EP4680948A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der brechkraft eines optisch transparenten objekts - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der brechkraft eines optisch transparenten objekts

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Publication number
EP4680948A1
EP4680948A1 EP24711871.4A EP24711871A EP4680948A1 EP 4680948 A1 EP4680948 A1 EP 4680948A1 EP 24711871 A EP24711871 A EP 24711871A EP 4680948 A1 EP4680948 A1 EP 4680948A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
refractive power
viewing
deflection
windshield
Prior art date
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Pending
Application number
EP24711871.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Kubiak
Stefan Tasse
Marc-Andre THUROW
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Isra Vision GmbH
Original Assignee
Isra Vision GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Isra Vision GmbH filed Critical Isra Vision GmbH
Publication of EP4680948A1 publication Critical patent/EP4680948A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/958—Inspecting transparent materials or objects, e.g. windscreens
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the refractive power of an optically transparent object, in particular a disk-shaped object such as a glass pane, wherein the disk-shaped object can be flat or preferably curved according to claims 1 and 10.
  • the invention also relates to a preferred use of the method and/or the device for determining the refractive power of a windshield from any viewing angle according to claim 16.
  • the optical effect of flat glass with an uneven surface was described in Kerkhof, Optical Effects of Flat Glass with Uneven Surfaces, Glass Technical Reports, Issue 25, pages 71 to 83, Publisher of the German Glass Technical Society, Frankfurt (Main), 1952, assuming that the glass plate is a result of many glass prisms with very small wedge angles of the refraction plane for different angles of incidence of the line of sight on the basis of refractive geometric considerations.
  • the refraction plane is the plane in which the incident line of sight and the refracted line of sight lie.
  • the plane of refraction can be estimated for a given viewing direction of the transparent object and the refractive power can be determined.
  • this can cause inhomogeneities in the transparent object that can also lead to optical refraction independent of the local surface shape of the entry and exit surfaces of the transparent object.
  • determining the surface shape of the transparent object e.g. a pane of glass, especially a curved pane of glass such as a windshield of a motor vehicle, is very complex and time-consuming.
  • a possible iterative method for determining the surface shape of a plate or layer-like object is described in WO 2022/189327 A1.
  • An assumed surface shape is provided as the initial shape and a large number of measuring points are defined on the initial shape.
  • the spatial position of the measuring points is determined optically by irradiating the surface and detecting the reflected radiation. From deviations of the detected radiation in a measuring point from the radiation expected from the initial shape, an adapted surface shape is iteratively determined until the measurements agree with the expectations within an accuracy value.
  • the determined The surface shape is then used to simulate a refractive power distribution. Due to the known surface shape, the refractive power can then in principle also be determined from defined viewing directions.
  • Such methods are not suitable for optical quality control of optically transparent objects in an industrial production line due to the effort involved in the measurement method and the evaluation effort.
  • a known pattern is imaged through the transparent object and a distortion of the pattern caused by the object in the image is quantitatively evaluated.
  • the pattern can, for example, be a pattern of parallel lines with a defined line spacing.
  • the refractive power in this deflection direction can then be determined from the variation of the line spacing in a certain deflection direction, as described, for example, in DIN 52305 (determination of the deflection angle and the refractive index of safety panes for vehicle glazing).
  • the pattern can also consist of a regular arrangement of circles of known diameter, with a variation of the circle diameter being evaluated in at least one deflection direction (cf.
  • the object of the invention is to propose a possibility for determining the actual refractive power of an optically transparent object, for example a pane of glass such as a curved windshield of a motor vehicle, as accurately as possible when looking through the object in any direction, wherein the determination of the refractive power should be possible by measuring, in particular, the speed of a conventional production line for a transported object.
  • an optically transparent object for example a pane of glass such as a curved windshield of a motor vehicle
  • the method proposed according to the invention comprises in particular the following steps, which may also be carried out in another technically reasonable manner or sequence.
  • the refractive power map with the local refractive power values B[i] describes the refractive power for the entire measuring range of the object, whereby each refractive power value B[i] contains a value for the refractive power B(AH) in the first deflection direction and a value for the refractive power B(AV) of each further measured deflection direction.
  • a local refractive power value B[i] can be described or formed as a 2-tuple of the form [B[i](AH), B[i](AV)]. If there are more than two deflection directions, a corresponding n-tuple results for n deflection directions.
  • the local refractive power values B[i] indicate the actual real refractive power for a line of sight in the measurement direction, namely in a first and at least one second (different from the first) deflection direction.
  • the local refractive power values B[i] therefore describe a deflection in three-dimensional space and are not limited to a model-determined refractive plane.
  • the measured refractive power is also free of assumptions and models regarding the surface shape of the entry and exit planes of the transparent object. This is valid for every (local) surface shape of the object.
  • the refractive index n is the refractive index of the object against the air, which is known, for example, from tabular overviews or can be measured using measuring methods known to the expert and customary in the field.
  • Air represents the environment in which the measurement takes place. This can basically be any environment, particularly gaseous or liquid. For many typical applications, this will be normal ambient air.
  • the gain factor D can therefore also be described or formed as an n-tuple, corresponding to the local refractive power value B[i]. For a 2-tuple, the notation [DH, DV] results for the gain factor D.
  • the gain factor formed as an n-tuple therefore describes the refractive power from one viewing direction in each of the deflection directions.
  • the amplification factor D includes a value DH for the deflection in the deflection direction AH and a value DV for the deflection in the deflection direction DV. If there are several deflection directions AVi, several amplification factors DVi can be applied accordingly for several or all of the deflection directions AVi in order to determine the refractive power or deflection in each of the deflection directions AVi. This determines the refractive power for different deflection directions in three-dimensional space.
  • the refractive power B through the object can be determined and/or evaluated in any viewing direction BR (relative to the object) regardless of the measuring direction MR (relative to the object) in which the local refractive power values B[i] were determined.
  • This not only determines a two-dimensional deflection of a line of sight in a plane (the refraction plane) that is spanned by the direction of the line of sight and the deflection direction, but also a three-dimensional deflection of a line of sight incident on the object at any angle.
  • the method proposed according to the invention is not only easier and faster to carry out, but also enables a comprehensive optical evaluation of an object during production in a production line in which the object is transported through an optical measuring device and the entire measuring area of the object is scanned and the refractive power is determined from one measuring direction. Measurements from different directions can be carried out in a production line. After the measurement has been carried out, the optical evaluation can be carried out in a computing unit and the evaluation result can be output and/or saved.
  • the measuring area for which the refractive power is measured can be the entire object or a part of the object.
  • Each measuring surface is a sub-area of the object (in the sense of a local sub-area of the entire measuring area).
  • a value of the refractive power is determined by measurement in at least two deflection directions.
  • the individual local measuring areas together form the entire measuring area.
  • the measuring area is divided into local measuring areas, with the totality of all local measuring areas forming the measuring area of the object.
  • the local measuring area can be located at the position where the measuring direction intersects with the object, i.e. where the object is arranged in the optical measuring device.
  • a single local measuring surface MF[i] can preferably be defined by a value of the refractive power B[i] in the at least one deflection direction (or several different deflection directions).
  • a measuring surface is therefore the surface area for which the optical measuring device determines exactly one value of the refractive power in the at least one deflection direction (or several deflection directions) and assigns it spatially.
  • the refractive power B for the entire measuring area MB is determined as a refractive power map BK with a value of the refractive power B[i], where [i] is the index of exactly one defined individual measuring surface MF[i].
  • the optical measuring device can scan the measuring area MB of the optical object () to create the refractive power map BK.
  • the measuring surface is defined as a surface that is perpendicular to the measuring direction, regardless of the actual orientation of the surface of the optically transparent object whose refractive power is being determined.
  • the measuring surface can be understood or used as the focal plane of a lens in which the deflection of the measuring beam takes place.
  • the measuring direction can coincide with the optical axis of an objective of the measuring device, typically an optical camera. This case is easy to describe. However, it is purely a question of definition how the measuring direction is defined and whether the measuring direction and the first deflection direction lie in a distinguished (i.e.
  • any optical measuring device that is able to determine the refractive power of an optically transparent object at a measuring point in a spatial direction can be used.
  • Such optical measuring devices are known.
  • Preferred examples of particularly advantageous measuring devices that allow rapid measurement of a large-area object, e.g. a glass pane, such as a curved glass pane, are described below. These are particularly suitable for measuring and checking glass panes online in a production line.
  • the smallest possible measuring area is determined by the maximum resolution of the optical measuring device.
  • a larger measuring area can be defined, e.g. as a multiple of the smallest possible measuring area.
  • the viewing direction can be selected according to the invention such that the viewing angle s lies in the plane spanned by the measuring direction and the first deflection direction.
  • the refractive power B can thus be determined in precisely this deflection direction using the amplification factor D. This achieves a particularly high level of accuracy because the viewing direction lies precisely in the deflection plane of the first deflection direction for which the amplification factor DH is determined.
  • the at least one other amplification factor DV for the at least one other deflection direction has also been determined precisely for a viewing direction in this plane.
  • the viewing angle s can lie in a projection of the viewing direction (BR) into the plane spanned by the measuring direction and the first deflection direction and/or the further or several or each of the further deflection directions.
  • the viewing angle s can also be determined according to the invention from the projection into the corresponding plane.
  • This projection of the viewing direction is referred to as the component of the viewing direction in the (first or further) deflection direction.
  • the refractive power can also be determined for these components of the viewing direction by appropriately applying the amplification factor.
  • the refractive power for these other deflection directions can then be determined analogously to the method described above, in particular by carrying out the method several times, whereby the deflection direction in which the component of the deflection direction under consideration lies is regarded as the first or main deflection direction.
  • the factors f(AH) and f(AV) can be fixed. This means that the different deflection directions are assigned a different importance or significance for a specific application, for example. It is also conceivable to describe the factors f(AH) and f(AV) as a weighting of the individual refraction directions AH, AV from the relative sizes of the viewing angles s(AH,AV) in the planes that are spanned by projections of the viewing direction, which is spanned by the measuring direction and the respective deflection direction AH, AV. A possible formula for the calculation can be where, if necessary, several summands or factors E(A7) and B[i]( ) are provided in the formula.
  • Another possibility for calculating the refractive power using a formula F can be to calculate the factors from a relative weighting of the local refractive power values in the different deflection directions AH, AV, basically comparable to the one explained above for the projections of the viewing angle s. This can be done, for example, using the formula This means that refractions in different deflection directions are also taken into account when the refraction occurs in different refraction directions AH, AV, for which the local refractive power values B[i](AH B[i](AV) were determined, regardless of the actual viewing direction.
  • the advantage according to the invention of determining the local refractive power values as a function of all or several deflection directions from a function F of the various local refractive powers in the respective deflection directions is that properties of the refractive power are also taken into account when the viewing direction is not exactly in the plane spanned by the measuring direction MR and one of the deflection directions (taking the projections into account) and/or a deflection of a line of sight occurs in different deflection directions AH, AV, for example due to a surface structure of the glass pane that cannot be described by a cylindrical lens in a defined deflection direction.
  • the result is then a scalar local refractive power value B[i] for a measuring surface
  • the value of the amplification factor D in one of the deflection directions AH, AV can be determined as a function of the viewing angle s, assuming a transparent object with a wedge angle between the entrance surface and the exit surface, where the wedge angle of the lens describes the deflection in the one of the deflection directions AH, AV under consideration. This can be done in this way for each of the deflection directions in order to determine the refractive power in this direction. It has been shown that the local refractive power of optically transparent objects can be described quite well and reliably using such simple optical models.
  • the amplification factor D in the plane spanned by the measuring direction and deflection direction can be defined by where n is the refractive index of the transparent object against air or the measuring environment. Accordingly, the amplification factor D in a plane that is perpendicular to the plane spanned by the measuring direction and deflection direction can be defined by
  • the amplification factors DH and DV describe the refractive power of a lens as a function of the viewing angle s, as qualitatively described in Fig. 6.
  • DH describes the amplification factor in the direction of the tilt of the lens relative to the viewing angle s, ie with a viewing direction in the plane spanned by the measuring direction MR and deflection direction AH.
  • a high amplification factor DH of the refractive power is shown with a strong tilt between the lens and the viewing direction (i.e. a large viewing angle s).
  • a - in comparison - small amplification factor DV results over the entire tilt range (angular range of the viewing angle s).
  • Fig. 8 shows an amplification factor of approximately 4.2. This results in a good accuracy in estimating the amplification factor, particularly in a medium angle range that is relevant in practice.
  • the method according to the invention was also tested for a particularly preferred application, determining the refractive power of a windshield of a motor vehicle.
  • the local refractive power value B[i] was measured in a selected measuring surface MF[i] of the windshield, which was (vertically) vertical relative to the measuring direction MR (tilt angle 0° around a horizontal axis of rotation) in the vertical deflection direction AH by an optical measuring device.
  • the windshield was also aligned symmetrically relative to the measuring direction MR in such a way that the windshield was (horizontally) vertical relative to the measuring direction MR (yaw angle 0° around a vertical axis of rotation).
  • the terms “horizontal” and “vertical” are fundamentally arbitrary and in this text refer to a normal installation position in a motor vehicle standing on a level road.
  • the gain factors D were determined according to the method proposed according to the invention in different viewing directions (all of which also lie in this vertical plane) for different viewing angles s by applying the formulas for gain factors DH and DV defined above.
  • the windshield was rotated in a measuring arrangement around a horizontal axis of rotation that was perpendicular to the vertical plane running in the measuring direction MR through the selected measuring surface MF[i] by the respective viewing angle s in accordance with the application of the method according to the invention (rotation by the tilt angle) and the local refractive power value B[i] in the selected measuring surface MF[i] was measured by the optical measuring arrangement.
