-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, insbesondere ein Endoskop, und ein Verfahren zur Bestimmung einer Oberfläche, insbesondere zur Bestimmung einer Oberflächengeometrie und/oder einer Albedo der Oberfläche, wobei die Oberfläche insbesondere eine metallischen Oberfläche ist.
-
Stand der Technik
-
Das Dokument
WO 2013/102572 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen einer Oberfläche eines Objekts.
-
Die Schrift
WO 2014/160510 A2 offenbart ein Endoskop zur Ermittlung einer Oberflächengeometrie eines innenliegenden Körperteils, so dass Schäden des innenliegenden Körperteils erkannt werden können.
-
Zur Qualitätskontrolle eines technischen Produktes mit einem innenliegenden Hohlraum, welcher insbesondere Funktionsflächen aufweist, können optische Überprüfungen des Hohlraums notwendig sein.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Oberfläche zu verbessern.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorstehende Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, insbesondere ein Endoskop. Die Messvorrichtung weist eine Optik auf, wobei die Optik zur Erfassung einer Umgebung der Messvorrichtung in eine Untersuchungsrichtung gerichtet ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Optik eine Weitwinkeloptik ist. Die Messvorrichtung umfasst ferner mindestens drei Lichtquellen, insbesondere Lichtwellenleiter und/oder Leuchtdioden. Ferner ist um die Optik ein Leuchtelement angeordnet, welches wenigstens eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist. Vorzugsweise ist das Leuchtelement ein koaxial zur Optik angeordneter Ring. Das Leuchtelement ist mindestens für einen Teilbereich eines Lichtspektrums der Lichtquellen transparent, wobei das Leuchtelement dazu eingerichtet ist, diesen Teilbereich beziehungsweise das durch die Lichtquellen erzeugte Licht beim Durchgang des Lichtes durch das Leuchtelement diffus zu streuen. Die Lichtquellen sind jeweils dazu eingerichtet, Licht auf die erste Seite des Leuchtelements auszusenden, wobei eine Helligkeit jeder Lichtquelle insbesondere separat angepasst werden kann. Die Messvorrichtung ist dazu eingerichtet, an der zweiten Seite des Leuchtelements diffus gestreutes Licht in die Untersuchungsrichtung auszusenden, wobei das diffus gestreute Licht nach dem Durchgang durch das Leuchtelement und beim Austritt an der zweiten Seite des Leuchtelements einen monotonen Helligkeitsverlauf in einer Schaltrichtung aufweist. Die Schaltrichtung liegt dabei senkrecht zur Untersuchungsrichtung. Die Messvorrichtung ist ferner dazu eingerichtet, die Schaltrichtung des monotonen Helligkeitsverlaufs anzupassen beziehungsweise zu drehen, insbesondere erfolgt die Drehung um eine Achse in Richtung der Untersuchungsrichtung beziehungsweise um eine Mittelachse der Optik. Die Drehung der Schaltrichtung erfolgt dabei insbesondere durch eine Anpassung der Helligkeit der jeweiligen Lichtquellen. Mit anderen Worten wird die Drehung durch eine elektrische Ansteuerung der Lichtquellen erzeugt. Mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist es vorteilhafterweise möglich eine Oberflächengeometrie und/oder eine Albedo eines innenliegenden Hohlraumes eines metallischen Bauteils zu bestimmen, wobei diese Oberfläche des Hohlraums beispielsweise konkav und/oder spiegelnd sein kann. Die Messvorrichtung weist ferner den Vorteil auf, dass sie sehr kompakt und robust ist.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das an der zweiten Seite des Leuchtelements diffus gestreute austretende Licht einen streng monotonen und differenzierbaren Helligkeitsverlauf auf. Dadurch wird die Bestimmung der Oberflächengeometrie und/oder der Albedo genauer.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Messvorrichtung dazu eingerichtet, die Schaltrichtung des monotonen Helligkeitsverlaufs um mindestens 60° zu drehen, insbesondere um 90° oder 120°. Bei einer Drehung um jeweils 60° werden 6 Bilder erfasst, wodurch die Oberflächengeometrie und/oder die Albedo vorteilhafterweise genau bestimmt werden kann.
-
Durch eine Drehung um beispielsweise 120° reichen 3 Bilder aus, um die Oberflächengeometrie und/oder die Albedo genau zu bestimmen, so dass Rechenzeit gespart wird.
