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Die
Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Erfassen der Oberfläche oder
Teile der Oberfläche
von dreidimensional ausgedehnten Objekten mittels eines optischen
Sensors, wobei der Sensor einen sich quer zu der optischen Achse
des Sensors erstreckenden Messbereich aufweist und wobei sich das
zu erfassende Objekt zumindest teilweise im Messbereich des Sensors
befindet. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren.
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Es
besteht häufig
die Notwendigkeit, die Oberfläche
oder Teile der Oberfläche
von Objekten zu erfassen. Dabei wird die Struktur der Oberfläche, die
Farbe, der Farbverlauf oder andere Eigenschaften der Oberfläche mit
einem optischen Sensor erfasst. Meist werden die Ergebnisse der
Erfassung in digitale Form umgewandelt, geeignet nachbearbeitet und
abgespeichert. Die Erfassung kann den verschiedensten Zwecken dienen.
So kann das Bestimmen des Profils der Oberfläche, das Erkennen einzelner
Strukturen auf oder in der Oberfläche, das Vermessen der Dimension
des Objekts, das Erkennen von Produktionsfehlern oder dergleichen
im Vordergrund stehen.
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Insbesondere
das Erkennen von Produktionsfehlern ist im industriellen Kontext
von großer
Bedeutung. Bei Erkennen eines Fehlers können fehlerhafte Teile frühzeitig
in einer Fertigungskette ausgesondert oder einer Nachbearbeitung
zugeführt
werden, bevor die Fehler beispielsweise in späteren Fertigungsschritten zu
hohen Kosten oder Produktionsausfällen führen. Problematisch bei derartigen
Einsatzbedingungen ist, dass die Erfassung schnell und äußerst zuverlässig Informationen
liefern muss, ohne die Fertigung zu behindern und hohe Kosten der
Fertigungsanlage hervorzurufen. Beispielsweise bei der Herstellung
von Rohren, Profilstäben
oder Stranggut wird das Erzeugnis mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit
an dem Sensor vorbeibewegt. Dies erfordert eine möglichst
zeitgleiche Erfassung der Oberfläche
an verschiedenen Stellen um den Umfang des Objekts herum.
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Aus
der Praxis bekannte Ansätze
zur Erfassung der Oberfläche,
bei denen ein Sensor entlang der Oberfläche des zu erfassenden Objekts
bewegt wird und die Oberfläche
sukzessive abscannt, sind in diesen Fällen nicht anwendbar. Daher
besteht die Notwendigkeit, mehrere Sensoren geschickt zu platzieren,
um möglichst
die gesamte Oberfläche
oder zumindest die interessanten Teile der Oberfläche gleichzeitig
erfassen zu können.
Hier werden häufig vier
und mehr Sensoren um das abzu tastende Objekt angeordnet und deren
Messergebnisse in einer Signalverarbeitung zu einem Gesamtbild der
Oberfläche des
Objekts zusammengeführt.
Die Anzahl der verwendeten Sensoren ist im Allgemeinen von der Komplexität der abzutastenden
Oberfläche
abhängig.
Je komplizierter die Oberfläche
ausgestaltet ist, desto mehr Sensoren werden notwendig. Da die in
diesem Zusammenhang eingesetzten optischen Sensoren vergleichsweise
teuer sind, entstehen erhebliche Kosten beim Aufbau der Fertigungsanlagen.
Zudem muss für
jeden Sensor die entsprechende Hardware zum Ansteuern des Sensors
und zur Signalverarbeitung zur Verfügung stehen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung
der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden,
dass die Oberfläche
oder Teile der Oberfläche
von dreidimensional ausgedehnten Objekten auch bei dem Erfassen
der Oberfläche über den
gesamten Umfang möglichst
kostengünstig
und bei einfacher Konstruktion der Messanordnung erreicht werden
kann. Ein entsprechendes Verfahren, insbesondere zum Betreiben einer
derartigen Messanordnung, soll angegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird die
voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach
ist die in Rede stehende Messanordnung derart weitergebildet, dass
die Messanordnung eine Spiegelanordnung mit einem oder mehreren Spiegeln
umfasst, wobei der/die Spiegel der Spiegelanordnung derart angeordnet
sind, dass ein Teil des Messbereichs, der das zu erfassende Objekt
ungenutzt passiert, durch den/die Spiegel auf die Oberfläche des
zu erfassenden Objekts gelenkt wird.
