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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine Vorrichtung zum Abbilden dreidimensionaler Strukturen für die automatische
Inspektion und andere Anwendungen.
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Bei einem bekannten Abbildungssystem werden
Matrixkameras (d. h. Flächenabtastkameras) auf
der Basis von Sensoren wie z. B. einem mit einer Last gekoppelten
Gerät (CCD
= Charged Coupled Device), das eine zweidimensionale Anordnung von Abtastelementen
verwendet, eingesetzt. Matrixkameras werden in Videokameras, in
TV-Kameras mit geschlossenem Kreislauf (CCTV = Closes Circuit TV Cameras)
und in Camcordern oft eingesetzt und können zum Erfassen von Bildern
dreidimensionaler Strukturen verwendet werden.
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Ein Problem bei der Verwendung einer
Matrixkamera besteht darin, dass nur ein Teil der dreidimensionalen
Struktur der Kamera sichtbar ist. Beispielsweise wird bei der Abbildung
der Oberfläche
eines Zylinders oder einer Kugel die Kamera nur die der Kamera nächstgelegene
Oberfläche
erkennen und nicht in der Lage sein, die Seiten oder Rückflächen zu
erkennen. Dies bedeutet, dass eine Vielzahl von Bildern nötig ist,
um ein komplettes Gesamtbild der Struktur aufzubauen. In einer praktischen
Anwendung wie z. B. einem automatischen Inspektionssystem, ist dies
ein Nachteil, da die Erfassung und Verarbeitung einer Vielzahl von
Bildern eine größere Arbeitsbelastung
auferlegt, welches sich in den Systemkosten niederschlägt, als
es für
ein Einzelbild der Fall wäre.
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Ein zweites Problem bei der Verwendung
einer Matrixkamera besteht darin, dass etwaige nicht-flache Bereiche
der Struktur auf den Sensor in einer verzerrten Weise projiziert
werden. Beispielsweise erzeugen die Wände einer zylindrischen oder sphärischen
Struktur eine Verzerrung des Bildes, da sich die Oberflächen von
der Kamera weg krümmen. Dies
bedeutet, dass das Bildverarbeitungssystem diese Verzerrung korrigieren
muss, wenn es ein Oberflächendetail
enthaltende Bilder inspiziert, beispielsweise gedruckte Buchstaben
auf der Oberfläche.
Diese Art von Korrektur bedeutet eine erhebliche Zunahme der Komplexität und folglich
erhöhte Kosten
für das
Bildverarbeitungssystem.
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Ein drittes Problem bei der Verwendung
einer Matrixkamera besteht darin, dass es notwendig wird, mehrere
Bilder zusammenzufügen.
Dies trifft dann zu, wenn die abgebildete Oberfläche Muster enthält, welche
sich über
zwei oder mehrere der Mehrfachbilder hinweg erstrecken und es wird
notwendig, diese Bilder zusammenzufügen (d. h. zusammenzuschneiden),
um das komplette Bild zu rekonstrieren. Dies ergibt eine erhebliche
zusätzliche Komplexität im Bildverarbeitungssystem
und führt
zu dem Risiko, dass gelegentliche Schneid-„Artefakte" (splicing artefacts) in dem wiederhergestellten
Bild erzeugt werden können.
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In einem anderen bekannten Bildabtastsystem
wird eine Zeilenabtastkamera verwendet, um ein Bild einer dreidimensionalen
Struktur zu erfassen. Diese Zeilenabtastkamera ist so angeordnet,
dass sie ein Bild eines langen schmalen Abschnitts der Struktur
erzeugt. Nach einer angemessenen Integrationszeit, die einen Aufbau
des Bildes an dem Zeilenabtastsensor gestattet, wird das Zeilenbild
aus der Kamera in der Form einer Zeile von Bildpixeln (d. h. Bildelementen)
ausgelesen und auf ein Bildspeicher- und Bildverarbeitungssystem übertragen.
Die Struktur ist so angeordnet, dass sie sich relativ zu der Kamera
bewegt, sodass der Vorgang auf einem benachbarten langen schmalen
Abschnitt der Struktur wiederholt werden kann, und schließlich wird über eine
Vielzahl von Abschnitten eine zweidimensionale Pixelanordnung erhalten.