-
In einer Weiterführung kann es vorgesehen sein, dass das Leuchtelement der Messvorrichtung einen streng monotonen und differenzierbaren Transmissionsgrad aufweist. Dadurch werden eine besonders hohe Güte der Beleuchtung und somit eine sehr genaue Bestimmung der Oberflächengeometrie und/oder der Albedo erreicht.
-
In einer zur Weiterführung alternativen Ausgestaltung umfasst die Messvorrichtung ein Zwischenelement, welches zwischen dem Leuchtelement und den Lichtquellen angeordnet ist und in Schaltrichtung einen streng monotonen und differenzierbaren Transmissionsgrad aufweist. Vorteilhafterweise ist das Zwischenelement ein Zwischenring, welcher insbesondere koaxial zur Optik angeordnet ist. Das Zwischenelement weist beispielsweise in der Schaltrichtung und im Querschnitt eine Keilform beziehungsweise eine streng monoton ansteigende Dicke auf. Durch die Verwendung des Zwischenelements entsteht der Vorteil, dass die Funktion diffuse Lichtstreuung durch das Leuchtelement und der Transmissionsgrad davon separat durch das Zwischenelement eingestellt beziehungsweise realisiert werden. Die Helligkeit der Lichtquellen kann somit gleichmäßig eingestellt, das heißt auf eine elektrische Ansteuerung der Lichtquellen zur Drehung des monotonen Helligkeitsverlaufs verzichtet werden, wodurch die Helligkeit insgesamt gesteigert werden kann. Außerdem kann die Lichtstreuung des Leuchtelements separat optimiert und folglich in höherer Güte eingestellt werden. Des Weiteren wird vorteilhafterweise erreicht, dass das in der Messvorrichtung innenliegende Zwischenelement in einem Gehäuse angeordnet und mechanisch gedreht, d.h. die Schaltrichtung angepasst werden kann, wodurch keine außenliegende Rotation resultiert. Dadurch ist die Messvorrichtung robust und sie kann gegenüber Staub und/oder Flüssigkeit abgedichtet werden. Ferner ist beispielsweise auch ein Einsatz der Messvorrichtung im menschlichen Körper möglich.
-
In einer Fortentwicklung der Weiterführung oder der alternativen Ausgestaltung weist die Messvorrichtung einen Elektromotor auf, wobei ein Rotor des Elektromotors mit dem Leuchtelement und/oder insbesondere mit dem Zwischenelement verbunden ist. Dadurch kann vorteilhafterweise das Leuchtelement und/oder das Zwischenelement um die Achse in Richtung der Untersuchungsrichtung gedreht beziehungsweise die Schaltrichtung geändert beziehungsweise gedreht werden.
-
Vorzugsweise ist das Leuchtelement in einem Abstand größer oder gleich 1 cm von den Lichtquellen angeordnet, insbesondere ist der Abstand größer 5 cm.
-
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Lichtquellen der Messvorrichtung zumindest zwei unterschiedliche Lichtquellentypen mit jeweils unterschiedlichen Lichtspektren auf. Die Lichtquellen umfassen vorteilhafterweise einen ersten Lichtquellentyp mit einem ultravioletten Lichtspektrum, einen zweiten Lichtquellentyp mit einem sichtbaren Lichtspektrum und/oder einen dritten Lichtquellentyp mit einem infraroten Lichtspektrum. Durch diese Ausgestaltung können Oberflächen von unterschiedlichen Materialien bestimmt werden. Des Weiteren können bei bestimmten Materialklassen Dichten oder Homogenität erkannt werden.
