem a-priori-Wissen unbenutzt bzw. unberücksichtigt zu lassen.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird im Verlauf der Serie jede Lichtquelle, deren Licht über die Oberfläche zu der Kamera reflektiert wird, einzeln angeschaltet. Besonders bevorzugt ist es in diesem Fall, wenn die einzelnen Lichtquellen Punktlichtquellen sind. In anderen Ausführungsbeispielen können die Lichtquellen dieser Ausgestaltung jedoch linienförmige Lichtquellen sein, die jeweils eine ”Lichtlinie” erzeugen.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr einfache Ansteuerung der Lichtquellen. Außerdem kann das individuelle Lichtherkunftsgebiet für eine Vielzahl von Pixeln durch einfaches Zusammenfügen der im Verlauf der Serie aufgenommenen Bilder bestimmt werden. In einem Ausführungsbeispiel werden für jedes betrachtete Kamerapixel alle Bilder zusammengruppiert, die einen Lichtbeitrag auf dem betrachteten Pixel erzeugen. Man erhält somit pro betrachtetem Kamerapixel einen Datensatz, der einen individuellen Lichtbeitrag in Abhängigkeit vom Ort der einzelnen Lichtquellen repräsentiert. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die einzelnen Lichtquellen nur wenig Zeit zum Aufheizen haben, so dass thermische Probleme vermieden werden. Insgesamt ermöglicht diese Ausgestaltung eine einfache und kostengünstige Realisierung der neuen Vorrichtung.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden im Verlauf der Serie mehrere Lichtquellen zeitgleich angeschaltet, um eine Vielzahl räumlich ausgedehnter Beleuchtungsmuster zu erzeugen, wobei die individuellen Lichtbeiträge der verwendeten Lichtquellen anhand der Vielzahl der räumlich ausgedehnten Beleuchtungsmuster berechnet werden.
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Prinzipiell ist es möglich, einen individuellen Lichtbeitrag aller verwendeten Lichtquellen auch dann zu bestimmen, wenn mehrere Lichtquellen zeitgleich angeschaltet sind. Im einfachsten Fall können Lichtquellen zeitgleich angeschaltet sein, deren Lichtbeiträge nur unterschiedliche Pixel erreichen. Für die einzelnen Pixel ist diese Situation identisch zu der alternativen Ausgestaltung, bei der jede Lichtquelle einzeln angeschaltet wird. Es ist jedoch auch möglich, individuelle Lichtbeiträge zu bestimmen, wenn mehrere Lichtquellen gleichzeitig einen Lichtbeitrag zu einem bestimmten Pixel liefern. Beispielsweise können die ausgedehnten Beleuchtungsmuster eine (zweidimensionale, flächig ausgedehnte) Fourier-Reihe bilden, aus der sich durch eine mathematische Fourier-Transformation die Lichtbeiträge der einzelnen Lichtquellen berechnen lassen. Dies entspricht der Zerlegung eines Dirac-Stoßes in eine Fourierreihe. Generell eignen sich ausgedehnte Beleuchtungsmuster, die eine große räumliche Bandbreite und einen Einzelpeak als Autokorrelationsfunktion besitzen. Hierzu gehören beispielsweise binäre Pseudo Random Noise(PRN)-Folgen oder sogenannte Chirp-Muster. Ein Chirp ist eine Sinusschwingung mit linear variierter Frequenz. Besonders vorteilhaft ist daher ein zweidimensionales Beleuchtungsmuster, das der Fresnel'schen Zonenplatte entspricht. Wenn man die Streucharakteristik der Prüflingsoberfläche nur in einer Betrachtungsrichtung analysieren möchte, eignen sich prinzipiell Beleuchtungsmuster mit parallelen Lichtlinien, die einzeln angeschaltet werden. Verwendet man eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von Punktlichtquellen, lassen sich solche Lichtlinien einfach erzeugen, indem man entlang der gewünschten Linie liegende Punktlichtquellen zeitgleich anschaltet. Schließlich können die individuellen Lichtbeiträge der verwendeten Lichtquellen auch anhand von räumlich ausgedehnten Beleuchtungsmustern bestimmt werden, indem man den ”Schwerpunkt” der verwendeten Beleuchtungsmuster aus Sicht des definierten Pixels berechnet. All diese Varianten ermöglichen eine Bildakquise mit einer reduzierten Anzahl an Bildern. Der „Preis” ist der erforderliche Rechenaufwand oder die Beschränkung der erhaltenen Informationen auf eine Prüflingsachse. Bei entsprechender Rechenkapazität lassen sich mit dieser Ausgestaltung jedoch sehr schnell arbeitende Vorrichtungen realsisieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden die Lichtquellen im Verlauf der Serie jeweils digital an- oder ausgeschaltet.
