DE102016200369A1

DE102016200369A1 - Einrichtung zur optischen Prüfung der Oberfläche eines Objekts

Info

Publication number: DE102016200369A1
Application number: DE102016200369.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gigengack
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Einrichtung (1) zur optischen Prüfung der Oberfläche (101) eines Objekts (100), aufweisend: eine Kamera (10) mit einem Objektiv (11), das auf einen Erfassungsbereich ausgerichtet ist, und einer im Strahlengang hinter dem Objektiv angeordneten Sensoranordnung (20) mit mehreren Sensorpixeln zur Erzeugung von Bildsignalen, eine Leuchtenanordnung (50) mit mindestens drei Leuchten (51–53), die um den Erfassungsbereich angeordnet sind, um diesen mit jeder Leuchte aus einer anderen Richtung zu bestrahlen, wobei die Kamera im Strahlengang zwischen Objektiv und Sensoranordnung Strahlsteuerungsmittel (30) aufweist, die eingerichtet sind, einfallende Lichtreflexionsstrahlen (RS1-3) eines im Erfassungsbereich befindlichen Oberflächenbereichs (102) des Objektes in unterschiedliche Strahlanteile (RS1–RS3) aufzuteilen und diese auf unterschiedliche Sensorpixelgruppen (21–23) zu lenken, um in den Pixeln einer jeweiligen Gruppe strahlanteilspezifische Bildsignale (B1–B3) des Oberflächenbereichs zu erzeugen, und eine Steuervorrichtung (60), die eingerichtet ist, jeder Leuchte die Bildsignale mindestens einer Sensorpixelgruppe zuzuordnen, um für jede Leuchte ein leuchtenspezifisches Objektbild zu erzeugen, und eingerichtet ist, mittels Durchführens einer Shape-from-Shading-Verarbeitung auf Basis der Objektbilder ein Strukturbild der Objektoberfläche für die optische Prüfung zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Prüfung der Oberfläche eines Objekts mittels einer Shape-from-Shading(SfS)-Verarbeitung.
Derzeit bekannte SfS-Prüftechnik setzt zur gerichteten diffusen Beleuchtung einer zu prüfenden Oberfläche eines Objekts z.B. Blau- oder Weißlicht-LED´s in Kombination mit einer Graustufenkamera ein. Die zu prüfende Oberfläche wird dabei nacheinander aus vier verschiedenen Richtungen beleuchtet, wobei mittels der vier zeitlich nacheinander angeordneten Messungen vier Graustufenbilder aufgezeichnet werden. Bedingt durch die vier Messungen ist eine Prüfzeit bei einer konventionellen Prüfung mittels SfS-Verarbeitung relativ lang.
Beispielsweise ist im Fahrzeugbau bei vielen Komponentenbauteilen eine Fertigungstaktzeit kürzer als die Prüfzeit mit konventioneller SfS-Prüftechnik. Z.B. wird bei der konventionellen Laufflächenprüfung eines Nockens mittels SfS-Prüftechnik der Nocken unter einer Zeilenkamera kontinuierlich viermal um 360 Grad gedreht. Bei jeder Drehung um 360 Grad wird mit einer unterschiedlichen Beleuchtungsrichtung die Abwicklung der Lauffläche des Nockens mit einer Zeilenkamera aufgezeichnet. Aus den vier Abwicklungsbildern kann mit einem mathematischen Verfahren die Oberflächenstruktur rekonstruiert werden, mit der dann eventuell vorliegende Fehlstellen identifiziert werden können. Da die Prüfzeit deutlich größer als die Fertigungstaktzeit ist, muss die Prüfanlage mehrsträngig ausgelegt werden, was zu deutlich höheren Anlagenkosten und zu einer erhöhten Komplexität der Anlage führt.
Mit anderen Worten ausgedrückt müssen zur SfS-basierten Prüfung in der Regel Anlagen mit mehreren parallelen Messaufnehmern vorgesehen werden, wodurch sowohl die Anlagenkosten als auch die Anlagenkomplexität stark steigt und ggf. kein wirtschaftlicher Betrieb erreicht werden kann. Eine Reduzierung der Prüfzeit bei der Nutzung von SfS-Prüftechnik zur optischen Prüfung von Objektoberflächen wäre daher wünschenswert.
Ein Ansatz dazu ist aus DE 10 2007 021 964 A1 bekannt, worin eine Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Erfassung von Objektoberflächen eines Objekts beschrieben ist. Die Vorrichtung umfasst eine Leuchtenanordnung mit drei Leuchten, welche mit unterschiedlichen Wellenlängen strahlen, eine Auswerteoptik und/oder Auswerteelektronik, mittels der die von der zu erfassenden Oberfläche des Objektes aufgenommene Helligkeitsverteilung für die unterschiedlichen Wellenlängen getrennt, aber zeitlich simultan mit drei Kameras (eine für jede Wellenlänge aus der Beleuchtung) erfasst wird. Bei dieser Vorrichtung wird nur eine Bildaufnahme erstellt, wobei die Lichtsignale von der Oberfläche über halbdurchlässige Spiegel und Filter spektral getrennt und von den drei separaten Kameras aufgezeichnet werden. Basierend auf den dabei entstehenden drei Bildern wird eine SfS-Lösung bestimmt. Mit dieser Prüfvorrichtung kann die Prüfzeit gegenüber herkömmlichen Lösungen auf ein Viertel reduziert werden.
Ein weiterer Ansatz zur Reduzierung der Prüfzeit ist aus DE 10 2008 044 991 A1 bekannt, worin eine Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Erfassung von Objektoberflächen eines Objekts beschrieben ist. Bei dieser Vorrichtung werden vier Leuchten zur Beleuchtung einer Objektoberfläche eingesetzt, wobei je zwei Leuchten Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen ausstrahlen. Beim Prüfbetrieb wird in einem ersten Schritt mit einer ersten Kamera das von einer ersten Leuchte mit einer ersten Wellenlänge ausgestrahlte Licht und synchron dazu von einer zweiten Kamera das von einer zweiten Leuchte mit einer zweiten Wellenlänge ausgestrahlte Licht aufgenommen und in zwei Bildern gespeichert. In einem zweiten Schritt wird mit der ersten Kamera das von einer dritten Leuchte mit der ersten Wellenlänge ausgestrahlte Licht und synchron dazu mit der zweiten Kamera das von einer vierten Leuchte mit der zweiten Wellenlänge ausgestrahlte Licht aufgenommen. Die Lichtsignale von der Bauteiloberfläche werden dabei über halbdurchlässige Spiegel und Filter spektral getrennt und von den beiden separaten Kameras aufgezeichnet. Basierend auf den dabei entstehenden vier Bildern wird eine SfS-Lösung bestimmt. Mit dieser Prüfvorrichtung kann die Prüfzeit gegenüber herkömmlichen Lösungen halbiert werden.
Beide o.g. Ansätze verwenden für die Signaldetektion mehrere vollwertige Kameras. Da bei einer SfS-Verarbeitung eine pixelgenaue Berechnung durchführt wird, ist es erforderlich, die optische Achsen der mehreren Kameras sehr genau zueinander auszurichten. Kleine Verschiebungen führen sofort zu Fehlberechnungen. Mit den mehreren Kameras und den erforderlichen Ausrichtungs- und Halteeinrichtungen ergibt sich ein sehr hoher apparativer Aufwand.
Ein weiteres Problem bei der bekannten SfS-Prüftechnik tritt zu Tage, wenn zu prüfende Objektoberflächen veränderliche Ebenen, wie z.B. die Lauf- oder Funktionsflächen bei Nocken und Kurbelwellen und die Freiformgeometrieoberflächen von Karosserieaußenhautteilen von Fahrzeugen, oder mehrere nicht parallele Ebenen aufweisen, wie z.B. Dichtflächen von Zylinderkurbelgehäusen und Zylinderköpfen von Fahrzeugen.
Bei der konventionellen Laufflächenprüfung mittels SfS-Prüftechnik wird z.B. ein Nocken unter einer Zeilenkamera kontinuierlich viermal um 360 Grad gedreht. Bei jeder Drehung um 360 Grad wird mit einer unterschiedlichen Beleuchtungsrichtung die Abwicklung der Lauffläche des Nockens mit einer Zeilenkamera aufgezeichnet. Aus den vier Abwicklungsbildern kann mit einem mathematischen Verfahren die Oberflächenstruktur rekonstruiert werden, mit der dann eventuell vorliegende Fehlstellen identifiziert werden können. Allerdings beträgt eine Schärfentiefe der Kameraoptik nur wenige Millimeter, so dass während des Drehvorganges Kamera und Nocken drehwinkelsynchron zueinander hin und voneinander weg verschoben werden müssen, damit die aufgezeichnete Oberfläche immer im Schärfentiefebereich liegt und scharf abgebildet wird. Die drehwinkelsynchrone Verschiebung erfordert eine hohe Genauigkeit und ist daher anlagentechnisch aufwendig zu realisieren und mit hohen Kosten versehen. Ähnliche schärfentiefebedingte Probleme treten auch bei den anderen genannten zu prüfende Objektoberflächen mit veränderliche Ebenen oder mehreren nicht parallelen Ebenen auf. Zur Umgehung dieser Probleme sind daher gegenwärtig ein hoher gerätetechnische Aufwand und wegen des mechanischen Nachführens bzw. Verschiebens von Kamera und/oder Objekt erhöhte Prüfzeiten erforderlich.