-
Es kann ferner optional vorgesehen sein, dass die Messvorrichtung wenigstens einen Empfangslichtwellenleiter zur Übertragung eines in die Optik eingefallen Lichtes an eine Bilderfassungseinheit umfasst.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung einer Oberfläche, aufweisend eine Aktivierung mindestens dreier Lichtquellen, wobei das Licht der Lichtquellen auf eine erste Seite eines transparenten Leuchtelementes gerichtet ist und mittels des Leuchtelementes diffus in eine Untersuchungsrichtung gestreut wird. Das Leuchtelement ist vorzugsweise ein Ring. Das Leuchtelement weist ferner an einer zweiten Seite einen monotonen Helligkeitsverlauf entlang einer Schaltrichtung auf, wobei die Schaltrichtung senkrecht zur Untersuchungsrichtung liegt und um eine Achse in Richtung der Untersuchungsrichtung gedreht werden kann. Ist das Leuchtelement beispielsweise ein Ring, so erfolgt die Drehung der Schaltrichtung vorteilhafterweise um eine Mittelachse des Rings. Anschließend erfolgt eine Erfassung eines ersten Bildes von der Oberfläche mittels einer Optik. Dann wird eine erste Drehung der Schaltrichtung um die Achse in Richtung der Untersuchungsrichtung durchgeführt. Anschließend erfolgt eine Erfassung eines zweiten Bildes von der Oberfläche mittels der Optik. Dann wird eine zweite Drehung der Schaltrichtung um die Achse in Richtung der Untersuchungsrichtung durchgeführt. Danach wird eine Erfassung eines dritten Bildes von der Oberfläche mittels der Optik durchgeführt. Es kann optional vorgesehen sein, dass die Erfassung des ersten Bildes, des zweiten Bildes und des dritten Bildes jeweils mittels einer Weitwinkeloptik durchgeführt werden, wobei das verzerrte erste Bild, das verzerrte zweite Bild und das verzerrte dritte Bildes nach der jeweiligen Erfassung durch eine Bildtransformation jeweils entzerrt werden. Abschließend erfolgt eine Ermittlung einer Oberflächengeometrie und/oder einer Albedo der Oberfläche in Abhängigkeit des ersten Bildes, des zweiten Bildes und/oder des dritten Bildes beziehungsweise in Abhängigkeit des entzerrten ersten Bildes, des entzerrten zweiten Bildes und/oder des entzerrten dritten Bildes. Die Bestimmung der Oberflächengeometrie und/oder der Albedo erfolgt insbesondere durch Verfahren der Deflektometrie. Durch das Verfahren kann vorteilhafterweise die Oberflächengeometrie und/oder eine Albedo der Oberfläche metallischer beziehungsweise spiegelnder und innenliegender Oberflächen erfasst werden.
-
Vorzugsweise kann in einer Weiterführung nach der Erfassung des ersten Bildes, des zweiten Bildes und des dritten Bildes jeweils eine Änderung des Lichtspektrums des erzeugten Lichtes durchgeführt werden, wobei insbesondere andere Lichtquellen aktiviert werden. Anschließend erfolgt eine Erfassung eines weiteren ersten Bildes, eines weiteren zweiten Bildes und/oder eines weiteren dritten Bildes von der Oberfläche mittels der Optik. Die Ermittlung der Oberflächengeometrie und/oder der Albedo der Oberfläche wird in dieser Weiterführung zusätzlich in Abhängigkeit des weiteren ersten Bildes, des weiteren zweiten Bildes und weiteren dritten Bildes durchgeführt. Durch diese Weiterführung können die Oberflächengeometrie und/oder eine Albedo der Oberfläche genauer ermittelt werden. Außerdem und/oder die Oberflächengeometrie und/oder eine Albedo einer Oberfläche von unterschiedlichen Materialien bestimmt werden.
-
In einer Ausgestaltung erfolgt die Drehung der Schaltrichtung um die Achse in Richtung der Untersuchungsrichtung, beispielsweise um die Mittelachse des Ringes als Leuchtelement, jeweils durch eine Anpassung einer Helligkeit der Lichtquellen, wobei die Lichtquellen insbesondere jeweils einzeln angesteuert werden. In dieser Ausgestaltung erfolgt die Drehung durch elektronische Ansteuerung der Lichtquellen, so dass keine rotierenden Bauteile benötigt werden.
-
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Drehung der Schaltrichtung um die Achse in Richtung der Untersuchungsrichtung, beispielsweise um die Mittelachse des Ringes als Leuchtelement, jeweils durch Ansteuerung eines Elektromotors erfolgt, wobei ein mit dem Leuchtelement oder ein mit dem Zwischenelement drehfest verbundener Rotor insbesondere in eine definierte Position gestellt wird.