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In dieser Ausgestaltung werden die einzelnen Lichtquellen mit einer definierten und für alle Lichtquellen weitgehend gleichen Helligkeit angeschaltet, wenn sie zum Erzeugen der Beleuchtungsmuster benötigt werden. Alternativ ist es in anderen Ausgestaltungen möglich, die einzelnen Lichtquellen mit einer variablen Helligkeit anzuschalten, die zwischen den ”Extremwerten” (aus bzw. an mit maximaler/definierter Helligkeit) gemäß der hier bevorzugten Ausgestaltung liegen. Letzteres ist vorteilhaft, um Beleuchtungsmuster mit sinusförmigen Intensitätsverläufen zu erzeugen. Das ”digitale” An-/Ausschalten der einzelnen Lichtquelle ermöglicht allerdings höhere Kontraste und ein besseres Signal-/Rauschverhältnis in den aufgenommenen Bildern, was für die Bestimmung der individuellen Lichtherkunftsgebiete von Vorteil ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden Gebietseigenschaften des individuellen Lichtherkunftsgebietes identifiziert, wobei die Eigenschaften des Prüflings in Abhängigkeit von den Gebietseigenschaften des individuellen Lichtherkunftsgebiets bestimmt werden.
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In dieser Ausgestaltung wird der Prüfling anhand von Gebietseigenschaften des individuellen Lichtherkunftsgebietes charakterisiert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die identifizierten Gebietseigenschaften zumindest eine der folgenden Gebietseigenschaften repräsentieren: Form des individuellen Lichtherkunftsgebietes, Ausdehnung des individuellen Lichtherkunftsgebietes, Symmetrie des individuellen Lichtherkunftsgebietes, Orientierung des individuellen Lichtherkunftsgebietes, Intensitätsverteilung innerhalb des individuellen Lichtherkunftsgebietes. Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, kann die Ausdehnung des individuellen Lichtherkunftsgebietes ein qualitatives Merkmal sein, das die Breite der Streukeule der Prüflingsoberfläche an dem betrachteten Oberflächenpunkt charakterisiert. Ein ausgedehntes Lichtherkunftsgebiet deutet auf eine eher diffus streuende Oberfläche hin, während ein eng begrenztes Lichtherkunftsgebiet eine stark reflektierende Oberfläche anzeigt. Auch die Lage und Orientierung des Lichtherkunftsgebietes sowie dessen Symmetrie charakterisieren die Streueigenschaften der Prüflingsoberfläche. Die Intensitätsverteilung innerhalb des individuellen Lichtherkunftsgebietes liefert darüber hinaus noch Informationen, wie groß die Lichtbeiträge der einzelnen „sichtbaren” Lichtquellen (aus Sicht des definierten Kamerapixels) sind. Die Verwendung solcher Gebietseigenschaften ermöglicht eine einfache Typisierung der Prüflingsoberfläche anhand von wenigen Parametern. Dabei repräsentieren die bevorzugten Gebietseigenschaften wertvolle Informationen über die Prüflingsoberfläche. So deutet etwa ein stark unsymmetrisches Lichtherkunftsgebiet darauf hin, dass die Reflexionseigenschaften der Prüflingsoberfläche stark von der Betrachtungsrichtung abhängen, was Rückschlüsse auf Materialeigenschaften der Prüflingsoberfläche erlaubt, etwa auf Drehreifen, Fräsriefen oder andere richtungsabhängige Bearbeitungsspuren.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird in Abhängigkeit von den Gebietseigenschaften des individuellen Lichtherkunftsgebietes eine definierte Anzahl an weiteren Beleuchtungsmustern für weitere Bildaufnahmen bestimmt.