Die gegenwärtig verfügbare SfS-Prüftechnik bietet daher insbesondere in Bezug auf die Reduzierung der Prüfzeit bei Vermeidung von hohem Anlagenaufwand Raum für Verbesserungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine diesbezüglich verbesserte Einrichtung zur optischen Prüfung der Oberfläche eines Objekts mittels einer SfS-Verarbeitung bereitzustellen. Dies wird mit einer Einrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß der Erfindung weist eine Einrichtung (im Folgenden Prüfeinrichtung genannt) zur optischen Prüfung der Oberfläche eines Objekts eine Kamera, eine Leuchtenanordnung und eine Steuervorrichtung auf. Die Kamera hat ein Objektiv, das auf einen Objekterfassungsbereich ausgerichtet ist, und eine in einem Strahlengang hinter dem Objektiv angeordnete Sensoranordnung mit einer Mehrzahl von Sensorpixeln zur Erzeugung von Bildsignalen. Die Leuchtenanordnung umfasst mindestens drei Leuchten, die um den Objekterfassungsbereich angeordnet sind, um den Objekterfassungsbereich mit jeder der mindestens drei Leuchten aus einer anderen Richtung mit Licht zu bestrahlen.
Die Kamera weist außerdem Strahlsteuerungsmittel auf, die im Strahlengang zwischen dem Objektiv und der Sensoranordnung angeordnet sind. Die Strahlsteuerungsmittel sind eingerichtet, über das Objektiv in die Kamera einfallende Lichtreflexionsstrahlen eines im Objekterfassungsbereich befindlichen Oberflächenbereichs des Objektes in unterschiedliche Strahlanteile aufzuteilen und die unterschiedlichen Strahlanteile auf unterschiedliche Gruppen von Sensorpixeln der Sensoranordnung zu lenken, um in den Sensorpixeln einer jeweiligen Gruppe strahlanteilspezifische Bildsignale des Oberflächenbereichs zu erzeugen.
Die Steuervorrichtung ist mit der Sensoranordnung und der Leuchtenanordnung verbunden. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, jeder der mindestens drei Leuchten die strahlanteilspezifischen Bildsignale mindestens einer Gruppe der unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln zuzuordnen, um für jede der mindestens drei Leuchten ein leuchtenspezifisches Objektbild zu erzeugen. Die Steuervorrichtung ist außerdem eingerichtet, mittels Durchführens einer Shape-from-Shading(SfS)-Verarbeitung auf Basis der leuchtenspezifischen Objektbilder zumindest ein Strukturbild der Oberfläche des Objektes für die optische Prüfung zu erzeugen.
In Bezug auf die Steuervorrichtung ist zu bemerken, dass sämtliche von dieser realisierte Funktionen, Algorithmen und Verarbeitungen z.B. mittels in die Steuervorrichtung integrierter geeigneter Software, Firmware und/oder Hardware ermöglicht werden.
Durch die erfindungsgemäße Konfiguration der Strahlsteuerungsmittel und der Steuervorrichtung braucht die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung mit nur einer einzigen Kamera versehen zu sein, um die für eine SfS-Verarbeitung nötigen mindestens drei leuchtenspezifischen Objektbilder bereitstellen zu können. Damit kann der apparative Aufwand gesenkt werden und entfallen aufwendige Ausricht- und Kalibrierarbeiten an der Prüfeinrichtung. Im Ergebnis kann somit auch die zum Prüfen eines Objekts erforderliche Prüfzeit reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Leuchten der Leuchtenanordnung so eingerichtet, dass sich die Wellenlängen des von den Leuchten jeweils ausgestrahlten Lichts voneinander unterscheiden. Bevorzugt ist von den Leuchten der Leuchtenanordnung eine erste Leuchte eingerichtet, Licht mit einer Wellenlänge von z.B. 630 nm auszustrahlen, ist eine zweite Leuchte eingerichtet, Licht mit einer Wellenlänge von z.B. 470 nm auszustrahlen, und ist eine dritte Leuchte eingerichtet, Licht mit einer Wellenlänge von z.B. 530 nm auszustrahlen. Andere geeignete Wellenlängenkombinationen sind ebenfalls möglich.
Durch die Verwendung von Leuchten unterschiedlicher Wellenlängen lässt sich in den Strahlsteuerungsmitteln leichter eine geeignete, insbesondere eine spektrale Aufteilung der Lichtreflexionsstrahlen in die unterschiedlichen Strahlanteile und eine geeignete Lenkung der Strahlanteile realisieren, um über sensorpixelgruppenmäßige Zuordnung der strahlanteilspezifischen Bildsignale für jede der mindestens drei Leuchten das leuchtenspezifische Objektbild zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuervorrichtung eingerichtet, die Leuchtenanordnung anzusteuern, so dass deren Leuchten alle gleichzeitig den Objekterfassungsbereich mit ihrem Licht bestrahlen. Im Ergebnis braucht für eine vollständige Erfassung der zu prüfenden Objektoberfläche diese nur ein einziges Mal vollständig von der Kamera erfasst werden, wodurch sich die Prüfzeit mindestens um zwei Drittel reduziert.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung weist die Sensoranordnung eine der Anzahl der mindestens drei Leuchten entsprechende Anzahl von separaten Sensorfeldern mit jeweiligen Sensorpixeln auf. Die Sensorpixel eines jeden Sensorfelds bilden jeweils eine Gruppe der unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln der Sensoranordnung. Die Strahlsteuerungsmittel weisen ein Strahlteilungsprisma auf, welches eingerichtet ist, die Lichtreflexionsstrahlen des im Objekterfassungsbereich befindlichen Oberflächenbereichs des Objektes gemäß den unterschiedlichen Wellenlängen des von den mindestens drei Leuchten jeweils ausgestrahlten Lichts in die unterschiedlichen Strahlanteile aufzuteilen und die jeweiligen Strahlanteile jeweils auf eines der Sensorfelder zu lenken. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, für jede der mindestens drei Leuchten das leuchtenspezifische Objektbild aus den strahlanteilspezifischen Bildsignalen der Sensorpixel des mit dem Licht der jeweiligen Leuchte bestrahlten Sensorfeldes zu erzeugen.
Ein Strahlteilungsprisma weist gegenüber den im Stand der Technik verwendeten halbdurchlässigen Spiegeln und Filtern eine bessere spektrale Trennqualität auf, wodurch das Ergebnis der SfS-Verarbeitung und damit die Qualität des Strukturbildes verbessert wird. Durch die Verwendung eines Strahlteilungsprismas kann außerdem die Baugröße des Messaufnehmers klein gehalten und ggf. direkt in die Kamera integriert werden. Durch Vorsehen der mehreren separaten Sensorfelder wird die erfindungsgemäße Gruppierung der Sensorpixel erleichtert. Damit wird auch die sensorpixelgruppenmäßige Zuordnung der strahlanteilspezifischen Bildsignale erleichtert, um für jede der mindestens drei Leuchten das leuchtenspezifische Objektbild zu erzeugen.
Für die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung kann eine kommerziell verfügbare Kamera mit integriertem Strahlteilungsprisma zum Einsatz kommen. Bei der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung entfallen alle Probleme und technischen Risiken aus der Positionierung mehrerer Kameras zueinander. Gleichzeitig steigt durch das Strahlteilungsprisma die Trennqualität im Vergleich zu den halbdurchlässigen Spiegeln und den Filtern. Der apparative Aufwand wird auf eine einzige Kamera reduziert.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuervorrichtung eingerichtet, so dass sie in Bezug auf das von den mindestens drei Leuchten jeweils ausgestrahlte Licht eine wellenlängenabhängige Kompensationsfunktion für Beleuchtungsstärkeunterschiede realisiert. Mit anderen Worten ausgedrückt realisiert die Kompensationsfunktion eine Kompensation spektraler Unterschiede in der Beleuchtungsstärke. Wenn solche Unterschiede vorhanden sind, sollte die Beleuchtung der Oberfläche mit den Leuchten verschiedener Wellenlänge hinsichtlich der Beleuchtungsstärke jeder einzelnen Wellenlänge angepasst werden. Dieses kann beispielsweise förderlich sein, wenn farbige Oberflächen z.B. bei lackierten Objekten geprüft werden sollen.