-
Vorzugsweise kann ferner in einer Ausführung der Erfindung vorgesehen sein, eine Ermittlung einer 3D-Struktur der erfassten Umgebung der Optik in Abhängigkeit einer Abfolge von ersten Bildern, zweiten Bildern und/oder dritten Bildern durchzuführen, wobei die Ermittlung der Oberflächengeometrie der Oberfläche zusätzlich in Abhängigkeit der ermittelten 3D-Struktur erfolgt. Die Ermittlung der 3D-Struktur erfolgt beispielsweise gemäß eines structure-from-motion-Verfahrens. Durch diese Ausführung wird die Ermittlung der Oberflächengeometrie genauer.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren.
- 1a: Messvorrichtung
- 1b: Aufsicht auf eine Platine mit Lichtquellen
- 2: Alternative Messvorrichtung
- 3a: Helligkeitsverlauf an der zweiten Seite eines Rings als Leuchelement
- 3b: Diagramm des Helligkeitsverlaufs
- 4: Ablaufdiagramm des Verfahrens als Blockschaltbild
- 5a: Drehung der Schaltrichtung
- 5b: Visualisierung zur Ermittlung der Oberflächengeometrie
-
In 1a ist eine Messvorrichtung 100 zur Analyse einer Oberfläche 199 dargestellt. Die Messvorrichtung 100 weist eine Optik 110 auf, welche in eine Untersuchungsrichtung 190 in eine Umgebung der Messvorrichtung 100 gerichtet ist. Die Oberfläche 199 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Grundfläche eines engen Hohlraums 198. Die Messvorrichtung 100 weist ferner mindestens drei Lichtquellen 120 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Leuchtdioden ausgestaltet sind. Beispielsweise umfasst die Messvorrichtung 100 zwölf Lichtquellen 120. Die Lichtquellen 120 beziehungsweise Leuchtdioden sind auf einer ringförmigen Platine 130 angeordnet und ebenfalls in die Untersuchungsrichtung 190 gerichtet, wobei die ringförmige Platine vorteilhafterweise in Umfangsrichtung der Platine 130 eine gleichmäßige Anordnung der Lichtquellen 120 aufweist, siehe auch 1b. Die Lichtquellen 120 sind mittels eines Verbindungskabels 131 mit einem Steuergerät 132 verbunden, wobei das Steuergerät 132 innerhalb oder vorteilhafterweise außerhalb der Messvorrichtung 100 angeordnet ist. Die Lichtquellen 120 sind dazu eingerichtet, mittels des Steuergeräts 132 angesteuert zu werden, wodurch vorzugsweise die Helligkeit jeder Leuchtdiode 120 separat eingestellt werden kann. Alternativ sind die Lichtquellen 120 Lichtwellenleiter, welche Licht von einer Lichtquelle außerhalb der Messvorrichtung 100 zur Messvorrichtung 100 leiten, wodurch beispielsweise ein Lichtwellenleiter mit Laserlicht eines Lasers als Lichtquelle 120 verwendet werden kann. Die Lichtquellen 120 bestrahlen eine erste Seite 141 eines koaxial um die Optik angeordneten transparenten Rings als Leuchtelement 140 der Messvorrichtung 100. Das Leuchtelement 140 ist dazu eingerichtet, das von den Lichtquellen 120 ausgesendete Licht beim Durchgang des Lichtes durch das Leuchtelement 140 diffus zu streuen, so dass an der zweiten Seite 142 des Leuchtelements 140 diffus gestreutes Licht in die Untersuchungsrichtung 190 beziehungsweise in Richtung der Oberfläche 199 austritt beziehungsweise ausgesendet wird. Die Messvorrichtung 100 ist des Weiteren dazu eingerichtet, an der zweiten Seite 142 des Leuchtelements 140 in einer Schaltrichtung 191 einen monotonen Helligkeitsverlauf des austretenden Lichtes zu erzeugen, insbesondere ist der erzeugte Helligkeitsverlauf des in der Schaltrichtung 191 an der zweiten Seite 142 des Leuchtelements 140 austretenden Lichtes streng monoton und differenzierbar. Durch eine Ansteuerung der Lichtquellen 120 zur Anpassung der Helligkeit mittels des Steuergeräts 132, ist die Messvorrichtung 100 darüber hinaus dazu eingerichtet, den Helligkeitsverlauf zu ändern beziehungsweise die Schaltrichtung 191 entlang des Umfangs des Rings als Leuchtelements 140 beziehungsweise um die Achse in Richtung der Untersuchungsrichtung 190 zu drehen. Die Optik 110 ist vorteilhafterweise mittels eines Empfangslichtwellenleiters 151 mit einer Bilderfassungseinheit 150 verbunden, wobei die Bilderfassungseinheit 150 einen Bildsensor 152 aufweist und insbesondere außerhalb der Messvorrichtung 100 oder alternativ innerhalb der Messvorrichtung 100 angeordnet ist. Die Messvorrichtung 100 ist somit dazu eingerichtet, wenigstens ein erstes, zweites und/oder drittes Bild der mittels des Leuchtelements 140 diffus beleuchteten Oberfläche 199 mittels der Optik 100 zu erfassen, wobei die Beleuchtung beziehungsweise das Leuchtelement 140 einen monotonen Helligkeitsverlauf in einer Schaltrichtung 191 aufweist und diese Schaltrichtung 191 des monotonen Helligkeitsverlaufs gedreht beziehungsweise geschaltet werden kann.
