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Verfahren und Anordnung zur Erfassung räumlicher Abwei-
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chungen von einer glatten Ebene an Oberflächen von Gegenständen 1.
Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen
Meßtechnik und ist bei der opto-elektronischen Erfassung von räumlichen Unregelmäßigkeiten
an der glatten Oberfläche von Gegenständen anzuwenden. Ein spezielles Anwendungsgebiet
ist die Oberflächenprüfung an Stoßfängern von Kraftfahrzeugen.
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2. Technischer Hintergrund Die meßtechnische Erfassung von Oberflächenstrukturen
ist in verschiedenen Bereichen der Technik von Bedeutung.
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Beispielsweise bei der kontinuierlichen Erzeugung oder Veredelung
von Materialbahnen wie Blechen, Folien aus Metall, Kunststoff oder Papier oder von
Glasflächen oder Textilbahnen kommt es darauf an, Oberflächenfehler wie beispielsweise
Kratzer, Lunker, Dickenschwankungen u. a.
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möglichst frühzeitig und sicher zu erfassen. Die hiermit verbundenen
Bemühungen um Qualitätssicherung in Verbindung mit automatischen Fertigungsabläufen
und hohen Fertigungsgeschwindigkeiten zielen darauf ab, die jeweils erforderliche
Messung oder Prüfung automatisch durchführen zu können. So ist beispielsweise für
Materialbahnen ein automatisches Oberflächenprüfsystem bekannt, bei dem die durchlaufende
Materialbahn mittels eines Laserstrahls quer abgetastet wird. Hierzu wird der Laserstrahl
mit einem Polygon-Spiegelrad auf die Materialbahn gelenkt.
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Die reflektierten Lichtimpulse werden mittels sogenannter Foto-Multiplier
in elektrische Impulse umgewandelt und
diese elektronisch ausgewertet
(Zeitschrift "messen und prüfen/automatik", Oktober 1977, Seiten 637 bis 641).
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Eine meßtechnische Erfassung von Oberflächenstrukturen erfolgt beispielsweise
auch bei der Rauhigkeitsmessung von Materialoberflächen, insbesondere von Metallflächen
im Anschluß an eine spanende Bearbeitung oder an eine Oberflächenschlichtung durch
Schleifen, Läppen und Polieren. Die Erfassung von Oberflächenstrukturen ist auch
dann von Bedeutung, wenn in stärkerem Maße die dritte Raumdimension für einen Arbeitsablauf
oder ein Meßergebnis von Bedeutung ist, wie es beispielsweise bei der Kontrolle
des Materialflusses in der Serienfertigung oder bei der Steuerung von automatischen
Handhabungsgeräten wie Industrierobotern der Fall ist (IITB-Mitteilungen 1976/Seiten
19 bis 22; Zeitschrift "Feinwerktechnik und Meßtechnik", 1979, Heft 2, Seiten 83
bis 86). Hierbei spielen die Identifizierung von verschiedenartigen Objekten, die
Bestimmung von Lage und Orientierung bei gleichartigen Objekten, die Unterscheidung
von anfangs gleichartigen Objekten, die bei fortschreitender Bearbeitung verformt
werden, die meßtechnische Erfassung von Formabweichungen bei Objekten mit vorgegebener
Oberflächenbeschaffenheit (z. B. Formen zum Stanzen und Pressen) und die Werkstückprüfung
durch Messung von Verformungen unter mechanischer Belastung oder bei Temperaturänderung
eine besondere Rolle ("Feinwerktechnik und Meßtechnik", 1979, Heft 2, Seiten 86
bis 88; "Feinwerktechnik und Meßtechnik", 1979, Heft 5, Seiten 216 bis 220).
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Eine meßtechnische Erfassung von Körpern oder Körperstellungen liegt
beispielsweise auch bei der bekannten Achsvermessung von Kraftfahrzeugen vor, bei
der die Lage eines an einem Spiegel reflektierten und auf eine Fernsehaufnahmeröhre
projizierten Lichtpunktes ermittelt und elektronisch ausgewertet wird (DE-OS 23
53 965).
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In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß es auch bekannt
ist,
Flächeninhalte oder andere zweidimensionale Strukturen durch Auswertung des Bildsignals
einer Fernsehkamera zu bestimmen (Werbeschrift "Messende TV-Systeme" der Firma Hammamatsu;
Werbeschrift "Sehen und Steuern - Automatisches Bildauswertesystem" der Firma Siemens,
Nr. 678/1002, April 1980). Weiterhin ist es im Bereich der Röntgendiagnostik bekannt,
Details eines mittels einer Fernsehkamera erzeugten Bildes dadurch hervorzuheben,
daß man das Verfahren der Subtraktion eines unscharfen Bildes von einem scharfen
Bild anwendet (VDI-Nachrichten Nr. 18/1971, Aufsatz "Fernsehtechnik in der Röntgendiagnostik").
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3. Darstellung der Erfindung a) Technische Aufgabe Ausgehend von einem
Verfahren zur Erfassung räumlicher Abweichungen von einer glatten Ebene an der spiegelnden
bzw. reflektierenden oder diffus streuenden Oberfläche von Gegenständen, bei dem
die von einer oder mehreren Lichtquellen ausgehenden, an der spiegelnden bzw. reflektierenden
oder diffus streuenden Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen erfaßt und deren Helligkeitsunterschiede
auf elektrischem Wege ermittelt und dann ausgewertet werden, liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, das Verfahren derart weiterzuentwickeln, daß damit auch dreidimensionale
Oberflächenstrukturen meßtechnisch erfaßt werden können.
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Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Anordnung zu schaffen.
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b) Lösung Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen,
daß als Lichtquelle eine leuchtende Fläche mit gleichmäßiger Helligkeitsverteilung
verwendet wird, deren Lichtstrahlen der spiegelnden bzw. reflektierenden oder diffus
streuenden Oberfläche über ein optisches Gitter zugeführt werden, daß die derart
beleuchtete Oberfläche auf
die lichtempfindliche Schicht einer
Fernsehkamera abgebildet wird und daß das Bildsignal der Fernsehkamera (Videosignal)
hinsichtlich der Helligkeits- bzw. Kontrast unterschiede der beleuchteten Oberfläche
ausgewertet wird; alternativ kann als Lichtquelle eine leuchtende Fläche mit ungleichmäßiger
oder periodischer Helligkeits- oder Farbverteilung oder eine regelmäßige Anordnung
mehrerer punktförmiger Strahler verwendet werden, oder es kommt als Lichtquelle
eine Bildvorlage mit periodischer oder aperiodischer, schwarzweißer oder farbiger
Helligkeitsstruktur in Betracht, die auf die spiegelnde bzw. reflektierende oder
diffus streuende Oberfläche aufprojiziert wird.
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c) Vorteile Bei einem derart ausgebildeten Verfahren ist gewährleistet,
daß verschiedenartige Objekte mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit hinsichtlich
ihrer Oberflächenstruktur meßtechnisch erfaßt werden können. Dabei ist wesentlich,
daß die Objekte eine reflektierende oder spiegelnde Oberfläche aufweisen. Die Erfindung
geht hierbei von der Annahme aus, daß die jeweilige Oberfläche aus einer großen
Anzahl von Punkten besteht; dann wird bei einer diffus streuenden Oberfläche das
auftreffende Licht vom einzelnen Punkt nahezu gleichmäßig in alle Richtungen, d.
h. in einem Lampertschen Kreis, gestreut. Ein Oberflächenfehler beeinflußt dann
hauptsächlich den remittierten Lichtstrom und nicht die Form des Streukreises. Dagegen
wird bei metallischen Oberflächen auftreffendes Licht in einen reflektierten (gespiegelten)
und einen remittierten (diffus gestreuten) Lichtanteil von der Oberfläche zurückgeworfen.
Eine Abweichung der Oberflächenstruktur von einem glatten, ebenen Verlauf beeinflußt
dann den Reflektionswinkel des reflektierten Lichtanteils gegenüber dem einfallenden
Licht und bewirkt keine oder nur eine geringe Änderung des gesamten Lichtstromes.
Mit dem neuen Verfahren wird dabei erreicht, daß die von einer glatten Oberfläche
abweichenden Oberflächenteile mit Kontrast dargestellt werden und rauch vermessen
werden können.
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d) Weitere Ausgestaltungen Zur Durchführung des neuen Verfahrens ist
grundsätzlich eine Anordnung geeignet, die aus einer Beleuchtungseinrichtung für
die zu beobachtende Oberfläche, einem die reflektierten Lichtstrahlen aufnehmenden
und in elektrische Impulse umwandelnden Lichtempfänger und einer nachgeschalteten
elektrischen/elektronischen Auswerteeinrichtung besteht und bei der die Beleuchtungseinrichtung
aus einer leuchtenden Fläche mit gleichmäßiger Helligkeitsverteilung besteht, wobei
zwischen der leuchtenden Fläche und der beleuchteten Oberfläche ein optisches Gitter
angeordnet ist, bei der weiterhin die optische Achse der Beleuchtungseinrichtung
schräg zur beleuchteten Oberfläche angeordnet ist oder bei der zwischen der leuchtenden
Fläche und der beleuchteten Oberfläche ein halbdurchlässiger Umlenkspiegel angeordnet
ist und bei der der Lichtempfänger aus einer Fernsehkamera besteht, der ein Monitor
und/oder eine Einrichtung zur elektronischen Auswertung von Fernsehsignalen nachgeschaltet
ist; alternativ kommen als Beleuchtungseinrichtung auch leuchtende Flächen mit periodischer
oder aperiodischer Helligkeits- oder Farbverteilung oder eine größere Anzahl gruppenweise
in bestimmten Abständen zueinander angeordneter kleinerer Lichtquellen in Betracht.
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e) Ausführungsbeispiele Das neue Meßverfahren und die Anordnung zur
Durchführung des Verfahrens bestehen im wesentlichen aus einem optischen und einem
elektronischen Teil. Ausführungsbeispiele hierfür in Verbindung mit entsprechenden
Diagrammen und Oberflächenbildern sind in den Figuren 1 bis 33 dargestellt. Anhand
dieser Figuren wird die Erfindung nachfolgend im Detail erläutert.
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Die im folgenden beschriebenen Optik-Anordnungen sind gekennzeichnet
durch die Verwendung einer Beleuchtung mit Helligkeitsunterschieden (Kontrast).
Diese Helligkeitsunterschiede können entweder am Ort der Lichtquelle
oder
am Ort der beleuchteten Oberfläche bzw. auf der Oberfläche des beleuchteten Gegenstandes
vorliegen. Daher kann man das hierbei verwendete optische Prinzip mit "Beleuchtungskontrast"
bezeichnen. Im Hinblick auf die Lichtquelle und die beleuchtete Oberfläche können
dabei zwei Methoden unterschieden werden: 1. Bei der meßtechnischen Erfassung von
Oberflächen, die zumindest teilweise das Licht reflektieren (beispielsweise lackierte
oder verchromte Metalloberflächen wie Auto-Karosserien, Stoßfänger, Zierleisten,
Blenden sowie Reflektoren für Leuchten oder bei Karosserieteilen, Blenden oder Stoßfängern
für Kraftfahrzeuge aus Kunststoff oder bei Materialbahnen aus Glas oder Metall),
ist die sogenannte "Reflexions-Methode" geeignet, bei der eine leuchtende Fläche
mit periodischer Helligkeitsverteilung als Lichtquelle eingesetzt wird.
