DE102014210024A1

DE102014210024A1 - Apparatus and method for determining the topography of a surface

Info

Publication number: DE102014210024A1
Application number: DE102014210024.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Werling; Michael Heizmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Topografie einer Oberfläche (31) eines Prüflings (3), mit zumindest einer Einrichtung (10) zur Erzeugung eines Prüfbildes, und zumindest einer Bilderfassungseinrichtung (2), und zumindest einer Aufnahmevorrichtung für den Prüfling (3), welche so positioniert ist, dass bei Betrieb der Vorrichtung (1) das Prüfbild von der Oberfläche (31) des Prüflings (3) auf die Bilderfassungseinrichtung (2) reflektierbar ist, wobei die Vorrichtung weiterhin einen Strahlteiler (4) enthält, welcher dazu eingerichtet ist, das Prüfbild auf die Oberfläche (31) des Prüflings (3) und die Bilderfassungseinrichtung (2) zu lenken wobei die Einrichtung (10) zur Erzeugung eines Prüfbildes keine telezentrische Lichtquelle enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung der Topografie einer Oberfläche (31) eines Prüflings (3).The invention relates to a device (1) for determining the topography of a surface (31) of a test object (3), comprising at least one device (10) for generating a test image, and at least one image acquisition device (2), and at least one receiving device for the test object (3) positioned so that, upon operation of the device (1), the test image is reflectable from the surface (31) of the sample (3) to the image capture device (2), the device further comprising a beam splitter (4), which is arranged to direct the test pattern onto the surface (31) of the test object (3) and the image detection device (2), wherein the device (10) for generating a test image does not contain a telecentric light source. Furthermore, the invention relates to a corresponding method for determining the topography of a surface (31) of a test piece (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Topografie einer Oberfläche eines Prüflings, mit zumindest einer Einrichtung zur Erzeugung eines Prüfbildes und zumindest einer Bilderfassungseinrichtung und zumindest einer Aufnahmevorrichtung für den Prüfling, welcher so positionierbar ist, dass bei Betrieb der Vorrichtung das Prüfbild von der Oberfläche des Prüflings auf die Bilderfassungseinrichtung reflektierbar ist, wobei die Vorrichtung weiterhin einen Strahlteiler enthält, welcher dazu eingerichtet ist, das Prüfbild auf die Oberfläche des Prüflings und die Bilderfassungseinrichtung zu lenken. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung der Topografie einer Oberfläche. Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art können dazu verwendet werden, die Form spiegelnder Oberflächen zu vermessen. The invention relates to a device for determining the topography of a surface of a test object, comprising at least one device for generating a test image and at least one image acquisition device and at least one recording device for the test object, which can be positioned such that the test image is displayed from the surface of the device during operation of the device DUT is reflectable to the image capture device, wherein the device further includes a beam splitter, which is adapted to direct the test image on the surface of the specimen and the image capture device. Furthermore, the invention relates to a corresponding method for determining the topography of a surface. Devices and methods of the type mentioned above can be used to measure the shape of reflective surfaces.

Aus der DE 100 14 964 A1 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Diese Vorrichtung verwendet zur Erzeugung des Prüfbildes eine telezentrische Lichtquelle, bei welcher eine mit einem Muster kodierte, diffus streuende Lichtebene über ein Linsensystem abgebildet wird, so dass für jeden Bildpunkt dessen Lage in der zweidimensionalen Ebene der Lichtquelle und dessen Sichtrichtung bekannt ist. From the DE 100 14 964 A1 a device of the type mentioned is known. This device uses a telecentric light source to generate the test pattern, in which a patterned, diffuse-scattering light plane is imaged via a lens system, so that for each pixel its location in the two-dimensional plane of the light source and its viewing direction is known.

