DE102007002106B3

DE102007002106B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE102007002106B3
Application number: DE102007002106A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Weinhold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2027-01-10
Also published as: WO2008083658A3; KR20090102845A; CA2675028A1; US20100033715A1; CA2675028C; US9322644B2; JP2010515889A; WO2008083658A2; CN101617213B; EP2118641A2; CN101617213A; JP5393479B2; KR101582694B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (01, 17) zur Untersuchung eines Gegenstandes, insbesondere hinsichtlich dessen Oberflächengestalt, - mit einem transportablen Gehäuse (02), das über dem zu untersuchenden Oberflächensegment des Gegenstandes insbesondere von Hand positioniert werden kann, - mit zumindest drei Lichtquellen (06), die mit ihren optischen Strahlachsen (07) im schrägen Einfallswinkel relativ zum zu untersuchenden Oberflächensegment ausgerichtet sind, - wobei die Lichtquellen (07) innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und das zu untersuchende Oberflächensegment durch eine Beleuchtungsöffnung (08) im Gehäuse (02) beleuchten können, - mit zumindest einem Lichtsensor (09) zur Erfassung des am zu untersuchenden Oberflächensegment reflektierten Lichts, - mit einer Steuer- und Auswerteeinheit, die mit den Lichtquellen (06) und dem Lichtsensor (09) verbunden ist. Die Lichtquellen (06) sind dabei derart angeordnet, dass ihre optischen Strahlachsen (07) in jeweils unterschiedlichen, nicht parallelen Bezugsebenen verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung eines Gegenstandes, insbesondere hinsichtlich dessen Oberflächengestalt.
Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die die Gestalt der Oberfläche von Gegenständen unter Zuhilfenahme optischer Hilfsmittel untersuchen. So können auf Oberflächen durch Verwendung von Streif- bzw. Schräglicht, das die Oberfläche schräg oder unter flachem Winkel beleuchtet, auf einfache Weise z. B. aufliegende Schmutzpartikel, Unebenheiten, raue Stellen, Bearbeitungsspuren und Ähnliches lokalisiert und quantifiziert werden. Dies beruht auf der Tatsache, dass je nach Ausprägung dieser Abweichungen gegenüber einer Sollgestalt mehr oder minder stark ausgeprägte Hell-/Dunkelfelder z. B. aufgrund beleuchteter und verschatteter Talflanken entstehen, die dann wiederum Rückschlüsse auf die dreidimensionale Oberflächengestalt erlauben. Diese Vorgehensweise ist unter der Bezeichnung Streiflicht-/ oder Schräglichtverfahren hinlänglich, z. B. aus der DE 197 16 264 A1 , bekannt. Der entsprechende Effekt wird als Schummerung oder Schattenplastik bezeichnet. Allgemein besteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel des Lichts, der räumlichen Orientierung und der Position einer Teilfläche, insbesondere deren Neigung und Höhe, und dem Ausfallswinkel des reflektierten Lichts. Das reflektierte Licht wird von einem Lichtsensor, beispielsweise einer Zeilen- oder Matrix-CCD-Kamera, als Messwert erfasst und anschließend einer digitalen Bildverarbeitung zugeführt. Dieses Verfahren eignet sich besonders bei punktuellen, linienartigen oder häufig wiederkehrenden Gestaltabweichungen, wie z. B. Verschmutzungen und Kratzern.
Die DE 35 40 288 C2 beschreibt eine optische Kontrollanordnung zur Kontrolle von Lötstellen auf gedruckten Schaltungskarten. Die Lötstelle wird dabei mit Licht bestrahlt und das reflektierte Licht mit einer senkrecht zur Lötstelle angeordneten Erfassungseinheit erfasst.
Die DE 41 23 916 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum beleuchtungsdynamischen Erkennen und Klassifizieren von Oberflächenmerkmalen und Defekten eines Untersuchungsobjekts.
Die DE 197 16 228 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenprüfung, mit der insbesondere Kratzer und Verunreinigungen festgestellt werden können. Die zu untersuchende Oberfläche wird dabei mit einem Streiflichtmuster beleuchtet.
Die DE 103 19 543 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenprüfung, wobei oberhalb der Lichtquellen ein die Lichtstrahlung absorbierendes Material angeordnet ist.
