DE102022115880A1 - Deflektometrie-Sensorsystem zur Vermessung und Erfassung von Oberflächendefekten spiegelnder Flächen - Google Patents

Deflektometrie-Sensorsystem zur Vermessung und Erfassung von Oberflächendefekten spiegelnder Flächen Download PDF

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Abstract

Das Deflektometrie-Sensorsystem (100) arbeitet im Scanbetrieb zur Erfassung der räumlichen Form und von Oberflächendefekten spiegelnder Flächen (F) mit einer in verschiedenen Beleuchtungsmustern schaltbaren Lichtquelle zur Erzeugung wechselnder Spiegelbilder und zur Sichtbarmachung von Feindefekten sowie mit mindestens einer integrierten optischen Erfassungseinheit (30) zur Bildakquisition. Die für den Scanbetrieb notwendigen, hohen Bildauslöseraten erfordern eine spezialisierte elektronische Ansteuereinheit zum hochfrequenten Wechsel der Beleuchtungsmuster.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Deflektometrie-Sensorsystem im Scanbetrieb zur Vermessung und Erfassung von Oberflächendefekten spiegelnder Flächen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei der untersuchten spiegelnden Fläche kann es sich beispielsweise um eine beschichtete oder unbeschichtete Oberfläche einer Komponente oder eines Bauteils handeln.
  • Deflektometrie-Sensorsysteme zur Inspektion von spiegelnden oder zumindest teilweise reflektierenden Oberflächen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Bei der Deflektometrie wird typischerweise aus der Interpretation des Spiegelbildes eines über die spiegelnde Oberfläche reflektierten vorgegebenen Musters auf die Form der spiegelnden Oberfläche rückgeschlossen. Das an der Oberfläche reflektierte Bildmuster (auch: Deflektometriemuster) wird optisch erfasst und ausgewertet. Unter Ausnutzung der Gesetzmäßigkeiten der geometrischen Optik können anhand von Verzerrungen im erfassten Spiegelbild, also anhand der Gestalt des erfassten, reflektierten Bildmusters Rückschlüsse über die Oberflächenform der untersuchten Oberfläche gezogen werden.
  • Der nächst kommende Stand der Technik ergibt sich aus WO 2018/077 356 A1 entsprechend DE 10 2016 220 888.8 . Ein weiterer Stand der Technik ist in DE 10 2011 085 322.7 erläutert.
  • Ein bekanntes Anwendungsgebiet von derartigen Deflektometrie-Sensorsystemen ist die Prüfung spiegelnder bzw. reflektierender Oberflächen hinsichtlich lokal deformierenden Oberflächendefekten (Dellen). Bekannte Anwendungen deflektometrischer Methoden weisen jedoch mehrere gravierende Nachteile für die industrielle Prüfung spiegelnder Oberflächen auf:
    • - Einzelne deflektometrische Bildaufnahmen (auch: Deflektometrieaufnahme, Deflektometriebild) erfordern bei stärker gewölbten Oberflächen extrem große Bild- bzw. Deflektometriemuster, die beispielsweise mittels entsprechend groß dimensionierter Bildschirme erzeugt werden, um größere spiegelnde Flächen zu erfassen.
    • - Die wieder auffindbare Lokalisierung erkannter Defektstellen ist insbesondere in einer automatischen Inspektion sehr erschwert, weil die genaue Form und Lage der Oberfläche relativ zum Beobachter im Allgemeinen nicht bekannt ist. Damit ist auch die Kombination mit anderen sensorischen Erfassungsprinzipien behindert.
    • - Mittels der Deflektometrie sind im Allgemeinen lokale Deformationen der erfassten Oberfläche, wie etwa lokale Senken, Dellen oder Schlagstellen, gut detektierbar, allerdings können feine Schadstellen, die keine ausgeprägte Oberflächendeformation aufweisen, wie etwa Kratzer, oftmals nur unzureichend erfasst werden.
    • - Das geometrietreue Zusammensetzen mehrerer unterschiedlicher deflektometrischer Einzelaufnahmen zu einer prüfobjektbezogenen Gesamtansicht ist wegen einer fehlenden 3D-Erfassung nicht möglich.
    • - Eine lückenlose deflektometrische Prüfung räumlich ausgeformter Oberflächen mit lokal stärkeren Krümmungsverhältnissen erfordert in den bisher bekannten Realisierungen die Erfassung einer großen Anzahl deflektometrischer Einzelaufnahmen aus unterschiedlichen Kameraperspektiven bzw. Sichtrichtungen. Eine derartige Untersuchung ist daher sehr aufwändig und anspruchsvoll im Rahmen einer automatisierten Inspektion zu implementieren.
  • Die durch deflektometrische Methoden nur unzureichend erfassbaren, nicht oberflächendeformierenden Defekte (etwa feine Kratzer) können über sogenannte Glanzgrenzwinkel-Verfahren (GGW-Verfahren) optimal erfasst werden. Bei diesen GGW-Verfahren werden die oberflächlichen Defekte in schmalen Bildbereichen mit hohen Beleuchtungsintensitäts-Gradienten sichtbar gemacht. Eine flächenüberdeckende Defekterfassung auf diesem Weg ist aber nur durch Kombination der vielen schmalstreifigen Teilbilder mit großen Beleuchtungsgradienten zu einem die Gesamtoberfläche überdeckenden Gesamtbild möglich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Deflektometrie-Sensorsystem in Kombination mit einer GGW-Erfassung der eingangs genannten Art anzugeben, welches die vorstehend genannten Nachteile weitgehend überwindet und für den Einsatz im Rahmen einer automatisierten Inspektion im durchlaufenden Scanbetrieb geeignet ist. Fallweise kann das System auch auf eine der beiden Akquisitionsarten reduziert werden. Sonderfälle: nur eine GGW-Kamera, falls die CAD-Daten bekannt sind, oder nur eine Deflektometrie-Kamera, wenn keine Oberflächenkontrolle, sondern nur die Vermessung gewünscht ist. Ein solches Sensorsystem liefert mit vertretbarem technischen Aufwand verlässliche Messergebnisse der Oberflächenform und eine geometrietreue Kartierung der Oberflächenschäden wie Kratzer, Dellen oder Steinschläge.
    Mit anderen Worten können formverändernde Oberflächendefekte (etwa Dellen) über die Deflektometrierekonstruktion ermittelt werden, wenn entweder ein Vergleich mit Original-CAD-Daten verfügbar ist (Soll-Ist-Vergleich) oder zulässige Krümmungsbeschränkungen der spiegelnden Fläche lokal überschritten werden.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Deflektometrie-Sensorsystem zur Vermessung und Erfassung von Oberflächendefekten spiegelnder Flächen umfasst
    • - eine mehrere strukturierte Bildmuster auf die spiegelnde Fläche projizierende Beleuchtungseinrichtung,
    • - eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung großer lokaler Beleuchtungsgradienten in schmalstreifigen Bereichen,,
    • - eine die Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung der verschiedenen Bildmuster ansteuernde Ansteuereinrichtung,
    • - eine das Spiegelbild des mit der spiegelnden Fläche reflektierten Bildmusters erfassende optische Einrichtung, welche zumindest einen Teilbereich der spiegelnden Fläche optisch erfasst,
    • - eine auf die spiegelnde Fläche fokussierte optische Einrichtung, die die GGW-Erfassung unterstützt.