Diese bekannte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass das telezentrische Prüfbild nur mit großem apparativem Aufwand erzeugt werden kann. However, this known device has the disadvantage that the telecentric test pattern can be produced only with great equipment expense.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Topografie einer Oberfläche anzugeben, welches einfacher durchführbar ist. Based on the prior art, the object of the invention is therefore to provide a device and a method for determining the topography of a surface, which is simpler to carry out.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. The object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 6.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Topografie einer Oberfläche eines Prüflings. Insbesondere soll die Oberfläche des Prüflings mehrere spiegelnde Teilflächen aufweisen, welche jeweils voneinander separiert sind. Die Oberfläche ist in diesem Fall nicht stetig. Einzelne Teilflächen können eben sein. Beispielsweise kann die Oberfläche des Prüflings eine Corner-Cube-Struktur aufweisen. Solche Corner-Cube-Strukturen können als Retroreflektor eingesetzt werden, beispielsweise in der Verkehrstechnik oder in der Messtechnik. In einigen Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich beim Prüfling um ein Werkzeug zur Herstellung einer Corner-Cube-Struktur in einem Kunststoffbauteil. Das Werkzeug kann beispielsweise Teil einer Spritzgussform sein oder zum Heißprägen der Oberfläche eines Kunststoffbauteils verwendet werden. The invention relates to a device for determining the topography of a surface of a test object. In particular, the surface of the test object should have a plurality of reflective partial surfaces, which are each separated from each other. The surface is not continuous in this case. Individual faces can be even. For example, the surface of the test piece may have a corner cube structure. Such corner cube structures can be used as a retroreflector, for example in traffic engineering or in metrology. In some embodiments of the invention, the device under test is a tool for producing a corner cube structure in a plastic component. The tool may for example be part of an injection mold or used for hot stamping the surface of a plastic component.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung soll die Oberfläche des Prüflings dann als spiegelnd angesehen werden, wenn diese zumindest einen Teil des elektromagnetischen Spektrums zumindest teilweise reflektiert. Der Prüfling kann beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung gefertigt sein oder aus einem Polymer, wobei die Oberfläche zumindest teilweise mit einem Metall oder einer Legierung beschichtet sein kann. For the purposes of the present invention, the surface of the specimen is to be considered as reflecting if it at least partially reflects at least part of the electromagnetic spectrum. The test specimen may be made of a metal or an alloy, for example, or of a polymer, wherein the surface may be at least partially coated with a metal or an alloy.

Eine Corner-Cube-Struktur besitzt drei Ansichten, bei denen die einzelnen Teilflächen der Struktur einem Beobachter als durchgängige Spiegelfläche erscheinen, obgleich die Spiegelfläche nicht stetig ist. Um möglichst gute retroreflektierende Eigenschaften zu gewährleisten, müssen die einzelnen Teilflächen jeweils gleich ausgerichtet sein, d.h. die Normalenvektoren jeder Teilfläche sollen parallel zueinander sein. Das Prüfergebnis einer solchen Oberfläche enthält eine Darstellung der Abweichungen der Normalenvektoren von ihrem Mittelwert und/oder die Markierung der abweichenden Teilflächen und/oder weitere, hier nicht explizit genannte Kriterien. A corner cube structure has three views in which the individual faces of the structure appear to an observer as a continuous mirror face, although the mirror face is not continuous. To ensure the best possible retroreflective properties, the individual faces must each be aligned identically, i. the normal vectors of each face should be parallel to each other. The test result of such a surface contains a representation of the deviations of the normal vectors from their mean value and / or the marking of the deviating patches and / or further criteria not explicitly mentioned here.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Bestimmung der Topografie einer solchen Oberfläche ein deflektometrisches Messverfahren einzusetzen. Hierbei wird eine Einrichtung zur Erzeugung eines Prüfbildes eingesetzt. Das Prüfbild wird von der Oberfläche des Prüflings reflektiert. Das reflektierte Bild wird mit einer Bilderfassungseinrichtung aufgenommen und ausgewertet. Der Prüfling ist somit Teil des optischen Systems, welches das Prüfbild in die Bilderfassungseinrichtung abbildet. Abweichungen der Topografie der zu prüfenden Oberfläche von deren Sollform können dann als Abbildungsfehler des von der Bilderfassungseinrichtung aufgenommenen Bildes des Prüfbildes identifiziert werden. According to the invention, it is proposed to use a deflektometric measuring method for determining the topography of such a surface. In this case, a device for generating a test pattern is used. The test specimen is reflected from the surface of the specimen. The reflected image is taken with an image capture device and evaluated. The test object is thus part of the optical system which images the test image into the image capture device. Deviations of the topography of the surface to be tested from its desired shape can then be identified as aberrations of the image of the test image taken by the image capture device.

