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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung einer Beschichtung auf einer Oberfläche, insbesondere auf einer Windschutzscheibe für ein Kraftfahrzeug. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung dazu eine Auswerteeinheit, ein Computerprogramm sowie ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Für die verschiedensten Anwendungen ist es erforderlich, Beschichtungen von Oberflächen zu vermessen. Insbesondere bei der Herstellung von Windschutzscheiben für Kraftfahrzeuge ist das der Fall. Windschutzscheiben moderner Kraftfahrzeuge weisen häufig Beschichtungen verschiedenster Art auf. Es kann beispielsweise eine Beschichtung zur Abschirmung von UV-Strahlung oder als Versiegelung gegen Schmutz vorgesehen sein. Auch kann die Funktion einer Scheibenheizung über eine Beschichtung realisiert werden. Dabei sind die Beschichtungen auf Windschutzscheiben oft lokal derart begrenzt, dass beispielsweise für Kamera-Sensoren oder zur automatisierten Mauterfassung spezielle Bereiche ausgespart sind, sodass die Funktionsweise dieser Geräte nicht durch die Beschichtung beeinträchtigt wird. Es ist bei der Herstellung von Windschutzscheiben entsprechend erforderlich, aufgebrachte Beschichtungen zu überprüfen.
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Mit bekannten Verfahren zur Erfassung von Beschichtungen ist oft nur eine unzureichende Erfassung der Beschichtung möglich. Auch sind diese Verfahren oft aufwendig, teuer und langsam.
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Von daher liegt ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Erfassung einer Beschichtung auf einer Oberfläche sowie eine dazu geeignete Vorrichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Abhängige Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erfassung einer Beschichtung auf einer Oberfläche vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
- a) für eine Vielzahl von Punkten auf der Oberfläche Bestimmen eines jeweiligen charakteristischen Wertes durch die folgenden Schritte:
- a1) Aussenden eines Detektionsstrahls auf die Oberfläche,
- a2) Erfassen einer an der Oberfläche erzeugten Streuung des gemäß Schritt a1) ausgesandten Detektionsstrahls mittels eines Sensors, wobei der Sensor eine Vielzahl von Auswertefenstern aufweist, die derart angeordnet sind, dass eine Auflösung der Streuung zumindest in einer ersten Richtung möglich ist, und wobei mit jedem der Auswertefenster ein jeweiliger Messwert erfasst wird,
- a3) Bilden des jeweiligen charakteristischen Wertes als eine Summe der Messwerte zumindest eines Teils der Auswertefenster,
- b) Erstellen einer Darstellung zumindest eines Teils der Oberfläche aus den gemäß Schritt a) erhaltenen charakteristischen Werten,
- c) bereichsweises Bestimmen einer jeweiligen Beschichtungseigenschaft der Oberfläche anhand der gemäß Schritt b) erhaltenen Darstellung.
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Mit dem beschriebenen Verfahren können verschiedenste Beschichtungen auf verschiedensten Oberflächen erfasst werden. Unter „erfassen“ ist jede Form der Charakterisierung, insbesondere das Messen von einer oder mehreren Eigenschaften der Beschichtung, zu verstehen. Die Beschichtung liegt vorzugsweise auf der Oberseite eines Messobjektes, kann aber auch auf der Unterseite eines für den Detektionsstrahl transparenten Messobjektes liegen oder auch von einem für den Detektionsstrahl transparenten Körper bedeckt sein. Die Beschichtung kann auch als „coating“ bezeichnet werden. Vorzugsweise wird mit dem beschriebenen Verfahren eine Beschichtung auf einer Oberfläche einer Windschutzscheibe für ein Kraftfahrzeug erfasst. Das beschriebene Verfahren ist beispielsweise dazu geeignet, eine „silk screen“ Beschichtung insbesondere auf einer Windschutzscheibe für ein Kraftfahrzeug zu erfassen. Dabei können insbesondere auch sogenannte „decoated“ Bereiche als solche erkannt werden. Dabei handelt es sich um Bereiche, in denen eine zunächst aufgebrachte Beschichtung beispielsweise durch Laserstrahlung nachträglich wieder entfernt wurde. Weiterhin ist das beschriebene Verfahren dazu geeignet, auch transparente Beschichtungen zu erfassen, die mangels Sichtbarkeit mit einfachen optischen Methoden nicht erfasst werden können.
