DE10045105C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Biegung einer reflektierenden Oberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Messen der Biegung einer reflektierenden Oberfläche. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Messen der Biegung einer reflektierenden Oberfläche.

Aus der Praxis sind Triangulationsverfahren bekannt, mit denen die örtliche Lage und über Differenzbildung die Biegung von Oberflächen ermittelbar sind, bei denen eine Lichtquelle, insbesondere ein Laser, einen definierten Punkt auf die Oberfläche richten und ein optischer Sensor, beispielsweise eine CCD- Kamera, das zurückgeworfene Licht des Laserpunktes beobachtet. Hierbei wird die Ablenkung von dem Einfallswinkel des Laserlichts durch den Ausfallswinkel verdoppelt, und die erfaßte Reflektion hierdurch um einen entsprechend großen Betrag abgelenkt. Dies ist dann besonders kritisch, wenn sich zwei Biegungen zu einer sphärischen Krümmung überlagern, weil dann die in eine Richtung zu messende Biegung aufgrund der Ablenkungen des Lichtflecks durch hierzu quer verlaufende Biegung eine zweidimensionale Erfassung der Ablenkung erfordern, oder eine entsprechende Ungenauigkeit bei der Messung nach sich ziehen. Ein weiterer Nachteil des bekannten Triangulationsverfahrens besteht darin, daß die beiden Komponenten Kamera und Lichtquelle wegen der sich ändernden Einfalls- und Ausfallswinkel jeweils neu aufeinander ausgerichtet und in ihrer relativen Lage zueinander verändert werden müssen, so daß die Messung eines Biegungsverlaufs über einen längeren Strecken­ abschnitt eine Vielzahl von Positionierungen, Justierungen und Einrichtungen erfordert, die zeitaufwendig sind und für die serienmäßige Prüfung von im kontinuierlichen Betrieb hergestellten Gütern nicht geeignet ist.

WO-A-98 17 971 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Verlaufs reflektierender Oberflächen, bei dem auch gekrümmte Glasoberflächen vermessen werden. Hierbei wird ausgehend von einer Lichtquelle ein Muster aus äquidistanten Hell-Dunkel-Sequenzen auf die reflektierende Oberfläche gerichtet, und mit einer CCD-Kamera das Spiegelbild des Musters beobachtet, wobei die Änderungen der Abstände der Hell-Dunkel- Sequenzen ausgewertet werden, um ausgehend von Breitenänderungen des erfaßten Spiegelbilds Änderungen in dem Oberflächenverlauf zu berechnen. Auch hier ist es problematisch, die Biegung in eine Richtung zu erfassen, wenn die zu messende Oberfläche eine sphärische oder S-förmige Gestalt aufweist, da aufgrund der quer zu der zu messenden Biegung verlaufender Krümmung das zu messende Spiegelbild außerhalb der CCD-Kamera reflektiert wird, insbesondere dann, wenn die CCD-Kamera als Zeilenkamera ausgebildet ist. Bei parallel zur Erstreckung der Lichtquelle angeordneter Zeile können nur geringe Krümmungen gemessen werden. Des weiteren besteht die Gefahr, daß bei Reflektionen an wenigstens teilweise transparenten Oberflächen wie Glas Mehrfachreflektionen auftreten, bei Windschutzscheiben beispielsweise an bis zu vier Oberflächen, die voneinander getrennt werden müssen, und somit aufwendige Auswertemethoden erfordern.

DE 42 10 075 A1 beschreibt in sehr allgemeiner Weise Verfahren zum Erfassen der Orientierung von spiegelnden Oberflächen und führt hierzu eine Vielzahl von Varianten eines entsprechenden Meßverfahrens auf. Im Einzelnen wird in der Druckschrift ein Verfahren beschrieben, bei dem von einer reflektierenden Oberfläche zurückgeworfenes Licht einer linienförmigen Lichtquelle von einer CCD-Kamera aufgenommen wird; das aufgenommene Bild wird mit dem Spiegelbild eines Referenzobjektes verglichen; ausgehend von dem Vergleich der beiden Bilder wird der örtliche Neigungswinkel der Oberfläche ermittelt. Wesentlich ist also der Vergleich der Reflektionsbilder mit einem Referenzmuster; eine Messung ist schon deshalb nicht möglich, weil in das reflektierte Bild immer die Entfernung zwischen Objekt, Kamera und Beleuchtung eingeht. Eine diffuses Licht aussendende Lichtquelle ist nicht beschrieben, und auch eine konkrete Ausgestaltung der relativen Anordnung oder Verlagerung von CCD-Kamera und Lichtquelle ist nicht gelehrt.