Gemäß einer ersten Variante kann die Kompensationsfunktion realisiert sein, indem eine Kompensation der Beleuchtungsstärke bzw. Reflektion mit einem einheitlichen Parametersatz für die gesamte zu prüfenden Oberfläche des Objekts durchgeführt wird. Zu diesem Zweck wird vor Beginn der eigentlichen Messungen z.B. in Form einer Kalibriermessung an einem oder mehreren Referenzobjekten integral oder bereichsweise für jede von den Leuchten ausstrahlbare Wellenlänge ein Korrekturwert ermittelt, der zur wellenlängenabhängigen Kompensation der Beleuchtungsstärke- bzw. Reflektionsunterschiede in den leuchtenspezifischen Objektbildern verwendet wird, um kompensierte leuchtenspezifische Objektbilder zu erzeugen. Die kompensierten leuchtenspezifischen Objektbilder bilden dann normierte Rohdaten für die SfS-Verarbeitung. Alternativ kann die Anpassung der Beleuchtungsstärke der Leuchten auch über eine Steuerung des Stroms auf Basis der Kalibrierwerte erfolgen.
Gemäß einer zweiten Variante kann die Kompensationsfunktion realisiert sein, indem eine dynamische Kompensation der Beleuchtungsstärke für jedes zu prüfende Objekt durchgeführt wird. Zu diesem Zweck wird für einen oder mehrere Oberflächenbereiche jedes Objekts für jede von den Leuchten ausstrahlbare Wellenlänge integral oder bereichsweise ein Korrekturwert ermittelt, der zur wellenlängenabhängigen Kompensation der Beleuchtungsstärke- bzw. Reflektionsunterschiede in den leuchtenspezifischen Objektbildern verwendet wird, um kompensierte leuchtenspezifische Objektbilder zu erzeugen. Die kompensierten leuchtenspezifischen Objektbilder bilden dann normierte Rohdaten für die SfS-Verarbeitung. Alternativ kann die Anpassung der Beleuchtungsstärke der Leuchten auch über eine Regelung des Stroms auf Basis der ermittelten Kalibrierwerte erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuervorrichtung eingerichtet, die Leuchtenanordnung anzusteuern, so dass deren mindestens drei Leuchten den Objekterfassungsbereich separat nacheinander für eine vorbestimmte Bestrahlungszeitdauer mit ihrem Licht bestrahlen.
Für diesen Fall weisen die Strahlsteuerungsmittel bevorzugt ein mit einer Mehrzahl von optischen Mikrolinsen gebildetes Mikrolinsenfeld auf, das mit vordefiniertem Abstand von einer durch die Sensoranordnung definierten Sensorebene angeordnet ist, so dass jede Mikrolinse einen Strahlanteil der Lichtreflexionsstrahlen eines im Objekterfassungsbereich befindlichen Oberflächenbereichs des Objektes auf eine Gruppe von mehreren Sensorpixeln der Sensoranordnung als eine der unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln der Sensoranordnung lenkt. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Kamera dieser Ausführungsform der Erfindung als plenoptische Kamera bzw. Lichtfeldkamera ausgebildet.
Die Steuervorrichtung ist in diesem Fall bevorzugt eingerichtet, jeder der mindestens drei Leuchten die in ihrer jeweiligen Bestrahlungszeitdauer erzeugten strahlanteilspezifischen Bildsignale der unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln zuzuordnen, um das leuchtenspezifische Objektbild aus den strahlanteilspezifischen Bildsignalen aller Gruppen von Sensorpixeln als leuchtenspezifisches 4D-Lichtfeldbild zu erzeugen.
Die Steuervorrichtung ist in diesem Fall außerdem bevorzugt eingerichtet, aus jedem leuchtenspezifischen 4D-Lichtfeldbild auf Basis von vorbestimmten Geometriedaten des Objekts ein leuchtenspezifisches 2D-Objektbild mit optimaler Fokuslage zu rekonstruieren und die SfS-Verarbeitung auf Basis der rekonstruierten leuchtenspezifischen 2D-Objektbilder durchzuführen.
Bisherige Ansätze aus dem Stand der Technik gehen wie oben bereits erläutert davon aus, dass die Prüfung bei veränderlichen Prüfebenen, wie z.B. bei der Laufflächenprüfung an Nocken- oder Kurbelwellen, durch eine aufwendige mechanische Nachführung abhängig von der Fokuslage realisiert wird. Bei Objekten mit mehreren Prüfebenen und ggf. nicht parallelen Prüfebenen erfolgt die Prüfung in mehreren Schritten mit separater Prüftechnik, d.h. es ist für jede Prüfebene ein Prüfsystem mit Kamera, Optik und Beleuchtung erforderlich, welches auf jeweils eine Prüfebene scharf gestellt wird. Bei Freiformbauteilen wie Karosserieaußenhautteilen als zu prüfenden Objekten muss ständig nachgeführt werden.
Durch die erfindungsgemäße Kombination von Bilderfassung mittels plenoptischer Kamera und nachfolgender Bildverarbeitung mittels "Shape from Shading" kann den schärfentiefebedingten Problemen bei der optischen Prüfung solcher Objektoberflächen abgeholfen werden. Dabei besteht der Grundgedanke in der Erfassung von 4D-Lichtfeldern und der bevorzugt softwaretechnischen Korrektur der Fokuslage. Anschließend können die Bilder, wie mit konventioneller Kameratechnik erzeugt, mit der SfS-Verarbeitung zur Erlangung eines Strukturbildes weiterverarbeitet werden.
Mit anderen Worten ausgedrückt kommt bei der Prüfeinrichtung dieser Ausführungsform der Erfindung für die SfS-Prüftechnik eine plenoptische Kamera zum Einsatz, mit welcher 4D-Lichtfelder basierend auf mindestens drei unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen aufgezeichnet werden. Aus jedem der mindestens drei 4D-Lichtfelder wird dann basierend auf den bekannten Informationen der Geometrie des zu prüfenden Objekts pixel-, abschnitts- oder streifenweise ein 2D-Bild mit optimaler Fokuslage rekonstruiert. Für die 2D-Bilder mit optimaler Fokuslage wird pixelweise eine Differentialgleichung gelöst, womit der Normalenvektor auf der betrachteten Oberfläche berechnet werden kann. Dieser Normalenvektor ist dann frei von störenden Helligkeitsunterschieden der Oberfläche und kann zur Identifizierung von Fehlermerkmalen verwendet werden. Die SfS-Prüftechnik wird dadurch unabhängig von unterschiedlichen Fokuslagen, die durch die Objektgeometrie vorgegeben werden.
Im Detail ausgedrückt ist ein Lichtfeld als dreidimensionaler Raum definiert, in dem für jeden Punkt im Raum die Strahldichte des Lichts bekannt ist. Dieses wird durch die plenoptische Funktion L beschrieben. Wenn diese auf eine Referenzebene bezogen wird, entsteht durch den Wegfall der Z-Komponente ein 4D-Lichtfeld. Dieses kann mit einer plenoptischen Kamera abgebildet werden. Mit den Daten für Lichtintensität (bzw. Farbwert), Raumrichtung und Lage des Objektpunktes, die mit der plenoptischen Kamera erfasst werden, kann nachträglich ein Bild mit einer beliebigen Fokuslage rekonstruiert werden.
Beim Einsatz von "Shape from Shading" wird die Oberfläche des zu prüfenden Objekts aus mindestens drei verschiedenen Richtungen diffus beleuchtet. Dabei werden mindestens drei Bilder aufgezeichnet. Basierend auf den mindestens drei Bildern wird pixelweise eine Differentialgleichung gelöst, womit der Normalenvektor auf der betrachteten Oberfläche berechnet werden kann. Dieser ist frei von störenden Helligkeitsunterschieden der Oberfläche und wird zur Identifizierung von Fehlermerkmalen verwendet.
Bevorzugt sind bei der Ausführungsform der Strahlsteuerungsmittel mit dem Mikrolinsenfeld bzw. der Ausführungsform der plenoptischen Kamera die mindestens drei Leuchten der Leuchtenanordnung so eingerichtet, dass das von den Leuchten jeweils ausgestrahlte Licht die gleiche Wellenlänge hat. Alternativ können die mindestens drei Leuchten der Leuchtenanordnung aber auch so eingerichtet sein, dass sich die Wellenlängen des von den Leuchten jeweils ausgestrahlten Lichts voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten ausgedrückt ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auch eine Kombination der plenoptischen Kamera mit der Beleuchtung mit mindestens drei spektral unterschiedlichen Wellenlängen möglich.
