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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Oberflächeninspektionssystem, ein Computerprogramm sowie ein computerlesbares Speichermedium zur Vermessung und / oder Inspektion von Oberflächen eines zu prüfenden Objektes mit mindestens einem Kamerasystem und mindestens einem Beleuchtungssystem.
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In der industriellen Qualitätskontrolle stellt sich oft die Aufgabe, die Oberfläche eines Objektes, zum Beispiel eines Erzeugnisses oder Zwischenerzeugnisses, auf Oberflächendefekte hin zu untersuchen. Oberflächendefekte im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei Abweichungen von der gewünschten Form der Oberfläche des Messobjektes.
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Zur Vermessung und / oder Inspektion von Oberflächen eines Objektes wird hierzu häufig die Streifenprojektion als ein gängiges Verfahren zur Erfassung von Oberflächendaten eines Objektes eingesetzt. Die unterschiedlichsten Streifenprojektionsverfahren und Messgeräte sind dabei hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Ein typisches Streifenprojektionsmessgerät besteht in der Regel aus einem oder mehreren Beleuchtungssystemen und einer oder mehreren Kameras, welche im Verhältnis zu den Beleuchtungssystemen unter unterschiedlichen Blickwinkeln angeordnet sind, so dass letztendlich mittels Triangulation eine Entfernung der zu vermessenden Oberfläche gegenüber dem Messgerät festgestellt werden kann.
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Bei der Streifenprojektion wird die zu vermessende Objektoberfläche durch mindestens ein Beleuchtungssystem mit einer periodischen Intensitätsverteilung, zum Beispiel ein Sinusmuster, beaufschlagt. Diese periodische Intensitätsverteilung wird im Folgenden als Streifenmuster bezeichnet. Über eine oder mehrere Kameras wird anschließend diese Intensitätsverteilung bzw. das Streifenmuster auf dem Objekt aufgenommen.
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Sind die mindestens eine Kamera und das mindestens eine Beleuchtungssystem des Oberflächeninspektionssystems mit einem festen, bekannten Abstand zueinander und unter einem festen, bekannten Beobachtungswinkel, dem sogenannten Triangulationswinkel, zueinander angeordnet, so lässt sich die 3-dimensionale Form der Oberfläche aus den festgestellten 2-dimensionalen Deformationen des Streifenmusters in den Kamerabildern rekonstruieren.
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Ein hochgenaues Verfahren, welches hierbei oft zur Rekonstruktion der Oberflächendaten des zu erfassenden Objektes zur Anwendung kommt, ist das sogenannte Phasenshift-Verfahren, bei dem - wie der Name schon nahelegt - eine Phasenschiebung des projizierten Streifenmusters durchgeführt wird.
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Hierzu werden grundsätzlich zwei unterschiedliche Methoden des Phasenschiebens unterschieden, das zeitliche Phasenschieben und das räumliche Phasenschieben.
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Das zeitliche Phasenschieben lässt sich am einfachsten bei einem Interferometer-Aufbau wie dem Michelson-Interferometer als Oberflächeninspektionssystem nachvollziehen, bei dem der Referenzspiegel zeitlich nacheinander um bestimmte Bruchteile einer Periodenlänge des verwendeten Lichtes mit Hilfe von zum Beispiel Piezoelementen stückweise verschoben wird. Bei vier äquidistanten Verschiebungen pro Periodenlänge mit entsprechend vier Bildaufnahmen pro Periodenlänge lässt sich dann die Phase eines Bildpunktes / Pixels i,j des Interferenzbildes des Objektes mittels der vier festgestellten Intensitäten I1 bis I4 des Pixels i,j ermitteln zu Phasei,j = arctan [(I2 - I4) / (I3 - I1)]. Dieses aus den vier nacheinander erfolgten Messungen mittels der arctan-Operation resultierende Phasenbild zeigt dann in der Regel noch Sprungstellen an Stellen bzw. Orten des Objektes, die aufgrund der vorliegenden Höhenunterschiede zu unterschiedlichen Perioden des Interferenzmusters gehören.
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Werden diese Sprungstellen mittels Demodulation dann den zugehörigen Perioden richtig zugeordnet, so resultiert aus dem demodulierten Phasenbild das richtige Höhenprofil des betrachteten Objektes.
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Ein entsprechendes zeitliches Phasenschieben in vier Schritten bei einem Streifenprojektor mit einem entsprechend ansteuerbaren Beleuchtungssystem wird zum Beispiel in dem Fachartikel von H.-N. Yen und D.-M. Tsai mit dem Titel „A fast full-field 3D measurement system for BGA coplanarity inspection", erschienen in Int J Adv Manuf Technol (2004) 24: 132-139 beschrieben.
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Das räumliche Phasenschieben als statisches Verfahren bedient sich hingegen der Trägerfrequenzmethode, bei der die im Bild aufgenommene räumliche Periode des mittels einem Beleuchtungssystem erzeugten Streifenmusters auf dem Objekt bei der Abbildung durch eine Kamera wenigstens dem Durchmesser von drei bis vier Pixeln des verwendeten Kamerachips entspricht. Hierdurch kann dann ein einziges aufgenommenes Kamerabild per Computer bzw. Rechnereinheit pixelweise verschoben werden, zum Beispiel in vier Schritten mit jeweils einem Pixel, wenn die räumliche Periode des Streifenmusters im Kamerabild dem Durchmesser von vier Pixeln entspricht, um für jeden Bildpunkt / Pixel i,j aus den vier resultierenden Kamerabildern eine Phasei,j = arctan [(I2 - I4) / (I3 - I1)] zu berechnen, aus der sich dann mittels Demodulation ebenfalls ein Höhenprofil des Objektes berechnen lässt.
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Das räumliche Phasenschieben ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine sehr schnelle Erfassung der Oberfläche erforderlich ist, da für dieses Verfahren lediglich eine einzige Aufnahme des Objektes notwendig ist. Eine Messung mit dem räumlichen Phasenschieben kann daher innerhalb der Belichtungszeit der Kamera ausgeführt werden. Bei Verwendung von entsprechend hellen Lichtquellen zur Beleuchtung (z.B. Blitzlampen oder Arrays von LEDs) kann die Belichtungszeit der Kamera typischerweise auf Werte deutlich kleiner als eine Millisekunde, zum Beispiel auf 100 Mikrosekunden reduziert werden. Mit dem räumlichen Phasenschieben ist also eine hochgenaue Erfassung der Oberfläche aus einem Kamerabild mit einer Erfassungsdauer von typischerweise 100 µs möglich. Die Erfassungsdauer für das zeitliche Phasenschieben, bei dem viele sukzessive Aufnahmen nötig sind, ist hingegen deutlich länger. Insbesondere für dynamische Anwendungen, bei denen sich das Streifenprojektionssystem während der Messung relativ zu der zu erfassenden Oberfläche bewegt, hat das räumliche Phasenschieben daher deutliche Vorteile gegenüber dem zeitlichen Phasenschieben. Insofern wird das räumliche Phasenschieben für automatisierte, robotergestützte Anwendungen, wie sie zum Beispiel in der In-line-Inspektion bei der Fertigung großer Objekte in den Fertigungsstraßen in der Automobilindustrie vorkommen, bevorzugt eingesetzt.
