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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Topographie einer Oberfläche. Solche Verfahren können dazu eingesetzt werden, dreidimensionale Strukturen von Oberflächen zu erfassen, beispielsweise zur Charakterisierung der räumlichen Struktur eines Bauteils oder zur Erkennung von Abweichungen von einer gewünschten Soll-Form.
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Aus der Praxis sind Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt. Beispielsweise kann die Topographie der Oberfläche eines Prüflings mittels Deflektometrie, durch Projektionsverfahren, durch photometrische Stereoaufnahmen, durch Aufnahmeserien mit unterschiedlicher Fokuslage oder ähnliche Verfahren erfasst werden. Aus den erfassten Rohdaten kann ein mathematisches Modell bzw. eine Funktion ermittelt werden, welche die Oberfläche beschreibt. Dabei weisen die unterschiedlichen Verfahren jeweils spezifische Vor- und Nachteile auf, so dass für spezifische Prüfaufgaben das jeweils am besten geeignete Verfahren ausgewählt werden muss.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Topographie einer Oberfläche anzugeben, welches universell anwendbar ist und/oder welches eine größere Genauigkeit bereitstellen kann. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Topographie einer Oberfläche bereitzustellen, welches auch bei nicht-stetigen Oberflächen zuverlässige Ergebnisse liefern kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 5 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung mit einer ersten Bilderfassungseinrichtung und einer zweiten Bilderfassungseinrichtung vorgeschlagen. Die Bilderfassungseinrichtungen können beispielsweise Digitalkameras sein oder solche enthalten, welche mittels einer Linse den zu untersuchenden Prüfling oder einen Teil des Prüflings auf einen Bildwandler abbilden. Dementsprechend weist jede Bilderfassungseinrichtung einen von der Brennweite des Objektives und der Größe des Bildwandlers abhängigen Erfassungsbereich auf. Der Bildwandler kann beispielsweise einen CCD-Chip enthalten, so dass am Ausgang der Bilderfassungseinrichtung ein das Bild des Prüflings repräsentierender analoger oder digitaler Datenstrom bereitgestellt wird.
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Der erste Erfassungsbereich der ersten Bilderfassungseinrichtung und der zweite Erfassungsbereich der zweiten Bilderfassungseinrichtung überlappen zumindest teilweise. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die beiden Erfassungsbereiche der beiden Bilderfassungseinrichtungen vollständig überlappen, so dass der Prüfling sowohl von der ersten Bilderfassungseinrichtung als auch von der zweiten Bilderfassungseinrichtung aufgezeichnet wird. Beide Bilderfassungseinrichtungen können in einer gemeinsamen Ebene transversal verschoben angeordnet sein.
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Abhängig von der Größe des Prüflings und der geforderten Genauigkeit kann der Prüfling bzw. dessen Oberfläche vollständig von den beiden Bilderfassungseinrichtungen erfasst werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung erfassen die Bilderfassungseinrichtungen nur eine Teilfläche des Prüflings, so dass entweder nur eine Teilfläche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren untersucht wird oder aber durch relatives Verschieben der Vorrichtung und des Prüflings die gesamte Oberfläche in mehreren Teilschritten untersucht werden kann.
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Weiterhin weist die Vorrichtung zumindest eine Lichtquelle auf. Die Lichtquelle ist dazu eingerichtet, Licht aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen in zumindest einem Erfassungsbereich zu emittieren. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Lichtquelle dazu eingerichtet sein, Licht unterschiedlicher Wellenlängen bzw. unterschiedlicher Farben zu emittieren. Hierzu kann die Lichtquelle beispielsweise eine Mehrzahl von Leuchtdioden enthalten, welche getrennt voneinander schaltbar sind. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vorrichtung eine breitbandige Lichtquelle enthalten, beispielsweise eine Halogenlampe oder eine Gasentladungslampe. Durch Filter kann Licht einer gewünschten Wellenlänge gefiltert werden und Licht anderer Wellenlängen unterdrückt werden.
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Die Lichtquelle kann in einigen Ausführungsformen drehbar bzw. schwenkbar sein, um die zu untersuchende Oberfläche des Prüflings aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen zu beleuchten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Lichtquelle durch Blenden teilweise verdeckt werden oder der Strahlengang kann durch Linsen bzw. Spiegel umgelenkt werden, um eine Beleuchtung des Prüflings aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen zu realisieren.