Die DE 103 36 493 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenprüfung mit zwei Strahlungsquellen, denen jeweils eine Strahlungsdetektoreinrichtung zugeordnet ist.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie Gestaltmerkmale mit einer Vorzugsrichtung nur unzureichend erfassen können. Beispielsweise bei der Blech- oder Papierherstellung weisen die dabei hergestellten Oberflächen jeweils eine Vorzugsrichtung auf, die die Oberflächengestalt entscheidend mitprägt. Diese Vorzugsrichtung kann durch die bekannten Verfahren und Vorrichtungen jedoch nur unzureichend erfasst werden. Außerdem ist die Kalibrierung der bekannten Vorrichtungen außerordentlich aufwendig und führt häufig zu ungenauen Messergebnissen.
Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die es ermöglicht, die Oberflächenbeschaffenheit unabhängig von bestimmten Vorzugsrichtungen exakt zu erfassen. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur einfachen und genauen Kalibrierung entsprechender Vorrichtungen vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiter wird die Aufgabe durch den unabhängigen Verfahrenshauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Untersuchungen an bekannten Vorrichtungen zur berührungsfreien Untersuchung eines Gegenstandes hinsichtlich dessen Oberflächengestalt, wie sie beispielsweise in der WO 02/090952 A1 beschrieben werden, haben gezeigt, dass die mangelhafte Erfassung der Oberflächengestalt unter Berücksichtigung von Vorzugsrichtungen darauf beruht, dass die Lichtquellen derart angeordnet sind, dass die optische Strahlenachse mit ihrem schrägen Einfallswinkel jeweils in einer einzigen Bezugsebene angeordnet ist. Je nach relativer Stellung dieser Bezugsebene zur Vorzugsrichtung der Oberflächengestalt des zu untersuchenden Materials ergeben sich deshalb unterschiedliche Untersuchungsergebnisse. Nach der Lehre des Anspruchs 1 ist deshalb vorgesehen, dass die zumindest drei Lichtquellen derart angeordnet sind, dass ihre optischen Strahlenachsen in jeweils unterschiedlichen, nicht parallelen Bezugsebenen verlaufen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Oberflächengestalt der Vorzugsrichtung unabhängig von der jeweiligen Anordnung des Geräts jeweils aus verschiedenen Richtungen beleuchtet wird, so dass die Messergebnisse nicht mehr von der relativen Stellung des Geräts in Relation zur Vorzugsrichtung abhängen.
Der Einfallswinkel der Strahlenachsen der Lichtquellen sollte bevorzugt im Bereich von 70° bis 10° relativ zum zu untersuchenden Oberflächensegment ausgerichtet sein.
Die Bezugsebenen, in denen die Strahlenachsen jeweils verlaufen, sollten lotrecht auf dem zu untersuchenden Oberflächensegment ausgerichtet sein.
Damit alle Lichtquellen dasselbe Oberflächensegment optimal ausleuchten, sollten sich die Bezugsebenen in einer Kreuzungslinie kreuzen. Durch diese Kreuzungslinie wird dann der mittlere Bereich des zu untersuchenden Oberflächensegments definiert. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn sich die Strahlenachsen der Lichtquellen in einem Kreuzungspunkt auf dem zu untersuchenden Oberflächensegment kreuzen, um das von den Lichtquellen abgestrahlte Licht auf dem zu untersuchenden Oberflächensegment zu konzentrieren.
Wie die zumindest drei Bezugsebenen der zumindest drei Lichtquellen relativ zueinander angeordnet sind, ist grundsätzlich beliebig. Um eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung des zu untersuchenden Oberflächensegments zu gewährleisten, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bezugsebenen mit einem äquidistanten Zwischenwinkel angeordnet sind. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass bei Einsatz von drei Lichtquellen mit drei entsprechend zugeordneten Bezugsebenen ein Zwischenwinkel von jeweils 120° zwischen den verschiedenen Bezugsebenen vorhanden ist.
Besonders exakte Messungen der Oberflächengestalt ausgehend von den Farb- und/oder Grauwertinformationen des an der Oberfläche reflektierten Lichts ergeben sich, wenn die Lichtquellen das zu untersuchende Oberflächensegment mit Licht beleuchten, das einen im Wesentlichen parallelisierten Strahlengang aufweist.
Lichtquellen zur Erzeugung unmittelbar parallelisierten Lichts, beispielsweise Laser, sind relativ teuer. Um die entsprechenden Herstellungskosten dahingehend zu reduzieren, ist es deshalb besonders vorteilhaft, wenn zwischen dem Leuchtmittel der Lichtquelle, beispielsweise einer LED, und dem zu untersuchenden Oberflächensegment ein Optikelement angeordnet ist, mit dem das von dem Leuchtmittel abgestrahlte Licht parallelisiert werden kann. Als Optikelement können beispielsweise Linsen, insbesondere Fresnellinsen, oder auch Linsensysteme aus mehreren Linsen zum Einsatz kommen.