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Eine gute Beschreibung des räumlichen Phasenschiebens im Vergleich zum zeitlichen Phasenschieben ist zum Beispiel in dem Fachartikel von Shien Ri et al mit dem Titel „Spatiotemporal phase-shifting method for accurate phase analysis of fringe pattern", erschienen in J. OPT. 21 (2019), 095702, (https://doi.org/10.1088/2040-8986/ab3842) zu finden.
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Bei beiden oben genannten Verfahren wird die Phase des verwendeten Streifen- bzw. Sinusmusters für jeden betrachteten Ort des zu erfassenden Objektes bestimmt, wodurch eine laterale Auflösung deutlich unterhalb der lateralen Periodenlänge des verwendeten Interferenz- bzw. Streifenmusters auf dem zu messenden Objekt resultiert. Die laterale Auflösung dieser Verfahren hängt somit von der Größe der Kamerapixel, vom Abbildungsmaßstab und von der Qualität des erfassten Sinusmusters, insbesondere von dessen Rauschen und Kontrast, ab. Der Kontrast K des erfassten Sinusmusters bzw. einer periodischen Intensitätsverteilung mit einem Intensitätsmaximum Imax und einem Intensitätsminimum Imin ist hierbei als K = (Imax - Imin) / ((Imax + Imin) definiert.
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Da das räumliche Phasenschieben insbesondere auf eine hohe räumliche Trägerfrequenz des Streifenmusters angewiesen ist, führen starke Variationen der Helligkeit des Objektes, insbesondere bei kleinräumigen Variationen, die sich von Kamerapixel zu Kamerapixel bemerkbar machen, zu Verfälschungen des Kontrastes, wodurch sich das Auflösungsvermögen des Messverfahrens verringert.
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Kleinräumige Variationen in der Helligkeit der Oberfläche für eine gegebene Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung hängen von der mikroskopischen und makroskopischen Struktur der Objektoberfläche ab. Mikroskopisch bezeichnet in diesem Zusammenhang die Längenskala im Bereich der genutzten Wellenlänge des Beleuchtungslichtes des Beleuchtungssystems. Als makroskopisch werden hingegen Längenskalen der Oberflächenstruktur bezeichnet, die deutlich größer als die genutzte Wellenlänge des Beleuchtungslichtes sind. Eine solche Unterscheidung zwischen mikroskopischen und makroskopischen Oberflächenstrukturen ist sinnvoll, da lediglich die mikroskopischen Oberflächenstrukturen die Streu- und Reflexionseigenschaften der Oberflächen bestimmen.
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Je nach Streu- und Reflexionseigenschaften unterscheidet man zwischen optisch glatten, optisch rauen und glänzenden Oberflächen. Optisch glatte Oberflächen sind Oberflächen mit Rauhigkeiten deren Längenskalen kleiner als die Beobachtungswellenlänge sind, beispielsweise polierte Metall- oder Glasoberflächen sowie lackierte Oberflächen. Bei solchen glatten Oberflächen wird Licht, das unter einem gewissen Winkel zur lokalen Oberflächennormale auf die Objektoberfläche trifft, nach dem Reflexionsgesetz ganz oder teilweise reflektiert. Optisch raue Oberflächen haben Rauhigkeiten deren Längenskalen größer als die Beobachtungswellenlänge sind. Solche Flächen, wie zum Beispiel eine weiße Raufasertapete oder eine mit Kreide bemalte Fläche, weisen diffuses Streuverhalten auf. Der Idealfall solcher Flächen wird durch das Lambert'sche Streuverhalten beschrieben, bei dem die gestreute Lichtintensität nicht von der gewählten Beobachtungsrichtung abhängt, sondern lediglich von der wirksamen Größe der Streufläche und damit lediglich vom Kosinus des Winkels zwischen Einfallsrichtung und Oberflächennormale der Streufläche. Optisch glänzende Oberflächen liegen im Übergangsbereich von optisch rauen Oberflächen mit diffusem Streuverhalten und optisch glatten, spiegelnden Oberflächen vor. Die Längenskalen der Rauhigkeiten dieser Oberflächen liegen daher im Größenbereich der Wellenlänge des Beobachtungslichtes. Bei solchen optisch glänzenden Oberflächen wird das Licht vorzugsweise verstärkt in die Reflexionsrichtung reflektiert bzw. gestreut. Die Streukeule des gestreuten bzw. reflektierten Lichtes weist hierbei, anders als bei der Reflexion, eine endliche Breite auf. Die Streuung ist dabei aber trotzdem stark gerichtet und die gestreute Intensität fällt zu größeren und kleineren Winkeln als der Reflexionswinkel relativ schnell ab. Solche glänzenden Oberflächen entstehen durch zahlreiche Bearbeitungs- und Formgebungsverfahren von Werkstoffen wie zum Beispiel Pressen, Schleifen oder Zerspanen.
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Die Problemstellung bei der Vermessung von optisch glatten oder glänzenden Oberflächen wird nachfolgend anhand der 1 näher verdeutlicht. Die 1 zeigt beispielhaft für verschiedene Punkte P1 bis P3 auf einer optisch glatten oder glänzenden Oberfläche, wie für eine bestimmte, feste Beleuchtungsrichtung B1 eines Beleuchtungssystems eines Oberflächeninspektionssystems und einer Blickrichtung K1 einer Kamera des Oberflächeninspektionssystems aufgrund der Oberflächenstruktur des Objektes bestehend aus makroskopischen und mikroskopischen Strukturen, trotz einer möglichst homogenen Beleuchtung durch das Beleuchtungssystem, kleinräumige Bereiche mit verschiedener Helligkeit - d.h. unterschiedlichen Grauwerten auf den Kamerapixeln - auftreten können. Dazu zeigt 1 a) in Bezug auf den Oberflächenpunkt P1 eine Situation, in der der feste Winkel des Oberflächeninspektionssystems (fester Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkel) zwischen der Beleuchtungsrichtung B1 und der Blickrichtung K1 des Kamerasystems gerade der Summe aus dem Einfallswinkel und dem Ausfallswinkel bei der Reflexion des Beleuchtungslichtes am Punkt 1 in Bezug auf die Oberflächennormale des Punkte P1 entspricht.