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2. Unabhängig davon, ob es sich bei der meßtechnischen Erfassung
der Oberfläche um eine reflektierende oder eine diffus streuende Oberfläche handelt,
kann mit der Aufprojektion eines bestimmten Helligkeitsmusters gearbeitet werden.
Bei dieser "Projektions-Methode" kann beispielsweise ein auf die Oberfläche projizierter
heller Streifen als Profillinie des betreffenden Objekts gedeutet werden.
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In jedem der beiden Fälle ist es Aufgabe der Fernsehkamera mit nachgeschalteter
Elektronik, die mit optischen Mitteln sichtbar gemachten und im Kontrast verstärkten
Formen oder Formabweichungen quantitativ und/oder qualitativ auszuwerten.
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I. Die Reflexions-Methode Für diese Methode ist charakteristisch,
daß als Licht-
quelle zur Beleuchtung der jeweiligen Oberfläche
bzw.
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einzelner oder mehrerer Objekte eine Lichtquelle verwendet wird, die
eine ungleichmäßige oder periodische Helligkeits- und/oder Farbverteilung aufweist.
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I.1 Schrägstellung der optischen Achsen Ein Ausführungsbeispiel hierfür
zeigt Figur 1 in schematischer Darstellung. Der zu beobachtenden Oberfläche 1 eines
nicht näher bezeichneten Gegenstandes ist eine Beleuchtungseinrichtung zugeordnet,
die aus dem Projektor 10, der leuchtenden Fläche 11 in Form einer Opalglasscheibe
und der Fresnel-Linse 12 besteht. Die optische Achse p der Beleuchtungseinrichtung
verläuft schräg zu der zu beobachtenden Oberfläche, so daß die von der leuchtenden
Fläche 11 ausgehenden Lichtstrahlen unter einem entsprechenden Winkel reflektiert
und von der Fernsehkamera 20 aufgenommen werden können, deren optische Achse k ebenfalls
schräg zur zu beobachtenden Oberfläche 1 verläuft. Bei der dargestellten Anordnung
wird mittels des Projektors 10 ein Schwarzweißmuster oder ein Farbmuster mit ungleichmäßiger
oder periodischer Helligkeits- und/oder Farbverteilung auf die Opalglasscheibe 11
aufprojiziert, die damit eine leuchtende Fläche mit ungleichmäßiger oder periodischer
Helligkeits- und/oder Farbverteilung bildet.
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Durch die nachgeschaltete Fresnel-Linse 12, die gegebenenfalls auch
entfallen kann, läßt sich die Ausleuchtung der Oberfläche 1 verbessern und gleichzeitig
die Beleuchtungsstärke auf den Sensor der Fernsehkamera 20 erhöhen.
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Mittels der Fresnel-Linse 12, die auch allein anstelle der Opalglasscheibe
11 angeordnet sein kann, werden dabei die Pupillen des Objektivs des Projektors
10 und des Objektivs der Kamera 20 ineinander abgebildet.
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Anstelle der dargestellten Anordnung kann die Beleuchtungseinrichtung
beispielsweise auch durch Zusammenfügen mehrerer einzelner Lichtquellen, also durch
eine regelmäßige Anordnung mehrerer punktförmiger Strahler aufgebaut sein.
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Beispielsweise kommen als punktförmige Strahler Leuchtdioden in Betracht.
Weiterhin kann die leuchtende Fläche der Beleuchtungseinrichtung aus einer Streuglasscheibe
mit dahinter angeordneten punktförmigen Lichtquellen bestehen.
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Dabei mui3 dann die periodische oder ungleichmäßige Helligkeits- und/oder
Farbverteilung der leuchtenden Fläche auf der Streuglasscheibe selbst durch ein
Muster vorgegeben sein. Unabhängig davon, ob das Helligkeits- und/oder Farbmuster
auf der leuchtenden Fläche selbst vorliegt oder auf eine Opalglasscheibe aufprojiziert
wird, können sich die Flächen unterschiedlicher Helligkeit einander konzentrisch,
linear oder zweidimensional abwechseln. Beispielsweise kann das Muster aus einer
hellen Kreisfläche auf dunklem Untergrund oder aus einer dunklen Kreisfläche auf
hellem Untergrund bestehen. Ein einfaches Muster wäre auch ein schwarzer Balken
auf hellem Untergrund oder mehrere beliebig orientierte helle Streifen auf dunklem
Untergrund.
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Es können aber auch schachbrettartige Muster aus abwechselnd hellen
und dunklen Quadraten oder Muster aus hellen und dunklen Dreiecken, Kreisen, Rechtecken
usw. verwendet werden. Diese Flächen lassen sich alternativ oder auch zusätzlich
zu einer schwarzweißen Ausgestaltung mit Farben beleben. Dabei können entweder fließende
Farbübergänge verwendet oder bestimmte Farbarten den einzelnen Teilflächen zugeordnet
werden.
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Sofern man relativ grob strukturierte Helligkeitsverteilungen, beispielsweise
helle Quadrate auf dunklem Untergrund, für die leuchtende Fläche verwendet, eignen
sich diese insbesondere zur Kontrastverstärkung von feinen Strukturen auf der zu
prüfenden Oberfläche, beispielsweise zur Kontrastverstärkung von Kratzern, Schleifspuren,
kleinen Beulen, Wellen und Einschlagstellen. Insofern ist diese Art der Beleuchtung
insbesondere zur Erfassung räumlicher Abweichungen von einer glatten Ebene an Karosserieteilen,
Stoßfängern, Zierleisten, Blenden von Kraftfahrzeugen sowie Reflektoren für Leuchten
geeignet, weiterhin
zur Überprüfung von Karosserieteilen, Blenden
und Stoßfängern aus Kunststoff oder von Materialbahnen aus Glas und Metall. Außerdem
besteht bei dieser Art der Beleuchtungseinrichtung die Möglichkeit zur Darstellung
und Messung der Oberflächenrauhigkeit von Gegenständen. Für die der Fernsehkamera
nachgeschaltete Auswerteelektronik ist in diesem Fall eine Filterung sinnvoll, welche
die relativ groben, unscharf abgebildeten Bilddetails der leuchtenden Fläche eliminiert
und nur die feinen, scharf abgebildeten Bilddetails der zu prüfenden Oberfläche
im Videosignal beläßt.
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Zur Erfassung von Verformungen an der zu prüfenden Oberfläche ist
auch ein Gitter- oder Strichraster auf der leuchtenden Fläche gut geeignet. Dabei
muß die Tiefenschärfe des Kameraobjektivs so eingestellt sein, daß einerseits die
zu beobachtende Oberfläche scharf abgebildet wird und andererseits das mitabgebildete
Strichraster nur insoweit unscharf abgebildet wird, daß es noch ausreichend im Videosignal
durchmoduliert. Für den Fall, daß nur vergleichsweise großflächige Verformungen
dargestellt und sonstige kleinere Oberflächenfehler unterdrückt werden sollen, besteht
noch die Möglichkeit, das Strichraster scharf und die zu beobachtende Oberfläche
unscharf abzubilden. Ein Strich- oder Gitterraster auf der leuchtenden Fläche erhält
man beispielsweise dadurch, daß man der Streuglasscheibe auf der der beleuchteten
Oberfläche zugekehrten Seite ein optisches Gitter mit einfachem oder gekreuztem
Strichraster zuordnet.
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Teile der zu beobachtenden Oberflåche, die konvex oder konkav gekrümmt
sind, stellen sich bei Verwendung von gekreuzten Strichrastern entsprechend Figur
2 bzw. Figur 3 dar.
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Für Bildvorlagen, die auf der leuchtenden Fläche ein Strichraster
ergeben und beispielsweise auf eine Opal-
glasscheibe aufprojiziert
werden, lassen sich noch folgende Beispiele angeben: Verwendung eines Glastransmissionsgitters,
wie es z. B. zur Positionsrückmeldung von Maschinenschlitten in Werkzeugmaschinen
verwendet wird (DE-Z "erkstatt und Betrieb", 1979, Heft 11, Seiten 782 bis 786).
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Gitter abnehmender Linienfrequenz, wie sie beispielsweise zur Messung
der Kontrast-Übertragungs-Funktion von Objektiven oder in Fernsehtestbildern zur
Messung der frequenzabhängigen Durchmodulation verwendet werden.
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Raster mit sinusförmiger Transparenz- oder Helligkeitsverteilung,
welches sonst zur Bestimmung der Modulations-Übertragungs-Funktion fotografischer
Materialien verwendet wird.
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Rauschraster, wie sie ebenfalls zur Bestimmung der Modulations-Übertragungs-Funktion
fotografischer Materialien vorgeschlagen wurden. Ein geeignetes Raster kann beispielsweise
durch die entsprechend vergrößerte körnige Struktur eines fotografischen Filmes
oder durch Lasergranulation erzeugt werden (DE-Z "Feinwerktechnik und Meßtechnik",
1975, Heft 2, Seiten 40 bis 45).
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Die im Rahmen der Erfindung verwendete leuchtende Fläche unterschiedlicher
Helligkeitsstruktur kann weiterhin aus einem Laser mit zugeordneter Opalglasscheibe
bestehen, wobei der Laserstrahl in der Lichtamplitude und Ablenkrichtung entsprechend
moduliert wird. Zur Vermeidung von Interferenzen mit der Fernsehabtastung kann die
Ablenkung des Laserstrahls entweder sehr viel schneller als die Fernsehabtastung
erfolgen, oder es wird eine fluoreszierende Opalglasscheibe als leuchtende Fläche
verwendet. Dabei ist
es nützlich, wenn der Sensor der Fernsehkamera
träge arbeitet und das dem optischen Bild entsprechende Ladungsbild auf dem Target
des Sensors bis zur Abtastung rnit dem Elektronenstrahl speichert. Weiterhin besteht
die Möglichkeit, die leuchtende Fläche mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre oder
mit Hilfe eines Fernsehmonitors zu erzeugen.
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I.2 Verwendung eine Umlenkspiegels Für die in Figur 4 dargestellte
Anordnung ist charakteristisch, daß die optische Achse p der Beleuchtungseinrichtung
(Projektor 10, Opalglasscheibe 11) senkrecht oder annähernd senkrecht zur zu beobachtenden
Oberfläche des Gegenstandes 2 verläuft. Die für die Anordnung notwendige Umlenkung
der Lichtstrahlen in die Fernsehkamera 20 mit dem Kameraobjektiv 21 erfolgt dabei
mit Hilfe eines halbdurchlässigen Umlenkspiegels 13, der zwischen dem zu beobachtenden
Gegenstand 2 und der Opalglasscheibe 11 angeordnet ist. Durch die Schrägstellung
des Umlenkspiegels 13 gegenüber der optischen Achse p der Beleuchtungseinrichtung
ist gewährleistet, daß die von dem Gegenstand 2 reflektierten Lichtstrahlen umgelenkt
und über das Objektiv 21 der Fernsehkamera 20 auf die lichtempfindliche Schicht
der Fernsehaufnahmeröhre gelenkt werden.