  • Fig. 9 shows the course of the (theoretically) determined gain factors DH(theo) according to the proposed method in comparison to gain factors DH(exp) derived from the measurement.
  • the values determined according to the method according to the invention correspond to the actually measured values with great accuracy.
  • An important application of the method proposed according to the invention and of a method for carrying out the method The purpose of the optical measuring device is to measure glass panes, in particular glass panes for use in motor vehicles, such as windscreens, with specifications for the refractive power.
  • the measuring direction can preferably correspond to a preferred viewing direction through the optically transparent object.
  • a preferred viewing direction can be predetermined, for example, by a typical installation situation of the object.
  • a windshield of a motor vehicle can be used as the optically transparent object, which is rotated from a vertical orientation about a horizontal axis of rotation (along the longer side of the side of the windshield) by a tilt angle in the range between 40° and 75°, in particular between 55° and 60°. This tilt angle can be measured or defined as the angle between a window normal in the center of the windshield and the measuring direction MR.
  • the advantage of such an arrangement of the transparent object in the optical measuring device when carrying out the method according to the invention is that the viewing angle s between the measuring direction MR and the viewing direction BR is minimized for a practically relevant application.
  • the smaller the viewing angle s the smaller the error in determining the amplification factors D when applying the proposed method.
  • This preferred arrangement of the optically transparent object according to the invention therefore improves the accuracy of the method proposed according to the invention.
  • a curved windshield can be transported as an optically transparent object through the optical measuring device in an orientation predetermined by a transport device and the optical measuring device can be positioned such that the measuring direction of the optical
  • the measuring device is located in a horizontal vehicle plane relative to the installation position of the windshield in a motor vehicle and is directed in the direction of a vehicle driving straight ahead.
  • the viewing direction lies in relation to the measuring direction in a plane that is aligned parallel to the plane spanned by the measuring direction MR and one of the deflection directions AH, AV, preferably the first deflection direction AH.
  • This plane is preferably aligned parallel to the horizontal vehicle plane.
  • the optical refractive power can preferably be measured by the optical measuring device (at least) in a horizontal deflection direction as the first deflection direction (AH) and in a vertical deflection direction as the second deflection direction (AV) in relation to the installation position of the windshield in the motor vehicle.
  • AH first deflection direction
  • AV second deflection direction
  • these are particularly important deflection directions for the qualitative assessment of the window in relation to its refractive power.
  • further deflection directions AV can also be taken into account according to the invention, so that the angle of rotation of the deflection directions relative to one another around the measuring direction is not 90°, but for example 45° or 30°. This results in a more precise description of the refractive power and the optical refractive behavior of the object, in particular a windshield.
  • the invention also relates to a device for determining the refractive power (B) of an optically transparent object with the features of claim 10 with an optical measuring device having a camera and lighting, the camera recording the lighting through the transparent object, with a holding and transport device for fixing the optically transparent object in the optical measuring device, the holding and transport device being set up to move the optically transparent object through the optical measuring device for scanning the entire measuring area, and with a computing unit which is set up to carry out the measurement of the refractive power and to carry out the inventive method according to one of claims 1 to 9.
  • the computing unit is set up to control the optical measuring device and to carry out the above-described method or parts thereof by means of suitable data processing programs which are installed on the computing unit in such a way that they can be executed.
  • a collimated light beam is generated in the lighting device (e.g. a laser beam) which is refracted in the object and recorded by the camera.
  • the refraction of the object can be calculated from the deflection of the light beam recorded by the camera.
  • the light beam can scan the entire measuring range MB of the object.
  • Another alternative is to shine through the pane (object) from or with a point-shaped light source and to observe the (area-wide) intensity distribution on a screen behind the pane (object).
  • the deflection or refraction in basically any direction can be determined from the area-wide distribution.
  • a camera can record the screen or the serve directly as a screen and capture the intensity in the individual pixels of the camera.
  • the optical measuring device has a column camera as the camera and a pattern of a known structure as the illumination, the column camera recording the pattern through the optically transparent object in such a way that the pattern is imaged in the column camera in a column longitudinal direction in such a way that it is visible in the column longitudinal direction over the entire measuring area of the object, and that the holding and transport device moves the object perpendicular to the column longitudinal direction through the optical measuring device.
  • the refractive power map can be generated with a measurement in which the object is continuously moved through the optical measuring device. This is particularly efficient and advantageous for use in a production line.
  • the illumination pattern can be a periodic line pattern whose structure is known.
  • the refractive power can be determined by deviations in the periodic structure of the line pattern in the recorded image. Methods for this are known to those skilled in the art.
  • the line pattern can be formed from two pairs of lines, in particular aligned perpendicularly to one another, with each pair of lines being made up of periodically arranged parallel lines.
  • the lines are preferably aligned obliquely to the longitudinal direction of the column of the column camera, preferably at an angle of 45°. This enables a particularly precise determination of the refractive power of the object in the longitudinal direction of the column and perpendicular to the longitudinal direction of the column, ie in the first deflection direction and a direction perpendicular to the first deflection direction. second deflection direction in a simple way.
  • other patterns such as circular patterns, can also be used. Pairs of lines that are not perpendicular to each other can also be used, as long as the lines run in two different directions.
  • the column camera can be formed by light-sensitive pixels arranged next to one another in the longitudinal direction of the column.
  • One or more pixels can be arranged transversely to the longitudinal direction of the column. If there is only one pixel (transversely to the longitudinal direction of the column), the column camera is also referred to as a line camera.
  • Such a line camera has the advantage that the minimum possible number of pixels has to be processed per image recording. The same applies, of course, when combining several hardware pixels of the camera into one effective pixel during evaluation.
  • the pattern is only imaged one-dimensionally in the longitudinal direction of the column.
  • several pixels arranged transversely to the longitudinal direction of the column multiply the evaluation effort and lead to a longer processing time. This may not be available in a production line or may limit the production speed. Therefore, a line camera is often a preferred solution according to the invention in practice.
  • the advantage of several pixels arranged transversely to the longitudinal direction of the column is that a two-dimensional section of the periodic pattern is recorded, which enables simple evaluation in many different deflection directions of the refraction. This can be advantageous for applications with high requirements for the accuracy of determining the refractive power.
  • the invention can provide for images to be recorded by a column camera with several pixels arranged transversely to the column longitudinal direction, but for an online evaluation in the production line only the images of one of the pixels are evaluated, ie the image of a line camera. For an offline evaluation, the two-dimensional image can then be used in addition. This can be the case, for example, if refraction effects for different viewing angles are to be evaluated and corrected when evaluating an image from an assistant camera looking through the window. Possible applications will be explained below.
  • the periodic line pattern of the illumination and an image recording structure of the slit camera can have a different (spatial) periodicity. Due to the different spatial periodicity of the pattern and the image recording structure, an optical effect is created in the image recorded through the transparent object through the moiré effect (known per se and calculable by the person skilled in the art), in which the superposition of the regular patterns creates its own periodic grid, which has a special structure that is not present in any of the individual patterns and is also dependent on the type of superposition. Since the periodic line pattern and the image recording structure are known, the accuracy in determining the refractive power can be further increased by calculating the own periodic grid according to the moiré effect.
  • the invention also relates to a particularly advantageous use of the method described above, in particular according to one of claims 1 to 9 and/or the device described above, in particular according to one of claims 10 to 15, for determining the refractive power of a windshield at a viewing angle s (different from zero) between a viewing direction and a measuring direction under which the refractive power for the windscreen is measured, for at least one of the following applications:
  • Such assistance cameras can be used, among other things, to measure the distance to vehicles driving ahead or as a lane departure warning system.
  • the determination of the refractive power with the method and/or device according to the invention can also be used as a basis for correcting the images of the assistance camera, for example when determining the distance or a lane keeping assistant.
  • Fig. 1 schematically shows a three-dimensional view of a device for determining the refractive power of an optically transparent object according to an embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic side view of the device according to the invention shown in Fig. 1;
  • Fig. 3 schematically shows a windshield as an optically transparent object with measuring surfaces of the measuring area according to a preferred use of the invention in a plan view from the measuring direction:
  • Fig. 4a shows schematically a pattern of illumination of the measuring device in three dimensions according to an embodiment of the invention
  • Fig. 4b shows schematically an image of the pattern according to Fig. 4a in a view through the object with refraction effects
  • Fig. 5a schematically shows a pattern of illumination of the measuring device in three dimensions according to another embodiment of the invention
  • Fig. 5b schematically shows an image of the pattern according to Fig. 5a in a view through the object with refraction effects
  • Fig. 6 schematically shows a common coordinate system of the measuring and evaluation arrangement for carrying out the method according to the invention for determining the refractive power in any viewing direction according to an embodiment
  • Fig. 7 schematically shows a common coordinate system of the measuring and evaluation arrangement for carrying out the method according to the invention for determining the refractive power in any viewing direction according to a further embodiment
  • Fig. 8 an example of the factor values DH, DV of the amplification factor depending on the viewing angle s between 0° and 80°;
  • Fig. 9 shows an example of the factor value DH in the first deflection direction of the amplification factor determined theoretically according to the invention and the factor value DH in the first deflection direction measured in an experimental arrangement for different viewing angles s.
  • the invention is described using a particularly preferred embodiment in which a method according to the invention and a device according to the invention are used to determine the refractive power of a transparent object designed as a windshield.
  • the invention is not limited to this application and can also be used in a corresponding manner for other optically transparent objects with a suitably adapted device and a suitably adapted method.
  • the person skilled in the art will suitably adapt the embodiments shown in the drawing and described for the specific embodiment within the scope of his specialist knowledge and the more general description above. Fig.
  • FIG. 1 shows schematically a preferred embodiment of a device 1 according to the invention for determining the refractive power of an optically transparent object 2, with which the method according to the invention can be carried out, wherein the optically transparent object 2 is a windshield 3 of a motor vehicle.
  • the optically transparent object 2 is a windshield 3 of a motor vehicle.
  • object 2 and windshield 3 are used synonymously below.
  • the device 1 has an optical measuring device 4 with a camera 5 and a lighting 6, wherein the camera 5 records the lighting 6 through the transparent object 2.
  • the recording area 7 shows that the camera 5 is designed as a line or column camera which records a pattern 20, 30 of the lighting 6 (as shown by way of example in Figs. 4a, 5a) through the windshield 3 in such a way that the pattern 20, 30 is imaged in the camera 5 in a column longitudinal direction in such a way that it is visible in a column longitudinal direction 11 over the entire measuring area MB of the object 2, in the example shown therefore extending from an upper horizontal edge of the windshield 3 to a lower horizontal edge of the windshield 3 and covering the entire height of the windshield 3.
  • the object 2 is transported transversely to the column longitudinal direction 11 in a transport direction 10 through the optical measuring device 4.
  • Fig. 2 shows the device 1 in a sectional view from the side.
  • the device 1 is mounted on feet 8.
  • the windshield 3 is arranged in such a way that the measuring direction MR corresponds to a preferred viewing direction BR of a user through the optically transparent object 2.
  • the measuring direction MR preferably corresponds to a horizontal viewing direction of a driver of the vehicle in the direction of travel when driving straight ahead.
  • the windshield is usually angled relative to a vertical orientation by a tilt angle.
  • windshields 3 are usually curved, as is also schematically indicated in Fig. 1 and 2.
  • the object 2 or the windshield 3 is fixed on a holding and transport device 9 of the device 1 in the desired orientation relative to the optical measuring device 4, wherein the holding and transport device 9 is set up to move the optically transparent object 2 through the optical measuring device 4 for scanning the entire measuring area.
  • the holding and transport device 9 moves the windshield 3 in the transport direction 10 through the optical measuring device 4, which is preferably aligned perpendicular to the column longitudinal direction 11 of the camera 5.
  • the device 1 further comprises a computing unit (not shown in the drawing) which, according to the invention, is used to carry out the measurement of the refractive power in the measuring direction MR by means of the optical measuring direction 4 and to carry out the method for determining the refractive power in a viewing direction BR through the object 2 (in particular different from the measuring direction MR). This procedure is explained in more detail below.
  • a measuring area MB is defined on the object 2, which is represented in Fig. 3 by the total of squares is shown.
  • the measuring range MB only covers a part of the entire object 2.
  • the edge areas of the windshield 3 are excluded from the measurement of the refractive power in the example shown. In other applications, however, the measuring range MB can also cover the entire object.
  • Each of the squares in the measuring range MB represents a measuring surface MF.
  • the measuring range MB is therefore divided into several measuring surfaces MF, with the totality of all measuring surfaces MF (or in other words: all measuring surfaces MF together) preferably forming the measuring range MB.
  • the shape of the measuring surfaces MF is not limited to the squares shown in the drawing, but can be selected by the person skilled in the art to suit the application.
  • the size and number of measuring surfaces MF relative to the object 2 are also to be understood as examples (qualitative) in the drawing. In realistic applications, the number of measuring surfaces MF is typically larger and the size of the measuring surfaces MF relative to the object 2 is typically smaller.
  • a minimum size of the measuring surfaces MF results from the resolution of the optical measuring device 4. For the sake of clarity, only two measuring surfaces are designated with the reference symbol MF in the drawing, although each of the squares shown indicates a measuring surface MF.
  • a local refractive power value B[i] is determined in a measuring direction MR specified in relation to the object, whereby all local refractive power values B[i] together form a refractive power map for the object 2, the resolution of which is specified by the size and arrangement of the measuring surfaces MF.
  • the index [i] indicates a defined measuring surface [i].
  • the measuring direction MR should be perpendicular to the drawing plane, regardless of any curvature or tilt of the object 2 relative to the drawing plane.