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In
verfahrensmäßiger Hinsicht
wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs
12 gelöst.
Danach ist das in Rede stehende Verfahren dadurch gekennzeichnet,
dass ein Teil des Messbereichs, der das zu erfassende Objekt ungenutzt
passiert, mittels einer Spiegelanordnung auf die Oberfläche des
zu erfassenden Objekts gelenkt wird und dadurch nicht direkt erfassbare
Teile des Objekts erfassbar werden.
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In
erfindungsgemäßer Weise
ist zunächst
erkannt worden, dass insbesondere beim Einsatz von vier und mehr
Sensoren in vielen Anwendungsfällen lediglich
ein gerin ger Teil des Messbereichs der einzelnen Sensoren quer zu
deren optischer Achse genutzt wird. In erfindungsgemäßer Weise
ist ferner erkannt worden, dass gerade dieser üblicherweise als negativ empfundene
Effekt bei der Verbesserung der Messanordnung genutzt werden kann.
Dazu sind lediglich einfache konstruktive Maßnahmen notwendig. Es wird
nämlich
erfindungsgemäß zu der
Messanordnung eine Spiegelanordnung mit einem oder mehreren Spiegeln
hinzugefügt,
mit der der Teil des Messbereichs, der das zu erfassende Objekt
ungenutzt passiert, nutzbar gemacht wird. Die Spiegel sind dabei
derart angeordnet, dass der sonst ungenutzt passierende Teil des
Messbereichs auf die Oberfläche
des zu erfassenden Objekts reflektiert wird. Dadurch wird bei geeigneter
Anordnung des/der Spiegel die gleichzeitige Erfassung weiterer Bereiche
der Oberfläche,
die sonst nicht erfassbar waren, mit nur einem Sensor ermöglicht.
Dies hat zur Folge, dass auf einfachste Art und Weise die zur Erfassung
einer Oberfläche
oder eines gewünschten Teils
einer Oberfläche
notwendige Anzahl von Sensoren reduziert werden kann. Voraussetzung
ist, dass der optische Sensor derart angeordnet ist, dass das zu
erfassende Objekt lediglich einen Teil des Messbereichs des Sensors
quer zur optischen Achse des Sensors nutzt. Dies stellt in vielen
Anwendungsfällen
jedoch keine echte Einschränkung
dar.
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Prinzipiell
legt die erfindungsgemäße Messanordnung
keine Einschränkungen
auf, wie das Verhältnis
zwischen direkt genutztem Messbereich und über die Spiegelanordnung genutztem
Messbereich sein muss. In vielen Fällen wird das Verhältnis derart
gewählt
sein, dass im Bereich von 40 bis 70% des Messbereichs eine direkte
Erfassung des Objekts durchgeführt
wird. Allerdings können
auch höhere
und niedrigere Prozentzahlen sinnvoll sein. So kann es bei besonders
ausgestalteten zu erfassenden Objekten sinnvoll sein, die Oberfläche möglichst senkrecht
zu erfassen. Dies kann durch die erfindungsgemäße Messanordnung dadurch erreicht werden,
dass lediglich ein sehr geringer Anteil des verfügbaren Messbereiches zur direkten
Erfassung der Oberfläche
genutzt wird, während
ein weitaus größerer Anteil
zur Erfassung der Oberfläche über die
Spiegelanordnung genutzt wird.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem in der erfindungsgemäßen Messanordnung eingesetzten Sensor
um einen Abstandssensor. Dieser kann zur Erfassung von zwei- oder
dreidimensionalen Daten ausgebildet sein. Vorzugsweise arbeitet
der Sensor nach dem Lichtschnittverfahren, bei dem eine möglichst
schmale und helle Linie auf das zu erfassende Projekt projiziert
wird und der an der Oberfläche
reflektierte Lichtstrahl durch ein Detektorarray detektiert wird.