US 5,343,288 befaßt sich ganz konkret mit einer Einrichtung zur Evaluierung eines sogenannten "Head-Up Dislay", welches in einer Windschutzscheibe integriert ist, und hier im Einzelnen mit der konkreten Anpassung der Anordnung einer Display-Einheit in einem optimalen Abstand zu der Windschutzscheibe. Das Verfahren setzt zwar zur Kalibrierung eine Kalibriereinheit ein, die von einer Kamera beobachtet wird, jedoch über die die Kamera lediglich auf die Kalibrierplatte fokussiert wird, um so einem Ausgangspunkt für die vorstehend skizzierte Anpassung zu erhalten. Eine Biegungsmessung erfolgt nicht, auch eine relative Bewegung von Windschutzscheibe einerseits und einer Lichtquelle und Kamera andererseits ist nicht vorgesehen.

US 5,414,518 beschreibt eine Einrichtung zum optischen Evaluieren des Verlaufs der Konturen eines Kraftfahrzeugs durch eine betrachtende Person, bei der eine Mehrzahl von parallel benachbart angeordneten fluoreszierenden linienförmigen Lichtquellen in spiegelnden Oberflächen eines Fahrzeugs reflektiert werden, und bei dem aufgrund optischer Erfassung durch einen Betrachter diskontinuierliche Biegungen in dem beobachteten Bild und somit Fehler in der beobachteten Oberfläche ermittelt werden. Die Beobachtung der reflektierten linienförmigen Lichtquellen erfolgt entlang des Verlaufs der Lichtquellen, und entsprechend wird der Verlauf der Oberfläche nur in Richtung der reflektierten Lichtquellen, nicht quer dazu begutachtet. Eine Messung der Biegung quer zu den linienförmigen Lichtquellen ist in nicht vorgesehen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung zu schaffen, die eine einfache und zuverlässige Messung der Biegung einer reflektierenden Oberfläche ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß mit den Merkmalen nach Anspruch 10 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in preiswerter, zuverlässiger und leicht auszuwertender Weise die Messung der Biegung einer reflektierenden Oberfläche, und zwar auch dann, wenn diese Oberfläche eine sphärische oder S-förmige Krümmung aufweist, indem die CCD-Kamera das von der Oberfläche reflektierte, von der Lichtquelle ausgehende diffuse Licht erfaßt. Hierbei emittiert die Lichtquelle diffuses Licht, welches anders als bei einer punktförmig gerichteten Lichtquelle keine Beobachtungswinkelverdoppelung durch Einfalls- und Ausfallswinkel bewirkt und so auch durch die quer zu der zu messenden Biegung verlaufenden weiteren Biegung weniger nachteilig beeinflußt wird. Hierdurch ist es möglich, kleinere in einer Kamera untergebrachte Detektoren einzusetzen, insbesondere reicht eine Pixelzeile statt mehrerer nebeneinander angeordneter, eine Matrixkamera definierender Zeilen. Kleine Pixel können dann ausgewählt werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der CCD-Kamera als Zeilen­ kamera in Kombination mit der linienförmigen Ausgestaltung der Lichtquelle kann das reflektierte Licht auch dann mit der Breite eines Pixels in seiner Lage zuverlässig erfaßt werden, wenn die quer zu der zu messenden Biegung verlaufende weitere Biegung eine Ablenkung außerhalb der den Akzeptanzwinkel der Kamera definierenden Breite des Pixels bewirkt. Durch die Linienform der Lichtquelle wird dann diese in der Oberfläche gleichwohl auf der richtigen Höhe reflektiert, und die Ablenkung der zu messenden Biegung zutreffend ermittelt.

Die CCD-Kamera wird vorzugsweise in Richtung der zu messenden Biegung angeordnet, während die Lichtquelle mit ihrer linienförmigen Erstreckung quer zur Richtung der zu messenden Biegung der Oberfläche verläuft.

Auch bei der Messung von reflektierenden Oberflächen von transparenten Materialien wie Glas, die zwei Oberflächen aufweisen, oder bei einem Stapel von zwei (oder mehr) paarweise gebogenen Gläsern stören die zwei bzw. vier spiegelnden Oberflächen nicht, da die reflektierten Strahlen nahe genug beieinander liegen, um die Messung nicht zu verfälschen.

