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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Struktur einer spiegelnden Oberfläche eines Objekts.
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Zur Bestimmung der Struktur einer Oberfläche eines Objekts ist aus dem Stand der Technik die sog. Musterreflexions- bzw. Streifenreflexionstechnik bekannt. Das Prinzip dieser Messung beruht darauf, das Spiegelbild bekannter Muster auf der Oberfläche des zu vermessenden Objekts mit einem Bildaufnehmer zu erfassen, um aufgrund der durch die Oberfläche hervorgerufenen Verformung der Muster die Oberflächennormalen und hieraus die Struktur der Oberfläche zu bestimmen.
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In der Druckschrift [3] ist ein auf Streifenreflexion basierendes Messverfahren beschrieben, bei dem ein Streifenmuster in der Form einer sinusförmigen Helligkeitsverteilung an einer spiegelnden Oberfläche gespiegelt wird und von einer Optik auf einen Bildaufnehmer erfasst wird. Das Muster wird dabei über einen Streifenmustererzeuger in der Form eines TFT-Monitors generiert.
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Die Druckschrift [6] offenbart ein Verfahren zur Analyse reflektierender Oberflächen, wobei ein vorgebbares Muster auf eine ebene oder gekrümmte Projektionsfläche projiziert wird und dieses Muster anschließend von einer Aufnahmeeinrichtung im Spiegelbild der zu untersuchenden Oberfläche analysiert wird. Das Verfahren dient zur Bestimmung von defektbehafteten und defektfreien Bereichen auf der Oberfläche.
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Bekannte Verfahren zur Musterreflexion weisen den Nachteil auf, dass die Position und Form der Musterfläche, auf der das an der Oberfläche zu spiegelnde Muster generiert wird, vorab genau bekannt sein müssen, da diese Information zur Bestimmung der Oberflächenstruktur benötigt werden. Die Musterfläche muss somit vorab sehr exakt justiert sein und es können nur Musterflächen mit bekannter Formgebung verwendet werden. Deshalb werden bei der Musterreflexion häufig nur Musterflächen mit einer einfachen Formgebung, wie z. B. flache Flächen, zur Beleuchtung des Objekts eingesetzt. Diese Musterflächen können jedoch Objekte mit komplexer Formgebung, wie z. B. konvexe Oberflächen, nicht ausreichend ausleuchten.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Struktur einer spiegelnden Oberfläche eines Objekts zu schaffen, mit denen auf einfache Weise die Objektoberfläche unter Verwendung einer beliebig geformten Musterfläche vermessen werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. das Verfahren gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Musterfläche, auf welcher mit einem oder mehreren Bilderzeugern Muster generierbar sind, wobei Bildpunkte auf der Musterfläche jeweils über eine Musterkoordinate eines der Musterfläche zugeordneten Koordinatensystems identifizierbar sind. Die Musterkoordinaten stellen somit lokale, in einem Koordinatensystem der Musterfläche bestimmte Koordinaten dar, wobei der Begriff der Koordinate weit zu verstehen ist und insbesondere einen zwei- oder mehrdimensionalen Koordinatenvektor bzw. auch eine entsprechende Pixelnummer eines zur Generierung der Muster verwendeten Bilderzeugers umfassen kann. Beispielsweise kann die Musterkoordinate eine Nummer eines Bildpixels eines Projektors sein, welches auf der Musterfläche einen entsprechenden Bildpunkt generiert. Ebenso kann die Musterkoordinate beispielsweise die Pixelnummer eines Monitors sein, dessen Bildschirm als Musterfläche eingesetzt wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine erste Messeinrichtung zur optischen Vermessung der Musterfläche, wobei basierend auf der optischen Vermessung die. räumlichen und insbesondere die dreidimensionalen Koordinaten von Bildpunkten auf der Musterfläche in einem globalen Koordinatensystem ermittelt werden, wodurch eine erste Zuordnung von Musterkoordinaten zu räumlichen Koordinaten der Bildpunkte geschaffen wird. Unter einem globalen Koordinatensystem ist dabei ein Koordinatensystem zu verstehen, welches sich bei der Veränderung der Position der Musterfläche nicht mitbewegt und in diesem Sinne ortsfest ist. Die erste Messeinrichtung kann beliebig ausgestaltet sein und insbesondere können 3D-Bildaufnehmersysteme verwendet werden, wie sie beispielsweise in den Druckschriften [4] und [5] beschrieben sind. Gegebenenfalls kann auch eine Messeinrichtung basierend auf Laserscanning zur Vermessung der Musterfläche eingesetzt werden.