Aus der Verschiebung der Linie in dem detektierten Bild kann auf
die dreidimensionale Beschaffenheit der Oberfläche geschlossen werden. Statt
dieser so genannten Linientriangulatoren können jedoch auch andere Abstandssensoren
verwendet werden. Lediglich beispielhaft sei auf konfokale, konfokal-chromatisch
messende und Autofokussysteme hingewiesen. Dabei kann die Erfassung
der Oberfläche
sowohl punktweise als auch entlang einer beliebig gearteten Linie
oder Fläche
erfolgen. Gleichzeitig kann eine Erfassung sowohl mit als auch ohne Verschiebung
des Sensors oder des zu erfassenden Objekts relativ zueinander erfolgen.
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Der
Sensor weist einen optoelektrischen Detektor auf, der als Zeilendetektor
oder Matrixdetektor ausgebildet sein kann. Der Detektor kann als
einfache Fotodiodenzeile ausgebildet sein, könnte jedoch auch eine CCD-Kamera
umfassen. Prinzipiell sind sämtliche
aus der Praxis bekannten optoelektrischen Detektoren einsetzbar.
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Vorzugsweise
ist eine Beleuchtungseinrichtung vorhanden, die die zu erfassende
Oberfläche beleuchtet.
Diese Beleuchtungseinrichtung kann durch die verschiedensten aus
der Praxis bekannten Lichtquellen realisiert sein. Lediglich beispielhaft
sei auf die Verwendung eines Laserlinienprojektors, eines Punktlasers,
einer Halogenlampe, einer Xenonlampe oder LEDs verwiesen. Im Allgemeinen
wird die Beleuchtungsquelle in Abhängigkeit des verwendeten Messverfahrens
ausgewählt
werden. Bei dem zuvor beschriebenen, nach dem Linienschnittverfahren arbeitenden
Abstandssensor umfasst die Beleuchtungseinrichtung beispielsweise
einen Linienlaserprojektor und ist integraler Bestandteil des Sensorsystems.
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Der
Sensor könnte
bereits von sich aus einen sich quer zu seiner optischen Achse erstreckenden
Messbereich aufweisen. Allerdings könnte diese Ausdehnung des Messbereichs
auch durch geeignete Maßnahmen
erreicht werden. Beispielhaft sei auf die Verwendung einer Linse,
eines Linsensystems oder einer Umlenkvorrichtung, die beispielsweise
einen die Oberfläche
abtastenden Laserlichtstrahl über die
Oberfläche
des zu erfassenden Gegenstands führt,
verwiesen. Andererseits könnte
die Ausdehnung des Messbereichs auch durch Bewegung des Sensors
quer zu dessen optischer Achse erzielt werden. Je nach gewünschter
Geschwindigkeit, mit der die Informationen durch den Sensor gewonnen
werden sollen, wird hier ein geeignetes Mittel zu wählen sein.
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Zum
Erreichen eines ausreichend großen Messbereichs
in Richtungen längs
der optischen Achse könnte
dem Sensor eine geeignete Optik, beispielsweise eine telezentrische
Optik, nachgeschaltet sein.
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Neben
einer Ausgestaltung des Sensors als Abstandssensor sind weitere
Ausgestaltungen des Sensors möglich.
Lediglich beispielhaft sei auf die Verwendung einer CCD-/CMOS-Kamera
mit zugeordneter Beleuchtungseinrichtung verwiesen, die die Farbe
und/oder Struktur des Objekts erfasst. Auch hier kann durch die
erfindungsgemäße Messanordnung
der gleichzeitig abtastbare Bereich der Oberfläche vergrößert werden.
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Die
eingesetzten Spiegel könnten
die verschiedensten geometrischen Ausgestaltungen aufweisen. In
der einfachsten Form ist die Oberfläche des Spiegels plan. Dadurch
wird eine Rekonstruktion der Oberfläche besonders einfache erfolgen
können. Allerdings
könnten
die Spiegel auch aus Ausschnitten aus Kugeln, Zylindern, Ellipsoiden,
Hyperboloiden oder dergleichen bestehen. Die Wahl einer geeigneten
Spiegeloberfläche
wird im Allgemeinen von der Anwendungssituation abhängen.