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In dieser Ausgestaltung ist die Bestimmung des Lichtherkunftsgebietes eine Voruntersuchung, um beispielsweise eine optimale Streifenbreite (Periode) und Streifenrichtung für eine weitere Inspektion des Prüflings unter Verwendung von Phasenschiebeverfahren durchzuführen, wie sie in der eingangs genannten
DE 10 2007 063 529 A1 beschrieben sind. Insbesondere wird in bevorzugten Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung eine lokale Oberflächenneigung des betrachteten Oberflächenpunktes anhand der weiteren Beleuchtungsmuster und Bildaufnahmen bestimmt. Die Ausgestaltung ermöglicht eine schnellere und gezielte Auswahl der optimalen Streifenbreite und -richtung für ein solches Ausführungsbeispiel.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Vielzahl von individuellen Lichtherkunftsgebieten für eine Vielzahl von Pixeln bestimmt.
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Diese Ausgestaltung erweitert das oben beschriebene Verfahren auf eine Vielzahl von Pixeln. Die Ausgestaltung ermöglicht auf einfache Weise eine ortsabhängige Charakterisierung einer Prüflingsoberfläche, d. h. eine Charakterisierung der Prüflingsoberfläche an einer Vielzahl von verteilt angeordneten Oberflächenpunkten.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Beleuchtungseinrichtung eine Matrix von zumindest 10×10 Lichtquellen auf. Besonders bevorzugt ist es in diesem Fall, wenn die einzelnen Lichtquellen individuell ansteuerbar sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Lichtquellen LEDs, die eine entsprechende Matrix bilden. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Beleuchtungseinrichtung ein LCD-Monitor oder ein Lichtprojektor sein, bei dem die Beleuchtungsmuster mit Hilfe einer geeigneten Maske im Lichtstrahl erzeugt werden.
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Eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Matrix von zumindest 10×10 Lichtquellen ermöglicht eine sehr variable und individuelle Realisierung des neuen Verfahrens für eine Vielzahl von unterschiedlichen Prüflingen. Darüber hinaus können die individuellen Lichtherkunftsgebiete für eine Vielzahl von Oberflächenpunkten einfach und schnell bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung bilden die Lichtquellen der Beleuchtungseinrichtung eine tunnelartige Mantelfläche, die die Oberfläche umgibt.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr flexible, individuelle und schnelle Inspektion eines unbekannten oder zumindest weitgehend unbekannten Prüflings nach dem neuen Verfahren. Durch die tunnelartige Mantelfläche wird ein großer Raumwinkelbereich mit Lichtquellen bedeckt, was dazu beiträgt, das individuelle Lichtherkunftsgebiet möglichst vollständig zu erfassen.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird eine erste und zumindest eine zweite Serie von unterschiedlichen Beleuchtungsmustern erzeugt, wobei die Beleuchtungsmuster der ersten und zweiten Serie gleich sind, aber in verschiedenen Abständen zu der Oberfläche erzeugt werden.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht auf einfache Weise eine zusätzliche Bestimmung von 3D-Koordinaten der betrachteten Oberflächenpunkte, da die individuellen Lichtherkunftsgebiete aus der ersten und der zweiten Serie aufgrund der Zentralperspektive des definierten Pixels nach Art einer Projektion in Beziehung stehen müssen. Damit ermöglicht diese Ausgestaltung eine umfassende Charakterisierung eines Prüflings in Bezug auf Formmerkmale und Oberflächeneigenschaften.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in einer vereinfachten, teilweise geschnittenen Seitenansicht,
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2 das Ausführungsbeispiel aus 1 in einer Ansicht von oben,
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3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens, und
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung und des neuen Verfahrens.