  • Für den Scanbetrieb ist allerdings eine gute Lokalisierung der deflektometrischen Flächengeometrierekonstruktion und der GGW-Erfassung notwendig, weil sonst die erforderlichen Lichtschirme und Targetmuster viel zu groß und damit nicht mehr flächenangepasst mitführbar wären. Auch die Fokussierung der optischen Erfassung lässt sich oft nur in kleinflächigen Teilbereichen der spiegelnden Fläche gewährleisten. Das bedeutet, dass die mit dem Scanprozess mitlaufende Verrechnung der sich aus den kleinflächigen Oberflächenerfassungen ergebenden Teilbilddaten zu einem auswertbaren Gesamtbild sehr anspruchsvoll ist.
  • Gemäß der Erfindung sollte die Sichtrichtung der optischen Erfassung („Sichtstrahl-Richtung“) während des Scanprozesses immer in dem schmalstreifigen Akquisitionsbereich näherungsweise senkrecht zur inspizierten Fläche geführt werden. Dadurch ist der abzudeckende Raumwinkelbereich für die Lage des spiegelbildgebenden Musters (Targetmuster) ausreichend einschränkbar, um bei schirmartig ausgebildetem Leuchtmuster das Spiegelbild stets vollständig im Bildbereich der optischen Akquisition zu halten.
  • Im Unterschied zur Verwendung von Projektionen von gerichteten Lichtstrahlen bei diffus reflektierenden Flächen benötigt man hier aber eine Lichtabstrahlung mit großem Abstrahlwinkel (also diffuse Abstrahlung statt gerichteter).
  • Das hier vorgestellte Deflektometrie-Sensorsystem ist für den durchlaufenden Scanbetrieb ausgebildet. Unter einem durchlaufenden Scanbetrieb soll im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere der Betrieb des Deflektometrie-Sensorsystems verstanden werden, welcher unter einer kontinuierlichen Relativbewegung von Erfassungseinrichtung und zu prüfender Fläche (auch: Oberfläche) erfolgt. Dies beinhaltet insbesondere Anwendungen, bei denen das Deflektometrie-Sensorsystem bezüglich der zu prüfenden Fläche bewegt wird, als auch Anwendungen, bei denen die zu prüfende Fläche bezüglich des Deflektometrie-Sensorsystems verfahren wird. Aufgrund der Geometrie der verwendeten Messtechnik erfolgt die Relativbewegung von Fläche und Deflektometrie-Sensorsystem zueinander bevorzugt in einer Richtung, die zumindest näherungsweise parallel zu einer Tangentialrichtung der untersuchten Fläche verläuft.
  • Das scannende Deflektometrie-Sensorsystem ist insbesondere für den Einsatz in einer industriellen Fertigungsstraße geeignet.
  • Zur Aufrechterhaltung der optimalen Fokussierung der optischen Erfassung ist bei stärker gekrümmten Oberflächen oft auch eine mit dem Scanprozess mitlaufende translatorische Zustellung notwendig, um den lokalen Arbeitsaufwand zur spiegelnden Fläche annähernd konstant zu halten.
  • In Ausgestaltungen sind die Beleuchtungseinrichtung und die Erfassungseinrichtung des Deflektometrie-Sensorsystems als Baugruppe starr miteinander verbunden. Insbesondere ist somit die Orientierung der Erfassungseinrichtung bezüglich der Beleuchtungseinrichtung fest vorgegeben und in bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung insbesondere hinsichtlich der Vermessung und Erfassung von Oberflächendefekten auf der spiegelnden Fläche optimiert. Zur simultanen Orientierung der Baugruppe insbesondere bei einer Oberflächenflächenprüfung ist diese an einem Gelenk, insbesondere an einem Schwenk-Neigekopf oder an einem Dreh-Kippgelenk gelagert. Auf diese Weise ist eine flexible Anpassung insbesondere der Orientierung der Erfassungseinrichtung während eines Prüfvorgangs ermöglicht. Da die Orientierung der Beleuchtungseinrichtung bezüglich der Erfassungseinrichtung fixiert ist, werden stets die gleichen Beleuchtungsbedingungen erzeugt. Diese Ausrichtung erfolgt insbesondere, um die maximal zulässige Winkelabweichung von Oberflächennormalen im Verhältnis zum einfallenden Sichtstrahl an den jeweiligen Reflexionspunkten nicht zu überschreiten.
  • In Weiterbildung ist die Sichtrichtung der Erfassungseinrichtung bzw. deren optischen Erfassungseinheit oder Erfassungseinheiten mittels des Gelenks veränderbar. In typischen deflektometrischen Anwendungen wird die Sichtrichtung bevorzugt im Raum dergestalt orientiert, dass diese zumindest näherungsweise in Richtung des Normalenvektors des optisch erfassten Teilbereichs der spiegelnden und zu prüfenden Fläche verläuft. Insbesondere bei der Untersuchung von Prüfobjekten mit gekrümmt ausgebildeten Flächen ist eine Anpassung der Orientierung der Sichtrichtung wünschenswert oder unter Umständen sogar erforderlich. Das Gelenk ermöglicht somit eine flexible Anpassung der Sichtrichtung, wobei durch die fixe Orientierung der Erfassungseinheit relativ zur Beleuchtungseinrichtung gleichbleibende Beleuchtungsverhältnisse, insbesondere aber die spiegelbildliche Sichtbarkeit des Targetmusters sichergestellt werden.
  • In Ausgestaltungen sind die Beleuchtungseinrichtung und die Erfassungseinrichtung längs einer räumlichen Kurve bewegbar geführt, wobei die zentrale Sichtrichtung der kombinierten Beleuchtungs- und Erfassungseinrichtung näherungsweise senkrecht zu dieser Bahnkurve orientiert ist.
  • In hierzu alternativen Ausgestaltungen sind die Beleuchtungseinrichtung und die Erfassungseinrichtung des Deflektometrie-Sensorsystems hinsichtlich translatorischer Bewegungen fixiert. Insbesondere bei der Untersuchung von relativ zum Deflektometrie-Sensorsystem bewegten Prüfobjekten kann es ausreichend sein, lediglich eine Anpassung der relativen Orientierung zwischen dem Deflektometrie-Sensorsystem und der untersuchten Fläche zu ermöglichen.
  • In Ausgestaltungen ist die optische Erfassungseinheit als Kamera mit auf wenige Zeilen bzw. Spalten eingeschränkte Erfassung ausgeführt (enger Mehrzeilenbetrieb).
  • Insbesondere in Ausführungsbeispielen, bei denen sich das Deflektometrie-Sensorsystem relativ zur untersuchten Fläche bewegt, ist die optische Erfassungseinheit vorzugsweise zur Bilderfassung so orientiert, dass das Erfassungsfenster der optischen Einheit in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung, also insbesondere senkrecht zur Tangentialrichtung der wenigstens einen räumlichen Kurve ausgerichtet ist.
  • Bei räumlich kleinen Prüfobjekten kann die Schwenk-Neige-Vorrichtung und/oder die abstandsregelnde Zustelleinrichtung entfallen.