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In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung können mehrere Lichtquellen vorhanden sein, welche jeweils getrennt schaltbar sind und welche aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen auf den Prüfling treffen. Auf diese Weise kann durch ein einfaches Ein- bzw. Ausschalten einzelner Lichtquellen eine Beleuchtung aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen realisiert werden.
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Bei Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jede Bilderfassungseinrichtung Bilder ihres jeweiligen Erfassungsbereiches aufnehmen, welche mit gerichteter Beleuchtung aus verschiedenen Richtungen erzeugt werden. Dies führt dazu, dass einzelne Teilflächen der Oberfläche, welche relativ zu der durch die Blickrichtung der Bilderfassungseinrichtungen definierten Achse geneigt sind, in den verschiedenen Aufnahmen unterschiedlich hell erscheinen. Somit kann durch Modellierung der beobachteten Intensität in Abhängigkeit des Ortes ein Feld von Normalenvektoren für unterschiedliche Teilflächen im Erfassungsbereich der jeweiligen Bilderfassungseinrichtungen berechnet werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung in einem zusätzlichen Verfahrensschritt das Reflexionsverhalten der Oberfläche des Prüflings bestimmt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung weist der Prüfling ein diffuses Reflexionsverhalten auf, beispielsweise durch vorheriges Sandstrahlen oder Schleifen.
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Da die erste Bilderfassungseinrichtung und die zweite Bilderfassungseinrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind, weisen identische Merkmale auf der zu untersuchenden Oberfläche in beiden Aufnahmen eine Disparität auf, welche durch den Parallaxenfehler der beiden Bilderfassungseinrichtungen bedingt ist. Aus dieser Disparität kann eine Höheninformation gewonnen werden, d.h. zu einer vorgebbaren Teilfläche bzw. einem vorgebbaren Punkt im Überlappungsbereich der Bilderfassungseinrichtungen kann ein Höhenwert berechnet werden, so dass sich eine 2,5-dimensionale Darstellung bzw. eine Punktwolke errechnen lässt.
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Aus den in den vorherigen Verfahrensschritten bestimmten Höheninformationen und den lokalen Normalenvektoren lässt sich die Oberflächentopographie des Prüflings vollständig rekonstruieren. Dies gelingt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere auch dann, wenn die Oberfläche nur abschnittsweise stetig ist und Stufen, Sprünge oder Hinterschneidungen aufweist. Konventionelle photometrische Stereoaufnahmen können solche nicht-stetigen Oberflächen nicht rekonstruieren, da ausschließlich die lokalen Normalenvektoren bekannt sind, nicht jedoch deren absolute Höheninformation.
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Damit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren einer Stereoaufnahme mit unterschiedlicher Beleuchtungsrichtung erstmalig die Rekonstruktion einer Oberfläche eines Prüflings mit hoher Genauigkeit auch dann, wenn diese Oberfläche nur abschnittsweise stetig ist.
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Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren und die dazu verwendete Vorrichtung in einigen Ausführungsformen folgende Vorteile aufweisen, welche sich jeweils einzeln oder zusammen zeigen können:
Erfindungsgemäß wird erstmals die Kombination der lokalen Genauigkeit vom photometrischen Stereo mit der globalen Genauigkeit von Stereoaufnahmen mit mehreren Kameras. Mittels photometrischem Stereo können sehr geringe Höhenänderungen bestimmt werden, beispielsweise Kratzer oder sonstige Oberflächenbeschädigungen. Diese Höhendaten weisen aber über größere Flächen gesehen Abweichungen zur Originalfläche auf, d.h. die absolute Normierung ist fehlerhaft. Bei Stereoverfahren unter Verwendung mehrerer Aufnahmepositionen ist dies genau anders herum, d.h. die Fläche kann über größere Flächeninhalte rekonstruiert werden, wobei jedoch kleine Details nicht sichtbar sind.
