Üblicherweise werden zur Oberflächenvermessung optische Scanner eingesetzt. Diese sind jedoch sehr aufwändig und damit kostenintensiv. Darüber hinaus kann mit ihnen lediglich die äußerste Oberfläche eines Objekts detektiert werden. Weiterhin sind auch mikrowellenbasierte Verfahren bekannt, welche jedoch sehr aufwändige

Optimierungsprozesse erfordern, um verlässliche

Informationen zu erreichen.

So zeigt beispielsweise das europäische Patent EP 1 247 070 Bl ein Verfahren zur Oberflächenvermessung mittels Mikrowellen, welches das aufwändige Phase Unwrapping einsetzt .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine

Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche ohne teure Hardware und ohne großen Rechenaufwand eine

zuverlässige und genaue Oberflächenvermessen ermöglichen

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruch 1 und für das Verfahren durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Vermessung einer Oberfläche eines Messobjekts. Es beinhaltet eine Messeinrichtung, welche ausgebildet ist, um ein Messsignal in Richtung des Messobjekts zu senden und anhand eines resultierenden reflektierten Signals eine Mehrzahl von Voxeln zu bestimmen, welche jeweils eine Phase und eine Magnitude des reflektierten Signals und eine

Raumkoordinate beinhalten. Weiterhin beinhaltet es eine Oberflächen-Bestimmungseinrichtung. Die Raumkoordinaten weisen dabei eine Z-Achse, welche einer Tiefe in dem

Messobjekt entspricht, und eine X-Achse und eine Y-Achse, welche senkrecht auf der Z-Achse stehen, auf. Die

Oberflächen-Bestimmungseinrichtung weist eine Magnituden- Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung von Voxeln größter Magnitude unter Voxeln identischer X-Koordinate und identischer Y-Koordinate, eine Phasen- Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Phasen jeweils zumindest dreier Voxel, wobei die zumindest drei Voxel das Voxel größter Magnitude und/oder benachbarte Voxel sind, eine Winkel-Berechnungseinrichtung zur Bestimmung jeweils eines Normalenvektors der Voxel größter Magnitude aus den jeweiligen Phasen und eine Oberflächen- Rekonstruktionseinrichtung zur Bestimmung der Oberfläche des Messobjekts aus den Raumkoordinaten der Voxel größter Magnitude und den zugehörigen Normalenvektoren auf. Somit können mit geringem Aufwand die Position und Neigung der Oberfläche des Messobjekts bestimmt werden.

Die genutzten benachbarten Voxel sind dabei bevorzugt in X-Richtung und/oder in Y-Richtung gegenüber dem jeweiligen Voxel größter Magnitude benachbart. Die

Phaseninformationen sind so vergleichbar.

Die Phasen-Bestimmungseinrichtung ist bevorzugt

ausgebildet, um die Phasen jeweils zumindest zweier in X- Richtung und/oder in Y-Richtung benachbarter Voxel und des jeweiligen Voxels größter Magnitude zu bestimmen.

Alternativ ist sie ausgebildet, um die Phasen von jeweils zumindest vier in X-Richtung und/oder in Y-Richtung gegenüber dem jeweiligen Voxel größter Magnitude

benachbarter Voxel zu bestimmen. So kann der

Normalenvektor mit minimalem Aufwand bestimmt werden.

Die Oberflächen-Bestimmungseinrichtung ist bevorzugt ausgebildet, um die Phasen von mehr als drei Voxeln zu bestimmen. Die Winkel-Berechnungseinrichtung ist dann ausgebildet, um aus den bestimmten Phasen mehr als einen vorläufigen Normalenvektor zu bestimmen, und um aus den vorläufigen Normalenvektoren den Normalenvektor zu

bestimmen. So kann die Genauigkeit der Bestimmung des Normalenvektors erhöht werden.

Die Vorrichtung weist weiterhin eine Anzeigeeinrichtung auf, welche ausgebildet ist, um die ermittelte Oberfläche des Messobjekts farbig anzuzeigen, wobei jede Richtung der Normalenvektoren sämtlicher Voxel der Oberfläche durch eine bestimmte Farbe dargestellt ist. So kann ein Nutzer sehr einfach die dreidimensionale Struktur der Oberfläche erkennen. Insbesondere ein Erkennen von Fremdkörpern oder Defekten ist so sehr einfach.