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Bei optisch glatten und glänzenden Oberflächen wird nun der Großteil des Lichtes, das am Punkt P1 unter einem bestimmten Einfallswinkel zur Flächennormale auf die Oberfläche trifft, durch Reflexion nach dem Reflexionsgesetzt abgestrahlt. Dabei sind der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel betragsmäßig gleich groß. Insofern kann hierbei die stärkste Intensität (der höchste Grauwert im Kamerabild) in der Blickrichtung K1 entgegen dem Ausfallswinkel mit Abstrahlrichtung R1 wahrgenommen werden. Bei optisch glatten Oberflächen wird nun aufgrund der speziellen mikroskopischen Struktur, die sich stark von der mikroskopischen Struktur glänzender Oberflächen unterscheidet und die zumindest in den sogenannten Power Spectral Density (PSD) Werten der mikroskopischen Struktur nur Bruchteile der PSD-Werte der mikroskopischen Struktur glänzender Oberflächen aufweist, ein sehr großer Teil des Lichtes durch Reflexion exakt in Richtung R1 abgestrahlt. Somit nimmt hierbei die beobachtete Intensität bzw. der Grauwert des dem Punkt P1 entsprechenden Pixels durch eine leichte Abweichung der Blickrichtung K1 der Kamera von der Abstrahlrichtung R1 stark ab. Bei glänzenden Oberflächen hingegen wird durch deren spezielle mikroskopische Struktur ein nicht unerheblicher Teil des auf den Punkt P1 auftreffenden Lichtes nicht streng in die vom Reflexionsgesetzt vorgegebene Richtung R1 abgestrahlt, sondern in einen Streukegel, der sich mit einer gewissen Breite um die Reflexionsrichtung R1 aufspannt, gestreut. Die Kamera erfasst auch bei solchen, glänzenden Oberflächen die maximale Intensität immer noch beim Blick in die Blickrichtung K1 entgegen der Abstrahlrichtung R1. Ebenfalls nimmt der Grauwert des entsprechenden Pixels bei einer Änderung der Blickrichtung K1 leicht ab. Allerdings fällt diese Abnahme des Grauwertes durch die höhere Streuwirkung glänzender Oberflächen deutlich geringer aus als bei optisch glatten Oberflächen, denn solange die Blickrichtung K1 noch innerhalb des Streukegels um R1 bei P1 herum liegt, wird das Kamerapixel noch Licht detektieren und einen entsprechenden Grauwert aufweisen.
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Wenn nun wie in 1 a) durch die für die Messung gewählte Pose des Oberflächeninspektionssystems der Punkt P1 derart vermessen wird, dass der fest vorgegebene Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkel des Oberflächeninspektionssystems in Bezug zu der am Punkt 1 vorliegenden Oberflächennormale N1 bei der Messung zufälligerweise so ausgerichtet ist, dass der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel zusammen den Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkel bilden, so wird in Richtung R1 die maximal mögliche Intensität an Beleuchtungslicht durch die Struktur reflektiert und / oder gestreut. Insofern wird die Kamera mit der Blickrichtung K1 in 1 a) ein Maximum an Intensitäten bzw. Grauwerten ermitteln, da die Kamera in der Situation in 1 a) gerade der Richtung R1 des Ausfallswinkels bei P1 entgegenblickt.
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Ganz anders verhält sich die Situation für die Messung eines entfernten Punktes P2 in der 1 a) dessen Oberflächennormal N2 aufgrund des flacheren Verlaufs der Oberfläche bei P2 in eine andere Richtung zeigt als die Oberflächennormale bei P1. Die gleiche Pose des Oberflächeninspektionssystems wie bei der Vermessung von Punkt P1 führt nun bei Punkt P2 dazu, dass die Blickrichtung K1 der Kamera beim Punkt P2 nicht mehr der Richtung R1 des Ausfallswinkels bei P2 entgegenblickt. Insofern wird die Kamera bei P2 nur eine reduzierte Intensität an Licht aus dem Streukegel um R1 herum wahrnehmen können und daher im Vergleich zur vorherigen Messung bei P1 niedrigere Grauwerte ermitteln.
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Analog verhält sich die Situation für die Messung eines entfernten Punktes P3 in der 1 b) dessen Oberflächennormal N2 aufgrund des steileren Verlaufs der Oberfläche bei P2 in eine andere Richtung zeigt als die Oberflächennormale bei P1. Die gleiche Pose des Oberflächeninspektionssystems wie bei der Vermessung von Punkt P1 führt nun bei Punkt P3 ebenfalls dazu, dass die Blickrichtung K1 der Kamera beim Punkt P3 nicht mehr der Richtung R1 des Ausfallswinkels bei P3 entgegenblickt. Insofern wird die Kamera bei P3 ebenfalls nur eine reduzierte Intensität an Licht aus dem Streukegel um R1 herum wahrnehmen können und daher ebenfalls im Vergleich zur vorherigen Messung bei P1 niedrigere Grauwerte ermitteln.
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Die sich aus Kombination von makroskopischer und / oder mikroskopischer Oberflächenstruktur eines Objektes ergebende, spezifische Helligkeitsverteilung im Kamerabild mit zum Teil lokalen, kleinräumigen Helligkeitsunterschieden im Kamerabild einer ansonsten homogen ausgeleuchteten Oberfläche wird im Folgenden als Oberflächentextur bezeichnet. Wird die Beleuchtungsrichtung und / oder die Blickrichtung der Kamera relativ zu der Flächennormale des betrachteten Punktes geändert, so ändert sich im Allgemeinen auch die Oberflächentextur, da andere Bereiche nun heller oder dunkler erscheinen. Oberflächen, deren Kamerabilder insbesondere lokale, kleinräumige Helligkeitsunterschiede aufweisen, werden im Folgenden als stark texturierte Oberflächen bezeichnet.
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Bei Oberflächen mit unregelmäßigen Strukturen, insbesondere mit unregelmäßigen makroskopischen Strukturen, führen lokale, kleinräumige Helligkeitsunterschiede im Kamerabild (Oberflächentexturen) bei hochauflösenden Streifenprojektionsverfahren - insbesondere bei der Verwendung des räumlichen Phasenshift-Verfahrens - zu einer erheblichen Störung der Messung und damit zu einer signifikanten Herabsetzung der Messgenauigkeit.
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Insbesondere bei hoher Streifenfrequenz führt zum Beispiel die Überlagerung eines sinusförmigen Streifenmusters mit lokalen, kleinräumigen Helligkeitsunterschieden zu großen Fehlern und Unsicherheiten bei der Rekonstruktion der Phase des Sinusmusters und damit zu einer signifikanten Verringerung der Auflösung des Streifenprojektionsverfahrens.
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Viele technische Oberflächen, zum Beispiel gewalzte oder gepresste Blechteile, weisen eine Oberflächenstruktur auf, die zu den oben beschriebenen, problematischen kleinräumigen Helligkeitsunterschieden führt.