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Bei dem in Figur 4 zu beobachtenden Gegenstand 2 handelt es sich um
einen Stoßfänger für Kraftfahrzeuge, dessen Querschnittsprofil in Figur 5 dargestellt
ist. Gemäß dieser Darstellung soll die äußere Oberfläche des Stoßfängers in dem
mit bezeichneten Bereich auf Oberflächenfehler hin überprüft werden. Bei diesen
Fehlern kann es sich urn Beulen, Wellen, Schleiffehler, galvanische Fehler, Eindrücke,
Beschädigungen, Materialfehler, Blasen, Poren, Krater, Abblätterungen oder Putzfehler
handeln. Derartige Oberflächenfehler können auch an anderen Produkten mit glatter
Oberfläche, beispielsweise an Materialbahnen, Bremszylindern, Bremszylinderkolben
oder Reflektoren für Leuchten auftreten,
Der in Figur 5 dargestellte
Stoßfänger 2 weist in dem zu überprüfenden Oberflächenbereich eine nicht überall
geradlinig verlaufende Oberfläche auf. Das erfindungsgemäße Verfahren und die neue
Anordnung sind dazu geeignet, gerade auch in Bereichen mit gekrümmter Oberfläche
Fehler gut ermitteln zu können Bei der in Figur 4 dargestellten Anordnung ist es
dabei notwendig, entweder den Stoßfänger 2 an der Beleuchtungseinrichtung vorbeizuführen
oder die aus der Fernsehkamera 20, dem halbdurchlässigen Umlenkspiegel 13, der Opalglasscheibe
11 und dem Projektor 10 bestehende Anordnung längs des Stoßfängers 2 entlangzuführen.
Sofern sich die zu überprüfende Oberfläche dabei nicht mit einer einzigen Fernsehkamera
erfassen läßt, können gegebenenfalls auch zwei oder mehrere Fernsehkameras angeordnet
sein. Gegebenenfalls ist jeder Fernsehkamera eine eigene Beleuchtungseinrichtung
zuzuordnen.
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In den Figuren 6 und 7 ist dargestellt, wie sich zwei verschiedene
Punkte A und B einer unversehrten Metalloberfläche t abbilden und aus welchen Bereichen
der leuchtenden Fläche 11 dabei das für die Abbildung benötigte Licht stammt. In
der Darstellung sind dabei die Randstrahlen des Lichtbündels strichliert und der
Mittenstrahl strichpunktiert. Es wird davon ausgegangen, daß die leuchtende Fläche
11 eine periodische Helligkeitsverteilung aufweist, die aus einander abwechselnden
hellen Streifen 15 und dunklen Streifen 16 besteht. Bei dem in Figur 6 dargestellten
Punkt A der spiegelnden, glatten Metalloberfläche 1 stammen die auf diesen Punkt
auffallenden Lichtstrahlen aus einem Bereich eines hellen Streifens 15 der leuchtenden
Fläche 11. Betrachtet man dagegen den Punkt B in Figur 7, so stammen die an diesem
Punkt reflektierten Lichtstrahlen aus dem Bereich eines dunklen-Streifens 16 der
leuchtenden Fläche 11.
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Wenn nun gemäß Figur 8 an der Stelle A' ein Fehler in der glatten
Metalloberfläche vorliegt, so kommen die über das
Objektiv 21 in
die Fernsehkamera 20 reflektierten Lichtstrahlen aus einem anderen Bereich der leuchtenden
Fläche 11, als wenn dieser Fehler nicht vorliegen würde. Die Lichtstrahlen stammen
zum Teil aus einem dunklen Streifen 16, zum Teil aber auch von einem hellen Streifen
15 der leuchtenden Fläche 11. Daher erscheint der Punkt A' in anderer Helligkeit
als eine unversehrte Oberfläche an der gleichen Stelle. Wegen der hier lokal veränderten
Oberflächenkrümmung stammt das zur optischen Abbildung dienende Licht aus anderen
Bereichen der leuchtenden Fläche 11 als im Fall der gleichmäßig ebenen Metalloberfläche.
Der Punkt A' bedeutet demnach eine singuläre Stelle im Bereich der sonst gleichmäßigen
Helligkeit und wird von der Fernsehkamera 20 mit der zugeordneten, hier nicht näher
dargestellten Auswerteelektronik als Fehlerstelle erkannt.
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I.3 Elimination der Rasterstruktur Im späteren Abschnitt III wird
dargestellt, wie die in dem Videosignal der Fernsehkamera enthaltenen Bildinformationen
des ursprünglichen Bildsignals und des überlagerten Rastersignals aufgrund der Helligkeitsstruktur
der leuchtenden Fläche getrennt und unabhängig voneinander ausgewertet werden können.
Für diejenigen Anwendungen, bei denen eine getrennte Auswertung des Rastersignals
nicht notwendig oder unerwünscht ist, läßt sich dieses Rastersignal bereits mit
optischen Mitteln eliminieren. Hierzu können zwei verschiedene Wege beschritten
werden.
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Im ersten Fall wird das Muster bzw. Raster der leuchtenden Fläche
im zeitlichen Ablauf derart verändert, daß durch Integration der Bildinformation
über ein bestimmtes Zeitintervall das überlagerte Raster bzw. Muster eliminiert
wird. Die Integration der Bildinformation kann dabei durch Speicherung der entsprechenden
Ladungsbilder auf dem Target des Fernsehsensors (Sperren des Abtast-Elektronenstrahls
während dieses Zeitintervalls) oder durch einen getrennten Bildspeicher erfolgen.
Die zeit-
liche Änderung der Helligkeitsverteilung auf der leuchtenden
Fläche wird dabei durch geeignete Bewegung des Rasters bzw. Musters oder durch einen
ständigen Wechsel zwischen einem positiven Bild und einem komplementären negativen
Bild des Rasters bzw. Musters erreicht. Bei Addition von Bildern einer ebenen Oberfläche
mit einem positiven und mit einem negativen Raster wird dann die überlagerte Rasterstruktur
eliminiert. Dies gilt jedoch nicht für Oberflächenteile, die räumliche Abweichungen
von einer glatten Ebene aufweisen. An diesen Stellen wird das Raster bzw. Muster
verformt oder vergrößert oder verkleinertoder unscharf dargestellt. Nach der Addition
der beiden Bildinformationen erscheinen dann diese Stellen mit anderer Helligkeit
als die sie umgebenden Flächen, oder es bleiben Reste des Rasters bestehen.
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Die Erzeugung von bewegten oder zeitlich aufeinanderfolgenden komplementären
Rastern kann beispielsweise durch Laufbildprojektion eines entsprechenden Filmes
oder durch Umschaltung (wechselweise Ein- und Ausschaltung) von mit Blitzlampen
ausgerüsteten Projektoren erfolgen oder auch mittels einer leuchtenden Fläche, die
aus einer Kathodenstrahlröhre oder dem Bildschirm eines Videomonitors mit zugeordnetem
elektronischem Mustergenerator besteht. Eine weitere Möglichkeit ist durch die Verwendung
eines entsprechend modulierten und abgelenkten Laserstrahls gegeben.
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Im zweiten Fall kann die überlagerte Rasterstruktur dadurch eliminiert
werden, daß das Raster der leuchtenden Fläche analog und synchron zur Fernsehbildabtastung
erzeugt wird. Um dieses Vorgehen zu veranschaulichen, sei nachfolgend ein einzelner,
vom Sensor der Fernsehkamera abgetasteter Bildpunkt betrachtet.
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Um die räumliche Abweichung von einer glatten Ebene eines kleinen
Oberflächenteiles, dem dieser Bildpunkt angehört, zu erfassen, ist insbesondere
eine leuchtende Fläche gut
geeignet, die nur einen hellen Kreis,
einen Leuchtfleck oder einen Leuchtpunkt auf dunklem Untergrund enthält. Der helle
Kreis oder Leuchtfleck wird nun entsprechend der Fernsehabtastung auf der leuchtenden
Fläche derart bewegt, daß der momentan von der Fernsehkamera abgetastete Bildpunkt
immer im Mittelpunkt des hellen Kreises bleibt bzw.
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mit dem Leuchtfleck oder dem leuchtenden Punkt zusamrnenfällt. Diese
Bedingung ist einzuhalten, sofern die untersuchte Oberfläche eben ist. Sofern jedoch
Abweichungen von der Ebenheit auftreten, also Welligkeiten oder andere Fehler vorliegen,
ist diese Bedingung nicht mehr erfüllbar.
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Wenn man dabei durch unscharfe Abbildung der leuchtenden Fläche auf
der beleuchteten Oberfläche gewährleistet, daß der helle Kreis bzw der Leuchtfleck
oder Leuchtpunkt der leuchtenden Fläche auf der beleuchteten Fläche mit stetigem
örtlichem Helligkeitsverlauf erscheint, so werden räumliche Abweichungen an der
glatten Oberfläche durch verschiedene Graustufen im abgetasteten Bild dargestellt.
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Der Leuchtfleck auf der leuchtenden Fläche kann beispielsweise mittels
eines abgelenkten Laserstrahls oder eines bewegten Leuchtflecks einer Kathodenstrahlröhre
bzw. einer Monitorröhre erzeugt werden. Hierbei ist darauf zu achten, daß die Abklingzeit
des Leuchtschirmes (Fluoreszenz) kurz ist und daß der Sensor der Fernsehkamera möglichst
trägheitsfrei (ohne Ladungsspeicherung) arbeitet.
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I.4 Helligkeitsmuster nach Moirestreifen Bei der in Figur 9 dargestellten
Anordnung ist der Beleuchtungseinrichtung, die aus dem Projektor 10 und der vorzugsweise
gleichmäßig hell ausgeleuchteten Opalglasscheibe 11 besteht, ein optisches, gegebenenfalls
gekreuztes Gitter 17 zugeordnet, das in unmittelbarer Nähe der beleuchteten und
beobachteten Oberfläche 1 angeordnet ist. Dieses optische Gitter bildet sich einerseits
durch das Objektiv der Fernsehkamera 20 direkt und andererseits indirekt über die
von der Oberfläche 1 reflek-
tierten Lichtstrahlen auf dem Sensor
der Fernsehkamera 20 ab. Diese Abbildungen des optischen Gitters erfolgen in unterschiedlicher
Größe, weil die entsprechenden optischen Lichtwege nicht gleich lang sind. Durch
die verschiedenen Strichabstände der beiden Abbildungen auf der lichtempfindlichen
Schicht der Fernsehkamera entstehen Moir6streifen, die im Videosignal eine Frequenz
haben, welche der Differenzfrequenz beider Raster entspricht. Dabei wird der gegenseitige
Abstand der einzelnen Moiréstreifen u. a. durch den Abstand des optischen Gitters
17 zur Oberfläche 1 bestimmt. Abweichungen von einer glatten Ebene an der spiegelnden
oder reflektierenden Oberfläche 1 stellen sich deshalb durch eine Verzerrung der
Moiréstreifen ähnlich den in Figur 2 und 3 dargestellten Bildern dar.
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An Stellen mit verformter Oberflächenstruktur ist nämlich der Abstand
zum optischen Gitter 17 kürzer bzw. länger als an den gleichmäßig ebenen Teilen.
Bei dieser "oire-Methode" führen Vertiefungen in der Oberfläche 1 zu einer Verzerrung
gemäß Figur 3, während Erhebungen zu einer Verzerrung gemäß Figur 2 führen.
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Den beschriebenen Moiré-Effekt kann man auch dadurch erzeugen, daß
einer gleichmäßig leuchtenden Fläche zwei unmittelbar hintereinander angeordnete
optische Gitter zuangeordnet werden. Diese optischen Gitter würde man bei der Anordnung
gemäß Figur 1, beispielsweise anstelle der Linse 12, vorsehen.
