DE102019132712A1

DE102019132712A1 - System zur Vermessung von Messobjekten

Info

Publication number: DE102019132712A1
Application number: DE102019132712.1A
Authority: DE
Inventors: Reto Häring; Nina Mauser
Original assignee: Instrument Systems Optische Messtechnik GmbH
Current assignee: Instrument Systems GmbH
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2021-06-02
Also published as: WO2021110671A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur farbmetrischen und/oder fotometrischen Vermessung von der Oberfläche eines Messobjektes (2, 2.1) abgestrahlten Lichts, mit einem bildgebenden Kolorimeter (1), in dessen Sichtfeld sich das Messobjekt (2, 2.1) befindet, wobei das Kolorimeter (1) auf einem ersten Teilabschnitt der durch den Bildsensor des Kolorimeters (1) gebildeten Bildfläche eine erste Ansicht des Messobjektes (2, 2.1) aus einer ersten Perspektive abbildet. Es ist Aufgabe der Erfindung, simultane Messungen aus verschiedenen Perspektiven sowie Messungen dreidimensional geformter Messobjektoberflächen zu ermöglichen, ohne dabei mehrere Kolorimeter zu benötigen oder mehrere Messschritte nacheinander ausführen zu müssen. Hierzu schlägt die Erfindung vor, dass eine oder mehrere im Sichtfeld des Kolorimeters (1) angeordnete Umlenkoptiken (3, 4, 5) auf zumindest einem zweiten Teilabschnitt der Bildfläche zumindest eine zweite Ansicht des Messobjektes (2, 2.1) aus einer zweiten Perspektive abbilden. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur farbmetrischen und/oder fotometrischen Vermessung eines Messobjektes (2, 2.1) unter Verwendung eines solchen Systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur farbmetrischen und/oder fotometrischen Vermessung von der Oberfläche eines Messobjektes abgestrahlten Lichts, mit einem bildgebenden Kolorimeter, in dessen Sichtfeld sich das Messobjekt befindet, wobei das Kolorimeter auf einem ersten Teilabschnitt der durch den Bildsensor des Kolorimeters gebildeten Bildfläche eine erste Ansicht des Messobjektes aus einer ersten Perspektive abbildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur farbmetrischen und/oder fotometrischen Vermessung eines Messobjektes.
Solche Systeme sind bekannt und dienen in der Regel der Qualitätsüberprüfung von unterschiedlichen Messobjekten, insbesondere von TV-, Smartphone- und Tablet-Displays. Das Kolorimeter ist typischerweise vertikal auf die Displayfläche gerichtet, so dass die Sensorfläche des Bildsensors des Kolorimeters in einer zur Displayfläche parallelen Ebene liegt. Diese Anordnung sorgt bei der Vermessung von zweidimensionalen Displays für hohe Präzision und geringe Messzeiten.
Allerdings hat eine solches System auch Nachteile und Begrenzungen. Zum einen kommen heutzutage immer häufiger an den seitlichen Rändern oder auch insgesamt gekrümmte oder gewölbte Displays zum Einsatz. Die gekrümmten Flächen können aber nicht oder nur unzureichend durch das zweidimensional bildgebende Kolorimeter erfasst werden, weil die Abstrahlrichtung in den entsprechenden Oberflächenbereichen des Displays stark von der Blickrichtung des Kolorimeters abweicht. Zum anderen ist es mit einem einzigen Kolorimeter nicht möglich, gleichzeitig Messungen aus verschiedenen Perspektiven durchzuführen, was aber bei der Qualitätsüberprüfung bei der Herstellung von Displays erforderlich sein kann, wenn es darum geht, z.B. die Abhängigkeit von farb- und fotometrischen Größen vom Abstrahlwinkel, d.h. von der Blickrichtung auf das Display zu bestimmen.
Beide genannten Nachteile ließen sich beispielsweise durch den Einsatz mehrerer gleichzeitig ein Messobjekt vermessender Kolorimeter beheben. Allerdings wäre eine solche Lösung mit höheren Kosten verbunden und daher unwirtschaftlich.
Eine weitere Möglichkeit, die beschriebenen Nachteile zu beheben, besteht darin, mehrere Messschritte zeitlich hintereinander durchzuführen. Zwischen den einzelnen Messschritten werden dabei das Kolorimeter und das Messobjekt relativ zueinander bewegt, um auf diese Weise z.B. auch die Bereiche der gekrümmten Seitenränder eines Displays zu erfassen oder unterschiedliche Blickwinkel zu simulieren. Dieser Ansatz ist aufwendig, zeitintensiv und damit ebenfalls unwirtschaftlich.