Zur vollständigen Rekonstruktion der Topografie der Oberfläche des Prüflings ist es erforderlich, eine Zuordnung einer Teilfläche des Prüfbildes zu einer Teilfläche der Oberfläche des Prüflings vorzunehmen, d.h. die Auswertung muss erfassen, welche Teilfläche des Prüfbildes an welcher Teilfläche des Prüflings reflektiert wird. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Strahlteiler zu verwenden, welcher das Prüfbild auf dem Prüfling reflektiert und gleichzeitig die Beobachtung der Oberfläche des Prüflings erlaubt. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass auf eine aufwändige telezentrische Lichtquelle verzichtet werden kann, wenn das Prüfbild so kodiert ist, dass dessen Strukturen im Bild der Bilderfassungseinrichtung identifizierbar sind. In diesem Fall kann eine Zuordnung allein aus der Lage des jeweiligen Bildelementes oder Pixels des Prüfbildes erfolgen, ohne auch die Richtung des vom jeweiligen Pixel des Prüfbildes ausgehenden Lichtstrahles zu kennen. Der apparative Aufwand der Vorrichtung sinkt dadurch, so dass das Verfahren einfacher, kostengünstiger und rascher durchführbar ist. For a complete reconstruction of the topography of the surface of the test object, it is necessary to make an assignment of a partial area of the test image to a partial area of the surface of the test object, ie the evaluation must record which partial area of the test image is reflected at which partial area of the test object. According to the invention, it is proposed to use a beam splitter which reflects the test pattern on the test object and at the same time allows the observation of the surface of the test object. According to the invention, it has been recognized that a complex telecentric light source can be dispensed with if the test image is coded such that its structures can be identified in the image of the image capture device. In this case, an assignment can be based solely on the position of the respective pixel or pixel of the test image without knowing the direction of the light beam emanating from the respective pixel of the test image. The apparatus required by the device decreases, so that the process is easier, cheaper and faster to carry out.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung zur Erzeugung eines Prüfbildes eine Mehrzahl von Bildpunkten aufweisen. Beispielsweise kann die Einrichtung zur Erzeugung eines Prüfbildes einen an sich bekannten LCD-Monitor oder einen Röhrenmonitor enthalten. Diese Geräte weisen den Vorteil auf, dass wechselnde Prüfbilder dargestellt werden können, welche beispielsweise als Computergrafik gespeichert und über den LCD-Monitor ausgegeben werden können. In some embodiments of the invention, the means for generating a test image may comprise a plurality of pixels. For example, the device for generating a test image may include a conventional LCD monitor or a CRT monitor. These devices have the advantage that changing test images can be displayed, which can be stored, for example, as a computer graphic and output via the LCD monitor.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung zur Erzeugung eines Prüfbildes eine Mehrzahl von Bildpunkten aufweisen, deren Intensität modulierbar ist, wobei die Phasenlage gegen die Zeit bestimmbar ist. In diesem Fall können die einzelnen Bildpunkte des Prüfbildes mit einer im zeitlichen Verlauf sinusförmig ansteigenden und abfallenden Intensität angesteuert werden. Hierdurch kann sich der optische Eindruck von wellenförmig über das Prüfbild laufenden Intensitätsschwankungen ergeben. Solche zeitlich veränderlichen Intensitätsschwankungen können in zwei in etwa orthogonalen Raumrichtungen über die Bildebene geführt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können Prüfbilder für die Codierung zweier Raumrichtungen sequentiell angesteuert werden. Diese Ausführungsform der Erfindung erlaubt einerseits das Erkennen von Bildfehlern, wenn das zeitlich variable Streifenmuster vom Prüfling nicht einwandfrei in die Bilderfassungseinrichtung reflektiert wird. Gleichzeitig können einzelne Punkte des Prüfbildes mittels Phasenschiebeverfahren gekennzeichnet werden, so dass jedem Sichtstrahl eindeutig ein Beobachtungspunkt des Prüfbildes zugeordnet werden kann. Sofern dies in zwei Raumrichtungen durchgeführt wird, sind alle Punkte des Prüfbildes eindeutig zuzuordnen. Dieser Vorgang kann als deflektometrische Registrierung bezeichnet werden. Hierdurch kann eine absolute Bestimmung der Abweichungen der Normalenvektoren einzelner Teilflächen erfolgen. In some embodiments of the invention, the means for generating a test image may comprise a plurality of pixels whose intensity is modulatable, the phase position being determinable against time. In this case, the individual pixels of the test pattern can be controlled with a sinusoidally increasing and decreasing intensity over time. As a result, the visual impression of undulating intensity fluctuations that occur across the test pattern can result. Such time-varying intensity fluctuations can be guided over the image plane in two approximately orthogonal spatial directions. In some embodiments of the invention, test patterns for encoding two spatial directions may be sequentially driven. On the one hand, this embodiment of the invention makes it possible to detect image errors if the temporally variable stripe pattern is not reflected correctly by the test object into the image capture device. At the same time, individual points of the test pattern can be identified by means of phase shifting, so that each viewing beam can be uniquely assigned an observation point of the test pattern. If this is done in two spatial directions, all points of the test image must be clearly assigned. This process can be called a reflectometric registration. In this way, an absolute determination of the deviations of the normal vectors of individual partial surfaces can take place.