  • the refractive power is determined in a first deflection direction AH and at least one further deflection direction AV.
  • the deflection directions AH, AV describe an actual refraction of a line of sight in the direction shown.
  • the first deflection direction AH describes a deflection by refraction in a horizontal direction (relative to a typical installation position of the windshield 3 in a motor vehicle).
  • the further (second) deflection direction AV describes a deflection by refraction in a vertical direction (relative to a typical installation position of the windshield 3 in a motor vehicle).
  • the measuring direction MR is orthogonal to the plane spanned by the deflection directions AH, AV and is indicated in Fig. 3 by a point in the measuring surface MF[i].
  • the measuring method for determining the refractive power in a deflection direction which is generally known to the person skilled in the art and is carried out by the optical measuring device 4, consists in recording a known pattern 20, 30 with the camera 5 through the object 2. With a line camera, as described in this embodiment, an image of the pattern is produced by temporally successive images as the object 20 is transported progressively through the measuring device 4.
  • Examples of possible patterns 20, 30 are shown qualitatively in Fig. 4a and 5a, once as a dot pattern and once as a line pattern, each in their relative orientation to the deflection directions AH, AV.
  • Fig. 4b and 5b images of the patterns 20, 30 through the object 2 taken by the camera are shown, which reveal distortions due to optical refraction in the object 2 or the windshield 3 in the specific example at the points marked by ellipses. Due to the known geometric From the arrangement of patterns 20, 30 in the illumination 6, object 2 and camera 3 as well as the geometric dimensions of patterns 20, 30, the refractive power of object 2 in each measuring surface MF[i] for the measuring direction MR determined by the viewing direction of camera 5 can be determined in accordance with known ray optics.
  • the refractive power is measured and recorded as an n-tuple of the refractive power for each of the measuring surfaces MF[i] in each of the deflection directions AH, AV.
  • this results in a 2-tuple of the form B[i] [B[i](AH), B[i](AV)] for the local refractive power values B[i] of each of the measuring surfaces MF[i].
  • the refractive power map of object 2 is thus formed for all of the measuring surfaces MF of the measuring range MB together.
  • a common coordinate system 40 is used for the measuring and evaluation arrangement.
  • orthogonal axes of the coordinate system 40 can be through the first deflection direction AH, the measuring direction MR of the optical measuring device 4 and the further (second) deflection direction AV and thus form a typical xyz coordinate system.
  • the application of the proposed method according to the invention is particularly easy to implement.
  • the expert is free to use any coordinate system to describe the method and the refractive power. The expert can make such adjustments within the scope of specialist knowledge.
  • a coordinate plane 41 is spanned by the measuring direction MR and the first deflection direction AH, which is aligned parallel to the horizontal edges of the windshield 3 (as object 2).
  • the orientation and position of the object 2 a viewing point 42 and a viewing direction BR from the viewing point 42 through the measuring range MB of the object 2.
  • the viewing direction BR can basically be chosen arbitrarily.
  • the measuring direction MR is defined by the measuring device 4 relative to the object 2 and, in the embodiment described with reference to Fig. 6, also determines the position of the coordinate system 40. In principle, however, the coordinate system can be freely selected in space and the measuring direction MR can also be described in coordinates of the coordinate system.
  • the intersection point of the specified viewing direction BR with exactly one local measuring surface MF[i] is then determined in the coordinate system 40 and the viewing angle s between the viewing direction BR and the measuring direction MR in the determined local measuring surface MF[i] is determined.
  • the local refractive power values B[i](AH) and B[i](AV) can also be determined from the refractive power map, which were previously measured as described above.
  • an amplification factor for the refractive power is then determined as a function of the specific viewing angle s and a known refractive index n of the object 2, whereby the amplification factor comprises a factor value DH for the refractive power in the first deflection direction AH and a factor value DV for each further deflection direction AV.
  • the amplification factor comprises a factor value DH for the refractive power in the first deflection direction AH and a factor value DV for each further deflection direction AV.
  • a factor value DH and a factor value DV matching the local refractive indices B[i](AH) and B[i](AV).
  • the gain factors DH and DV are defined in the example as follows:
  • the viewing point 42 lies in the horizontally directed coordinate plane 41.
  • the viewing direction BR is the viewing direction of a driver of the motor vehicle sitting at the viewing point 42, who is looking sideways (at the viewing angle s) through the windshield in a horizontal plane (which in the example shown here coincides with the coordinate plane 41).
  • the viewing angle s is also referred to as the yaw angle.
  • Fig. 7 shows another example of a windshield 3 for an arrangement with a coordinate system 50, in which the viewing point 52 lies in a vertically directed coordinate plane 51.
  • the viewing direction BR is the viewing direction of a driver of the motor vehicle sitting at the viewing point 42, who looks through the windshield in a horizontal plane (which in the example shown here is perpendicular to the coordinate plane 41) through an installation angle corresponding to the viewing angle s.
  • the viewing angle s is also referred to as the tilt angle. It is easy to see that the coordinate systems 40, 50 can be converted into one another by swapping the designations of the first and second deflection directions AH, AV.
  • projections of the viewing angle s into the respective coordinate plane 41, 51 can be considered in a corresponding manner.
  • Fig. 8 shows the course of the (dimensionless) amplification factors DH , DH for different viewing angles s, as described in the above forms for DH and DV.
  • the viewing angle s lies, as shown in Fig. 5 or 6, in the coordinate plane 41, 51 defined by the measuring direction MR and the first deflection direction AH.
  • the refractive effect and accordingly the amplification factor increase significantly at large viewing angles s.
  • the refractive effect in the second deflection direction AV perpendicular to the first deflection direction remains - in comparison - approximately constant.
  • Fig. 9 shows a comparison of the calculated amplification factor DH (theo) compared to an experimentally determined amplification factor DH (exp) for an arrangement according to Fig. 7 (various tilt angles of the windshield 3).
  • the reference measured values for the refractive power were determined for a vertically standing windshield 3, ie when the measuring direction MR and the viewing direction BR coincide in Fig. 7.
  • the calculated values for the amplification factor DH are determined as described above in application of the method according to the invention.
  • the windshield 3 in the measuring arrangement 4 was so aligned so that the measuring direction MR always corresponded to the viewing direction BR from the application of the method for the various viewing angles s.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Brechkraft eines optisch transparenten Objekts Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Brechkraft eines optisch transparenten Objekts (2) sowie bevorzugte Verwendungen hierfür. Es werden die Brechkraft in einem Messbereich (MB) des Objekts (2) in einer ersten Ablenkrichtung (AH) und mindestens einer weiteren Ablenkrichtung (AV) mittels einer optischen Messeinrichtung (4) gemessen und eine Ausrichtung und Position des Objekts (2), eines Sehpunkts (42, 52) und einer Blickrichtung (BR) festgelegt. Der Schnittpunkt der festgelegten Blickrichtung (BR) mit genau einer lokalen Messflächen (MF[i]) auf dem Objekt (2) und der Blickwinkel (ε) zwischen der Blickrichtung (BR) und einer Messrichtung (MR) in der ermittelten lokalen Messfläche (MF[i]) werden ermittelt. Für die Brechkraft werden in Abhängigkeit von dem bestimmten Blickwinkel (ε) und einem Brechungsindex (n) des Objekts (2) ein Verstärkungsfaktors bestimmt und die Brechkraft in der Blickrichtung (BR) durch Anwenden des Verstärkungsfaktors auf den lokalen Brechkraftwert B[i] der lokalen Messfläche (MF[i]) ermittelt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Brechkraft eines optisch transparenten Objekts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Brechkraft eines optisch transparenten Objekts, insbesondere eines scheibenförmigen Objekts wie bspw. einer Glasscheibe, wobei das scheibenförmige Objekt plan oder vorzugsweise gekrümmt ausgebildet sein kann nach den Ansprüchen 1 und 10. Außerdem betrifft die Erfindung eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung für das Ermitteln der Brechkraft einer Windschutzscheibe unter einem beliebigen Blickwinkel nach Anspruch 16.
Wenn ein optischer Sehstrahl durch ein optisch transparentes Objekt mit einem von der Umgebung verschiedenen Brechungsindex tritt, wird dieser optische Strahl nach den Regeln der Optik gebrochen und in der Regel abgelenkt. Bei einem homogenen scheibenförmigen, transparenten Objekt mit parallel ausgerichteten Oberflächen tritt ein senkrecht auf die Scheibe gerichteter Sehstrahl ungebrochen durch die Scheibe hindurch. Ein unter einem von 90° verschiedenen Blickwinkel auf die Scheibe gerichteter Sehstrahl wird in Strahlrichtung parallel verschoben, wodurch das Bild seitlich versetzt erscheint.
Bei Inhomogenitäten in der Scheibe, Krümmungen in der Scheibe und/der (auch nur lokal) nicht parallelen Oberflächen der Scheibe werden einfallende parallele Sehstrahlen unterschiedlich gebrochen, was zu Verzeichnungen in dem Bild führt, ähnlich wie bei einer Linse. Die Stärke der Verzeichnung wird durch die Brechkraft B in eine Ablenkrichtung beschrieben, üblicherweise in der Maßeinheit Dioptrin (dpt). Die Brechkraft („Stärke der Verzeichnung“) verändert sich auch mit der Blickrichtung, unter der der Sehstrahl auf das optische Objekt trifft. Die optische Wirkung von Flachglas mit einer unebenen Oberfläche wurde in Kerkhof, Optische Wirkungen von Flachglas mit unebenen Oberflächen, Glastechnische Berichte, Heft 25, Seiten 71 bis 83, Verlag der Deutschen Glastechnischen Gesellschaft Frankfurt (Main), 1952 unter der Annahme der Glasplatte als Folge von vielen Glasprismen mit sehr kleinen Keilwinkeln der Brechungsebene für verschiedene Einfallswinkel des Sehstrahls auf der Grundlage brechungsgeometrischer Überlegung beschrieben. Die Brechungsebene ist diejenige Ebene, in der der einfallende Sehstrahl und der gebrochene Sehstrahl liegen.
Bei bekannter lokaler Oberflächenform des transparenten Objekts auf beiden Seiten der Scheibe lässt sich für eine vorgegebene Blickrichtung auf das transparente Objekt die Brechungsebene abschätzen und die eine Brechkraft ermitteln, die allerdings Inhomogenitäten in dem transparenten Objekt, die auch zu einer optischen Brechung unabhängig von der lokalen Oberflächenform der Ein- und Austrittsflächen des transparenten Objekts führen können. Außerdem ist die Ermittlung der Oberflächenform des transparenten Objekts, bspw. einer Glasscheibe, insbesondere einer gekrümmten Glasscheibe wie einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs sehr aufwendig und zeitintensiv.
Ein mögliches iteratives Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenform eines Platten- oder schichtartigen Gegenstands ist in der WO 2022/189327 A1 beschrieben. Dabei werden eine angenommene Oberflächenform als Ausgangsform bereitgestellt eine Vielzahl von Messpunkten auf der Ausgangsform definiert. Die räumliche Position der Messpunkte wird optisch bestimmt, indem die Oberfläche bestrahlt und die zurückgeworfene Strahlung detektiert wird. Aus Abweichungen der detektierten Strahlung in einem Messpunkt von der aus der Ausgangsform erwarteten Strahlung wird iterativ eine angepasste Oberflächenform ermittelt, bis die Messungen mit den Erwartungen innerhalb eines Genauigkeitswerts übereinstimmen. Die ermittelte Oberflächenform wird dann zur Simulation einer Brechkraftverteilung verwendet. Aufgrund der bekannten Oberflächenform kann die Brechkraft dann grundsätzlich auch aus definierten Blickrichtungen ermittelt werden. Derartige Verfahren eignen sich aufgrund des mit der Messmetode und des Auswertungsaufwands verbunden Aufwands nicht für eine optische Qualitätskontrolle von optisch transparenten Objekten in einer industriellen Fertigungslinie.
Ferner sind Verfahren zur Messung der Brechkraft bekannt, bei denen ein bekanntes Muster durch das transparente Objekt abgebildet wird und eine Verzeichnung des Musters durch das Objekt in dem Bild quantitativ auswertet wird. Bei dem Muster kann es sich bspw. um ein Muster paralleler Linien mit einem definierten Linienabstand handeln. Aus der Variation der Linienabstands in eine bestimmte Ablenkrichtung lässt sich dann die Brechkraft in dieser Ablenkrichtung bestimmen, wie bspw. in der DIN 52305 (Bestimmung des Ablenkwinkels und des Brechwerts von Sicherheitsscheiben für Fahrzeugverglasung) beschrieben. Das Muster kann auch aus einer regelmäßigen Anordnung von Kreisen bekannten Durchmessers bestehen, wobei eine Variation des Kreisdurchmessers in mindestens eine Ablenkrichtung bewertet wird (vgl. ECE R43, Übereinkommen über die Annahme einheitlicher Bedingungen für die Genehmigung der Ausrüstungsgegenstände und Teile von Kraftfahrzeugen, hier betreffend Sicherheitsverglasungswerkstoffe). Bei den beschriebenen Messungen besteht das Problem, dass die Messung unter einer definierten Blickrichtung stattfindet. Wenn die Brechkraft des Objekts aus verschiedenen Blickrichtungen relativ zu dem Objekt, bspw. von einem definierten Sehpunkt (wie der Fahrerposition) in verschiedenen Blickrichtungen durch die Windschutzscheibe, ermittelt werden soll, sind eine Vielzahl von Messungen notwendig. Der Vorteil von Messungen liegt aber darin, dass die tatsächliche Brechkraft des Objekts ermittelt wird, die neben der Oberflächenform und Oberflächenausrichtung auch Inhomogenitäten in dem Objekt selbst, bspw. Einschlüsse oder Fehlstellen, erfasst und weitestgehend frei von theoretischen Modellen ist.
Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, eine Möglichkeit zur möglichst genauen Bestimmung der tatsächlichen Brechkraft eines optisch transparenten Objekts, bspw. einer Glasscheibe wie einer gekrümmten Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, unter einer beliebigen Blickrichtung durch das Objekt vorzuschlagen, wobei das Bestimmen der Brechkraft durch eine Messung insbesondere in der Geschwindigkeit einer üblichen Produktionslinie bei einem transportierten Gegentand möglich sein soll.
Dazu weist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren insbesondere die folgenden Schritte auf, die ggf. auch in einer anderen technisch sinnvollen Weise oder Reihenfolge durchführbar sind.
(a) Messen der Brechkraft in einem Messbereich des transparenten Objekts in einer ersten Ablenkrichtung und mindestens einer weiteren Ablenkrichtung mittels einer optischen Messeinrichtung in einer bezogen vorgegebenen Messrichtung, wobei der Messbereich des Objekts in mehrere Messflächen aufgeteilt wird und für jede der Messflächen (auch als lokale Messfläche MF[i] bezeichnet) aus der Gesamtheit der/aller Messflächen ein lokaler Brech kraftwert (auch als lokaler Brechkraftwert B[i] bezeichnet) ermittelt wird. Alle lokalen Brechkraftwerte B[i] bilden zusammen eine Brechkraftkarte des Objekts, d.h. einen lokalen Brech kraftwert B[i] für jede Messfläche MF[i],
Die Brechkraftkarte mit den lokalen Brech kraftwerten B[i] beschreibt also die Brechkraft für den gesamten Messbereich des Objekts, wobei jeder Brech kraftwert B[i] einen Wert für die Brechkraft B(AH) in der ersten Ablenkrichtung und einen Wert für die Brechkraft B(AV) jeder weiteren gemessenen Ablenkrichtung enthält. Bei einer Messung der Brechkraft B für eine erste und eine zweite Ablenkrichtung ist ein lokaler Brech kraftwert B[i] also als 2- Tupel der Form [B[i](AH), B[i](AV)] beschreibbar bzw. gebildet. Bei mehr als zwei Ablenkrichtungen ergibt sich ein entsprechendes n-Tupel für n Ablenkrichtungen.
Ein wichtiger Aspekt der lokalen Brechkraftwerte B[i] ist, dass diese die tatsächliche reale Brechkraft für einen Sehstrahl in Messrichtung angeben, und zwar in eine erste und mindestens eine zweite (von ersten verschiedene) Ablenkrichtung. Die lokalen Brechkraftwerte B[i] beschreiben also eine Ablenkung im dreidimensionalen Raum und sind nicht auf eine modellhaft ermittelte Brechungsebene beschränkt. Auch ist die gemessene Brechkraft frei von Annahmen und Modellen zur Oberflächenform der Ein- und Austrittsebenen des transparenten Objekts. Diese ist für jede (lokale) Oberflächenform des Objekts gültig.
(b) Festlegen der Ausrichtung und Position des Objekts (), eines Sehpunkts () und mindestens einer Blickrichtung (BR) von dem Sehpunkt () durch den Messbereich des Objekts () in einem gemeinsamen Koordinatensystem. Hierdurch wird die Blickrichtung des Sehstrahls durch das Objekt eindeutig festgelegt. Das Festlegen eines Sehpunkts relativ zu dem Objekt ermöglicht es auch, verschiedene (mindestens zwei oder mehr) Blickrichtungen durch ein Objekt zu definieren, die einem typischen Anwendungsfall entsprechen, indem ein Nutzer von einem Sehpunkt aus in verschiedenen Richtungen durch ein fest montiertes Objekt, bspw. die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, schaut. In diesem gemeinsamen Koordinatensystem ist dann auch die (bezogen auf das Objekt vorgegebene) Messrichtung bezogen auf die Blickrichtung bekannt. Damit ist es möglich, eine beliebige Blickrichtung von dem Sehpunkt durch das Objekt zu definieren und die Brechkraft in dieser Blickrichtung zu bestimmen. (c) Ermitteln des Schnittpunkts der festgelegten Blickrichtung mit genau einer lokalen Messflächen MF[i] und Bestimmen des Blickwinkels s zwischen der Blickrichtung und der Messrichtung in der ermittelten lokalen Messfläche (MF[i]);
(d) Bestimmen eines Verstärkungsfaktors D für die Brechkraft in Abhängigkeit von dem bestimmten Blickwinkel s und einem Brechungsindex n des Objekts, wobei der Verstärkungsfaktor D einen Faktorwert DH für die Brechkraft in der ersten Ablenkrichtung B(AH) und jeweils einen Faktorwert DV für jede weitere Ablenkrichtung B(AV) umfasst;
Der Brechungsindex n der Brechungsindex des Objekts gegen die Luft, der bspw. aus tabellarischen Übersichten bekannt oder mittels dem Fachmann bekannter und fachüblicher Messmethoden messbar ist. „Luft“ steht stellvertretend für die Umgebung, in der die Messung stattfindet. Dies kann grundsätzlich jede insbesondere gasförmige oder flüssige Umgebung sein. Für eine Vielzahl typischer Anwendungsfälle wird die normale Umgebungsluft sein. Der Verstärkungsfaktor D ist also auch als n-Tupel beschreibbar bzw. gebildet, entsprechend dem lokalen Brech kraftwert B[i], Für ein 2-Tupel ergibt sich also die Schreibweise [DH, DV] für den Verstärkungsfaktor D. Der als n-Tupel ausbildete Verstärkungsfaktor beschreibt also die Brechkraft aus einer Blickrichtung in jede der Ablenkrichtungen. Wenn bspw. der Brechwert B zwei Ablenkrichtungen AH, AV gemessen ist und der Blickwinkel s in der durch die Messrichtung MR und die Ablenkrichtung AH definierten Ebene liegt, umfasst der Verstärkungsfaktor D einen Wert DH für die Ablenkung in der Ablenkrichtung AH und einen Wert DV für die Ablenkung in der Ablenkrichtung DV. Bei mehreren Ablenkrichtungen AVi können entsprechend für mehrere oder alle der Ablenkrichtungen AVi mehrere Verstärkungsfaktoren DVi angewendet werden, um die Brechkraft respektive Ablenkung in jede der Ablenkrichtungen AVi zu ermitteln. Damit wird die Brechkraft für verschiedenen Ablenkrichtungen im dreidimensionalen Raum ermittelt. (e) Ermitteln der Brechkraft in der Blickrichtung durch Anwenden des Verstärkungsfaktors D auf den lokalen Brechkraftwert B[i] der ermittelten lokalen Messfläche MF[i], d.h. der einen Messfläche im Schnittpunkt mit der festgelegten Blickrichtung BR.
Indem erfindungsgemäß Verstärkungsfaktoren D für Brechkraft B sowohl für eine erste Ablenkrichtung AH als auch für mindestens eine zweite, von der ersten Ablenkrichtung AH verschiedene zweite Ablenkrichtung AV bestimmt werden, kann die Brechkraft B durch das Objekt in einer grundsätzlich beliebigen Blickrichtung BR (relativ zu dem Objekt) unabhängig davon ermittelt und/oder bewertet werden, in welcher Messrichtung MR (relativ zu dem Objekt) die lokalen Brechkraftwerte B[i] ermittelt wurden. Damit wird nicht nur ein zweidimensionales Ablenken eines Sehstrahls in einer Ebene (der Brechungsebene) ermittelt, die durch Richtung des Sehstrahls und die Ablenkrichtung aufgespannt wird, sondern ein dreidimensionales Ablenken eines unter einem beliebigen Winkel auf das Objekt einfallenden Sehstrahls. Dafür ist nur eine Messung der Brechkraft aus einer Messrichtung notwendig, mit der die Brechkraft des Objekts in mehrere verschiedene Ablenkrichtungen, mindestens in zwei Ablenkrichtungen AH und AV, gemessen bzw. ermittelt wird. Somit ist eine optische Bewertung der Brechkraft eines Objekts in verschiedene Blickrichtungen aus nur einer Messung in einer Messrichtung möglich. Für bisherige Bewertungen musste das Objekt in den jeweiligen Blickrichtungen gesondert vermessen werden.
Damit ist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren nicht nur einfacher und schneller durchführbar, sondern ermöglicht eine umfassende optische Bewertung eines Objekts auch während der Herstellung in einer Produktionslinie, in der das Objekt durch eine optische Messeinrichtung transportiert und dabei der gesamte Messbereich des Objekts gescannt und aus einer Messrichtung die Brechkraft bestimmt wird. Messungen aus verschiedenen Richtungen lassen sich in einer Produktionslinie nicht realisieren. Nach Durchführung der Messung kann die optische Bewertung in einer Recheneinheit erfolgen und das Bewertungsergebnis ausgegeben und/oder gesichert werden.
Der Messbereich, für den die Brechkraft gemessen wird, kann das ganze Objekt oder ein Teilbereich des Objekts sein.
Jede Messfläche ist ein Teilbereich des Objekts (im Sinne einer lokalen Teilfläche des gesamten Messbereichs). Für jede lokale Messfläche wird durch Messung ein Wert der Brechkraft in den mindestens zwei Ablenkrichtungen bestimmt wird. Vorzugsweise bilden die einzelnen lokalen Messflächen zusammen gerade den gesamten Messbereich. Mit anderen Worten ist der Messbereich in lokale Messflächen aufgeteilt, wobei die Gesamtheit aller lokalen Messflächen den Messbereich des Objekts bildet. Die lokale Messfläche kann an der Position liegen, in der sich die Messrichtung mit dem Objekt scheidet, d.h. an der das Objekt in der optischen Messeinrichtung angeordnet ist.
Eine einzelne lokale Messfläche MF[i] kann vorzugsweise durch einen Wert der Brechkraft B[i] in die mindestens eine Ablenkrichtung (oder mehrere verschiedene Ablenkrichtungen) definiert sein. Eine Messfläche ist also der Flächenbereich, für den durch die optische Messeinrichtung genau ein Wert der Brechkraft in die mindestens eine Ablenkrichtung (oder mehrere Ablenkrichtungen) ermittelt und dieser zugeordnet räumlich wird. Durch das Ermitteln jeweils eines Werts der Brechkraft für eine Messfläche wird die Brechkraft B für den gesamten Messbereich MB als Brechkraftkarte BK mit einem Wert der Brechkraft B[i] ermittelt, wobei [i] der Index genau einer definierten einzelnen Messfläche MF[i] ist. Die optische Messeinrichtung kann den Messbereich MB des optischen Objekts () abscannen, um die Brechkraftkarte BK zu erstellen. Vorzugsweise ist die Messfläche definiert als eine Fläche, die senkrecht auf der Messrichtung steht, unabhängig von der tatsächlichen Ausrichtung Oberfläche des optisch transparenten Objekts, dessen Brechkraft bestimmt wird. Die Messfläche kann als Brennebene einer Linse verstanden bzw. verwendet werden, in der die Ablenkung des Messtrahls erfolgt. Vorzugsweise kann die Messrichtung mit der optischen Achse eines Objektivs der Messeinrichtung, typischer Weise einer optischen Kamera, zusammenfallen. Dieser Fall ist einfach beschreibbar. Es ist jedoch eine reine Definitionsfrage, wie die Messrichtung definiert wird und ob die Messrichtung und die erste Ablenkrichtung in einer ausgezeichneten (d.h. besonders bezeichneten) gemeinsamen Ebene liegen und/oder ob die Messichtung tatsächlich mit der optischen Achse eines Kameraobjektives zusammenfällt. Dem Fachmann ist klar, dass auch andere mathematische Beschreibungen möglich sind, die sich durch optisch-trigonometrische Überlegungen ineinander überführen lassen. Auch deratige Beschreibungen sind vom Gegenstand der Erfindung erfasst. Die Beschreibung beschränkt sich aus Klarheitsgründen aber auf diese Nomenklatur.
Grundsätzlich ist jede optische Messeinrichtung dafür nutzbar, die in der Lage ist, die Brechkraft eines optisch transparenten Objekts in einem Messpunkt in einer Raumrichtung zu bestimmen. Derartige optische Messeinrichtungen sind bekannt. Bevorzugte Beispiele von besonders vorteilhaften Messeinrichtungen, die eine schnelle Vermessung eines großflächigen Objekts, bspw. einer Glasscheibe, etwa einer gekrümmten Glasscheibe, erlauben werden nachfolgend beschrieben. Diese eignen sich insbesondere für eine Vermessung und Überprüfung von Glasscheiben online in einer Produktionsline.
Eine kleinstmögliche Messfläche ist durch die maximale Auflösung der optischen Messeinrichtung vorgegeben. Eine größere Messfläche kann definiert werden, bspw. als Vielfaches der kleinstmöglichen Messfläche. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Blickrichtung erfindungsgemäß so gewählt werden, dass der Blickwinkel s in der Ebene liegt, die durch die Messrichtung und die erste Ablenkrichtung aufgespannt wird. Damit lässt sich durch den Verstärkungsfaktor D die Brechkraft B in genau diese Ablenkrichtung ermitteln. Hierdurch wird eine besonders hohe Genauigkeit erreicht, weil die Blickrichtung gerade in der Ablenkebene der ersten Ablenkrichtung liegt, für die der Verstärkungsfaktor DH ermittelt ist. Auch der mindestens eine andere Verstärkungsfaktor DV für die mindestens eine andere Ablenkrichtung sind genau für eine Blickrichtung in dieser Ebene bestimmt worden.