Hierbei ist es möglich, die CCD-Kamera durch entsprechende Fokussierung im Spiegelbild einer bestimmten Oberfläche zur Beobachtung dieser speziellen Oberfläche vorzusehen, insbesondere dann, wenn durch zwischen zwei Glasscheiben verlaufende Trennmittelrückstände die Intensität der Reflektion sonst örtlich schwankt. Bei einem Stapel kann die Vorrichtung mit einer weiteren, zur ersten vorzugsweise parallelen CCD-Kamera ausgerüstet sein.

Vorzugsweise sind die CCD-Kamera und die Lichtquelle in einer gemeinsamen Baueinheit angeordnet, die die beiden Teile in bezug auf ihren Winkel und die Entfernung zueinander festlegt, so daß aufwendige Einstellarbeiten vor Meßbeginn nicht erforderlich sind. Mit dieser Baueinheit läßt sich die Biegung in einem Punkt der Oberfläche ermitteln, und durch Relativverlagerung der Oberfläche und der Baueinheit entlang einer Linie kann entlang dieser Linie die Biegung ermittelt werden. Für die Relativverlagerung kann sowohl der Gegenstand mit der reflektierenden Oberfläche als auch die Baueinheit beweglich angeordnet sein.

Besonders bevorzugt ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Messung der Biegung, insbesondere der Querbiegung, einer Autoglasscheibe aus vorgespanntem Einscheibensicherheitsglas oder aus Verbundsicherheitsglas, die vor oder nach dem Vorverbund oder nach dem Autoklavieren aus einem Stapel von zwei Scheiben besteht, die ggf. mit einem Verbindungsmittel zusammengehalten werden. Hierbei kann durch eine Messung der Biegung von Rand zu Rand der Verlauf der Biegung entlang einer Linie ermittelt werden, wobei ein an die CCD- Kamera angeschlossener Rechner die jeweilige Neigung am Meßort durch die Lage des reflektierten Lichts ermittelt.

Um die Biegung sehr exakt zu ermitteln ist es erforderlich, den Abstand zwischen Kamera und Oberfläche an wenigstens einem Punkt, an dem vorzugsweise auch die Biegung gemessen wird, exakt zu bestimmen. Diese Bestimmung erfolgt beispielsweise mit einem Zusatzgerät im Wege der Triangulationsmessung, oder durch eine berührende Messung im Bereich des Randes der Oberfläche: einmal oder mehrmals, vor, während oder nach der Ermittlung der Querbiegung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und kann mit preiswerten Mitteln bereitgestellt werden. Als linienförmige Lichtquelle kommt beispielsweise eine Neonröhre in Betracht, die handelsüblich und damit kostengünstig zu beschaffen ist. Die CCD-Kamera kommt mit einer einzigen Diodenzeile (von mehreren Tausend Pixeln) aus, um präzise die Biegung aufgrund der Änderung der Reflektion in der zu messenden Oberfläche zu bestimmen. Die Pixel werden durch einen Rechner ausgelesen und ausgewertet, wobei die Auswertung die Höhe der CCD-Kamera und der Lichtquelle über der zu messenden Oberfläche berücksichtigt. Daher wird vorzugsweise die Höhe vor Beginn der Messung ermittelt, um eine kontinuierliche Berechnung der Biegung zu ermöglichen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den abhängigen Ansprüchen.

Der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der Biegung einer reflektierenden Oberfläche.

Fig. 2 zeigt eine um 90° verdrehte schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus Fig. 1.

Die insgesamt mit Bezugszeichen 1 bezeichnete Vorrichtung zur Messung der Biegung einer reflektierenden Oberfläche 2 umfaßt eine linienförmige Lichtquelle 3, die als langgestreckte Neonröhre ausgebildet ist, und eine CCD- Kamera 4, bei der es sich um eine Zeilenkamera handelt, wobei die Zeile, wie in Fig. 1 angedeutet, quer zur Erstreckung der Neonröhre 3 verläuft. Die Zeile der CCD-Kamera umfaßt ca. 5000 Pixel. Die Erstreckung der Zeile ist in einem rechten Winkel zu der Linienerstreckung der Lichtquelle 3 angeordnet.