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Besteht
die Spiegelanordnung aus mehreren Spiegeln, so müssen nicht alle Spiegel auf
gleiche Art und Weise ausgeführt
sein. Vielmehr ist es möglich, dass
verschieden ausgestaltete Spiegel in einer Spiegelanordnung Verwendung
finden.
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Darüber hinaus
könnte
zur Lenkung des Messbereichs auf die Oberfläche auch eine Reihe von mehreren
Spiegeln in Folge eingesetzt werden. Ein erster Spiegel könnte demnach
den Messbereich nicht auf die Oberfläche des Objekts sondern stattdessen
auf einen zweiten Spiegel lenken. Dieser könnte dann den Messbereich auf
das Objekt selbst oder einen weiteren Spiegel lenken.
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Die
Spiegel können
ebenso durch die verschiedensten reflektierenden Oberflächen gebildet sein.
So können
metallisierte Glasflächen
ebenso Verwendung finden wie hochfein polierte Metalloberflächen. Hierzu
sind prinzipiell sämtliche
aus der Praxis bekannten Techniken einsetzbar.
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Zum
Erzielen einer möglichst
flexiblen Messanordnung könnten
die Spiegel bewegbar ausgestaltet sein. Diese Bewegung könnte translatorisch, rotatorisch
oder als eine Kombination von beiden erfolgen. Die Rotations- und
Translationsachsen können
relativ beliebig orientiert sein. Durch die Bewegbarkeit der Spiegel
kann die Messanordnung an das jeweils zu erfassende Objekt angepasst
werden. Die Anpassung könnte
auch während
des Messvorgangs erfolgen. Die Bewegung der Spiegel kann dabei manuell
oder automatisch erfolgen. Bei einer automatischen Verstellung der
Spiegel könnte
die Bewegung durch ein Steuergerät
gesteuert werden. Dadurch könnte
eine nachvollziehbare Veränderung
der Spiegellage und Position gewährleistet
werden.
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Zur
Erfassung des gesamten zu erfassenden Bereichs könnten die Messanordnung und
das zu erfassende Objekt relativ zueinander verschiebbar ausgestaltet
sein. Es ist dabei unbedeutend, ob eine Verschiebung der Messanordnung
oder des Objekts vorgenommen wird. Es wäre auch eine Bewegung sowohl
der Messanordnung als auch des Objekts denkbar. Auch die Richtung
der Bewegung ist prinzipiell unerheblich. Hier wird der jeweilige
Anwendungsfall entscheiden, welche Vorgehensweise sinnvoll ist.
Es wäre
zudem denkbar, dass die Messanordnung an einen Roboterarm angebracht
ist und im Bedarfsfall in Richtung des zu erfassenden Objekts geschwenkt
wird.
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Durch
die Verwendung der Spiegelanordnung zum Erfassen der Oberfläche oder
Teile der Oberfläche
eines Objekts enthält
ein durch den Sensor gewonnenes Bild verschieden zu interpretierende Anteile.
So sind Anteile vorhanden, die die Oberfläche selbst wiedergeben. Diese
resultieren aus der direkten Erfassung der Oberfläche. Daneben
sind jedoch auch Anteile vorhanden, deren Informationen erst nach
einer Nachbearbeitung eindeutig verwendbar sind. Diese Anteile resultieren
von der Erfassung der Oberfläche
unter Verwendung der Spiegelanordnung. Eine der Erfassung nachfolgende
Signalverarbeitung könnte
diese Anteile entsprechend trennen. Handelt es sich bei dem Sensor
um einen Abstandssensor, so wird sich der Wechsel zwischen den direkt und
den über
die Spiegelanordnung erfassten Bereichen in einem deutlichen Abstandssprung äußern. Dieser
Sprung kann dann zur Trennung der Bereiche verwendet werden. Zusätzlich oder
alternativ könnte Wissen über die
Geometrie der Messanordnung Verwendung finden. So ist es beispielsweise
möglich, dass
bei der Verwendung eines Abstandssensors das zu erfassende Objekt hinter
dem Spiegel erscheint. Dies äußert sich
darin, dass ein größerer Abstand
zwischen Sensor und Objekt bestimmt wird, als der Abstand zwischen
Sensor und Spiegel zulassen würde.