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird neben der ersten Messeinrichtung auch eine zweite Messeinrichtung verwendet, mit der die spiegelnde Oberfläche eines Objekts basierend auf der bereits oben erwähnten Musterreflexion bzw. Streifenreflexion vermessen wird. Dabei wird auf der Musterfläche eine Anzahl von Muster generiert, welche jeweils an der Oberfläche des Objekts gespiegelt werden. Die gespiegelte Anzahl von Muster wird dann durch einen oder mehrere Bildaufnehmer mit einer Vielzahl von Bildaufnahmepunkten aufgenommen, wobei über eine Auswertung der Anzahl von aufgenommenen Mustern für einen jeweiligen Bildaufnahmepunkt der zugehörige Bildpunkt der Musterfläche ermittelt wird, von dem die Strahlung stammt, welche von dem jeweiligen Bildaufnahmepunkt aufgenommen wird. Hierdurch wird eine zweite Zuordnung von Bildaufnahmepunkten zu Bildpunkten der Musterfläche mit entsprechenden Musterkoordinaten geschaffen. Die zweite Messeinreichung beruht somit auf dem an sich bekannten Prinzip der Muster- bzw. Streifenreflexion. Insbesondere können die in den Druckschriften [1], [2] und [3] beschriebenen Streifenreflexionsverfahren in der zweiten Messeinrichtung eingesetzt werden. Der gesamte Offenbarungsgehalt der Druckschriften [1] bis [3] wird durch Verweis zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht. Die in diesen Druckschriften beschriebenen Messverfahren generieren auf der Musterfläche ein sinusförmiges Muster, wobei die an der Oberfläche des gespiegelten Objekts gespiegelten Muster von einer Optik auf einen Bildaufnehmer abgebildet werden und die Optik auf die Oberfläche scharf eingestellt wird.
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Zur Musterreflexion werden die räumlichen Koordinaten der Bildpunkte der Musterfläche benötigt. Diese werden in der erfindungsgemäßen Vorrichtung über die Verknüpfung der oben definierten ersten Zuordnung und zweiten Zuordnung erhalten. Dabei wird. aus der ersten Zuordnung und aus der zweiten Zuordnung für jeden Bildaufnahmepunkt die räumliche Koordinate des zugehörigen Bildpunkts der Musterfläche ermittelt und hieraus die Struktur der Oberfläche nach dem gleichen Prinzip wie in den genannten Druckschriften [1] bis [3] bestimmt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich somit dadurch aus, dass im Rahmen des Messvorgangs auch die räumlichen Koordinaten von Bildpunkten der Musterfläche bestimmt werden, so dass es nicht erforderlich ist, dass die Form der Musterfläche vorab bekannt sein muss. Vielmehr wird im Rahmen des Messverfahrens auch eine Kalibrierung des Systems durchgeführt. Es ist folglich möglich, dass beliebige Arten von Musterflächen eingesetzt werden können, um auch Objekte mit komplexer Oberflächenform ausreichend auszuleuchten.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Musterfläche eine oder mehrere gebogene Flächenabschnitte, wodurch auch Objekte mit komplexer Form, wie z. B. konvexe Objekte, ausreichend beleuchtet werden können. Vorzugsweise umfassen dabei das oder die gebogenen Flächenabschnitte einen oder mehrere Kreisabschnitte, wobei je nach Formgebung des zu vermessenden Objekts die von den Bildpunkten der Musterfläche ausgehende Strahlung zum Mittelpunkt der Kreisabschnitte (konvexes Objekt) bzw. weg vom Mittelpunkt der Kreisabschnitte (konkaves Objekt) gerichtet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Musterfläche