-
In 1b ist eine Aufsicht auf eine Platine 130 mit zwölf Lichtquellen 120 dargestellt, wobei die Lichtquellen 120 als Leuchtdioden oder Enden von Lichtwellenleitern ausgeführt sein können. Die Platine 130 ist beispielsweise elektrisch mittels des Verbindungskabel 131 mit dem externen Steuergerät 132 verbunden. Die Lichtquellen 120 können je nach Aufbau der Messvorrichtung 100 im Betrieb der Messvorrichtung 100 eine homogene oder eine unterschiedliche Helligkeit beziehungsweise Lichtstärke aufweisen. Die Helligkeit beziehungsweise Lichtstärke wird beispielsweise für jede Lichtquelle 120 separat eingestellt, wodurch die Schaltrichtung des monotonen Helligkeitsverlaufs an der zweiten Seite 142 des Leuchtelements 140 angepasst werden kann. Es können in einer optionalen Weiterführung unterschiedliche Arten von Lichtquellentypen 120', 120" und/oder 120"' vorgesehen sein (nicht dargestellt), insbesondere ein erster Lichtquellentyp 120' mit einem ultravioletten Lichtspektrum, ein zweiter Lichtquellentyp 120" mit einem sichtbaren Lichtspektrum und/oder ein dritter Lichtquellentyp 120'" mit einem infraroten Lichtspektrum.
-
In 2 ist ein alternativer Aufbau der Messvorrichtung 100 dargestellt. Die Messvorrichtung 100 weist zusätzlich zu den in 1a dargestellten Komponenten einen Zwischenring als Zwischenelement 230 auf, welcher zwischen dem Leuchtelement 140 und den Lichtquellen 120 angeordnet ist. Das Leuchtelement 140 ist, wie bezüglich 1a beschrieben, dazu eingerichtet, Licht beim Durchgang des Lichtes durch das Leuchtelement 140 diffus zu streuen. Das Zwischenelement 230 weist entlang der Schaltrichtung 191, welche senkrecht zur Achse in die Untersuchungsrichtung 190 liegt, einen streng monotonen und differenzierbaren Transmissionsgrad auf. Beispielsweise weist das Zwischenelement 230 im Querschnitt entlang der Schaltrichtung 191 eine Keilform auf. Ferner kann das Zwischenelement ein absorbierendes Material umfassen, beispielsweise umfasst das Zwischenelement 230 ein Polymer mit einem schwarzen Farbstoff. Die Messvorrichtung 100 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ferner einen Elektromotor 210 mit einen Stator 211 und einem Rotor 212, in diesem Beispiel ein ist als Rotor 212 ein Außenläufer vorgesehen. Der Rotor 212 kann alternativ auch als Innenläufer, beispielsweise mit einer Hohlwelle zur Durchführung von Verbindungskabeln 131 und/oder des Lichtwellenleiters 151, ausgestaltet sein. Der Rotor 212 ist mit dem Zwischenelement 230 drehfest verbunden. Die Messvorrichtung 100 ist durch eine Ansteuerung des Elektromotors 210 dazu eingerichtet, das Zwischenelement 230 zu drehen, so dass die Schaltrichtung 191 beziehungsweise die Richtung des streng monotonen und differenzierbaren Verlaufs des Transmissionsgrades beziehungsweise des Helligkeitsverlaufes an der zweiten Seite 142 des Leuchtelements 140 in der Schaltrichtung 190 ebenfalls gedreht wird. Durch die in 2 dargestellte Ausführung der Messvorrichtung 100 kann eine gleichmäßige Beleuchtung des Zwischenelements 230 an einer Beleuchtungsseite 231 mittels der Lichtquellen 120 eingestellt werden, wobei nach Durchgang des Lichtes durch das Zwischenelement 230 und das Leuchtelement 140 ein streng monotoner und differenzierbarer Helligkeitsverlauf des austretenden Lichtes an der zweiten Seite 142 des Leuchtelements 140 resultiert. Durch den in 2 dargestellten Aufbau der Messvorrichtung 100 wird somit die Einstellung einer Lichtstreuung mittels des Leuchtelements 140 und die Erzeugung des streng monotonen und differenzierbaren