  • In Ausgestaltungen ist die Beleuchtungseinrichtung dazu ausgebildet, unterschiedlich strukturierte Bildmuster im hochfrequenten Wechsel zu erzeugen. Durch die Ausgabe von unterschiedlich strukturierten Bildmustern ist die Erfassung und Vermessung von Oberflächenstrukturen und Defekten wie etwa Kratzern, die sich hinsichtlich ihres Verlaufs unterscheiden, verbessert. Zudem ist ein hochfrequenter Wechsel der auf die Fläche projizierten Bildmuster beispielsweise bei der industriellen Prüfung von relativ zum Deflektometrie-Sensorsystem bewegten Flächen wünschenswert, um eine hinreichende Detailauflösung auch bei vergleichsweise hohen Relativ- bzw. Verfahrgeschwindigkeiten sicherzustellen.
  • In Ausgestaltungen liegt die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Deflektometrie-Sensorsystem und der zu prüfender Fläche zwischen 0 km/h (Kilometer pro Stunde) und 10 km/h, typischerweise zwischen 0 km/h und 5 km/h. Die Höchstdauer der Belichtung eines strukturierten Bildmusters liegt in bevorzugten Ausgestaltungen beispielsweise bei etwa einem Sechstausendstel einer Sekunde. Die Frequenz des Bildwechsels liegt dann in Ausgestaltungen typischerweise im Bereich von mehr als 10000 Hz.
  • Eines der zentralen Ziele der vorliegenden Erfindung ist die gleichzeitige Abdeckung der durchaus verschiedenen Anforderungen der deflektometrischen Formrekonstruktion und der GGW-Sichtprüfung in einem einzigen Beleuchtungskonzept: Während man für die deflektometrische 3D-Geometrievermessung zweckmäßigerweise parallele Streifenmuster mindestens zweier verschiedener Richtungen benötigt, spielen für die GGW-Bildgebung vor allem die hohen Beleuchtungsintensitätsgradienten die entscheidende Rolle. Da man diese großen Intensitätsgradienten nur zonenweise realisieren kann, wird es immer auch Bildzonen (im Spiegelbild) geben, in denen die GGW-Sichtprüfung nicht möglich ist. Deshalb muss es das Ziel sein, durch einen sehr schnellen, schalttechnischen Wechsel der Beleuchtung in solchen bisher nicht analysierbaren Zonen kurzfristig große Intensitätsgradienten zu erzeugen, während nun in vorher hochgradient beleuchteten Zonen keine Bildanalysen mehr möglich sind. Es bietet sich an, auch diese Zonen in geradlinig begrenzten Hell-Dunkel-Streifen der Beleuchtung anzuordnen. Wegen der Richtungsempfindlichkeit der GGW-Akquisition müssen zusätzlich zwei orthogonale Richtungen der Hell-Dunkelstreifen berücksichtigt werden.
    Die deflektometrische 3D-Geometrievermessung benötigt zwar keine schnellen Beleuchtungszonenwechsel in einer Streifenrichtung, wohl aber eine Zuordnung der im Spiegelbild auftretenden (dort keineswegs mehr geradlinigen) Hellstreifen zu den erzeugenden Lichtquellenstreifen der Beleuchtungseinrichtung. Diese Zuordnung ist ihrerseits algorithmisch anspruchsvoll und kann durch geeignete Markierungen auf den Lichtquellenstreifen gestützt werden.
    Dennoch lassen sich beide verschiedenartigen Ziele in einem Gesamtschaltungsentwurf realisieren (siehe 6).
  • In Ausgestaltungen ist die Beleuchtungseinrichtung dazu ausgebildet, Linienmuster unterschiedlicher Orientierung alternierend im hochfrequenten Wechsel zu erzeugen.
  • In Ausgestaltungen weist die Beleuchtungseinrichtung eine konkav geformte Lichtaustrittsfläche auf, die den Raumwinkelbereich um den von der Erfassungseinheit erfassten Teilbereich insbesondere schirmartig überdeckt. Die geometrische Gestalt der Lichtaustrittsfläche stellt eine hinreichende Ausleuchtung der kontrollierten Fläche insbesondere im Erfassungsbereich der Erfassungseinrichtung sicher.
  • In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die konkav geformte Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinrichtung zumindest abschnittsweise oder segmentartig von mehreren ebenen Leuchtkacheln gebildet, die zueinander geneigt angeordnet sind, jedoch erlaubt es die 3D-Drucktechnik, auch gebogene Arrays zu fertigen. Die Leuchtkacheln weisen jeweils eine Vielzahl von lichtemittierenden Einzelemittern auf. Die Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinrichtung hat im weitesten Sinn die Gestalt der Innenfläche einer Schale, die abschnittsweise planar ausgeführt und zur Projektion des strukturierten Bildmusters auf die zu untersuchende Fläche gerichtet ist.
  • Die Einzelemitter der Leuchtkacheln sind beispielsweise als Leuchtdioden ausgeführt.
  • In Ausgestaltungen sind die Einzelemitter, insbesondere Leuchtdioden, der Leuchtkacheln rasterförmig in Zeilen und Spalten angeordnet. Die Ansteuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Einzelemitter zur Erzeugung des strukturierten Bildmusters im hochfrequenten Wechsel spalten- und/oder zeilenweise anzusteuern. Auf diese Art und Weise können insbesondere hochfrequent alternierende Linienmuster mit unterschiedlicher, insbesondere zueinander orthogonaler Orientierung erzeugt werden.
  • In Ausgestaltungen sind die Einzelemitter endseitig an Lichtleiter gekoppelt. Die Lichtleiter leiten das von den jeweiligen Einzelemittern emittierte Licht an die Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinrichtung weiter.
  • In Ausgestaltungen ist die Erfassungseinrichtung auf einer der Lichtaustrittsfläche abgewandten Seite einer zentral innerhalb der Beleuchtungseinrichtung angeordneten Leuchtkachel befestigt. Die zentral innerhalb der Beleuchtungseinrichtung angeordnete Leuchtkachel ist in bevorzugten Ausführungen randseitig von weiteren Leuchtkacheln umgeben. Der Erfassungsbereich der Erfassungseinrichtung liegt somit stets in dem Raumwinkelbereich, der von der Beleuchtungseinrichtung gut ausgeleuchtet wird, was die Prüfsicherheit erhöht.
  • In bevorzugten Ausgestaltungen ist oder sind die optische Erfassungseinheit oder Erfassungseinheiten hinter Blenden, insbesondere Schlitzblenden angeordnet, die in der zentral angeordneten Leuchtkachel eingebracht sind. Dadurch wird verhindert, dass ein wesentlicher Teil der optisch erfassten Spiegelbilder durch Blick in die eigene Optik gestört wird.
  • In Ausgestaltungen ist die Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinrichtung mit Markierungen versehen, die je nach Schaltzustand der Emitterarrays (Leuchtkacheln) in den Spiegelbildern der alternierend erzeugten Hellstreifen des Targetmusters von der optischen Erfassungseinrichtung sichtbar und identifizierbar sind. Das Targetmuster ist in exemplarischen Ausführungen beispielsweise durch transparente oder transluzente Scheiben mit geometrischen Markierungen gebildet, die lichtaustrittsseitig an die jeweiligen Leuchtkacheln der Beleuchtungseinrichtung angekoppelt sind. Die Lage der im Spiegelbild erfassten Markierungen dient zur Identifikation der im Spiegelbild gesehenen Hellstreifen mit den verursachenden Beleuchtungsstreifen der Lichtquellenaustritte.