Es ist bei erfindungsgemäßer Anwendung des Verfahrens auch möglich, dass der Blickwinkel s in einer Projektion der Blickrichtung (BR) in die Ebene liegt, die durch die Messrichtung und die erste Ablenkrichtung und/oder die weitere bzw. mehrere oder jeder der weiteren Ablenkrichtungen aufgespannt wird.
Alternativ kann der Blickwinkel s erfindungsgemäß also auch aus der Projektion in die entsprechende Ebene ermittelt werden. Diese Projektion der Blickrichtung wird als Komponente der Blickrichtung in der (ersten bzw. der weiteren) Ablenkrichtung bezeichnet. Sofern die Projektion der Blickrichtung auch Komponenten in andere Ablenkrichtungen aufweist, für die die Brechkraft gemessen ist, kann auch für diese Komponenten der Blickrichtung die Brechkraft durch entsprechende Anwendung des Verstärkungsfaktor ermittelt werden. Für diese anderen Ablenkrichtungen kann dann die Brechkraft analog zu dem vorbeschriebenen Verfahren ermittelt werden, insbesondere durch mehrfache Durchführung des Verfahrens, wobei jeweils diejenige Ablenkrichtung als erste bzw. Haupt-Ablenkrichtung angesehen wird, in der die betrachtete Komponente der Ablenkrichtung liegt. Die verschiedenen Brechwerte in jede der Ablenkrichtungen können dann überlagert werden, bspw. durch eine Linearkombination bzw. einfache oder gewichtete Addition. Ein lokaler Brech kraftwert B[i] kann optional aus einer Linearkombination von lokalen Brech kraftwerten in Richtung der ersten und zweiten, bzw. allgemeiner der mehreren Ablenkrichtung aus einer Funktion F der verschiedenen lokalen Brechkarftwerte in die jeweiligen Ablenkrichtungen F(B[i](AH),B[i](AV)) ermittelt werden, bspw. einer Linearkombination von B[i](AH) und B[i](AV) mit vorgegebenen Faktoren f(AH) und f(AV), also einer Funktion F = f AH) ■ B[i](AH + f AV ■ B[i](AV)' .
Die Faktoren f(AH) und f(AV) können fest vorgegeben sein. Hierdurch wird den verschiedenen Ablenkrichtungen bspw. eine für eine konkreten Anwendungsfall unterschiedliche Wichtigkeit oder Bedeutung zugewiesen. Es ist auch denkbar die Faktoren f(AH) und f(AV) als eine Gewichtung der einzelnen Brechrichtungen AH, AV zu beschreiben aus relativen Größen der Blickwinkeln s(AH,AV) in den Ebenen, die durch Projektionen der Blickrichtung, die durch die Messrichtung und die jeweilige Ablenkrichtung AH, AV aufgespannt wird. Eine mögliche Formel zur Berechnung kann sein wobei ggf. mehrere Summanden bzw. Faktoren E(A7) und B[i]( ) in der Formel vorgesehen werden.
Hierdurch lassen sich Fälle berücksichtigen, die in denen die Blickrichtung nicht genau in der Ebene liegt, die durch die Messrichtung und eine der Ablenkrichtungen aufgespannt wird (Berücksichtigung der Projektionen).
Eine weitere Möglichkeit zur Berechnung der Brechkraft mit einer Formel F kann darin liegen, die Faktoren aus einer relativen Gewichtung der lokalen Brechkraftwerte in die verschiedenen Ablenkrichtungen AH, AV zu berechnen, grundsätzlich vergleichbar wie vorstehend für die Projektionen des Blickwinkels s erläutert. Dies kann bspw. mittels der Formel erfolgen. Hierdurch werden Brechungen in verschiedene Ablenkrichtungen auch berücksichtigt, wenn die Brechung in verschiedene Brechrichtungen AH, AV erfolgt, für die die lokalen Brech kraftwerte B[i](AH B[i](AV) ermittelt wurden, auch unabhängig von der tatsächlichen Blickrichtung.
Die vorbeschriebenen Funktionen sind als mögliche konkrete erfindungsgemäße Ausgestaltungen zu verstehen, ohne dass die Erfindung auf diese Ausgestaltungen beschränkt sein soll. Diese können auch kombiniert oder durch den Fachmann entsprechend angepasst werden. Anstelle der als Linearkombination beschriebenen Funktion sind auch andere, kompliziertere Funktionen denkbar, wie Konstanten, Polynome oder dgl.
Der erfindungsgemäße Vorteil der Bestimmung der lokalen Brechkraftwerte als Funktion aller oder mehrerer Ablenkrichtungen aus einer Funktion F der verschiedenen lokalen Brechwerte in die jeweiligen Ablenkrichtungen liegt darin, auch Eigenschaften der Brechkraft zu berücksichtigen, wenn die Blickrichtung nicht genau der Ebene liegt, die durch die Messrichtung MR und einer der Ablenkrichtungen aufgespannt wird (Berücksichtigung der Projektionen) und/oder eine Ablenkung des eines Sehstrahl in verschiedene Ablenkrichtungen AH, AV erfolgt, bspw. aufgrund einer Oberflächenstruktur der Glasscheibe, die nicht durch eine Zylinderlinse in eine definierte Ablenkrichtung beschreibbar ist. Das Ergebnis ist dann ein skalarer lokaler Brech kraftwert B[i] für eine Messfläche
MF[i],
Die Angabe eines solchen Wertes kann für bestimmte Anwendungen sinnvoll sein, ggf. auch ergänzend zu der Angabe einer Brechkraftkarte mit verschiedenen Brech kraftwerten in die verschiedene Ablenkrichtungen für eine bestimmte Blickrichtung. Die Brechkraftwerte für eine Blickrichtung ergeben sich wie beschrieben erfindungsgemäß durch die Anwendung des Verstärkungsfaktors D(DH,DV) auf die gemessenen Brech kraftwerte.
Erfindungsgemäß kann gemäß einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens der Wert des Verstärkungsfaktors D in eine der Ablenkrichtungen AH, AV in Abhängigkeit des Blickwinkels s unter der Annahme eines transparenten Objekts mit einem Keilwinkel zwischen der Eintrittsoberfläche und der Austrittsoberfläche ermittelt wird, wobei der Keilwinkel Linse gerade die Ablenkung in die eine betrachtete der Ablenkrichtungen AH, AV beschreibt. Dies kann für jede der Ablenkrichtungen in dieser Weise erfolgen, um die Brechkraft in dies Richtung zu ermitteln. Es hat sich gezeigt, dass durch solche einfachen optischen Modelle die lokale Brechkraft von optisch transparenten Objekten recht gut und zuverlässig beschreiben lässt.
Gemäß einer bevorzugten konkreten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Verstärkungsfaktor D in der durch die Messrichtung und Ablenkrichtung aufgespannten Ebene definiert sein durch wobei n der Brechungsindex des transparenten Objekts gegen Luft bzw. Messumgebung ist. Entsprechend kann der Verstärkungsfaktor D in einer Ebene, die senkrecht zu der durch die Messrichtung und Ablenkrichtung aufgespannten Ebene ausgerichtet ist, definiert sein durch
Die Verstärkungsfaktoren DH und DV beschreiben die Brechkraft einer Linse in Abhängigkeit von dem Blickwinkel s, wie qualitativ in der Fig. 6 beschrieben, wobei DH den Verstärkungsfaktor in Richtung der Verkippung der Linse relativ zu dem Blickwinkel s beschreibt, d.h. mit einer Blickrichtung in der Ebene, die durch die Messrichtung MR und Ablenkrichtung AH aufgespannt wird. Erwartungsgemäß zeigt sich bei einer starken Verkippung zwischen Linse und Blickrichtung (also einem großen Blickwinkel s) ein hoher Verstärkungsfaktor DH der Brechkraft. In einer Ablenkrichtung senkrecht zu der Verkippung ergibt sich ein - im Vergleich - kleiner Verstärkungsfaktor DV über den gesamten Verkippungsbereich (Winkelbereich des Blickwinkels s).
Für eine Linse mit einer Brechkraft von 10 mdpt ergibt eine Messung unter dem Blickwinkel s = 55° ein Brechtwert von etwa 41 mdpt. Dies entspricht einem Verstärkungsfaktor von 4,1 . Der Fig. 8 ist ein Verstärkungsfaktor von etwa 4,2 zu entnehmen. Gerade in einen für die Praxis relevanten, mittleren Winkelbereich ergibt sich damit eine gute Genauigkeit der Abschätzung des Verstärkungsfaktors.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde auch für einen besonders bevorzugten Anwendungsfall, das Bestimmen der Brechkraft einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, überprüft. Dazu wurde lokaler Brechkraftwert B[i] in einer ausgewählten Messfläche MF[i] der - bezogen auf die Messrichtung MR - (vertikal) senkrecht stehenden Windschutzscheibe (Tilt-Winkel 0° um eine horizontale Drehachse) in der vertikalen Ablenkrichtung AH durch eine optische Messvorrichtung gemessen. Die Windschutzscheibe war bezogen auf die Messrichtung MR auch derart symmetrisch ausgerichtet, dass Windschutzscheibe - bezogen die Messrichtung MR - (horizontal) senkrecht ausgerichtet war (Yaw-Winkel 0° um eine vertikale Drehachse). Die Begriffe „horizontal“ und „vertikal“ sind grundsätzlich willkürlich und in diesem Text bezogen auf eine normale Einbaulage in einem auf ebener Straße stehenden Kraftfahrzeug. In einer in der Messrichtung MR verlaufenden, vertikalen Ebene wurde nach dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren in verschiedenen Blickrichtungen (die alle auch dieser vertikalen Ebene liegen) für verschiedenen Blickwinkel sdie Verstärkungsfaktoren D ermittelt, durch Anwenden der vorstehend definierten Formeln für Verstärkungsfaktoren DH und DV.
Zur Überprüfung dieser Formeln wurde in einer Messanordnung die Windschutzscheibe um eine horizontale Drehachse, die senkrecht auf der in Messrichtung MR verlaufenden, vertikalen Ebene durch die ausgewählte Messfläche MF[i] um die jeweiligen Blickwinkel s entsprechend der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verdreht (Drehung um den Tilt-Winkel) und der lokale Brechkraftwert B[i] in der ausgewählten Messfläche MF[i] durch die optische Messanordnung gemessen. Aus dem Quotienten der unter dem jeweiligen Blickwinkel s gemessenen lokalen Brech kraftwert B[i](s) und dem ursprünglichen lokalen Brechkraftwert B[i](s = 0°) ohne Verdrehung um den Tilt- Winkel wurden die Verstärkungsfaktoren D(exp) experimentell ermittelt.
Fig. 9 zeigt den Verlauf der (theoretisch) nach dem vorgeschlagenen Verfahren ermittelten Verstärkungsfaktoren DH(theo) im Vergleich zu aus der Messung hergeleiteten Verstärkungsfaktoren DH(exp).
Für die in realistischen Einbaulagen interessierenden Blickwinkel s von bis zu etwa 55° oder 60° zeigt sich, dass die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Werte den tatsächlich gemessenen Werten mit großer Genauigkeit entsprechen. Dies eröffnet vielfältige Möglichkeiten für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der optischen Qualitätskontrolle transparenter Objekte, insbesondere großflächiger Objekte, bei denen optische Eigenschaften, insbesondere die Brechkraft, unter verschiedenen Blickrichtungen zu bewerten sind. Ein wichtiger Anwendungsfall des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens und einer zur Durchführung des Verfahrens eingerichteten optischen Messeinrichtung ist die Vermessung von Glasscheiben, insbesondere von Glasscheiben zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, wie Windschutzscheiben, mit Vorgaben für die Brechkraft.
Erfindungsgemäß bevorzugt kann die Messrichtung einer bevorzugten Blickrichtung durch das optisch transparente Objekt entsprechen. Eine bevorzugte Blickrichtung kann bspw. durch eine typische Einbausituation des Objekts vorgegeben sein. In einer besonders bevorzugten Anwendung das Verfahrens kann als optisch transparentes Objekt eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, die aus einer vertikalen Ausrichtung um eine horizontalen Drehachse (entlang der längeren Seite der Seite der Windschutzscheibe) um einen Tilt-Winkel im Bereich zwischen 40° bis 75°, insbesondere zwischen 55° und 60°, gedreht ist. Dieser Tilt-Winkel kann als Winkel zwischen einer Scheibennormalen im Zentrum der Windschutzscheibe und der Messrichtung MR gemessen bzw. definiert sein. Der Vorteil einer derartigen Anordnung des transparenten Objekts in der optischen Messvorrichtung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass der Blickwinkel s zwischen der Messrichtung MR und der Blickrichtung BR für einen praktisch relevanten Anwendungsfall minimiert wird. Typischer Weise gilt, dass der Fehler in der Ermittlung der Verstärkungsfaktoren D bei der Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens umso kleiner ist, je kleiner der Blickwinkel s ist. Durch diese erfindungsgemäß bevorzugte Anordnung des optisch transparenten Objekts wird also die Genauigkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens verbessert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann als optisch transparentes Objekt eine gekrümmte Windschutzscheibe in einer durch eine Transporteinrichtung vorgegebenen Ausrichtung durch die optische Messeinrichtung transportiert werden und die optische Messeinrichtung derart positioniert werden bzw. sein, dass die Messrichtung der optischen Messeinrichtung bezogen auf eine Einbaulage der Windschutzscheibe in einem Kraftzeug in einer horizontalen Fahrzeugebene liegt und in Richtung eines geradeausfahrenden Fahrzeugs gerichtet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung des Verfahrens findet das Messen der Brechkraft in einer Weise statt, die der späteren Nutzungssituation und/oder Vorgaben einer Qualitätskontrolle sehr nahe kommt. Bei einem Kraftfahrzeug schaut ein Fahrer in der Regel in der Fahrrichtung des Fahrzeugs durch die Scheibe, oder in einer in der horizontalen Ebene um einen Blickwinkel s verdrehten Blickrichtung. In der Vertikalen verändert sich der (sicherheitsrelevante) Blickwinkel nur sehr wenig, zumindest in der typischen Nutzersituation.
