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Die Erfindung betrifft eine Kamera zum Bestimmen eines 2D-Wärmebildes eines eine Strahlung abgebenden Gegenstandes mit einer Optik und einen in einem Strahlengang darauffolgenden 2D-Detektor zum Detektieren der Strahlung, sodass ein Abbild des Gegenstandes auf dem 2D-Detektor abgebildet wird, wobei der 2D-Detektor erste detektierende Pixel mit jeweils einem zugeordneten ersten Spektralfilter und zweite detektierende Pixel aufweist. Weiter betrifft die Erfindung ein System zum Anzeigen eines 2D-Wärmebildes und/oder eines 2D-Optikbildes sowie eine Prozessregeleinrichtung.
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Im Stand der Technik sind einige optische Messmethoden zur Bestimmung der Temperatur gebräuchlich. Die einfachste Messmethode ist dabei die Pyrometrie. Bei dieser Methode wird die Strahlung des zu messenden Objekts gesammelt und die Temperatur durch Multiplikation mit einem Korrekturfaktor berechnet. Dieser Korrekturfaktor wird Emissionsgrad genannt und beruht auf dem Verhältnis der Emission realer Strahler gegenüber einem Schwarzkörperstrahler. Er wird durch vorherige Kalibrierung bestimmt oder wird entsprechend zum Beispiel auf Basis von Literaturwerten abgeschätzt. Da der Emissionsgrad abhängig von Material, Temperatur, Oberflächenzustand und Aggregatzustand ist, kann er sich im Laufe eines Prozesses ändern und die Messung verfälschen. Ein weiterer Nachteil dieser Methode ist die Abschattung des zu messenden Objektes durch prozessspezifische Medien, wie beispielsweise durch den Pulverstrom beim Laser-Pulver-Auftragsschweißen (LPA), oder durch Rauch, welcher bei den meisten Schweißverfahren auftritt. Diese Abschattung wird vom Pyrometer als sinkende Intensität interpretiert. Dies führt zu einem deutlichen Temperaturabfall.
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Diesen Nachteil gleicht der quotientenpyrometrische Messansatz aus. Bei diesem werden die Intensitäten zweier Wellenlängenbereiche gemessen. Der Emissionsgrad kann dadurch bei der Berechnung der Temperatur gekürzt werden und spielt somit für die Temperaturbestimmung keine Rolle mehr. Im Idealfall wird nur die Intensität einer Wellenlänge mit der Intensität einer anderen Wellenlänge verglichen. Dabei sollten die Wellenlängen nah beieinander liegen, da bei dieser Messmethode die näherungsweise Gleichheit des Emissionsgrades vorausgesetzt werden muss.
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Im realen Fall ist dies kaum möglich, da entsprechende Bandpassfilter sehr schwer herstellbar sind und die gemessene Intensität sehr gering wäre.
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Die allermeisten Messgeräte mit den vorgestellten Ansätzen arbeiten im Ferninfrarotbereich (von 1um bis 10 pm), was die Nutzung teurer Chipmaterialien als Detektor bedingt. Zudem sorgen die hohen Wellenlängen für geringe Intensitätsausbeuten, wodurch die Integrationszeit steigt und die Bildrate deutlich absinkt.
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Einen anderen Temperaturmessansatz stellen die sogenannten Bolometer dar. Eine dünne Metallfolie wird an zwei Seiten kontaktiert. Trifft Strahlung auf die Folie, die absorbiert wird, erwärmt sie sich und ändert den Widerstand über der Kontaktierung. Der Widerstand korreliert zur aufgenommenen Strahlungsmenge, sodass auf die Temperatur der emittierenden Oberfläche geschlossen werden kann. Damit die Strahlung von der Folie absorbiert werden und zu einer Widerstandsänderung führen kann, müssen teure Materialien wie Gold verwendet werden und die Folie extrem dünn sein. Wird eine entsprechende Kamera mit zugehörigem (Bolometer-)Pixel hergestellt, sind Grenzen der Miniaturisierung gegeben und die Genauigkeit der Bolometer ist ungenügend.