Bisher werden die beschriebenen Nachteile bei der Qualitätskontrolle von Displays häufig hingenommen. Auf eine Kontrolle der gekrümmten Displayränder wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit verzichtet, mit entsprechenden negativen Auswirkungen auf die Produktqualität.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein System der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass simultane Messungen aus verschiedenen Perspektiven sowie Messungen dreidimensional geformter Messobjektoberflächen möglich sind, ohne dabei mehrere Kolorimeter zu benötigen oder mehrere Messschritte nacheinander ausführen zu müssen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einem System der eingangs genannten Art vor, dass eine oder mehrere im Sichtfeld des Kolorimeters angeordnete Umlenkoptiken auf zumindest einem zweiten Teilabschnitt der Bildfläche zumindest eine zweite Ansicht des Messobjektes aus einer zweiten Perspektive abbilden.
Unter einer Ansicht des Messobjektes ist im Sinne der Erfindung eine vollständige Ansicht oder auch nur eine Teilansicht, d.h. eine nur einen Ausschnitt des Messobjektes zeigende Ansicht zu verstehen.
Bei der Anordnung der jeweiligen Umlenkoptik können somit die Form des Messobjektes und insbesondere eventuelle dreidimensionale Ausprägungen berücksichtigt werden. Diejenigen Oberflächenbereiche des Messobjektes, die nicht oder nur unzureichend direkt von dem Kolorimeter erfasst werden können, werden über die Umlenkoptik auf dem zweiten Teilabschnitt der Bildfläche abgebildet. Des Weiteren ist es möglich, mittels der Umlenkoptik in dem zweiten Teilabschnitt unterschiedliche Perspektiven, d.h. Ansichten aus unterschiedlichen Blickrichtungen in der Ebene der Bildfläche zu erzeugen.
Somit ist es mit dem erfindungsgemäßen System möglich, eine Vermessung von Messobjekten mit zwei- oder dreidimensionalen Oberflächenstrukturen aus unterschiedlichen Perspektiven mit nur einem Kolorimeter in nur einem Messschritt simultan durchzuführen.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße System, wenn das Messobjekt ein Display ist, insbesondere ein TV-, Smartphone- oder Tablet-Display. Das Display wird zweckmäßiger Weise, wie auch bei herkömmlichen Systemen, so angeordnet, dass die Displayfläche parallel zur Ebene des Bildsensors des Kolorimeters liegt. Durch geeignete Anordnung einer oder mehrerer Umlenkoptiken können nun verschiedene Perspektiven hinsichtlich der Entfernung und/oder des Blickwinkels auf das Display in nur einer Messung durch das Kolorimeter überprüft werden.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist das Display mindestens an einem Seitenrand eine Krümmung auf, wobei eine dem jeweiligen Seitenrand zugeordnete, d.h. an die Krümmung angepasste Umlenkoptik vorgesehen ist. Die Anpassung erfolgt somit für eine bestimmte Displaygeometrie und ist somit geeignet, in der Qualitätssicherung bei Massenprodukten für den entsprechenden Displaytyp optimal eingesetzt zu werden. Die Anzahl und Ausprägung der Umlenkoptiken, d.h. der Grad der Anpassung an die Geometrie des Messobjekte, hängt von den Anforderungen an die Qualität der Vermessung ab.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Umlenkoptik mindestens teilweise als reflektive Optik, insbesondere als (z.B. rechtwinkliges) Umlenkprisma ausgeführt ist. Reflektive Optiken können besonders einfach als Umlenkoptik dienen und auch miteinander kombiniert werden. Hierbei sind Spiegel und standardisierte Umlenkprismen besonders wirtschaftlich, aufgrund ihrer einfachen Geometrie. Die Feinjustierung und Korrektur können über die Positionierung der reflektiven Optik relativ zum Messobjekt durchgeführt werden. Es können auch Spezialprismen genutzt werden.