zumindest teilweise durch eine oder mehrere selbstleuchtende Flächen von einem oder mehreren, zur Generierung der Muster verwendeten Bilderzeugern gebildet, wobei der oder die mehreren Bilderzeuger vorzugsweise einen oder mehrere Monitore, insbesondere einen oder mehrere TFT-Monitore, umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Musterfläche jedoch auch eine oder mehrere Projektionsflächen umfassen, wobei ein oder mehrere, zur Generierung der Muster verwendete Bilderzeuger ein oder mehrere Projektoren sind, welche die Anzahl von Mustern auf die Projektionsfläche oder die Projektionsflächen projizieren.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Musterfläche zumindest teilweise verformbar und kann somit in geeigneter Weise an die Oberflächenform des Objekts angepasst werden. Beispielsweise kann bei der Verwendung einer Projektionsfläche als Musterfläche eine flexible Projektionsleinwand eingesetzt werden, welche geeignet auf die Oberfläche des Objekts ausgerichtet werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in verschiedene Positionen um das zu vermessende Objekt positionierbar, so dass in geeigneter Weise auch verschiedene Bereiche des Objekts durch Verändern der Position der Vorrichtung vermessen werden können.
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Wie bereits oben erwähnt, kann die erste Messeinrichtung als 3D-Bildaufnehmersystem ausgestaltet sein, wobei insbesondere die in den Druckschriften [4] und [5] beschriebenen Bildaufnehmersysteme verwendet werden können. Der gesamte Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften [4] und [5] wird durch Verweis zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht. Das 3D-Bildaufnehmersystem kann in einer Ausgestaltung einen Bildaufnehmer und einen Projektor zur Vermessung der Musterfläche umfassen. Alternativ bzw. zusätzlich kann das 3D-Bildaufnehmersystem auch ein Multi-Bildaufnehmersystem mit zumindest zwei Bildaufnehmern sein, insbesondere ein Stereo-Kamerasystem.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die erste und die zweite Messeinrichtung eine oder mehrere gemeinsame Komponenten auf, welche sowohl bei der Vermessung der Musterfläche als auch bei der Vermessung der spiegelnden Oberfläche des Objekts verwendet werden können. Hierdurch wird eine kompakte Vorrichtung mit einer geringen Anzahl an Komponenten geschaffen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, bei der als erste Messeinrichtung ein 3D-Bildaufnehmersystem verwendet wird, umfassen die gemeinsamen Komponenten zumindest einen Bildaufnehmer, der als Bildaufnehmer des 3D-Bildaufnehmersystems fungieren kann sowie als Bildaufnehmer der zweiten Messeinrichtung, durch den die gespiegelte Anzahl von Muster bei der Vermessung der spiegelnden Oberfläche des Objekts aufgenommen wird.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auch im Rahmen der Vermessung der Musterfläche mit der ersten Messeinrichtung eine Anzahl von Muster auf der Musterfläche generiert, welche zur Bestimmung der räumlichen und insbesondere dreidimensionalen Koordinaten der Bildpunkte der Musterfläche verwendet werden. Insbesondere können dabei die in den Druckschriften [4] und [5] beschriebenen 3D-Bildaufnehmersysteme zum Einsatz kommen. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, dass die bei der Vermessung der Musterfläche generierten Muster gleichzeitig zur Vermessung der spiegelnden Oberfläche des Objekts verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Vermessung von beliebigen Objekten mit spiegelnden Oberflächen verwendet werden. Ein bevorzugter Anwendungsfall ist dabei die Vermessung der Oberfläche eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei in diesem Fall die spiegelnde Oberfläche durch den spiegelnden Lack bzw. die spiegelnden Scheiben des Fahrzeugs gebildet wird. Die Erfindung betrifft somit auch die Verwendung der oben beschriebenen Messvorrichtung zur Vermessung der Oberfläche von Fahrzeugen.