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Ein typisches Beispiel einer Zeilenabtast-Bilderzeugung
wäre die
Erzeugung eines Bildes einer zylindrischen Oberfläche, wobei
die zylindrische Struktur so angeordnet ist, dass sie sich um ihre Hauptachse
dreht, während
eine Zeilenabtastkamera eine Reihe von Zeilenbildern entlang der Zylinderwand
in einer zur Hauptachse parallelen Richtung erfasst.
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Ein Problem bei der Zeilenabtast-Bilderzeugung
ist ihre optische Ineffizienz. Die Linse der Kamera ist in der Lage,
eine breitere Fläche
als einen schmalen Abschnitt der Struktur abzubilden, und Beleuchtungssysteme
leuchten auch einen breiteren Abschnitt der Struktur aus. Die Zeilenabtastkamera verwendet
nur einen kleinen Teil des verfügbaren
Bildes und eliminiert den Rest. Diese optische Ineffizienz führt zu Einschränkungen
bei dem gesamten Bilderzeugungssystem, begrenzt die Geschwindigkeit der
Bilderfassung und erfordert eine zusätzliche Komplexität bei einer
Beleuchtung hoher Intensität.
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Ein zweites Problem bei der Zeilenabtast-Bilderzeugung
ist ein Verschmieren des Bildes (d. h. ein undeutliches Bild). In
einem typischen praktischen System ist die Struktur so angeordnet,
dass sie sich mit konstanter Geschwindigkeit relativ zur Kamera bewegt,
so dass aufeinanderfolgende Pixelzeilen mit regelmäßigen physikalischen
Verschiebungen um die Struktur herum erhalten werden. Dies bedeutet, dass
irgendein Merkmal der Oberfläche
der Struktur sich relativ zu der Kamera bewegt und dazu tendiert, das
Bild bis zu dem Ausmaß der
Integrationszeit, die von der Kamera benötigt wird, verschwimmen zu
lassen. Dies ist äußerst kritisch
bei feinen Details der Oberfläche
der Struktur, beispielsweise kleinen Flecken oder Linien, deren
Größe ähnlich der
Größe der an
der Struktur abgebildeten Pixel ist oder das ein- bis fünffache
beträgt.
Die Gesamtwirkung einer Bildverschmierung bzw. eines Verschwimmens
des Bildes ist, dass die Qualität
des erfassten Bildes verringert wird, mit einem Verlust des Kontrasts
und einem Verlust der Bildschärfe,
die insbesondere feine Details wie zum Beispiel Punkte bzw. Flecken
und Linien betrifft.
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US
3907438 offenbart ein Konturmeßsystem, bei dem die Kontur,
die Oberfläche,
die Textur und die Rundheit zylindrischer Elemente optisch zu bestimmen
ist. Im Einzelnen wandelt eine Kamera mit einem feststehenden Schlitz
die zylindrische Oberfläche
in eine planare Oberfläche,
ein Bild um. Die Beleuchtung für
das Bild wird durch dünne
Lichtlagen in einer Ebene bereitgestellt, die in etwa parallel zur
Achse des Zylinders und tangential zu der Oberfläche ist.
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In einer bekannten Variante von Zeilenabtastkameras-Zeitverzögerungs-Integrationskameras (TDI
= Time Delay Integration) werden einige Probleme der Zeilenabtast-Bilderzeugung überwunden.
Bei einer TDI-Zeilenabtastkamera werden mehrere parallele Pixelzeilen
gleichzeitig abgebildet. Dies bedeutet, dass die Breite des abgebildeten
Bereichs bzw. der abgebildeten Fläche zunimmt, beispielsweise
auf 8, 16, 32 oder 96 parallele
Pixelzeilen, je nach der speziellen, verwendeten Bilderzeugungsvorrichtung. In
einem TDI-System wird eine Schieberegistermethode verwendet, um
das am Sensor integrierte Bild so zu verschieben, dass das teilweise
integrierte Bild am Sensor die Bewegung der Struktur nachvollzieht. Folglich
wird jedes Pixel beim Auslesen 8, 16, 32 oder 96 Taktzeiten
lang belichtet. Dies erhöht
die optische Effizienz des Systems.