Der Lichtsensor zur Erfassung des an der Oberfläche reflektierten Lichts sollte mit seiner optischen Achse bevorzugt lotrecht relativ zur dem zu untersuchenden Oberflächensegment ausgerichtet sein.
Dabei ist es zugleich besonders vorteilhaft, wenn die optische Achse des Lichtsensors und die Kreuzungslinie der Bezugsebenen koaxial verlaufen.
Die Wahl der Lichtfarbe des von den Lichtquellen abgestrahlten Lichts ist abhängig von der jeweiligen Anwendung. Beispielsweise können alle Lichtquellen weißes Licht abstrahlen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Lichtquellen jeweils Licht mit unterschiedlicher Lichtfarbe abstrahlen, wobei der Lichtsensor die unterschiedlichen Lichtfarben der Lichtquellen insbesondere auch bei gleichzeitiger Einstrahlung getrennt voneinander detektieren kann. Im Ergebnis ist es dadurch möglich, das zu untersuchende Oberflächensegment gleichzeitig mit beispielsweise drei Lichtfarben aus unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten und das jeweils reflektierte Licht mit dem Lichtsensor aufzunehmen. Da jede Einstrahlrichtung einer bestimmten Lichtfarbe zugeordnet ist, kann dies bei der Auswertung der Lichtmesswerte entsprechend berücksichtigt und differenziert werden.
Um das zu untersuchende Oberflächensegment auch visuell erfassen zu können, ist es besonders von Vorteil, wenn in der Vorrichtung auch noch eine oder mehrere Übersichtslichtquellen vorgesehen sind, um eine Übersichtsbeleuchtung des zu untersuchenden Oberflächensegments zu realisieren. Zur Erfassung des visuellen Eindrucks wird dabei derselbe Lichtsensor eingesetzt, der auch zur Erfassung des topographischen Eindrucks eingesetzt wird. Im Ergebnis wird es dadurch möglich, dass das topographisch untersuchte Oberflächensegment ohne eine Verschiebung der Messvorrichtung sogleich auch auf seinen visuellen Eindruck untersucht wird. Die mit der Übersichtsbeleuchtung erfassten Messdaten und die Messdaten der topographischen Untersuchung, bei der das gleiche Oberflächensegment mit den im schrägen Einfallswinkel angeordneten Lichtquellen beleuchtet wird, können auf diese Weise zueinander in Beziehung gesetzt und weiter Untersuchungsschlüsse gezogen werden. Denn das Oberflächensegment der topographischen Untersuchung und das Oberflächensegment des visuellen Eindrucks entsprechen einander und werden in gleicher Größe, im gleichen Maßstab und in gleicher Auflösung mit dem gleichen Lichtsensor erfasst. Beide Messungen unterscheiden sich nur durch die Art der Oberflächenbeleuchtung.
Welche Beleuchtungscharakteristik die Übersichtslichtquelle aufweist, ist grundsätzlich beliebig. Besonders einfache Bauformen ergeben sich, wenn für die Übersichtslichtquelle die gleichen Leuchtmittel wie für die anderen Lichtquellen verwendet werden. Allerdings müssen die verschiedenen Lichtquellen und die Übersichtslichtquelle dann hintereinander angesteuert werden, damit sich die Signale nicht überlagern. Wenn die Übersichtslichtquelle eine andere Beleuchtungscharakteristik, insbesondere eine andere Lichtfarbe, als die drei im schrägen Einfallswinkel angeordneten Lichtquellen aufweist, wird es möglich, die Übersichts lichtquelle zeitgleich mit den anderen Lichtquellen anzusteuern, da die verschiedenen Lichtquellen aufgrund der unterschiedlichen Beleuchtungscharakteristik differenziert ausgewertet werden können.
Eine besonders einfache Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn das Gehäuse in der Art eines Handgeräts ausgebildet ist. Dieses Handgerät kann dann manuell vom Bedienpersonal über die zu untersuchende Oberfläche bewegt und geeignet positioniert werden.
Das Handgerät sollte abgesehen von der Beleuchtungsöffnung weitgehend lichtdicht ausgebildet sein, um das Eindringen von Störlicht zu verhindern.