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Die in Figur 9 dargestellte Anordnung ist insbesondere für Gegenstände
geeignet, die eine spiegelnde bzw. reflektierende Oberfläche aufweisen.
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II. Optikanordnung mit aufprojiziertem Muster 1. Allgemeines Im Unterschied
zu den bisher beschriebenen Anordnungen, bei denen eine leuchtende Fläche mit periodischer
oder
aperiodischer Helligkeits- und/oder Farbverteilung verwendet
und die zu überprüfende Oberfläche mit dieser leuchtenden Fläche beleuchtet wird,
werden im nachfolgenden optische Anordnungen beschrieben, bei denen eine oder mehrere
Bildvorlagen mit periodischer oder aperiodischer, farbiger oder schwarzweißer Helligkeitsstruktur
direkt auf die zu prüfende bzw. zu beobachtende Oberfläche eines oder mehrerer Gegenstände
aufproJiziert wird. Mit derartigen optischen Anordnungen lassen sich dann auch Gegenstände
erfassen bzw. untersuchen, die eine diffus reflektierende, also eine nicht spiegelnde
Oberfläche aufweisen. Bei der hierzu in Figur 10 dargestellten Anordnung besteht
die Beleuchtungseinrichtung aus der punktförmigen Lichtquelle 18 und dem optischen,
gegebenenfalls gekreuzten Gitter 17, das über der zu beobachtenden bzw. zu prüfenden
Oberfläche 1 angeordnet ist. Die punktförmige Lichtquelle 18 bewirkt eine Aufprojektion
des Rasters auf die zu betrachtende Oberfläche 1. Dadurch, daß die Lichtstrahlen
zum Zwecke der Abbildung der Oberfläche auf die lichtempfindliche Schicht der Fernsehkamera
das optische Gitter ein zweites Mal passieren, entstehen Moire-Streifen. Diese ergeben
sich also aus der Interferenz des auf die Oberfläche projizierten Rasters mit dem
eigentlichen Raster. Die Abbildung der Oberfläche erfolgt im übrigen mit Hilfe des
halbdurchlässigen Umlenkspiegels 13, der zwischen der punktförmigen Lichtquelle
18 und dem optischen Gitter 17 angeordnet ist.
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Im allgemeinen werden aber zur Aufprojektion des jeweiligen Musters
beispielsweise ein Projektor oder mehrere Projektoren verwendet. Es kommt auch die
Verwendung eines Lasers in Betracht, dessen Laserstrahl bezüglich Lichtintensität
und Ablenkeinrichtung moduliert wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung
einer Kathodenstrahlröhre mit Projektionsoptik bzw. in der Verwendung eines Videoprojektors.
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Sofern auf die zu prüfende oder zu untersuchende Oberfläche ein Strichraster
aufprojiziert wird, das abwechselnd helle und dunkle Streifen enthält, ermöglichen
die neuen Anordnungen, den betreffenden Gegenstand bzw. die betreffende Oberfläche
in drei Dimensionen zu vermessen.
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Die hierzu erforderliche Tiefeninforniation läßt sich auf verschiedene
Weise gewinnen, wie im nachfolgenden näher dargestellt ist. Obwohl in der nachfolgenden
Darstellung hinsichtlich der aufprojizierten Bildvorlage im wesentlichen von einem
Strichraster ausgegangen wird, lassen sich alternativ auch andere Raster einsetzen,
wie sie im Abschnitt I.2 beschrieben sind.
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2. Dreidimensionale Erfassung durch Schrägeinstrahlung Bei der in
Figur 11 dargestellten Anordnung sind ein oder zwei Projektoren 45 bzw. 46 vorgesehe,
mit denen ein Strichraster auf die zu beobachtende Oberfläche 1 projiziert wird.
Dabei sind die optischen Achsen der Projektoren relativ zur optischen Achse der
Fernsehkamera 20 unter einem Winkel 9 1 bzw. ? 2 sflhräggestellt Bei Verwendung
nur eines Projektors wird das aufprojizierte Muster auf der lichtempfindlichen Schicht
der Fernsehkamera 20 gemäß der Darstellung in Figur 12 abgebildet, wobei im oberen
Teil der Figur die Oberfläche 1 mit einer Vertiefung 3 sowie die schräg einfallenden
Lichtstrahlen 19 wiedergegeben sind und im unteren Teil der Figur das entsprechende
Videosignal über eine momentan abgetastete Fernsehzeile parallel zu dem im oberen
Teil der Figur dargestellten Oberflächenschnitt mit überlagertem Rastersignal wiedergegeben
ist. Sofern die beobachtete Oberfläche gleichmäßig eben ist, sind die Strichabstände
des abgebildeten Rasters konstant. An Oberflächenstellen, die eine andere Neigung
bzw. eine Abstandsänderung zur Fernsehkamera 20 aufweisen, sind die Strichabstände
des abgebildeten Rasters dagegen entsprechend verändert. Die spätere Bildauswertung
erfolgt durch Messung der Strichabstände im Videosignal
Wenn die
optische Anordnung zwei Projektoren 45 und 46 enthält, können die entstehenden Interferenzmuster
(Moire-Sreifen) der beiden aufprojizierten Strichraster für die rileßtechnische
Auswertung genutzt werden. Dabei sollte gewährleistet sein, daß die Frequenz, die
dem einzelnen Strichraster entspricht, im Videosignal vergleichsweise hoch oder
über der maximalen Übertragungsfrequenz (m allgemeinen 5 MHz) liegt. Auf diese Weise
läßt sich die Auswirkung des Strichrasters im Videosignal elektronisch durch Filterung
unterdrücken.
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Oberflächenstellen, die relativ zur übrigen Oberfläche geneigt sind
oder die eine Abstandsänderung gegenüber der Fernsehkamera 20 aufweisen, führen
zu einer Vergrößerung des von dem einen Projektor projizierten Rasters der einzelnen
Strichabstände bei Abbildung auf den Fernsehsensor, während sie zu einer Verkleinerung
der Strichabstände des anderen projizierten Rasters bei dessen Abbildung auf den
Fernsehsensor führen Die dabei entstehenden Interferenzstreifen entsprechen dem
Betrage nach der Differenzfrequenz beider Strichraster. Es kann hierbei von Vorteil
sein, die beiden Strichraster verschieden groß zu wählen.
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Dadurch wird erreicht, daß auch bei ebenen Oberflächen eine Differenzfrequenz
entsteht, die von Null verschieden ist. Eine ähnliche Wirkung läßt sich erzielen,
wenn gleiche Strichraster mit unterschiedlichen Winkeln relativ zur optischen Achse
der Fernsehkamera 20 aufprojiziert werden.
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Als Sonderfall kann einer der beiden Winkel auf Null festgelegt werden.
In diesem Fall ist ein Umlenkspiegel zu verwenden, um den Strahlengang des betreffenden
Projektors in Richtung auf den Gegenstand parallel zur optischen Achse der Fernsehkamera
20 umzulenken.
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3. Dreidimensionale Erfassung von Oberflächenstrukturen durch perspektivische
Verzeichnung Das optische Prinzip, das der perspektivischen Verzeichnung zugrunde
liegt, wird anhand der Figuren 13 bis 15
näher erläutert. Gemäß
Figur 13 können beispielsweise zwei Punkte P1 und P2, die einem Gegenstand oder
zwei in zeitlicher Folge betrachteten Gegenständen angehören, mit einem Objektiv
22 derart auf die lichtempfindliche Schicht (das Target) eines Fernsehsensors abgebildet
werden, daß die Bilder P1 und P2 zusammenfallen. Dabei ist eine ausreichende Tiefenschärfe
des Objektivs 22 Voraussetzung.
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Durch ein Objektiv 23 anderer Brennweite, wie es in Figur 14 dargestellt
ist, erscheinen dann die entsprechenden Punkte P1 und P2 an verschiedenen Stellen
auf dem Target des Fernsehsenscrs. Die mit den beiden Objektiven 22 und 23 entworfenen
Bilder sind somit perspektivisch verzeichnet.
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Mit Hilfe bekannter Rechenanlagen, wie sie zur Auswertung von Fernsehbildern
eingesetzt werden, ist es grundsätzlich möglich, zwei nacheinander oder auch gleichzeitig
mit Objektiven verschiedener Brennweite auf der lichtempfindlichen Schicht einer
Fernsehkamera erzeugte Bilder derart elektronisch zu verarbeiten, daß aus der Verzeichnung
auf die dreidimensionalen Verhältnisse des Gegenstandes geschlossen werden kann.
Dabei stellt es einen gewissen Nachteil dar, daß die Verzeichnung mit zunehmendem
Abstand zur optischen Achse größer wird und daß daher diese Methode nur auf Gegenstände
anwendbar ist, deren Konturen sich hinreichend scharf abbilden. Diese Nachteile
entfallen aber, wenn in Anwendung des gemäß der Erfindung ausgebildeten Verfahrens
mittels Aufprojektion einer periodischen Helligkeitsstruktur zusätzliche Tiefeninformationen
gewonnen werden.
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Bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann man beispielsweise eine Anordnung einsetzen, wie sie in Figur 15 dargestellt
ist. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Brennweite des Objektivs 21 der Fernsehkamera
20 und die Brennweite des Projektionsob-Objektivs 14 des Projektors 10 und die Abbildungsmaßstäbe
entsprechend
gewählt werden. Unter Bezugnahme auf die Figuren 13 und 14 entspricht das Propektionsobjektiv
14 dem Objektiv 22 in Figur 13 und das Kameraobjektiv 21 dem Objektiv 23 in Figur
14. Mit dem Projektionsobjektiv 14 ist es danach möglich, ausgehend von nur einem
Punkt auf einem Dia einen Bildpunkt P1 in nLZhcror oder einen Bildpunkt P2 in weiterer
Entfernung zu entwerfen. Durch das Kameraobjektiv 21 werden diese Punkte auf verschiedenen
Orten der lichtempfindlichen Schicht der Fernsehkamera 20 abgebildet. In diesem
Fall würde ein Strichraster, das mittels des Projektors 10 auf eine weiter entfernt
liegende Oberfläche projiziert wird, verkleinert auf dem Fernsehsensor abgebildet
werden im Vergleich zu den näher liegenden Oberflächenteil des betreffenden Gegenstandes.
Bei umgekehrtem Brennweitenverhäl tnis und entsprechendem Abbildungsmaßstab kann
andererseits eine Vergrößerung des Strichrasters für entfernter liegende Teile der
beleuchteten Oberfläche erreicht werden.
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Bei Aufprojektion eines Strichrasters auf die zu beleuchtende und
zu untersuchende Oberfläche 1 ist die Messung der Strichabstände des mittels der
Fernsehkamera 20 gewonnenen Videosignals der Ausgangspunkt für die dreidimensionale
Erfassung von Gegenständen. Bei Anwendung dieses Verfahrens auf Verformungen von
Oberflächen können wiederum Strichrasterstrukturen entstehen, wie sie in Figur 2
und 3 dargestellt sind.
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In Analogie zu der in Figur 11 dargestellten Anordnung kann auch das
anhand der Figuren 13 bis 15 beschriebene Verfahren durch Verwendung eines zusätzlichen
Projektors zur Erzeugung von Interferenzstreifen weiter ausgestaltet werden. Die
Lichtstrahlen des zweiten Projektors können beispielsweise durch ein Strahlenteilerprisma
oder durch einen weiteren halbdurchlässigen Umlenkspiegel in den Strahlengang des
ersten Projektors eingespiegelt werden.
