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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen von Scheiben, insbesondere von Windschutzscheiben von Fahrzeugen. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle und einen Lichtsensor, die so angeordnet sind, dass ein von der Lichtquelle ausgehender Lichtstrahl durch die Scheibe hindurchtritt und auf den Lichtsensor trifft.
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Trifft ein Lichtstrahl unter einem Einfallswinkel auf eine Scheibe, der mit der Scheibennormalen einen Winkel ungleich 0° einschließt, so kann es in der Scheibe zu einer internen Reflexion kommen, durch die der Lichtstrahl in einen Primärstrahl und einen Sekundärstrahl aufgespalten wird. Ein Betrachter, der durch die Scheibe hindurch auf die Lichtquelle blickt, sieht ein Doppelbild der Lichtquelle. Ein Doppelbild entsteht insbesondere, wenn die Scheibe in dem betreffenden Bereich keilförmig ist, die beiden Außenflächen also nicht parallel zueinander sind, oder wenn die Scheibe dort eine Krümmung hat.
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Solche Doppelbilder werden beispielsweise bei Windschutzscheiben von Fahrzeugen als störend empfunden, wenn bei Dunkelheit das Licht eines entgegenkommenden Fahrzeugs doppelt sichtbar wird. Es ist bekannt, Windschutzscheiben hinsichtlich der Entstehung von Doppelbildern zu vermessen. Insbesondere interessiert der Doppelbildwinkel, also der Winkel, den der Primärstrahl und der Sekundärstrahl miteinander einschließen. Es wird dazu ein Lichtstrahl durch die Scheibe hindurch auf einen Lichtsensor geleitet und ermittelt, wie groß der Abstand zwischen dem Primärstrahl und dem Sekundärstrahl auf dem Lichtsensor ist.
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Es stellt sich bei diesen Messungen das Problem, dass es nicht ganz einfach ist, den Primärstrahl und den Sekundärstrahl auf einem Lichtsensor zu messen, da der Primärstrahl regelmäßig um ein Vielfaches heller ist als der Sekundärstrahl.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung vorzustellen, mit der die von einer Scheibe erzeugten Doppelbilder einfacher vermessen werden können. Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsform sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß hat der Lichtsensor einen Dynamikumfang von mehr als 8 Bit bei linearer Auflösung.
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Zunächst werden einige Begriffe erläutert. Dynamikumfang bezeichnet den Quotienten aus der größten Helligkeit und der kleinsten Helligkeit, die mit dem Lichtsensor erfasst werden können. Erfasst der Lichtsensor die Helligkeit digital mit einer Auflösung von 8 Bit, stehen 256 Helligkeitsstufen zur Verfügung. Nimmt der Lichtsensor eine lineare Auflösung vor, so besteht ein proportionaler Zusammenhang zwischen der Helligkeit und den Helligkeitsstufen. Der Helligkeitsunterschied zwischen zwei benachbarten Helligkeitsstufen ist also bei kleiner Helligkeit im Wesentlichen genauso groß wie bei großer Helligkeit.
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Bei 8 Bit mit linearer Auflösung steht theoretisch ein Dynamikumfang von 256 zur Verfügung. Praktisch ist der Dynamikumfang wesentlich kleiner, weil es nicht möglich ist, kleine Helligkeit vom Rauschen zu unterscheiden. Tatsächlich wird mit 8 Bit bei linearer Auflösung lediglich ein Dynamikumfang in der Größenordnung von 20 bereitgestellt.
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Fällt ein nicht-polarisierter Lichtstrahl unter einem spitzen Winkel auf eine Scheibe, so wird der Lichtstrahl in einen Primärstrahl und einen Sekundärstrahl aufgespalten. Geht man beispielhaft davon aus, dass der Lichtstrahl unter einem Winkel von 60° auf die Scheibe trifft und das Glas der Schreiber einen Brechungsindex in der Größenordnung von 1,5 hat, so ist der Primärstrahl etwa um den Faktor 70 heller als der Sekundärstrahl. Fallen der Primärstrahl und der Sekundärstrahl auf einen Lichtsensor mit 8 Bit linearer Auflösung, so ist der Lichtsensor nicht in der Lage, beide Strahlen zuverlässig zu erfassen.