Eine alternative oder zusätzliche Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Umlenkoptik mindestens teilweise mittels einer Faseroptik ausgeführt ist. Mit dieser flexiblen Lösung ist eine Betrachtung aus vielen Perspektiven möglich. So kann zum Beispiel erreicht werden, dass bei einer gekrümmten Oberfläche die Perspektiven immer senkrecht zur Oberfläche orientiert sind.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Umlenkoptik an tragenden Rahmen fixierbar, verschiebbar und/oder verdrehbar angeordnet ist. Durch die flexible Anordnung kann die Umlenkoptik auf die Messanforderung einjustiert werden. Zum Beispiel kann die Optik so justiert werden, dass das Display in allen Perspektiven gleichzeitig in der Fokusebene des Kolorimeters liegt. Als weiteres Beispiel kann der Betrachtungswinkel der weiteren Perspektiven auf die Messanforderungen abgestimmt werden (z.B. auf definierte 30°).
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Kolorimeter ein Spektralradiometer aufweist. Die exakten Daten der Spektrometer-Messung können als Referenz herangezogen werden, um aus den aufgenommenen Bilddaten (z.B. RGB-Bilddaten) farb- und/oder fotometrische Größen zu bestimmen. Ein geeignetes Kolorimeter mit Spektrometer ist z.B. in EP 3 054 273 A1 beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt unter Verwendung des zuvor beschriebenen Systems zunächst die Aufnahme von Bilddaten mittels des Kolorimeters. Die Bilddaten werden dann verarbeitet, wobei mittels eines Prozessors die Bilddaten der ersten und zweiten Teilabschnitte der Bildfläche anhand der bekannten Abbildungseigenschaften der Umlenkoptiken den zugehörigen Oberflächenbereichen, d.h. denjenigen Oberflächenbereichen des Messobjektes, die in den jeweiligen Teilabschnitten der Bildfläche abgebildet werden, zugeordnet werden. Mittels des Prozessors können aus den Bilddaten farb- und/oder fotometrische Größen für eine Mehrzahl von Positionen auf der Oberfläche des Messobjektes berechnet werden. Die ermittelten Größen werden automatisch den entsprechenden Positionen auf der Oberfläche, von wo aus die Lichtemission bei der Bildaufnahme erfolgte, zugeordnet. Auf diese Weise können z.B. im Rahmen der Qualitätssicherung aufgefundene Display-Fehler festgestellt, genau lokalisiert und interpretiert werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1: schematisch eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems in einer ersten Ausführungsform;
2: ein erfindungsgemäßes System in einer zweiten Ausführungsform;
3: ein erfindungsgemäßes System in einer dritten Ausführungsform;
4: ein erfindungsgemäßes System in einer vierten Ausführungsform;
5: ein erfindungsgemäßes System in einer fünften Ausführungsform;
6: ein erfindungsgemäßes System in einer sechsten Ausführungsform;
7: ein erfindungsgemäßes System in einer siebten Ausführungsform.

In dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist ein bildgebendes Kolorimeter mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das Kolorimeter 1 verfügt über einen Bildsensor und eine integrierte Optik (nicht dargestellt). In dem Kolorimeter 1 ist ein Prozessor zur Datenverarbeitung integriert. In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann der Prozessor aber auch außerhalb des Kolorimeters 1 angeordnet sein und über eine Datenschnittstelle mit dem Kolorimeter 1 kommunizieren. Das Kolorimeter 1 ist auf ein in dessen Sichtfeld befindliches Messobjekt 2 gerichtet. Die integrierte Optik (Objektiv) des Kolorimeters 1 bildet eine erste Ansicht des Messobjektes 2, entsprechend der dargestellten ersten Perspektive, die sich aus der relativen Anordnung und Ausrichtung von Kolorimeter 1 und Messobjekt 2 ergibt, auf einen ersten Teilabschnitt der durch den Bildsensor des Kolorimeters 1 gebildeten Bildfläche ab. Dabei ist die Ebene des Bildsensors möglichst parallel zu der zu vermessenden Objektoberfläche 2a ausgerichtet.
Des Weiteren ist eine Umlenkoptik, in diesem Ausführungsbeispiel ein Prisma 3, dargestellt. Die Umlenkoptik befindet sich im Sichtfeld des Kolorimeters 1, so dass sie, zusammen mit der integrierten Optik, eine zweite Ansicht des Messobjektes 2 aus einer zweiten Perspektive, die sich aus der relativen Anordnung und Ausrichtung von Prisma 3 und Messobjekt 2 ergibt, auf einen zweiten Teilabschnitt der Bildfläche des Bildsensors abbildet.