Die reflektierende Oberfläche 2 ist die der Neonröhre 3 und der Kamera 4 zugewandte Oberfläche einer sphärisch gebogenen Glasscheibe 5, die auf einer Unterlage 6 aufliegt, wobei die Unterlage 6 als Support oder dgl. ausgebildet sein kann. In Fig. 1 ist schematisch ein Querschnitt durch die Scheibe 5 dargestellt, in Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch die Scheibe 5 dargestellt. Entsprechend sind die Abmessungen verschieden, und auch die Biegungsverläufe unterscheiden sich. Vorliegend wird die in Fig. 1 im Querschnitt gezeigte Querbiegung gemessen. Entsprechend ist die Lichtquelle 3 quer zum Verlauf der Querbiegung angeordnet, während die Erstreckung der Zeile der CCD-Kamera 4 im wesentlichen parallel zu der Querbiegung verläuft.

Die Neonröhre 3 und die Kamera 4 sind in einem aus Gründen der Deutlichkeit der Darstellung nicht gezeigten gemeinsamen Halterahmen angeordnet und gegeneinander ausgerichtet, so daß sich ihre relative Lage zueinander und auch der Winkel der Neonröhre 3 und der CCD-Zeile der Kamera 4 nicht zueinander ändern. Der Tragrahmen ist transportabel ausgestaltet, und ermöglicht insbesondere einen Transport von Lichtquelle 3 und Kamera 4 in Richtung des Doppelpfeils 7. Es ist somit möglich, mit der Vorrichtung 1 die Querbiegung der Glasscheibe 5 beginnend mit dem in Fig. 1 auf der rechten Seite dargestellten oberen Ende zu vermessen und dann die Vorrichtung 1 allmählich in Richtung auf die in Fig. 1 auf der linken Seite dargestellte untere Ende der Glasscheibe 5 zu verlagern, und hierbei durch die quer zur Neonröhre 3 angeordnete Zeile der CCD-Kamera 4 die Reflektion des Lichts präzise zu erfassen. Somit kann für jede Position der Scheibe 5 die Biegung exakt ermittelt werden.

Aufgrund ihrer Ausgestaltung als Neonröhre strahlt die Lichtquelle 3 diffuses Licht aus, wodurch es nicht zu einer Verdoppelung der Beobachtungswinkel kommt. Der störende Einfluß der Ablenkung quer zu der Zeile der CCD-Kamera 4 durch eine Biegung (hier: Längsbiegung) quer zu der zu messenden Biegung (hier: Querbiegung) wird hierdurch weiter herabgesetzt.

Die Erfindung funktioniert nun wie folgt:
In einem gesonderten Arbeitsgang wird mit einem (nicht dargestellten) Zusatzgerät der Abstand der reflektierenden Oberfläche 2 zu CCD-Kamera 4 bzw. Lichtquelle 3 ermittelt. Dies kann z. B. mit einem Triangulationsverfahren erfolgen, wobei dies an einer Stelle durchgeführt wird, an der keine gerichtete Reflektion durch die Oberfläche 2 besteht.

Die Glasscheibe 5 wird dann mit Lichtquelle 3 und CCD-Kamera 4 einmal in Richtung der Querbiegung (Pfeil 7 in Fig. 1) von oben nach unten abgetastet, und durch den Auftreffpunkt des reflektierten Lichts der Lichtquelle 3 auf der Zeile der CCD-Kamera 4 läßt sich an jeder Stelle der Scheibe 5 bzw. der Oberfläche 2 der Neigungswinkel und damit über den Verlauf der Scheibe 5 die Biegung in Meßrichtung ermitteln. Die Messung des Neigungswinkels erfolgt absolut, so daß sie nur mit dem Meßfehler behaftet sein kann, nicht jedoch mit Fortschreibungsfehlern anderer Messungen.

Die Lichtquelle 3 wird in der Oberfläche 2 gerichtet reflektiert, so daß die CCD- Kamera 4 einen Ausschnitt der Lichtquelle 3 als Bild sieht, wobei die Qualität der Lichtquelle durch die Reflektion erhalten bleibt und keine weitere diffuse Reflektion stattfindet. Damit wird eine sehr genaue Zuordnung einer Intensitäts­ spitze der Lichtquelle und damit eine sehr genaue Messung der Biegung ermöglicht. Die Empfindlichkeit gegen von außerhalb der Meßvorrichtung einfallendes Licht ist gering.