Bevorzugt umfasst die Leuchtenanordnung in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung vier Leuchten, die um den Objekterfassungsbereich angeordnet sind, um den Objekterfassungsbereich mit jeder der vier Leuchten aus einer anderen Richtung mit Licht zu bestrahlen. Damit kann die SfS-Verarbeitung in ihrem Ergebnis genauer gemacht und insbesondere hinsichtlich des erforderlichen Rechenaufwandes vereinfacht werden. Im Ergebnis kann bei hinsichtlich der Qualität verbessertem Ergebnis der SfS-Verarbeitung ggf. die Prüfzeit weiter verkürzt werden.
Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur optischen Prüfung der Oberfläche eines Objekts gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Funktionsweise der Einrichtung von 1.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur optischen Prüfung der Oberfläche eines Objekts gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Funktionsweise der Einrichtung von 3.
5 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur optischen Prüfung der Oberfläche eines Objekts gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Funktionsweise der Einrichtung von 5.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Einrichtung 1 (im Folgenden Prüfeinrichtung 1) zur optischen Prüfung der Oberfläche 101 eines Objekts 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Die Prüfeinrichtung 1 kann z.B. zum Einsatz kommen, um z.B. in Kraftfahrzeugkomponenten Funktionsflächen wie Nockenlaufflächen oder Kolbenstangenoberflächen, welche frei von Fehlstellen wie Poren, Lunkern, Riefen, Schlagstellen usw. sein müssen, optisch auf Fehlstellenfreiheit zu prüfen. Mit anderen Worten kann gemäß der Erfindung das zu prüfende Objekt 100 z.B. ein Nocken oder eine Kolbenstange sein, wobei die Funktionsfläche die zu prüfende Oberfläche 101 bildet.
Die Prüfeinrichtung 1 weist eine Kamera 10, eine Leuchtenanordnung 50 und eine Steuervorrichtung 60 auf.
Die bevorzugt als Zeilenkamera ausgebildete Kamera 10 umfasst ein Objektiv 11, das auf einen Objekterfassungsbereich ausgerichtet ist, eine in einem Strahlengang hinter dem Objektiv 11 angeordnete Sensoranordnung 20 mit einer Mehrzahl von Sensorpixeln (nicht dargestellt) zur Erzeugung von Bildsignalen sowie Strahlsteuerungsmittel 30, die im Strahlengang zwischen dem Objektiv 11 und der Sensoranordnung 20 angeordnet sind.
Zur optischen Erfassung der Oberfläche 101 des Objekts 100 wird dieses im Prüfbetrieb relativ zur Prüfeinrichtung 1 bewegt, so dass sich nacheinander unterschiedliche Oberflächenbereiche der zu prüfenden Oberfläche 101 des Objekts 100 im Objekterfassungsbereich der Kamera 10 befinden, wie in 1 exemplarisch mit einem Oberflächenbereich 102 des Objekts 100 gezeigt. Die von der Kamera (Zeilenkamera) 10 erfassten Oberflächenbereiche des Objekts 100 werden letztendlich zu einem Gesamtbild (einer Abwicklung) der zu prüfenden Oberfläche 101 des Objekts 100 zusammengefasst. In der vorliegenden Ausführungsform wird z.B. im Falle eines Nockens oder einer Kolbenstange als Objekt 100 dieses zur vollständigen optischen Erfassung der Funktionsfläche (Oberfläche 101) um 360 Grad gedreht.
Die Leuchtenanordnung 50 umfasst drei Leuchten 51, 52, 53, die in der vorliegenden Ausführungsform jeweils als LED ausgebildet sind und die um den Objekterfassungsbereich (in der Darstellung von 1 korrespondierend zum Oberflächenbereich 102) winkelversetzt angeordnet sind, um den Objekterfassungsbereich mit jeder der drei Leuchten 51, 52, 53 aus einer anderen Richtung mit Licht zu bestrahlen. Der bekannte Vektor s1, s2, s3 der jeweiligen Beleuchtungsrichtungen der drei Leuchten 51, 52, 53 bezüglich eines Punktes P (x, y, z) im Oberflächenbereich 102 ist in 1 beispielhaft dargestellt.
Die drei Leuchten 51, 52, 53 der Leuchtenanordnung 50 sind so eingerichtet, dass sich die Wellenlängen des von den Leuchten 51, 52, 53 jeweils ausgestrahlten Lichts voneinander unterscheiden. Genauer ist eine erste Leuchte 51 der Leuchtenanordnung 50 eingerichtet, Licht mit einer Wellenlänge von 630 nm auszustrahlen, ist eine zweite Leuchte 52 der Leuchtenanordnung 50 eingerichtet, Licht mit einer Wellenlänge von 470 nm auszustrahlen, und ist eine dritte Leuchte 53 der Leuchtenanordnung 50 eingerichtet, Licht mit einer Wellenlänge von 530 nm auszustrahlen.
Die Leuchtenanordnung 50 ist mit einer Leuchtensteuereinheit 61 der Steuervorrichtung 60 zur Ansteuerung der Leuchten 51–53 verbunden. Die Leuchtensteuereinheit 61 der Steuervorrichtung 60 ist eingerichtet, die Leuchtenanordnung 50 so anzusteuern, dass deren Leuchten 51–53 im Prüfbetrieb alle gleichzeitig den Objekterfassungsbereich und damit die zu prüfende Oberfläche 101 mit ihrem Licht bestrahlen.
Die Sensoranordnung 20 weist eine der Anzahl der Leuchten 51–53 entsprechende Anzahl von separaten Sensorfeldern 21, 22, 23 mit jeweiligen Sensorpixeln auf. In der vorliegenden Ausführungsform weist somit die Sensoranordnung 20 drei separate Sensorfelder 21, 22, 23 mit jeweiligen Sensorpixeln auf, wobei die Sensorpixel eines jeden Sensorfelds 21, 22, 23 jeweils eine Gruppe von drei unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln der Sensoranordnung 20 bilden. Genauer sind die Sensorpixel eines ersten Sensorfelds 21 der Sensoranordnung 20 eingerichtet, reflektiertes Licht der ersten Leuchte 51 der Leuchtenanordnung 50 zu erfassen, sind die Sensorpixel eines zweiten Sensorfelds 22 der Sensoranordnung 20 eingerichtet, reflektiertes Licht der zweiten Leuchte 52 der Leuchtenanordnung 50 zu erfassen, und sind die Sensorpixel eines dritten Sensorfelds 23 der Sensoranordnung 20 eingerichtet, reflektiertes Licht der dritten Leuchte 53 der Leuchtenanordnung 50 zu erfassen. Die Sensorfelder 21, 22, 23 sind jeweils als CCD-Sensorfeld ausgebildet, womit die Kamera 10 als 3CCD-Kamera bezeichnet werden kann.
Die in die Kamera 10 integrierten Strahlsteuerungsmittel 30 weisen ein Strahlteilungsprisma 31 auf, welches eingerichtet ist, Lichtreflexionsstrahlen RS1-3 des im Objekterfassungsbereich befindlichen Oberflächenbereichs 102 des Objektes 100 gemäß den unterschiedlichen Wellenlängen des von den drei Leuchten 51, 52, 53 jeweils ausgestrahlten Lichts spektral in unterschiedliche Strahlanteile RS1, RS2, RS3 aufzuteilen und die jeweiligen Strahlanteile RS1, RS2, RS3 jeweils auf eines der Sensorfelder 21, 22, 23 zu lenken, um in den Sensorpixeln des jeweiligen Sensorfelds 21, 22, 23 (bzw. der jeweiligen Gruppe von Sensorpixeln) strahlanteilspezifische Bildsignale B1, B2, B3 der von der Kamera 10 erfassten Oberflächenbereiche 102 der Oberfläche 101 des Objekts 100 zu erzeugen.
Genauer wird ein erster Strahlanteil RS1, welcher aus dem von der ersten Leuchte 51 ausgestrahlten Licht resultiert, auf das erste Sensorfeld 21 gelenkt. Ein zweiter Strahlanteil RS2, welcher aus dem von der zweiten Leuchte 52 ausgestrahlten Licht resultiert, wird auf das zweite Sensorfeld 22 gelenkt. Ein dritter Strahlanteil RS3, welcher aus dem von der dritten Leuchte 53 ausgestrahlten Licht resultiert, wird auf das dritte Sensorfeld 23 gelenkt. Für die gezielte spektrale Aufteilung und Lenkung der Strahlanteile RS1, RS2, RS3 ist das Strahlteilungsprisma 31 mit zwei aufeinanderfolgenden üblichen dichroitischen Prismen 32, 33 gebildet, so dass eine trichroitische Strahlteilung erzielt wird. Solche dichroitischen Prismen 32, 33 sind beispielsweise aus DE 1 289 409 A bekannt.