Verlaufs des Transmissionsgrades mittels des Zwischenelements 230 realisiert. Die Messvorrichtung 100 ist mittels der Optik 110 dazu eingerichtet, Bilder der Umgebung der Messvorrichtung 100 beziehungsweise der Oberfläche 199 zu erfassen. Die Erfassung der Bilder kann außerhalb der Messvorrichtung 100 mittels einer Bilderfassungseinheit 150 erfolgen, wobei die Übertragung der erfassten Bilder mittels eines Empfangslichtwellenleiters 151 erfolgt. Die Ansteuerung der Lichtquellen 120 kann mittels der Verbindungskabeln 131 und eines außerhalb der Messvorrichtung 100 angeordneten Steuergeräts 132 erfolgen. Alternativ sind die Lichtquellen 120 als Lichtwellenleiter ausgeführt, welche Licht von einer externen Quelle zur Messvorrichtung 100 übertragen.
-
In 3a ist eine Aufsicht auf die zweite Seite 142 eines Rings als Leuchtelement 140 im Betrieb der Messvorrichtung 100 dargestellt. An der zweiten Seite 142 des Leuchtelements 140 ist der streng monotone und differenzierbare Helligkeitsverlauf in Schaltrichtung 191 durch einen gleichmäßig steigenden Grauverlauf visualisiert. In 3b ist ein Diagramm des monotonen und differenzierbaren Helligkeitsverlaufs in Schaltrichtung 191 dargestellt, wobei erkennbar ist, dass der Lichtintensitätsverlauf beziehungsweise der Helligkeitsverlauf an der zweiten Seite 142 des Leuchtelements 140 von einem Wert I0 bis zu einem Wert I1 streng monoton und differenzierbar ansteigt. Die Messvorrichtung 100 ist dazu eingerichtet, die Schaltrichtung 191, 191' und 191" beispielsweise um jeweils 120° zu drehen, so dass eine Beleuchtung einer Oberfläche 199 angepasst wird, wobei wenigstens erste, zweite und dritte Bilder mit einer jeweils unterschiedlichen Beleuchtung beziehungsweise Schaltrichtung 191, 191' und 191" erfasst werden.
-
In 4a ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens als Blockschaltbild dargestellt. Zunächst erfolgt eine Aktivierung 410 mindestens dreier Lichtquellen 120, wobei die Lichtquellen 120 insbesondere an der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 100 angeordnet sind. Das Licht der Lichtquellen 120 ist auf eine erste Seite 141 eines transparenten Leuchtelements 140 gerichtet, wobei das Leuchtelement 140 das Licht beim Durchgang durch den Ring 140 diffus streut. Durch die Aktivierung 410 der Lichtquellen resultiert ein monotoner Helligkeitsverlauf entlang einer Schaltrichtung 191 an einer zweiten Seite 142 des Leuchtelements 140, wobei die Schaltrichtung 191 senkrecht zu einer Untersuchungsrichtung 190 der Messvorrichtung 100 liegt. Anschließend wird in einem Schritt 420 ein erstes Bild von der Oberfläche 199 mittels der Optik 110 erfasst. In einem weiteren Schritt 430 wird die Schaltrichtung 191 um die Achse in Richtung der Untersuchungsrichtung 190 des Leuchtelements 140 beziehungsweise in Umfangsrichtung 310 des Rings als Leuchtelement 140 gedreht, insbesondere um einen Winkel von 120°. Danach erfolgt eine Erfassung 440 eines zweiten Bildes von der Oberfläche 199 mittels der Optik 110. Des Weiteren wird eine zweite Drehung 450 der Schaltrichtung 191 um die Achse in Richtung der Untersuchungsrichtung 190 beziehungsweise in Umfangsrichtung 310 des Rings als Leuchtelement 140 gedreht, insbesondere um einen Winkel von 120°. Im Schritt 460 wird anschließend ein drittes Bild von der Oberfläche 199 mittels der Optik 110 erfasst. Anschließend wird im Schritt 470 eine Oberflächengeometrie und/oder eine Albedo der Oberfläche 199 in Abhängigkeit des ersten Bildes, des zweiten Bildes und/oder des dritten Bildes ermittelt.