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Das zeitliche Phasenshift-Verfahren ist weniger empfindlich auf kleinräumige Helligkeitsunterschiede der Oberfläche, führt aber zu Einschränkungen, die für viele Anwendungen nicht akzeptabel sind. Beim zeitlichen Phasenshift-Verfahren ist für die Detektion von Oberflächendefekten die Aufnahme von mehreren Bildern (theoretisch mindestens drei, typischerweise aber deutlich mehr) in zeitlicher Abfolge für verschiedene durch das Beleuchtungssystem sukzessive erzeugten Intensitätsverteilungen notwendig. Das führt zu einer deutlichen Verlängerung der benötigten Messdauer. Außerdem ist während der Aufnahme keine oder nur eine geringe Relativbewegung des zu prüfenden Objektes und das Oberflächeninspektionssystems zulässig. Insbesondere bei automatisierten Anwendungen muss daher die Relativbewegung des Sensors vor der Vermessung jedes Teilbereichs des zu prüfenden Objektes gestoppt werden. Dadurch wird der Zeitbedarf für die Inspektion größerer Objekte, die nicht mittels einer Messung erfasst werden können, deutlich erhöht. In die Fertigung integrierte In-line-Prüfsysteme können dann gegebenenfalls nicht mit dem vorgesehenen Fertigungstakt mithalten. Gerade für automatisierte, robotergestützte Inspektionsanwendungen, wie sie oft in der In-line-Inspektion bei der Fertigung großer Objekte, z.B. in Fertigungsstraßen der Automobilindustrie eingesetzt werden, ist das ein schwerwiegender Nachteil des zeitlichen Phasenshift-Verfahrens.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bekannte Phasenshift-Verfahren, insbesondere das räumliche Phasenshift-Verfahren, und entsprechende Oberflächeninspektionssysteme so zu verbessern, dass diese auch für die Messung von stark texturierten Oberflächen eingesetzt werden können. Insbesondere soll darüber hinaus beim räumlichen Phasenshift-Verfahren die kurze Messdauer und die Möglichkeit erhalten bleiben, Messungen während einer Relativbewegung zwischen dem Oberflächeninspektionssystem und dem zu vermessenden Objekt durchzuführen.
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Die vorliegenden Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur hochauflösenden Vermessung und / oder Inspektion von Oberflächen, insbesondere von texturierten Oberflächen eines Objektes mittels einem Oberflächeninspektionssystem umfassend mindestens ein Kamerasystem und mindestens ein Beleuchtungssystem, wobei die Vermessung und / oder Inspektion der Oberflächen mittels eines Streifenprojektionsverfahrens, insbesondere nach dem räumlichem Phasenshiftverfahren, erfolgt, wobei das mindestens eine Beleuchtungssystem ein Streifenmuster auf der zu vermessenden Oberfläche des Objektes erzeugt und das mindestens eine Kamerasystem das auf der zu vermessenden Oberfläche erzeugte Streifenmuster erfasst, wobei durch mindestens ein Beleuchtungssystem mindestens eine weitere Intensitätsverteilung auf der zu vermessenden Oberfläche des Objektes erzeugt wird und durch mindestens ein Kamerasystem diese weitere auf der zu vermessenden Oberfläche erzeugte Intensitätsverteilung erfasst wird und wobei durch eine Rechnereinheit des Oberflächeninspektionssystems die Daten des erfassten Streifenmusters anhand der Daten der erfassten weiteren Intensitätsverteilung verändert bzw. weiterverarbeitet werden.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich der störende Effekt der kleinräumigen Helligkeitsunterschiede innerhalb eines Streifenbildes durch Aufnahme eines weiteren Referenzbildes mit einer anderen bzw. weiteren Intensitätsverteilung erfassen lässt. Insofern muss der störende Effekt, insbesondere bei hoher Streifenfrequenz, nicht einfach als Gott-gegeben oder durch unbekannte Oberflächenstrukturen erzeugt und damit als nicht berechenbar hingenommen werden, sondern kann erfindungsgemäß anhand eines weiteren Referenzbildes, welches bei einer anderen Intensitätsverteilung auf der Objektoberfläche aufgenommen worden ist, empirisch erfasst werden.
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Wenn hierbei ein digitaler Lichtmodulator in einem Beleuchtungssystem eingesetzt wird, kann das gleiche Beleuchtungssystem für die Projektion beider Intensitätsverteilungen auf dem Objekt eingesetzt werden. Die Aufnahme der entsprechenden Kamerabilder kann dann über ein und dieselbe Kamera erfolgen. In diesem Fall weisen die Bilder eine identische Oberflächentextur auf, da zwischen den Aufnahmen die relative Position und Pose des Beleuchtungssystems und der Kamera gegenüber dem stillstehenden Objekt nicht geändert wurde.