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Dazu wird mit dem beschriebenen Verfahren eine Darstellung zumindest eines Teils der Oberfläche, vorzugsweise der gesamten Oberfläche, erzeugt (Schritt b)), aus der die Eigenschaften der Beschichtung an den verschiedenen Stellen der Oberfläche erkannt werden können (Schritt c)). Die Darstellung wird aus einer Vielzahl von Bild-Pixeln (nicht zu verwechseln mit Pixeln des Sensors) zusammengesetzt, wobei jeder Bild-Pixel einem Punkt auf der Oberfläche zugeordnet wird und einen Wert widergibt, der einer Beschichtungseigenschaft des jeweiligen Punktes auf der Oberfläche entspricht. Die Auflösung zweier solcher Bild-Pixel ist durch die Ausdehnung des Detektionsstrahls begrenzt, kann jedoch durch die Anzahl der Messungen pro Weg beliebig hoch gesampelt werden. Dieser charakteristische Wert wird mit Schritt a) für jeden der Punkte einzeln bestimmt. Das bedeutet, dass die Schritte a1) bis a3) jeweils für jeden Punkt durchgeführt werden. Schritt b) kann nach Abschluss von Schritt a) durchgeführt werden. Alternativ kann die Darstellung auch insoweit schrittweise erzeugt werden, als dass beispielsweise jedes Bild-Pixel der Darstellung hinzugefügt wird, sobald es verfügbar ist. Schritt c) wird vorzugsweise nach Abschluss von Schritt b) durchgeführt.
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Zur Bestimmung der einzelnen charakteristischen Werte wird zunächst in Schritt a1) ein Detektionsstrahl auf die Oberfläche ausgesendet. Das erfolgt vorzugsweise mit einer Strahlungsquelle. Bei der Strahlungsquelle handelt es sich vorzugsweise um einen Laser. Die Wellenlänge des Detektionsstrahls liegt vorzugsweise im sichtbaren Bereich, insbesondere im Bereich zwischen 400 und 780 Nanometern.
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Sobald der Detektionsstrahl auf die Oberfläche auftrifft, wird insbesondere eine Streuung erzeugt. Diese wird in Schritt a2) mit dem Sensor erfasst. Bei dem Sensor handelt es sich vorzugsweise um mindestens eine Fotodiode oder einen CCD- oder einen CMOS-Chip. Vorzugsweise ist vor dem Sensor ein Objektiv angeordnet, mit dem der jeweils auf der Oberfläche betrachtete Punkt fokussiert wird.
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Der Sensor ist vorzugsweise in einer ersten Richtung gegenüber der Strahlungsquelle unter einem Winkel angeordnet. Das bedeutet, dass der von der Strahlungsquelle auf die Oberfläche auftreffende Detektionsstrahl und ein Schwerpunkt der von dem Sensor erfassten Streuung des Detektionsstrahls bei Betrachtung entlang der ersten Richtung unter einem Winkel zueinander stehen. Es wird also die Streuung mit dem Sensor erfasst, die von dem jeweils vom Detektionsstrahl getroffenen Punkt auf der Oberfläche ausgehend nach oben und in die erste Richtung (oder entgegen der ersten Richtung) ausgeht.
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Der Sensor hat die Eigenschaft, Licht örtlich aufgelöst zu detektieren. Das ist dadurch realisiert, dass der Sensor die Vielzahl der Auswertefenster aufweist. Die Auswertefenster sind derart angeordnet, dass eine Auflösung der Streuung in der ersten Richtung möglich ist. Das bedeutet, dass Streulicht, das von verschiedenen in der ersten Richtung nebeneinander liegenden Stellen der Oberfläche ausgeht, durch verschiedene Auswertefenster erfasst werden kann. Das gilt jedenfalls dann, wenn diese Stellen auf der Oberfläche in der ersten Richtung hinreichend weit auseinander liegen. Ist der Sensor unter einem kleinen Winkel zur Strahlungsquelle angeordnet, liegen die Auswertefenster nahezu in der ersten Richtung nebeneinander. Die mit dem vorliegenden Verfahren betrachteten Punkte auf der Oberfläche sind nicht als Punkt im geometrischen Sinne, also mit Ausdehnung null, zu verstehen. Vielmehr sind die Punkte auf der Oberfläche ausgedehnte Bereiche auf der Oberfläche, die jeweils einem Bild-Pixel in der mit dem beschriebenen Verfahren erzeugten Darstellung entsprechen.
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Ein Auswertefenster kann jeweils einem Pixel des Sensors oder einer Gruppe von Pixeln des Sensors entsprechen. Es ist auch möglich, dass eine nicht-ganzzahlige Anzahl von Pixeln zu einem Auswertefenster zusammengefasst ist. Das ist beispielsweise möglich, indem der Messwert eines Pixels am Rand eines Auswertefensters nur anteilig dem Messwert dieses Auswertefensters zugerechnet wird.
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Der Detektionsstrahl kann als Punktstrahl ausgebildet sein. Bevorzugt ist aber, dass der Detektionsstrahl in einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung steht, linienartig aufgeweitet ist. Das bedeutet, dass der Detektionsstrahl als eine entlang der zweiten Richtung ausgebildeten Linie auf die Oberfläche auftrifft. Insbesondere in dem Fall ist es bevorzugt, dass der Sensor auch eine Auflösung in der zweiten Richtung ermöglicht. Dazu ist vorzugsweise eine Vielzahl von Auswertefenstern in der zweiten Richtung nebeneinander angeordnet. Insbesondere können die Auswertefenster als ein array aus Zeilen (schräg entlang der ersten Richtung) und Spalten (entlang der zweiten Richtung) angeordnet sein. Dabei wird mit den Auswertefenstern, die in der zweiten Richtung an der gleichen Position angeordnet sind, also mit einer Spalte, jeweils ein anderer Punkt auf der Oberfläche erfasst. Insoweit können die Schritte a1) bis a3) für eine Mehrzahl von auf der Oberfläche in der zweiten Richtung nebeneinander liegenden Punkten gleichzeitig durchgeführt werden. Dadurch kann das Verfahren beschleunigt werden.