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Neben der oben beschriebenen Vorrichtung umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Struktur einer spiegelnden Oberfläche eines Objekts mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei werden mit einem oder mehreren Bilderzeugern Muster auf einer Musterfläche generiert, wobei Bildpunkte auf der Musterfläche jeweils über eine Musterkoordinate eines der Musterfläche zugeordneten Koordinatensystems identifizierbar sind. Mit einer ersten Messeinrichtung wird die Musterfläche optisch vermessen, wobei basierend auf der optischen Vermessung die räumlichen Koordinaten und insbesondere die dreidimensionalen Koordinaten von Bildpunkten auf der Musterfläche in einem globalen Koordinatensystem ermittelt werden, wodurch eine erste Zuordnung von Musterkoordinaten zu räumlichen Koordinaten der Bildpunkte geschaffen wird. Im Rahmen des Messverfahrens wird mit einer zweiten Messeinrichtung die spiegelnde Oberfläche eines Objekts basierend auf Musterreflexion vermessen, bei der auf der Musterfläche eine Anzahl von Muster generiert wird und an der Oberfläche des Objekts gespiegelt wird, wobei die gespiegelte Anzahl von Mustern durch einen oder mehrere Bildaufnehmer mit einer Vielzahl von Bildaufnahmepunkten aufgenommen wird und über eine Auswertung der Anzahl von aufgenommenen Muster für einen jeweiligen Bildaufnahmepunkt der zugehörige Bildpunkt der Musterfläche ermittelt wird, von dem die Strahlung stammt, welche von dem jeweiligen Bildaufnahmepunkt aufgenommen wird, wodurch eine zweite Zuordnung von Bildaufnahmepunkten zu Bildpunkten der Musterfläche mit entsprechenden Musterkoordinaten geschaffen wird. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird schließlich aus der ersten Zuordnung und aus der zweiten Zuordnung für jeden Bildaufnahmepunkt die räumliche Koordinate des zugehörigen Bildpunkts der Musterfläche ermittelt und hieraus die Struktur der Oberfläche bestimmt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 und 2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung nach dem Stand der Technik;
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3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, und
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4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
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1 zeigt eine herkömmliche Messanordnung basierend auf der sog. Streifenreflexionstechnik, mit der die spiegelnde Oberfläche eines Objekts vermessen werden kann, welches in 1 mit O1 bezeichnet ist. Wie bereits oben dargelegt, ist die Musterreflexions- bzw. Streifenreflexionstechnik (englisch: Fringe Reflection) hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und spezielle Varianten dieser Technik werden in den Druckschriften [1], [2] und [3] beschrieben. In der Messanordnung der 1 wird die Streifenreflexionstechnik derart eingesetzt, dass auf einer Musterfläche in der Form des Bildschirms 4 eines TFT-Monitors 3 geeignete periodische Muster, insbesondere Streifenmuster mit sinusförmiger Helligkeitsverteilung, generiert werden, wobei diese Muster an der spiegelnden Oberfläche des zu vermessenden Objekts O1 gespiegelt werden und das Spiegelbild durch einen Bildaufnehmer in der Form einer Kamera 2 aufgenommen wird. Aus dem aufgenommenen Muster kann über die bekannte Methode der Absolutphasenbestimmung jedem Pixel der Kamera die zugehörige Position auf der Musterfläche 4 zugeordnet werden, von der das aufgenommene Licht stammt. Dabei ist die Geometrie und Position des TFT-Monitors 3 sowie der Kamera 2 bekannt, so dass für jeden Bildpunkt (d. h. jedes Pixel) des TFT-Monitors, der über eine entsprechende Musterkoordinate der Musterfläche (z. B. eine