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Andererseits ist mittels einer Anordnung gemäß Figur 11
ohne
Umlenkspiegel eine Kombination der beiden Verfahren "Schrägeinstrahlung" und "Perspektivische
Verzeichnung" möglich.
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4. Moiré-Streifen Die vorstede Ausfülirullgell Abschnitt II.2 über
das Verfahren der Schrägeinstrahlung mit Interferenzstreifen durch Verwendung zweier
Projektoren kann singemäß auch auf das Verfahren der perspektivischen Verzeichnung
(EI.3) angewendet werden. Zusätzlich können dabei die Brennweiten der beiden Projektionsobjektive
verschieden gewählt oder die beiden Rastervorlagen unterschiedlich dimensioniert
werden. In diesem Fall entstehen die Interferenzstreifen dadurch, daß für die aufprojizierten
Strichrasterbilder das Maß der Vergrößerung oder Verkleinerung infolge von Entfernungsunterschieden
ungleich gro ist. Als Sonderfall kann die optische Abbildung von einem der beiden
Projektoren so ausgelegt werden, daß das diesbezügliche Strichraster keine entfernungsabhängige
Größenänderung bzw.
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perspektivische Verzeichnung zeigt.
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Die Nutzung des Moir6-Effektes hat bei den beiden Methoden t'Schrägeinstrahlung"
und "Perspektivische Verzeichnung" gegenüber der Aufprojektion von nur einem Strichraster
den Vorzug, daß sich die Differenzfrequenzen, die den Interferenzstreifen entsprechen,
in einem großen Bereich einstellen lassen. Beispielsweise ist es möglich, durch
geeignete Wahl der Abbildungsgeometrie relativ große Frequenzänderungen bei nur
vergleichsweise kleinen Neigungs- bzw. Entfernungsänderungen zu erzielen. Damit
ergeben sich bessere Möglichkeiten zur Anpassung des Verfahrens an verschiedenartige
Gegenstände oder Oberflächen.
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oire-Streifen können beispielsweise auch durch Aufprojektion eines
Strichrasters erzeugt werden, wenn gleichzeitig ein entsprechendes optisches Gitter
auf dem Target des Fernsehsensors (nach Art der Farbstreifenfilter bei
der
Einröhren-Farbkamera) oder in der Ebene einer Zwischenabbildung angebracht ist.
Dabei kann das aufprojizierte Raster auch relativ zum optischen Gitter geneigt sein,
wodurch von vornherein ein bestimmtes Interferenzmuster gegeben ist. Wird im übrigen
der Projektor unmittelbar neben die Fernsehkamera bzw. neben die Ebene der Zwischenabbildung
gebracht, dann kann ein zusammenhängendes optisches Gitter eingesetzt werden. Die
eine Seite des Gitters dient dann zur Projektion und die andere Seite kommt vor
dem Fernsehsensor bzw. in der Ebene der Zwischenabbildung zu liegen. In diesem Fall
entfällt die gegenseitige Justierung der Strichraster.
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Bei der in Figur 15 dargestellten Anordnung ist davon ausgegangen,
daß Fernsehkamera 20 und Projektor 10 Objektive unterschiedlicher Brennweite haben.
Anstelle von Objektiven mit fester Brennweite können auch Objektive mit variabler
Brennweite eingesetzt werden, wobei die Brennweiten über eine entsprechende Steuereinrichtung
genau einstellbar sind. Weiterhin besteht die Möglichkeit, anstelle von zwei Objektiven
unterschiedlicher Brennweite zwei Objektive mit verschiedener Anordnung der Blende
zu wählen, also beispielsweise für die Blende des Objektivs der Beleuchtungseinrichtung
eine telezentrische Anordnung und für die Blende der Fernsehkamera eine entozentrische
Anordnung oder umgekehrt.
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III. Elektronische Bildauswertung Im vorstehenden Abschnitt sind optische
Anordnungen beschrieben, mit denen räumliche Abweichungen von einer glatten Ebene
an der spiegelnden bzw. reflektierenden oder diffus streuenden Oberfläche von Gegenständen
kontrastreich sichtbar gemacht werden können. Die einfachste Möglichkeit der Auswertung
der sichtbar gemachten räumlichen Abweichungen besteht zunächst darin, daß der Fernsehkamera,
mit der die beleuchtete und zu beobachtende
Oberfläche aufgenommen
wird, ein Sichtgerät nachgeschaltet ist, dessen Bildschirm von einer Person beobachtet
wird. Im Interesse einer automatischen Bildauswertung ist es jedoch sinnvoll, das
Videosignal der Fernsehkamera auf elektronischem Wege auszuwerten. Dabei können
anstelle üblicher Fernsehsensoren wie beispielsweise Vidicon oder Plumbicon auch
sogenannte Festkörperkameras eingesetzt werden, die im wesentlichen aus einer oder
mehreren Fotodioden-Zeilen (CID-, CCD-Sensoren) bestehen Dies gilt insbesondere
dann, wenn die zu beobachtenden oder zu prüfenden Gegenstände stetig an der Kontrollstelle
vorbeitransportiert werden.
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Für die meßtechnische Erfassung der räumlichen Abweichungen von einer
glatten Oberfläche können die bekannten Verfahren der elektronischen Bildauswertung
angewandt werden. Dementsprechend können nach Quantisierung (Digitalisierung) des
Videosignals Konturen oder Flächen vermessen, Schwerpunkte bestimmt und bestimmte
Bildstrukturen, z. B. Oberflächenfehler, klassifiziert und gezählt werden. Unter
Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen optischen Anordnungen ist es in diesen
Fällen zunächst erforderlich, diejenige im Videosignal enthaltene Information, die
von der im Bild überlagerten Rasterstruktur der Beleuchtungseinrichtung herrührt,
abzutrennen.
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Dieser abgetrennte Signalanteil (das Rastersignal) ist gegebenenfalls
derart aufzubereiten, daß auch hierauf die Methoden der Bildauswertung angewandt
werden können. Entsprechend der jeweils gewählten optischen Anordnung können dabei
aus dem abgetrennten Signal Informationen über die Neigung, Krümmung oder den Abstand
der betrachteten Gegenstände bzw. Oberflächen gewonnen werden. Aus diesen Informationen
können dann mit Hilfe von Rechenanlagen weitere objektspezifische rkmale wie beispielsweise
Volumen und Schwerpunkt ermittelt werden.
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2. Filterung und Auswertung des Videosignals Wenn dem Bildsignal aufgrund
der Struktur der Beleuchtungseinrichtung ein vergleichsweise grobes Raster überlagert
ist, beispielsweise ein Raster mit sinusförmiger Struktur, so läßt sich dieses überlagerte
Raster durch eine Hochpaßfiltcrung vom Bildsignal trennen. Dabei wird vorausgesetzt,
daß die geometrischen Abmessungen des optischen Aufbaus und der Beleuchtungseinrichtung
so gewählt sind, daß die hierdurch verursachten Frequenzen im Videosignal vergleichsweise
niedrig liegen. Andererseits ist davon auszugehen, daß die auszuwertenden Bilddetails
sich in einem höheren Frequenzbereich des Videosignals auswirken, wie es beispielsweise
bei Kratzer, Schleifspuren und Untersuchungen der Oberflächenrauhigkeit der Fall
ist.
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Im Rahmen der videotechnischen Bildauswertung können dann Maßnahmen
ergriffen werden, mit denen die niedrigen Frequenzen des Videosignals, beispielsweise
im Bereich bis 500 kHz, durch eine Filterung unterdrückt werden. Danach läßt sich
das Fernsehbild auch ohne die störende Untergrundstruktur der leuchtenden Fläche,
beispielsweise auf einem Fernsehmonitor, darstellen.
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Wenn andererseits dem Bildsignal ein Raster überlagert ist, das in
einem sehr hohen Frequenzbereich des Videosignals erscheint, empfiehlt sich eine
Tiefpaßfilterung.
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Weiterhin kommt bei Anwendungen, die zu einer Verzeichnung von Rastern
führen, wie sie beispielsweise in den Figuren 2 und 3 dargestellt sind, eine Filterung
mit einem Bandpaß oder einer Bandsperre in Betracht. Hierbei ist zu berücksichtigen,
daß die ungestörte Rasterfrequenz im Bereich zwischen der oberen und unteren Grenzfrequenz
des Bandfilters liegt und daß die aus der Verzeichnung herrührenden Rasterfrequenzen
entsprechend höher oder tiefer, also außerhalb des Filterbereiches, liegen. In diesem
Fall gelingt dann beispielsweise die Ausblendung des Rasters mittels einer Band
sperre nur für ungestörte
Rasterbereiche, während in den interessierenden
Oberflächenbereichen-mit räumlicher Abweichung die Rasterstruktur zu erkennen ist.
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Die erwähnte Hochpaß- oder Tiefpaßfilterung kann auch derart durchgeführt
werden, daß sie sich in beiden Dimensionen der Bildfläche auswirkt. Zu diesem Zweck
wird gemäß der im unteren Teil der Figur 16 dargestellten schematischen Anordnung
das von der Fernsehkamera 20 kommende Videosignal sowohl direkt als auch indirekt
über den Einzelbildspeicher 24 den weiteren Einrichtungen zugeführt. Im Einzelbildspeicher
24 wird das eingegebene Videosignal beispielsweise durchDefokussierung des Abtaststrahls
der Speicherröhre wieder unscharf ausgelesen. Wenn nun das unscharf ausgelesene
Bild mit Hilfe des Subtrahiergliedes 25 von dem direkt weitergegebenen Videosignal
der Fernsehkamera 20 subtrahiert wird, wirkt sich dieser Vorgang wie eine flächenhafte
Hochpaßfilterung aus und führt zur Elimination einer groben. überlagerten Rasterstruktur.
Dabei steht die Bildinformation der groben überlagerten Rasterstruktur am Ausgang
des Einzelbildspeichers 24 zur Verfügung, während die höherfrequenten Bilddetails
am Ausgang des Subtrahierers 25 anstehen. Beide Bildinformationen können einem Rechner
22 zur Auswertung zugeführt werden, während die höherfrequenten Bilddetails auch
mit Hilfe des Videomonitors 23 darstellbar sind.
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Die Anwendung des zuletzt beschriebenen Vorgehens auf feine überlagerte
Rasterstrukturen entspricht einer Tiefpaßfilterung. Nach dem unscharfen Auslesen
des Videosignals aus dem Einzelbildspeicher 24 verschwinden in diesem Fall die hochfrequenten
überlagerten Strukturen. Andererseits läßt sich durch Subtraktion, des unscharf
ausgelesenen Videosignals vom ursprünglichen Videosignal das Signal der feinen überlagerten
Rasterstruktur allein gewinnen und mittels des Rechners 22 auswerten.