Die unterschiedlichen Perspektiven sind durch die Richtungspfeile in 1 angedeutet. Die Objektoberfläche 2a wird, wie zuvor beschrieben, durch das Kolorimeter 1 direkt vermessen. Das durch die Direktvermessung (Kolorimeter 1 - Objektoberfläche 2a) erzielte Messergebnis dient zur farb- und fotometrischen Beurteilung der Lichtemission von der Objektoberfläche 2a aus in der senkrecht auf die Objektoberfläche 2a gerichteten ersten Perspektive.
Um die optischen Eigenschaften der Objektoberfläche 2a oder Teile davon auch aus Perspektiven unter anderen Winkeln und/oder Entfernungen vermessen zu können, ist erfindungsgemäß das Prisma 3 im System vorgesehen. Der Strahlengang wird durch das als Umlenkoptik fungierende Prisma 3 auf den Bildsensor des Kolorimeters 1 umgelenkt. Hierdurch ist es möglich, die farb- und fotometrischen Eigenschaften der Objektoberfläche 2a auch aus der anderen Perspektive zu beurteilen. Durch die Positionierung und Dimensionierung der Umlenkoptik sind hier die unterschiedlichsten Entfernungen und Neigungswinkel realisierbar. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ist somit, dass die Lichtmessungen an dem Messobjekt 2 aus mehreren Perspektiven simultan in nur einem einzigen Messvorgang durchgeführt werden können.
Erfindungsgemäße Systeme finden insbesondere zur Überprüfung der Lichtemissionseigenschaften des Displays eines TV-Gerätes, Smartphones oder Tablets zum Zwecke der Qualitätssicherung Anwendung. Bei neueren Smartphone- und Tablet-Modellen werden die Displays immer häufiger mit gekrümmten oder abgekanteten Seitenrändern ausgeführt. In dem in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist das Messobjekt 2 ein solches Smartphone 2.1 mit einem am Rand gekrümmten Display, so dass Lichtemission auch von der Displaykante aus zur Seite hin stattfindet. Die zu vermessende Objektoberfläche 2a, also das über die Kante gekrümmte Display, weist hier also im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel in 1 eine dreidimensionale Ausprägung auf. Um die optischen Eigenschaften der Objektoberfläche 2a auch an den gekrümmten Seitenrändern vermessen zu können, ist das Prisma 3 seitlich neben dem Smartphone 2.1 angeordnet. Durch diese Positionierung des Prismas 3 kann, wie durch die Richtungspfeile angedeutet, auch der gekrümmte Seitenrand des Displays vermessen werden. Die interne Totalreflexion des Prismas 3 wird als Spiegel verwendet, um auf den gekrümmten Seitenrand zu sehen. Die optische Dichte des Prismas 3 erlaubt es, gleiche Fokuseigenschaften auf dem oberen, planen Bereich und dem seitlichen, gekrümmten Bereich der Objektoberfläche 2a zu erreichen. Eine Feineinstellung des Fokus kann über eine Bewegung des Prismas 3 relativ zur Objektoberfläche 2a erreicht werden.
Durch die Anordnung einer weiteren Umlenkoptik auf der gegenüberliegenden Seite des Smartphones 2.1, könnte auch hier der gekrümmte Seitenrand vermessen werden. Bei der Aufbereitung der Messdaten können Bilder aus dem Randbereich der Krümmung, die sowohl direkt als auch über die Umlenkoptik durch das Kolorimeter 1 erfasst werden, verwendet werden, um das Messergebnis schließlich in einem einzigen zweidimensionalen Bild zusammenzufassen und darzustellen.
Das in 3 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel aus 2. Als Umlenkoptik wird hier anstelle eines Prismas 3 ein Spiegel 4 eingesetzt.
In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem zwei Spiegel 4 als Umlenkoptik zum Einsatz kommen. Entsprechend wird der Strahlengang von der Objektoberfläche 2a jeweils an den beiden Spiegeln 4 umgelenkt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Abbildung der Objektoberfläche 2a am seitlichen Rand auf dem Bildsensor des Kolorimeters 1 seitenrichtig erfolgt.
5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei dem als Umlenkoptik eine Faseroptik 5 eingesetzt wird. Die Faseroptik 5 kann bildseitig so angeordnet werden, dass jedes Faserende senkrecht auf die (Freiform-)Fläche des Displays 2.1 gerichtet wird. Kameraseitig kann die Faseroptik 5 senkrecht auf das Kolorimeter gerichtet werden z.B. in Form eines dicht gepackten Faserbündels. So kann eine Messgeometrie erreicht werden, die von jedem Punkt des Displays die Eigenschaften unter senkrechter Betrachtung misst (angedeutet durch den Doppelpfeil).