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Mit dem Sensor wird für jeden Punkt auf der Oberfläche ein jeweiliger Messwert für jedes der zur gleichen Spalte gehörenden Auswertefenster erfasst. Bei den Messwerten handelt es sich vorzugsweise um eine jeweilige Lichtintensität. Dabei wird vorzugsweise nicht nach verschiedenen Farben unterschieden, so dass die Gesamtlichtintensität betrachtet wird. Alternativ ist es aber auch bevorzugt, dass die einzelnen Messwerte die Lichtintensität nur einer bestimmten Farbe wiedergeben.
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Für jeden der Punkte auf der Oberfläche wird gemäß Schritt a2) eine Verteilung der Messwerte über die verschiedenen Auswertefenster einer Spalte erhalten. Aus diesen Verteilungen wird in Schritt a3) vorzugsweise jeweils der charakteristische Wert des betrachteten Punktes gebildet. Sofern der Sensor nur eine Auflösung in der ersten Richtung ermöglicht, erfolgt dies vorzugsweise durch Summenbildung, indem die Messwerte eines Teils der Auswertefenster oder aller Auswertefenster aufaddiert werden. Sofern der Sensor eine Auflösung in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung ermöglicht, also aus Spalten und Zeilen aufgebaut ist, erfolgt dies vorzugsweise durch Summenbildungen, indem jeweils die Messwerte eines Teils der Auswertefenster einer Spalte oder aller Auswertefenster einer Spalte aufaddiert werden. Es ist also bevorzugt, dass in Schritt a3) der jeweilige charakteristische Werte als eine Summe der Messwerte zumindest eines Teils der Auswertefenster gebildet wird, die in der zur ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung an der gleichen Position angeordnet sind. Das sind die Auswertefenster der gleichen Spalte, die zusammen die Auflösung in der ersten Richtung ermöglichen.
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Der Messwert eines Auswertefensters ist beispielsweise die Lichtintensität, die mit dem Pixel beziehungsweise mit den mehreren Pixeln eines Auswertefensters gemessen wurde. Die Summenbildung kann auch als Lichtmassenmessung oder Lichtmassenintegration bezeichnet werden. Bei der Summenbildung kann der Anteil einzelner Auswertefenster gewichtet werden.
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Vorzugsweise wird die Oberfläche zeilenweise mit dem Detektionsstrahl abgetastet. Das bedeutet, dass der Detektionsstrahl in Schritt a1) derart über die Oberfläche bewegt wird, dass dieser zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen Punkten auf der Oberfläche auftrifft, wobei die Bewegung des Detektionsstrahl vorzugsweise geradlinig verläuft und für eine Vielzahl von derartigen nebeneinanderliegenden und parallel zueinander verlaufenden Linien, den Abtastzeilen (die nicht mit den Sensor-Zeilen zu verwechseln sind), wiederholt wird, sodass der gesamte zu erfassende Bereich der Oberfläche abgedeckt wird. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Detektionsstrahl entlang der ersten Richtung über die Oberfläche bewegt wird. Insoweit kann die Oberfläche linienweise (mit einem punktförmig ausgebildeten Detektionsstrahl und einem Sensor mit Auswertefenstern in einer Spalte) beziehungsweise streifenweise (mit einem linienförmig entlang der zweiten Richtung aufgeweiteten Detektionsstrahl und einem Sensor mit Auswertefenstern, die in mehreren Spalten entlang der zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind) abgetastet werden. Während dieser Bewegung wird vorzugsweise in diskreten Zeitabständen eine jeweilige Messung gemäß den Schritten a2) und a3) durchgeführt. Für jeden der Punkte auf der Oberfläche wird eine jeweilige derartige Messung durchgeführt. Die Anordnung der so betrachteten Punkte auf der Oberfläche ergibt sich aus den geometrischen Abständen der abgetasteten Abtastzeilen auf der Oberfläche sowie aus den zeitlichen Abständen der einzelnen Messungen. Somit kann die Beschichtung auf der Oberfläche durch das beschriebene Verfahren derart diskret erfasst werden, dass zu den diskreten Punkten auf der Oberfläche jeweils eine Messung gemäß den Schritten a2) und a3) durchgeführt wird.