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Wärmekameras werden insbesondere für Temperaturregelungssysteme eingesetzt. Bestehende Temperaturregelungssysteme für die Laserbearbeitung, die industriell genutzt werden, sind beispielsweise das E-MAqS in Verbindung mit einer Steuersoftware (siehe S. Bonß, et al. Camera based Process control system „E-MAqS“ - Now also available for laser buildup welding. Fraunhofer IWS Annual Report 2010). Bei dem E-MAqS wird ein ortsaufgelöster pyrometrischer Ansatz verwendet, um beim Laserstrahlhärten die Temperatur über der zu härtenden Fläche konstant zu halten. Durch Kalibrierung kann die Kamera auch bei Pulverprozessen eingesetzt werden.
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Auch ist in der Literatur beschrieben, dass ein 2-Farben-Ansatz zur Temperaturbestimmung genutzt werden kann. Beispielsweise schlägt die
US 2017/0177650 A1 die Nutzung einer RGB-Kamera vor. Die PyroCam der Firma IMS Chips (siehe F. X. Hutter, et al.: A 0.25µm Logarithmic CMOS Imager for Emissivity Compensated Thermography. In: 2009 IEEE International Solid-State Circuits Conference - Digest of Technical Papers, 8-12 Feb. 2009, San Francisco, CA, USA, S. 354-355. - ISBN 978-1-4244-3458-9. DOI: 10.1109/ISSCC.2009.4977454. URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.j sp?tp=&arnumber=4 9 77454) beruht ebenfalls auf diesem quotientenpyrometrischen Ansatz. Die zugehörige Technik ist in der
DE 42 09 536 A1 beschrieben. Wesentlich dabei ist, dass jeweils eine Korrelation von Messsignal und Temperatur erfolgt, sodass eine Temperaturmessung immer an eine vorherige Kalibrierung des optischen Systems gekoppelt ist. Zudem sind sogenannte Kalibrierstrahler nicht für alle Temperaturbereiche vorhanden.
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In der
EP 113 45 65 B1 ist eine Temperaturmessung mittels Kamerasensor offenbart, welcher nicht im sichtbaren, sondern im infraroten Bereich misst. Die Temperatur wird aus zwei Infrarotkanälen berechnet und auf das sichtbare Bild gelegt.
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In der
US 5 661 817 A ist ein Verfahren zum Erkennen von Objekten, insbesondere Pflanzen, offenbart. Dabei werden einzelne RGB-Kanäle in Relation gesetzt.
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In der
DE 10 2007 054 314 A1 erfolgt eine Temperaturmessung mittels speziellem Kamerasensor, welcher Licht im sichtbaren und infraroten Bereich misst.
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Zudem offenbart die
WO 2007/089742 A1 ein System, welches eine Farbkamera und ein optisches System verwendet, um zwei Farben, die von einem Objekt, wie einem Ofen, einer Kesselbrennzone oder einer Brennerflamme, invertiert werden, in einem Temperaturbild abzubilden. Hong, Lu et al. (Particle Surface Temperature Measurements with Multicolor Band Pyrometry. In: AIChE Journal, 55, 2009, 1, 243-255.) beschreiben ein berührungsloses Farbbandpyrometer basierend auf einer kommerziellen Farbkameras, welches eine pixelweise Auflösung der Partikeloberflächentemperatur und des Emissionsvermögens für Verbrennungsumgebungen ermöglicht.