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Prüfbild zeitlich unverändert dargestellt werden, beispielsweise in Form eines Druckbildes. Ein solches Prüfbild ist einfach herstellbar und benötigt keine weiteren elektrischen oder elektronischen Einrichtungen zu seiner Darstellung. Lediglich eine Lichtquelle in Durchlicht oder Auflicht muss bereitgestellt werden, um das Prüfbild sichtbar zu machen. Ein solches statisches Prüfbild erlaubt die relative Abweichung der Oberflächennormalen des Prüflings. Dies kann für einige Prüfaufgaben bereits ausreichend sein, so dass der Aufwand der Prüfung in diesem Fall weiter reduziert ist. In some embodiments of the invention, the test image can be displayed unchanged in time, for example in the form of a printed image. Such a test pattern is easy to produce and requires no further electrical or electronic devices for its presentation. Only a light source in transmitted light or reflected light must be provided to make the test image visible. Such a static test pattern allows the relative deviation of the surface normals of the test object. This may already be sufficient for some test tasks, so that the effort of the test is further reduced in this case.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung können eine erste Ebene der Oberfläche, eine zweite Ebene eines Objektivs der Bilderfassungseinrichtung und eine dritte Ebene eines Bildsensors der Bilderfassungseinrichtung so zueinander geneigt sein, dass sich die Ebenen in einer gemeinsamen Geraden schneiden. Eine solche Bilderfassungseinrichtung kann als Bilderfassungseinrichtung mit Tilt-Objektiv bezeichnet werden. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Schärfeebene der Bilderfassungseinrichtung in der Objektebene liegt, welche durch die Oberfläche des Prüflings definiert ist. Hierdurch kann die gesamte Oberfläche des Prüflings scharf abgebildet werden, so dass die Auswertung der Daten des Bildsensors erheblich erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht wird. Da die gesamte Oberfläche des Prüflings scharf abgebildet werden kann, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung die gesamte Oberfläche in einer einzigen Messung erfasst werden, so dass die Genauigkeit des Verfahrens weiter gesteigert werden kann. In some embodiments of the invention, a first plane of the surface, a second plane of an objective of the image capture device, and a third plane of an image sensor of the image capture device may be inclined to each other such that the planes intersect in a common straight line. Such an image capture device may be referred to as an image capture device with a tilt lens. This embodiment has the advantage that the focal plane of the image capture device lies in the object plane, which is defined by the surface of the test object. In this way, the entire surface of the specimen can be sharply imaged, so that the evaluation of the data of the image sensor considerably easier or even possible. Since the entire surface of the test piece can be sharply imaged, in some embodiments of the invention, the entire surface can be detected in a single measurement, so that the accuracy of the method can be further increased.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Objektiv und der Bildsensor gegeneinander verschiebbar sein. Hierdurch können stürzende Linien in der Aufnahme der Oberfläche des Prüflings vermieden werden, so dass sich eine genauere Auswertung der Messdaten ergeben kann. In some embodiments of the invention, the objective and the image sensor may be displaceable relative to one another. As a result, falling lines in the recording of the surface of the specimen can be avoided, so that a more accurate evaluation of the measured data can result.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung betrifft diese ein Computerprogrammprodukt oder einen Datenträger mit darauf gespeicherten Daten oder eine zur Übertragung über ein Computernetzwerk geeignete Signalfolge, welche Daten repräsentiert, wobei die Daten ein Computerprogramm repräsentieren, welches dazu eingerichtet ist, zumindest einige Verfahrensschritte des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Prüfverfahrens durchzuführen. In some embodiments of the invention, this relates to a computer program product or a data carrier with data stored thereon or a signal sequence suitable for transmission over a computer network which represents data, the data representing a computer program adapted to carry out at least some method steps of the test method proposed according to the invention ,