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In den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besitzt eine Kamera 12, eine Beleuchtungseinrichtung 14 mit einer Vielzahl von Lichtquellen 16 und eine Werkstückaufnahme 18. Die Lichtquellen 16 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel einzeln ansteuerbare LEDs, wobei in einigen Ausführungsbeispielen allerdings mehrere kleine LEDs zu einem größeren ”Lichtknoten” zusammengefasst sein können, um eine höhere Lichtmenge pro Lichtquelle zu erzeugen. Die zu einem ”Lichtknoten” zusammengeschalteten LEDs werden hier als eine Lichtquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden.
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Auf der Werkstückaufnahme 18 ist ein Prüfling 20 mit einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche 22 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Kanne mit einer lackierten, weitgehend glänzenden Oberfläche 22.
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Mit der Bezugsziffer 24 ist eine Zylinderschale bezeichnet, an deren innerer Mantelfläche eine Vielzahl von LEDs matrixartig angeordnet ist. Die Vielzahl der LEDs bildet eine ”Tapete” von Lichtquellen an der Innenseite der Zylinderschale 24. Konzentrisch im Inneren der Zylinderschale 24 ist eine lichtdurchlässige Mattscheibe 26 angeordnet, durch die das Licht der LEDs auf den Prüfling 20 fallen kann. Die Mattscheibe 26 ist in bevorzugten Ausführungsbeispielen eine satinierte Plexiglasplatte oder eine vergleichbare semitransparente Mattscheibe. Sie bewirkt, dass die einzelnen Lichtquellen hinter der Mattscheibe 26 verschwimmen und trägt somit dazu bei, dass auf der Mattscheibe 26 Beleuchtungsmuster mit weitgehend kontinuierlichen Helligkeitsverläufen (ohne ”Treppenstufen”) erzeugt werden können. Sowohl die Zylinderschale 24 als auch die Mattscheibe 26 besitzen etwa mittig ein Loch 27, durch das die Kamera 12 auf die Oberfläche 22 des Prüflings 20 sehen kann.
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Mit der Bezugsziffer 28 ist ein elektrischer Antrieb bezeichnet, mit dessen Hilfe die Werkstückaufnahme 18 um eine Hochachse 30 gedreht werden kann. Hierdurch wird es möglich, die von der Kamera 12 abgewandte Rückseite des Prüflings 20 zu inspizieren. Alternativ könnte zu diesem Zweck eine weitere Kamera (hier nicht dargestellt) auf an der Rückseite des Prüflings angeordnet sein.
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Mit der Bezugsziffer 32 ist eine Auswerte- und Steuereinheit bezeichnet. In bevorzugten Ausführungsbeispielen handelt es sich um einen PC mit einem Prozessor 34 und einem Speicher 36. In dem Speicher ist einerseits ein Computerprogramm (hier nicht dargestellt) gespeichert, das zum Durchführen des neuen Verfahrens mit allen Verfahrensschritten ausgebildet ist. Des Weiteren dient der Speicher 36 zum Abspeichern von Bildern, die mit der Kamera 12 aufgenommen werden.
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Bei der Bezugsziffer 38 ist ein erstes Beleuchtungsmuster dargestellt. Das Beleuchtungsmuster 38 ergibt sich, wenn eine einzelne Lichtquelle 16 angeschaltet ist, während alle anderen Lichtquellen 16 ausgeschaltet sind. Bei der Bezugsziffer 38' ist ein weiteres Beleuchtungsmuster dieser Art dargestellt, das sich ergibt, wenn eine andere Lichtquelle 16 einzeln angeschaltet ist. Die Beleuchtungsmuster 38, 38' bilden hier eine Serie von unterschiedlichen Beleuchtungsmustern im Sinne des neuen Verfahrens.