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In Dong Li (THERMAL IMAGE ANALYSIS USING CALIBRATED VIDEO IMAGING, Dissertation an der University of Missouri - Columbia, 2006. URL: https://doi.org/10.32469/10355/4455) wird eine Farbkamera zur Bestimmung eines Wärmebildes verwendet, wobei die Signale einzelner Farbkanäle des Kamerachips in ein Verhältnis gesetzt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Kamera zum Bestimmen eines 2D-Wärmebildes eines eine Strahlung abgebenden Gegenstandes mit einer Optik und einen in einem Strahlengang darauffolgenden 2D-Detektor zum Detektieren der Strahlung, sodass ein Abbild des Gegenstandes auf dem 2D-Detektor abgebildet wird, wobei der 2D-Detketor erste detektierende Pixel mit jeweils einem zugeordneten ersten Spektralfilter und zweite detektierende Pixel aufweist, wobei im Strahlengang ein Globalfilter angeordnet ist, sodass ein Spektralbereich wenigstens einseitig begrenzt ist und die Kamera derart eingerichtet wird, dass ein erstes Pixelsignal der ersten detektierenden Pixel und ein zweites Pixelsignal der zweiten detektierenden Pixel jeweils eines 2D-Detektorbereichs zueinander in Verhältnis gesetzt werden, wobei das erste Pixelsignal mittels der ersten detektierenden Pixel und das zweite Pixelsignal mittels der zweiten detektierenden Pixel ermittelt wird, sodass anhand dieses Verhältnisses ortsaufgelöste Temperaturwerte ermittelt werden, sodass das 2D-Wärmebild ermittelt ist, wobei das erste Pixelsignal und das zweite Pixelsignal für einen einzigen Wellenlängenbereich ins Verhältnis gesetzt werden, wobei der Globalfilter ein Bandfilter ist, sodass der Spektralbereich zweiseitig begrenzt ist.
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Somit kann eine Kamera bereitgestellt werden, welche durch optisches Messen von beispielsweise sichtbarem Licht eines Wellenlängenbereichs eine Temperatur ortsaufgelöst darstellen kann. Insbesondere für den Fall, dass der Wellenlängenbereich im sichtbaren Bereich liegt, können einfach hergestellte Siliziumchips verwendet werden. Somit muss der entsprechende 2D-Detektor keine Infrarotstrahlung messen können. Zudem können handelsübliche Kameras, wie beispielsweise RGB-Kameras, leicht modifiziert werden.
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Zudem kann die Temperatur ortsaufgelöst auch dann bestimmt werden, wenn Abschattungseffekte durch Rauch und/oder durch Pulverpartikel vorliegen.
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Der Kern der Erfindung liegt somit insbesondere darin, dass zwei unterschiedlich gefilterte Pixel für die Temperaturmessung eingesetzt werden können und durch eine Zusatzbefilterung, welche für beide Filter wirkt, einen Wellenlängenbereich abbilden oder gar bei nur einer Wellenlänge ein Messsignal ermitteln.
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Folgendes Begriffliche sei erläutert:
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Eine „Kamera“ ist insbesondere eine phototechnische Apparatur, welche statische oder bewegte Bilder aufzeichnet oder über eine Schnittstelle übermittelt. Synonym wird auch der Begriff „Photoapparat“, insbesondere für das Aufzeichnen statischer Bilder, verwendet. Der Begriff „Videokamera“ wird dabei häufig synonym für das Aufzeichnen bewegter Bilder verwendet und wird ebenfalls durch den Begriff der Kamera umfasst. In der erfindungsgemäßen Ausprägung kann die Kamera auch als „Wärme(bild)kamera“ bezeichnet werden.
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Ein ,,2D-Wärmebild" ist beispielsweise eine sogenannte „Heat Map“. Wesentlich dabei ist, dass einem Bildpunkt ein Temperaturwert zugeordnet wird. Für das Darstellen unterschiedlicher Temperaturwerte kann beispielsweise jedem einzelnen Temperaturwert ein Farbwert zugeordnet werden, wobei kühlere Bereiche meist in Blautönen, wärmere Bereiche in Rottönen und sehr heiße Bereiche in Gelb- oder Weißtönen dargestellt werden.
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Der „Gegenstand“ ist insbesondere ein Bereich, für den die Temperatur mittels der Kamera ortsaufgelöst dargestellt werden soll. Dies kann allgemein bei thermischen Fertigungsprozessen wie beispielsweise Laserschweißen oder Lasersintern erfolgen. So kann beispielsweise eine Metalplatte abgebildet werden, welche mittels Laserschweißen oder Lasersintern bearbeitet wird.
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Die „Strahlung“, welche durch den Gegenstand ausgesendet wird, umfasst insbesondere die Wärmestrahlung, welche durch einen temperierten Körper abgegeben wird. Aufgrund der Planckverteilung wird bei der Wärmestrahlung auch sichtbares Licht ausgesandt, welches vorliegend für die Temperaturbestimmung verwendet wird. Zusätzlich umfasst der Begriff Strahlung auch eine passive Strahlung, welche beispielsweise aufgrund von Reflexion vom Gegenstand ausgesandt wird.