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Der Detektionsstrahl wird vorzugsweise durch Bewegung der Strahlungsquelle relativ zur Oberfläche bewegt. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass sich der Winkel zwischen Oberfläche und Detektionsstrahl nicht verändert. Besonders bevorzugt ist es, dass die Strahlungsquelle oberhalb der horizontal orientierten Oberfläche angeordnet ist und dass der Detektionsstrahl von der Strahlungsquelle vertikal nach unten auf die Oberfläche ausgesendet wird. Der Detektionsstrahl kann dadurch insbesondere bei einer planen Oberfläche senkrecht auf die Oberfläche auftreffen. Bei einer gekrümmten Oberfläche kann der Detektionsstrahl beispielsweise in einem mittleren Bereich der Oberfläche senkrecht auf die Oberfläche auftreffen, während der Detektionsstrahl in Randbereichen der Oberfläche unter einer kleinen Abweichung von einem senkrechten Einfall auf die Oberfläche auftrifft.
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Eine derartige Orientierung des Detektionsstrahls kann die Erfassung der Streuung erleichtern und die Auswertung vereinfachen. Insbesondere können Effekte vernachlässigt werden, die sich durch einen schrägen Einfall des Detektionsstrahls auf die Oberfläche ergeben würden.
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Vorzugsweise wird der Sensor gleichlaufend zur Strahlungsquelle bewegt, so dass der Sensor und die Strahlungsquelle relativ zueinander unveränderlich angeordnet sind. Insbesondere können der Sensor und die Strahlungsquelle unmittelbar oder mittelbar starr miteinander verbunden sein.
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Der Sensor und die Strahlungsquelle sind vorzugsweise Teil einer Vorrichtung zur Erfassung der Beschichtung auf der Oberfläche. In dem Fall ist es bevorzugt, dass die gesamte Vorrichtung relativ zu der Oberfläche bewegt wird, wobei die Anordnung der Komponenten der Vorrichtung relativ zueinander unveränderlich ist und/oder der Winkel, unter dem der Detektionsstrahl ausgesendet wird, unveränderlich ist. Vorzugsweise wird die relative Bewegung zwischen Vorrichtung und Oberfläche dadurch realisiert, dass die Vorrichtung bewegt wird, während sich die Oberfläche in Ruhe befindet. Das ist sinnvoll, weil die Bewegung sehr präzise sein bzw. genau bekannt sein muss und es sich deshalb anbietet diese hohe Anforderung in das Messgerät zu integrieren, anstatt es der Verantwortung des Benutzers bei der Messobjekt-Bewegung zu überlassen (die typischerweise deutlich niedrigere Anforderungen an die Präzision des Bewegungsablaufs hat).
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Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise mit einem Paar von Strahlungsquelle und Sensor durchgeführt. Es ist aber auch möglich, dass mehrere Paare aus Strahlungsquelle und Sensor und somit mehrere Detektionsstrahlen verwendet werden. So kann die Oberfläche mit den mehreren Detektionsstrahlen parallel und entsprechend schneller abgetastet werden.
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Die erhaltene Darstellung zeigt die charakteristischen Werte vorzugsweise in Form von Graustufen, wobei die Helligkeit eines Pixels, also dessen Grauwert, dem charakteristischen Wert des entsprechenden Punktes auf der Oberfläche entspricht. Die Darstellung kann entsprechend auch als Graubild bezeichnet werden. Vorzugsweise wird die Darstellung mit Mitteln der digitalen Datenverarbeitung, insbesondere mit einem Computer, erzeugt. Einem Benutzer kann die Darstellung beispielsweise über einen Monitor angezeigt werden und/oder als Ausdruck bereitgestellt werden. Vorzugsweise wird die Darstellung in Form einer digitalen Datei, insbesondere in Form einer digitalen Bilddatei, ausgegeben.
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Es ist bevorzugt, dass in der Darstellung die Anordnung der Pixel der Anordnung der jeweils entsprechenden Punkte auf der Oberfläche entspricht. Das bedeutet, dass die Darstellung vorzugsweise ein geometrisch kongruentes Abbild der Oberfläche ist, wobei die Helligkeitsverteilung in der Darstellung nicht der augenscheinlichen Helligkeitsverteilung entspricht, sondern stattdessen die Verteilung der Beschichtungseigenschaft wiedergibt. Ein Benutzer kann also leicht eine geometrische Zuordnung der Darstellung zur realen Oberfläche vornehmen.
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Die Auflösung der Darstellung liegt vorzugsweise im Bereich von 50 bis 500 Pixeln pro cm, insbesondere im Bereich von 100 bis 200 Pixeln pro cm. Es hat sich gezeigt, dass mit einer derartigen Auflösung ein für viele Anwendungen brauchbarer Kompromiss zwischen Messaufwand und Dateigröße einerseits und Genauigkeit der Darstellung andererseits erzielt werden kann. Für viele Anwendungen ist aber auch eine deutlich niedrigere Auflösung ausreichend. So ist es in einer Ausführungsform bevorzugt, dass die Auflösung der Darstellung im Bereich von 30 bis 50 Pixeln pro cm liegt. Bei einer derartigen Auflösung kann ein Betrachter die einzelnen Pixel zwar erkennen, sodass das Bild pixelig erscheint. Das ist aber zur Beurteilung der Beschichtung in vielen Anwendungsfällen hinnehmbar.