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Bei der Bezugsziffer
40 ist ein weiteres Beleuchtungsmuster ausschnittsweise angedeutet. Das Beleuchtungsmuster
40 besteht aus einer Vielzahl von hellen und dunklen Streifen, die quer zur Streifenrichtung einen vorzugsweise sinusförmigen Intensitätsverlauf bilden. Das weitere Beleuchtungsmuster
40 dient in bevorzugten Ausführungsbeispielen zur Bestimmung von Prüflingseigenschaften einschließlich der lokalen Neigungen der Oberflächenpunkte des Prüflings
20, wie dies in der eingangs erwähnten
DE 10 2007 063 529 A1 beschrieben ist. Vorteilhafterweise wird das Beleuchtungsmuster
40 in Abhängigkeit von Gebietseigenschaften eines individuellen Lichtherkunftsgebietes ausgewählt, wobei Letzteres mit Hilfe der Beleuchtungsmuster
38,
38 nach dem neuen verfahren bestimmt wird (wird ausgeführt).
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Alternativ hierzu könnte ein Streifenmuster der bei Bezugsziffer 40 angedeuteten Art auch dazu verwendet werden, um individuelle Lichtherkunftsgebiete im Sinne des neuen Verfahrens zu bestimmen. Besonders vorteilhaft ist das Beleuchtungsmuster in diesen Fällen ein eindimensionales oder zweidimensionales Chirp-Muster (flächiges Sinusmuster mit linear ansteigender Frequenz in einer Richtung oder in mehreren Richtungen) oder ein Pseudo Random Noise-Muster mit einer Peak-artigen Autokorrelationsfunktion.
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Bei der nachfolgenden Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente wie zuvor.
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In 3 ist die Kamera 12 vereinfacht mit einer Matrix von Pixeln und einer Optik 50 dargestellt. Die Verwendung einer Matrixkamera ist bevorzugt. Prinzipiell könnte jedoch auch eine Zeilenkamera verwendet werden, insbesondere wenn der Prüfling 20 auf einer drehbaren Werkstückaufnahme 18 angeordnet ist, wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist. Darüber hinaus kann die neue Vorrichtung in anderen Ausführungsbeispielen auch mit einem translatorisch bewegten Prüfling 20 realisiert werden, etwa wenn der Prüfling 20 auf einem Förderband an der Kamera 12 vorbeigeführt wird. Auch in diesem Fall könnte die Kamera 12 als Zeilenkamera realisiert sein.
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Mit der Bezugsziffer 52 ist ein Oberflächenpunkt auf der Oberfläche 22 des Prüflings 20 bezeichnet. Der Oberflächenpunkt 52 besitzt Reflexions- und Streueigenschaften, die technisch durch eine so genannte Streukeule 54 dargestellt werden können. Die Streukeule 54 gibt an, in welche Richtungen und mit welcher Stärke ein auf den Oberflächenpunkt 52 auftreffender Lichtstrahl gestreut wird. Bei einem idealen so genannten Lambert-Strahler ist die Streukeule kugelförmig. Dies bedeutet, dass ein solcher Strahler einfallendes Licht in alle Raumrichtungen gleichmäßig streut.
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Mit den Bezugsziffern 56, 58 sind beispielhaft zwei Lichtstrahlen bezeichnet, die von zwei verschiedenen Lichtquellen 16 der Beleuchtungseinrichtung 14 ausgehen. Da die Streueigenschaften des Oberflächenpunktes 52 auch in umgekehrter Richtung wirksam sind, erzeugt jeder Lichtstrahl 56, 58 einen individuellen Lichtbeitrag auf dem betrachteten Pixel 48. Zur Verdeutlichung sind in 3 alle Lichtquellen 16, die einen individuellen Lichtbeitrag auf dem Pixel 48 erzeugen, fett dargestellt. Die Menge aller Lichtquellen 16, die einen Lichtbeitrag auf dem Pixel 48 erzeugen, definiert ein individuelles Lichtherkunftsgebiet, das in 3 mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet ist. Das individuelle Lichtherkunftsgebiet 60 ist in dem dargestellten Fall weitgehend elliptisch, und es besitzt eine Ausdehnung, die beispielhaft bei der Bezugsziffer 62 für die Hauptachse der Ellipse angedeutet ist. Des Weiteren besitzt das Lichtherkunftsgebiet 60 entlang der Hauptachse eine Intensitätsverteilung, die beispielsweise bei der Bezugsziffer 64 angedeutet ist. Die Gebietseigenschaften des Lichtherkunftsgebietes 60, insbesondere die Ausdehnung, die Form, die Orientierung (in diesem Fall der Ellipse) in der von den Lichtquellen 16 aufgespannten Ebene, vorhandene Symmetrien und die Intensitätsverteilung, charakterisieren die Streukeule 54 des Oberflächenpunktes 52. Dementsprechend wird das individuelle Lichtherkunftsgebiet 60 für das Pixel 48 in den bevorzugten Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens anhand der Bilder, die mit der Kamera 12 aufgenommen werden, bestimmt. Anschließend werden die Gebietseigenschaften des Lichtherkunftsgebietes 60, wie Form, Ausdehnung, Symmetrie, Orientierung etc., bestimmt, um die Streucharakteristik des Oberflächenpunktes 52 zu bestimmen. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird in Abhängigkeit von den identifizierten Gebietseigenschaften des Lichtherkunftsgebietes 60 ein Beleuchtungsmuster 40 bestimmt, das eine optimale Streifenrichtung und eine optimale Streifenbreite (Periode) zur nachfolgenden Inspektion des Prüflings 20 besitzt.