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Wird ein zeitliches Phasenshift-Verfahren eingesetzt, so können durch die Rechnereinheit des Oberflächeninspektionssystems mehrere, sukzessiv aufgenommene Streifenbilder durch die von der Kamera ebenfalls erfassten Intensitätsverteilungen der mindestens einen weiteren Intensitätsverteilung bzw. durch zumindest eine von der Kamera erfassten Intensitätsverteilung mittels einer Rechnereinheit verändert bzw. weiterverarbeitet werden. Unter einer Rechnereinheit des Oberflächeninspektionssystems wird hierbei jede Form einer Rechnereinheit verstanden, auf der Daten verarbeitet werden können, so zum Beispiel auch FPGAs. Dabei kommt es auch nicht darauf an, ob diese Rechnereinheit direkt vor Ort installiert ist oder ob die Datenverarbeitung fernab erfolgt, zum Beispiel mittels eines Datenaustauschs über Netzwerke.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Grauwerte in den erfassten Kamerabildern des Streifenprojektionsverfahrens durch entsprechende Grauwerte der erfassten Kamerabilder der mindestens einen weiteren Intensitätsverteilung normiert bzw. kalibriert. Indem die einzelnen Grauwerte der einzelnen Pixel einer mathematischen Operation der Normierung bzw. Kalibrierung unterzogen werden, wird sichergestellt, dass eine lokale, kleinräumige Korrektur des Streifenbildes auf Pixeleben erfolgt. Eine solche Normierung bzw. Kalibrierung kann hierbei dadurch erfolgen, dass sich in den Kamerabildern entsprechende Grauwerte einzelner Pixel durch eine mathematische Operation, insbesondere mittels einer Subtraktion und / oder Division der direkten Grauwerte oder von daraus abgeleiteten Funktionswerten miteinander in Beziehung gesetzt werden. Insbesondere bei Nutzung von unterschiedlichen Kameras mit einer unterschiedlichen Anzahl von Pixeln ist es auch denkbar, dass hierbei zum Beispiel durch ein sogenanntes Binning die lokale Umgebung von Pixeln zum Beispiel durch Mittelwertbildung der entsprechenden Grauwerte für die Normierung bzw. Kalibrierung miteinander in Beziehung gesetzt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Normierung bzw. Kalibrierung dadurch, dass die Grauwerte eines Kamerabildes mit Streifenmuster durch die Grauwerte eines entsprechenden Kamerabildes der mindestens einen weiteren Intensitätsverteilung dividiert werden. Die Pixelweise Division von sich entsprechenden Grauwerten aus dem Streifenbild und dem Referenzbild stellt hierbei die denkbar einfachste Form einer Normierung bzw. Kalibrierung dar. Allerdings sollten hierbei die Pose und die Position des Oberflächeninspektionssystems zwischen den beiden Aufnahmen, zum Beispiel durch Vibrationen, nicht wesentlich verändert werden.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden die für die Normierung bzw. Kalibrierung notwendigen Kamerabilder von zwei Kamera-Beleuchtungs-Einheiten, die jeweils aus einem Beleuchtungssystem und einem Kamerasystem des Oberflächeninspektionssystems bestehen, erfasst, wobei die Kamerasysteme und die Beleuchtungssysteme so angeordnet sind, dass für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten für alle Oberflächenbereiche des zu vermessenden Objektes die Reflexionsbedingung für dieselbe Ausrichtung der jeweiligen Flächennormale der Objektoberfläche erfüllt ist, insbesondere dadurch, dass für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten die jeweilige Winkelhalbierende des Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkels miteinander zusammenfallen. Bei dieser Ausführungsform können die Bilder des Streifenprojektionsverfahrens und die Bilder der weiteren Intensitätsverteilung durch die beiden voneinander getrennten Kamera-Beleuchtungs-Einheiten gleichzeitig aufgenommen werden und unterliegen daher nicht etwaigen Vibrationseinflüssen. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausführungsform auch dynamische Messungen während der Relativbewegung von Inspektionssystem und zu vermessendem Objekt. Gegenseitig überlagernde Intensitätsverteilungen können hierbei durch den Einsatz verschiedener Wellenlängen mit entsprechenden Filtern oder Farbkanälen vermieden werden, alternativ oder zusätzlich kann hierbei auch ein minimaler Zeitversatz für die Trennung der Intensitätsverteilungen genutzt werden. Damit die Normierung des Streifenbildes durch ein Referenzbild einer zweiten Kamera-Beleuchtungs-Einheit allerdings gut funktioniert, sollte die zweite Kamera-Beleuchtungs-Einheit mit ihrem Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkel so gegenüber der ersten Kamera-Beleuchtungs-Einheit angeordnet werden, dass die Winkelhalbierenden beider Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkel übereinstimmen bzw. übereinander liegen. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Oberflächentextur in beiden Kamerabildern nicht, oder nur unwesentlich unterscheidet. Damit ist eine Voraussetzung zur Verrechnung von Streifenbild und Referenzbild gegeben.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zur Normierung bzw. Kalibrierung verwendeten Kamerabilder der mindestens einen weiteren Intensitätsverteilung zeitversetzt zu den Kamerabildern des Streifenprojektionsverfahrens erfasst. Hierdurch kann zum Beispiel eine zweite Kamera-Beleuchtungs-Einheit und die damit verbundenen zusätzlichen Kosten vermieden werden. Außerdem erlauben leistungsstarke Lichtquellen wie Halogen-Blitzlampen oder Hochleistungs-LEDs kurze Belichtungszeiten (typischerweise 100 µs), so dass mit entsprechend synchronisierten Kameras die Aufnahme von Streifenbild und Referenzbild in kurzen zeitlichen Abständen erfolgen kann. Insbesondere in Kombination mit dem räumlichen Phasenshift-Verfahren, bei dem für eine Messung nur die Aufnahme von zwei Bildern - einem Streifenbild und einem weiteren Referenzbild - nötig ist, kann durch diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Messdauer kleiner einer Millisekunde (< 1 ms) realisiert werden. Alternativ kann der Zeitversatz auch bei dem Einsatz von zwei Kamera-Beleuchtungseinheiten zusätzlich oder alternativ zur Farbtrennung als weitere Möglichkeit zur Trennung der Intensitätsverteilungen eingesetzt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zur Normierung bzw. Kalibrierung verwendeten Kamerabilder der mindestens einen weiteren Intensitätsverteilung in einer anderen Wellenlänge, insbesondere zeitgleich, zu den Kamerabildern des Streifenprojektionsverfahrens erfasst. Hierdurch lassen sich in den Kamerabildern bei der Verwendung von mehreren Beleuchtungssystemen und / oder mehreren Lichtquellen für das Streifenmuster und die weitere Intensitätsverteilung die aufgenommenen Pixelwerte der Kamerabilder anhand der jeweils genutzten Wellenlänge / Farbe eindeutig der jeweiligen Ursache bzw. dem jeweiligen Beleuchtungsmuster zuordnen.
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Aufnahme der zu normierenden bzw. kalibrierenden Kamerabilder des Streifenprojektionsverfahren und zur Aufnahme der Kamerabilder der mindestens einen weiteren Intensitätsverteilung verschiedenfarbige Filter und / oder verschiedene Farbkanäle der Kamerasysteme verwendet. Hierdurch können die aufgenommenen Pixelwerte der Kamerabilder gezielt entweder dem Streifenmuster oder der weiteren Intensitätsverteilung zugeordnet werden. Außerdem können dann beide Bilder - Streifenbild und Referenzbild - gleichzeitig aufgenommen werden. Bei der Verwendung verschiedener Farbkanäle kann auch nur eine Kamera für die, insbesondere gleichzeitige Aufnahme von Streifenbild und Referenzbild verwendet werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform projiziert ein Beleuchtungssystem ein Streifenmuster auf das zu vermessende Objekt und ein anderes Beleuchtungssystem beaufschlagt das zu vermessende Objekt mit einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung. Hierdurch wird ein Umschalten zwischen den unterschiedlichen Projektionsarten in einem Beleuchtungssystem vermieden. Dies ist insbesondere dann angezeigt, wenn für eine hohe räumliche Auflösung Streifenmuster mit einer sehr hohen Streifendichte bzw. Streifenfrequenz benötigt werden, die sich nur durch Projektion einer mikrolithographisch strukturierten Amplitudenmaske auf einem Glassubstrat realisieren lassen. Auf mikrolithographisch strukturierten Substraten sind deutlich kleinere Strukturgrößen erreichbar als mit variablen räumlichen Lichtmodulatoren wie LCOS oder DMD Displays. Außerdem sind variable Lichtmodulatoren teuer und benötigen komplexe optomechanische Aufbauten. Darüber hinaus benötigt die sukzessive Aufnahme von zwei oder mehr Bildern, zum Beispiel für das zeitliche Phasenshift-Verfahren, eine längere Messzeit.