Pixelnummer) identifiziert wird, auch dessen zugehörige dreidimensionale Position im Raum in einem globalen Koordinatensystem bekannt ist. Dieses globale Koordinatensystem ist ortsfest, d. h. seine Lage bleibt bei einer Positionsveränderung der Musterfläche fest. Ferner ist die Kamera 2 kalibriert, so dass für jedes Pixel der Kamera der optische Strahl bekannt ist, der das entsprechende Pixel beleuchtet. Über eine grob bekannte Position des Objekts O1, welche beispielsweise über eine optische Markierung mit Laserpointern bestimmt wird, kann aus der dreidimensionalen Position des Bildpunkts, der für die Beleuchtung eines Pixels verantwortlich ist, sowie den Verlauf des zugehörigen optischen Strahls die Normale der Oberfläche des Objekts O1 ermittelt werden. Aus der Auswertung einer Vielzahl von Bildpunkten der Musterfläche ergibt sich dann die Struktur der Oberfläche in der Form entsprechender Oberflächengradienten.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, wird ein flaches spiegelndes Objekt O1 vermessen, so dass die Größe des mit M angedeuteten Messfelds des Objekts O1, d. h. der durch die Kamera 2 erfasste Bereich des Spiegelbilds des auf der Musterfläche 4 generierten Musters, relativ groß ist. Bei ebenen Messobjekten ist es in der Regel ausreichend, wenn das auf der Musterfläche generierte zweidimensionale Muster der doppelten Größe des Messobjekts entspricht. Im Unterschied hierzu zeigt 2 die Vermessung eines Objekts O2 mit konvexer spiegelnder Oberfläche, wobei die gleiche Messanordnung wie in 1 verwendet wird. Aufgrund der konvexen Form ist die Größe des Messfelds M' wesentlich kleiner als der Messbereich M der 1. Je stärker die Krümmung des konvexen Objekts ist, desto kleiner wird auch der Messbereich. Demzufolge eignet sich die bekannte Messanordnung gemäß 1 nicht zur Vermessung stark gekrümmter Oberflächen. Zur Vergrößerung des Messfelds kann zwar die Musterfläche vergrößert werden, jedoch führt bei stark konvexen Objekten eine solche Vergrößerung nur zu einer kleinen Zunahme der Messfeldgröße. Darüber hinaus ist eine Vergrößerung der Musterfläche in der Regel nur begrenzt möglich bzw. mit hohen Kosten verbunden, da z. B. größere Monitore zur Generierung der Musterfläche eingesetzt werden müssen. Gegebenenfalls kann zwar das System aus Kamera 2 und TFT-Monitor 3 auch in versetzten Positionen zur Erfassung von anderen Oberflächenbereichen des Messobjekts angeordnet werden. Dies setzt jedoch voraus, dass in der neuen Position die dreidimensionalen Koordinaten der Bildpunkte des Monitors wieder exakt bekannt sein müssen. Der Monitor muss folglich hochgenau in einer vorbekannten neuen Position angeordnet werden, was zu längeren Mess- und Auswertezeiten pro Objekt führt.
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Um basierend auf der oben beschriebenen Muster- bzw. Streifenreflexion auch konvexe Objekte zu vermessen, können die nachfolgend beschriebenen Messanordnungen gemäß 3 und 4 verwendet werden, welche spezielle Ausführungsformen der Erfindung darstellen. In der Messanordnung der 3 wird ein kreisförmiges Objekt O mit Hilfe einer Musterfläche 4 vermessen, welche im Unterschied zu der Musterfläche der 1 und 2 gebogen ist. Die Musterfläche 4 stellt in dieser Ausführungsform eine Projektionsfläche dar, beispielsweise in der Form einer gebogenen Leinwand, und die Muster werden dadurch generiert, dass ein Projektor 7 die Muster auf die Musterfläche 4 projiziert. Der Projektor ist gegenüberliegend zu der Kamera 2 angeordnet, welche analog zu den Messanordnungen der 1 und 2 ein Spiegelbild des Musters auf der Musterfläche 4 erfasst. Aufgrund der Verwendung einer gekrümmten Oberfläche kann nunmehr ein wesentlich größerer Oberflächenbereich des konvexen Objekts erfasst werden.