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Mit dem erfindungsgemäßen erhöhten Dynamikumfang wird eine zuverlässige Erfassung sowohl des Primärstrahls als auch des Sekundärstrahls mit einem Lichtsensor möglich. Insbesondere wird damit die Möglichkeit eröffnet, das Vermessen der Scheibe zu automatisieren. Bei den bisherigen manuellen Messungen bestand die Möglichkeit das Problem zu umgehen, indem man während des Vermessens die Empfindlichkeit des Lichtsensors veränderte. Man konnte zunächst die Empfindlichkeit so hoch stellen, dass der Sekundärstrahl eindeutig zu identifizieren war, der Primärstrahl allerdings den Lichtsensor völlig übersteuerte. Anschließend wurde die Empfindlichkeit so vermindert, dass der Sekundärstrahl verschwand und der Primärstrahl vernünftig aufgelöst war. Für eine automatische Vermessung ist eine solche Vorgehensweise nicht akzeptabel.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform entspricht der Dynamikumfang mindestens 12 Bit bei linearer Auflösung. Zur Vergrößerung des Dynamikumfangs kann es beitragen, einen Lichtsensor mit nicht-linearer Auflösung zu wählen. Vorzugsweise ist die nicht-lineare Auflösung so gewählt, dass der Helligkeitsunterschied zweier benachbarter Helligkeitsstufen mit größer werdender Helligkeit ansteigt. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Lichtsensor eine logarithmische Auflösung. Dass ein Lichtsensor mit logarithmischer Auflösung im Allgemeinen weniger geeignet ist, nahe beieinander liegende Helligkeitsstufen zu unterscheiden, ist im Rahmen der Erfindung kein relevanter Nachteil, weil nur zwei Lichtstrahlen zu erfassen sind, deren Helligkeit sich erheblich unterscheidet. Bei logarithmischer Auflösung lässt sich mit 8 Bit ein Dynamikumfang erreichen, der ohne weiteres ausreicht, um den Primärstrahl und den Sekundärstrahl parallel zu erfassen.
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Der Lichtsensor hat vorzugsweise eine Sensorfläche, die mit einer Vielzahl von Pixeln bedeckt ist. Die erfindungsgemäße Auflösung wird vorzugsweise für die einzelnen Pixel bereitgestellt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Lichtstrahl eine lineare Polarisation auf, wobei die Polarisationsrichtung einen Winkel zwischen 50° und 130° mit der Einfallsebene einschließt. Die Einfallsebene wird aufgespannt von der Achse des auf die Scheibe auftreffenden Lichtstrahls und der Scheibennormalen an dem Ort, an dem der Lichtstrahl auf die Scheibe trifft.
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Ein Lichtstrahl kann als Überlagerung einer Vielzahl elektromagnetischer Wellen beschrieben werden, wobei jede einzelne Welle eine lineare Polarisationsrichtung hat, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts ausgerichtet ist. Der durch Überlagerung der Einzelwellen gebildete Lichtstrahl hat eine lineare Polarisation, wenn die Einzelwellen der betreffenden Polarisationsrichtung in dem Lichtstrahl mit höherer Intensität vertreten sind als andere Polarisationsrichtungen. Für die Erfindung wäre es ideal, wenn der Lichtstrahl ausschließlich aus Einzelwellen der betreffenden linearen Polarisationsrichtung zusammengesetzt wäre. In der Praxis wird sich dies meist nicht verwirklichen lassen, sondern man wird sich damit begnügen, dass die betreffende Polarisationsrichtung in beträchtlich höherer Intensität vertreten ist als andere Polarisationsrichtungen.