-
In 4b ist ein gegenüber 4a erweitertes Verfahren dargestellt, welches die Verfahrensschritte 410, 420, 430, 440, 450, 460 und 470 ebenfalls umfasst. Nach der Erfassung 420 des ersten Bildes wird zusätzlich im optionalen Schritt 421 ein Lichtspektrum des erzeugten Lichtes geändert, wobei die Änderung insbesondere durch eine Aktivierung einer anderen Lichtquelle 120', 120" und/oder 120'" erfolgt. Anschließend wird im Schritt 422 ein weiteres erstes Bild erfasst. Nach der Erfassung 440 des zweiten Bildes wird im optionalen Schritt 441 erneut ein Lichtspektrum des erzeugten Lichtes geändert, wobei die Änderung insbesondere durch eine Aktivierung einer anderen Lichtquelle 120', 120" und/oder 120'" erfolgt. Anschließend wird im Schritt 442 ein weiteres zweites Bild erfasst. Nach der Erfassung 460 des dritten Bildes wird im optionalen Schritt 461 erneut ein Lichtspektrum des erzeugten Lichtes geändert, wobei die Änderung insbesondere durch eine Aktivierung einer anderen Lichtquelle 120', 120" und/oder 120'" erfolgt. Anschließend wird im Schritt 462 ein weiteres drittes Bild erfasst. In dieser Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Ermittlung 470 der Oberflächengeometrie und/oder der Albedo der Oberfläche 199 zusätzlich in Abhängigkeit des weiteren ersten Bildes, des weiteren zweiten Bildes und/oder des weiteren dritten Bildes.
-
Im den Verfahren aus 4a oder 4b erfolgt die Drehung 430 und 450 der Schaltrichtung 191 um die Achse in Richtung der Untersuchungsrichtung 190 beziehungsweise in Umfangsrichtung des Ringes als Leuchtelement 140 jeweils durch eine Anpassung einer Helligkeit jeder Lichtquelle oder alternativ durch eine Ansteuerung eines Elektromotors 210.
-
Es kann optional vorgesehen sein, in den Schritten 420, 440 und/oder 460 eine Abfolge von ersten Bildern, zweiten Bildern und/oder dritten Bildern zu erfassen und anschließend in einem optionalen Schritt 465 eine 3D-Struktur der Oberfläche durch ein structure from Motion-Verfahren zu ermitteln. Anschließend erfolgt in dieser Ausgestaltung die Ermittlung 470 der Oberflächengeometrie der Oberfläche 199 zusätzlich in Abhängigkeit der ermittelten 3D-Struktur.