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Bevorzugt ist, dass die Darstellung derart erzeugt wird, dass alle charakteristischen Werte in einem vorgegebenen Wertebereich, beispielsweise von 0 bis 1, liegen und diesen vollständig ausnutzen. Dadurch kann ein verfügbarer Dynamikumfang bestmöglich ausgenutzt werden. So kann beispielsweise das Pixel der Darstellung mit dem kleinsten charakteristischen Wert schwarz dargestellt und das Pixel mit dem größten charakteristischen Wert weiß dargestellt werden. Dadurch erhält die Darstellung einen besonders guten Kontrast, der dem Benutzer die Unterscheidung verschiedener Bereiche erleichtert.
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Die Beschichtungseigenschaft in Schritt c) wird vorzugsweise durch Vergleich mit verschiedenen Vergleichsdarstellungen bestimmt. Die Vergleichsdarstellungen können insbesondere vor Durchführung des geschriebenen Verfahrens erhalten werden, indem zu Oberflächen mit bekannten Beschichtungen nach den Schritten a) und b) des beschriebenen Verfahrens die Vergleichsdarstellungen erzeugt werden. Die Beschichtungen können dabei insbesondere als konstruktive Sollwerte oder insoweit bekannt sein, als dass diese mit einem Referenzverfahren, das insbesondere aufwendiger sein kann als das beschriebene Verfahren, zu Kalibrierungszwecken vermessen wurden. Die Vergleichsdarstellungen müssen nicht in dem Sinne präsent sein, als dass diese beispielsweise neben die gemäß Schritt c) erhaltene Darstellung gelegt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die gemäß Schritt a3) erhaltenen charakteristischen Werte normiert.
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Die Normierung erfolgt vorzugsweise in Schritt b), nachdem alle charakteristischen Werte gemäß Schritt a3) gebildet wurden. In dem Fall kann die Normierung mittels eines Normierungswertes durchgeführt werden, der unter Berücksichtigung aller charakteristischen Werte gebildet wird.
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Alternativ ist es bevorzugt, dass die Normierung jeweils einzeln in Schritt a3) mit einem zuvor festgelegten Normierungswert erfolgt.
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Die Normierung erfolgt vorzugsweise derart, dass eine Darstellung mit einem gewünschten Wertebereich und/oder mit einem gewünschten Kontrast erhalten wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt a3) ein jeweiliger Schwerpunk der Messwerte bestimmt, wobei beim Bilden des jeweiligen charakteristischen Wertes zumindest die Messwerte in einem Integrationsbereich um den Schwerpunkt berücksichtigt werden.
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Die Streuung von Licht kann an der Oberfläche insbesondere derart erfolgen, dass die Verteilung der Messwerte über die verschiedenen Auswertefenster einer Spalte einen oder mehrere eng begrenzte Peaks aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Schwerpunkt der Streuung bestimmt. Sofern ein Sensor mit mehreren in der zweiten Richtung nebeneinander liegenden Spalten von Auswertefenstern verwendet wird, erfolgt vorzugsweise für jede der Spalten eine jeweilige Schwerpunktbildung.
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Die Summenbildung in Schritt a3) erfolgt in der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise in dem Integrationsbereich, der um den jeweiligen Schwerpunkt herum ausgebildet ist. Der Integrationsbereich ist eine Gruppe von nebeneinander liegenden Auswertefenstern einer Spalte.
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Durch die Einschränkung der Summenbildung auf den Integrationsbereich können Messfehler reduziert werden, indem Randeffekte außer Acht gelassen werden, die außerhalb des Integrationsbereiches auftreten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Integrationsbereich symmetrisch um den jeweilige Schwerpunkt ausgebildet und umfasst 30 bis 50 % der Auswertefenster, die zur Auflösung entlang der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind, also der Auswertefenster einer Spalte.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Beschränkung des Integrationsbereichs gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen für viele Anwendungsfälle sinnvollen Kompromiss zwischen Messgenauigkeit und Ausschluss von Randeffekten darstellt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt a) für die Vielzahl von Punkten auf der Oberfläche weiterhin ein jeweiliger Höhenwert bestimmt.
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Durch das Aussenden des Detektionsstrahls (Schritt a1)) und das Erfassen von durch diesen erzeugten Streulichts (Schritt a2)) kann neben der Beschichtungseigenschaft auch der Höhenwert des jeweiligen Punktes auf der Oberfläche bestimmt werden. Bei dem Höhenwert handelt es sich um ein Maß für eine Position des oberen Randes der Oberfläche in vertikaler Richtung, wobei die vertikale Richtung insbesondere senkrecht auf der Oberfläche stehen kann. Wird der Detektionsstrahl von der Strahlungsquelle vertikal nach unten ausgesendet, ist der Höhenwert ein Maß für einen Abstand zwischen der Strahlungsquelle und der Oberfläche. Die Bestimmung des Höhenwertes kann insbesondere nach Art der Laser-Triangulation erfasst werden. Dabei werden die oben bereits beschriebenen Schwerpunkte der Messwerte genutzt. Anhand einer Kalibrierung kann aus dem Schwerpunkt ein jeweiliger Höhenwert ermittelt werden. Die entsprechende Vermessung der Oberfläche kann auch als Geometriemessung bezeichnet werden.