Eine Rechnereinheit 62 der Steuervorrichtung 60 ist mit der Sensoranordnung 20 und der Leuchtensteuereinheit 61 verbunden und eingerichtet, jeder der drei Leuchten 51, 52, 53 der Leuchtenanordnung 50 die strahlanteilspezifischen Bildsignale B1, B2, B3 einer Gruppe der drei unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln zuzuordnen. Genauer werden von der Rechnereinheit 62 die strahlanteilspezifischen Bildsignale B1, welche auf dem von der ersten Leuchte 51 ausgestrahlten Licht basieren, der ersten Leuchte 51 zugeordnet. Die strahlanteilspezifischen Bildsignale B2, welche auf dem von der zweiten Leuchte 52 ausgestrahlten Licht basieren, werden der zweiten Leuchte 52 zugeordnet. Die strahlanteilspezifischen Bildsignale B3, welche auf dem von der dritten Leuchte 53 ausgestrahlten Licht basieren, werden der dritten Leuchte 53 zugeordnet.
Die Rechnereinheit 62 der Steuervorrichtung 60 ist außerdem eingerichtet, für jede der drei Leuchten 51, 52, 53 ein leuchtenspezifisches Objektbild OB1, OB2, OB3 (siehe 2) aus den strahlanteilspezifischen Bildsignalen B1, B2, B3 der Sensorpixel des mit dem Licht der jeweiligen Leuchte 51, 52, 53 bestrahlten Sensorfeldes 21, 22, 23 zu erzeugen und mittels Durchführens einer Shape-from-Shading(SfS)-Verarbeitung (im Folgenden SfS-Verarbeitung) auf Basis der leuchtenspezifischen Objektbilder OB1, OB2, OB3 ein Strukturbild SB und ein Texturbild TB (siehe 2) der Oberfläche 101 des Objektes 100 für eine nachfolgende optische Prüfung OP (siehe 2) der Oberfläche 101 zu erzeugen. Im Rahmen der optischen Prüfung OP, welche z.B. visuell durch eine Prüfperson oder z.B. computergestützt durchgeführt werden kann, erfolgt eine Defektdetektion auf wie o.g. Fehlstellen wie Poren, Lunker, Riefen, Schlagstellen usw.
Für die SfS-Verarbeitung ist in der Rechnereinheit 62 der Steuervorrichtung 60 der folgende SfS-Algorithmus hinterlegt: I(x, y) = c·Q·r·cosθ = ρ·n·s = ρ(s_z – qs_y – ps_x)
Unter Bezugnahme auf 1 repräsentiert in dem obigen SfS-Algorithmus "l(x, y)" einen Grauwert im Punkt P(x, y), repräsentiert "Q" eine Lichtintensität der Beleuchtung, repräsentiert "c" eine Kamerakonstante (Empfindlichkeit), repräsentiert "r" einen Reflexionskoeffizienten, repräsentiert "θ" einen Schrägheitswinkel der Beleuchtungsrichtung, repräsentiert "s" den bekannten Vektor der Beleuchtungsrichtung (wie oben bereits mit s1–s3 erwähnt), repräsentiert "n" einen Normalenvektor im Punkt P(x, y) auf der Oberfläche 101 und repräsentieren "p" und "q" unbekannte Gradienten im Punkt P(x, y). Die Parameter "Q", "c" und "r" können zu einem Parameter "ρ" (Albedo) als unbekannte Größe zusammengefasst werden.
Durch die Aufstellung von drei Gleichungen mittels der drei unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungsvektoren s1–s3 lässt sich ein lösbares Gleichungssystem mit den drei unbekannten Größen "p", "q" und "ρ" aufstellen. Damit lässt sich der Normalenvektor n in jedem Punkt P(x, y) auf der Oberfläche 101 bestimmen. Weitere Details zu einer Realisierung der SfS-Verarbeitung in der Rechnereinheit 62 der Steuervorrichtung 60 können z.B. aus DE 10 2008 044 991 A1 und aus DE 10 2007 021 964 A1 entnommen werden.
Wie aus 2 ersichtlich, ist die Rechnereinheit 62 der Steuervorrichtung 60 außerdem eingerichtet, so dass sie bei Bedarf in Bezug auf das von den drei Leuchten 51, 52, 53 der Leuchtenanordnung 50 jeweils ausgestrahlte Licht eine wellenlängenabhängige Kompensationsfunktion KF für Beleuchtungsstärkeunterschiede realisiert. Mit anderen Worten ausgedrückt realisiert die Kompensationsfunktion KF eine Kompensation spektraler Unterschiede in der Beleuchtungsstärke. Wenn solche Unterschiede vorhanden sind, sollte die Beleuchtung der Oberfläche 101 mit den Leuchten 51, 52, 53 verschiedener Wellenlänge hinsichtlich der Beleuchtungsstärke jeder einzelnen Wellenlänge angepasst werden.
Gemäß einer ersten Variante kann die Kompensationsfunktion KF realisiert sein, indem eine Kompensation der Beleuchtungsstärke bzw. Reflektion mit einem einheitlichen Parametersatz für die gesamte zu prüfenden Oberfläche 101 des Objekts 100 durchgeführt wird. Zu diesem Zweck wird vor Beginn der eigentlichen Messungen z.B. in Form einer Kalibriermessung an einem oder mehreren Referenzobjekten integral oder bereichsweise für jede von den Leuchten 51–53 ausstrahlbare Wellenlänge ein Korrekturwert ermittelt, der zur wellenlängenabhängigen Kompensation der Beleuchtungsstärke- bzw. Reflektionsunterschiede in den leuchtenspezifischen Objektbildern OB1, OB2, OB3 verwendet wird, um kompensierte leuchtenspezifische Objektbilder OB1k, OB2k, OB3k zu erzeugen. Die kompensierten leuchtenspezifischen Objektbilder OB1k, OB2k, OB3k bilden dann normierte Rohdaten für die SfS-Verarbeitung. Alternativ kann die Anpassung der Beleuchtungsstärke der Leuchten 51–53 auch über eine Steuerung des Stroms auf Basis der Kalibrierwerte erfolgen.
Gemäß einer zweiten Variante kann die Kompensationsfunktion KF realisiert sein, indem eine dynamische Kompensation der Beleuchtungsstärke für jedes zu prüfende Objekt 100 durchgeführt wird. Zu diesem Zweck wird für einen oder mehrere Oberflächenbereiche jedes Objekts für jede von den Leuchten 51–53 ausstrahlbare Wellenlänge integral oder bereichsweise ein Korrekturwert ermittelt, der zur wellenlängenabhängigen Kompensation der Beleuchtungsstärke- bzw. Reflektionsunterschiede in den leuchtenspezifischen Objektbildern OB1, OB2, OB3 verwendet wird, um kompensierte leuchtenspezifische Objektbilder OB1k, OB2k, OB3k zu erzeugen. Die kompensierten leuchtenspezifischen Objektbilder OB1k, OB2k, OB3k bilden dann normierte Rohdaten für die SfS-Verarbeitung. Alternativ kann die Anpassung der Beleuchtungsstärke der Leuchten 51–53 auch über eine Regelung des Stroms auf Basis der ermittelten Kalibrierwerte erfolgen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 3 und 4 eine Einrichtung 1' (im Folgenden Prüfeinrichtung 1') zur optischen Prüfung der Oberfläche 101 eines Objekts 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Prüfeinrichtung 1' gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist bis auf einige wenige im Folgenden aufgezeigte Unterschiede identisch zu der Prüfeinrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet. Diese Unterschiede bestehen in der Hinzufügung einiger Komponenten. In der Beschreibung der zweiten Ausführungsform der Erfindung sind gleichen oder ähnlichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform der Erfindung gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gegeben, wobei Modifikationen durch Hinzufügung eines Apostrophs kenntlich gemacht sind.
Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Leuchtenanordnung 50' vier Leuchten 51, 52, 53, 54, die wieder jeweils als LED ausgebildet sind und die um den Objekterfassungsbereich (in der Darstellung von 3 korrespondierend zum Oberflächenbereich 102) winkelversetzt angeordnet sind, um den Objekterfassungsbereich mit jeder der vier Leuchten 51–54 aus einer anderen Richtung mit Licht zu bestrahlen. Der bekannte Vektor s1, s2, s3, s4 der jeweiligen Beleuchtungsrichtungen der vier Leuchten 51–54 bezüglich eines Punktes P (x, y, z) im Oberflächenbereich 102 ist in 3 beispielhaft dargestellt.
Die vier Leuchten 51–54 der Leuchtenanordnung 50' sind wieder so eingerichtet, dass sich die Wellenlängen des von den Leuchten 51–54 jeweils ausgestrahlten Lichts voneinander unterscheiden. Genauer entsprechen die ersten bis dritten Leuchten 51–53 in ihrer jeweils ausstrahlbaren Wellenlänge den ersten bis dritten Leuchten 51–53 der ersten Ausführungsform der Erfindung. Eine vierte Leuchte 54 der Leuchtenanordnung 50' ist eingerichtet, Licht mit einer Wellenlänge von 800 nm auszustrahlen, was dem Infrarotbereich nahe kommt.