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Bei einer Ausführungsform umfasst ein Beleuchtungssystem des Oberflächeninspektionssystems des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Anordnung von mindestens zwei LEDs, deren Licht durch Vorsatzoptiken auf jeweils einen Teilbereich des zu vermessenden Objektes gerichtet abgestrahlt wird. Hierdurch wird die Bedingung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert, dass für jeden betrachteten Objektpunkt und dem zugehörigen Kamerapixel eine definierte Beleuchtungsrichtung gegeben ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform erzeugt eine Anordnung von LEDs des mindestens einen Beleuchtungssystems eine möglichst gleichmäßige Intensitätsverteilung auf dem Objekt, wobei die Anordnung der LEDs so gewählt ist, dass für jeden betrachteten Teilbereich des Objektes, für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten, die Reflexionsbedingung für dieselbe Ausrichtung der jeweiligen Flächennormale der zu vermessenden Objektoberfläche erfüllt ist, insbesondere dadurch, dass für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten die jeweilige Winkelhalbierende des Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkels übereinstimmt. Hierdurch werden die Positionen und Abstrahlwinkel der einzelnen Beleuchtungssegmente des mindestens einen Beleuchtungssystems zur Erzeugung der mindestens einen weiteren Intensitätsverteilung so gewählt, dass die Reflexgeometrie für alle Oberflächenpunkte auf dem, durch das jeweilige Segment beleuchteten Bereich des zu vermessenden Objektes auf die Blickrichtung der Kamera abgestimmt ist. Außerdem kann bei dieser Ausführungsform eine homogene Ausleuchtung des durch die Kamera erfassten Bereichs realisiert werden. Durch die Verwendung von Hochleistungs-LEDs können hierbei sehr kurze Belichtungszeiten von typischerweise 100 µs für die Aufnahme des Referenzbildes erreicht werden.
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zu normierenden bzw. kalibrierenden Kamerabilderbilder des Streifenprojektionsverfahrens vor der Normierung bzw. Kalibrierung räumlich mit den Kamerabildern der mindestens einen weiteren Intensitätsverteilung in Deckung gebracht. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es, bei einer Bewegung des Objektes, zum Beispiel während der In-line Inspektion und / oder bei zeitlich versetzten Aufnahmen des Streifenbildes und des Referenzbildes, die erfindungsgemäße Weiterverarbeitung des Streifenbildes.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mittels eines Matching-Verfahrens, welches die spezifische Helligkeitsverteilung auf der Objektoberfläche nutzt, die zu kalibrierenden bzw. zu normierenden Kamerabilder des Streifenprojektionsverfahrens vor der Normierung bzw. Kalibrierung mit den Kamerabildern der mindestens einen weiteren Intensitätsverteilung räumlich in Deckung gebracht. Bei einem sogenannten Matching-Verfahren bestimmt ein Algorithmus, die (lokale) Verschiebung von Streifenbild und Referenzbild. Dann ist eine eindeutige Zuordnung der Pixel von Streifenbild und Referenzbild zu den Objektpunkten möglich. Hierzu kann der Algorithmus zum Beispiel die spezifische Helligkeitsverteilung nutzen, die sich aus der Oberflächentextur ergibt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus gelöst durch ein dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechenden Oberflächeninspektionssystem zur hochauflösenden Vermessung und / oder Inspektion von Oberflächen, insbesondere von texturierten Oberflächen eines Objektes mittels einem Streifenprojektionsverfahrens, insbesondere nach dem räumlichen Phasenshift-Verfahren, wobei das Oberflächeninspektionssystem mindestens ein Beleuchtungssystem zur Erzeugung eines Streifenmusters auf der zu vermessenden Oberfläche des Objektes und mindestens ein Kamerasystem zur Erfassung des erzeugten Streifenmusters aufweist, wobei durch mindestens ein Beleuchtungssystem mindestens eine weitere Intensitätsverteilung auf der zu vermessenden Oberfläche des Objektes erzeugt wird und durch mindestens ein Kamerasystem diese weitere auf der zu vermessenden Oberfläche erzeugte Intensitätsverteilung erfasst wird und wobei durch eine Rechnereinheit des Oberflächeninspektionssystems die Daten des erfassten Streifenmusters anhand der Daten der erfassten weiteren Intensitätsverteilung verändert bzw. weiterverarbeitet, insbesondere normiert bzw. kalibriert, werden. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich der störende Effekt der kleinräumigen Helligkeitsunterschiede innerhalb eines Streifenbildes durch Aufnahme eines weiteren Referenzbildes mit einer anderen bzw. weiteren Intensitätsverteilung erfassen lässt. Dementsprechend kann das Streifenbild mittels einer Rechnereinheit des Oberflächeninspektionssystems anhand der Daten des Referenzbildes verändert bzw. weiterverarbeitet oder sogar normiert bzw. kalibriert werden, so dass hiermit ansonsten auftretende Störeffekte im Streifenbild weitestgehend reduziert werden können.