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Die Bestimmung des Höhenwertes kann dazu genutzt werden, ein Höhenprofil der Oberfläche zu erstellen. Ein solches wird für viele Anwendungsfälle neben der Kenntnis der Beschichtung benötigt. Durch das beschriebene Verfahren können diese beiden Messungen kombiniert werden, so dass ein Synergie-Effekt genutzt werden kann. Auch kann durch die Messung des Höhenwertes die Tiefe der Beschichtung im Messgut beziehungsweise die Seite der Scheiben in einer Windschutzscheibe identifiziert werden.
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Mit dem beschriebenen Verfahren können auch derart dünne Beschichtungen gemessen werden, deren geometrische Ausdehnung im Rahmen der Messung eines Höhenprofils vernachlässigbar klein ist. Im Rahmen des beschriebenen Verfahrens kann eine Schichtdicke einer Beschichtung im Rahmen des beschriebenen Verfahrens anhand der Darstellung gemäß Schritt c) bestimmt werden, während die Schichtdicke bei der Bestimmung des Höhenwertes ohne Bedeutung ist. Derartige Schichtdicken liegen beispielsweise im Nanometerbereich.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst die gemäß Schritt c) bestimmte Beschichtungseigenschaft zumindest eine der folgenden Eigenschaften:
- - eine Beschichtungsdicke,
- - eine Beschichtungsart,
- - ein Beschichtungsmaterial,
- - ein Maß für Anomalien.
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Bei der Beschichtungsdicke handelt es sich um die geometrische Ausdehnung der Schicht senkrecht zur Oberfläche. Durch die Beschichtungsart kann beispielsweise angegeben sein, durch welches Beschichtungsverfahren die Beschichtung erhalten wurde. Als Maß für Anomalien kommt beispielsweise eine Anzahl, Größe und/oder Dichte von Löchern in der Beschichtung in Betracht.
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Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zur Erfassung einer Beschichtung auf einer Oberfläche mittels dem beschriebenen Verfahren vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:
- - eine Strahlungsquelle zum Aussenden eines Detektionsstrahls auf die Oberfläche gemäß Schritt a1),
- - einen Sensor zum Erfassen einer an der Oberfläche erzeugten Streuung des gemäß Schritt a1) ausgesandten Detektionsstrahls gemäß Schritt a2), wobei der Sensor eine Vielzahl von Auswertefenstern aufweist, die derart nebeneinander angeordnet sind, dass eine Auflösung der Streuung in einer ersten Richtung möglich ist,
- - eine Auswerteeinheit, die zur Durchführung der Schritte a3), b) und c) bestimmt und eingerichtet ist.
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Die weiter oben beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfahrens sind auf die beschriebene Vorrichtung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
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Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise als ein Computer ausgebildet. Die Schritte a3), b) und c) des beschriebenen Verfahrens werden vorzugsweise mit einem Computerprogramm durchgeführt, das auf der Auswerteeinheit installiert ist.
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Als ein weiterer Aspekt wird eine Auswerteeinheit vorgestellt, die zur Durchführung der Schritte a3), b) und c) des beschriebenen Verfahrens bestimmt und eingerichtet ist. Zudem wird ein Computerprogramm vorgestellt, das zur Durchführung der Schritte a3), b) und c) des beschriebenen Verfahrens bestimmt und eingerichtet ist. Außerdem wird ein maschinenlesbares Speichermedium vorgestellt, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.
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Die weiter oben beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfahrens und der Vorrichtung sind auf die beschriebene Auswerteeinheit, das beschriebene Computerprogramm und das beschriebene maschinenlesbare Speichermedium anwendbar und übertragbar.
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Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen schematisch:
- 1: ein Verfahren zur Erfassung einer Beschichtung auf einer Oberfläche,
- 2: eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus 1 zusammen mit der Oberfläche,
- 3: eine Verteilung von Messwerten aus dem Verfahren nach 1,
- 4: eine Draufsicht auf die Vorrichtung und die Oberfläche aus 2,
- 5: eine durch das beschriebene Verfahren erhalten Darstellung der Oberfläche aus 2 und 4.
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1 zeigt ein Verfahren zur Erfassung einer (in den 2 und 4 gezeigten) Beschichtung 3 auf einer Oberfläche 2 einer Windschutzscheibe 13 für ein Kraftfahrzeug. Die im Folgenden verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf die folgenden 2 bis 5.
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Das Verfahren umfasst als Schritt a) das Bestimmen eines jeweiligen charakteristischen Wertes für eine Vielzahl von Punkten auf der Oberfläche 2. Dazu werden für jeden der Punkte jeweils die Schritte a1) bis a3) durchgeführt. Das ist in 1 für den zuerst betrachteten Punkt und für den zuletzt betrachteten Punkt gezeigt und für die dazwischen liegenden Punkte nur durch „...“ angedeutet. In Schritt a1) wird ein Detektionsstrahl 5 auf die Oberfläche 2 ausgesendet, insbesondere durch einen Laser als Strahlungsquelle 4. Das ist in 2 zu erkennen.