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Beim Vermessen der Scheibe kann die lineare Polarisation des Lichtstrahls gezielt relativ zu der Einfallsebene des Lichtstrahls ausgerichtet werden. Die Einfallsebene wird aufgespannt durch die Achse des Lichtstrahls und die Scheibennormale an dem Ort, an dem der Lichtstrahl auf die Scheibe auftrifft. Die Scheibennormale bezeichnet die Achse, die rechtwinklig ist zu einer imaginären Tangentialebene, die an dem Ort, an dem der Lichtstrahl auftrifft, auf die Scheibe gelegt wird. Die Lichtquelle sollte so angeordnet sein, dass der Lichtstrahl nicht mit der Scheibennormalen zusammenfällt. Die Scheibe ist durchsichtig, so dass der Lichtstrahl hindurchtreten kann. Die Scheibe besteht vorzugsweise aus einem Material, dessen Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex von Luft. Die Scheibe ist nicht Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Durch die gezielte Ausrichtung der Polarisationsrichtung erhöht sich die Helligkeit des Sekundärstrahls und es wird leichter, den Primärstrahl und den Sekundärstrahl zu messen.
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Der Unterschied in der Helligkeit zwischen dem Primärstrahl und dem Sekundärstrahl rührt daher, dass der Primärstrahl die Scheibe direkt durchquert, während der Sekundärstrahl zwei zusätzliche Reflexionen im Inneren der Scheibe erfährt. Wie groß der Anteil des reflektierten Lichts im Verhältnis zu dem Anteil des transmittierten Lichts ist, hängt unter anderem von der Polarisationsrichtung des Lichts ab. Gemäß der Erfindung wird die Polarisationsrichtung des Lichts so gewählt, dass ein erhöhter Anteil des Lichts im Inneren der Scheibe reflektiert wird, also zur Helligkeit des Sekundärstrahls beiträgt. Die höchste Helligkeit des Sekundärstrahls wird erreicht, wenn die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls mit der Einfallsebene einen Winkel von 90° einschließt. Die Helligkeit des Sekundärstrahls ist dann um etwa den Faktor 2 höher als bei einem nicht-polarisierten Lichtstrahl. Eine relevante Erhöhung der Helligkeit stellt sich ein im Winkelbereich zwischen 50° und 130°. Bevorzugt liegt der Winkel zwischen 70° und 110°, weiter bevorzugt zwischen 80° und 100°.
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Nach dem Austritt aus der Scheibe sind der Primärstrahl und der Sekundärstrahl räumlich voneinander getrennt, so dass sie mit dem Lichtsensor getrennt voneinander ausgewertet werden können. Abhängig von dem Keilwinkel und der Krümmung der Scheibe schließen der Primärstrahl und der Sekundärstrahl einen Winkel zwischen sich ein, was zur Folge hat, dass der Abstand zwischen beiden Strahlen sich mit dem Abstand zur Scheibe vergrößert. Es wäre möglich, die Position des Primärstrahls und die Position des Sekundärstrahls mit einem Lichtsensor nacheinander zu ermitteln. Vorzugsweise ist der Lichtsensor aber so bemessen und so angeordnet, dass sowohl der Primärstrahl als auch der Sekundärstrahl auf den Lichtsensor auftreffen. Die beiden Strahlen können dann gleichzeitig vermessen werden.
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Der Lichtsensor kann eine Auswerteeinheit aufweisen, die die Position des Primärstrahls und des Sekundärstrahls auf dem Lichtsensor automatisch ermittelt. Durch eine solche Auswerteeinheit wird es möglich, das Vermessen der Scheibe insgesamt zu automatisieren. Es können bestimmte Eigenschaften der Scheibe automatisch berechnet werden, beispielsweise ob die Scheibe in Einklang mit bestimmten Normen steht. Auf einem Display der Auswerteeinheit kann eine entsprechende Information ausgegeben werden.