Da die Lichtquelle 3 als linienförmige Lichtquelle ausgebildet ist, wird die Erfassung der Querbiegung wie in Fig. 1 dargestellt nicht durch die Längsbiegung, die in Fig. 2 dargestellt ist, nachteilig beeinflußt, weil es durch die linienförmige Ausgestaltung der Lichtquelle nicht zu einem Auswandern des auf die Kamera 4 reflektierten Lichts außerhalb der Breite der Pixel-Zeile kommen kann. Der Akzeptanzwinkel der CCD-Kamera 4 kann somit klein gewählt werden, insbesondere können kleine Pixel gewählt werden, wodurch die Auflösung der Messung vergrößert wird.

Es versteht sich, daß die gemessene Biegung auch die Längsbiegung sein kann, wobei dann vorteilhaft der Einfluß der Querbiegung auf das Meßergebnis durch das erfindungsgemäße Verfahren eliminiert wird. Es ist ebenso möglich, die Scheibe 5 nach Messung der Querbiegung um 90° zu drehen und die Längsbiegung zu erfassen. Hierbei ist dann jedoch vor Beginn der jeweiligen Messung die Scheibe erneut zu bestimmen, da diese durch den Drehvorgang geringfügig verlagert worden sein kann.

Claims (15)

1. Verfahren zum Messen der Biegung einer reflektierenden Oberfläche (2), insbesondere einer in Längs- und Querrichtung gebogenen Glasscheibe (5), bei dem von der Oberfläche (2) reflektiertes, von einer linienförmigen Lichtquelle (3) diffus ausgehendes Licht von einer CCD-Kamera (4) aufgenommen wird, wobei ausgehend von der durch die CCD-Kamera (4) aufgenommenen Intensität des reflektierten Lichts der örtliche Neigungswinkel der Oberfläche (2) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen Oberfläche (2) und Lichtquelle (3) und/oder zwischen Oberfläche (2) und CCD-Kamera (4) gemessen wird,
daß die CCD-Kamera als Zeilenkamera (4) ausgebildet und quer zur Linienerstreckung der Lichtquelle (3) angeordnet ist,
daß die Lichtquelle (3) und die CCD-Kamera (4) gleichzeitig und zueinander festgelegt relativ zu der Oberfläche (2) verlagert werden, und
daß während der Verlagerungsbewegung das reflektierte Licht erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilen­ erstreckung der CCD-Kamera (4) in Richtung der zu messenden Biegung und die Lichtquelle (3) quer zur Richtung der zu messenden Biegung der Oberfläche (2) verlaufen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Kamera (4) und die Lichtquelle (3) in einer gemeinsamen Baueinheit angeordnet sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Kamera (4) an eine Rechnereinheit angeschlossen ist, die die parallel ausgelesenen Werte der Pixel der CCD-Kamera (4) auswertet und hieraus den Neigungswinkel der Oberfläche (2) berechnet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Kamera (4) und die Lichtquelle (3) bewegt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (2) bewegt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche (2) diejenige einer Autoglasscheibe ist, die vor oder nach dem Vorverbund zu einem Stapel aus zwei Scheiben geschichtet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegung der Autoglasscheibe entlang einer von Rand zu Rand verlaufenden Linie ermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Ort der Abstand der Oberfläche (2) von der Kamera durch ein Absolutmeßverfahren wenigstens einmal ermittelt wird.

10. Vorrichtung zum Messen der Biegung einer reflektierenden Oberfläche (3), insbesondere einer in Längs- und Querrichtung gebogenen Glasscheibe (5), mit
einer linienförmige Lichtquelle (3), von der diffuses Licht ausgeht,
einer CCD-Kamera (4), die von der Oberfläche (2) reflektiertes Licht aufnimmt und die eine quer zur Linienerstreckung der Lichtquelle angeordnete Zeile aufweist,
Mitteln zur Messung des Abstands zwischen Oberfläche (2) und Lichtquelle (3) und/oder CCD-Kamera (4),
Mitteln zur gleichzeitigen und zueinander festgelegten Verlagerung von Lichtquelle (3) und CCD-Kamera (4) relativ zu der Oberfläche (2), und
Mitteln, um ausgehend von dem durch die CCD-Kamera (4) aufgenommenen reflektierten Licht den örtlichen Neigungswinkel der Oberfläche (2) ermitteln zu können.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD- Kamera (4) und die Lichtquelle (3) in einer gemeinsamen Baueinheit angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner an die CCD-Kamera (4) angeschlossen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die CCD-Kamera (4) und die Lichtquelle (3) auf derselben Seite der zu messenden Oberfläche (2) angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle (3) als Neonröhre ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zu vermessende Oberfläche (2) auf einem Förderer zuführbar ist.