Daher entspricht es einer bevorzugten Ausgestaltung bzw. Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn die Blickrichtung gegenüber der Messrichtung in einer Ebene liegt, die zu der durch die Messrichtung MR und eine der Ablenkrichtungen AH, AV aufgespannten Ebene parallel ausgerichtet ist, vorzugsweise der ersten Ablenkrichtung AH. Diese Ebene ist vorzugweise parallel zu der horizontalen Fahrzeugebene ausgerichtet. Erfindungsgemäß findet die Messung der Brechkraft in einer Messrichtung statt, die der Blickrichtung BR möglichst nahekommt, für die die Brechkraft mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wird.
Erfindungsgemäß bevorzugt kann die optische Brechkraft durch die optische Messeinrichtung (mindestens) in einer horizontalen Ablenkrichtung als erste Ablenkrichtung (AH) und in einer vertikalen Ablenkrichtung als zweite Ablenkrichtung (AV) bezogen auf die Einbaulage der Windschutzscheibe in dem Kraftfahrzeug gemessen werden. Dies sind besonders wichtige Ablenkrichtungen für die qualitative Bewertung der Scheibe bezogen auf ihre Brechkraft. Ggf. können erfindungsgemäß auch weitere Ablenkrichtungen AV berücksichtigt werden, so dass der Verdrehwinkel der Ablenkrichtungen zueinander um die Messrichtung nicht 90°, sondern bspw. 45° oder 30° beträgt. Hierdurch ergibt sich eine genauere Beschreibung der Brechkraft und des optischen Brechungsverhalten des Objekts, insbesondere einer Windschutzscheibe.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Brechkraft (B) eines optisch transparenten Objekts mit den Merkmalen des Anspruchs 10 mit einer optischen Messeinrichtung aufweisend eine Kamera und eine Beleuchtung, wobei die Kamera die Beleuchtung durch das transparente Objekt aufnimmt, mit einer Halte- und Transporteinrichtung zum Festlegen des optisch transparenten Objekts in der optischen Messeinrichtung, wobei die Halte- und Transporteinrichtung zum Bewegen des optisch transparenten Objekts durch die optische Messeinrichtung eingerichtet ist für ein Abscannen des gesamten Messbereichs, und mit einer Recheneinheit, welche zur Durchführung der Messung der Brechkraft und zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist. Erfindungsgemäß ist die Recheneinheit mittels geeigneter Programme zur Datenverarbeitung, die auf der Recheneinheit ausführbar installiert sein, dazu einrichtet, die optische Messeinrichtung anzusteuern und das vorbeschriebene Verfahren oder Teile hiervon auszuführen.
Es sind Ausgestaltungen der optischen Messeinrichtung möglich, in der Beleuchtungseinrichtung einen kollimierten Lichtstrahl erzeugt (bspw. einen Laserstrahl), der in dem Objekt gebrochen und durch die Kamera aufgenommen wird. Aus der durch die Kamera erfassten Ablenkung des Lichtstrahls lässt sich die Brechung des Objekts berechnen. Um eine Brechkraftkarte zu erzeugen, kann der Lichtstrahl den gesamten Messbereich MB des Objekts abtasten. Eine weitere Alternative ist eine Durchstrahlung der Scheibe (Objekt) ausgehend von oder mit einer punktförmigen Lichtquelle und eine Betrachtung der (flächigen) Intensitätsverteilung auf einem Schirm hinter der Scheibe (Objekt). Aus der flächigen Verteilung lässt sich die Ablenkung bzw. Brechung in grundsätzlich jede Richtung ermitteln. Eine Kamera kann den Schirm aufnehmen oder die unmittelbar als Schirm dienen und die Intensität in den einzelnen Pixeln der Kamera erfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die ein zeitlich schnelleres Abtasten des Messbereichs des Objekts möglich. In dieser bevorzugten Ausführungsform weist die optischen Messeinrichtung eine als Kamera eine Spaltenkamera und als Beleuchtung ein Muster bekannter Struktur auf, wobei die Spaltenkamera das Muster durch das optisch transparente Objekt derart aufnimmt, dass das Muster in der Spaltenkamera in einer Spaltenlängsrichtung derart abgebildet ist, dass es in der Spaltenlängsrichtung über den gesamten Messbereich des Objekts sichtbar ist, und dass die Halte- und Transporteinrichtung das Objekt senkrecht zu der Spaltenlängsrichtung durch die optische Messeinrichtung bewegt. In dieser Ausgestaltung kann die Brechkraftkarte mit einer Messung erzeugt werden, bei der das Objekt kontinuierlich durch die optische Messeinrichtung bewegt wird. Dies ist für die Anwendung in einer Produktionslinie besonders effizient und vorteilhaft.
Vorzugsweise kann das Muster der Beleuchtung ein periodisches Strichmuster sein, dessen Struktur bekannt ist. Durch Abweichung in der periodischen Struktur des Strichmusters in dem aufgenommenen Bild kann die Brechkraft ermittelt werden. Verfahren hierzu sind dem Fachmann bekannt.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann das Strichmuster aus zwei insbesondere senkrecht zueinander ausgerichteten Linienpaaren gebildet sein, wobei jedes Linienpaar aus periodisch angeordneten parallelen Strichen aufgebaut ist. Vorzugsweise sind die Striche schräg zur Spaltenlängsrichtung der Spaltenkamera ausgerichtet, vorzugsweise in einem Winkel von 45°. Dies ermöglicht ein besonders genaues Ermitteln der Brechkraft des Objekts in Spaltenlängsrichtung und senkrecht zur Spaltenlängsrichtung, d.h. in der ersten Ablenkrichtung und einer senkrecht auf der ersten Ablenkrichtung stehenden zweiten Ablenkrichtung auf einfache Weise. Grundsätzlich können auch andere Muster, bspw. Kreismuster, verwendet werden. Auch können nicht senkrecht aufeinander stehende Linienpaare verwendet werden, solange die Linien in zwei voneinander verschiedene Richtungen verlaufen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Spaltenkamera durch von in Spaltenlängsrichtung nebeneinander angeordneten lichtempfindlichen Pixeln gebildet sein. Quer zur Spaltenlängsrichtung können jeweils ein oder mehrere Pixel angeordnet sein. Bei nur einem Pixel (quer zur Spaltenlängsrichtung) wird die Spaltenkamera auch als Zeilenkamera bezeichnet. Eine solche Zeilenkamera hat den Vorteil, dass pro Bildaufnahme eine minimal mögliche Anzahl von Pixeln verarbeitet werden muss. Entsprechendes gilt natürlich beim dem Zusammenfassen mehreren Hardware-Pixel der Kamera zu einem effektiven Pixel bei der Auswertung.
Dies minimiert die Bearbeitungszeit bei dem Messen der Brechkraft. Allerdings wird das Muster nur eindimensional in Spaltenlängsrichtung abgebildet. Mehrere quer zur Spaltenlängsrichtung angeordnete Pixel vervielfachen, je nach Anzahl der nebeneinander angeordneten Pixel, den Auswerteaufwand und führen zu einer höheren Bearbeitungszeit. Diese kann in einer Produktionslinie ggf. nicht zur Verfügung stehen oder die Produktionsgeschwindigkeit limitieren. Daher stellt eine Zeilenkamera ein in der Praxis oft bevorzugte erfindungsgemäße Lösung dar. Der Vorteil mehrerer quer zur Spaltenlängsrichtung angeordneter Pixel liegt aber darin, dass ein zweidimensionaler Ausschnitt des periodischen Musters aufgenommen wird, der eine einfache Auswertung in viele verschiedene Ablenkrichtungen der Brechung ermöglicht. Dies kann für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Ermittlung der Brechkraft vorteilhaft sein. In diesem Zusammenhang kann erfindungsgemäß vorgesehenen sein, dass Bilder einer Spaltenkamera mit mehreren quer zur Spaltenlängsrichtung angeordneten Pixeln aufgenommen werden, für die eine Online-Auswertung in der Produktionslinie aber nur die Bilder eines der Pixel ausgewertet werden, d.h. das Bild einer Zeilenkamera. Für eine Offline-Auswertung kann dann ergänzend auf das zweidimensionale Bild zurückgegriffen werden. Dies kann bspw. der Fall sein, wenn Brechungseffekte für verschiedene Blickwinkel bei der Auswertung eines Bildes eines durch die Scheibe blickenden Assistenzkamera ausgewertet und korrigiert werden sollen. Mögliche Anwendungsfälle werden noch erläutert.
In einer erfindungsgemäß besonders bevorzugten Ausführungsform kann das periodische Strichmuster der Beleuchtung und eine Bildaufnahmestruktur der Spaltenkamera eine verschiedene (räumliche) Periodizität aufweisen. Durch die verschiedene räumliche Periodizität von Muster und Bildaufnahmestruktur entsteht in dem durch das transparente Objekt aufgenommen Bild durch den (an sich bekannten und durch den Fachmann berechenbaren) Moire-Effekt ein optischer Effekt, bei dem durch die Überlagerung der regelmäßigen Muster ein eigenes periodisches Raster entsteht, das eine spezielle Struktur aufweist, die in keinem der Einzelmuster vorhanden ist und auch von der Art der Überlagerungsweise abhängig ist. Da das periodische Strichmuster und die Bildaufnahmestruktur bekannt sind, kann durch Berechnung des eigenen periodischen Rasters nach dem Moire-Effekt die Genauigkeit bei der Ermittlung der Brechkraft weiter gesteigert werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine besonders vorteilhafte Verwendung des vorbeschriebenen Verfahrens, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder der vorbeschriebenen Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 10 bis 15, zum Ermitteln der Brechkraft einer Windschutzscheibe unter einem (von Null verschiedenen) Blickwinkel s zwischen einer Blickrichtung und eine Messrichtung, unter der die Brechkraft für die Windschutzscheibe gemessen ist, für wenigstens eine der nachfolgenden Anwendungen:
Ermitteln der Brechkraft der Windschutzscheibe aus dem Sehpunkt eines Fahrers in verschiedenen Blickrichtungen durch die Windschutzschreibe;
Ermitteln der Brechkraft der Windschutzscheibe aus dem Sehpunkt einer an der Windschutzscheibe angeordneten und durch die Windschutzscheibe aufnehmenden Assistenzkamera für verschiedene Blickrichtungen innerhalb eines durch ein Objektiv der Assistenzkamera abgedeckten Aufnahmewinkels.
Derartige Assistenzkameras können unter anderem für eine Abstandsmessung zu vorausfahrenden Fahrzeugen oder als Spurhalteassistent eingesetzt werden. Um übermäßige Verzerrungen in den Bildern zu verhindern, die zu Fehlauswertungen der Bilder führen können, ist es in der Regel notwendig, dass die Brechkraft der Windschutzscheibe für verschiedene Blickrichtungen innerhalb der Aufnahmewinkels innerhalb eines Toleranzbereichs liegt. Dies kann durch die erfindungsgemäßen Verfahren und/oder Vorrichtung ermittelt werden, ohne dass Messungen in verschiedenen Messrichtungen durchgeführt werden müssen. Gleiches gilt für verschiedene Blickrichtungen des Fahrers.
Bei der beschriebenen Anwendung für eine Assistenzkamera kann das Bestimmen der Brechkraft mit den erfindungsgemäßen Verfahren und/oder Vorrichtung auch verwendet werden als Grundlage für eine Korrektur der Bilder der Assistenzkamera, bspw. bei der Abstandsbestimmung oder einem Spurhalteassistenten.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei gehören alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale zusammen oder beliebiger fachmännisch sinnvoller Kombination zum Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in beschriebenen bzw. dargestellten Ausführungsbeispielen oder in den Ansprüchen.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine dreidimensionale Ansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der Brechkraft eines optisch transparenten Objekts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 ;
Fig. 3 schematisch eine Windschutzscheibe als optisch transparentes Objekt mit Messflächen des Messreichs gemäß einer bevorzugten Verwendung der Erfindung in einer Aufsicht aus Messrichtung:
Fig. 4a schematisch ein Muster der Beleuchtung der Messeinrichtung dreidimensionale gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 4b schematisch ein Bild des Musters gemäß Fig. 4a in einer Ansicht durch das Objekt mit Brechungseffekten;
Fig. 5a schematisch ein Muster der Beleuchtung der Messeinrichtung dreidimensionale gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 5b schematisch ein Bild des Musters gemäß Fig. 5a in einer Ansicht durch das Objekt mit Brechungseffekten; und Fig. 6 schematisch ein gemeinsames Koordinatensystem der Mess- und Auswertungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Brechkraft in einer beliebigen Blickrichtung gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 7 schematisch ein gemeinsames Koordinatensystem der Mess- und Auswertungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Brechkraft in einer beliebigen Blickrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 8 ein Beispiel für die Faktorwerte DH, DV des Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit von dem Blickwinkel s zwischen 0° und 80°; und
Fig. 9 ein Beispiel für den theoretisch nach dem erfindungsgemäß ermittelten Faktorwert DH in der ersten Ablenkrichtung des Verstärkungsfaktors und dem in einer experimentellen Anordnung gemessenen Faktorwert DH in der ersten Ablenkrichtung für verschiedene Blickwinkel s.