Die Leuchtenanordnung 50' ist wieder mit der Leuchtensteuereinheit 61 der Steuervorrichtung 60 zur Ansteuerung der Leuchten 51–54 verbunden, wobei die Leuchtensteuereinheit 61 eingerichtet ist, die Leuchtenanordnung 50' so anzusteuern, dass deren Leuchten 51–54 im Prüfbetrieb alle gleichzeitig den Objekterfassungsbereich und damit die zu prüfende Oberfläche 101 mit ihrem Licht bestrahlen.
Die Sensoranordnung 20' weist wieder eine der Anzahl der Leuchten 51–54 entsprechende Anzahl von separaten Sensorfeldern 21, 22, 23, 24 mit jeweiligen Sensorpixeln auf. In der vorliegenden Ausführungsform weist somit die Sensoranordnung 20' vier separate Sensorfelder 21, 22, 23, 24 mit jeweiligen Sensorpixeln auf, wobei die Sensorpixel eines jeden Sensorfelds 21–24 jeweils eine Gruppe von vier unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln der Sensoranordnung 20' bilden. Die ersten bis dritten Sensorfelder 21–23 entsprechen in ihrer Konfiguration den ersten bis dritten Sensorfeldern 21–23 der ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Sensorpixel eines vierten Sensorfelds 24 der Sensoranordnung 20' sind eingerichtet, reflektiertes Licht der vierten Leuchte 54 der Leuchtenanordnung 50' zu erfassen. Die vier Sensorfelder 21–24 sind jeweils als CCD-Sensorfeld ausgebildet, womit die Kamera 10 als 4CCD-Kamera bezeichnet werden kann.
Die in die Kamera 10 integrierten Strahlsteuerungsmittel 30' weisen ein Strahlteilungsprisma 31' auf, welches eingerichtet ist, Lichtreflexionsstrahlen RS1-4 des im Objekterfassungsbereich befindlichen Oberflächenbereichs 102 des Objektes 100 gemäß den unterschiedlichen Wellenlängen des von den vier Leuchten 51–54 jeweils ausgestrahlten Lichts spektral in unterschiedliche Strahlanteile RS1, RS2, RS3, RS4 aufzuteilen und die jeweiligen Strahlanteile RS1–RS4 jeweils auf eines der Sensorfelder 21–24 zu lenken, um in den Sensorpixeln des jeweiligen Sensorfelds 21–24 (bzw. der jeweiligen Gruppe von Sensorpixeln) strahlanteilspezifische Bildsignale B1, B2, B3, B4 der von der Kamera 10 erfassten Oberflächenbereiche 102 der Oberfläche 101 des Objekts 100 zu erzeugen.
Genauer werden analog zur ersten Ausführungsform die ersten bis dritten Strahlanteile RS1–RS3 auf das erste Sensorfeld 21, das zweite Sensorfeld 22 bzw. das dritte Sensorfeld 23 gelenkt. Ein vierter Strahlanteil RS4, welcher aus dem von der vierten Leuchte 54 ausgestrahlten Licht resultiert, wird auf das vierte Sensorfeld 24 gelenkt. Für die gezielte spektrale Aufteilung und Lenkung der Strahlanteile RS1–RS4 ist das Strahlteilungsprisma 31' mit drei aufeinanderfolgenden üblichen dichroitischen Prismen 32', 33', 34' gebildet, so dass eine tetrachroitische oder multichroitische Strahlteilung erzielt wird.
Die strahlanteilspezifischen Bildsignale B1–B3 werden von der Rechnereinheit 62 der Steuervorrichtung 60 analog zur ersten Ausführungsform den ersten bis dritten Leuchten 51–53 zugeordnet. Die strahlanteilspezifischen Bildsignale B4, welche auf dem von der vierten Leuchte 54 ausgestrahlten Licht basieren, werden von der Rechnereinheit 62 der vierten Leuchte 54 zugeordnet.
Die Rechnereinheit 62 der Steuervorrichtung 60 ist analog zur ersten Ausführungsform eingerichtet, für jede der vier Leuchten 51–54 ein leuchtenspezifisches Objektbild OB1, OB2, OB3, OB4 (siehe 4) aus den strahlanteilspezifischen Bildsignalen B1–B4 der Sensorpixel des mit dem Licht der jeweiligen Leuchte 51–54 bestrahlten Sensorfeldes 21–24 zu erzeugen und mittels Durchführens der SfS-Verarbeitung auf Basis der leuchtenspezifischen Objektbilder OB1–OB4 das Strukturbild SB und das Texturbild TB (siehe 4) der Oberfläche 101 des Objektes 100 für die nachfolgende optische Prüfung OP (siehe 4) der Oberfläche 101 zu erzeugen.
In der vorliegenden Ausführungsform lässt sich durch die Aufstellung von vier Gleichungen mittels der vier unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungsvektoren s1–s4 ein leichter (d.h. mit geringerem Rechenaufwand) lösbares Gleichungssystem mit den drei unbekannten Größen "p", "q" und "ρ" des oben beschriebenen SfS-Algorithmus aufstellen, womit sich der Normalenvektor n in jedem Punkt P(x, y) auf der Oberfläche 101 bestimmen lässt.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 5 und 6 eine Einrichtung 1" (im Folgenden Prüfeinrichtung 1") zur optischen Prüfung der Oberfläche 101 eines Objekts 100 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Prüfeinrichtung 1" gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich zu der Prüfeinrichtung 1" gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet, weist jedoch einige im Folgenden aufgezeigte Unterschiede dazu auf. In der Beschreibung der dritten Ausführungsform der Erfindung sind gleichen oder ähnlichen Komponenten wie in der zweiten Ausführungsform der Erfindung gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gegeben, wobei Modifikationen durch Hinzufügung eines doppelten Apostrophs kenntlich gemacht sind.
Gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Leuchtenanordnung 50" wieder vier Leuchten 51", 52", 53", 54", die wieder jeweils als LED ausgebildet sind und die um den Objekterfassungsbereich (in der Darstellung von 5 korrespondierend zum Oberflächenbereich 102) winkelversetzt angeordnet sind, um den Objekterfassungsbereich mit jeder der vier Leuchten 51"–54" aus einer anderen Richtung mit Licht zu bestrahlen. Dabei ist wieder der Vektor s1–s4 (nicht dargestellt) der jeweiligen Beleuchtungsrichtungen der vier Leuchten 51"–54" bezüglich eines Punktes P (x, y, z) im Oberflächenbereich 102 bekannt. Die vier Leuchten 51"–54" der Leuchtenanordnung 50" sind so eingerichtet, dass das von den Leuchten 51"–54" jeweils ausgestrahlte Licht die gleiche Wellenlänge (z.B. 470 nm) hat.
Die Leuchtenanordnung 50" ist mit der Leuchtensteuereinheit 61" der Steuervorrichtung 60" zur Ansteuerung der Leuchten 51"–54" verbunden. Die Leuchtensteuereinheit 61" der Steuervorrichtung 60" ist eingerichtet, die Leuchtenanordnung 50" so anzusteuern, dass deren Leuchten 51"–54" im Prüfbetrieb den Objekterfassungsbereich und damit die zu prüfende Oberfläche 101 separat nacheinander für eine vorbestimmte Bestrahlungszeitdauer mit ihrem Licht bestrahlen. Die Bestrahlungszeitdauer entspricht dabei bevorzugt der Zeitdauer, welche für eine vollständige optische Erfassung der Funktionsfläche (Oberfläche 101) mittels der als Zeilenkamera ausgebildeten Kamera 10" erforderlich ist. Im Falle eines Nockens oder einer Kolbenstange als Objekt 100 entspricht somit z.B. die Bestrahlungszeitdauer der Zeitdauer, welche für eine Drehung des Objekts 100 um 360 Grad erforderlich ist. Da vier Leuchten 51"–54" vorgesehen sind, wird die Funktionsfläche (Oberfläche 101) insgesamt viermal optisch erfasst bzw. das Objekt 100 viermal um 360 Grad gedreht.
Bei dieser Drehung bzw. Relativbewegung der Oberfläche 101 des Objekts 100 in Bezug auf die Kamera 10 kommt es jedoch bedingt durch die Form (z.B. die Nockenform) der Oberfläche 101 dazu, dass nicht alle erfassten Oberflächenbereiche 102 im Schärfetiefenbereich der Kamera 10" liegen und somit unscharfe Abbildungen dieser Oberflächenbereiche 102 erzeugt werden. Damit würde jedoch die für die Erzeugung des Strukturbildes SB und des Texturbildes TB genutzte SFS-Verarbeitung keine für die optische Prüfung OP ausreichenden Ergebnisse liefern. Um diesem Problem abzuhelfen, ist die Kamera 10" gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung in der folgenden Weise modifiziert.