Um das Handgerät einfach in einer definierten Relativposition auf dem zu untersuchenden Oberflächensegment positionieren zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn eine definierte, insbesondere ebene, Auflagefläche am Handgerät vorgesehen ist. Mit dieser Auflagefläche kann das Handgerät dann in definierter Lage auf dem zu untersuchenden Oberflächensegment aufgelegt und dadurch definiert positioniert werden. Insbesondere kann ein definierter Beleuchtungswinkel und Beleuchtungsabstand einfach eingehalten werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Handgerät seitlich der Auflagefläche einen Gehäuserücksprung auf. Durch diesen Rücksprung kann der Bediener die Auflagefläche bei der Positionierung von der Seite gut einsehen, so dass eine zielgenaue Positionierung vereinfacht wird.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn das Handgerät zumindest eine, insbesondere drei, ebene Grifffläche(n) aufweist, an der (denen) das Handgerät vom Bediener geführt werden kann. Dadurch wird die Ergonomie bei der Benutzung verbessert. Außerdem können die Griffflä chen als Orientierungshilfe bei der Positionierung des Handgeräts in einem bestimmten Relativwinkel helfen.
Das Gehäuse kann wahlweise auch Positionierhilfen, beispielsweise mechanische Anschlagflächen, aufweisen, um die Vorrichtung zu unterschiedlichen Zeitpunkten und mit hoher Wiederholgenauigkeit an der gleichen Messstelle eines zu untersuchenden Objekts zu positionieren.
Um die Handhabung des Handgeräts entsprechend weiter zu verbessern, kann dieses Handgerät mit einer zweiten Bedieneinheit, beispielsweise einem Industrie-PC, verbunden werden. Auf dieser wird dann ein Teil der Steuer- und Auswerteeinheit realisiert, so dass dieser Teil dann am Handgerät entfallen kann. Weiterhin kann dann auch die Stromversorgung des Handgeräts über die zweite Bedieneinheit realisiert werden.
Eine weitere Verbesserung der Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn zwischen Handgerät und der zweiten Bedieneinheit eine drahtlose Datenübertragungsstrecke vorhanden ist. Auf diese Weise kann das ansonsten erforderliche Verbindungskabel zwischen Handgerät und Bedieneinheit entfallen.
Daneben kann im Handgerät eine kabellose Energieversorgung, insbesondere eine Batterie, vorgesehen sein, um auch die Energieversorgung ohne störendes Versorgungskabel zu realisieren.
Um Fehlfunktionen und Missbrauch vorzubeugen, kann in das Handgerät eine Hardwarekomponente, ein so genannter Dongle (Kopierschutzstecker), eingebaut werden. Diese Hardwarekomponente kann dann von dem auf der Bedieneinheit realisierten Teil der Steuer- und Auswerteeinheit als Berechtigungskontrolle abgefragt werden. Nur bei eindeutiger Identifizierung eines berechtigten Dongles wird die Funktion der zweiten Bedieneinheit dann frei geschaltet.
Weiter können am Handgerät ein oder mehre Displays und/oder ein oder mehrere Bedienelemente, beispielsweise Schalter, vorgesehen sein.
Zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten kann der Vorrichtung zusätzlich zumindest eine Durchlichtquelle zugeordnet sein, mit der das zu untersuchende Oberflächensegment durchleuchtet werden kann. Das Durchlicht wird dabei mit dem gleichen Lichtsensor wie das reflektierte Licht aufgenommen. Im Ergebnis wird es dadurch möglich, dass das topographisch und/oder visuell untersuchte Oberflächensegment ohne eine Verschiebung der Messvorrichtung sogleich auch im Durchlicht untersucht wird, um beispielsweise die Marmorierung einer Papierbahn zu erfassen. Die mit der Durchlichtbeleuchtung erfassten Messdaten und die Messdaten der topographischen Untersuchung, bei der das gleiche Oberflächensegment mit den im schrägen Einfallswinkel angeordneten Lichtquellen beleuchtet wird, können auf diese Weise zueinander in Beziehung gesetzt und weiter Untersuchungsschlüsse gezogen werden. Denn das Oberflächensegment der topographischen Untersuchung und das im Durchlicht untersuchte Oberflächensegment entsprechen einander und werden in gleicher Größe, im gleichen Maßstab und in gleicher Auflösung mit dem gleichen Lichtsensor erfasst. Beide Messungen unterscheiden sich nur durch die Art der Beleuchtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Grundüberlegung, dass eine genaue Messung des zu untersuchenden Oberflächensegments eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung erfordert. Je weiter die Anforderungen im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung jedoch nach oben getrieben werden, um so ein höherer gerätetechnischer Aufwand ist erforderlich, um die Lichtquellen zu realisieren. Die gleichmäßige Ausleuchtung des zu untersuchenden Oberflächensegments ist dabei insbesondere auch dann von großer Bedeutung, wenn das zu untersuchende Material eine Vorzugsrichtung aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren dient dazu, den gerätetechnischen Aufwand dadurch zu minimieren, dass eine zumindest geringfügige Ungleichmäßigkeit der Ausleuchtung zwar akzeptiert wird, diese Ungleichmäßigkeit jedoch als bekannte Störgröße erfasst und als Korrekturwert berücksichtigt wird. Die Kalibrierung erfolgt dabei in folgenden Schritten:

a) Präsentation eines Kalibrierwerkstücks mit definierten, einheitlichen und bekannten Oberflächeneigenschaften.