  • In Ausgestaltungen umfasst die Erfassungseinrichtung zumindest zwei optische Erfassungseinheiten, welche zur Erfassung des an der spiegelnden Fläche gespiegelten Bildmusters auf unterschiedliche Abstände fokussiert sind. Dies ermöglicht in bevorzugten Ausgestaltungen insbesondere die Kombination der Bildgebungsmodalitäten der Deflektometrie und der Glanzgrenzwinkel. Durch diese Kombination ist auch eine Zuordnung von in den unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten erfassten Defektstrukturen vereinfacht.
  • In Ausgestaltungen ist die Glanzgrenzwinkeleinheit dazu ausgebildet, durch Defekte der spiegelnden Beschichtung (Kratzer, Schlagstellen, usw.) verursachte Bildauffälligkeiten zu detektieren und zu klassifizieren. Diese Anomalien sind oft nur in Bildbereichen lokal stark unterschiedlicher Beleuchtungsstärken sichtbar, die jeweils in Bereichen der durch die Streifenbeleuchtung erzeugten Hell-Dunkel-Übergänge erzielt werden. Diese optische Erfassungseinheit ist eine auf den Objektabstand der zu untersuchenden Fläche fokussierte Kamera und dient zur Erfassung von Einzelaufnahmen für die Glanzgrenzwinkel-Bildgebung. Bei der Glanzgrenzwinkel-Bildgebung werden kleine Oberflächendefekte scharf abgebildet, wobei der starke Beleuchtungsabfall bzw. -anstieg zwischen den streifenartigen Hell- und Dunkelbereichen als adäquate Lichtquelle genutzt wird.
  • In Ausgestaltungen ist die zweite optische Erfassungseinheit (Deflektometrieeinheit) dazu ausgebildet, das Spiegelbild des Beleuchtungsmusters in Einzelaufnahmen fokussiert zu erfassen. Die Deflektometrieeinheit ist beispielsweise eine auf den Abstand des Spiegelbilds (typischerweise doppelte Objektentfernung) fokussierte Kamera, die zur Erfassung von Einzelaufnahmen für die Deflektometrie vorgesehen ist. Bei der Deflektometrie wird das an der Fläche reflektierte Beleuchtungsmuster scharf abgebildet, so dass anhand der Gestalt des reflektierten Musters Deformationen der spiegelnden Fläche erkannt und vermessen werden können.
  • Flächige Defekte wie Kratzer erkennt man mit der Glanzgrenzwinkel-Beleuchtung in ihren unterschiedlichen Schaltzuständen.
  • Da die zugehörigen Bilddetails jedoch immer nur in kleinen Bildausschnitten sichtbar sind, die sich oft (wegen der Flächenkrümmung) aus ganz unterschiedlichen Sichtrichtungen auf einer räumlich ausgeformten Fläche ergeben, ist die zugehörige Erkennung oft nur durch Reprojektion und Bildkombination auf der deflektometrisch rekonstruierten 3D-Fläche möglich.
  • In Ausgestaltungen sind beide optischen Erfassungseinheiten dazu ausgebildet, die spiegelnde Fläche eines relativ zum Deflektometrie-Sensorsystem bewegten Objektes in überlappenden Einzelaufnahmen zu erfassen, welche zumindest für die abschnittsweise räumliche Rekonstruktion der Fläche geeignet sind. Mit anderen Worten wird die Rate der Bildakquisition so angepasst, dass die optischen Erfassungseinheiten bei einer bewegten, zu prüfenden Fläche zumindest abschnittsweise überlappende Einzelaufnahmen erzeugen, die insbesondere mittels bekannter Bildverarbeitungsalgorithmen zu einem Gesamtbild („stitching“) auf der rekonstruierten 3D-Fläche kombiniert werden können.
  • Für den Einsatz in Fertigungslinien bzw. einer durchlaufenden Inspektion großer Prüfobjekte (Scanbetrieb) sind in typischen industriellen Anwendungsfällen Durchlaufgeschwindigkeiten bis zu 5 km/h zu realisieren. Das erfordert bei der notwendigen Kameraauflösung und den extrem schnellen (weniger als 1/10000 s), ständigen Lichtrichtungswechseln zur Generierung von verschiedenartigen Bildmustern einen hochgetakteten Blitzbetrieb mit hohen Lichtleistungen.
  • Wegen der sehr schnellen zeitlichen Wechsel der Beleuchtungsmuster umfasst die Ansteuereinrichtung in Ausgestaltungen eine elektronische Ansteuerungsplatine.
  • Die Erfindung betrifft somit ferner eine Vorrichtung zur Vermessung und Erfassung von Oberflächendefekten spiegelnder Flächen, die eine Mehrzahl von versetzt zueinander angeordneten Deflektometrie-Sensorsystemen umfasst. Durch die Anordnung von mehreren Deflektometrie-Sensorsystemen können ein größerer Prüfbereich abgedeckt und Verfahrwege zur Inspektion größerer Flächen vermieden werden.
  • In Ausgestaltungen sind die Deflektometrie-Sensorsysteme der Vorrichtung derart zueinander versetzt angeordnet, dass diese räumlich überlappende Teilbereiche der spiegelnden Fläche erfassen. Auf diese Weise können die von den Erfassungseinrichtungen der jeweiligen Deflektometrie-Sensorsysteme erfassten Einzelaufnahmen zu Bildstreifen bzw. zusammenhängenden Bildausschnitten kombiniert und mittels geeigneter Bildverarbeitungs-Algorithmen ausgewertet werden.
  • In Weiterbildung ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass die zueinander versetzt angeordneten Deflektometrie-Sensorsysteme die spiegelnde Fläche eines relativ zur Vorrichtung bewegten Objektes in überlappenden Einzelaufnahmen erfassen. Mit anderen Worten erfolgt eine synchronisierte Bilderfassung dergestalt, dass auch die in Bewegungsrichtung versetzt angeordneten Deflektometrie-Sensorsysteme überlappende Einzelaufnahmen erzeugen, die zu Bildstreifen bzw. zusammenhängenden Bildausschnitten kombiniert werden können.
  • Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert, die in den Figuren dargestellt sind. Dabei zeigen:
    • 1 eine Beleuchtungseinheit (Lichtschirm) zur Oberflächeninspektion eines Karosserieteils,
    • 1a eine vergrößerte Ansicht einer Leuchtkachel des Lichtschirms der 1,
    • 2a: eine Rückansicht einer Beleuchtungseinrichtung des Deflektometrie-Sensorsystems;
    • 2b: eine Frontansicht der Beleuchtungseinrichtung der 2a;
    • 3: eine schematische Schnittdarstellung des Deflektometrie-Sensorsystems (im waagrechten Schnitt);
    • 4: eine senkrechte Schnittdarstellung des Deflektometrie-Sensorsystems;
    • 5a: Grundriss der Eck-Leuchtkacheln des Lichtschirms (geometrische Konstruktion)
    • 5b: Bestückungsplan für die Lichtleiter in den Eck-Leuchtkacheln des Lichtschirms;
    • 6: verschiedene, schalttechnisch erzeugte Beleuchtungszustände, welche von der Beleuchtungseinrichtung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels als strukturierte Bildmuster erzeugbar sind;
    • 7: eine Vorrichtung zur Vermessung und Erfassung von Oberflächendefekten, welche mehrere, zueinander versetzt angeordnete Deflektometrie-Sensorsystem umfasst, in einer Seitenansicht;
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungsfiguren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Bei der Planung der Glanzgrenzlichtauswertung und der scannenden Deflektometrie geht man typischerweise von einer längs einer beliebigen räumlichen Kurve bewegten Erfassungseinrichtung 30 aus, die auf eine spiegelnde Oberfläche gerichtet ist. Beispielsweise durch Montage auf einem Schwenk-Neigekopf ist die Erfassungseinrichtung 30 in ihrer Sichtrichtung jederzeit anpassbar und korrigierbar. Die Beleuchtungseinrichtung 10 (Lichtschirm) ist mit der Erfassungseinrichtung 30 starr verbunden und wird somit stets in vorgegebener Ausrichtung mit der Erfassungseinrichtung 30 mitgeführt. Die Beleuchtungseinrichtung 10 erzeugt strukturierte Bildmuster für die Deflektometrie und die GGW. Beispielsweise wird ein diffus leuchtendes Streifenmuster paralleler und äquidistanter Linien, die bei schneller Wechselschaltung einmal in waagerechter, einmal in senkrechter Anordnung erscheinen, aufgeblendet (vgl. hierzu 6). Die optische Erfassungseinheit 31, 32 ist vorzugsweise in CMOS-Technologie ausgeführt und wird weiter bevorzugt in einem engen Mehrzeilenmode betrieben.
  • 1 und 1a zeigen am Beispiel eine gemäß der Erfindung mögliche Realisierung zur Schadstellenerfassung eines Karosserieteils 50 mittels einer parabolartigen, stationären Beleuchtungseinrichtung (Lichtschirm 10), bestehend aus winklig zueinander angeordneten Feldern oder Leuchtkacheln 11 mit hier dreieckigen, lichtdurchlässigen Identifikationspunkten 33. Diese sind auf eine transparente Abdeckscheibe 34 aufgebracht, auf der sie jeweils ein vorbestimmtes Muster bilden und hinter der gleichmäßig angeordnete Beleuchtungsmodule positioniert sind. Diese bestehen aus Lichtquellen 12, vorzugsweise LEDs, deren Helligkeit eingestellt werden kann, und viereckigen Lichtleitern 13, hier PMMA-Acrylglas-Stäbchen (Polymethyl2Methylpropanoate), die das Licht homogenisiert und kantenscharf auf der Projektionsfläche verteilen. Sie sind auf einer Platine 14 befestigt.
  • Im Lichtschirm 10 (Target) sind auch die Schlitzblenden 41, 42 für die Kameras eingezeichnet. Die Kameras, die hinter dem Lichtschirm montiert sind, blicken durch die Schlitzblenden 41, 42 nach vorne. Die engen Schlitzblenden erlauben eine weitgehend lückenfreie Defekterfassung der spiegelnden Oberflächen (F), weil die Reflexionen von Objektivlinsen und Kamerahalterungen in den Spiegelbildern nicht mehr auftreten. Zugleich entstehen dadurch aber sehr schmale Bildausschnitte, die eine lückenlose Bildkombination erfordern.
  • Die genannten Identifikationspunkte 33 (hier in der Form von Dreiecken) werden in den erfassten Deflektometriebildern bzw. Einzelaufnahmen sichtbar und dienen der Zuordnung und Auswertung der erfassten Ausschnitte des Targets.
  • In 1 ist angedeutet, dass der Lichtschirm 10 und/oder das Prüfobjekt (Karosserieteil 50) auf einer Schiene verfahrbar sind.
  • Beispielsweise bei einer großflächigen Lackinspektion (siehe 7) liegt die Verfahrkurve der optischen Erfassungseinheit 31, 32 typischerweise zunächst in einer einheitlichen waagerechten Ebene und die Zeilenausrichtung der optischen Erfassungseinheit 31, 32 verläuft bevorzugt senkrecht zu dieser Ebene. Die Krümmungen der Schnittkurven der Oberfläche mit parallelen Ebenen zu dieser Verfahrebene sind typischerweise klein, d.h. deutlich nach oben beschränkt.
  • Die Sichtrichtung der optischen Erfassungseinheit 31, 32 ist zur Bilderfassung bevorzugt stets zumindest näherungsweise senkrecht zur spiegelnden Fläche F orientiert. Durch diese Maßnahme kann die Größe der mitgeführten Beleuchtungsmuster, d.h. der Beleuchtungseinrichtung 10, zur Beurteilung der Spiegelbilder relativ klein bleiben.
  • Die geometrische Rekonstruktion beispielsweise lackierter Oberflächen erfolgt typischerweise unter der Annahme, dass zu gegebenem Spiegelbildpunkt der zugehörige, im Spiegelbild gesehene Targetpunkt in guter Näherung identifiziert werden kann. Es ist notwendig, dass die Zuordnung der gesehenen Bildspuren zu den waagerechten bzw. den senkrechten Linien im Target gelingt. Die bereits für die Targetkalibrierung genutzten Markierungen oberer Lichtausgänge an gewissen Lichtleiterstäbchen sind hierfür geeignet.
  • Im scannenden Durchlauf des Deflektrometrie-Sensorsystems 100 entstehen überlappende schmalschlitzige Bildausschnitte bzw. Einzelaufnahmen, welche Spiegelbilder von Bildmustern, beispielsweise Streifenmustern, zeigen. Anhand der Einzelaufnahmen ist eine räumliche Rekonstruktion der beobachteten Oberfläche (F) möglich. Die mitlaufende Form- und Lageermittlung ist die Grundlage für die nachfolgende Bildverarbeitung wie insbesondere für das Zusammenfügen von Einzelaufnahmen der Glanzgrenzwinkel-Bildgebung mittels eines Stitchingverfahrens zu einem auswertbaren Bildstreifen.
  • Ein Deflektometrie-Sensorsystem 100 mit einer Beleuchtungseinrichtung 10 und einer Erfassungseinrichtung 30 ist beispielsweise in den 1 bis 5 und 7 illustriert. 7 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Vermessung und Erfassung von Oberflächendefekten spiegelnder Flächen F, die mehrere versetzt zueinander angeordnete Deflektometrie-Sensorsysteme 100 umfasst.
  • Wie insbesondere in 3, 4 und 7 ersichtlich, ist die Beleuchtungseinrichtung 10 schirmartig aufgebaut und weist mehrere Leuchtkacheln 11 mit rasterförmig angeordneten Einzelemittern 12 auf, die zur Erzeugung des strukturierten Bildmusters mittels der Ansteuereinrichtung (vgl. 1 und 6) zumindest zeilen- und/oder spaltenweise ansteuerbar sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel (vgl. 6) gibt es sechs geschaltete Beleuchtungszustände.