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Mittels der „Optik“ wird die Strahlung teilweise „eingesammelt“ und als Bild auf dem 2D-Detektor abgebildet.
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Der „Strahlengang“ definiert den Weg des Lichtes vom Gegenstand bis zum 2D-Dektektor, wobei beispielsweise mittels Linsen oder Spiegel und sonstigen optischen Bauteilen der Strahlengang gelenkt werden kann.
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Das „Abbild“, vorliegend auch „Bild“ genannt, ist der Teil des Gegenstandes, welcher auf den 2D-Dektektor projiziert wird und somit durch den 2D-Detektor aufzeichenbar ist. Diese Projektion kann wiederum durch Linsen, Spiegel und sonstige optische Bauteile gesteuert oder entsprechend beeinflusst werden.
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Der ,,2D-Dektektor" weist insbesondere lichtempfindliche elektrische Bauelemente auf, welche insbesondere in Reihen und Spalten angeordnet und einzeln auslesbar sind. Beispielsweise können die lichtempfindlichen elektronischen Bauteile mittels des sogenannten inneren Photoeffekts Licht sammeln und die dadurch erzeugten Elektronen elektronisch ausgelesen werden. So ist beispielsweise die Höhe des elektrischen Signals ein Maß für die Intensität der durch die lichtempfindlichen elektronischen Bauteile empfangenen optische Strahlung.
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Ein derartiges „lichtempfindliches elektronisches Bauteil“ wird vorliegend als „Pixel“, auch „Bildpunkt“ oder „Bildelement“, bezeichnet. Wird der Intensitätswert auf dem entsprechenden Pixel eines Bildschirms dargestellt, kann, nachdem alle Pixel dargestellt wurden, das Bild, welches der 2D-Detektor ermittelt hat, durch einen Betrachter „angesehen“ werden.
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Der durch das Pixel ermittelte Wert wird vorliegend nach einem Auslesen als „Pixelwert“ bezeichnet und ist insbesondere zur durch das Pixel aufgezeichneten Strahlungsintensität proportional.
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Ein „Spektralfilter“ ist insbesondere ein optischer Filter, welcher einen Teil des Lichtspektrums ausblendet oder entsprechend durchlässt. In üblichen optischen RGB-Kameras ist der Spektralfilter ein Rotfilter, ein Grünfilter oder ein Blaufilter, wobei in diesen Fällen der entsprechende Filter jeweils im Wesentlichen die Farbe durchlässt, sodass dieser vorliegend durch das zugeordnete Pixel in einen entsprechenden elektrischen Wert und somit einen Intensitätswert umgewandelt wird.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass es vorliegend ausreichend ist, dass nur ein Teil der Pixel einen entsprechenden Spektralfilter aufweist. So können beispielsweise auf dem 2D-Detektor jeweils zwei zueinander benachbarte Pixel derart ausgestaltet sein, dass jeweils einem der Pixel jeweils ein Spektralfilter zugeordnet ist.
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Die „Zuordnung“ ist insbesondere dann gegeben, wenn ein Spektralfilter das Licht, welches auf das zugehörige Pixel trifft, befiltert, sodass eine gegenüber einem ungefilterten Pixel geänderte Intensität durch das Pixel ermittelbar ist.
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Der „Globalfilter“ (teilweise auch das Globalfilter) ist ebenfalls ein Spektralfilter, wobei dieser Globalfilter zumindest eine Kantenfilterfunktion ausbildet. Bei einem derartigen „Kantenfilter“ werden insbesondere vor oder nach einem bestimmten Wellenlängenwert Licht durch den Filter transmittiert oder reflektiert. Nicht erfindungsgemäß ist dieser Kantenfilter im Wesentlichen einseitig optisch dicht. Dies bedeutet, dass beispielsweise 99% der Strahlung entsprechend geblockt oder absorbiert wird.