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Zur Auswertung der über die Kamera 2 erfassten Muster ist es wiederum erforderlich, dass für jedes Pixel der Kamera die dreidimensionale Position desjenigen Bildpunkts auf der Musterfläche 4 bekannt ist, der für die Bestrahlung des Pixels verantwortlich ist. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist dabei, dass im Rahmen des Messvorgangs die Musterfläche vermessen wird und damit die dreidimensionalen Positionen der Bildpunkte der Musterfläche bestimmt werden. Um dies zu ermöglichen, wird neben der Messeinrichtung zur Durchführung der Musterreflexion eine weitere Messeinrichtung verwendet, welche die Musterfläche 4 optisch vermisst. Diese weitere Messeinrichtung kann im Prinzip beliebig ausgestaltet sein und liefert als Ergebnis für entsprechende Bildpunkte der Musterfläche, die durch Musterkoordinaten identifiziert werden, die zugehörigen dreidimensionalen Koordinaten der Bildpunkte. In der Ausführungsform der 3 wird dabei ein Bildpunkt auf der Musterfläche durch eine lokale Pixelkoordinate desjenigen Pixels des Projektors 7 spezifiziert, welches den entsprechenden Bildpunkt auf der Musterfläche erzeugt. Somit ist jedem Bildpunkt der Musterfläche eine entsprechende Musterkoordinate im Koordinatensystem des Projektors 7 zugeordnet. Das Koordinatensystem des Projektors stellt in diesem Sinne ein lokales, der Musterfläche zugeordnetes Koordinatensystem dar.
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In der Ausführungsform der 3 erfolgt die Vermessung der Musterfläche 4 mit einem Stereo-Kamerasystem umfassend zwei Kameras 5 und 6. Die Vermessung beruht dabei auf der Erfassung der Musterfläche aus verschiedenen Sichtwinkeln der Kameras 5 und 6, woraus mit an sich bekannten Verfahren die dreidimensionale Position der entsprechenden Bildpunkte ermittelt werden kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann dabei der Projektor 7 neben seiner Funktion im Rahmen der Streifenreflexionsmessung auch einen Teil der Messeinrichtung zur Vermessung der Musterfläche bilden. In diesem Fall erfolgt die Vermessung der Musterfläche basierend auf Streifenprojektion bzw. Musterprojektion, um hierüber die dreidimensionalen Koordinaten der Bildpunkte mit Hilfe zumindest einer der Kameras 5 und 6 zu ermitteln. Eine auf Streifenprojektion basierende Technik zur 3D-Vermessung von Oberflächen ist dabei hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und wird beispielsweise in den Druckschriften [4] und [5] beschrieben.
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Neben der gerade beschriebenen Vermessung der Musterfläche wird in der Anordnung der 3 mit dem gleichen Prinzip wie in 1 und 2 basierend auf Musterreflexion eine Zuordnung eines jeweiligen Bildpixels der Kamera 2 zu demjenigen Bildpunkt der Musterfläche 4 ermittelt, der für die Beleuchtung des Pixels verantwortlich ist. Im Unterschied zu 1 und 2 ergibt sich aus dieser Zuordnung jedoch noch nicht die dreidimensionale Position des entsprechenden Bildpunkts. Es ist vielmehr nur die Musterkoordinate des Bildpunkts im Koordinatensystem des Projektors 7 bekannt. In der Anordnung der 3 werden jedoch über eine geeignete (nicht gezeigte) Verarbeitungseinrichtung die Ergebnisse der über die Kameras 5 und 6 durchgeführten Vermessung der Musterfläche und der über die Kamera 2 durchgeführten Musterreflexion zusammengeführt. Dabei wird aus der Zuordnung der Musterkoordinaten der Bildpunkte zu dreidimensionalen Positionen, welche sich aus der Vermessung der Musterfläche ergibt, und aus der Zuordnung der Bildpixel der Kamera 2 zu entsprechenden Musterkoordinaten der Musterfläche, welche sich aus der Musterreflexion ergibt, die dreidimensionale Position des entsprechenden Bildpunkts ermittelt, von dem das am jeweiligen Pixel der Kamera 2 aufgenommene Licht stammt. Mit Hilfe dieser Information kann dann in gleicher Weise, wie anhand von 1 beschrieben wurde, die Struktur der Oberfläche des Objekts O ermittelt werden. Mit der in 3 beschriebenen Ausführungsform können somit einfach und flexibel beliebig geformte Objekte vermessen werden, wobei die Formgebung der zur Musterreflexion verwendeten Musterfläche nicht vorab bekannt sein muss, sondern online bzw. in-situ während der Messung ermittelt wird. Die ermittelte Form der Musterfläche fließt dabei in das Geometriemodell der Streifenreflexion ein und ermöglicht auf diese Weise die Erzeugung von metrischen Messdaten, über welche dann die Struktur der Oberfläche ermittelt werden kann.