In der Zeichnung wird die Erfindung anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden, um die Brechkraft einer als Windschutzscheibe ausgebildeten transparenten Objekts zu bestimmen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt und kann mit einer geeignet adaptierten Vorrichtung und einem geeignet adaptierten Verfahren auch für andere optisch transparente Objekte in entsprechender Weise verwendet werden. Ausgehend von der Erfindung wird der Fachmann die in der Zeichnung dargestellten und für das konkrete Ausführungsbeispiel beschriebenen Ausführungsformen im Rahmen seines Fachwissens und der allgemeineren vorstehenden Beschreibung geeignet anpassen. Fig. 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Brechkraft eines optisch transparenten Objekts 2, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, wobei das optisch transparente Objekt 2 eine Windschutzscheibe 3 eines Kraftfahrzeugs ist. Die Begriffe Objekt 2 und Windschutzscheibe 3 werden im Folgenden synonym verwendet.
Die Vorrichtung 1 weist eine optische Messeinrichtung 4 auf mit einer Kamera 5 und einer Beleuchtung 6 auf, wobei die Kamera 5 die Beleuchtung 6 durch das transparente Objekt 2 aufnimmt. Der Aufnahmebereich 7 zeigt, dass die Kamera 5 als Zeilen- oder Spaltenkamera ausgebildet ist, die ein Muster 20, 30 der Beleuchtung 6 (wie beispielhaft in Figs. 4a, 5a gezeigt) durch die Windschutzscheibe 3 derart aufnimmt, dass das Muster 20, 30 in der Kamera 5 in einer Spaltenlängsrichtung derart abgebildet ist, dass es in einer Spaltenlängsrichtung 11 über den gesamten Messbereich MB des Objekts 2 sichtbar ist, in dem dargestellten Beispiel also von einem oberen horizontalen Rand der Windschutzscheibe 3 bis zu einem unteren horizontalen Rand der Windschutzscheibe 3 reicht und die gesamte Höhe der Windschutzscheibe 3 abdeckt. Das Objekt 2 wird quer zu der Spaltenlängsrichtung 11 in einer Transportrichtung 10 durch die optische Messeinrichtung 4 transportiert.
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung 1 in einer Schnittdarstellung von der Seite. Die Vorrichtung 1 ist auf Füßen 8 gelagert. In einem nach unten offenen Zwischenraum der Vorrichtung 1 zwischen der Kamera 5 und der Beleuchtung 6 ist Windschutzscheibe 3 derart angeordnet, dass die Messrichtung MR einer bevorzugten Blickrichtung BR eines Nutzers durch das optisch transparente Objekt 2 entspricht. Bei einer Windschutzscheibe 3 entspricht die Messrichtung MR vorzugsweise einer horizontalen Blickrichtung eines Fahrers des Fahrzeugs in Fahrrichtung bei Geradesausfahrt. Wie in den Fig. 1 und 2 angedeutet, ist die Windschutzscheibe in der Regel gegenüber einer vertikalen Ausrichtung um einen Tilt-Winkel gekippt eingebaut. Außerdem sind Windschutzscheiben 3 in der Regel in sich gekrümmt, wie auch in den Fig. 1 und 2 schematisch angedeutet. Für die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens spielen weder die Form noch die Ausrichtung des optisch transparenten Objekts 2 eine Rolle. Diese müssen nicht bekannt sein. Das gilt auch für die in der Strahlenoptik in der Regel betrachtete Oberflächenform und Ausrichtung der Ein- und Austrittsflächen relativ zum Sehstrahl eine Rolle, weil die optische Messeinrichtung die tatsächlichen Brechungseigenschaften eines beliebig geformten Objekts 2 bestimmt, und zwar auf die durch die Messeinrichtung vorgegebene der Messrichtung MR.
Das Objekt 2 respektive die Windschutzscheibe 3 ist auf einer Halte- und Transporteinrichtung 9 der Vorrichtung 1 in der gewünschten Ausrichtung relativ zu der optischen Messeinrichtung 4 festgelegt, wobei die Halte- und Transporteinrichtung 9 zum Bewegen des optisch transparenten Objekts 2 durch die optische Messeinrichtung 4 eingerichtet ist für ein Abscannen des gesamten Messbereichs. Dazu bewegt die Halte- und Transporteinrichtung 9 die Windschutzscheibe 3 in der Transportrichtung 10 durch die optische Messeinrichtung 4, die vorzugsweise senkrecht zu der Spaltenlängsrichtung 11 der Kamera 5 ausgerichtet ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine der Zeichnung nicht dargestellte Recheneinheit, die erfindungsgemäß zur Durchführung der Messung der Brechkraft in Messrichtung MR mittels der optischen Messrichtung 4 und zum Durchführen des Verfahrens zum Ermitteln der Brechkraft in einer (insbesondere von der Messrichtung MR verschiedenen Blickrichtung BR durch das Objekt 2. Dieses Vorgehen wird nachfolgend eingehender erläutert.
Für das Messen der Brechkraft mit der Messeinrichtung 4 wird auf dem Objekt 2 ein Messbereich MB festgelegt, der in Fig. 3 durch die Gesamtheit von Quadraten dargestellt ist. Der Messbereich MB umfasst in dem dargestellten Beispiel nur einem Teil des gesamten Objekts 2. Die Randbereiche der Windschutzscheibe 3 sind in dem dargestellten Beispiel von der Messung der Brechkraft ausgenommen. In anderen Anwendungen kann der Messbereich MB aber auch das gesamte Objekt abdecken.
Jedes der Quadrate im Messbereich MB stellt eine Messfläche MF dar. Der Messbereich MB wird also in mehrere Messflächen MF aufgeteilt, wobei die Gesamtheit aller Messflächen MF (oder mit anderen Worten: alle Messflächen MF zusammen) vorzugsweise gerade den Messbereich MB bilden. Die Form der Messflächen MF ist nicht auf die in der Zeichnung gezeigten Quadrate beschränkt, sondern kann durch den Fachmann entsprechend der Anwendung geeignet gewählt werden. Auch die Größe und Anzahl der Messflächen MF relativ zu dem Objekt 2 ist in der Zeichnung beispielhaft (qualitativ) zu verstehen. In realistischen Anwendungen ist die Anzahl der Messflächen MF typischer Weise größer und die Größe der Messflächen MF relativ zu dem Objekt 2 typischer Weise kleiner. Eine minimale Größe der Messflächen MF ergibt sich durch die Auflösung der optischen Messeinrichtung 4. In der Zeichnung sind der Übersichtlichkeit halber nur zwei Messflächen mit dem Bezugszeichen MF bezeichnet, obwohl jedes der dargestellten Quadrate eine Messfläche MF anzeigt.
Für jede der Messflächen MF[i] wird in einer bezogen auf das Objekt vorgegebenen Messrichtung MR ein lokaler Brech kraftwert B[i] ermittelt, wobei alle lokalen Brechkraftwerte B[i] zusammen eine Brechkraftkarte für das Objekt 2 bilden, deren Auflösung durch die Größe und Anordnung der Messflächen MF vorgegeben ist. Der Index [i] kennzeichnet eine definierte Messfläche [i]. In dem hier dargestellten Beispiel soll die Messrichtung MR senkrecht auf der Zeichenebene stehen, unabhängig von einer Krümmung oder Verkippung des Objekts 2 gegen die Zeichenebene. Erfindungsgemäß wird die Brechkraft in einer ersten Ablenkrichtung AH und mindestens einer weiteren Ablenkrichtung AV bestimmt. Die Ablenkrichtungen AH, AV beschreiben eine tatsächliche Brechung eines Sehstrahls in dargestellte Richtung.
Für das hier dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel beschreibt die erste Ablenkrichtung AH eine Ablenkung durch Brechung in einer horizontalen Richtung (bezogen auf eine typische Einbaulage der Windschutzscheibe 3 in einem Kraftfahrzeug). Die weitere (zweite) Ablenkrichtung AV beschreibt eine Ablenkung durch Brechung in vertikaler Richtung (bezogen auf eine typische Einbaulage der Windschutzscheibe 3 in einem Kraftfahrzeug). Die Messrichtung MR seht orthogonal auf der durch die Ablenkrichtungen AH, AV aufgespannten Ebene und ist in Fig. 3 durch einen Punkt in der Messfläche MF[i] angedeutet.
Das dem einschlägigen Fachmann grundsätzlich bekannte Messverfahren zur Bestimmung der Brechkraft in einer Ablenkrichtung, wie es durch die optische Messvorrichtung 4 durchführ ist, besteht darin ein bekanntes Muster 20, 30 mit der Kamera 5 durch das Objekt 2 aufzunehmen. Bei einer Zeilenkamera, wie in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben, ergibt sich ein Bild des Musters durch zeitlich aufeinanderfolgende Bilder mit fortschreitendem Transport des Objekts 20 durch die Messeinrichtung 4.
Beispiele für mögliche Muster 20, 30 sind qualitativ in den Fig. 4a und 5a gezeigt, einmal als Punktmuster und einmal als Strichmuster jeweils in ihrer relativen Ausrichtung zu dem Ablenkrichtungen AH, AV. In den Fig. 4b und 5b sind jeweils durch die Kamera aufgenommene Bilder der Muster 20, 30 durch das Objekt 2 dargestellt, die an den durch Ellipsen gekennzeichneten Stellen Verzeichnungen durch optische Brechung in dem Objekt 2 respektive der Windschutzscheibe 3 in dem konkreten Beispiel erkennen lassen. Aufgrund der bekannten geometrischen Anordnung von Muster 20, 30 in der Beleuchtung 6, Objekt 2 und Kamera 3 sowie der geometrischen Maße der Muster 20, 30 kann die Brechkraft des Objekts 2 in jeder Messfläche MF[i] für die durch die Blickrichtung der Kamera 5 festgelegte Messrichtung MR entsprechend bekannter Strahlenoptik ermittelt werden bestimmt werden. Die Brechkraft wird als n-tupel der Brechkraft für jede der Messflächen MF[i] in jeder der Ablenkrichtungen AH, AV gemessen und erfasst. Im dem dargestellten mit den zwei Ablenkrichtungen AH, AV ergibt sich also ein 2-Tupel der Form B[i]=[B[i](AH), B[i](AV)] für die lokale Brech kraftwerte B[i] jeder der Messflächen MF[i], Für alle der Messflächen MF des Messbereichs MB zusammen wird so die Brechkraftkarte des Objekts 2 gebildet.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wie in Fig. 6 dargestellt, für die Mess- und Auswertungsanordnung ein gemeinsames Koordinatensystem 40. In einer bevorzugten Anordnung des Koordinatensystems 40, insbesondere bei der Anwendung der Vorrichtung und des Verfahrens zur Bestimmung der Brechkraft einer Windschutzscheibe 3, können orthogonale Achsen des Koordinatensystems 40 durch die erste Ablenkrichtung AH, die Messrichtung MR der optischen Messeinrichtung 4 und die weitere (zweite) Ablenkrichtung AV sein und ein so typisches xyz-Koordinatensystem bilden. In einem solchen Koordinatensystem 40 ist die Anwendung des vorgeschlagen Verfahrens nach der Erfindung besonders einfach umzusetzen. Grundsätzlich ist der Fachmann aber frei, ein beliebiges Koordinatensystem zur Beschreibung des Verfahrens und der Brechkraft zu verwenden. Derartige Anpassungen kann der Fachmann im Rahmen eines Fachwissens vornehmen.
In diesem dargestellten Koordinatensystem 40 wird durch die Messrichtung MR und die erste Ablenkrichtung AH eine Koordinatenebene 41 aufgespannt, die parallel zu den horizontalen Rändern der Windschutzscheibe 3 (als Objekt 2) ausgerichtet ist. Bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Ausrichtung und Position des Objekts 2, eine Sehpunkts 42 und eine Blickrichtung BR von dem Sehpunkt 42 durch den Messbereich MB des Objekts 2 festgelegt. Die Blickrichtung BR kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Die Messrichtung MR ist durch die Messeinrichtung 4 relativ zu dem Objekt 2 definiert und bestimmt in der mit Bezug auf Fig. 6 beschriebenen Ausführungsform die Lage des Koordinatensystems 40 mit. Grundsätzlich kann das Koordinatensystem aber frei im Raum gewählt und die Messrichtung MR auch in Koordinaten des Koordinatensystems beschrieben werden.
Anschließend werden der Schnittpunkt der festgelegten Blickrichtung BR mit genau einer lokalen Messflächen MF[i] in dem Koordinatensystem 40 ermittelt und der Blickwinkel s zwischen der Blickrichtung BR und der Messrichtung MR in der ermittelten lokalen Messfläche MF[i] bestimmt. Mit Bestimmen der lokalen Messfläche MF[i] können auch die lokalen Brechkraftwerte B[i](AH) und B[i](AV) aus der Brechkraftkarte ermittelt werden, die wie vorbeschrieben zuvor gemessen wurden.
In der Mess- und Auswerteanordnung wird dann ein Verstärkungsfaktors für die Brechkraft in Abhängigkeit von dem bestimmten Blickwinkel s und einem bekannten Brechungsindex n des Objekts 2 bestimmt, wobei der Verstärkungsfaktor einen Faktorwert DH für die Brechkraft in der ersten Ablenkrichtung AH und jeweils einen Faktorwert DV für jede weitere Ablenkrichtung AV umfasst. In dem hier dargestellten Beispiel also einen Faktorwert DH und einen Faktorwert DV, passend zu den lokalen Brechwerten B[i](AH) und B[i](AV). Bei Glasscheiben liegt der Brechungsindex n gegen Luft typischer Weise in der Größenordnung von etwa n = 1,5 und wird durch entweder den Hersteller der Glasscheiben angegeben oder in bekannten Messanordnungen in dem Fachmann bekannter Weise gemessen.