Die Sensoranordnung 20" weist ein einziges Sensorfeld 21" (ein CCD-Sensorfeld) auf und ist mit der Rechnereinheit 62" der Steuervorrichtung 60" verbunden. Die Sensorpixel des Sensorfelds 21" der Sensoranordnung 20" sind eingerichtet, reflektiertes Licht der ersten bis vierten Leuchten 51"–54" der Leuchtenanordnung 50" jeweils zu erfassen.
Die in die Kamera 10" integrierten Strahlsteuerungsmittel 40" weisen statt eines Strahlteilungsprismas 31' ein Mikrolinsenfeld 41" auf, das mit einer Mehrzahl von optischen Mikrolinsen 42" gebildet ist. Das Mikrolinsenfeld 41" ist mit vordefiniertem Abstand von einer durch die Sensoranordnung 20" definierten Sensorebene E angeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt ist in der dritten Ausführungsform der Erfindung die Kamera 10" als plenoptische Kamera bzw. Lichtfeldkamera ausgebildet. Das Mikrolinsenfeld 41" bewirkt in der Kamera 10", dass jede Mikrolinse 42" einen Strahlanteil der Lichtreflexionsstrahlen eines im Objekterfassungsbereich befindlichen Oberflächenbereichs 102 des Objektes 100 auf eine Gruppe von mehreren Sensorpixeln des Sensorfeldes 21" der Sensoranordnung 20" als eine von mehreren unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln der Sensoranordnung 20" lenkt, um in den Sensorpixeln der jeweiligen Gruppe strahlanteilspezifische Bildsignale der von der Kamera 10" erfassten Oberflächenbereiche 102 der Oberfläche 101 des Objekts 100 zu erzeugen.
Die Rechnereinheit 62" der Steuervorrichtung 60" ist eingerichtet, jeder der vier Leuchten 51"–54" die in ihrer jeweiligen Bestrahlungszeitdauer erzeugten strahlanteilspezifischen Bildsignale der unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln zuzuordnen, um aus den strahlanteilspezifischen Bildsignalen aller Gruppen von Sensorpixeln einer Bestrahlungszeitdauer ein leuchtenspezifisches Objektbild OB1", OB2", OB3", OB4" (siehe 6) als leuchtenspezifisches 4D-Lichtfeldbild zu erzeugen.
Die Rechnereinheit 62" der Steuervorrichtung 60" ist außerdem eingerichtet, aus jedem der vier leuchtenspezifischen Objektbilder OB1"–OB4", d.h. aus jedem der vier leuchtenspezifischen 4D-Lichtfeldbilder, auf Basis von vorbestimmten Geometriedaten des Objekts 100 ein leuchtenspezifisches 2D-Objektbild 2D1", 2D2", 2D3", 2D4" mit optimaler Fokuslage zu rekonstruieren. Zu diesem Zweck ist die Rechnereinheit 62 der Steuervorrichtung 60 eingerichtet, die leuchtenspezifischen Objektbilder OB1"–OB4" pixelweise, abschnittsweise oder streifenweise mittels einer Fokussierfunktion FF (siehe 6) auf optimale Fokuslage (optimale Scharfstellung) zu korrigieren. Aus diesen auf optimale Fokuslage korrigierten Objektbildern werden dann durch die Rechnereinheit 62" mittels einer Rekonstruktionsfunktion RF die leuchtenspezifischen 2D-Objektbilder 2D1"–2D4" mit optimaler Fokuslage rekonstruiert.
In der Rechnereinheit 62" dienen dann die rekonstruierten leuchtenspezifischen 2D-Objektbilder 2D1"–2D4" als fokuslagekorrigierte Rohdaten (als Basis) zur Durchführung der SfS-Verarbeitung, mit welcher das Strukturbild SB und das Texturbild TB (siehe 6) der Oberfläche 101 des Objektes 100 für die nachfolgende optische Prüfung OP (siehe 6) der Oberfläche 101 erzeugt wird.
Im Obigen wurden drei Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, welche sich in einigen Komponenten unterscheiden. Allen drei Ausführungsformen der Prüfeinrichtung 1, 1', 1" ist jedoch die folgende Struktur bzw. Konfiguration gemein. Es ist die Kamera 10, 10" vorgesehen, die ein Objektiv 11, 11", das auf einen Objekterfassungsbereich ausgerichtet ist, und eine im Strahlengang hinter dem Objektiv 11, 11" angeordnete Sensoranordnung 20, 20', 20" mit einer Mehrzahl von Sensorpixeln zur Erzeugung von Bildsignalen aufweist. Die Prüfeinrichtung 1, 1', 1" umfasst die Leuchtenanordnung 50, 50', 50" mit mindestens drei Leuchten 51–53, 51–54, 51"–54", die um den Objekterfassungsbereich angeordnet sind, um den Objekterfassungsbereich mit jeder der mindestens drei Leuchten 51–53, 51–54, 51"–54" aus einer anderen Richtung mit Licht zu bestrahlen.
Die Kamera 10, 10" weist im Strahlengang zwischen dem Objektiv 11, 11" und der Sensoranordnung 20, 20', 20" die Strahlsteuerungsmittel 30, 30', 40" auf, die eingerichtet sind, über das Objektiv 11, 11" in die Kamera 10, 10" einfallende Lichtreflexionsstrahlen RS1-3, RS1-4 eines im Objekterfassungsbereich befindlichen Oberflächenbereichs 102 des Objektes 100 in unterschiedliche Strahlanteile RS1–RS3, RS1–RS4 aufzuteilen und die unterschiedlichen Strahlanteile RS1–RS3, RS1–RS4 auf unterschiedliche Gruppen 21–23, 21–24 von Sensorpixeln der Sensoranordnung 20, 20', 20" zu lenken, um in den Sensorpixeln einer jeweiligen Gruppe 21–23, 21–24 strahlanteilspezifische Bildsignale B1–B3, B1–B4 des Oberflächenbereichs 102 zu erzeugen.
Die Prüfeinrichtung 1, 1', 1" umfasst die Steuervorrichtung 60, 60", welche mit der Sensoranordnung 20, 20', 20" und der Leuchtenanordnung 50, 50', 50" verbunden ist. Die Steuervorrichtung 60, 60" ist eingerichtet, jeder der mindestens drei Leuchten 51–53, 51–54, 51"–54" die strahlanteilspezifischen Bildsignale B1–B3, B1–B4 mindestens einer Gruppe der unterschiedlichen Gruppen 21–23, 21–24 von Sensorpixeln zuzuordnen, um für jede der mindestens drei Leuchten 51–53, 51–54, 51"–54" ein leuchtenspezifisches Objektbild OB1–OB3, OB1–OB4, OB1"–OB4" zu erzeugen. Die Steuervorrichtung 60, 60" ist außerdem eingerichtet, mittels Durchführens der SfS-Verarbeitung auf Basis der leuchtenspezifischen Objektbilder OB1–OB3, OB1–OB4, OB1"–OB4" zumindest das Strukturbild SB der Oberfläche 101 des Objektes 100 für die optische Prüfung OP zu erzeugen.