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Eine andere Möglichkeit der genauen Trennung der Bildinformation von
der überlagerten Rasterinformation ist dann gegeben, wenn die Beleuchtungseinrichtung
10, 11 einer bestimmten zeitlichen Steuerung mittels der Steuereinrichtung 27 unterworfen
wird. Eine solche zeitliche Steuerung muß zur Folge haben, daß die Fernsehkamera
20 abwechselnd ein Bild ohne und ein Bild mit überlagertem Raster abgibt. Bei Anwendung
feiner Rasterstrukturen kann man beispielsweise derart vorgehen, daß-der für die
Erzeugung des Rasters verwendete Projektor abwechselnd fokussiert und defokussiert
wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwei mit Blitzlampen ausgerüstete Projektoren
zu verwenden, von denen nur einer das Raster aufprojiziert und die einander abwechselnd
den zu beobachtenden Gegenstand bzw. die Oberfläche beleuchten. In diesen Fällen
muß der Einzelbildspeicher 24 mit der Beleuchtungseinrichtung 10, 11 synchron gesteuert
werden, damit an den Eingängen des Subtrahierers 25 stets ein Videosignal mit und
ohne überlagerter Rasterstruktur ansteht.
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Eine Alternative zu diesem Vorgehen ist dadurch gegeben, daß abwechselnd
ein Bild mit positivem und mit negativem komplementärem) Raster erzeugt wird. In
diesem Fall ist in der der Fernsehkamera 20 nachgeschalteten Anordnung ein Addierer
26 zu verwenden, an dessen Ausgang dann das Videosignal ohne die überlagerte Rasterstruktur
zur Verfügung steht. Das Rastersignal selbst liegt dann ohne die ursprüngliche Bildinformation
am Ausgang des Subtrahierers 25 vor Diese Art der Signaltrennung gelingt insbesondere
bei optischen Anordnungen, bei denen eine Rasterstruktur auf die zu beobachtende
Oberfläche bzw. auf die entsprechenden Gegenstände aufprojiziert wird.
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Eine andere Methode der Filterung und damit der Trennung des eigentlichen
Bildsignals vom überlagerten Rastersignal kann angewendet werden, wenn der zu beobachtende
Gegenstand oder die zu beobachtende Oberfläche relativ zur
Beleuchtungseinrichtung
und zur Fernsehkamera, beispielsweise quer zur Lichtquelle längs einer Linie, bewegt
wird.
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Bei einer in Richtung der Oberfläche bewegten Fläche bleibt ein auf
diese Fläche projiziertes Raster in der ursprünglichen Zuordnung der Rasterlinien
stehen, sofern die Fläche gleichmäßig eben ist. Treten jedoch Verformungen oder
Abstandsänderungen auf, so führt dies zu einer Verzerrung von Teilen des Rasters
oder der Gitterlinien. Vergleicht man nun zeitlich aufeinanderfolgende Bilder der
beleuchteten Oberfläche bzw. bildet Differenzbilder, dann erscheinen nur noch diejenigen
Objektteile im Videosignal, die eine Bildänderung verursachen, nämlich verformte
und gekrümmte Teile oder Stellen mit Neigungs- bzw. Abstandsänderung.
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Bei dieser Art der Filterung ist ebenfalls ein Bildspeicher 24 gemäß
Figur 16 erforderlich.
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In einer vereinfachten Ausführungsform dieser Vorgehensweise genügt
es, anstelle von ganzen Bildern nur eine oder mehrere Bildzeilen zu speichern oder
zeitlich zu verzögern, beispielsweise durch eine akustische Verzögerungsleitung
oder durch ein Analog-Schieberegister. Der nachgeschaltete Rechner kann dann durch
einen Vergleich (Korrelation) dieser benachbarten Bildzeilen die überlagerte periodische
Rasterstruktur erkennen.
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Sofern man zur Aufprojektion auf die zu beobachtende Oberfläche ein
Strichraster verwendet, das schräg zur Richtung der Fernsehzeilen der Fernsehkamera
orientiert ist und dessen Rasterfrequenz einem ungeradzahligen Vielfachen der halben
Zeilenfrequenz der Fernsehkamera entspricht, hat das damit erzeugte Rastersignal
eine ähnliche Struktur wie die Farbträgerfrequenz oder wie spektrale Anteile des
Farbartsignals beim Farbfernsehen. Daher lassen sich zur Abtrennung dieses Rastersignals
vom Videosignal die in der Farbfernsehtechnik gebräuchlichen Kainnifilter einsetzen.
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Im übrigen besteht grundsätzlich die Möglichkeit, das mittels der
Beleuchtungseinrichtung überlagerte Muster durch geeignete Farbgebung gegenüber
dem ursprünglichen Bild abzuheben. Die zur Bildauswertung eingesetzte Farbfernsehkamera
muß dann mit einer nachgeschalteten elektronischen Ausrüstung versehen sein, dio
die betreffenden Farbinformationen getrennt auswertet.
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3. Auswertung der vom Videosignal abgetrennten Rasterinformation Im
Anschluß an die im vorhergehenden Abschnitt beschriebene Abtrennung der überlagerten
Rasterinformation vom Videosignal werden sowohl auf das Rastersignal allein als
auch auf das "gereinigte" Videosignal VB (also ohne die Rasterinformation) die bekannten
Techniken der elektronischen Bildauswertung angewandt. Das abgetrennte Rastersignal
muß hierzu zunächst derart umgewandelt werden, daß es von der Auswerteelektronik
wie ein Videosignal verarbeitet werden kann. Dabei ist wesentlich, daß eine dem
Rastersignal gegebenenfalls überlagerte Amplitudenmodulation eliminiert und das
Rastersignal selbst demoduliert bzw. decodiert wird. Das hierbei entstehende demodulierte
Rastersignal enthält entsprechend der jeweils gewählten Art der Beleuchtungseinrichtung
unterschiedliche Informationen, an die die nachgeschaltete Auswerteelektronik anpaßbar
ist.
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Figur 17 zeigt einen Blockschaltplan für die Auswertung des Rastersignals.
Danach wird das-Rastersignal R zunächst über eine Einrichtung 27 zur Elimination
einer eventuell vorhandenen Amplitudenmodulation und danach über eine Einrichtung
28 zur Demodulation bzw. Decodierung geleitet, bevor es als Videosignal VR zur Verfügung
steht und entweder dem Rechner 22 oder dem Videomonitor 23 zugeführt wird. Der Videomonitor
23 ist dabei umschaltbar, um auch das parallel ankommende Videosignal VB optisch
sichtbar machen zu können. Das Videosignal VB wird
auch dem Rechner
22 zugeführt, der im übrigen aus dem Rastersignal diejenigen Merkmale ableitet,
die für den jeweils betrachteten Gegenstand spezifiscr. sind und ihn in drei Dimensionen
kennzeichnen. Im übrigen kann das mit der Fernsehkamera- aufgenommene Bild von der
jeweils beleuchteten Oberfläche auch stereoskopisch wiedergegeben werden, wenn das
Videosignal entsprechend aufbereitet und auf zwei Videomonitore gegeben wird.
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Eine Amplitudenmodulation des abgetrennten Rastersignals liegt beispielsweise
dann vor, wenn die auf die zu untersuchende Oberfläche auftreffenden Lichtstrahlen
der Beleuchtungseinrichtung an verschiedenen Stellen der betrachteten Oberfläche
unterschiedlich reflektiert oder remittiert werden. Eine hieraus resultierende Amplitudenmodulation
läßt sich beispielsweise gesäß dem in Figur 18 dargestellten Blockdiagramm beseitigen,
in dem das "gereinigte" Videosignal VB nach Abtrennung des Synchronsignals und nach
Invers ion mittels einer entsprechenden Schaltungsanordnung 29 zur Steuerung des
Verstärkungsgrades eines Verstärkers 27 für das Rastersignal R verwendet wird. Das
Maß der Verstärkung wird dabei fortlaufend durch das Videosignal VB derart vorgegeben,
daß sich bei kleinen Amplituden des Videosignals und des Rastersignals eine hohe
Verstärkung und bei großen Amplituden dieser Signale eine kleine Verstärkung ergibt.
Eine hinter dem Verstärker 27 gegebenenfalls noch verbleibende Restwelligkeit des
Rastersignals R wird durch den nachgeschalteten Begrenzer 27" beseitigt, an dessen
Ausgang dann das Rastersignal R zur Verfügung steht, das sich durch eine konstante
Amplitude auszeichnet.
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Wie bereits erwähnt, muß das Rastersignal R bzw. R' weiterhin demoduliert
bzw. decodiert werden, um die im Rastersignal in verschlüsselter Form vorliegenden
Informationen über die betrachtete Oberfläche in die Gestalt eines Videosignals
VR zu überführen. Hierbei repräsentie-
ren jedoch die Amplituden
(Graustufen) des Videosignals nicht die Helligkeit der betrachteten Oberflächenteile,
sondern deren Neigung oder Krümmung oder Abstand. Die Art der Decodierung oder Demodulation
ist dabei entsprechend der jeweils gewählten Rasterstruktur der Beleuchtungseinrichtung
und der jeweils eingesetzten optischen Anordnung anzupassen.
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Bei Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung, mit der ein nichtperiodisches
Raster auf die beleuchtete Oberfläche projiziert wird, lassen sich insbesondere
Gegenstände beobachten und überprüfen, deren beleuchtete Oberfläche quer zu der
Lichtquelle längs einer Linie bewegt wird. Entsprechende aperiodische Raster sind
beispielsweise einzelne Linien, ein Streifen oder mehrere Streifen, die mit unterschiedlichem
Abstand zueinander angeordnet sind und gegebenenfalls eine unterschiedliche Breite
aufweisen. Die in dem entsprechenden Rastersignal vorliegende Information wird dann
dadurch entschlüsselt, daß man Verformungen, Lageverschiebungen, Maßstabsänderungen,
Unterbrechungen und Mehrfachabbildungen des Rasters mißt, Dabei können entweder
die relativen Abweichungen von einem elektronisch erzeugten Vergleichsraster oder
die relativen Veränderungen des Rasters zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Fernsehbildern
gemessen werden. Dabei sind die Meßwerte jeweils mit dem sich augenblicklich unter
der Rasterlinie befindlichen Objektteil (Bild der beleuchteten Oberfläche) zu korrelieren.
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Bei Verwendung eines periodischen Rasters oder periodischen Musters,
das mittels der Beleuchtungseinrichtung auf die beobachtete Oberfläche aufprojiziert
wird, lassen sich sowohl räumliche Abweichungen von einer glatten Oberfläche erfassen,
die kleiner sind, als auch solche, die größer sind als der Rasterabstand und damit
die Periode des Rasters. Beschränkt man sich jedoch auf Anwendungen, bei denen im
Rastersignal Bilddetails, die
feiner als das Raster sind, nicht
enthalten sind (beispielsweise infolge einer Filterung), dann entspricht die Anwendung
des periodischen Strichrasters auf das mit der Fernsehkamera betrachtete Bild und
die damit verbundene Entschlüsselung des Strichrasters der Abtastung und Auswertung
einer Information im Sinne des Abtasttheererns der Nachrichtentheorie. Im Unterschied
zu bekannten Verfahren der Abtastung von Signalen sind in diesem Fall allerdings
die erwünschten Informationen nicht in der Amplitude, sondern in der Änderung oder
der lokalen Störung der Periodizität des Rastersignals enthalten.
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Sofern man für die Bildauswertung ein Strichraster verwendet, das
senkrecht zu den Zeilen des von der Fernsehkamera erzeugten Bildes orientiert ist,
entsteht im Videosignal der Fernsehkamera eine Rasterfrequenz, die entsprechend
der Kontur des betrachteten Objektes eine Frequenz-bzw, eine Phasenmodulation aufweist.