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Ein Problem bei der TDI-Bilderzeugung
besteht darin, dass ein Verschmieren des Bildes nach wie vor aus
den gleichen Gründen
wie bei einer Basis-Zeilenabtastkamera besteht und zu einem Verlust der
Bildschärfe
und des Kontrasts bei feinen Details führt. Ein zweites Problem bei
TDI-Kameras sind ihre relativ hohen Kosten infolge der spezialisierten
Verwendung und infolgedessen geringe Herstellungsvolumen.
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Ein weiteres Problem sowohl bei normalen Zeilenabtastkameras
als auch bei TDI-Zeilenabtastkameras besteht darin, dass die Bilderzeugung
auf Anwendungen beschränkt
ist, bei denen die Kamera auf eine Zeile bzw. Linie entlang der
dreidimensionalen Struktur fokussiert werden kann. Unter gegebenen
praktischen Erwägungen
von Standardlinsen und einer Feldtiefe (zur Aufrechterhaltung einer
angemessenen Bildschärfe
des Bildes) bedeutet dies, dass Zeilenabtastsysteme am Besten für flachwandige
Strukturen wie Zylinder geeignet sind, und nicht gut für komplexe
Oberflächen,
beispielsweise sphärische
Strukturen geeignet sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Vorrichtung zum Liefern einer zweidimensionalen Darstellung
der Oberfläche
eines dreidimensionalen Objekts bereitgestellt, mit Mitteln zum
Bewegen bzw. Versetzen des Objekts entlang einer Bahn, und Mitteln
zum gleichzeitigen Drehen des Objekts um mindestens eine seiner
Achsen, Mitteln zum Abtasten der zweidimensionalen Darstellung,
Mitteln zum Abbilden eines Abschnitts der Oberfläche des Objekts auf einen Abschnitt
des Abtastmittels, wobei das Abbildungsmittel entlang einer zu der
Bahn des Objekts parallelen Bahn bewegbar bzw. versetzbar ist, wobei die
Raten der Translationsbewegung der Bewegungsmittel für das Objekt
und das Abbildungsmittel sowie die einer Drehung des Objekts so
gewählt
sind, dass die Kombination der Rotations- und Translationsbewegung
des Objekts und des Abbildungsmittels bewirkt, dass aufeinanderfolgende
Bilder von aneinandergrenzenden Abschnitten der Oberfläche des Objekts
auf aufeinanderfolgende Abschnitte des Abtastmittels abgebildet
werden, wenn sich das Objekt entlang einem Abschnitt der Bahn des
Objekts bewegt, wodurch ein zweidimensionales Bild der Oberfläche des
Objekts erfasst wird.
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Gemäß der Erfindung wird auch ein
Verfahren nach Anspruch 10 bereitgestellt.
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Die Erfindung wird nun lediglich
als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zum Abtasten der Oberfläche eines Zylinders,
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2 eine
schematische perspektivische Ansicht der Ausführungsform von 1,
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3(a), (b) und (c) eine
Reihe schematischer Schnittdiagramme zur Veranschaulichung, wie die
Ausführungsform
der 1 und 2 eingesetzt wird, um ein
Bild im Zeitverlauf aufzubauen,
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4 ein
schematisches Blockdiagramm zur Darstellung der Hauptschritte in
der Funktionsweise der Ausführungsform
der 1 und 2 zur automatischen Inspizierung
eines Artikels,
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5 ein
schematisches Vertikal-Schnittdiagramm durch einen Querschnitt einer
Ausführungsform
der mechanischen Handhabungsmittel bzw. Transportmittel, die zur
Handhabung bzw. zum Transport eines inspizierten Artikels verwendet
werden, und
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6 eine
schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform
zur Bildabtastung von komplexen, nicht-zylindrischen Strukturen.
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Ein zylindrisches Objekt (101)
wird durch eine Lichtquelle (102) so erleuchtet, dass ein
Abschnitt (106) der Zylinderoberfläche (111) beleuchtet wird.