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Aufgrund dessen, dass die Intensitäten des ersten Pixelsignals und des zweiten Pixelsignal zueinander ins Verhältnis gesetzt werden, wird vorliegend insbesondere ein quotientenpyrometrischer Messansatz realisiert, wobei im Gegensatz zum Stand der Technik dies für eine einzige Wellenlänge oder einen einzigen speziellen Wellenlängenbereich erfolgt.
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Ein ,,2D-Detektorbereich" ist insbesondere der Bereich, dem ein entsprechender Temperaturwert, welcher durch das Bild des Verhältnisses des ersten Pixelsignals zum zweiten Pixelsignal ermittelt wurde, zugewiesen wird. Wird beispielsweise ein 2D-Detektorbereich als Bildpunkt dargestellt, wobei der Bildpunkt einer entsprechenden Temperatur entspricht, ist somit ein 2D-Wärmebild vorliegend gegeben. Dieses „ortsaufgelöste“ 2D-Wärmebild ermittelt somit für jeden Bildpunkt jeweils einen Temperaturwert, sodass eine Temperaturverteilung, beispielsweise bei einem Lasersinterprozess oder Laserschweißprozess, durch gegebene Verfahren ermittelbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist dem zweiten detektierenden Pixel ein Spektralfilter zugeordnet. In diesem Fall entspricht beispielsweise das erste Pixelsignal im Wesentlichen einem Rotwert und das zweite Pixelsignal beispielsweise einem Grünwert. Wesentlich dabei ist, dass die jeweiligen Spektralfilter zueinander unterschiedlich sind.
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Um die Vorteile bestehender RGB-Kameras zu nutzen, kann der 2D-Detektor dritte detektierende Pixel aufweisen, welchen ein dritter Spektralfilter zugeordnet ist, wobei die Kamera derart eingerichtet ist, dass ein drittes Pixelsignal in einem der Detektorbereiche mit dem ersten Pixelsignal oder dem zweiten Pixelsignal ins Verhältnis gesetzt wird, wobei das dritte Pixelsignal mittels der dritten detektierenden Pixel ermittelt wird, sodass anhand dieses Verhältnisses ortsaufgelöste Temperaturwerte ermittelt werden.
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So können unterschiedliche Verhältnisse der einzelnen Intensitäten ermittelt und dadurch die Genauigkeit der Temperaturbestimmung erhöht werden. Für den Fall, dass die ersten Pixel rot befiltert, die zweiten Pixel grün befiltert und die dritten Pixel blau befiltert sind, können die Verhältnisse zwischen der Rotintensität und der Blauintensität und der Rotintensität und der Grünintensität sowie der Blauintensität und der Grünintensität ermittelt werden.
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Erfindungsgemäß ist der Globalfilter ein optischer Bandfilter. Dabei bildet ein optischer Bandfilter im Wesentlichen einen optisch doppelten Kantenfilter, sodass nur entsprechend begrenzte Lichtsignale durch den Bandfilter transmittiert oder durch diesen reflektiert werden. Die Bandbreite kann dabei beispielsweise 100 nm betragen, wobei auch Werte von einigen wenigen Nanometer oder gar nur eine Wellenlänge möglich ist. An dieser Stelle sei nochmal angemerkt, dass vorliegend ein Kern der Erfindung darin liegt, dass ein entsprechender Globalfilter eingesetzt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der 2D-Detektor einen CCD-Sensor auf. Somit kann eine einfache Ausgestaltung des 2D-Detektors realisiert werden.
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Ein „CCD-Sensor“ (CCD = Charged Coupled Device) ist ein ladungsgekoppeltes Bauteil, bei dem einzelne Pixel auslesbar sind. Vorliegend werden insbesondere CCD-Array-Sensoren eingesetzt, wobei die Pixelzeilen und -spalten auslesbar sind. An dieser Stelle sei angemerkt, dass vorliegend als 2D-Detektor auch CMOS-Sensoren einsetzbar sind.
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Um bestehende Technologien zu nutzen, können die Pixel jeweils mit dem zugeordneten Spektralfilter beschichtet sein. Dies ist eine übliche Ausgestaltung, wie sie bei handelsüblichen RGB-Kameras verwendet werden. Mithin müssen konstruktiv derartige Kameras lediglich mit einem Globalfilter versehen werden und die entsprechende Sensorwerte, beispielsweise softwaretechnisch, bearbeitet werden, um die Intensitätsverhältnisse zu ermitteln, um somit die Temperatur zu bestimmen.