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In den bevorzugten Ausführungsbeispielen werden individuelle Lichtherkunftsgebiete 60 für eine Vielzahl von Pixeln 48 der Kamera 12 bestimmt. Da jedes Pixel 48 ”sein” individuelles Lichtherkunftsgebiet 60 über einen anderen Oberflächenpunkt 52 sieht, erhält man auf diese Weise eine ortsabhängige Streucharakteristik der Prüflingsoberfläche 22.
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In 3 ist eine weitere Beleuchtungseinrichtung 14' dargestellt, die in einem größeren radialen Abstand zu dem Oberflächenpunkt 52 angeordnet ist als die erste Beleuchtungseinrichtung 14. Im Übrigen ist die weitere Beleuchtungseinrichtung 14' mit der ersten Beleuchtungseinrichtung 14 identisch. Der größere Abstand der weiteren Beleuchtungseinrichtung 14 kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die Beleuchtungseinrichtung 14 an einer Schiene 68 verschoben werden kann. Ein besonders bevorzugtes Beispiel zur Realisierung der Beleuchtungseinrichtungen 14, 14' ist weiter unten anhand von 4 erläutert.
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Da die Lichtquellen 16' der Beleuchtungseinrichtung 14' das Kamerapixel 48 über dieselbe Streukeule 54 erreichen wie die Lichtquellen 16 der Beleuchtungseinrichtung 14, ist das individuelle Lichtherkunftsgebiet 60' auf der Beleuchtungseinrichtung 14' eine aufgrund der Zentralprojektion (ausgehend von dem Kamerapixel 48 bzw. dem Oberflächenpunkt 52) vergrößerte ”Kopie” des Lichtherkunftsgebietes 60. Daher kann man die 3D-Koordinaten des Oberflächenpunktes 52 in einem Koordinatensystem, das von dem Kamerapixel 48 und den Beleuchtungseinrichtungen 14, 14' aufgespannt wird, nach den Gesetzen der Zentralprojektion bestimmen. In bevorzugten Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens werden die 3D-Koordinaten für eine Vielzahl von Oberflächenpunkten 52 nach dieser Variante des neuen Verfahrens bestimmt, um zusätzlich zu den Streueigenschaften der Oberfläche 22 auch die Oberflächenform des Prüflings 20 zu bestimmen.
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Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur praktischen Realisierung dieser Variante des neuen Verfahrens ist in 4 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor.