Eine Demodulation des Rastersignals kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß das
frequenzmodulierte Signal in bekannter Weise an der Filterflanke eines Hochpasses,
eines Tiefpasses oder eines Bandpasses demoduliert wird Ein schematisches Blockschaltbild
hierfür sowie ein entsprechendes Amplituden-/ Frequenzdiagramm zeigen die Figuren
19 und 20. Danach wird das Rastersignal R', das eine konstante Amplitude aufweist,
dem Filter 28' zugeführt und anschließend über den Gleichrichter 28" gegeben. Am
Ausgang des Gleichrichters steht das demodulierte Rastersignal VR zur Bildauswertung
zur Verfügung.
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In Figur 20 ist der Verlauf der Ausgangsamplitude A über der Rasterfrequenz
3 für ein Hochpaßfilter dargestellt, dessen Filterflanke den Hub der Rasterfrequenz
zwischen der unteren Grenzfrequenz fu und der oberen Grenzfrequenz f0 überdeckt.
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Bei Verwendung eines Strichrasters dessen Linien senkrecht zur Richtung
der Zeilen des Fernsehbildes verlaufen, kann sich die Demodulation des Rastersignals
auch an den Orten orientieren, an denen sich die einzelnen Striche oder Streifen
des Rasters mit den Zeilen des Fernstehbildes schneiden. In diesem Fall können fortlaufend
die Breite jedes einzelnen Rasterstreifens oder der Abstand von jeweils benachbarten
Rasterstrichen oder die Lageabweichungen von einzelnen Strichen des Rasters relativ
zu einem idealen, beispielsweise mit elektronischen Mitteln erzeugten Raster oder
die Richtungsabweichung der einzelnen Striche des Rasters relativ zur Bildsenkrechten
durch Auswertung von zwei oder mehreren benachbarten Fernsehzeilen oder die Form,
Größe und Lageänderung von Streifen beim Vergleich von zeitlich aufeinanderfolgenden
Bildern (beispielsweise bei bewegten Gegenständen) gemessen werden.
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Bei gekreuzten Strichrastern kann auch die Lage der Kreuzungspunkte
im Vergleich zu einem idealen gekreuzten Raster ermittelt werden. Weiterhin können
bei einem Schachbrettmuster in ähnlicher Weise die Lage der einzelnen Eckpunkte
der Flächen oder deren Mittelpunkte erfaßt werden.
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Zur Unterdrückung der Rasterfrequenz ist bei diesen Varianten erforderlich,
daß die einzelnen Meßwerte lückenlos aufeinanderfolgen. Dies kann dadurch erreicht
werden, daß ein Meßwert so lange gespeichert wird, bis die nächste Messung abgeschlossen
ist.
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Bei der erwähnten Decodierung bzw. Demodulation des abgetrennten Rastersignals
durch Messung von Strichbreite, Abstand, Richtungsänderung, Form, Größe und Lageänderung
von Streifen oder Strichen, kann die Messung mit bekannten Methoden der Periodenmessung
bzw. der Messung des zeitlichen Abstandes verschiedener Signale durchgeführt werden.
Einen Blockschaltplan für eine entsprechende Zeitdauermessung bzw. Periodenmessung
zeigt Figur 21 für
den Fall der Abstandsermittlung von benachbarten
Rasterstrichen. Danach wird das Rastersignal VR, dessen zeitlicher Verlauf im unteren
Teil des Bildes dargestellt ist, zunächst einem Flankendetektor 30 zugeführt, an
dessen Ausgang das Impulssignal 11 ansteht. Dieses Impulssignal I1 wird einerseits
direkt einer Sample-and-Hold-(Abtast- und Halte-)Schaltung 33 zugeführt, die jeweils
die Spitzenwerte einer von einem Sägezahngenerator 32 gelieferten Sägezahnspannung
übernimmt. Dieser Sägezahngenerator 32 wird dabei von Entladeimpulsen I2 gesteuert,
die sich durch eine Verzögerung der am Ausgang des Flankendetektors 30 anstehenden
Impulse I1 mittels der Verzögerungsschaltung 31 ergeben. Die Spitzenwerte der vom
Sägezahngenerator gelieferten Impulse sind dabei ein Maß für die einzelnen Periodendauern
(der Sägezahngenerator 32 besteht im wesentlichen aus einer Konstantstromquelle
und einem Ladekondensator). Am Ausgang der Sample-and-Hold-Schaltung 33 liegt das
demodulierte Rastersignal VR vor.
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Wie bereits früher erwähnt, können zum Vergleich benachbarter Zeilen
des Fernsehbildes Kammfilter eingesetzt werden, wie sie sonst in der Farbfernsehtechnik
zur Trennung des Farbartsignals vom Leuchtdichtesignal verwendet werden. Dabei kann
das Kammfilter entweder zur Trennung des Rastersignals vom Bildsignal oder zur Entschlüsselung
des vorher durch andere Mittel abgetrennten Rastersignals eingesetzt werden.
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Bei Entschlüsselung des Rastersignals durch Vergleich benachbarter
Fernsehzeilen mittels Verzögerung um eine oder mehrere Fernsehzeilen kann ebenfalls
eine Zeitdauermessung entsprechend dem Blockschaltbild in Figur 21 durchgeführt
werden. Hierzu bedarf aber das Rastersignal einer bestimmten Aufbereitung, die dem
Blockschaltbild in Figur 23 zu entnehmen ist. Das abgetrennte Rastersignal R wird
hierzu zunächst einem Flankendetektor 30 zugeführt, an dessen Ausgang Nadelimpulse
I1 zur Verfügung stehen.
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Diese Nadelimpulse steuern einerseits direkt, andererseits indirekt
über eine Verzögerungsleitung 34 eine bistabile KippstuSe 35, die abwechselnd mit
den nichtverzögerten Impulsen I1 gesetzt und mit den verzögerten Impulsen I2 rückgesetzt
wird. Am Ausgang der bistabilen Kippstufe 35 steht dann ein umgeformtos Rastersignal
R' in Form einer Impulsfolge an, die hinsichtlich der Impulsbreite moduliert ist.
Die Impulsbreite ist beispielsweise ein Maß für die relative Abweichung der Rasterlinien
von der Bildsenkrechten bezüglich der momentan zu vergleichenden Fernsehzeilen.
- Das umgeformte Rastersignal R' wird im übrigen im weiteren Verlauf demoduliert,
beispielsweise wie anhand der Figuren 18 bis 22 beschrieben.
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Bei allen vorstehend beschriebenen Demodulations- bzw.
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Decodierungsmethoden für periodische Rasterstrukturen kann ein zusätzlicher
Frequenzabgleich mit Hilfe der optischen Anordnung erfolgen und zusätzliche Vorteile
bringen. Beispielsweise kann man denjenigen Bereichen der beleuchteten Oberfläche,
die einen ganz bestimmten Abstand zur Fernsehkamera haben, eine Helligkeitsstruktur
mit definierter Rasterfrequenz überlagern. Als Bestandteil der Auswerteelektronik
ist dann ein Filter, beispielsweise ein Bandpaßfilter, vorzusehen, mit dem dann
diejenigen Bereiche der beleuchteten Oberfläche ermittelt werden, die die überlagerte
Rasterfrequenz aufweisen.
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Weiterhin kann die optische Anordnung zur Erzeugung des beispielsweise
durch Aufprojektion erzeugten Rasters eine automatische Verstelleinrichtung, beispielsweise
ein Zoom-Objektiv mit veränderlicher Brennweite, enthalten, damit die gleiche Rasterfrequenz
in zeitlicher Folge dem Bildsignal von immer weiter oder näher entfernt liegenden
Bereichen der beleuchteten Oberfläche überlagert wird. Wesentlich ist dabei, daß
das gleiche Raster bei näher oder entfernter liegenden Teilen der Oberfläche durch
entsprechende Dimensionierung der optischen Anordnung verschiedene überlagerte Frequenzen
im Videosignal bewirkt. Zu-
sammen mit einer Einrichtung zur Rückmeldung
der augenblicklichen Einstellung des Projektionsobjektivs an die elektronische Auswerteeinrichtung
kann auf diese Weise die Ausmessung von Objekten in der Tiefe und somit in drei
Dimensionen erfolgen. Die im Abschnitt II beschriebenen Moiré-Methoden ermöglichen
dabei eine solche Art des Abgleichs in einem größeren Variationsbereich bis hin
zur Frequenz Null. Zusätzlich kann eine automatische (motorische) Entfernungseinstellung
des Kamera-Objektivs mit dieser Anordnung gekoppelt sein, damit die sich in unterschiedlicher
Entfernung befindlichen Objektteile jeweils mit optimaler Schärfe abgebildet werden.
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Der erwähnte Abgleich der Rasterfrequenz mit optischen Mitteln auf
einen bestimmten Wert und für einen bestimmt ten Abstand der betrachteten Oberfläche
zur Fernsehkamera ist auch dort von Vorteil, wo Verformungen von Werkstücken unter
mechanischer Belastung oder unter Temperatureinwirkung erfaßt werden sollen. Bei
Abgleich auf eine Rasterfrequenz, die ungleich Null ist, ist in der Auswerteelektronik
ein entsprechend schmalbandiges Filter vorzusehen.
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Im übrigen bewirkt eine Verformung der betrachteten Oberfläche, die
mit Abstandsänderungen von bestimmten Oberflächenteilen verbunden ist, eine Frequenzverschiebung
des Rasters, die sich nach der Filterung des Bildsignals als Amplitudenänderung
zeigt und somit meßtechnisch erfaßt werden kann Bei Abgleich auf die Rasterfrequenz
Null mit Hilfe der Moire-Methoden erscheinen Verformungen der betrachteten Oberfläche
als Interferenzstreifen, deren Anzahl pro Längeneinheit des betrachteten Bildes
(deren Dichte) ein Maß für die Verformung ist Diese zuletzt beschriebene Anwendung
des neuen Verfahrens hat gewisse Parallelen zur bekannten Werkstoffprüfung mit Hilfe
der Echtzeitholographie (ein Unterschied besteht dabei insofern, als mit dem bekannten
Verfahren nur sehr kleine Verformungen sichtbar gemacht werden).
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Bei Anwendung eines Rauschrasters für die Beleuchtung der zu überprüfenden
Oberfläche kann dieses dem Bild der betrachteten Oberfläche sowohl nach der Methode
der Reflexion als auch nach der Methode der Aufprojektion überlagert werden. In
beiden Fällen wird die Auswertung mittels einer Frequenzanalyse durchgeführt, wie
sie beispielsweise zur Analyse von Systemen in der Nachrichtentechnik gebräuchlich
ist. Hierbei wird mit sogenannten Rauschgeneratoren gearbeitet. Im vorliegenden
Fall wird die Funktion des Rauschgeneraters durch das Rauschraster der leuchtenden
Fläche bzw. durch das aufprojizierte Rauschraster übernommen. Die bei der Frequenzanalyse
von Systemen in der Nachrichtentechnik geltende Bedingung, wonach die Bandbreite
des Rauschgenerators die Bandbreite des untersuchten Systems nicht übertreffen soll,
gilt im vorliegenden Fall auch für die Methode der Aufprojektion des Rauschrasters.
Für die Methode der Reflexion gilt diese Bedingung nur bedingt, weil mit dieser
Methode Oberflächenstrukturen im Kontrast verstärkt werden können, die sowohl feiner
als auch grober als das Rauschraster sind.