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In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Oberflächeninspektionssystem zwei Kamera-Beleuchtungs-Einheiten auf, die jeweils aus einem Beleuchtungssystem und einem Kamerasystem des Oberflächeninspektionssystems bestehen, wobei die Kamerasysteme und die Beleuchtungssysteme so angeordnet sind, dass für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten für alle Oberflächenbereiche des zu vermessenden Objektes die Reflexions-bedingung für dieselbe Ausrichtung der jeweiligen Flächennormale der Objektoberfläche erfüllt ist, insbesondere dadurch, dass für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten die jeweilige Winkelhalbierende des Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkels übereinstimmt. Bei dieser Ausführungsform können die Bilder des Streifenprojektionsverfahrens und die Bilder der weiteren Intensitätsverteilung durch die beiden voneinander getrennten Kamera-Beleuchtungs-Einheiten gleichzeitig aufgenommen werden und unterliegen daher nicht etwaigen Vibrationseinflüssen. Eventuell auftretende Überlagerungen von Intensitätsverteilungen lassen sich hierbei mittels einer Farbtrennung durch den Einsatz verschiedener Wellenlängen in Kombination mit entsprechenden Filtern oder Farbkanälen der Kameras reduzieren. Damit diese Normierung des Streifenbildes durch eine Referenzbild einer zweiten Kamera-Beleuchtungs-Einheit allerdings gut funktioniert, sollte die zweite Kamera-Beleuchtungs-Einheit mit ihrem Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkel so gegenüber der ersten Kamera-Beleuchtungs-Einheit angeordnet werden, dass die Winkelhalbierenden beider Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkel übereinstimmen bzw. übereinander liegen. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Oberflächentextur in beiden Kamerabildern nicht, oder nur unwesentlich unterscheidet. Damit ist eine Voraussetzung zur Verrechnung von Streifenbild und Referenzbild gegeben.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächeninspektionssystems weist mindestens ein Kamerasystem verschiedenfarbige Filter und / oder verschiedene Farbkanäle für die Aufnahmen der unterschiedlichen Kamerabilder von Streifenprojektion und weiterer Intensitätsverteilung auf. Hierdurch können die aufgenommenen Pixelwerte der Kamerabilder gezielt entweder dem Streifenmuster oder der weiteren Intensitätsverteilung zugeordnet werden. Außerdem können dann beide Bilder - Streifenbild und Referenzbild - gleichzeitig aufgenommen werden. Bei der Verwendung verschiedener Farbkanäle kann auch nur eine Kamera für die, insbesondere gleichzeitige, Aufnahme von Streifenbild und Referenzbild verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächeninspektionssystems umfasst mindestens ein Beleuchtungssystem eine Anordnung von mindestens zwei LEDs, deren Licht durch Vorsatzoptiken auf jeweils einen Teilbereich des zu vermessenden Objektes gerichtet abgestrahlt wird, wobei die Summe der LEDs eine möglichst gleichmäßige Intensitätsverteilung auf dem Objekt erzeugt. Hierdurch wird die Bedingung für das erfindungsgemäße Oberflächeninspektionssystem verbessert, dass für jeden betrachteten Objektpunkt und dem zugehörigen Kamerapixel eine definierte Beleuchtungsrichtung gegeben ist. Außerdem kann bei dieser Ausführungsform eine homogene Ausleuchtung des durch die Kamera erfassten Bereichs realisiert werden. Durch die Verwendung von Hochleistungs-LEDs können hierbei sehr kurze Belichtungszeiten von typischerweise 100 µs für die Aufnahme des Referenzbildes erreicht werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch durch ein Computerprogramm gelöst, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch eine Rechnereinheit eines Oberflächeninspektionssystems diese Rechnereinheit veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Ferner wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung des Weiteren durch ein computerlesbares Speichermedium gelöst, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch eine Rechnereinheit eines Oberflächeninspektionssystems diese Rechnereinheit veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 a) und b) zwei Prinzipskizzen zur Abhängigkeit der vom Kamerasystem empfangenen Intensitäten von unterschiedlichen Oberflächennormalen verschiedener Messpunkte,
- 2 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit zwei zueinander angeordneten Kamera-Beleuchtungs-Einheiten,
- 3 a) und b) zwei Prinzipskizzen zur Abhängigkeit der vom Oberflächeninspektionssystem gemäß der Ausführungsform in 2 empfangenen Intensitäten in Abhängigkeit von unterschiedlichen Oberflächennormalen verschiedener Messpunkte, und
- 4 a) und b) zwei Prinzipskizzen in unterschiedlichen Schnittebenen zur Anordnung von Lichtquellen und Vorsatzoptiken sowie von Beleuchtungselementen zur homogenen Ausleuchtung einer Objektoberfläche O.
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Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Oberflächeninspektionssystems zur hochauflösenden Vermessung und / oder Inspektion von Oberflächen, insbesondere von texturierten Oberflächen eines Objektes mittels einem Streifenprojektionsverfahrens, insbesondere nach dem räumlichen Phasenshift-Verfahren. Hierzu weist das Oberflächeninspektionssystem mindestens ein Beleuchtungssystem (BE1; BE2) zur Erzeugung eines Streifenmusters auf der zu vermessenden Oberfläche des Objektes und mindestens ein Kamerasystem KE1; KE2 zur Erfassung des erzeugten Streifenmusters auf. Dabei wird durch das mindestens eine Beleuchtungssystem BE1; BE2 mindestens eine weitere Intensitätsverteilung auf der zu vermessenden Oberfläche O des Objektes erzeugt, welche wiederum durch mindestens ein Kamerasystem KE1; KE2 erfasst wird. Eine Rechnereinheit verarbeitet dann Helligkeitsunterschiede in den erfassten Kamerabildern des Streifenprojektionsverfahrens durch die erfassten Kamerabilder der mindestens einen weiteren Intensitätsverteilung, indem diese zum Beispiel normiert bzw. kalibriert werden. Eine einfach zu realisierende Normierung bzw. Kalibrierung kann dabei dadurch erfolgen, dass die Grauwerte eines Kamerabildes mit Streifenmuster durch die Grauwerte eines entsprechenden Kamerabildes der mindestens einen weiteren Intensitätsverteilung dividiert werden.
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Die Ausführungsform des Oberflächeninspektionssystems der 2 weist hierzu zwei Kamera-Beleuchtungs-Einheiten (KE1 mit BE1; KE2 mit BE2) auf, die jeweils aus einem Beleuchtungssystem BE1; BE2 und einem Kamerasystem KE1; KE2 des Oberflächeninspektionssystems bestehen, wobei die Kamerasysteme KE1; KE2 und die Beleuchtungssysteme BE1; BE2 so angeordnet sind, dass für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten (KE1 mit BE1; KE2 mit BE2) für alle Oberflächenbereiche des zu vermessenden Objektes die Reflexionsbedingung für dieselbe Ausrichtung der jeweiligen Flächennormale N der Objektoberfläche O erfüllt ist, insbesondere dadurch, dass für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten die jeweilige Winkelhalbierende des Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkels miteinander zusammenfallen.
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Diese Beleuchtungsgeometrie der beiden Kamera-Beleuchtungs-Einheiten (KE1 mit BE1; KE2 mit BE2) wird nachfolgend anhand des Oberflächenpunktes P der 2 noch einmal näher erläutert. Die Blickrichtungen K1, K2 der beiden Kameras KE1, KE2 - gesehen vom jeweiligen Pixel, auf den der Oberflächenpunkt P abgebildet wird - weisen durch den räumlichen Versatz der beiden Kameras KE1, KE2 einen Winkel Wzueinander auf. Um für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten (KE1 mit BE1; KE2 mit BE2) die gleiche Reflexionsbedingungen zu erreichen, werden die Beleuchtungseinheiten BE1, BE2 (also Streifenprojektor und Referenzbeleuchtung), in der Ebene, die von den Blickrichtungen K1 und K2 aufgespannt wird, um den gleichen Winkel W versetzt. Hierdurch besitzen beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten (KE1 mit BE1; KE2 mit BE2) die gleiche Winkelhalbierende in Bezug auf ihren jeweiligen Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkel.