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Für die Vermessung ist es von Vorteil, einen konzentrierten Lichtstrahl zu verwenden, dessen Ausdehnung quer zur Ausbreitungsrichtung klein ist. Wenn der Lichtstrahl kollimiert ist, ist das Messergebnis unabhängig von dem Abstand zwischen der Lichtquelle und der Scheibe. Einen kollimierten Lichtstrahl kann man beispielsweise erhalten, indem man eine geeignete Kollimationslinse zwischen der Lichtquelle und der Scheibe anordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Lichtquelle ein Laser verwendet, der von sich aus einen kollimierten Lichtstrahl abgibt.
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Die lineare Polarisation kann der Lichtstrahl dadurch erhalten, dass der Lichtstrahl zwischen der Lichtquelle und der Scheibe durch einen geeigneten Polarisationsfilter hindurchtritt. Der Polarisationsfilter ist durchlässig für Licht der betreffenden Polarisationsrichtung, während andere Polarisationsrichtungen gedämpft oder vorzugsweise ganz unterdrückt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann Lichtquelle verwendet werden, in Betracht kommt beispielsweise die Verwendung eines He-Ne-Lasers mit geeigneter linearer Polarisation.
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Die Ausrichtung der Einfallsebene kann davon abhängen, an welcher Stelle der Lichtstrahl auf die Scheibe auftrifft. Um die Polarisationsrichtung an unterschiedliche Einfallsebenen anpassen zu können, ist es von Vorteil, wenn der Polarisationsfilter bzw. die Lichtquelle so gestaltet sind, dass die lineare Polarisationsrichtung einstellbar ist. Vorzugsweise ist das betreffende Element um die Achse des Lichtstrahls drehbar gelagert.
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Schließen der Primärstrahl und der Sekundärstrahl einen Winkel zwischen sich ein, ist der Abstand zwischen den beiden Strahlen abhängig davon, in welcher Entfernung von der Scheibe man misst. Im Allgemeinen ist folglich eine exakte Einstellung des Abstands zwischen der Scheibe und dem Lichtsensor erforderlich, um aus der Position des Primärstrahls und des Sekundärstrahls auf dem Lichtsensor Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Scheibe ziehen zu können.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Scheibe und dem Lichtsensor eine Sammellinse angeordnet, durch die der Primärstrahl und der Sekundärstrahl hindurchtreten. Wenn der Lichtsensor in der Brennebene der Sammellinse angeordnet ist, ist die Position von Primärstrahl und Sekundärstrahl auf dem Lichtsensor unabhängig von dem Abstand zwischen der Scheibe und der Sammellinse. Die Vorrichtung kann so gestaltet sein, dass der Lichtsensor und die Sammellinse Bestandteile eines Analysegeräts sind, in dem der Lichtsensor und die Sammellinse in einem festen Abstand zueinander gehalten sind. Das Vermessen der Scheibe wird auf diese Weise erleichtert, weil der Lichtsensor den passenden Abstand zu der Sammellinse hat und der Abstand zwischen der Sammellinse und der Scheibe die Messung nicht beeinflusst. Die betreffende Justage entfällt folglich.