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In Schritt a2) wird eine an der Oberfläche 2 erzeugte Streuung des gemäß Schritt a1) ausgesandten Detektionsstrahls 5 mittels eines Sensors 6 erfasst. Der Sensor 6 weist eine Vielzahl von Auswertefenstern n auf, die derart angeordnet sind, dass eine Auflösung der Streuung in einer ersten Richtung 15 möglich ist. Dazu ist der Sensor 6 in der ersten Richtung 15 unter einem Winkel 7 zum Detektionsstrahl 5 angeordnet. Weiterhin sind eine zweite Richtung 16 und eine dritte Richtung 17 eingezeichnet. Die drei Richtungen 15, 16 und 17 stehen jeweils paarweise senkrecht zueinander. Mit jedem der Auswertefenster n wird ein jeweiliger Messwert I erfasst. Vor dem Sensor 6 ist ein Objektiv 18 angeordnet, über das das Streulicht auf den Sensor 6 fokussiert werden kann.
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Die Messwerte I der einzelnen Auswertefenster n sind in 3 für einen der Punkte auf der Oberfläche 2 gezeigt. In Schritt a3) wird der jeweilige charakteristische Wert als eine Summe der Messwerte I zumindest eines Teils der Auswertefenster n gebildet. Dabei wird ein jeweiliger Schwerpunkt nSP der Messwerte I bestimmt. Beim Bilden des jeweiligen charakteristischen Wertes werden zumindest die Messwerte I in einem Integrationsbereich 11 um den jeweiligen Schwerpunkt nSP berücksichtigt. Der Integrationsbereich 11 ist symmetrisch um den jeweiligen Schwerpunkt nSP ausgebildet und umfasst 30 bis 50 % der Auswertefenster n einer Spalte des Sensors. Das ist in 3 gezeigt.
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Weiterhin wird in Schritt a) für die Vielzahl von Punkten auf der Oberfläche 2 ein jeweiliger Höhenwert h bestimmt, der in 2 zu erkennen ist.
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Nachdem Schritt a) durchgeführt wurde, wird in Schritt b) aus den gemäß Schritt a) erhaltenen charakteristischen Werten eine Darstellung 8 der Oberfläche 2 erstellt. Dazu werden die in Schritt a) erhaltenen charakteristischen Werte zunächst normiert. Die Darstellung 8 ist in 5 gezeigt.
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In Schritt c) wird der anhand der gemäß Schritt b) erhaltenen Darstellung 8 bereichsweise eine jeweilige Beschichtungseigenschaft 9, 10 der Oberfläche 2 bestimmt. Diese umfasst zumindest eine der folgenden Eigenschaften:
- - eine Beschichtungsdicke,
- - eine Beschichtungsart,
- - ein Beschichtungsmaterial,
- - ein Maß für Anomalien.
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In 2 ist eine Vorrichtung 1 zur Erfassung der Beschichtung 3 auf der Oberfläche 2 mittels dem Verfahren aus 1 gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Laser als Strahlungsquelle 4 zum Aussenden eines Detektionsstrahls 5 auf die Oberfläche 2 gemäß Schritt a1). Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 einen Sensor 6 zum Erfassen einer an der Oberfläche 2 erzeugten Streuung des gemäß Schritt a1) ausgesandten Detektionsstrahls 5 gemäß Schritt a2). Der Sensor ist ausgebildet zum Erfassen einer an der Oberfläche 2 erzeugten Streuung des gemäß Schritt a1) ausgesandten Detektionsstrahls 5 gemäß Schritt a2). Der Sensor 6 weist eine Vielzahl von Auswertefenstern n auf, die derart nebeneinander angeordnet sind, dass eine Auflösung der Streuung in der ersten Richtung 15 möglich ist. Die Auswertefenster n sind derart angeordnet, dass diese in der Darstellung der 2 - abgesehen von der leichten Schrägstellung des Sensors 6 - in der ersten Richtung 15 nebeneinander angeordnet sind. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine Auswerteeinheit 12, die zur Durchführung der Schritte a3), b) und c) bestimmt und eingerichtet ist.
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Weiterhin ist in 2 ein Höhenwert h eingezeichnet, der ein Maß für einen Abstand zwischen der Oberfläche 2 und der Strahlungsquelle 4 ist. Unter einem derartigen „Maß“ ist ein Wert zu verstehen, der bis auf einen konstanten Offset dem Abstand zwischen der Oberfläche 2 und der Strahlungsquelle 4 entspricht.