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Die 3 zeigt nun für die in 2 beschriebene Messanordnung beispielhaft für verschiedene Punkte P1 bis P3 einer stark texturierten Oberfläche O die Reflexgeometrien. Deutlich zu erkennen ist, dass in Abhängigkeit der Orientierung der Flächennormalen N1 bis N3 relativ zu den Beleuchtungsrichtungen B1, B2 und zu den Blickrichtungen K1, K2 der Kameras KE1, KE2 die verschiedenen Punkte auf der Oberfläche immer auf beiden Kamerabildern die gleiche Helligkeit bzw. den gleichen Grauwert aufweisen, da das reflektierte Licht R1, R2 beider Beleuchtungssystemen BE1, BE2 immer jeweils um den gleichen Betrag bzw. Winkel von der Beobachtungsrichtung K1, K2 der jeweiligen Kamera KE1, KE2 abweicht. Trifft Licht, das unter den Beleuchtungsrichtungen B1 bzw. B2 von den Beleuchtungssystemen BE1, BE2 auf einen Oberflächenpunkt P1 abgestrahlt wird, unter einem bestimmten Winkel zur Flächennormale auf, so dass das reflektierte Licht R1 bzw. R2 auf die jeweilige Kamera K1 bzw. K2 trifft, so spricht man davon, dass die Reflexionsbedingung erfüllt ist. Aufgrund der geometrischen Anordnung der Beleuchtungssysteme BE1, BE2 und der Kameras KE1, KE2 ist je nach Ausrichtung der Oberflächennormale die Reflexionsbedingung entweder für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten (KE1 mit BE1; KE2 mit BE2) erfüllt, siehe P1 in 3 a) und 3 b), oder fürbeide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten (KE1 mit BE1; KE2 mit BE2) nicht erfüllt, siehe P2 in 3 a) und P3 in 3 b). Ist sie nicht erfüllt, so weichen beide reflektierten Strahlen R1, R2 um den gleichen Winkel von der Blickrichtung K1, K2 der Kameras KE1, KE2 ab. Damit ist die spezifische Helligkeitsverteilung - also die Oberflächentextur - für beide Kameraaufnahmen identisch.
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Die beiden Kamerabilder können hierbei zeitversetzt oder bei Nutzung von verschiedenen Wellenlängen zeitgleich erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich können zur Unterscheidung der zu normierenden bzw. kalibrierenden Kamerabilder verschiedenfarbige Filter und / oder verschiedene Farbkanäle der Kamerasysteme KE1; KE2 verwendet werden. Ferner können die zu normierenden bzw. kalibrierenden Bilder vor der Normierung bzw. Kalibrierung durch die Rechnereinheit räumlich in Deckung gebracht werden. Dies ist insbesondere für den Einsatz in der In-line-Fertigung sinnvoll, wenn das mindestens eine Streifenbild und das Referenzbild zum Beispiel durch ein zeitliches Phasenshift-Verfahren zeitversetzt aufgenommen werden und das Objekt in der Zwischenzeit eine andere räumliche Beziehung zu dem Oberflächeninspektionssystem einnimmt. Vor allem durch sogenannte Matching-Verfahren, welche zum Beispiel die spezifische Helligkeitsverteilung auf der Objektoberfläche (O) nutzten, können die zu kalibrierenden bzw. zu normierenden Kamerabilder hierbei vor der Normierung bzw. Kalibrierung wieder räumlich in Deckung gebracht werden.
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Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Beleuchtungssystem, welches zur Aufnahme des Referenzbildes, zum Beispiel bei der in 2 gezeigten Messanordnung, geeignet ist. Das in 4 a) dargestellte Beleuchtungssystem besteht aufgrund des dargestellten Schnittes in der X-Z-Ebene aus mehreren Hochleistungs-Leuchtdioden LED1 bis LED 4. In der anderen Schnittebene in X-Y-Richtung besteht die Anordnung aus 16 Beleuchtungssegmenten BS1 bis BS16, welche jeweils Leuchtdioden LEDs und Vorsatzoptiken umfassen, die in einem quadratischen Gittermuster angeordnet sind. Das Licht wird in 4 a) entlang der Z-Achse in Richtung des zu vermessenden Objektes O abgestrahlt. Das Licht jeder LED wird durch eine Vorsatzoptik oder Linse L1 bis L4 in einem stark gerichteten Strahl S1 bis S4 auf einen kleinen Bereich der Objektoberfläche abgestrahlt. Dadurch ist näherungsweise die Bedingung erfüllt, dass für jeden Oberflächenpunkt (und dem zugehörigen Kamerapixel) eine definierte Beleuchtungsrichtung gegeben ist.
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Die Positionen und Abstrahlwinkel der einzelnen Beleuchtungssegmente BS1 bis BS16 sind dabei so gewählt, dass die Reflexionsgeometrie für alle Objektpunkte auf dem durch das jeweilige Segment beleuchteten Bereich des zu vermessenden Objektes O, entsprechend der 2 und 3, auf die Blickrichtung der Kameras abgestimmt ist. Außerdem ergibt sich bei dieser Ausführungsform eine homogene Ausleuchtung des durch die Kameras erfassten Bereichs. Insofern kann durch das Beleuchtungssystem gemäß 4 bei einem Einsatz in einem Oberflächeninspektionssystem, zum Beispiel gemäß 2, gewährleistet werden, dass ein Beleuchtungssystem BE1; BE2 ein Streifenmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert und ein anderes Beleuchtungssystem BE2; BE1 das zu vermessende Objekt mit einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung beaufschlagt. Dabei besteht dann ein Beleuchtungssystem BE1; BE2 aus einer Anordnung von mindestens zwei LEDs LED1; LED2; LED3; LED4, deren Licht S1; S4 durch Vorsatzoptiken L1; L2; L3; L4 auf jeweils einen Teilbereich des zu vermessenden Objektes gerichtet abgestrahlt wird. Darüber hinaus erzeugt die Summe der LEDs LED1; LED2; LED3; LED4 eine möglichst gleichmäßige Intensitätsverteilung auf dem Objekt, wobei die Anordnung der LEDs LED1; LED2; LED3; LED4 so gewählt ist, dass für jeden Teilbereich, für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten (KE1 mit BE1; KE2 mit BE2), die Reflexionsbedingung für dieselbe Ausrichtung der jeweiligen Flächennormale N der zu vermessenden Objektoberfläche O erfüllt ist, insbesondere dadurch, dass für beide Kamera-Beleuchtungs-Einheiten (KE1 mit BE1; KE2 mit BE2) die jeweilige Winkelhalbierende des Beobachtungs- bzw. Triangulationswinkels miteinander zusammenfallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- H.-N. Yen und D.-M. Tsai mit dem Titel „A fast full-field 3D measurement system for BGA coplanarity inspection“, erschienen in Int J Adv Manuf Technol (2004) 24: 132-139 [0010]
- „Spatiotemporal phase-shifting method for accurate phase analysis of fringe pattern", erschienen in J. OPT. 21 (2019), 095702, (https://doi.org/10.1088/2040-8986/ab3842) [0013]