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Weiterhin können mittels Stereoverfahren Oberflächen von homogenen bzw. untexturierten Objekten nicht ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch durch die verschiedenen Beleuchtungsrichtungen diesen Mangel ausgleichen. Durch die wechselnden Beleuchtungsrichtungen werden zumindest einige Oberflächenpunkte bzw. Teilflächen unterschiedlich beleuchtet, wodurch korrespondierende Punkte identifizierbar werden und die für ein Stereo-Verfahren erforderlichen Korrespondenzen hergestellt werden können. Daraus können die Disparitäten ermittelt werden, um die Oberfläche rekonstruieren.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Reflektanz zumindest einer Teilfläche bestimmt werden, wobei mit dem gemessenen Wert der Reflektanz eine Materialklassifikation durchgeführt wird. Da verschiedene Materialien unterschiedlich reflektieren, können durch die verschiedenen Beleuchtungsparameter Reflektanzeigenschaften für einzelne Teilflächen geschätzt werden, die wiederum zur Materialklassifikation herangezogen werden können. Hierdurch können beispielsweise Beschichtungen, Druckfarben oder ähnliche Oberflächenmodifikationen bestimmt werden. Die Zuordnung einer Reflektanz zu einem Material oder einer Materialklasse kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung in einer Zuordnungstabelle gespeichert und bei der Auswertung der Aufnahmen dort ausgelesen werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung, bzw. das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in der Qualitätssicherung eingesetzt werden. Hierzu kann eine Auswerteeinrichtung eine Sollform des Prüflings bzw. eine gewünschte Oberflächenbeschaffenheit sowie maximal zulässige Toleranzwerte hierzu speichern und diese Soll-Form mit der gemessenen Ist-Form vergleichen. Auf diese Weise kann unbeeinflusst von subjektiven Eindrücken und mit hoher Geschwindigkeit entschieden werden, ob das Werkstück innerhalb der Toleranz liegt oder verworfen werden muss. Beispiele für solche Werkstücke mit abschnittsweise stetiger Oberfläche sind Retroreflektoren mit Corner-Cube-Strukturen oder spanabhebende Werkzeuge mit geometrisch definierten Schneiden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung drei Lichtquellen auf, welche jeweils getrennt schaltbar und welche dazu eingerichtet sind, Licht aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen in die Erfassungsbereiche der beiden Bilderfassungseinrichtungen zu emittieren. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können fünf Lichtquellen vorhanden sein, wobei sich vier Lichtquellen gleichmäßig um eine zentrale Lichtquelle gruppieren, so dass die Beleuchtung sowohl koplanar zu den Erfassungsbereichen der Bilderfassungseinrichtungen erfolgen kann als auch mit unterschiedlichen Azimutwinkeln bei konstanter Elevation.
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In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung können neun Lichtquellen vorhanden sein, so dass sowohl der Azimut als auch die Elevation durch Schalten der jeweiligen Lichtquellen variiert werden kann. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren universeller einsetzbar sein.
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In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann zumindest eine Lichtquellen verschwenkbar oder neigbar sein sein, so dass Azimut und/oder Elevation stufenlos einstellbar sind.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Auswerteeinrichtung vorhanden sein, welche dazu eingerichtet ist, aus zumindest drei Aufnahmen der ersten Bilderfassungseinrichtung und zumindest drei Aufnahmen der zweiten Bilderfassungseinrichtung, welche bei unterschiedlichen Einfallsrichtungen des Lichtes erzeugt wurden, für zumindest ein Flächenelement der Oberfläche des Prüflings eine Höheninformation und einen Normalenvektor zu ermitteln. Somit ist sowohl die Höhenlage als auch die Neigung des jeweiligen Flächenelements bekannt.