b) Beleuchtung eines Oberflächensegments des Kalibrierwerkstücks mit den vorhandenen Lichtquellen.
c) Erfassung des am Oberflächensegment des Kalibrierwerkstücks reflektierten Lichts mit dem Lichtsensor.
d) Differenzbildung zwischen dem am Kalibrierwerk gemessenen Ist-Reflexionswert und dem aufgrund der bekannten Oberflächeneigenschaften des Kalibrierwerkstücks zu erwartenden Soll-Reflexionswert.
e) Speicherung des Differenzwerts als Korrekturwert für nachfolgende Untersuchungen. Selbstverständlich können verfahrensabhängig auch mehrere Differenzwerte erfasst werden.

Welche Art von Kalibrierwerkstück Verwendung findet, ist grundsätzlich beliebig. Als besonders geeignet haben sich helle Keramikkörper für diesen Verwendungszweck erwiesen.
Um die Genauigkeit der Kalibrierung zu erhöhen, kann das zu untersuchende Oberflächensegment zudem in mehrere Teilbereiche aufgeteilt werden. Für jeden dieser Teilbereiche kann dann ein separater Korrekturwert durch Differenzwertbildung ermittelt und gespeichert werden.
Diese Korrekturwerte, bei denen es sich durchaus um eine Vielzahl von Werten handelt, können in einer Korrekturmatrix, beispielsweise einer inversen Intensitätskorrekturmatrix, gespeichert werden.
Die Kalibrierung kann in einem zweiten Verfahrensschritt noch dahingehend erweitert werden, dass:

a) ein Kalibrierwerkstück mit einer definierten und bekannten Höhenstruktur, beispielsweise einer Vertiefung mit bekannter Geo metrie, präsentiert wird. Diese Höhenstruktur des Kalibrierwerkstücks wird mit den Lichtquellen beleuchtet und
b) das dabei an der Höhenstruktur reflektierte Licht mit dem Lichtsensor erfasst.

Aus dem gemessenen Ist-Reflexionswert und der bekannten Höhenstruktur des Kalibrierwerkstücks wird anschließend ein Korrelationsfaktor abgeleitet und

c) der Korrelationsfaktor für nachfolgende Untersuchungen gespeichert.

Bei der Ermittlung des Korrelationsfaktors sollte die Höhenstruktur des Kalibrierwerkstücks nach Möglichkeit aus unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen, insbesondere aus drei Beleuchtungsrichtungen, beleuchtet werden, um wiederum Verfälschungen durch Vorzugsrichtungen im Material zu vermeiden.
Weiterhin kann nach einer bevorzugten Verfahrensvariante auch der unter Einsatz der Übersichtsbeleuchtung erfasste visuelle Eindruck kalibriert werden.
Zwei Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt;
2 die Vorrichtung gemäß 1 im Querschnitt;
3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt;
4 die Vorrichtung gemäß 2 mit zusätzlicher Durchlichtquelle.
In 1 ist eine Vorrichtung 01 zur berührungsfreien Untersuchung der Oberflächengestalt eines Gegenstands im Längsschnitt dargestellt. Die Vorrichtung 01 umfasst ein transportables Gehäuse 02 mit einem Grundkörper 03 und einem Gehäusedeckel 04. Auf der Oberseite des Gehäusedeckels 04 können Displays und Bedienelemente angeordnet werden.
Das Gehäuse 02 ist in der Art eines Handgeräts ausgebildet und muss zur Vervollständigung der Vorrichtung 01 mit einem Verbindungskabel 05 an einen nicht dargestellten Industrie-PC angeschlossen werden. Über das Verbindungskabel 05 werden Daten ausgetauscht und die Stromversorgung der Vorrichtung 01 realisiert. Alternativ dazu kann die Datenverbindung zwischen Gehäuse 02 und Industrie-PC auch mit einer drahtlosen Datenübertragung realisiert sein. In diesem Fall ist an der Vorrichtung 01 eine eigene Stromversorgung, beispielsweise eine Batterie, vorzusehen.