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Im vorliegenden Fall erfolgt die Entschlüsselung des dem Videosignal
überlagerten Rauschrasters auf dem Wege der Frequenzanalyse bzw. der Korrelation
in der Weise, daß in zeitlicher Folge Teilbereiche des von der Fernsehkamera erzeugten
Bildes erfaßt und mit dem ursprünglichen Rauschraster verglichen werden. Die Güte
der Auswertung kann dabei gegebenenfalls verbessert werden, wenn vor der Durchführung
der Frequenzanalyse oder der Korrelation ein Bild des jeweils untersuchten Oberflächenbereiches
ohne überlagertes Raster vom gleichen Bild mit überlagertem Raster subtrahiert wird
Gegebenenfalls kann zusätzlich eine Relativbewegung des Rauschrasters zum betrachteten
Gegenstand vorgenommen werden, damit in zeitlicher Folge verschiedene Rasterstrukturen
auf gleiche Teile der untersuchten Oberfläche oder der untersuchten Objekte zu liegen
kommen
Die Anwendung eines Rauschrasters zur Beleuchtung der untersuchten
Oberfläche oder zur Aufprojektion auf diese Oberfläche führt zu Informationen über
de Krümmung, die Neigung und den Abstand der einzelnen Objekt- bzw. Oberflächenteile.
An den betreffenden Bildstellen verursachen nämlich optische Verzerrungen, Verzeichnungen,
Vergrößerungen oder Verkleinerungen eine Veränderung der spektralen Leistungsdichte
des Rauschrasters als Funktion der Ortsfrequenz. Derartige Veränderungen werden
meßtechnisch üblicherweise durch die Methode der Korrelation oder der Frequenzanalyse
erfaßt.
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Die verschiedenen optischen Anordnungen zur Untersuchung der Struktur
einer Oberfläche führen zu einem unterschiedlichen Aussehen des jeweils demodulierten
Bildsignals der Fernsehkamera, jedoch zu jeweils gleichen meßtechnischen Ergebnissen.
Dies wird im nachfolgenden anhand der Figuren 24 bis 28 erläutert. Dabei zeigt Figur
24 eine im Querschnitt dargestellte Oberflächenstruktur 1, der eine - in verkürztem
Abstand dargestellte - Fernsehkamera 20 mit dem Objektiv 21 zugeordnet ist. Das
dargestellte Querschnittsprofil zeigt nacheinander eine konvexe, konkave und stufige
Form. Dabei ist vorausgesetzt, daß der Profilschnitt in Abtastrichtung der Fernsehzeilen
verläuft.
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In den Figuren 25 bis 28 sind demodulierte Rastersignale dargestellt,
wie sie sich durch Demodulation des Rastersignals an einer Filterflanke ergeben.
Die dargestellten demodulierten Rastersignale entsprechen somit dem zeitlichen Verlauf
eines Videosignals über der augenblicklich abgetasteten Fernsehzeile.
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Hinsichtlich der optischen Anordnung der Beleuchtungseinrichtung wird
davon ausgegangen, daß als Helligkeitsstruktur ein Strichraster verwendet wird,
gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines optischen Gitters. Bei einer optischen Anordnung
gemäß Figur 5, bei der also ein Strichraster
auf eine Opalglasscheibe
projiziert und die zu betrachtende Oberfläche mittels dieser Opalglasscheibe beleuchtet
wird, kann das Oberflächenprofil der Figur 24 gemäß Figur 25 dem Original entsprechend
wiedergegeben werden.
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Sofern unter zusätzlicher Verwendung eines optischen Gitters von der
Moiré-Methode Gebrauch gemacht wird> liegt ein zu Figur 25 invertiertes Videosignal
gemäß Figur 26 vor. Wenn andererseits ein Strichraster, das senkrecht zur Abtastrichtung
der Fernsehzeilen orientiert ist, unter Verwendung der perspektivischen Verzeichnung
auf die Oberfläche aufprojiziert wird, so führt sowohl diese Anordnung als auch
die Verwendung von zwei interferierenden Rastern zur Erzeugung von Moire-Streifen
zu einer formgetreuen Wiedergabe des Profils gemäß Figur 25. Durch eine Änderung
der Abbildungsgeometrie zwischen Fernsehkamera und Projektor, beispielsweise durch
Vertauschung der Brennweiten der beiden Objektive, kann auch das hierzu invertierte
Videosignal gemäß Figur 26 erhalten werden.
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Sofern von der Methode der Aufprojektion unter gleichzeitiger Schrägeinstrahlung
eines Rasters bzw. von zwei Rastern zur Erzeugung von Moire-Streifen gemäß Figur
11 Gebrauch gemacht wird, werden die Neigungsänderungen bzw. die Abstandsänderungen
des in Figur 24 dargestellten Profils erfaßt, woraus der nachgeschaltete Rechner
das ursprüngliche Profil rekonstruiert. Gemäß Figur 27 erhält man bei Schrägeinstrahlung
eines einzelnen Strichrasters die differenzierte Funktion der Profillinie gemäß
Figur 24, während gemäß Figur 28 bei Schrägeinstrahlung von zwei Strichrastern das
Quadrat der differenzierten Funktion der Profillinie im Videosignal enthalten ist.
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Gegenüber sonst bekannten Methoden der nichtberührenden Vermessung
von Objekten in drei Dimensionen ist bei dem gemäß der Erfindung ausgebildeten Verfahren
nicht notwendig, daß an den Konturen der vermessenen Objekte meßbare Kontraste vorliegen
müssen. Daher können bei dem
neuen Verfahren aufwendige Elektronikschaltungen,
mit denen Kantensprünge und Helligkeitssprünge erkannt werden, entfallen.
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4. Erzeugung dreidimensionaler Bilder Wie in den vorstehenden Abschnitten
II und III erläutert, ist das Bildsignal der Fernsehkamera durch geeignete Filterung
und Entschlüsselung in das von dem überlagerten Raster befreite Videosignal und
ein entsprechend aufbereitetes Rastersignal zu trennen. Anstelle einer weiteren
Auswertung dieser Signale mittels eines Rechners nach den bekannten Methoden der
Bildanalyse können die beiden Videosignale auch zur stereoskopischen Darstellung
des mit der Fernsehkamera betrachteten Gegenstandes herangezogen werden. Dieses
Vorgehen ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das Bildsignal auf zwei
Wegen in unterschiedlicher Weise mit Hilfe des entschlüsselten Rastersignals (Profilsignal)
derart verändert wird, daß auf zwei abschließend angeordneten Videomonitoren die
Bilder für das rechte und das linke Auge entstehen. Die Bildbetrachtung erfolgt
dann nach den bekannten Verfahren des stereoskopischen Fernsehens, also beispielsweise
mit Hilfe von Polarisationsfiltern, wobei jedem Auge nur das jeweils entsprechende
Monitorbild angeboten wird.
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Zur näheren Erläuterung zeigt Figur 29 einen trapezförmigen Profilschnitt
4 eines betrachteten Gegenstandes, wobei die Abtastrichtung der Fernsehkamera 20
in Richtung des Profilschnittes verläuft. Zur Erzeugung des erwünschten Stereoeffektes
ist es erforderlich, das ursprüngliche Profil 4 für die Bildwiedergabe in den beiden
Videomonitoren zu verformen. Wenn man sich hierbei auf die einzelnen abgetasteten
Fernsehzeilen bezieht, so müssen die Profillinien mit positiver Steigung für das
linke Auge verlängert und die Profillinien mit negativer Steigung verkürzt dargestellt
werden. Außerdem müssen tiefer liegende Profilpunkte im Bild für das linke Auge
nach links
verschoben werden. Für das Bild des rechten Auges gelten
diese Bedingungen im umgekehrten Sinne (Figur 30, Figur 31).
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In Figur 32 ist als Blockschaltbild eine Schaltungsanordnung dargestellt,
mit der die gewünschte Stereowirkung erzeugt wird. Demnach wird das Videosignal
VB auf die beiden Analog-Schieberegister 36 und 37, beispielsweise Eimerketten als
Verzögerungsleitung, gegeben, deren Verschiebetakt zur Einstellung der notwendigen
Verzögerungszeiten fortlaufend aus dem demodulierten Rastersignal VR, also dem Profilsignal,
abgeleitet wird. Hierzu wird das Profilsignal einerseits einem spannungsgesteuerten
Oszillator 38 zur Erzeugung des Verschiebe taktes für das Analog-Schieberegister
37 zugeführt. Vor den entsprechenden spannungsgesteuerten Oszillator 40 für das
Analog-Schieberegister 36 ist eine Umkehrstufe 39 zur Inversion des Profilsignals
geschaltet. Diese Inversion ist notwendig, weil die zeitliche Verschiebung für die
beiden an den Ausgängen der Register 36 und 37 anstehenden Videosignale zueinander
im umgekehrten Sinne erfolgen muß. Den beiden Schieberegistern sind die Videomonitore
41 bzw. 42 nachgeschaltet.
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Bei der in Figur 32 dargestellten Schaltungsanordnung wird der zur
Einstellung der Verzögerungszeiten der Analog-Schieberegister 36 und 37 notwendige
Verschiebe takt fortlaufend von dem Profilsignal VR derart abgeleitet, daß sich
bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen der beleuchteten Oberfläche und der
Fernsehkamera für das Videosignal des linken Auges eine Abnahme und für das Videosignal
des rechten Auges eine Zunahme der jeweiligen Verzögerungszeit ergibt. In einer
vereinfachten Anordnung kommt auch die Verwendung nur eines einzigen Analog-Schieberegisters
in Betracht, wenn einem der beiden Videomonitore 41 bzw. 42 das ursprüngliche Videosignal
ohne Verzögerung zugeführt wird. Bei der Anwendung auf Gegenstände mit scharfkantigem
Profil können dabei Unstetigkeiten im Bild auftreten, die durch ein Tiefpaß-
filter
in der Zuführungsleitung des Profilsignals abgeschwächt werden können.
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Eine weitere Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines stereoskopischen
Fernsehbildes zeigt Figur 33. Bei dieser Anordnung werden Analog-Schieberegister
36' bzw. 37' verwendet, die seriell ladbar und bezüglich der Speicherplätze einzeln
adressierbar sind. Dabei ist Voraussetzung, daß ein momentan adressierter und ausgelesener
Speicherplatz fortlaufend die serielle Information des Video-Signals mit bestimmter-Verzögerung
erhält Die Adresse wird dabei mittels der Einrichtung 43 durch eine Analog-Digital-Wandlung
aus dem Profilsignal VR gewonnen. Der Zahlenwert der nach der Wandlung anstehenden
Binärzahl bestimmt dabei das Ausmaß der Verzögerung Da bei den beiden Bildsignalen
für das stereoskopische Bild die Änderung der Verzögerung gegenläufig ist, muß das
eine Analog-Schieberegister mit dem Komplement des anderen Schieberegisters adressiert
werden. Dies erfolgt mit Hilfe der Einrichtung 44.
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Anstelle der zu Figur 33 erwähnten seriell ladbaren Analog-Schieberegister
können auch digitale Schieberegister verwendet werden, die parallel adressierbar
sind. In diesem Fall muß zuvor auch eine Analog-Digital-Wandlung des Videosignals
VB vorgenommen werden.
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38 Patentansprüche 33 Figuren