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Die Auswerteeinrichtung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller enthalten. In diesem Fall kann eine Software vorhanden sein, welche zumindest einige Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn diese auf dem Mikroprozessor ausgeführt wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Teilfläche der Oberfläche durch Integration der Normalenvektoren und zumindest einer aus einer Disparität ermittelten Höheninformation bestimmt werden. Dies erlaubt eine nahezu vollständige Rekonstruktion der Topographie der Oberfläche mit nur geringen Fehlern. Im Falle von nicht-stetigen Oberflächen kann die Oberfläche auf diese Weise in zusammenhängende, stetige Teilflächen segmentiert werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Verfahren dazu in der Lage sein, simultan eine Höhenschätzung und eine Normalenschätzung durchzuführen, ohne dass beides separat berechnet werden muss.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Oberfläche mittels eines Finite-Element-Ansatzes in einem Gittermodell dargestellt werden. In diesem Fall kann die Finite-Element-Methode dazu angewendet werden, die Bilddaten auszuwerten. Das hierfür verwendete Netz definiert gleichzeitig die Stützstellen des Gitternetzmodells bzw. der Punktwolke der Oberflächenrekonstruktion des Prüflings.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
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1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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2 erläutert die Messung zum Erhalt der Normalenvektoren.
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3 erläutert die Auswertung zum Erhalt der Höheninformation.
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4 zeigt das Ergebnis der Ermittlung der Normalenvektoren.
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5 zeigt das Ergebnis nach Ermittlung der Höheninformation.
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1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung. Die Vorrichtung 1 weist eine erste Bilderfassungseinrichtung 11 mit einem ersten Erfassungsbereich 21 sowie eine zweite Bilderfassungseinrichtung 12 mit einem zweiten Erfassungsbereich 22 auf. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Bilderfassungseinrichtungen auch größer sein und beispielsweise zwischen zwei und etwa 10 betragen. Die Erfassungsbereiche aller Bilderfassungseinrichtungen können zumindest teilweise überlappen, so dass die Bestimmung der Topographie der Oberfläche mit größerer Genauigkeit durchgeführt werden kann, wenn die Aufnahmen mehrerer Bilderfassungseinrichtung zur Verfügung stehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Mehrzahl von Bilderfassungseinrichtungen dazu verwendet werden, den Erfassungsbereich zu vergrößern, so dass auch großflächige Prüfling vermessen werden können, beispielsweise Bodenbeläge oder Architekturglas. Jede der Erfassungseinrichtungen 11 und 12 weist zumindest ein Objektiv auf, welches den Erfassungsbereich auf eine Sensorfläche abbildet. Weiterhin weisen die Bilderfassungseinrichtungen jeweils einen Bildwandler auf, beispielsweise einen CCD-Chip, welcher an seinem Ausgang einen Datenstrom bereitstellt, welcher ein Bild des im Erfassungsbereich befindlichen Gegenstandes repräsentiert.
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Wie in 1 weiter dargestellt ist, überlappen die Erfassungsbereiche 21 und 22 teilweise, so dass sich ein Überlappungsbereich 25 auf der Oberfläche 50 des Prüflings 5 ausbildet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Überlappungsbereich 25 die gesamten Erfassungsbereiche 21 und 22 enthalten.
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Weiterhin weist die Vorrichtung gemäß 1 drei Lichtquellen 31, 32 und 33 auf. Die Lichtquellen dienen dazu, die Erfassungsbereiche 21 und 22 oder zumindest den Überlappungsbereicht 25 aus unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten. Hierzu können die Lichtquellen 31, 32 und 33 gerichtetes Licht aussenden, beispielsweise durch Verwendung von Blenden oder Reflektoren können im Dauerstrich-Betrieb betrieben werden oder aber als Blitzbeleuchtung. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Lichtquellen Gasentladungslampen, Glühfadenlampen, Lichtbogenlampen oder Leuchtdioden sein oder solche enthalten.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Lichtquelle 32 dazu eingerichtet, den Überlappungsbereich 25 von oben, d.h. koplanar zu den Erfassungsbereichen 21 und 22 zu beleuchten. Die Lichtquellen 31 und 33 sind seitlich davon angebracht, so dass die Einstrahlrichtung relativ zur Oberfläche 50 einen Elevationswinkel von mehr als 0° aufweist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können weitere, hier nicht dargestellte Lichtquellen vorhanden sein, beispielsweise um weitere Elevationswinkel der Beleuchtungsrichtung zu realisieren oder um unterschiedlichen Azimut-Winkel der Beleuchtung zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Lichtquelle drehbar oder verschwenkbar angeordnet sein, so dass auch durch Verwendung einer geringen Anzahl von Lichtquellen oder von nur einer Lichtquelle eine Beleuchtung der Oberfläche 50 aus unterschiedlichen Richtungen realisiert werden kann.