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt The invention will be explained in more detail with reference to figures without limiting the general inventive concept. It shows

1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 a schematic representation of the device according to the invention.

2 zeigt den Querschnitt durch einen Prüfling. 2 shows the cross section through a test piece.

3 zeigt ein mögliches Messergebnis. 3 shows a possible measurement result.

4 zeigt ein mögliches Prüfbild. 4 shows a possible test image.

5 zeigt Rohdaten der Bilderfassungseinrichtung. 5 shows raw data of the image capture device.

1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Topografie einer Oberfläche 31 eines Prüflings 3. 1 schematically shows the structure of a device according to the invention for determining the topography of a surface 31 of a test object 3 ,

Die Vorrichtung 1 umfasst eine Einrichtung 10 zur Erzeugung eines Prüfbildes. Das Prüfbild kann statisch dargestellt werden oder aber zeitlich veränderlich. Ein zeitlich veränderliches Prüfbild kann eine Mehrzahl von Pixeln aufweisen, deren Helligkeit moduliert wird, wie bei einem an sich bekannten LCD-Bildschirm. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung zur Erzeugung eines Prüfbildes auch eine Mehrzahl von Leuchtdioden aufweisen, welche separat ein- und ausgeschaltet werden können, um eine Helligkeitsmodulation der einzelnen Bildpunkte bzw. Pixel des Prüfbildes zu ermöglichen. Das Prüfbild kann monochrom dargestellt sein, so dass dieses nur eine einzelne Farbe bzw. einen sehr schmalen Wellenlängenbereich aufweist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Prüfbild mehrfarbig dargestellt sein, beispielsweise als RGB-Bild. In diesem Fall kann jedes Pixel aus einer Mehrzahl von Subpixeln unterschiedlicher Farbe zusammengesetzt sein. Dies erlaubt die Codierung einzelner Pixel durch Wellenlänge und/oder Phase. The device 1 includes a device 10 for generating a test image. The test image can be displayed statically or temporally variable. A time-varying test pattern may include a plurality of pixels whose brightness is modulated, as in a conventional LCD screen. In other embodiments of the invention, the device for generating a test image may also have a plurality of light-emitting diodes which can be switched on and off separately in order to enable a brightness modulation of the individual pixels or pixels of the test image. The test image can be displayed monochrome, so that it has only a single color or a very narrow wavelength range. In other embodiments of the invention, the test image may be displayed in multiple colors, for example as an RGB image. In this case, each pixel may be composed of a plurality of subpixels of different colors. This allows the coding of individual pixels by wavelength and / or phase.

Bei Betrieb der Vorrichtung bzw. bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens fällt das Prüfbild auf einen Strahlteiler 4. Der Strahlteiler 4 kann in etwa 45° zur Oberfläche des Prüfbildes bzw. zur Flächennormalen des Prüfbildes geneigt sein. Das vom Strahlteiler reflektierte Licht fällt auf die Oberfläche des Prüflings. Die Oberfläche 31 des Prüflings 3 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung abschnittsweise stetig sein. In diesem Fall ist die Oberfläche 31 aus einer Mehrzahl von Teilflächen zusammengesetzt, welche zueinander versetzt sind. Einzelnen Teilflächen können eben ausgeführt sein. During operation of the device or when carrying out the method according to the invention, the test pattern falls on a beam splitter 4 , The beam splitter 4 may be inclined at about 45 ° to the surface of the test image or to the surface normal of the test image. The reflected light from the beam splitter falls on the surface of the specimen. The surface 31 of the test piece 3 may be continuous in sections in some embodiments of the invention. In this case, the surface is 31 composed of a plurality of partial surfaces, which are offset from each other. Individual faces can be made even.

Das von den einzelnen Teilflächen der Oberfläche 31 reflektierte Licht kann den Strahlteiler 4 durchdringen und auf die Bilderfassungseinrichtung 2 fallen. Die Bilderfassungseinrichtung 2 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Objektiv 21 enthalten. Das Objektiv 21 kann zumindest objektseitig telezentrisch sein, so dass in der Objektebene keine oder zumindest in reduziertem Umfang Abschattungen auftreten. That of the individual surfaces of the surface 31 reflected light can be the beam splitter 4 penetrate and on the image capture device 2 fall. The image capture device 2 In some embodiments of the invention, a lens may be used 21 contain. The objective 21 can be telecentric at least on the object side, so that shadowing does not occur in the object plane, or at least to a lesser extent.

Weiterhin weist die Bilderfassungseinrichtung 2 einen Bildsensor 22 auf. Der Bildsensor 22 kann ein an sich bekannter CCD- oder CMOS-Sensor sein, welcher einen elektrischen Datenstrom ausgeben kann, welches das von der Bilderfassungseinrichtung 2 erfasste Bild repräsentiert. Furthermore, the image capture device 2 an image sensor 22 on. The image sensor 22 may be a known per se CCD or CMOS sensor, which can output an electrical data stream, that of the image capture device 2 captured image represents.