-
Die Messvorrichtung 100 ist während der Erfassung der ersten, zweiten und dritten Bilder undsoweiter unbewegt zur Oberfläche 199. Die Messvorrichtung 100 ist dazu eingerichtet, die Oberfläche 199 mittels des Leuchtelements 140 zu beleuchten, wobei diese Beleuchtung jeweils den monotonen Helligkeitsverlauf in einer Schaltrichtung 191, 501, 502, 503, 504, 505 oder 506 aufweist. In 5a ist eine fünffache Drehung der Schaltrichtung 191, 501 um jeweils 60° dargestellt. Die erste Drehung der Schaltrichtung 191, 501 resultiert in der zweiten Schaltrichtung 191, 502, die zweite Drehung resultiert in der dritten Schaltrichtung 191, 503, eine dritte Drehung resultiert in einer vierten Schaltrichtung 191, 504, eine vierte Drehung resultiert in einer fünften Schaltrichtung 191, 505 und eine fünfte Drehung resultiert in einer sechsten Schaltrichtung 191, 506. Nach jeder Drehung weist das Leuchtelement 140 folglich jeweils einen monotonen Helligkeitsverlauf entlang der jeweiligen Schaltrichtung 191, 501, 502, 503, 504, 505 oder 506 auf, wodurch eine Beleuchtungssituation definiert ist und wobei von jeder Beleuchtungssituation beziehungsweise bei jeder Schaltrichtung 191, 501, 502, 503, 504, 505 oder 506 jeweils ein erstes, zweites, drittes, viertes, fünftes beziehungsweise sechstes Bild erfasst wird. Mit anderen Worten wird in dem Verfahren zur Bestimmung einer Oberfläche mittels der Messvorrichtung 100 die Beleuchtungssituation der Oberfläche 199 durch Drehung der Schaltrichtung 191 des monotonen Helligkeitsverlaufes mehrfach geändert, wobei die Optik unbewegt ist, und jeweils ein Bild von jeder Schaltrichtung 191 beziehungsweise Beleuchtungssituation erfasst, wobei eine Winkelsumme der Drehungen in dem Verfahren insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches von 360° beträgt.
-
Um die Albedo im Schritt 470 der Oberfläche 199 zu ermitteln, wird für jeden Bildpunkt mit festen Koordinaten in den erfassten sechs Bildern der Mittelwert der erfassten Intensitäten beziehungsweise Chrominanzwerte (Farbe) oder Luminanzwerte (Helligkeit) gebildet. In 5b ist eine Ermittlung 470 der Oberflächengeometrie der Oberfläche 199 für die in 5a dargestellte fünffache Drehung der Schaltrichtung 501, 502, 503, 504, 505 oder 506 des monotonen Helligkeitsverlaufs visualisiert. Um die Oberflächengeometrie im Schritt 470 zu bestimmen wird zunächst eine Neigung der Oberfläche 199 in x-Richtung und in y-Richtung bestimmt. Die Ermittlung der Richtung der Oberflächenneigung und des Betrags der Oberflächenneigung erfolgt für jeden Bildpunkt mit festen Koordinaten in Abhängigkeit der erfassten sechs Bilder. Zur Ermittlung 470 der Oberflächengeometrie beziehungsweise der Oberflächenneigung werden zu jeder gemeinsamen Koordinatenpaarung der Bilder jeweils die sechs erfassten Intensitäten beziehungsweise Chrominanzwerte (Farbe) oder Luminanzwerte (Helligkeit) aus den sechs Bildern auf Strahlen in den jeweils dazugehörenden Schaltrichtungen 501, 502, 503, 504, 505 oder 506 aufgetragen, wodurch für jede Koordinatenpaarung jeweils Punkte 511, 512, 513, 514, 515 und 516 definiert sind. Diese Punkte 511, 512, 513, 514, 515 und 516 definieren zusammen jeweils einen zu einer Koordinatenpaarung zugeordneten und in 5b gestichelt dargestellten Kreis 520. Die Richtung der Oberflächenneigung an der jeweiligen Koordinatenpaarung wird in Abhängigkeit einer Winkellage des Mittelpunkts 530 dieses Kreises 520 zur ersten Schaltrichtung 501 ermittelt. Die Ermittlung 470 des Betrags der Oberflächenneigung erfolgt an jeder Koordinatenpaarung in Abhängigkeit einer jeweiligen Entfernung zwischen dem Mittelpunkt 530 des zur Koordinatenpaarung zugeordneten Kreises 520 und einem Ursprung 540 und der Albedo an der Koordinatenpaarung, wobei die ermittelte Entfernung jeweils insbesondere durch die Albedo dividiert wird. Die Ermittlung der Oberflächengeometrie erfolgt in Abhängigkeit der Vielzahl an ermittelten Richtungen und Beträgen der Oberflächenneigungen an den jeweiligen Koordinatenpaarungen. Mit anderen Worten kann aus Richtungen und Beträgen der Oberflächenneigungen sowie der Albedo an den Bildpunkten die Oberflächengeometrie rekonstruiert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2013/102572 A1 [0002]
- WO 2014/160510 A2 [0003]