Ein Matrix-Bildsensor
(103) empfängt
das Bild (114) des Abschnitts (106) auf einem
Abschnitt (107) der Sensoroberfläche (115) über eine
Linse (104) und über
eine Öffnung
(112) in einer Platte (105). Die Öffnung (112)
ist eine längliche Öffnung (112)
mit parallelen Seiten, die eine Longitudinalachse aufweist, welche
im wesentlichen parallel zur Hauptachse des Zylinders (101)
ist. Somit ist der Abschnitt (106) der Zylinderoberfläche (111),
der auf den Matrixsensor (103) abzubilden ist, ein langer
und relativ schmaler Abschnitt, der entlang der Seite des Zylinders
(101) in einer Richtung liegt, die im wesentlichen parallel
zu der Hauptachse (113) des Zylinders ist. Außerdem ist das
von dem Matrixsensor (103) empfangene Bild (114)
ebenfalls ein langer und relativ schmaler Bildabschnitt (107),
der dem beleuchteten Abschnitt (106) entspricht.
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Die gesamte zylindrische Oberfläche (111) des
Objekts (101) wird abgetastet und daher durch den Matrixsensor
(103) abgebildet, in dem für eine gleichzeitige mechanische
Translationsbewegung und Rotation des Objekts (101) gesorgt
wird, und gleichzeitig einen mechanische Translation der Platte (105)
erfolgt, während
der Matrixsensor (103) so arrangiert wird, dass seine Feldintegrationsperiode
mit diesem Zyklus einer mechanischen Translation und Rotation synchronisiert
ist.
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Die Details dieses mechanischen Zyklus sind
wie folgt:
Das zylindrische Objekt 101 ist so angeordnet,
dass es sich in einer Translationsbewegung mit im wesentlichen linearer
Geschwindigkeit 108 bewegt, während es sich gleichzeitig
mit einer Drehgeschwindigkeit 110 dreht. Die Drehgeschwindigkeit 110 ist
so arrangiert, dass die augenblickliche Oberflächengeschwindigkeit des abgebildeten
Abschnitts 106 relativ zu der Linse 104 und dem
Matrixsensor 103 im wesentlichen Null ist. Gleichzeitig
ist die Platte 105 und daher die Öffnung 112 so angeordnet,
dass sie sich mit Lineargeschwindigkeit 109 fortbewegt,
sodass das Zentrum des beleuchteten Abschnitts 106, die Öffnung 112 und
das Zentrum der Linse 104 im wesentlichen ko-linear bleiben.
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Durch Drehung und Translation des
Zylinders 101 sowie Translation bzw. Versetzung der Öffnung 112 kann
die gesamte Oberfläche 111 des
Zylinders 101 auf dem Matrixsensor 103 abgebildet werden. 3 veranschaulicht, wie dies
erreicht wird. Der Matrixsensor 103 wird auf eine Zeit
Ta eingestellt, wobei in diesem Augenblick die Zylinderoberfläche 111 beleuchtet
wird. Ein Abschnitt A dieser Zylinderoberfläche 111 wird dann
auf einen entsprechenden Abschnitt A' auf dem Matrixsensor 103 durch
die Öffnung
bzw. Apertur 12 abgebildet, die sich in einer ersten Position
befindet. Der Matrixsensor 103 wird in einen kontinuierlichen
Integrationsmodus für
den Rest des Zyklus gehalten, während der
Zylinder 101 progressiv dreht und progressiv weitere Abschnitte
der Oberfläche 111 abbildet,
beispielsweise einen Abschnitt B zur Zeit Tb und einen Abschnitt
C zur Zeit Tc auf betreffenden Abschnitten B' und C' auf der Oberfläche 115 des Matrixsensors. Diese
jeweiligen Abschnitte B',
C' sind wegen der gleichzeitigen
Transaktionsbewegung der Apertur 112 räumlich voneinander getrennt.
Wenn eine Umdrehung des Zylinders 101 abgeschlossen worden ist,
wird der Abschnitt A nochmals abgetastet.