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3 zeigt einen Plot der Messwerte I in beliebigen Einheiten („a.u.“) in Abhängigkeit der Auswertefenster n. Gezeigt ist die Messung für einen der Punkte auf der Oberfläche 2. Es sind also nur die Auswertefenster n einer Spalte des Sensors gezeigt. Es wird von einer derart großen Zahl von Auswertefenstern ausgegangen, dass die Darstellung quasi-kontinuierlich ist. Zu erkennen ist, dass die Messung einen eng begrenzten Peak umfasst. Der Integrationsbereich 11 umfasst die Auswertefenster nSP-k bis nSP+k, wobei k eine ganze Zahl ist, beispielsweise 25 % der Gesamtzahl der Auswertefenster N einer Spalte des Sensors. Der Integrationsbereich 11 ist entsprechend symmetrisch um den Schwerpunkt nSP ausgebildet. Der Peak entspricht einem maximalen Messwert Imax.
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4 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung 1 aus 1 mit der sich darunter befindlichen Oberfläche 2. Eingezeichnet sind die Strahlungsquelle 4 und der Sensor 6 der Vorrichtung 1. Der Detektionsstrahl 5, der hier nicht gezeigt ist, geht von der Strahlungsquelle 4 in die Zeichenebene hinein auf die Oberfläche 2. Auch die von der Oberfläche 2 ausgehende Streuung zum Sensor 6 ist hier der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Die Oberfläche 2 wird zeilenweise abgetastet. Dazu sind einige Abtastzeilen 14 eingezeichnet, entlang derer die Strahlungsquelle 4 zusammen mit der übrigen Vorrichtung 1 entlang der ersten Richtung 15 über die Oberfläche 2 bewegt wird. Durch eine größere Breite des Pfeils hervorgehoben ist die Abtastzeile 14, die in der gezeigten Darstellung gerade abgetastet wird. Die Ausrichtung und die Anzahl der Abtastzeilen 14 und der sich daraus ergebende Abstand der Abtastzeilen 14 ist hier nur beispielhaft gewählt. Insbesondere können sehr viel mehr und entsprechend enger liegende Abtastzeilen 14 verwendet werden. Nachdem eine Abtastzeile 14 abgetastet worden ist, wird die danebenliegende Abtastzeile 14 unter Umkehrung der Bewegungsrichtung der Vorrichtung 1 abgetastet. Es ist auch möglich, dass die Vorrichtung 1 alle Abtastzeilen 14 in der gleichen Richtung abtastet und nach jeder Abtastzeile 14 diese ohne Messung wieder zurückfährt. Auch ist es möglich, dass derart viele Paare von Sensoren 6 und Strahlungsquellen 4 verwendet werden und/oder dass der oder die Sensoren 6 derart viele Spalten von Auswertefenstern n aufweisen, dass mit einem beziehungsweise mehreren gegebenenfalls linienförmig entlang der zweiten Richtung 16 aufgeweiteten Detektionsstrahl(en) 5 die gesamte Oberfläche mit einer einzigen Bewegung der Vorrichtung 1 abgedeckt wird.
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In 2 zu erkennen ist, dass die Oberfläche 2 eine Beschichtung 3 aufweist. Dabei weist die Oberfläche wie in 4 und 5 dargestellt in einem Bereich eine erste Beschichtungseigenschaft 9 und im Übrigen eine zweite Beschichtungseigenschaft 10 auf. Das kann beispielsweise dadurch der Fall sein, dass im Bereich der ersten Beschichtungseigenschaft 9 eine zunächst aufgebrachte Beschichtung wieder entfernt wurde („Decoating“). Auch das Nichtvorliegen einer Beschichtung ist eine Beschichtungseigenschaft.
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In 5 ist die mit dem Verfahren gemäß 1 erhaltene Darstellung 8 für die Oberfläche aus 2 und 4 gezeigt. Zu erkennen sind die erste Beschichtungseigenschaft 9 und die zweite Beschichtungseigenschaft 10 durch hier beispielhaft gewählte unterschiedliche Schraffierungen. Die Verwendung verschiedener Schraffierungen ist zwar im Rahmen des beschriebenen Verfahrens möglich, bevorzugt ist allerdings die Darstellung in Graustufen. Auf die Darstellung in Graustufen wurde in 5 zur klareren Darstellung verzichtet.
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Mit dem beschriebenen Verfahren und mit der beschriebenen Vorrichtung 1 kann eine Beschichtung auf einer Oberfläche 2 insbesondere einer Windschutzscheibe 13 für ein Kraftfahrzeug besonders einfach erfasst werden. Insbesondere kann ein Synergie-Effekt mit einer Messung eines Höhenprofils der Oberfläche 2 nach Art der Laser-Triangulation genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Oberfläche
- 3
- Beschichtung
- 4
- Strahlungsquelle
- 5
- Detektionsstrahl
- 6
- Sensor
- 7
- Winkel
- 8
- Darstellung
- 9
- erste Beschichtungseigenschaft
- 10
- zweite Beschichtungseigenschaft
- 11
- Integrationsbereich
- 12
- Auswerteeinheit
- 13
- Windschutzscheibe
- 14
- Abtastzeile
- 15
- erste Richtung
- 16
- zweite Richtung
- 17
- dritte Richtung
- 18
- Objektiv
- n = 0... N
- Auswertefenster
- nSP
- Schwerpunkt
- I
- Messwert
- Imax
- maximaler Messwert
- h
- Höhenwert