Ist der Abstand des Sensors von einer Spiegelfläche bekannt, kann diese Information
zum Trennen der Anteile des Sensorbildes genutzt werden. Da kein
Messobjekt hinter dem Spiegel erfasst werden kann, handelt es sich
um einen Anteil, der über
einen Spiegel erfasst wurde. Insbesondere bei der Verwendung anderer
Sensoren kann eventuell die Verwendung von Wissen über das
zu erfassende Objekt notwendig sein.
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Vor
einer Signalverarbeitung müssen
die Signale des Sensors gegebenenfalls durch einen Analog-Digital-Wandler
digitalisiert werden. Hierzu sind aus der Praxis die verschiedensten
Verfahren bekannt. Die Signalverarbeitung selbst könnte in
geeigneten Digitalrechnern vorgenommen werden. Dazu stehen ebenso
sämtliche
aus der Praxis bekannten Rechner zur Verfügung. Lediglich beispielhaft
sei auf den Einsatz von DSPs (Digitale Signalprozessor), Mikrocontroller,
FPGAs (Field Programmable Gate Array), CPLD (Complex Programmable
Logic Device), ASICs (Application Specific Integrated Circuit) oder Kombinationen
dieser Technologien hingewiesen. Allerdings könnte eine Signalverarbeitung
auch auf einem PC mit eventuell zusätzlicher Hardware durchgeführt werden.
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Aus
den durch den Sensor gewonnenen und eventuell aufbereiteten Informationen
könnten
verschiedene Informationen über
die Oberfläche
des abgetasteten Objekts rekonstruiert werden. So kann beispielsweise
unter Verwendung der geometrischen Ausgestaltung der Messanordnung
aus einem Abstandsbild des Sensors ein Gesamtprofil der Oberfläche errechnet
werden. Andererseits könnten
auch die Abmessungen des Objekts oder einzelner Bereiche des Objekts
bestimmt werden. Diese Abmessungen können beispielsweise die Dicke
des Objekts umfassen. Ferner könnten
die durch den Sensor gewonnenen Informationen dazu genutzt werden,
um bestimmte Stellen an dem Objekt zu finden. Diese Stellen können beispielsweise
Herstellungsfehler bei einem Objekt oder besondere Markierungen
umfassen.
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Ähnlich wie
bei den aus der Praxis bekannten Messanordnungen zum Erfassen der
Oberfläche eines
Objekts kann auch die erfindungsgemäße Messanordnung mehrfach eingesetzt
werden. So kann zur Erfassung eines Objekts entlang seines Umfangs
die Messanordnung mehrfach eingesetzt werden. Im Gegensatz zu den
aus der Praxis bekannten Anordnungen ist durch den vergrößerten durch
einen Sensor gleichzeitig erfassbaren Bereich auf der Oberfläche die
Zahl der benötigten
Sensoren erheblich reduzierbar. Durch die Reduzierung der benötigten Sensoren
reduziert sich auch die Anzahl der benötigten Steuergeräte zum Ansteuern
der einzelnen Sensoren sowie der notwendigen Zusatzgeräte wie beispielsweise
Analog-Digital-Wandler.
Auch die Signalnachbearbeitung kann rationeller und günstiger
erfolgen. Durch all diese Effekte reduziert sich verständlicherweise
auch die Baugröße der gesamten
Anordnung, wodurch die Anordnung beispielsweise wesentlich einfacher
in eine Fertigungsanlage einbaubar wird.