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Weiterhin befindet sich in der Vorrichtung 1 eine Auswerteeinrichtung 6, welche dazu vorgesehen ist, den Datenstrom der Bilderfassungseinrichtungen 11 und 12 auszuwerten und zu speichern. Fakultativ kann die Auswerteeinrichtung 6 auch die Lichtquellen 31, 32 und 33 und die Bilderfassungseinrichtungen 11 und 12 steuern.
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Der Prüfling 5 weist im dargestellten Beispiel eine Oberfläche 50 auf, welche eine Kante mit nahezu senkrechter Begrenzungsfläche aufweist. Die Oberfläche ist somit nicht stetig. Die in 1 dargestellte Vorrichtung soll dazu eingesetzt werden, die Topographie dieser Oberfläche zu erfassen und entweder mathematisch darzustellen oder zu visualisieren. Beispielsweise kann es sich bei der Oberfläche 50 um eine Werkstückoberfläche handeln, welche im Rahmen der Qualitätssicherung mit Fertigungsrohdaten bzw. einer Sollform verglichen werden soll.
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In einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Topographie der Oberfläche 50 werden die drei Lichtquellen 31, 32 und 33 sequentiell angesteuert. Auf diese Weise können von jeder Bilderfassungseinrichtung 11 und 12 jeweils drei Aufnahmen der Oberfläche 50 mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen erstellt werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit oder zur Plausibilisierung der Ergebnisse können weitere Aufnahmen mit weiteren, nicht dargestellten Lichtquellen erzeugt werden.
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Die Aufnahmen der Bilderfassungseinrichtungen 11 und 12 werden der Auswerteeinrichtung 6 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 6 bestimmt für zumindest eine Bilderfassungseinrichtung aus den drei Aufnahmen mit jeweils unterschiedlicher Beleuchtung die Normalenvektoren der im Erfassungsbereich liegenden Teilflächen. Dieser Verfahrensschritt wird nachfolgend anhand der 2 und 4 näher erläutert. Weiterhin bestimmt die Auswerteeinrichtung für den Überlappungsbereich 25 zumindest eine Disparität, so dass für zumindest eine Teilfläche im Überlappungsbereich 25 eine Höheninformation erhalten werden kann. Dieser Verfahrensschritt wird anhand der 3 und 5 näher erläutert. Schließlich kann die Oberfläche 50 durch Integration der Normalenvektoren und Normierung mit der Höheninformation rekonstruiert bzw. modelliert werden. Das so erhaltene Modell der Oberfläche 50 kann dann entweder visualisiert werden, so dass die Oberfläche durch geschultes Prüfpersonal beurteilt werden kann. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das mathematische Modell der Oberfläche 50 mit einer gewünschten Sollform verglichen werden, wobei Abweichungen visualisiert werden oder der Prüfling automatisiert als defekt gekennzeichnet wird.
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Anhand der 2 und 4 wird nachfolgend erläutert, wie lokale Normalenrichtungen ermittelt werden können. Hierzu zeigt 2 eine Bilderfassungseinrichtung 11, welche in etwa senkrecht zur Oberfläche 50 des Prüflings 5 angeordnet ist. Weiterhin zeigt 2 beispielhaft eine einzelne Lichtquelle 31. Die Einfallsrichtung des Lichtes kann durch einen Elevationswinkel θ und einen Azimutwinkel φ angegeben werden.
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Sofern die Oberfläche 50 plan und eben ausgeführt ist, führt die Lichtquelle 31 zu einer homogenen Ausleuchtung der Oberfläche 50. Bei Änderung der Einfallsrichtung des Lichtes bleibt die Ausleuchtung der Oberfläche 50 homogen.