6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel, bei dem insgesamt vier Prismen 3 um das dreidimensionale Messobjekt, in diesem Fall ein Würfel 2.2, angeordnet, sind. Mit Hilfe der vier Prismen 3 können fünf der sechs Seiten des Würfels 2.2 durch das Kolorimeter 1 betrachtet vermessen werden. Mittels eines nicht dargestellten Prozessors werden die Bilddaten der einzelnen Teilabschnitte des Würfels anhand der bekannten Abbildungseigenschaften der Prismen 3 den zugehörigen Oberflächenbereichen des Würfels 2.2 zugeordnet und in einer zweidimensionalen Bilddarstellung zusammengefasst, wie schematisch im Kasten oben rechts in 6 dargestellt. Hierbei können zusätzlich die Messdaten eines Spektralradiometers verwendet werden, um die Bilddaten des Kolorimeters 1 kolorimetrisch und fotometrisch zu korrigieren. Das Spektralradiometer ist hierbei im Kolorimeter integriert.
In 7 sind zwei Umlenkoptiken, die auf einem tragenden Rahmen 6 angeordnet sind, dargestellt. Wie durch die Pfeilsymbole angedeutet, ist der Rahmen 6 samt Umlenkoptiken entlang der drei Raumachsen verschiebbar und zusätzlich drehbar gelagert, sodass die Umlenkoptiken mit höchster Flexibilität je nach Anforderung relativ zum Messobjekt 2 angeordnet werden können.
Bezugszeichenliste

1: Kolorimeter
2: Messobjekt
2a: zu vermessende Objektoberfläche
2.1: Display
2.2: Würfel
3: Prisma
4: Spiegel
5: Faseroptik
6: Rahmen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3054273 A1 [0017]

Claims

System zur farbmetrischen und/oder fotometrischen Vermessung von der Oberfläche eines Messobjektes (2, 2.1) abgestrahlten Lichts, mit einem bildgebenden Kolorimeter (1), in dessen Sichtfeld sich das Messobjekt (2, 2.1) befindet, wobei das Kolorimeter (1) auf einem ersten Teilabschnitt der durch den Bildsensor des Kolorimeters (1) gebildeten Bildfläche eine erste Ansicht des Messobjektes (2, 2.1) aus einer ersten Perspektive abbildet, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere im Sichtfeld des Kolorimeters (1) angeordnete Umlenkoptiken (3, 4, 5) auf zumindest einem zweiten Teilabschnitt der Bildfläche zumindest eine zweite Ansicht des Messobjektes (2, 2.1) aus einer zweiten Perspektive abbilden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (2, 2.1) ein Matrixdisplay ist, insbesondere ein TV-, Smartphone- oder Tablet-Display.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixdisplay mindestens an einem seitlichen Rand eine Krümmung aufweist, wobei eine der jeweiligen Krümmung zugeordnete Umlenkoptik (3, 4, 5) vorgesehen ist.
System nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik (3, 4, 5) mindestens teilweise als reflektive Optik, insbesondere als Umlenkprisma, ausgeführt ist.
System nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik (3, 4, 5) mindestens teilweise als Faseroptik (5) ausgeführt ist.
System nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik an einem tragenden Rahmen angeordnet ist.
System nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolorimeter (1) ein Spektralradiometer beinhaltet.
Verfahren zur farbmetrischen und/oder fotometrischen Vermessung eines Messobjektes (2, 2.1) unter Verwendung eines Systems nach einem der vorgenannten Ansprüche, mit den Verfahrensschritten: - Aufnahme von Bilddaten mittels des Kolorimeters (1), - Verarbeitung der Bilddaten, wobei mittels eines Prozessors die Bilddaten der ersten und zweiten Teilabschnitte der Bildfläche anhand der bekannten Abbildungseigenschaften der Umlenkoptiken den zugehörigen Oberflächenbereichen des Messobjektes (2, 2.1) zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Prozessors aus den Bilddaten farb- und/oder fotometrische Größen für eine Mehrzahl von Positionen auf der Oberfläche des Messobjektes (2, 2.1) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Messdaten des Spektralradiometers die Bilddaten des Kolorimeters (1) kolorimetrisch und fotometrisch korrigiert werden.