Wie in 1 ersichtlich ist, schneidet sich eine erste Ebene 41, welche durch die Oberfläche 31 definiert ist, eine zweite Ebene 42, welche durch die Objektivebene des Objektivs 21 definiert ist, sowie eine dritte Ebene 43, welche die Ebene des Bildsensors 22 darstellt in einer gemeinsamen Geraden 45. Im Schnittbild der 1 ist die Gerade 45 als Punkt dargestellt. Durch die Neigung zwischen Objektiv 21 und Bildsensor 22 liegt die Schärfeebene der Bilderfassungseinrichtung 2 in der ersten Ebene 43, d.h. die gesamte Oberfläche 31 des Prüflings 3 kann scharf abgebildet werden. As in 1 As can be seen, a first level intersects 41 passing through the surface 31 is defined, a second level 42 passing through the lens plane of the lens 21 is defined, as well as a third level 43 showing the plane of the image sensor 22 represents in a common line 45 , In the sectional view of the 1 is the straight line 45 shown as a dot. Due to the inclination between the lens 21 and image sensor 22 lies the focal plane of the image capture device 2 in the first level 43 ie the entire surface 31 of the test piece 3 can be sharply imaged.

Durch die Verwendung des Strahlteilers 4 und dessen Neigung um 45° zur Oberfläche des Prüfbildes ist der Abstand zwischen jeder Teilfläche bzw. jedem Pixel des Prüfbildes und jeder Teilfläche der Oberfläche 31 des Prüflings 3 gleich groß. Die Kenntnis dieses Abstandes ermöglicht die Bestimmung des absoluten Normalenvektors einer jeden Teilfläche der Oberfläche 31 bzw. die absolute Abweichung des Normalenvektors einer jeden Teilfläche von einer Sollrichtung. By using the beam splitter 4 and its slope at 45 ° to the surface of the test image is the distance between each patch or each pixel of the test image and each patch of the surface 31 of the test piece 3 same size. The knowledge of this distance enables the determination of the absolute normal vector of each subarea of the surface 31 or the absolute deviation of the normal vector of each partial area from a desired direction.

2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt eines Prüflings 3 mit einer Oberfläche 31. Die Oberfläche 31 weist eine Mehrzahl spiegelnder Teilflächen 31a, 31b, 31c und 31d auf. Die Teilflächen sind jeweils parallel zueinander angeordnet, gehen jedoch nicht stetig ineinander über. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäß vorgeschlagene Prüfverfahren sollen dazu eingesetzt werden, die Parallelität der Teilflächen 31a, 31b, 31c und 31d zu bestimmen. Gleichbedeutend damit ist die Abweichung der jeweils zugeordneten Normalenvektoren. 2 shows a section of the cross section of a test specimen 3 with a surface 31 , The surface 31 has a plurality of reflective sub-areas 31a . 31b . 31c and 31d on. The faces are each arranged parallel to each other, but do not merge into each other continuously. The device according to the invention and the test method proposed according to the invention are intended to be used for the parallelism of the partial surfaces 31a . 31b . 31c and 31d to determine. Synonymous with this is the deviation of the respective associated normal vectors.

Zur Durchführung des Prüfverfahrens wird ein Prüfbild auf der Einrichtung 10 dargestellt und dieses Prüfbild über den Strahlteiler 4 auf die Oberfläche 31 des Prüflings 3 reflektiert. Das von den jeweiligen Teilflächen 31a, 31b, 31c und 31d reflektierte Licht wird in die Einfallsrichtung zurückgeworfen und durch den Strahlteiler 4 hindurch von der Bilderfassungseinrichtung 2 erfasst. To carry out the test procedure, a test image is taken on the device 10 represented and this test pattern on the beam splitter 4 on the surface 31 of the test piece 3 reflected. That of the respective sub-areas 31a . 31b . 31c and 31d reflected light is reflected back in the direction of incidence and through the beam splitter 4 through the image capture device 2 detected.