Abschließend bleibt zu bemerken, dass sämtliche von der Steuervorrichtung 60, 60" realisierte Funktionen, Algorithmen und Verarbeitungen z.B. mittels in die Steuervorrichtung 60, 60" integrierter geeigneter Software, Firmware und/oder Hardware ermöglicht werden.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1": Prüfeinrichtung
10, 10": Kamera
11, 11": Objektiv
20, 20', 20": Sensoranordnung
21": Sensorfeld
21–24: Sensorfeld
30, 30': Strahlsteuerungsmittel
31, 31': Strahlteilungsprisma
32, 33: dichroitisches Prisma
32', 33', 34': dichroitisches Prisma
40": Strahlsteuerungsmittel
41": Mikrolinsenfeld
42": Mikrolinse
50, 50', 50": Leuchtenanordnung
51–54: Leuchte
51"–54": Leuchte
60, 60": Steuervorrichtung
61, 61": Leuchtensteuereinheit
62, 62": Rechnereinheit
100: Objekt
101: Oberfläche
102: Oberflächenbereich
B1–B4: strahlanteilspezifische Bildsignale
E: Sensorebene
RS1-3: Lichtreflexionsstrahlen
RS1-4: Lichtreflexionsstrahlen
RS1–RS3: Strahlanteil
RS1–RS4: Strahlanteil
n: Normalenvektor
s1–s4: Vektor der Beleuchtungsrichtung
P(x, y, z): Oberflächenpunkt
x, y, z: Koordinatenachsenrichtungen
OB1–OB4: leuchtenspezifisches Objektbild
OB1"–OB4": leuchtenspezifisches Objektbild
OB1k–OB4k: kompensiertes leuchtenspezifisches Objektbild
2D1"–2D4": leuchtenspezifisches 2D-Objektbild mit optimaler Fokuslage
KF: Kompensationsfunktion
FF: Fokussierfunktion
RF: Rekonstruktionsfunktion
SfS: Shape-from-Shading
TB: Texturbild
SB: Strukturbild
OP: optische Prüfung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007021964 A1 [0005, 0060]
DE 102008044991 A1 [0006, 0060]
DE 1289409 A [0055]

Claims

Einrichtung (1, 1', 1") zur optischen Prüfung (OP) der Oberfläche (101) eines Objekts (100), aufweisend: eine Kamera (10, 10") mit einem Objektiv (11, 11"), das auf einen Objekterfassungsbereich ausgerichtet ist, und einer in einem Strahlengang hinter dem Objektiv (11, 11") angeordneten Sensoranordnung (20, 20', 20") mit einer Mehrzahl von Sensorpixeln zur Erzeugung von Bildsignalen, eine Leuchtenanordnung (50, 50', 50") mit mindestens drei Leuchten (51–53, 51–54, 51"–54"), die um den Objekterfassungsbereich angeordnet sind, um den Objekterfassungsbereich mit jeder der mindestens drei Leuchten (51–53, 51–54, 51"–54") aus einer anderen Richtung mit Licht zu bestrahlen, wobei die Kamera (10, 10") im Strahlengang zwischen dem Objektiv (11, 11") und der Sensoranordnung (20, 20', 20") Strahlsteuerungsmittel (30, 30', 40") aufweist, die eingerichtet sind, über das Objektiv (11, 11") in die Kamera (10, 10") einfallende Lichtreflexionsstrahlen (RS1-3, RS1-4) eines im Objekterfassungsbereich befindlichen Oberflächenbereichs (102) des Objektes (100) in unterschiedliche Strahlanteile (RS1–RS3, RS1–RS4) aufzuteilen und die unterschiedlichen Strahlanteile (RS1–RS3, RS1–RS4) auf unterschiedliche Gruppen (21–23, 21–24) von Sensorpixeln der Sensoranordnung (20, 20', 20") zu lenken, um in den Sensorpixeln einer jeweiligen Gruppe (21–23, 21–24) strahlanteilspezifische Bildsignale (B1–B3, B1–B4) des Oberflächenbereichs (102) zu erzeugen, und eine Steuervorrichtung (60, 60"), die mit der Sensoranordnung (20, 20', 20") und der Leuchtenanordnung (50, 50', 50") verbunden ist, wobei die Steuervorrichtung (60, 60") eingerichtet ist, jeder der mindestens drei Leuchten (51–53, 51–54, 51"–54") die strahlanteilspezifischen Bildsignale (B1–B3, B1–B4) mindestens einer Gruppe der unterschiedlichen Gruppen (21–23, 21–24) von Sensorpixeln zuzuordnen, um für jede der mindestens drei Leuchten (51–53, 51–54, 51"–54") ein leuchtenspezifisches Objektbild (OB1–OB3, OB1–OB4, OB1"–OB4") zu erzeugen, und eingerichtet ist, mittels Durchführens einer Shape-from-Shading-Verarbeitung auf Basis der leuchtenspezifischen Objektbilder (OB1–OB3, OB1–OB4, OB1"–OB4") ein Strukturbild (SB) der Oberfläche (101) des Objektes (100) für die optische Prüfung (OP) zu erzeugen.
Einrichtung (1, 1') gemäß Anspruch 1, wobei die Leuchten (51–53, 51–54) der Leuchtenanordnung (50, 50') so eingerichtet sind, dass sich die Wellenlängen des von den Leuchten (51–53, 51–54) jeweils ausgestrahlten Lichts voneinander unterscheiden.
Einrichtung (1, 1') gemäß Anspruch 2, wobei die Steuervorrichtung (60) eingerichtet ist, die Leuchtenanordnung (50, 50') anzusteuern, so dass deren Leuchten (51–53, 51–54) alle gleichzeitig den Objekterfassungsbereich mit ihrem Licht bestrahlen.
Einrichtung (1, 1') gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Sensoranordnung (20, 20') eine der Anzahl der mindestens drei Leuchten (51–53, 51–54) entsprechende Anzahl von separaten Sensorfeldern (21–23, 21–24) mit jeweiligen Sensorpixeln aufweist, wobei die Sensorpixel eines jeden Sensorfelds (21–23, 21–24) jeweils eine Gruppe der unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln der Sensoranordnung (20, 20') bilden, wobei die Strahlsteuerungsmittel (30, 30') ein Strahlteilungsprisma (31, 31') aufweisen, welches eingerichtet ist, die Lichtreflexionsstrahlen (RS1-3, RS1-4) des im Objekterfassungsbereich befindlichen Oberflächenbereichs (102) des Objektes (100) gemäß den unterschiedlichen Wellenlängen des von den mindestens drei Leuchten (51–53, 51–54) jeweils ausgestrahlten Lichts in die unterschiedlichen Strahlanteile (RS1–RS3, RS1–RS4) aufzuteilen und die jeweiligen Strahlanteile (RS1–RS3, RS1–RS4) jeweils auf eines der Sensorfelder (21–23, 21–24) zu lenken, und wobei die Steuervorrichtung (60, 60') eingerichtet ist, für jede der mindestens drei Leuchten (51–53, 51–54) das leuchtenspezifische Objektbild (OB1–OB3, OB1–OB4) aus den strahlanteilspezifischen Bildsignalen (B1–B3, B1–B4) der Sensorpixel des mit dem Licht der jeweiligen Leuchte (51–53, 51–54) bestrahlten Sensorfeldes (21–23, 21–24) zu erzeugen.
Einrichtung (1, 1') gemäß einem der Ansprüche 2–4, wobei die Steuervorrichtung (60, 60') eingerichtet ist, so dass sie in Bezug auf das von den mindestens drei Leuchten (51–53, 51–54) jeweils ausgestrahlte Licht eine wellenlängenabhängige Kompensationsfunktion (KF) für Beleuchtungsstärkeunterschiede realisiert.
Einrichtung (1") gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (60") eingerichtet ist, die Leuchtenanordnung (50") anzusteuern, so dass deren mindestens drei Leuchten (51"–54") den Objekterfassungsbereich separat nacheinander für eine vorbestimmte Bestrahlungszeitdauer mit ihrem Licht bestrahlen.
Einrichtung (1") gemäß Anspruch 6, wobei die Strahlsteuerungsmittel (40") ein mit einer Mehrzahl von optischen Mikrolinsen (42") gebildetes Mikrolinsenfeld (41") aufweisen, das mit vordefiniertem Abstand von einer durch die Sensoranordnung (20") definierten Sensorebene (E) angeordnet ist, so dass jede Mikrolinse (42") einen Strahlanteil der Lichtreflexionsstrahlen eines im Objekterfassungsbereich befindlichen Oberflächenbereichs (102) des Objektes (100) auf eine Gruppe von mehreren Sensorpixeln der Sensoranordnung (20") als eine der unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln der Sensoranordnung (20") lenkt, wobei die Steuervorrichtung (60") eingerichtet ist, jeder der mindestens drei Leuchten (51"–54") die in ihrer jeweiligen Bestrahlungszeitdauer erzeugten strahlanteilspezifischen Bildsignale der unterschiedlichen Gruppen von Sensorpixeln zuzuordnen, um das leuchtenspezifische Objektbild (OB1"–OB4") aus den strahlanteilspezifischen Bildsignalen aller Gruppen von Sensorpixeln als leuchtenspezifisches 4D-Lichtfeldbild zu erzeugen.
Einrichtung (1") gemäß Anspruch 7, wobei die Steuervorrichtung (60") eingerichtet ist, aus jedem leuchtenspezifischen 4D-Lichtfeldbild auf Basis von vorbestimmten Geometriedaten des Objekts (100) ein leuchtenspezifisches 2D-Objektbild (2D1"–2D4") mit optimaler Fokuslage zu rekonstruieren und die Shape-from-Shading-Verarbeitung auf Basis der rekonstruierten leuchtenspezifischen 2D-Objektbilder (2D1"–2D4") durchzuführen.
Einrichtung (1") gemäß einem der Ansprüche 6–8, wobei die Leuchten (51"–54") der Leuchtenanordnung (50") so eingerichtet sind, dass sich die Wellenlängen des von den Leuchten (51"–54") jeweils ausgestrahlten Lichts voneinander unterscheiden.
Einrichtung (1', 1") gemäß einem der Ansprüche 1–9, wobei die Leuchtenanordnung (50', 50") vier Leuchten (51–54, 51"–54") umfasst, die um den Objekterfassungsbereich angeordnet sind, um den Objekterfassungsbereich mit jeder der vier Leuchten (51–54, 51"–54") aus einer anderen Richtung mit Licht zu bestrahlen.