In den lichtdichten Grundkörper 03 des Gehäuses 02 sind drei Lichtquellen 06 eingebaut, die nach Anordnung des Gehäuses 02 mit einer ebenen Auflagefläche 18 auf dem zum untersuchenden Oberflächensegment mit ihren optischen Strahlenachsen 07 im definierten schrägen Einfallswinkel relativ zum zu untersuchenden Oberflächensegment ausgerichtet sind. Das zu untersuchende Oberflächensegment wird dabei unterhalb einer Beleuchtungsöffnung 08 angeordnet. Das am zu untersuchenden Oberflächensegment reflektierte Licht wird mit einem Lichtsensor 09 erfasst. Der Lichtsensor 09 kann dabei beispielsweise in der Art eines Matrix-CCD-Chips ausgebildet sein. Durch Auswertung der mit dem Lichtsensor 09 aufgenommenen Messwerte kann die Oberflächengestalt des zu untersuchenden Oberflächensegments ermittelt werden. Das Handgerät 02 weist seitlich der Auflagefläche 18 einen Gehäuserücksprung 19 auf, um dem Bediener die Positionierung der Auflagefläche 18 zu erleichtern.
Wie aus 2 ersichtlich, beinhaltet die Vorrichtung 01 drei Lichtquellen 06. Außerdem beinhaltet die Vorrichtung 01 noch drei Lichtquellen 10, die in der Art von Übersichtslichtquellen ausgebildet sind und gemeinsam eine Übersichtsbeleuchtung realisieren. Die optischen Strahlenachsen 07 der drei Lichtquellen 06 verlaufen jeweils in einem schrägen Einfallswinkel α von circa 70° relativ zum zu untersuchenden Oberflächensegment. Außerdem verlaufen die optischen Strahlenachsen 07 der drei Lichtquellen 06 jeweils in Bezugsebenen, die lotrecht auf dem zu untersuchenden Oberflächensegment stehen. Diese drei Bezugsebenen sind dabei mit Zwischenwinkeln β von jeweils 120°, d. h. also mit äquidistanten Zwischenwinkeln, im Gehäuse 02 angeordnet. Im Ergebnis schneiden sich somit die Bezugsebenen in einer Kreuzungslinie, die koaxial zur optischen Achse 11 des Lichtsensors 09 verläuft.
Um das zu untersuchende Oberflächensegment bei der Messung mit parallelisiertem Licht bestrahlen zu können, sind in den Lichtquellen 06 jeweils Leuchtdioden 12 als Leuchtmittel vorgesehen, wobei das von den Leuchtdioden 12 abgestrahlte Licht durch ein Linsensystem aus zwei Linsen 13 und 14 auf das zu untersuchende Oberflächensegment fällt. Beim Durchgang durch die Linsen 13 und 14 wird das von der Leuchtdiode 12 abgestrahlte Licht weitgehend parallelisiert.
Die zur Steuerung der Lichtquellen 06, 10 und des Lichtsensors 09 erforderliche Steuerung ist auf einer Elektronikplatine 15 realisiert. Teil dieser Elektronikplatine 15 ist auch ein Dongle 16, der bei Anschluss des Handgerätes an einen Industrie-PC mittels des Verbindungskabels 05 als Berechtigungskontrolle abgefragt werden kann.
Um das Handgerät 02 leicht in einer gewünschten Orientierung positionieren zu können, ist eine ebene Grifffläche 20 am Umfang des Handge räts 02 vorgesehen, die vom Bediener mit den Fingern ergriffen werden kann.
In 3 ist eine zweite Ausführungsform 17 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung 17 unterscheidet sich von der Vorrichtung 01 im Wesentlichen nur durch den Einfallswinkel α, der bei der Vorrichtung 17 ungefähr 30° beträgt.
Die übrigen Bauteile der Vorrichtung 17 sind im Wesentlichen identisch mit der Vorrichtung 01.
In 4 ist die Vorrichtung 17 mit zusätzlicher Durchlichtquelle 21, die in der Art eines Durchleuchttisches ausgebildet ist, dargestellt. Unter einer transparenten Platte 22 sind mehrere Leuchtmittel 22 auf einer Tischplatte 23 angeordnet. Das zu untersuchende Objekt, nämlich eine Papierbahn 24, wird zwischen Durchlichtquelle 21 und Vorrichtung 17 angeordnet, so dass neben der topographischen Untersuchung und der Erfassung des visuellen Eindrucks zusätzlich auch eine Durchlichtuntersuchung vorgenommen werden kann.