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Es ist nicht erforderlich, dass die erfindungsgemäße Sammellinse eine Einzellinse ist. Vielmehr lässt sich die gleiche Wirkung erzielen, wenn die Sammellinse ein Linsensystem aus einer Mehrzahl von Einzellinsen ist und der Lichtsensor in der Brennebene des Linsensystems angeordnet ist. Der Durchmesser der Sammellinse ist vorzugsweise größer als 30 mm und kann beispielsweise zwischen 40 mm und 60 mm liegen. Mit dieser Größe ist die Sammellinse regelmäßig geeignet, sowohl den Primärstrahl als auch den Sekundärstrahl einzufangen.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Vermessen von Scheiben. Bei dem Verfahren wird ein Lichtstrahl durch eine Scheibe hindurch auf einen Lichtsensor geleitet. Erfindungsgemäß wird ein Lichtsensor verwendet, der einen Dynamikumfang von mehr als 8 Bit bei linearer Auflösung hat. Das Verfahren kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2: einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 bei einer Scheibe mit Keilwinkel;
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3: einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 bei einer gekrümmten Scheibe;
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4: eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang Linie A-A in 1; und
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5: ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in 1 umfasst eine Lichtquelle 14 in Form eines He-Ne-Lasers. Die Lichtquelle 14 sendet einen kollimierten Lichtstrahl 15 in Richtung einer zu vermessenden Windschutzscheibe 16 eines Kraftfahrzeugs. Der Lichtstrahl 15 trifft unter einem spitzen Winkel auf die Scheibe 16. Beim Durchtritt durch die Scheibe 16 wird der Lichtstrahl in einen Primärstrahl 17 und einen Sekundärstrahl 18 aufgespalten, die beim Verlassen der Scheibe 16 einen Doppelbildwinkel δ zwischen sich einschließen.
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Der Primärstrahl 17 und der Sekundärstrahl 18 werden mit einem Analysegerät 19 aufgefangen. Das Analysegerät 19 umfasst ein röhrenförmiges Gehäuse, an dessen vorderem Ende eine Sammellinse 20 angeordnet ist. Die Sammellinse 20 bildet ein Objektiv des Analysegeräts 19, durch das der Primärstrahl 17 und Sekundärstrahl 18 in das Gehäuse eintreten. Am anderen Ende des Gehäuses ist ein Lichtsensor 21 angeordnet, auf den der Primärstrahl 17 und der Sekundärstrahl 18 treffen. Bei dem Lichtsensor 21 kann es sich beispielsweise um eine CCD-Kamera handeln. Der Abstand zwischen der Sammellinse 20 und dem Lichtsensor 21 entspricht der Brennweite der Sammellinse 20, der Lichtsensor 21 ist also in der Brennebene der Sammellinse 20 angeordnet. Die Sammellinse 20 kann beispielsweise einen Durchmesser von 50 mm und eine Brennweite von 300 mm haben.
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Der Primärstrahl 17 und der Sekundärstrahl 18 treffen mit einem Abstand d zueinander auf dem Lichtsensor 21 auf. Da der Lichtsensor 21 in der Brennebene der Sammellinse 21 angeordnet ist, ist der Abstand d nicht abhängig von dem Abstand zwischen der Sammellinse 20 und der Scheibe 16. Es ist also nicht erforderlich, das Analysegerät 19 in einen exakt definierten Abstand zu der Scheibe 16 zu bringen. Aus dem Abstand d kann der Doppelbildwinkel δ nach folgender Formel ermittelt werden: δ = arctan d / f ≈ d / f
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Dabei steht f für die Brennweite der Sammellinse 20. Für kleine Winkel (kleiner 0,1 Radiant) ergibt sich der Doppelbildwinkel δ näherungsweise als Quotient aus d und f. Aus dem Doppelbildwinkel δ lassen sich Rückschlüsse auf Eigenschaften der Scheibe 16 ziehen, beispielsweise auf geometrische Eigenschaften in dem Bereich, in dem der Lichtstrahl 15 durch die Scheibe 16 hindurch getreten ist.
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Die Aufspaltung des Lichtstrahls 15 in den Primärstrahl 17 und den Sekundärstrahl 18 ergibt sich gemäß 2 beispielsweise beim Durchtritt des Lichtstrahls 15 durch eine Scheibe 16, die einen Keilwinkel aufweist, bei der also die beiden Außenflächen nicht parallel zueinander sind. Zu einer entsprechenden Aufspaltung in Primärstrahl 17 und Sekundärstrahl 18 kommt es gemäß 3 beim Durchtritt des Lichtstrahls 15 durch eine gekrümmte Scheibe 16. Aus dem Doppelbildwinkel δ lassen sich beispielsweise Rückschlüsse auf den Keilwinkel oder den Krümmungsradius der Scheibe 16 ziehen. Außerdem kann durch Vergleich mit entsprechenden Grenzwerten festgestellt werden, ob der Doppelbildwinkel δ selbst den Vorgaben entspricht.