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Weist die Oberfläche
50 jedoch vorstehende Bereiche oder abgesenkte Flächenbereiche auf, so führt die schräge Einfallsrichtung des Lichtes der Lichtquelle
31 mit einer Bestrahlungsstärke b zu einer teilweisen Abschattung der Oberfläche
50. Diese Abschattung kann von der Bilderfassungseinrichtung
11 als Helligkeitsunterschied g(x) auf der Oberfläche erfasst werden. Bei unterschiedlichen Einfallsrichtungen b
e des Lichtes werden unterschiedliche Flächenbereiche der Oberfläche
50 hell bzw. dunkel erscheinen. Bei bekannter bzw. angenommener Reflektanz ρ(x) der Oberfläche kann somit aus mehreren Aufnahmen mit unterschiedlichen, nicht koplanaren Beleuchtungsrichtungen aus den gemessenen Helligkeitsunterschieden für einzelne Teilflächen die jeweils lokale Normalenrichtung n
e(x) bestimmt werden:
B = (b
e,1, ..., b
e,n) die Beleuchtungsmatrix darstellt.
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Das Ergebnis einer solchen Modellierung ist beispielhaft in 4 gezeigt. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Teilflächen 55 nicht notwendigerweise auf der Oberfläche identifizierbar sein müssen. Vielmehr kann es sich um eine Diskretisierung der Aufnahme der erfassten Oberfläche handeln. Die Teilflächen 55 stellen somit nur ein gedankliches Konzept zur Segmentierung der Oberfläche dar.
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Wie 4 zeigt, sind die einzelnen Teilflächen 55 im dargestellten Ausführungsbeispiel in unterschiedliche Richtungen geneigt. Somit kann aus den lokalen Normalenvektoren die Neigung der Oberfläche bzw. die Neigung einer stetigen Teilfläche der Oberfläche 50 ermittelt werden.
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Anhand 3 und der 5 wird erläutert, wie im Überlappungsbereich 25 die Höhe eines Punktes 56 auf der Oberfläche 50 ermittelt werden kann. Hierzu wird ein einzelnes, identifizierbares Element 57 der Oberfläche 50 in beiden Bilderfassungseinrichtungen 11 und 12 abgebildet. Die Bilderfassungseinrichtungen 11 uns 12 sind dabei um den Abstand D voneinander beabstandet. Der Abstand des beobachteten Merkmals auf der Oberfläche 50 zur Brennweite f der Bilderfassungseinrichtungen 11 und 12 beträgt d.
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Aufgrund des Parallaxenfehlers bei seitlicher Betrachtung des Oberflächenmerkmals 57 wird das Bild in beiden Bilderfassungseinrichtungen nicht auf der identischen Stelle des Bildwandlers abgebildet. Vielmehr weist das Bild eine Verschiebung ν auf. Aus der Differenz der beiden Verschiebungen ergibt sich die Disparität der Abbildung des entsprechenden Oberflächenmerkmals. Hieraus kann die Entfernung d aus dem Zusammenhang d = D·f / ν bestimmt werden.
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Sofern dieses Verfahren für eine Mehrzahl identifizierbarer Oberflächenmerkmale auf der Oberfläche 50 durchgeführt wird, ergibt sich eine 2,5-dimensionale Darstellung der Oberfläche, wie in 5 dargestellt. Hierbei ist die Oberfläche in der x-y-Ebene dargestellt, wobei für jede Koordinate bzw. jeden Stützpunkt 56 eine Höheninformation vorhanden ist. In 5 ist diese Höheninformation d auf der z-Achse aufgetragen, sodass sich die absolute Höhenlage der einzelnen Merkmale der Oberfläche 50 als Punktwolke darstellen lässt. Die Punktwolke enthält eine Mehrzahl von Stützpunkten 56.
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Schließlich können die in 4 dargestellten Normalenvektoren für einzelne Teilflächen 55 mit der Höheninformation gemäß 5 normiert werden, sodass sich die Oberfläche sowohl nach Richtung als auch nach Höhe rekonstruieren lässt. Auf diese Weise können auch Sprünge erkannt werden, sodass nicht-stetige oder nur abschnittsweise stetige Flächen rekonstruierbar sind.
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Die anhand der 2 bis 5 erläuterte Auswertung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung mittels einer Finite-Elemente-Methode erfolgen. Hieraus ergibt sich dann inhärent ein Gitternetzmodel zur Darstellung der Oberfläche an den Stützpunkten des verwendeten Gitters.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen. Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung können jederzeit kombiniert werden, um so weitere Ausführungsformen der Erfindung zu erhalten.