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Insbesondere kann der erste Spektralfilter ein Rotfilter, der zweite Spektralfilter ein Grünfilter und/oder der dritte Spektralfilter ein Blaufilter sein.
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Insbesondere wenn sehr schmalbandige Globalfilter eingesetzt werden, kann ein 2D-Dektetorbereiche zwei Pixel, drei Pixel, vier Pixel, sechs Pixel, 9 Pixel oder mehr Pixel umfassen, wobei die Pixel der 2D-Detektorbereiche gleichverteilt zwischen den ersten detektierenden Pixeln, den zweiten detektierenden Pixeln und/oder den dritten detektierenden Pixeln sind. Sofern beispielsweise ein 2D-Detektorbereich neun Pixel umfasst, können beispielsweise jeweils drei erste Pixel, drei zweite Pixel und drei dritte Pixel vorgesehen sein, für welche jeweils deren zugeordneter Spektralfilter vorgesehen ist. In diesem Fall können die Intensitäten der einzelnen Pixel aufaddiert und mit der Summe der jeweils anderen Pixel ins Verhältnis gesetzt werden. So kann auch bei geringen Intensitäten noch eine Temperaturbestimmung erfolgen. Hierbei wird selbstverständlich die Ortsauflösung eingeschränkt.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Kamera auch derart eingerichtet sein, dass ein 2D-Optikbild ermittelt wird.
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Somit können im Wesentlichen mit derselben Kamera nicht nur Temperaturwerte ortsaufgelöst bestimmt werden, sondern es kann einem Betrachter auch ein optisches Bild zur Verfügung gestellt werden.
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Mithin kann beispielsweise bei einem elektrisch schaltbaren Globalfilter die Filterfunktion deaktiviert werden und der 2D-Detektor ein optisches Bild ermitteln. Auch können parallele Strahlengänge vorgesehen sein, wobei in einem Strahlengang der Globalfilter und in dem anderen Strahlengang kein Globalfilter angeordnet ist und durch Beschalten des entsprechenden Strahlenganges das optische Bild erzeugt oder das 2D-Wärmebild ermittelt werden.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein System zum Anzeigen eines 2D-Wärmebildes und/oder eines 2D-Optikbildes, welches mit einer zuvor beschriebenen Kamera ermittelt wurde, wobei das System die Kamera aufweist.
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Damit kann beispielsweise ein 2D-Wärembild, bei dem die entsprechenden Temperaturwerte für die einzelnen Orte mit Farben belegt sind, und das entsprechend gewonnene optische Bild parallel dargestellt werden. Auch können die Bilder entsprechend übereinander gelegt werden, wobei beispielsweise durch entsprechendes Ansteuern jeweils ein Teil des einen Bildes ausgeblendet und der entsprechende zugehörige Teil des anderen Bildes eingeblendet wird. Somit kann der entsprechende Betrachter entsprechende Informationen ortsaufgelöst gewinnen. Dies ist insbesondere bei der Fehleranalyse von Lasersinterprozessen oder Laserschweißprozessen wichtig.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Prozessregeleinrichtung zum Regeln eines Prozesses, insbesondere zum Regeln eines Lasersinterprozesses oder Laserschweißprozesses, anhand von Wärmeinformationen, welche mit einer zuvor beschriebenen Kamera ermittelt wurden.
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Somit sind gerade beim Laserschweißen oder Lasersintern Strahlenführungen des entsprechenden Lasers anhand von ortsaufgelösten Wärmeinformationen realisierbar.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
- 1 unterschiedliche Spektralverläufe eines Rotfilters, eines Grünfilters und eines Blaufilters sowie Spektralverläufe zweier Bandfilter,
- 2 eine stark schematische Darstellung einer Laserschweißanlage mit zugeordneter RGB-Kamera und
- 3 eine stark schematische Teilansicht eines CCD-Chips mit befilterten Pixel in einem Sensorbereich.