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Durch Ausführen dieser Kombination aus Drehung
und Translation werden aufeinanderfolgende Abschnitte der Zylinderoberfläche 111 auf
entsprechende aufeinanderfolgende Abschnitte des Matrixsensors 103 abgebildet,
und daher besteht die Gesamtwirkung dieser mechanischen und sensorischen
Anordnungen darin, dass die Oberfläche des Zylinders auf einer
kontinuierlichen implementierenden Basis um die Zylinderwand herum
freigelegt wird und dass ein passendes Bild der Oberfläche auf
einer kontinuierlichen implementierenden Basis am Matrixsensor 103 erhalten
wird.
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Um eine Abtastung der gesamten Oberfläche in einer
automatisierten Anwendung auszuführen,
kann eine Vorrichtung gemäß den Schritten,
die in 4 dargelegt sind,
betrieben werden. Das abzutastende und abzubildende Objekt, d. h.
der oben beschriebene Zylinder 101, wird durch ein erstes
mechanisches Transportmittel 120 gedreht und in Translation
versetzt, und die Platte 105 wird durch ein zweites mechanisches
Transportmittel 121 in Translation versetzt. Die ersten
und zweiten mechanischen Transportmittel 120, 121 werden
zusammen durch ein Synchronisierungsmittel 122 so synchronisiert, dass
eine Ko-Linearität
des erwünschten
abgebildeten Abschnitts 106, der Apertur 112 und
des Zentrums der Linse 104 beibehalten wird. Das Synchronisierungsmittel 122 steuert
auch den Belichtungszyklus des Matrixsensor 103 so, dass
bei Beginn eines neuen Zyklus einen Rücksetzung erfolgt und die Belichtung über den
gesamten Rest des Zyklus hinweg beibehalten wird, während die
erforderliche Zylinderoberfläche 111 abgetastet
wird.
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5 veranschaulicht
eine mechanische Ausführungsform
für eine
Vorrichtung zum Abtasten eines Objekts, wie z. B. eines oben beschriebenen Zylinders.
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Die Translation und Rotation des
Zylinders 111 und der Apertur bzw. Öffnung 112 werden
wie folgt ausgeführt:
Der
Zylinder 111 ist zur Drehung um seine longitudinale Hauptachse
frei an einem Zylinder-Laufkäfig 133 angebracht
und seine Oberfläche 111 ruht
auf einer Zylindertrommel 130, die zur Drehung um ihre Hauptachse
(nicht dargestellt) in der Richtung des Pfeils in 5 gebracht wird. Die Außenfläche 131 der
Trommel 130 steht in Kontakt mit der Zylinderoberfläche 111 so
dass, wenn sich die Trommel 130 dreht, diese dem zylindrischen
Käfig 133 eine
Drehkraft vermittelt, die dessen Drehung bewirkt. Dies ist auch
durch die Pfeile in 5 veranschaulicht.
Der Zylinder 101 ist in einer Apertur 134 in dem
zylindrischen Käfig
enthalten. Der Käfig 133 wird
zur Drehung um seine Hauptachse gebracht, welche mit der Hauptachse
der Trommel koinzidiert. Eine geschlitzte Trommel 135,
die ebenfalls zur Drehung um ihre Hauptachse gebracht wird, welche
mit den anderen, vorher erwähnten
Achsen koinzidiert, implementiert die Funktion der Platte 105,
wie vorher beschrieben wurde, mit einer Öffnung 136 in der
geschlitzten Trommel 135, die der oben beschriebenen Öffnung 112 entspricht,
und die Drehung der geschlitzten Trommel 135 führt die
Translation bzw. Versetzung der Apertur 136 aus. Die zylindrische
Trommel 130 und der Käfig 133 – zusammen
mit ihren zugeordneten Antriebsmitteln – entspricht dem ersten mechanischen
Transportmittel. Die geschlitzte Trommel 135 wird durch
das zweite Transportmittel 121 gedreht. Mechanische Antriebe,
beispielsweise Motoren und Zahnradgetriebe, die Fachleuten bekannt
sind, können
dann einfach angeordnet werden, um die drei Rotationselemente (Reibungstrommel 130,
Käfig 133 und
geschlitzte Trommel 135) in einer synchronisierten Weise
zu koppeln, um die erforderliche Drehung des einer Inspektion unterzogenen
Objekts zu erzeugen. Elektrische Vorrichtungen, beispielsweise Dreh-Codierer,
die Fachleuten bekannt sind, können einfach
angeordnet werden, um den mechanischen Zyklus mit der Kamerabelichtung
zu synchronisieren. Das zweidimensionale Bild, das von dem Matrixsensor 103 erfasst
wird, wird dann unter Verwendung einer beliebigen, geeigneten Bilderzeugungstechnik
in einer Bildspeicher- und Verarbeitungsvorrichtung 123 bearbeitet.