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Der von der Lichtquelle 14 kommende Lichtstrahl 15 spannt mit der Scheibennormalen 22 die Einfallsebene auf. Die Scheibennormale 22 steht senkrecht auf der Scheibe 16 an dem Ort, an dem der Lichtstrahl 15 auf die Scheibe 16 trifft. Bei einer Gekrümmtenscheibe 16 steht die Scheibennormale 22 senkrecht auf der Tangentialebene 23, die an der betreffenden Stelle an die Scheibe 16 angelegt ist, siehe 3.
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Der von der Lichtquelle 14 erzeugte Lichtstrahl 15 ist kollimiert und weist eine lineare Polarisation auf. Die Polarisationsrichtung 24, die in 4 mit zwei Pfeilen angedeutet ist, ist senkrecht zu der Einfallsebene 15, 22 ausgerichtet. Im Vergleich mit einem nicht-polarisiertem Lichtstrahl erhöht sich die Helligkeit des Sekundärstrahls 18 durch diese Wahl der Polarisationsrichtung etwa um den Faktor 2.
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Bei dem Lichtsensor 21 handelt es sich um einen Matrixsensor, der eine Matrix aus lichtempfindlichen Fotodioden aufweist. In jeder Fotodiode wird mit dem Auftreffen eines Lichtstrahls eine Anzahl von Ladungsträgern freigesetzt, die proportional zur Helligkeit ist. Anhand der Zahl der Ladungsträger wird eine Helligkeitsstufe ermittelt und es wird eine Zuordnung zwischen der Fotodiode und der Helligkeitsstufe vorgenommen. Bei der klassischen linearen Zuordnung steigt die Zahl der Ladungsträger von Helligkeitsstufe zu Helligkeitsstufe linear an, was zur Folge hat, dass der Dynamikumfang des Lichtsensors 21 begrenzt ist.
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Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ein vergrößerter Dynamikumfang gewünscht, weswegen der Lichtsensor 21 eine logarithmische Auflösung hat. Die Zahl der freigesetzten Ladungsträger steigt also von Helligkeitsstufe zu Helligkeitsstufe exponentiell an. Dadurch hat der Lichtsensor 21 einen erhöhten Dynamikumfang und es wird möglich, mit dem Lichtsensor 21 sowohl den Primärstrahl 17 als auch den Sekundärstrahl 18 hinreichend genau zu ermitteln, auch wenn der Primärstrahl 17 beispielsweise um den Faktor 30 heller ist als der Sekundärstrahl 18.
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Gemäß 5 werden die digitalen Werte von dem Lichtsensor 21 zu einer Auswerteeinheit 25 geleitet und dort in einem Speicher 26 abgelegt. Ein Rechenbaustein 27 ermittelt aus den in dem Speicher 26 abgelegten Werten den Abstand d, mit dem der Primärstrahl 17 und der Sekundärstrahl 18 auf den Lichtsensor 21 auftreffen. Anhand der bekannten Brennweite f der Sammellinse 20 kann in einem weiteren Rechenschritt der Doppelbildwinkel δ ermittelt werden, den der Primärstrahl 17 und der Sekundärstrahl 18 beim Austritt aus der Scheibe 16 miteinander einschließen. In einem zweiten Speicher 28 ist ein Sollwert für den Doppelbildwinkel δ hinterlegt. Der Rechenbaustein 27 vergleicht den ermittelten Wert mit dem Wert aus dem Speicher 28 und gibt auf einer Anzeige 29 eine Information aus, ob die Scheibe 16 den Vorgaben genügt.