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Basierend auf Abwandlungen der Messanordnung der 3 können weitere Ausführungsformen der Erfindung realisiert werden. Insbesondere kann die gekrümmte Musterfläche werter vergrößert werden, so dass noch größere Bereiche des Objekts vermessen werden können. Gegebenenfalls kann dabei ein weiterer Projektor 7 eingesetzt werden, der Bereiche der Musterfläche bestrahlt, welche durch den ursprünglichen Projektor 7 nicht erreicht werden können. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass die Projektionsfläche 4 sowie die Kamera 2 und der Projektor 7 über ein geeignetes Verstellmittel verdreht werden, um anschließend andere Oberflächenbereiche des Objekts O zu vermessen. In diesem Fall besteht z. B. die Möglichkeit, dass sich die Kameras 5 und 6 ebenfalls bei der Verdrehung der Projektionsfläche mitbewegen, um damit in der neuen Position der Musterfläche wiederum eine geeignete 3D-Vermessung der Musterfläche durchzuführen. Darüber hinaus können gegebenenfalls weitere Kameras zur 3D-Vermessung an zusätzlichen Positionen positioniert werden, welche dann nach der Verdrehung der Musterfläche anstatt der Kameras 5 und 6 zur Vermessung der Musterfläche eingesetzt werden. Ferner können die Kameras in der Messanordnung sowohl als Kameras zur Durchführung der Musterreflexion als auch als Kameras zur 3D-Vermessung der Musterfläche eingesetzt werden. Insbesondere wird dabei eine Kamera, welche der Musterfläche gegenüberliegt, zur 3D-Vermessung der Musterfläche verwendet, wohingegen eine Kamera, die im Bereich der Musterfläche liegt und somit ein geeignetes Spiegelbild der Musterfläche erfasst, für die Musterreflexion eingesetzt wird. Darüber hinaus besteht in der Anordnung der 3 gegebenenfalls die Möglichkeit, dass über geeignete Mittel die Oberflächenform der Musterfläche verformt wird, um somit die Musterfläche auch an eine andere als die dargestellte kreisförmige Oberflächengeometrie des Objekts O anzupassen. Auf diese Weise kann für beliebig geformte Objekte ein großes Messfeld gewährleistet werden.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Ermittlung der Struktur einer Oberfläche. Mit der Messanordnung der 4 wird wiederum ein konvexes, kreisförmiges Objekt O vermessen, wobei nunmehr die Musterfläche nicht auf einer Projektionsleinwand 4 gebildet wird, sondern hierfür zwei Flachbildmonitore 301 und 302 (z. B. TFT-Monitore) eingesetzt werden, deren Bildschirme die entsprechenden Musterflächen 401 und 402 darstellen. Die Muster werden nunmehr auf den selbstleuchtenden Oberflächen des Monitors generiert, ohne dass ein Projektor benötigt wird. Das Prinzip der Messung der 4 entspricht dem Messprinzip der 3, d. h. über eine geeignete 3D-Vermessung mittels der Kameras 5 und 6 werden zunächst die Musterflächen 401 und 402 vermessen. Für die einzelnen Bildpunkte bzw. Pixel der Musterflächen 401 und 402, die über entsprechende Musterkoordinaten im lokalen Koordinatensystem des jeweiligen Monitors gegeben sind (z. B. basierend auf Pixelnummern), wird auf diese Weise die dreidimensionale Position jedes Bildpunkts der Musterflächen bestimmt. Ebenso wird im Rahmen der Musterreflexion, welche mit Hilfe der Kamera 2 basierend auf den am Objekt O gespiegelten Muster der Musterflächen durchgeführt wird, für jedes Bildpixel der Kamera 2 derjenige Bildpunkt mit entsprechender Musterkoordinate ermittelt, von dem die Strahlung stammt, die durch den Bildpunkt aufgenommen wird.