Falls das Bild zum Vergleich mit einem Bezugsbild verwendet wird,
kann eine Annahme-/Zurückweisungsvorrichtung 124 eingesetzt
werden, um das Objekt zu akzeptieren oder zurückzuweisen, falls es von dem
Bezugsbild abweicht.
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In 6 ist
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt und veranschaulicht, dass
die Erfindung nicht auf eine Bildabtastung zylindrischer Strukturen
beschränkt
ist, sondern sich auf viele andere Formen von dreidimensionalen
Strukturen erstrecken kann. Um eine komplexere dreidimensionale
Struktur, wie sie in 6 dargestellt
ist, abzutasten, wird die Struktur 201 in einer Horizontalrichtung
abgetastet, um eine Anzahl von Abbildungsabschnitten 204 zu
erzeugen, wobei jeder Abschnitt die Form eines horizontalen Streifens
aufweist und jeder Streifen sequentiell in einer Vertikalrichtung
abgetastet wird, d. h. indem zunächst
in einer Horizontalrichtung abgetastet wird und dann eine Vertikalbewegung
erfolgt, um wiederum entlang einem angrenzenden vertikalen Streifen 204' horizontal
abzutasten usw., bis die gesamte Struktur abgetastet und abgebildet
ist, wodurch ein komplettes Bild der Struktur 201 aufgebaut wird.
Die tatsächliche
Methode des „Abrollens" („unwrapping") der Oberfläche, um
das Bild zu liefern, ist die gleiche wie die oben beschriebene,
aber in diesem Fall wird eine Anzahl „abgerollter" Bilder dann kombiniert,
um das endgültige
Bild der gesamten Oberfläche
zu erzeugen. In dieser Hinsicht bewegt sich die Aperturplatte 105 nicht
nur in einer Horizontalrichtung, sondern muss auch zu einer Bewegung in
einer Vertikalrichtung in der Lage sein, um sequentiell in der Vertikalrichtung
abzutasten. Um komplexere Strukturen abzutasten, muss die Struktur 201 um und
entlang von Leerachsen wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform
gedreht und in Translation versetzt werden. Für die komplexeren Strukturen
findet eine Drehung um drei orthogonale Achsen 203, 205, 206 statt,
wie in 6 dargestellt ist,
sowie eine Translation bzw. Versetzung entlang dieser Achsen. Für eine weniger
komplexe Struktur, beispielsweise einen konischen oder einen abgestuften
Zylinder, muss die Struktur nicht um und entlang all dieser Achsen
gedreht bzw. in Translationsbewegung versetzt werden.
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In 6 hat
die Aperturplatte 105 eine quadratische oder rechteckige
Apertur 112 mit gefederten oberen und unteren Rändern. Die
gefederten Ränder
lassen die Ränder
des Bildes des Abschnitts 204 durch Aufbauen einer Übergangszone
zwischen dem Bild und den umgebenden Pixeln verschwimmen, sodass
das Bild allmählich
an dem Rand ausgeblendet wird (fade out). Somit sind die überlappenden
Ränder
aneinandergrenzender Streifen, wenn zwei aneinandergrenzende horizontale
Abbildungsabschnitte zusammen verarbeitet werden, frei von plötzlichen
Leerräumen
oder von doppelt belichteten Überlappungen.
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Fachleuten ist es ersichtlich, dass
verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden
Erfindung, wie sie beansprucht ist, möglich sind. Beispielsweise
kann irgendeine geeignete Bildverarbeitungstechnik eingesetzt werden, ebenso
wie andere geeignete Bildsensoren. Die Translations- und Rotationsbewegung
der verschiedenen Komponenten kann durch irgendwelche geeigneten
Mittel ausgeführt
werden.