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In 4 sind die erste Beleuchtungseinrichtung 14 und die zweite Beleuchtungseinrichtung 14' an den freien Enden eines exzentrisch gelagerten Tragarms 70, 72 befestigt. Ein erstes Armteil 70 trägt die erste Beleuchtungseinrichtung 14, ein zweites Armteil 72 trägt die zweite Beleuchtungseinrichtung 14. Die Armteile 70, 72 sind an einer Welle 74 befestigt und erstrecken sich von der Welle 74 radial nach außen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegen die erste Beleuchtungseinrichtung 14 und die zweite Beleuchtungseinrichtung 14' diametral einander gegenüber, um einen Gewichtsausgleich beim Drehen der Welle 74 zu schaffen. Gegebenenfalls können an dem kurzen Armteil 70 und/oder der ersten Beleuchtungseinrichtung 14 Ausgleichsgewichte angeordnet sein. Die Welle 74 ist in einem Lager 76 drehbar gelagert. Wie man in 4 erkennen kann, ist der Abstand d zwischen dem Drehmittelpunkt der Welle 74 und der Beleuchtungseinrichtung 14 kleiner als der Abstand D zwischen dem Drehmittelpunkt der Welle 74 und der weiteren Beleuchtungseinrichtung 14'.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Beleuchtungseinrichtungen 14, 14' weitgehend stabförmig ausgebildet, wobei die Lichtquellen 16, 16' jeweils eine Zeile oder eine schmale Matrix (mit einer langen Ausdehnung parallel zur Drehachse und einer kurzen Ausdehnung tangential zur Drehachse) von Lichtquellen bilden, die sich in etwa parallel zu der Drehachse der Welle 74 erstreckt. Aufgrund der Drehbewegung der Welle 74 überstreichen die Lichtquellen 16 der ersten Beleuchtungseinrichtung 14 einen ersten Zylindermantel 78. Die Lichtquellen 16' der zweiten Beleuchtungseinrichtung 14' überstreichen einen zweiten Zylindermantel 80. Die beiden Zylindermäntel 78, 80 liegen konzentrisch zu der Drehachse der Welle 74 und konzentrisch zueinander. Aufgrund der Drehbewegung der Welle 74 genügt es, wenn die Beleuchtungseinrichtungen 14, 14' jeweils nur einen kleinen Abschnitt der Zylindermantelfläche 78, 80 einnehmen. Es kann vorteilhaft sein, wenn die ”Lichtzeilen” der Beleuchtungseinrichtungen 14, 14' in Drehrichtung oder entgegen der Drehrichtung geneigt sind, also nicht exakt parallel zur Drehachse stehen. Besonders vorteilhaft ist eine Variante, bei der die ”Lichtzeilen” der Beleuchtungseinrichtungen 14, 14' in Bezug auf die Drehrichtung unterschiedlich geneigt sind, d. h. die Lichtzeile der Beleuchtungseinrichtungen 14 ist in Drehrichtung geneigt und die Lichtzeile der Beleuchtungseinrichtungen 14' ist gegen die Drehrichtung geneigt (oder umgekehrt). Die beiden Lichtzeilen der Beleuchtungseinrichtungen 14, 14' liegen in diesem Fall parallel zueinander. Mit dieser Variante können vorteilhafte Hell-Dunkel-Muster mit schräg verlaufenden Streifen sehr einfach und schnell erzeugt werden. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Lichtzeilen der Beleuchtungseinrichtungen 14, 14' in einem der nachfolgenden Winkel geneigt: etwa 30°, etwa 45° oder etwa 60°.
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Die Aufnahme aller erforderlichen Bilder kann mit der Beleuchtungseinrichtung 14 und/oder 14' auf sehr einfache und schnelle Weise realisiert werden, indem das Armteil 70 und/oder 72 einmal um das Werkstück (oder die interessierende. Oberfläche des Werkstücks) herumläuft und an definierten Drehwinkelpositionen des Armteils die einzelnen Lichtquellen der Lichtzeile der Reihe nach einzeln eingeschaltet werden. Die definierten Drehwinkelpositionen können beispielsweise jeweils 1°, 3°, 5° oder 10° voneinander beabstandet sein, je nachdem welche Auflösung der Lichtherkunftsgebiete gewünscht ist. Wenn die einzelnen Lichtquellen schnell genug durchgeschaltet werden, ist auch eine quasi kontinuierliche Umlaufbewegung des Armteils möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063529 A1 [0003, 0004, 0005, 0006, 0026, 0047]
- WO 2005/031251 A1 [0006]