Das Ergebnis einer solchen Messung ist in 3 dargestellt. 3 zeigt die Position bzw. die fortlaufende Nummer des jeweiligen Kamerapixels auf der Abszisse. Die Position des jeweiligen Pixels auf dem Prüfbild ist auf der Ordinate dargestellt. 3 zeigt das Messergebnis eines idealen Prüflings 3, d.h. die einzelnen Teilflächen 31a, 31b, 31c und 31d weisen keine Abweichung in der Parallelität auf. Wie aus 3 ersichtlich ist, ergibt sich in diesem Fall eine abschnittsweise stetige Funktion, wobei jeder ebenen Teilfläche 31a, 31b, 31c und 31d ein gerader Abschnitt der Funktion der Messwerte zugeordnet ist. Dabei ist zu beachten, dass 3 nicht exakt die Messergebnisse für den beispielhaften Prüfkörper gemäß 2 zeigt. Sofern der Prüfling Fehler aufweist, beispielsweise Nicht-Parallelitäten der einzelnen Teilflächen, so würde sich dies in der Abweichung der Messwerte vom in 3 dargestellten idealen Messergebnis zeigen. Die Auswertung bzw. Durchführung der Messung beschränkt sich somit auf zwei einfache Verfahrensschritte, nämlich der Zuordnung jeder Teilfläche des Prüfbildes zu einem Kamerapixel und der Feststellung von Abweichungen zwischen der gemessenen und der erwarteten Position. The result of such a measurement is in 3 shown. 3 shows the position or the consecutive number of the respective camera pixel on the abscissa. The position of the respective pixel on the test image is shown on the ordinate. 3 shows the measurement result of an ideal test object 3 ie the individual faces 31a . 31b . 31c and 31d show no deviation in the parallelism. How out 3 can be seen results in this case, a sectionally continuous function, each flat surface 31a . 31b . 31c and 31d a straight section is assigned to the function of the measured values. It should be noted that 3 not exactly the measurement results for the exemplary test specimen according to 2 shows. If the examinee has errors, such as non-parallelism of the individual faces, this would be in the Deviation of the measured values from in 3 show the ideal measurement result shown. The evaluation or execution of the measurement is thus limited to two simple method steps, namely the assignment of each partial area of the test image to a camera pixel and the determination of deviations between the measured and the expected position.

Die Zuordnung der einzelnen Pixel des Prüfbildes kann durch ein Phasenschiebeverfahren erfolgen, indem die Helligkeit der einzelnen Pixel beispielsweise sinusförmig mit der Zeit moduliert wird. Beispielsweise kann zur eindeutigen Zuordnung einzelner Pixel ein Phasenschiebeverfahren mit vier Messungen durchgeführt werden, so dass jedes Pixel mit vier verschiedenen Intensitäten erfasst wird. Sofern die Intensitätsmodulation zumindest eine Sequenz zur horizontalen Kodierung und zumindest eine Sequenz zur vertikalen Kodierung aufweist, können mit beispielsweise 4 × 2 Bildern, welche durch die Bilderfassungseinrichtung 2 aufgenommen werden, alle Pixel des Prüfbildes eindeutig identifiziert und somit die deflektometrische Bewertung durchgeführt werden. The assignment of the individual pixels of the test image can be done by a phase shift method by the brightness of the individual pixels, for example sinusoidally modulated with time. For example, to uniquely assign individual pixels, a phase shift method with four measurements may be performed so that each pixel is detected at four different intensities. If the intensity modulation has at least one sequence for horizontal coding and at least one sequence for vertical coding, it is possible with, for example, 4 × 2 images, which are captured by the image capture device 2 be recorded, all pixels of the test image uniquely identified and thus the deflektometric evaluation are performed.

4 zeigt beispielhaft ein Prüfbild, welches auf der Einrichtung 10 zur Erzeugung des Prüfbildes dargestellt werden kann. Das Prüfbild 10 besteht aus einer Mehrzahl von Pixeln 101, welche nebeneinander und übereinander in einer Matrix angeordnet sind. Die Intensität eines jeden Pixels wird sinusförmig moduliert, so dass sich für einen Betrachter der Eindruck von wellenförmigen Intensitätsschwankungen ergibt, welche über die Oberfläche des Prüfbildes 10 laufen. 4 zeigt eine Sequenz zur horizontalen Kodierung. Um eine eindeutige Zuordnung aller Pixel auf der Oberfläche zu erhalten, kann danach ein identisches, jedoch um 90° gedrehtes Muster dargestellt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können auch andere Muster zur Kodierung verwendet werden. 4 exemplifies a test image, which on the device 10 can be displayed to generate the test image. The test image 10 consists of a plurality of pixels 101 , which are arranged side by side and one above the other in a matrix. The intensity of each pixel is sinusoidally modulated so as to give a viewer the impression of undulating intensity variations that are over the surface of the test image 10 to run. 4 shows a sequence for horizontal coding. In order to obtain an unambiguous assignment of all pixels on the surface, an identical, but rotated by 90 ° pattern can then be displayed. In other embodiments of the invention, other patterns may also be used for coding.