  • 2a und 2b illustrieren den geometrischen Aufbau der schirmartigen Beleuchtungseinrichtung 10 mit daran befestigter Erfassungseinrichtung 30. Die Erfassungseinrichtung 30 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine als Deflektometrie-Kamera ausgebildete optische Erfassungseinheit 31 und eine weitere, als Glanzgrenzlicht-Kamera ausgebildete optische Erfassungseinheit 32. Die optischen Erfassungseinheiten 31, 32 sind hinter Schlitzblenden 41, 42 im Zentrum der Beleuchtungseinrichtung 10 angeordnet. Zur Bilderfassung blicken die optischen Erfassungseinheiten 31, 32 durch die Schlitzblenden 41, 42 hindurch.
  • 3 und 4 zeigen Schnittdarstellungen des Deflektometrie-Sensorsystems 100.
  • Die Erfassungseinrichtung 30 und die schirmartige Beleuchtungseinrichtung 10 sind als Baugruppe starr miteinander verbunden, wobei die Baugruppe in einer Ausführungsform am Gelenk schwenkbar gelagert ist, bevorzugt dergestalt, dass eine beliebige Orientierung im Raum ermöglicht ist. Die Beleuchtungseinrichtung 10 ist segmentweise aus im Wesentlichen ebenen Leuchtkacheln 11 aufgebaut, die zueinander in fest vorgegebenen Winkeln derart angeordnet sind, dass diese einen Raumwinkelbereich um den von der Erfassungseinrichtung 30 erfassten Teilbereich der Fläche F schirmartig überdeckt. Die Winkel zwischen den einzelnen Leuchtkacheln 11 sind vorzugsweise so berechnet, dass eine optimale Nutzung der Beleuchtungseinrichtung 10 insbesondere für die Deflektometrie auch bei kompakt bzw. klein dimensionierten Deflektometrie-Sensorsystemen 100 ermöglicht ist.
  • Um die Größe der notwendigen Deflektometriemuster klein zu halten, ist außer der Dreh-Kipp-Führung der Kameras inklusive Deflektometrietargets auch eine räumliche Verschiebung der einzelnen Kacheln des Lichtschirms (= Target) notwendig. Diese Kippwinkel sind jedoch nicht regelbar, sondern so berechnet, dass eine optimale Nutzung des Targets bei möglichst kleinem Scankopf möglich ist.
  • Jeweils endseitig an den Einzelemittern 12 der Leuchtkacheln 11 sind Lichtleiter 13 befestigt, welche beispielsweise aus Acrylglas (Polymethylmethacrylat, PMMA) bestehen. Die Lichtleiter 13 sind dazu ausgebildet, die hohe punktuelle Lichtleistung der Einzelemitter 12, welche beispielsweise als Leuchtdioden (light-emitting diode, LED) ausgeführt sind, zu verteilen und damit das erzeugte Bildmuster zu homogenisieren. Dies wirkt Überbelichtungseffekten entgegen und erzeugt gleichzeitig eine gute Lichtkantenstruktur, die sowohl für die Deflektometrie als auch für die Glanzgrenzwinkel-Bildgebung geeignet ist.
  • 3 zeigt eine erste Querschnittdarstellung der Beleuchtungseinrichtung 10 mit der daran befestigten Erfassungseinrichtung 30 unter Berücksichtigung der maximal zulässigen Abweichungen des Normalenvektors n1, n2 der spiegelnden Fläche F (auch: Oberfläche) gegenüber der Sichtrichtung der optischen Erfassungseinheiten 31, 32 (Deflektometrie-Kamera 31 und der Glanzgrenzwinkel-Kamera 32). Bei stärker gekrümmten Oberflächen, also bei größeren Abweichungen des Normalenvektors, ist vorgesehen, die Ausrichtung des Messaufbaus bestehend aus der Beleuchtungseinrichtung 10 und der damit starr verbundenen Erfassungseinrichtung 30 mittels des Gelenks, insbesondere mittels einer Dreh-Kipp-Führung oder mittels eines Schwenk-Neigekopfs, anzupassen.
  • 4 zeigt eine zweite Querschnittdarstellung der Beleuchtungseinrichtung 10 mit der daran befestigten Erfassungseinrichtung 30. Der in 4 gezeigte Schnitt verläuft senkrecht zur Zeichnungsebene der 3. Die Beleuchtungseinrichtung 10 des Deflektometrie-Sensorsystems 100 hat eine ausgemuldete, schirmartige räumliche Gestalt, wobei die Erfassungseinrichtung 30, bestehend aus den Kameras 31, 32, rückseitig an dem zentral angeordneten Emitter-Array 11a hinter den Schlitzblenden 41, 42 befestigt ist.
  • Jeweils endseitig an den Einzelemittern 12 der Leuchtkacheln 11 sind Lichtleiter befestigt, welche beispielsweise aus Acrylglas bestehen. Der rechteckige Querschnitt der Lichtleiter 13 in den Eck-Leuchtkacheln führt wegen der Parallelogrammform zu Verschiebungen der LED-Layouts mit besonderer Schalttechnik. Dies ist in den 5a und 5b dargestellt. Sie zeigen konstruktive Details für die Bestückung der Leuchtkacheln 11 mit Lichtleitern, nämlich eine Klappkonstruktion der Leuchtkacheln in als Grundriss 11 a, Seitriss 11b und Aufriss 11 c. Die wahre, resultierende Leuchtkachelgestalt sieht man in 11g. Das herauskopierte Duplikat wird in 5b verwendet; In nicht rechteckigen Leuchtkacheln ist diese Bestückung erschwert. Die geometrische Form der Grundfläche der Leuchtkacheln 11, die die randseitigen Emitter der Beleuchtungseinrichtung 10 bilden, weichen in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel von einer rechtwinkligen Gestalt ab und weisen beispielsweise die Gestalt eines Parallelogramms auf. 5b zeigt die Anordnung der Lichtleiter 13 auf einer Leuchtkachel 11, die ein randseitiges Segment der Beleuchtungseinrichtung 10 bildet. In dem dargestellten und nicht einschränkend aufzufassenden Ausführungsbeispiel sind die Lichtleiter 13 als Acrylglasstäbchen mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Diese Querschnittgestalt führt zu zeilenweisem Versatz des LED-Layouts, insbesondere bei den Leuchtkacheln 11, die die Emitter in den Ecken der Beleuchtungseinrichtung 10 bilden.