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Es
gibt nun verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und
12 jeweils nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die
nachfolgende Erläuterung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der
Erläuterung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In
der Zeichnung zeigen
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1 eine
erfindungsgemäße Messanordnung
zum Erfassen von Teilen der Oberfläche eines Objekts und
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2 eine
paarweise Verwendung einer Messanordnung gemäß 1 zur Erfassung
der Oberfläche
eines Objekts über
dessen gesamten Umfang.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Messanordnung 1 zur
Erfassung der Oberfläche 2 eines
Objekts 3 mittels eines Sensors 4. Der Sensor 4 weist
einen sich quer zu dessen optischer Achse 5 erstreckenden
Messbereich auf, dessen Randstrahlen durch die Lichtstrahlen 6 und 7 gegeben
sind. Ein weiterer Lichtstrahl 8 in dem Messbereich ist
in 1 zwischen den Randstrahlen 6, 7 dargestellt.
Lichtstrahl 8 charakterisiert den Lichtstrahl, der gerade noch
das Objekt 3 passiert. Die zwischen den Lichtstrahlen 7 und 8 gelegenen
Beleuchtungsstrahlen werden durch die Oberfläche 2 des Objekts 3 reflektiert
und treffen in einen Detektor des Sensors 4. Diese Lichtstrahlen
dienen also der direkten Erfassung der Oberfläche. Die Lichtstrahlen zwischen
den Lichtstrahlen 6 und 8 passieren das Objekt 3 und
wären bei
aus dem Stand der Technik bekannten Messanordnungen ungenutzt verloren.
In der erfindungsgemäßen Messanordnung
ist ein Spiegel 9 vorgesehen, der die passierenden Lichtstrahlen
wieder zurück
auf das Objekt 3 lenkt. Diese Beleuchtungslichtstrahlen
werden dann von der Oberfläche 2 des
Objekts 3 reflektiert und erneut über Spiegel 9 reflektiert. Von
hier gelangen sie in den Detektor des Sensors 4. Die zwischen
den Lichtstrahlen 6 und 8 gelegenen Lichtstrahlen
dienen also zur indirekten Erfassung der Oberfläche.
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1 lässt deutlich
erkennen, dass durch die erfindungsgemäße Messanordnung zum einen der
nicht genutzte Messbereich des Sensors nutzbar wird. Zum anderen
wird die sonst nicht erfassbare Unterseite des Objekts 3 erfassbar.
Aus den derart gewonnenen Informationen können Eigenschaften der Oberfläche 2 des
Objekts 3 rekonstruiert werden. So kann, wenn es sich bei
dem verwendeten Sensor 4 um einen Abstandssensor handelt,
das Profil der Oberseite und Unterseite des Objekts 3 rekonstruiert werden.
Andererseits kann aus den durch den Sensor 4 gewonnenen
Informationen die Dicke d des Objekts 3 bestimmt werden.
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2 zeigt
die Erfassung der Oberfläche 2 eines
Objekts 3 über
dessen gesamten Umfang. Das erfasste Objekt 3 kann beispielsweise
ein Rohr sein, das nach der Fertigung untersucht werden soll und sich
senkrecht zur Zeichenebene in 2 bewegt. Dazu
wird die Messanordnung gemäß 1 in
zweifacher Ausführung
eingesetzt, wobei die beiden Messanordnungen um 180° gedreht
sind. Ein Sensor 4.1 bzw. 4.2 beleuchtet wiederum
die Oberfläche 2 eines Objekts 3.
Die Lichtstrahlen beleuchten zu einem Teil das Objekt 3 direkt,
zu einem anderen Teil werden sie über einen Spiegel 9.1 bzw. 9.2 auf
die Oberfläche 2 des
Objekts 3 gelenkt.
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2 zeigt
deutlich, dass durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Messanordnung
die Oberfläche 2 des
Objekts 3 über
den gesamten Umfang erfassbar ist. Im Gegensatz zu der Verwendung üblicher
Messanordnungen kann durch die erfindungsgemäße Messanordnung die Anzahl
der verwendeten Sensoren auf zwei reduziert werden. Dennoch ist
der gesamte Umfang des Objekts 3 erfassbar.
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Schließlich sei
ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
lediglich zur Erörterung
der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel
einschränkt.