01: Vorrichtung
02: Gehäuse
03: Gehäusegrundkörper
04: Gehäusedeckel
05: Verbindungskabel
06: Lichtquelle
07: Optische Strahlachse
08: Beleuchtungsöffnung
09: Lichtsensor
10: Lichtquelle (Übersichtsbeleuchtung)
11: Optische Achse (Lichtsensor)
12: Leuchtdiode
13: Linse
14: Linse
15: Elektronikplatine
16: Dongle
17: Vorrichtung
18: Auflagefläche
19: Gehäuserücksprung
20: Grifffläche
21: Durchlichtquelle
22: transparenten Platte
23: Tischplatte
24: Papierbahn

Claims

Vorrichtung (01, 17) zur Untersuchung eines Gegenstandes, insbesondere hinsichtlich dessen Oberflächengestalt, – mit einem transportablen Gehäuse (02), das über dem zu untersuchenden Oberflächensegment des Gegenstandes insbesondere von Hand positioniert werden kann, – mit zumindest drei Lichtquellen (06), die mit ihren optischen Strahlachsen (07) im schrägen Einfallswinkel relativ zum zu untersuchenden Oberflächensegment ausgerichtet sind, – wobei die Lichtquellen (07) innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und das zu untersuchende Oberflächensegment durch eine Beleuchtungsöffnung (08) im Gehäuse (02) beleuchten können, – mit zumindest einem Lichtsensor (09), zur Erfassung des am zu untersuchenden Oberflächensegment reflektierten Lichts, – mit einer Steuer- und Auswerteeinheit, die mit den Lichtquellen (06) und dem Lichtsensor (09) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (06) derart angeordnet sind, dass ihre optischen Strahlachsen (07) in jeweils unterschiedlichen, nicht parallelen Bezugsebenen verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlachsen (07) der Lichtquellen (06) mit einem schrägen Einfallswinkel (α) im Bereich von 70° bis 10° relativ zum zu untersuchenden Oberflächensegment ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsebenen jeweils lotrecht relativ zum zu untersuchenden Oberflächensegment ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bezugsebenen in einer Kreuzungslinie kreuzen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strahlachsen (07) der Lichtquellen (06) in einem Kreuzungspunkt auf dem zu untersuchenden Oberflächensegment kreuzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsebenen mit äquidistantem Zwischenwinkel (β) angeordnet sind, insbesondere dass drei Bezugsebenen jeweils mit einem Zwischenwinkel von 120° angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen das zu untersuchende Oberflächensegment mit Licht beleuchten, das einen parallelen Strahlengang aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leuchtmittel (12) der Lichtquelle (06) und dem zu untersuchenden Oberflächensegment zumindest ein Optikelement (13, 14) angeordnet ist, wobei das vom Leuchtmittel (12) abgestrahlte Licht vom Optikelement (13, 14) parallelisiert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Optikelement als Linse oder als Linsensystems (13, 14) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel der Lichtquelle (06) als Leuchtdiode (12) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (11) des Lichtsensors (09) lotrecht relativ zum zu untersuchenden Oberflächensegment ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (11) des Lichtsensors (09) und die Kreuzungslinie der Bezugsebenen koaxial verlaufend angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen Licht mit jeweils unterschiedlicher Lichtfarbe abstrahlen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (06) Licht mit weißer Lichtfarbe und/oder Infrarotlicht und/oder Ultraviolettlicht abstrahlen, wobei der Lichtsensor (09) die unterschiedlichen Lichtfarben detektieren kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (01, 17) zumindest eine Übersichtslichtquelle (10) mit steilem Einfallswinkel aufweist, mit der eine Übersichtsbeleuchtung des zu untersuchenden Oberflächensegments zur Erfassung des visuellen Eindrucks mit dem Lichtsensor (09) realisierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersichtslichtquelle (10) eine andere Beleuchtungscharakteristik als die drei im schrägen Einfallswinkel angeordneten Lichtquellen (06) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (02) als Handgerät ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Handgerät (02) abgesehen von der Beleuchtungsöffnung (08) lichtdicht ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Handgerät (02) eine definierte Auflagefläche (18) aufweist, mit der das Handgerät (02) in definierter Lage auf dem zu untersuchenden Oberflächensegment zur Anlage bringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Handgerät (02) seitlich der Auflagefläche (18) einen Gehäuserücksprung (19) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Handgerät (02) zumindest eine ebene Grifffläche(n) aufweist, an der (denen) das Handgerät (02) vom Bediener