5 zeigt die Darstellung der Oberfläche 31 des Prüflings 3, wie dieser nach vollständiger Durchführung des Verfahrens von der Bilderfassungseinrichtung erfasst wird. 5 zeigt wiederum eine Mehrzahl von Pixeln, welche unterschiedliche Helligkeiten bzw. Grauwerte aufweisen. Beispielhaft sei ein Pixel 31a genannt, welches eine geringere Helligkeit aufweist wie benachbarte Pixel. Daraus kann geschlossen werden, dass diese Teilfläche gegenüber benachbarten Teilflächen geneigt ist, so dass weniger Licht in Richtung der Bilderfassungseinrichtung reflektiert wird. 5 shows the representation of the surface 31 of the test piece 3 How it is detected after completion of the method by the image capture device. 5 again shows a plurality of pixels which have different brightnesses or gray values. An example is a pixel 31a called, which has a lower brightness than adjacent pixels. It can be concluded that this partial surface is inclined relative to adjacent partial surfaces, so that less light is reflected in the direction of the image capture device.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Merkmale aus unterschiedlichen, vorstehend detailliert beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen. Of course, the invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The above description is not to be considered as limiting, but as illustrative. Features of different embodiments of the invention described above in detail may be combined to form other embodiments. The following claims are to be understood as meaning that a named feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of further features. If the claims and the above description define "first" and "second" features, then this term serves to distinguish two similar features without prioritizing them.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10014964 A1 [0002]

Claims

Contraption ( 1 ) for determining the topography of a surface ( 31 ) of a test object ( 3 ), with at least one device ( 10 ) for generating a test image, and at least one image capture device ( 2 ), and at least one receiving device for the test specimen ( 3 ), which is positionable such that, during operation of the device ( 1 ) the test image from the surface ( 31 ) of the test piece ( 3 ) to the image capture device ( 2 ), the device further comprising a beam splitter ( 4 ) which is adapted to display the test image on the surface ( 31 ) of the test piece ( 3 ) and the image capture device ( 2 ), characterized in that the device ( 10 ) contains no telecentric light source for generating a test image.

Device according to claim 1, characterized in that the device ( 10 ) has a plurality of pixels for generating a test image

Device according to claim 2, characterized in that the device ( 10 ) to generate a test image a plurality of pixels ( 101 ) whose intensity can be modulated, wherein the phase position can be determined against the time.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a first level ( 41 ) of the surface ( 31 ), a second level ( 42 ) of a lens ( 21 ) of the image capture device ( 22 ) and a third level ( 43 ) of an image sensor ( 22 ) of the image capture device ( 2 ) in a common line ( 45 ) to cut.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the lens ( 21 ) and the image sensor ( 22 ) are mutually displaceable and / or that the lens ( 21 ) and the image sensor ( 22 ) are tilted towards each other.

Method for determining the topography of a surface ( 31 ) of a test object ( 3 ), in which at least one test image is generated, which by means of a beam splitter on the surface ( 31 ) of the test piece ( 3 ) and an image capture device ( 2 ), with the test image from the surface ( 31 ) of the test piece ( 3 ) to an image capture device ( 2 ) is reflected and detected by this, characterized in that the test image is not generated with a telecentric light source.

A method according to claim 6, characterized in that that the test pattern has a plurality of pixels whose intensity is modulated, wherein the phase position is determined against time.

A method according to claim 7, characterized in that the intensity modulation comprises at least one sequence for horizontal coding and at least one sequence for vertical coding.

Method according to one of claims 6 to 7, characterized in that a first level ( 41 ) of the surface ( 31 ), a second level ( 42 ) of a lens ( 21 ) of the image capture device ( 2 ) and a third level ( 43 ) of an image sensor ( 22 ) of the image capture device ( 2 ) in a common line ( 45 ) to cut

Method according to one of claims 6 to 9, characterized in that the lens ( 21 ) and the image sensor ( 22 ) are shifted against each other and / or that the lens ( 21 ) and the image sensor ( 22 ) are inclined against each other.

Method according to one of claims 6 to 10, characterized in that the parallelism of specular surfaces of the specimen is determined.