  • 7 zeigt eine Vorrichtung 1, welche mehrere versetzt zueinander angeordnete Deflektometrie-Sensorsysteme 100 umfasst. Die Lichtschirme mit den integrierten Kameras sind notwendigerweise größer als die inspizierte Detailfläche der jeweiligen Kamerabilder. In Richtung der Scannerverfahrung kann dieser scheinbare Nachteil dadurch umgangen werden, dass in sehr kurzen Abständen jeweils etwas weiter bewegte Bildausschnitte akquiriert werden, die dann algorithmisch zusammen kombiniert werden. Aber die mangelnde Höhe der Bildausschnitte kann dadurch nicht umgangen werden. Um Mehrfachscans in jeweils verschiedenen Höhen zu vermeiden, wurde eine versetzte Targetanordnung, mit anderen Worten weitere Beleuchtungs- und Erfassungseinrichtungen, konzipiert, die trotz targetindividueller Dreh-Kipp-Ansteuerung eine kollisionsfreie Oberflächenerfassung gestattet. Pro Target entsteht beim Durchlaufscanning ein auswertbarer, horizontaler Bildstreifen (hier von 20 cm Höhe). Durch seitlichen Versatz von Targets erhält man mehrere solcher Bildstreifen, die dann auch in der Höhe eine lückenlose Überdeckung der Inspektionsoberfläche in einem Scandurchlauf möglichen. Das wird für die Oberflächenkontrolle eines Fahrzeugs in 7 dargestellt.
  • Jedes Deflektometrie-Sensorsystem 100 erzeugt in der exemplarisch dargestellten Anordnung beim Durchlaufscanning einen Bildstreifen bestimmter Breite. Durch den seitlichen Versatz der Deflektometrie-Sensorsysteme 100 erhält man mehrere solcher Bildstreifen, die eine lückenlose Überdeckung der zu untersuchenden Oberfläche F auch hinsichtlich der vertikalen Richtung ermöglichen. 7 illustriert die Oberflächenkontrolle mittels erfindungsgemäßer Deflektometrie-Sensorsysteme 100 exemplarisch anhand einer Anwendung aus dem Bereich der Automobilindustrie.
  • Die maximale Framerate bei 64 Zeilen pro Mehrzeilenfenster beträgt in einem möglichen Ausführungsbeispiel bis zu 1200 fps (frames per second).
  • Die in 6 im kleinflächigen, sich periodisch wiederholendem Detail dargestellten sechs verschiedenen Beleuchtungszustände der Leuchtkacheln sind sowohl für die deflektometrische Formrekonstruktion als auch für die GGW-Bildgebung wichtig. Je nach Schaltzustand der Leuchtdiodenarrays werden waagrechte bzw. senkrechte Hellstreifen erzeugt, wie in den drei oberen bzw. unteren Schaltzustandsmustern von 6 skizziert. Die jeweils ersten dieser Schaltmuster liefern dichter liegende waagrechte bzw. senkrechte Hellstreifen für die Deflektometrierekonstruktion. Die restlichen Schaltmuster erzeugen Hellstreifen mit doppeltem Abstand für die GGW-Bildauswertung, wobei die auftretenden Hellstreifen jeweils auch mit halbperiodischer Verschiebung auftreten. Diese halbperiodische Verschiebung wird verständlich, wenn man bedenkt, dass die Zonen hohen Beleuchtungsstärkeanstiegs und -abfalls in Umgebungen der Hell-Dunkel-Übergänge auftreten, womit die GGW-Bildauswertung in den Zentren der Hell- und Dunkelstreifen oft versagen wird. Durch die halbperiodische Verschiebung der Hellstreifen im alternativen Schaltzustand verschieben sich aber auch diese „Totzonen“ jeweils so, dass die Nichterfassungszonen des ersten Schaltzustands mit den Haupterfassungszonen des Zweitschaltzustands übereinstimmen. Dadurch kann die GGW-Auswertung lückenfrei genutzt werden.
    Dass auch bei der GGW-Auswertung senkrechte und waagrechte Hellstreifen verwendet werden, berücksichtigt die ausgeprägte Richtungsanisotropie der GGW-Auswertung. So werden etwa senkrechte Kratzer in der Oberflächenbeschichtung durch waagrechte Streifenbeleuchtung schlecht erfasst, wohl aber durch Beleuchtung mit senkrechten Streifen.
  • Für die Detektion von horizontalen Kratzern ist eine Wechselbeleuchtung mit horizontalen Lichtstreifen vorteilhaft, da die Möglichkeit besteht, dass ein horizontaler Kratzer bei nur einer Belichtungsart gänzlich in einer überbelichteten Streifenzone liegt und damit schwer detektierbar ist. Zur Detektion derartiger Oberflächendefekte sind in der hier exemplarisch beschriebenen Ausführung der Erfindung die Beleuchtungszustände wie in 6 dargestellt, vorgesehen.
  • In einem möglichen Ausführungsbeispiel weist die als Glanzgrenzlicht-Kamera ausgebildete optische Erfassungseinheit 32 ein Auflösungsvermögen von etwa 100 µm pro Pixel auf.
  • In einem möglichen Ausführungsbeispiel weist die als Deflektometrie-Kamera ausgebildete optische Erfassungseinheit 31 ein Auflösungsvermögen von etwa 200 µm pro Pixel auf.
  • Die schmalen Mehrzeilenframes jeder Beleuchtungsart überlappen sich bevorzugt um mehr als ein Halbfenster. Das ist wichtig für eine ausreichend gut gesicherte Verfolgung der Linienzuordnungen bzw. zur Erzeugung von überlappenden Einzelaufnahmen, die mittels Bildverarbeitung lückenlos zu einem Gesamtbild kombiniert werden können.
  • Das hier beschriebene Deflektometrie-Sensorsystem 100 vereinigt mehrere Funktionen:
    1. 1 Die Beleuchtungseinrichtung 10 dient als Beleuchtung sowohl für die Glanzgrenzwinkel-Bildgebung als auch als Spiegelbildmuster für die Deflektometrie. Die Schalttechnik ermöglicht insbesondere die Generierung von mehreren unterschiedlich orientierten Bildmustern. In einer bevorzugten Ausgestaltung stellt die Beleuchtungseinrichtung 10 beispielsweise sechs unterschiedliche Beleuchtungszustände bereit, wovon zwei der Deflektometrierekonstruktion und vier der GGW-Auswertung dienen.
    2. 2 Die Beleuchtungseinrichtung 10 ist dazu ausgebildet, das Targetmuster insbesondere zur Orientierung des Deflektometrie-Sensorsystems 100 und/oder zur Auswertung der erfassten Deflektometriebilder aufzustrahlen.
    3. 3 Durch einen sehr schnell geschalteten Bildmusterwechsel im Blitzbetrieb, vorzugsweise ergänzt durch die Verwendung eines engen Mehrzeilenmodes für die beispielsweise als CMOS-Kameras ausgeführten optischen Erfassungseinheiten 31, 32, kann man in einem konkreten Ausführungsbeispiel beispielsweise sechs unterschiedlich beleuchtete Bildstreifen in einem einzigen Scandurchlauf erzeugen.
    4. 4 Aufnahmen insbesondere von Karosserieteilen 50 zeigen kaum oder keine störenden Lichtreflexionen. Sie sind deshalb gut über Software auswertbar.
    5. 5 Die zur Glanzgrenzwinkel-Bildgebung ausgebildete optische Erfassungseinheit 32 und die zur Deflektometrie ausgebildete optische Erfassungseinheit 31 sind rückseitig hinter Schlitzblenden 42, 41 angeordnet. Diese vergleichsweise schmalen Schlitzblenden 42, 41 erlauben eine weitgehend lückenfreie Defekterfassung von spiegelnden Oberflächen F, weil Reflexionen insbesondere von Objektivlinsen und Kamerahalterungen in den erfassten Bildern nicht mehr auftreten. Es entstehen in typischen Anwendungen schmale Bildausschnitte oder Bildstreifen, die mittels Verfahren der Bildverarbeitung zu einem lückenlosen Gesamtausschnitt kombiniert werden können.