geführt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Handgerät (02) mit einer zweiten Bedieneinheit, insbesondere einem Industriecomputer, verbunden ist, wobei zumindest ein Teil der Steuer- und Auswerteeinheit und/oder die Stromversorgung des Handgeräts (02) auf der zweiten Bedieneinheit realisiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Handgerät (02) der zweiten Bedieneinheit eine drahtlose Datenübertragungsstrecke vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Handgerät (02) eine kabellose Energieversorgung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in das Handgerät (02) eine Hardwarekomponente eingebaut ist, wobei der auf der Bedieneinheit realisierte Teil der Steuer- und Auswerteeinheit den Anschluss dieser Hardwarekomponente (16) als Berechtigungskontrolle abfragen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Handgerät (02) zumindest ein Display und/oder ein Bedienelement aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung zumindest eine Durchlichtquelle (21) zugeordnet ist, mit der das zu untersuchende Oberflächensegment durchleuchtet werden kann, wobei das Durchlicht mit dem Lichtsensor (09) aufgenommen wird.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung (01, 17) zur berührungsfreien Untersuchung eines Gegenstandes, insbesondere hinsichtlich dessen Oberflächengestalt, – mit zumindest drei Lichtquellen (06), die mit ihrer optischen Strahlachse (07) im schrägen Einfallswinkel relativ zum untersuchenden Oberflächensegment ausgerichtet sind, – wobei die Lichtquellen (06) das zu untersuchende Oberflächensegment während der Untersuchung beleuchten, – wobei während der Untersuchung mit einem Lichtsensor (09) das am zu untersuchenden Oberflächensegment reflektierte Licht erfasst wird, – wobei mit einer Steuer- und Auswerteeinheit die vom Lichtsensor (09) erfassten Messdaten ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (01, 17) vor der Untersuchung in folgenden Schritten kalibriert wird: a) Präsentation eines Kalibrierwerkstücks mit definierten, einheitlichen und bekannten Oberflächeneigenschaften, b) Beleuchtung eines Oberflächensegments des Kalibrierwerkstücks mit den Lichtquellen (06), c) Erfassung des am Oberflächensegment des Kalibrierwerkstücks reflektierten Lichts mit dem Lichtsensor (09); d) zumindest eine Differenzbildung zwischen dem am Kalibrierwerkstück gemessenen Ist-Reflektionswert und dem aufgrund der bekannten Oberflächeneigenschaften des Kalibrierwerkstücks zu erwartenden Soll-Reflektionswert, e) Speicherung des zumindest einen Differenzwerts als Korrekturwert für nachfolgende Untersuchungen.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass als Kalibrierwerkstück ein heller Keramikkörper verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass das zu untersuchende Oberflächensegment in mehrere Teilbereiche aufgeteilt ist, wobei für jeden Teilbereich ein separater Korrekturwert durch Differenzwertbildung ermittelt und gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturwerte in einer Korrekturwertmatrix, gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (01, 17) vor der Untersuchung zusätzlich in folgenden Schritten kalibriert wird: a) Präsentation eines Kalibrierwerkstücks mit einer definierten und bekannten Höhenstruktur, b) Beleuchtung der Höhenstruktur des Kalibrierwerkstücks mit den Lichtquellen (06), c) Erfassung des an der Höhenstruktur des Kalibrierwerkstücks reflektierten Lichts mit dem Lichtsensor (09); d) Ermittlung des Korrelationsfaktors zwischen dem am Kalibrierwerkstück gemessenen Ist-Reflektionswert und dem aufgrund der bekannten Höhenstruktur des Kalibrierwerkstücks bekannten Höhenwert, e) Speicherung des Korrelationsfaktors für nachfolgende Untersuchungen.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Korrelationsfaktors die Höhenstruktur des Kalibrierwerkstücks aus unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen, beleuchtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (01, 17) vor der Untersuchung zusätzlich in folgenden Schritten kalibriert wird: a) Präsentation eines Kalibrierwerkstücks mit einer definierten und bekannten Farbstruktur und/oder Helligkeitsstruktur, b) Beleuchtung des Kalibrierwerkstücks mit der Übersichtslichtquelle (10), c) Erfassung des am Oberflächensegment des Kalibrierwerkstücks reflektierten Lichts mit dem Lichtsensor (09); d) zumindest eine Differenzbildung zwischen der am Kalibrierwerkstück gemessenen Ist-Farbstruktur und/oder Ist-Helligkeitsstruktur und der aufgrund der bekannten Oberflächeneigenschaften des Kalibrierwerkstücks zu erwartenden Soll-Farbstruktur und/oder Soll-Helligkeitsstruktur, e) Speicherung des zumindest einen Differenzwerts als Korrekturwert für nachfolgende Untersuchungen.