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Eine RGB-Kamera 229 weist eine Optik 231 mit einem optischen Bandenfilter auf. Die RGB-Kamera 229 weist zudem im inneren einen CCD-Chip 341 auf. Der CCD-Chip 341 umfasst Pixel mit beschichtetem Rotfilter 345, Pixel mit beschichtetem Grünfilter 347 und Pixel mit beschichtetem Blaufilter 349. Jeweils drei Pixel mit beschichtetem Rotfilter 345, mit beschichtetem Grünfilter 347 und beschichtetem Blaufilter 349 sind in einem Sensorbereich 343 zusammengefasst.
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Der jeweilige Spektralverlauf der Rotfilter 107, Spektralfilter der Grünfilter 109 und der Spektralverlauf des Blaufilters sind in 1 dargestellt, wobei auf der Abszisse 103 die Wellenlänge in Nanometern und auf der Ordinate die Quanteneffizient in % angegeben sind. Zusätzlich ist der Spektralverlauf eines optischen Schmalbandfilters 113 und der Spektralverlauf eines optischen Breitbandfilters 115 in die 1 mit aufgenommen.
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Vorliegend wird die RGB-Kamera 229 bei einem Laserschweißprozess derart angeordnet, dass ein Schweißpunkt 223 eines Metallblechs 221 auf dem CCD-Sensor 341 optisch abgebildet wird. Der Schweißpunkt 223 wird durch den Laserstrahl 225 des Laserschweißgerätes 227 erzeugt.
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Vorliegend wird als Globalfilter ein optischer Breitbandfilter 115 mit dem entsprechenden Spektralverlauf eingesetzt.
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Der fokussierte Laserstrahl 225 erzeugt auf dem Metallblech 221 den Schweißpunkt 223, welcher der Metallplatte 221 eine entsprechende Temperatur aufprägt. Diese Temperatur erzeugt neben einer (infraroten) Wärmestrahlung aufgrund der Planckverteilung auch eine optische (sichtbare) Strahlung. Diese wird mit der RGB-Kamera 229 aufgefangen und als Bild auf dem CCD-Chip 341 abgebildet.
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Die rot befilterten Pixel 345 erzeugen ein Pixelsignal, welches einer Rotintensität entspricht. Analoges erfolgt für die blau und grün beschichteten Pixel 343, 347. Die Rotintensität wird zum einen mit der Grünintensität und zum anderen mit der Blauintensität ins Verhältnis gesetzt. Diese Verhältniswerte sind charakteristisch für eine Temperatur und werden mit einem tabellarisch hinterlegten Wert verglichen. Anhand dieser Werte wird für jeden Sensorbereich ein Temperaturwert aus der Tabelle ermittelt. Analog erfolgt dies in einem weiteren Prozess, wobei in diesem Fall ein schmalbandiger Filter 113 eingesetzt wird.
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Der beim Laserschweißen entstehende Rauch ist vorliegend für die Bestimmung der Temperatur unerheblich, da dieser zwar die in dem Spektralbereich des Bandfilters ausgesandte Intensität verringert, jedoch das Verhältnis der Intensität der rot befilterten Pixel zu den grün befilterten Pixeln oder entsprechend blau befilterten Pixeln nicht ändert.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Graphische Darstellung der spektralen Filterfunktionen
- 103
- Abszisse mit Wellenlänge/nm
- 105
- Ordinate mit Quanteneffizienz/%
- 107
- Spektralverlauf eines Rotfilters
- 109
- Spektralverlauf eines Grünfilters
- 111
- Spektralverlauf eines Blaufilters
- 113
- Spektralverlauf optischer Schmalbandfilter
- 115
- Spektralverlauf optischer Breitbandfilter
- 221
- Metallblech
- 223
- Schweißpunkt
- 225
- Laserstrahl
- 227
- Laserschweißgerät
- 229
- CCD-Kamera
- 231
- Eingangsoptik mit Globalfilter
- 341
- CCD-Chip
- 343
- Sensorbereich
- 345
- Pixel mit beschichtetem Rotfilter
- 347
- Pixel mit beschichtetem Grünfilter
- 349
- Pixel mit beschichtetem Blaufilter