    6. 6 Wichtiger Hinweis: In den technischen Anwendungen werden die Formrekonstruktionen spiegelnder Oberflächen aus Spiegelbildern bekannter Muster oft ohne Unterscheidung mit der Detektion von nicht verformenden Oberflächendefekten durch Glanzgrenzwinkel-Reflexion in einen Topf geworfen, obwohl hier das Spiegelbild der Mustervorlage kaum noch eine Rolle spielt. Die oft in den Targetmustern ausgeprägte Streifenstruktur sorgt aber für viele Zonen starken Wechsels der Beleuchtungsintensität, die für die Glanzgrenzwinkelbildgebung ebenfalls notwendig ist. Deshalb werden beide Analysemethoden oft nicht unterschieden. Wenn vorstehend von „Deflektometriesensorsystem“ die Rede ist, wird hier der etwas unscharfe Sprachgebrauch des Stands der Wissenschaft und Technik übernommen. Dennoch bezieht sich die Erfindung auf beide Arten der Bildgebung.
  • 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 2018/077356 A1 [0003]
    • DE 102016220888 [0003]
    • DE 102011085322 [0003]

Claims (22)

  1. Deflektometrie-Sensorsystem (100) für den Scanbetrieb zur Erfassung der räumlichen Form und von Oberflächendefekten spiegelnder Flächen (F) mit einer in verschiedenen Beleuchtungsmustern schaltbaren Lichtquelle zur Erzeugung wechselnder Spiegelbilder und zur Sichtbarmachung von Feindefekten sowie mit mindestens einer integrierten optischen Erfassungseinrichtung (30) zur Bildakquisition, gekennzeichnet durch die für den Scanbetrieb notwendige, hohe Bildauslöserate mit einer spezialisierten elektronischen Ansteuereinrichtung zum hochfrequenten Wechsel der Beleuchtungsmuster.
  2. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (10) und die Erfassungseinrichtung (30) als Baugruppe starr miteinander verbunden sind, wobei die Baugruppe zur simultanen Orientierung der Beleuchtungseinrichtung (10) und der Erfassungseinrichtung (30) an einem Gelenk, insbesondere an einem Schwenk-Neigekopf oder an einem Dreh-Kippgelenk gelagert ist.
  3. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sichtrichtung der Erfassungseinrichtung (30) mittels des Gelenks veränderbar ist.
  4. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (10) und die Erfassungseinrichtung (30) längs wenigstens einer räumlichen Kurve bewegbar geführt sind.
  5. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit als Digitalkamera mit zeilenweiser Bilderfassung ausgeführt ist, wobei die Richtung dieser Zeilen oder bei Matrixkameras Spalten der Bildmatrix senkrecht zur Tangentialrichtung der Scankurve orientiert sind.
  6. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (10) dazu ausgebildet ist, unterschiedlich strukturierte Bildmuster im hochfrequenten Wechsel zu erzeugen.
  7. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (10) dazu ausgebildet ist, Linienmuster mit einer Mehrzahl von zueinander parallel und äquidistant verlaufenden Linien als strukturierte Bildmuster oder Linienmuster unterschiedlicher Orientierung alternierend im hochfrequenten Wechsel zu erzeugen.
  8. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichungstoleranz von einer senkrechten Sicht der Bilderfassung auf die spiegelnde Fläche (F) bei gleichzeitiger Minimierung der lateralen Ausdehnung der Beleuchtungseinrichtung (10) durch konkave Ausformung der Lichtaustrittsfläche optimal gehalten wird.
  9. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die konkav geformte Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinrichtung (10) zumindest abschnittsweise von mehreren ebenen Leuchtkacheln (11, 11 a) mit einer Vielzahl von lichtemittierenden Einzelemittern (12) gebildet ist, die zueinander geneigt angeordnet und als Leuchtdioden ausgeführt sind.
  10. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelemitter (12) der Leuchtkacheln (11, 11a) rasterförmig in Zeilen und Spalten angeordnet sind und die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Einzelemitter (12) zur Erzeugung des strukturierten Bildmusters spalten- und/oder zeilenweise anzusteuern.
  11. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Einzelemitter (12) zur Erzeugung von alternierenden Bildmustern im hochfrequenten Wechsel spalten- und/oder zeilenweise anzusteuern.
  12. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelemitter (12) endseitig an Lichtleiter (13) gekoppelt sind.
  13. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (30) auf der der Lichtaustrittsfläche abgewandten Seite einer innerhalb der Beleuchtungseinrichtung (10) zentral angeordneten Leuchtkachel (11a) befestigt ist.
  14. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinrichtung (20) mit einem Markierungen aufweisenden Targetmuster versehen ist, wobei die Markierungen zumindest teilweise in dem an der spiegelnden Fläche (F) gespiegelten und von der optischen Erfassungseinheit (31, 32) erfassten Bildmuster sichtbar sind und insbesondere zur Auswertung des erfassten Bildmusters verwendet werden.
  15. Deflektrometrie-Sensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Erfassungseinheit (31, 32) zur gleichzeitigen Fokussierung auf die spiegelnde Fläche (F) als auch auf das virtuelle Spiegelbild der Beleuchtungsmuster als Doppelsystem ausgebildet ist, um auch bei nichtspiegelnden Oberflächendefekten wie Steinschlag oder dergleichen eine durchgängige und hochauflösende Funktion zu ermöglichen.
  16. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Erfassungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, das an der spiegelnden Fläche (F) gespiegelte Bildmuster in auf die Lage des virtuellen Spiegelbilds fokussierten Einzelaufnahmen zu erfassen.
  17. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (30) zumindest zwei optische Erfassungseinheiten (31, 32) umfasst, welche zur Erfassung des an der spiegelnden Fläche (F) gespiegelten Bildmusters auf unterschiedliche Abstände fokussiert sind.
  18. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Erfassungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, die spiegelnde Fläche (F) eines relativ zum Deflektrometrie-Sensorsystem (100) bewegten Objektes in überlappenden Einzelaufnahmen zu erfassen, welche zumindest für die abschnittsweise räumliche Rekonstruktion der Fläche (F) geeignet sind.
  19. Deflektometrie-Sensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung eine Ansteuerungsplatine umfasst.
  20. Vorrichtung (1) zur Vermessung und Erfassung von Oberflächendefekten spiegelnder Flächen (F), gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von versetzt zueinander angeordneten Deflektometrie-Sensorsystemen (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  21. Vorrichtung (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Deflektometrie-Sensorsysteme (100) derart zueinander versetzt angeordnet sind, dass diese räumlich überlappende Teilbereiche der spiegelnden Fläche (F) erfassen.
  22. Vorrichtung (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Deflektometrie-Sensorsysteme (100) zur Bilderfassung derart ausgebildet sind, dass zueinander versetzt angeordnete Deflektometrie-Sensorsysteme (100) die spiegelnde Fläche (F) eines relativ zur Vorrichtung bewegten Objektes in überlappenden Einzelaufnahmen erfassen.
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