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Durch die Zusammenführung der Messergebnisse der Musterreflexion mit den Messergebnissen der 3D-Vermessung kann dann aufgrund der Verknüpfung der Messungen über die Musterkoordinaten für jedes Bildpixel der Kamera 2 die dreidimensionale Koordinate des Bildpunkts bestimmt werden, der für die Bestrahlung des Bildpixels verantwortlich ist. Basierend darauf kann dann wieder die Struktur der Oberfläche in der Form entsprechender Oberflächengradienten abgeleitet werden.
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Wie sich aus 4 ergibt, sind die beiden Monitore 301 und 302 schräg zueinander angeordnet. Durch diese Anordnung wird ein wesentlich größeres Messfeld erreicht, als dies in der Messanordnung der 2 der Fall ist. Die Monitore können gegebenenfalls jedoch auch auf andere Weise angeordnet werden, insbesondere in Abhängigkeit von der Oberflächenform des gerade vermessenen Objekts. Darüber hinaus besteht ferner die Möglichkeit, noch weitere Monitore und entsprechend angeordnete Kameras 2 vorzusehen, um einen nochmals größeren Messfeldbereich zu generieren. Zum Beispiel können vier Monitore im Quadrat angeordnet werden, so dass die gesamte Oberfläche des kreisförmigen Objekts O vermessen werden kann. In diesem Fall müssen auch noch weitere Kameras 5 bzw. 6 vorgesehen sein, welche die Messfläche der neu hinzukommenden Monitore vermessen. Analog zu der Ausführungsform der 3 ist es auch in der Ausführungsform der 4 denkbar, dass über ein geeignetes Positionierungsmittel die Monitore in unterschiedlichen Positionen angeordnet werden. Ebenso können Kameras gegebenenfalls sowohl als Kameras zur Durchführung der Musterreflexion als auch als Kameras zur 3D-Vermessung der Musterfläche fungieren.
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Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann der Messbereich der zu vermessenden Oberfläche eines spiegelnden Objekts auch bei stark gekrümmten Objekten auf einfache Weise vergrößert werden. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass passend geformte Musterflächen verwendet werden, welche an der Oberflächenform des zu vermessenden Objekts angepasst sind, oder dass die Musterflächen in Abhängigkeit von der Oberflächenform geeignet angeordnet werden, so dass ein großer Messfeldbereich erreicht wird. Die Messanordnung ist dabei einfach skalierbar, denn bereits eine geringe Vergrößerung einer geeignet geformten bzw. angeordneten Musterfläche ermöglicht eine deutliche Vergrößerung des Messfeldbereichs, um größere und komplexere Objekte zu vermessen. Ferner können in speziellen Ausführungsformen der Messanordnung mehrere Kameras zur Durchführung der Musterreflexion bzw. der 3D-Vermessung der Musterfläche eingesetzt werden, um auf diese Weise komplexe Objekte großflächig zu analysieren. Darüber hinaus kann der Aufbau der Messanordnung klein und flexibel ausgestaltet sein, was beispielsweise durch mobile, faltbare Projektionswände erreicht werden kann, auf denen die entsprechenden Muster mit Hilfe eines Projektors generiert werden.