Die Verstärkungsfaktoren DH und DV sind in dem Beispiel wie folgt definiert:
Unter Verwendung dieser Verstärkungsfaktoren DH und DV für die verschiedenen Ablenkrichtungen AH, AV werden dann die lokalen Brechkraftwerte unter dem Blickwinkel s berechnet als B[i](AH,E bzw. als B [i]G47, e) =
07(e) ■ B [i]G47), wie in Fig. 6 veranschaulicht.
In dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel für eine Windschutzscheibe 3 liegt der Sehpunkt 42 in der horizontal gerichteten Koordinatenebene 41 . Die Blickrichtung BR ist die Blickrichtung eines im Sehpunkt 42 sitzenden Fahrers des Kraftfahrzeugs, der in einer horizontalen Ebene (die in dem hier dargestellten Beispiel mit der Koordinatenebene 41 zusammenfällt) seitlich (in dem Blickwinkel s) durch die Windschutzscheibe schaut. Durch Variation des Blickwinkels s kann ein Drehen des Kopfes des Fahrers in jede der Blickrichtungen simuliert werden. In dieser Anordnung wird der Blickwinkel s auch als Yaw-Winkel bezeichnet.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel einer Windschutzscheibe 3 für eine Anordnung mit einem Koordinatensystem 50, bei der Sehpunkt 52 in einer vertikal gerichteten Koordinatenebene 51 liegt. Die Blickrichtung BR ist die Blickrichtung eines im Sehpunkt 42 sitzenden Fahrers des Kraftfahrzeugs, der in einer horizontalen Ebene (die in dem hier dargestellten Beispiel senkrecht auf der Koordinatenebene 41 steht) durch eine in dem Blickwinkel s entsprechendem Einbauwinkel durch die Windschutzscheibe schaut. Durch Variation des Blickwinkels s können entsprechend verschiedene Einbauwinkel simuliert werden. In dieser Anordnung wird der Blickwinkel s auch als Tilt-Winkel bezeichnet. Es ist leicht ersichtlich, dass die Koordinatensysteme 40, 50 dadurch ineinander überführbar sind, dass die Bezeichnung der ersten und der zweiten Ablenkrichtung AH, AV getauscht werden. Die vorstehenden Formeln für DH und DV gelten in der gleich Weise. Indem die Verfahren nach den Anordnungen gemäß Fig. 6 und Fig. 7 nacheinander angewendet werden (jeweils unter Aktualisierung der Brech kraftkarten) kann also eine Kombination verschiedener Blickwinkel in verschiedene Ablenkrichtungen betrachtet werden.
Bei nicht der Koordinatenebene 41 , 51 liegenden Sehpunkten 42, 52 können Projektionen der Blickwinkel s in die jeweilige Koordinatenebene 41 , 51 in entsprechender Weise betrachtet werden.
Fig. 8 stellt den Verlauf der (dimensionlsosen) Verstärkungsfaktoren DH, DH für verschiedene Blickwinkel s dar, wie in den vorstehenden Formen für DH und DV beschrieben. Der Blickwinkel s liegt, wie in den Fig. 5 oder 6 dargestellt, in der durch die Messrichtung MR und die erste Ablenkrichtung AH definierten Kooridnatenebene 41 , 51. Erwartungsgemäß nimmt die Brechungswirkung und entsprechend der Verstärkungsfaktor bei großen Blickwinkeln s signifikant zu. Die Brechungswirkung in der zu der ersten Ablenkrichtung senkrechten zweiten Ablenkrichtung AV bleibt - im Vergleich dazu - näherungsweise konstant.
Fig. 9 zeigt einen Vergleich des berechneten Verstärkungsfaktors DH (theo) im Vergleich zu einem experimentell ermittelten Verstärkungsfaktors DH (exp) für eine Anordnung gemäß Fig. 7 (verschiedene Tiit- bzw. Verkippungswinkel der Windschutzscheibe 3). Die Referenz-Messwerte für die Brechkraft wurden einer vertikal stehenden Windschutzscheibe 3 ermittelt, d.h. wenn in Fig. 7 die Messrichtung MR und die Blickrichtung BR zusammenfallen. Die berechneten Werte für den Verstärkungsfaktor DH sind wie vorstehend in Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben ermittelt. Für den experimentellen Vergleich wurde die Windschutzscheibe 3 in der Messanordnung 4 so ausgerichtet, dass die Messrichtung MR jeweils mit der Blickrichtung BR aus der Anwendung des Verfahrens für die verschiedenen Blickwinkel s übereinstimmte. Für Blickwinkel s < 40° (Tiit) ist eine Abweichung vernachlässigbar. Mit größerem Blickwinkel s nimmt eine Abweichung zwischen Experiment und erfindungsgemäßem Verfahren zwar zu, bis zu Blickwickeln von etwa 60° (die einen Praxisbereich sinnvoll abdecken) können die mit erfindungsgemäßen Verstärkungsfaktoren ermittelten Brechkraftwerte als gute Abschätzung verwendet werden.
Dies ermöglicht eine vereinfachte Qualitätskontrolle für Windschutzscheiben 3 in der Produktionslinie. Für Assistenzkameras lassen sich Brechungseffekte in verschiedenen Blickrichtungen entlang mehrerer Ablenkrichtungen einfach abschätzen, indem der Sehpunkt in den Montagepunkt der Assistenzkamera vor die Windschutzscheibe 3 gelegt wird.
Bezugszeichenliste:
1 Vorrichtung zur Bestimmung der Brechkraft
2 optisch transparentes Objekt
3 Windschutzscheibe
4 optische Messeinrichtung
5 Kamera
6 Beleuchtung
7 Aufnahmebereich
8 Fuß der Vorrichtung
9 Halte- und Transporteinrichtung
10 T ransportrichtung
11 Spaltenlängsrichtung der Kamera
20 Muster 21 Bild des Musters
22 Verzeichnung des Musters durch Brechung
30 Muster
31 Bild des Musters
32 Verzeichnung des Musters durch Brechung
40 Koordinatensystem
41 durch Messrichtung und erste Ablenkrichtung aufgespannte Ebene (Koordinatenebene)
42 Sehpunkt
50 Koordinatensystem
51 durch Messrichtung und erste Ablenkrichtung aufgespannte Ebene (Koordinatenebene)
52 Sehpunkt
AH erste Ablenkrichtung der Brechung
AV zweite Ablenkrichtung der Brechung
B[i] lokaler Brechkraftwert
BR Blickrichtung
DH Faktorwert des Verstärkungsfaktors D
DV Faktorwert des Verstärkungsfaktor D s Blickwinkel
MB Messbereich
MF[i]Messfläche
MR Messrichtung n Brechungsindex

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Brechkraft eines optisch transparenten Objekts (2), mit den folgenden Schritten
Messen der Brechkraft in einem Messbereich (MB) des Objekts (2) in einer ersten Ablenkrichtung (AH) und mindestens einer weiteren Ablenkrichtung (AV) mittels einer optischen Messeinrichtung (4) in einer bezogen auf das Objekt (2) vorgegebenen Messrichtung (MR), wobei der Messbereich (MB) des Objekts (2) in mehrere Messflächen (MF) aufgeteilt wird und für jede der Messflächen (MF[i]) ein lokaler Brechkraftwert (B[i]) ermittelt wird, wobei alle lokalen Brechkraftwerte (B[i]) eine Brechkraftkarte bilden;
Festlegen der Ausrichtung und Position des Objekts (2), eines Sehpunkts (42, 52) und einer Blickrichtung (BR) von dem Sehpunkt (42, 52) durch den Messbereich (MB) des Objekts (2) in einem gemeinsamen Koordinatensystem (40);
Ermitteln des Schnittpunkts der festgelegten Blickrichtung (BR) mit genau einer lokalen Messflächen (MF[i]) und Bestimmen des Blickwinkels (s) zwischen der Blickrichtung (BR) und der Messrichtung (MR) in der ermittelten lokalen Messfläche (MF[i]);
Bestimmen eines Verstärkungsfaktors für die Brechkraft in Abhängigkeit von dem bestimmten Blickwinkel (s) und einem Brechungsindex (n) des Objekts (2), wobei der Verstärkungsfaktor einen Faktorwert (DH) für die Brechkraft in der ersten Ablenkrichtung (AH) und jeweils einen Faktorwert (DV) für jede weitere Ablenkrichtung (AV) umfasst; Ermitteln der Brechkraft in der Blickrichtung (BR) durch Anwenden des Verstärkungsfaktors auf den lokalen Brech kraftwert B[i] der ermittelten lokalen Messfläche (MF[i]).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Blickwinkel (s) in einer Ebene (41 , 51 ) liegt, die durch die Messrichtung (MR) und die erste Ablenkrichtungen (AH) aufgespannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Blickwinkel (s) in einer Projektion der Blickrichtung (BR) in eine Ebene (41 , 51 ) liegt, die durch die Messrichtung (MR) und die erste Ablenkrichtungen (AH) aufgespannt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Verstärkungsfaktors in eine der Ablenkrichtungen (AH, AV) in Abhängigkeit des Blickwinkels (s) unter der Annahme eines transparenten Objekts (2) mit einem Keilwinkel zwischen der Eintrittsoberfläche und der Austrittsoberfläche ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor in der durch die Messrichtung (MR) und Ablenkrichtung (AH) aufgespannten Ebene (41 , 51 ) definiert ist durch wobei n der Brechungsindex des transparenten Objekts (2) gegen Luft ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor in einer Ebene, die senkrecht zu der durch die Messrichtung (MR) und Ablenkrichtung (AH) aufgespannten Ebene (41 , 51 ) ausgerichtet ist, definiert ist durch
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messrichtung (MR) einer bevorzugten Blickrichtung (BR) durch das optisch transparente Objekt (2) entspricht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Objekt (2) eine gekrümmte Windschutzscheibe (3) in einer durch eine Halte- und Transporteinrichtung (9) vorgegebenen Ausrichtung durch die optische Messeinrichtung (4) transportiert wird und dass die optische Messeinrichtung (4) derart positioniert ist, dass die Messrichtung (MR) der optischen Messeinrichtung (4) bezogen auf eine Einbaulage der Windschutzscheibe (3) in einem Kraftzeug in einer horizontalen Fahrzeugebene liegt und in Richtung eines geradeausfahrenden Fahrzeugs gerichtet ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Brechkraft durch die optische Messeinrichtung (4) in einer horizontalen Ablenkrichtung als erste Ablenkrichtung (AH) und in einer vertikalen Ablenkrichtung als zweite Ablenkrichtung (AV) bezogen auf die Einbaulage der Windschutzscheibe (3) in dem Kraftfahrzeug gemessen wird.
10. Vorrichtung zur Bestimmung der Brechkraft eines optisch transparenten Objekts (2) mit einer optischen Messeinrichtung (4) aufweisend eine Kamera (5) und eine Beleuchtung (6), wobei die Kamera (5) die Beleuchtung (6) durch das transparente Objekt (2) aufnimmt, mit einer Halte- und Transporteinrichtung (9) zum Festlegen des optisch transparenten Objekts (2) in der optischen Messeinrichtung (4), wobei die Halte- und Transporteinrichtung (9) zum Bewegen des optisch transparenten Objekts (2) durch die optische Messeinrichtung (4) eingerichtet ist für ein Abscannen eines gesamten Messbereichs (MB) des Objekts (2), und mit einer Recheneinheit, welche zur Durchführung der Messung der Brechkraft und zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messeinrichtung (4) als Kamera (5) eine Spaltenkamera und als Beleuchtung (6) ein Muster (20, 30) bekannter Struktur aufweist, wobei die Spaltenkamera das Muster (20, 30) durch das optisch transparente Objekt (2) derart aufnimmt, dass das Muster (20, 30) in der Spaltenkamera in einer Spaltenlängsrichtung (11 ) derart abgebildet ist, dass es in der Spaltenlängsrichtung (11 ) über den gesamten Messbereich (MB) des Objekts (2) sichtbar ist, und dass die Halte- und Transporteinrichtung (4) das Objekt (2) senkrecht zu der Spaltenlängsrichtung (11 ) durch die optische Messeinrichtung (4) bewegt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Muster (30) ein periodisches Strichmuster ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strichmuster aus zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Linienpaaren gebildet ist, wobei jedes Linienpaar aus periodisch angeordneten parallelen Strichen aufgebaut ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltenkamera durch von in Spaltenlängsrichtung (11 ) nebeneinander angeordneten lichtempfindlichen Pixeln gebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Strichmuster der Beleuchtung (6) und eine Bildaufnahmestruktur der Spaltenkamera eine verschiedene Periodizität aufweisen.
16. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15 zum Erm itteln der Brechkraft einer Windschutzscheibe (3) unter einem Blickwinkel (s) zwischen einer Blickrichtung (BR) und einer Messrichtung (MR), unter der die Brech kraft für die Windschutzscheibe (3) gemessen ist, für wenigstens eine der nachfolgenden
Anwendungen:
Ermitteln der Brechkraft der Windschutzscheibe (3) aus dem Sehpunkt (42, 52) eines Fahrers in verschiedenen Blickrichtungen durch die Windschutzschreibe (3); Ermitteln der Brechkraft der Windschutzscheibe (3) aus dem Sehpunkt einer an der Windschutzscheibe (3) angeordneten und durch die Windschutzscheibe (3) aufnehmenden Assistenzkamera für verschiedene Blickrichtungen (BR) innerhalb eines durch ein Objektiv der Assistenzkamera abgedeckten Aufnahmewinkels.
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