Die Vorrichtung weist weiterhin eine Steuereinrichtung auf, welche ausgebildet ist, um anhand der ermittelten Oberfläche und anhand der zu den einzelnen Voxel

ermittelten Phasen Oberflächenanomalien zu detektieren. So kann der Nutzer mit minimalem Nutzeraufwand gesuchte

Anomalien, welche z.B. Fremdkörpern oder Defekten

entsprechen ermitteln. Die Winkel-Berechnungseinrichtung berücksichtigt bevorzugt vorab festgelegte maximale Neigungswinkel der Oberfläche des Messobjekts bei der Berechnung der Normalenvektoren. So kann der Rechenaufwand der Winkel- Berechnungseinrichtung nennenswert reduziert werden.

Das erfindungsgemäße Messverfahren dient der Vermessung einer Oberfläche eines Messobjekts. Ein Messsignal wird in Richtung des Messobjekts gesendet und anhand eines

resultierenden reflektierten Signals wird eine Mehrzahl von Voxeln bestimmt, welche jeweils eine Phase und eine Magnitude des reflektierten Signals und eine

Raumkoordinate beinhalten. Die Raumkoordinaten weisen dabei eine Z-Achse, welche einer Tiefe in dem Messobjekt entspricht und eine X-Achse und eine Y-Achse, welche senkrecht auf der Z-Achse stehen, auf. Voxel größter

Magnitude werden unter Voxeln identischer X-Koordinate und identischer Y-Koordinate bestimmt. Phasen jeweils

zumindest dreier Voxel, wobei die zumindest drei Voxel das Voxel größter Magnitude und/oder benachbarte Voxel sind, werden bestimmt. Ein Normalenvektor der Voxel größter Magnitude wird aus den jeweiligen Phasen berechnet. Eine Oberfläche des Messobjekts wird aus den Raumkoordinaten der Voxel größter Magnitude und den zugehörigen

Normalenvektoren bestimmt. Somit können mit geringem

Aufwand die Position und Neigung der Oberfläche des

Messobjekts bestimmt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft beschrieben. In der

Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messgeräts in einer ÜbersiehtsdarStellung,·

Fig. 2 ein zweite Ausführungsbeispiel des

erfindungsgemäßen Messgeräts in einem Blockschaltbild;

Fig. 3 eine Darstellung der Voxel eines Messergebnisses eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Messgeräts, und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Messverfahrens .

Zunächst wird anhand an Fig. 1 der grobe Aufbau und die grobe Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Messgeräts erläutert. Anschließend wird anhand von Fig. 2 näher auf die Funktionsweise eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen

Messgeräts eingegangen. Anhand von Fig. 3 werden daraufhin einige weitere Details der Funktionsweise eines

Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Messgeräts und eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen

Verfahrens erläutert. Abschließend wird anhand von Fig. 4 im Detail auf die Funktionsweise eines

Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens eingegangen. Identische Elemente werden in ähnlichen

Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben .

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des

erfindungsgemäßen Messgeräts 4 dargestellt. Das Messgerät 4 verfügt über eine Antennenanordnung 2 und ein Messgeräte-Gehäuse 3. Die Antennenanordnung 2 ist neben einem Messobjekt 1 angeordnet. Bei dem Messobjekt 1 handelt es sich hierbei beispielsweise um den Oberkörper einer Person. Das Messgerät 4 kann so eingesetzt werden, um versteckte Fremdkörper, z.B. eine Waffe an einem

Körper, zu erkennen. Das Messgerät ist jedoch nicht auf den Einsatz mit einer Person als Messobjekt eingeschränkt. So kann es ebenso eingesetzt werden, um unbelebte

Gegenstände zu vermessen. Ein Einsatz in der

Materialprüfung ist z.B. möglich.

Das Messgerät 4 beaufschlagt das Messobjekt 1 mittels der Antennenanordnung 2 mit einem Signal, bevorzugt einem Mikrowellensignal. Ein von dem Messobjekt 1 reflektiertes Signal wird von der Antennenanordnung 2 erneut aufgefangen und von dem Messgerät 4 weiterverarbeitet. Bevorzugt werden dabei nacheinander oder gleichzeitig Signale unterschiedlicher Frequenzen mittels der Antennenanordnung 2 in Richtung des Messobjekts gesendet. Dies dient der Erhöhung der Auflösung und gleichzeitig der Verringerung von Mehrdeutigkeiten in den Messergebnissen. Bei der hier dargestellten Antennenanordnung 2 handelt es sich um eine Vielzahl von Antennen, welche jeweils als Sende- /Empfangsantenne . Alternativ können getrennte

Sendeantennen und Empfangsantennen eingesetzt werden.

Diese sind dabei derart anzuordnen, dass von dem

Messobjekt reflektierte Signale die Empfangsantennen erreichen . Darüber hinaus ist der Einsatz einer transmissiven

Messung, d.h. einer des Messobjekts durchstrahlende

Messung, denkbar. In diesem Fall sind Sendeantennen und Empfangsantennen derart anzuordnen, dass das Messobjekt 1 dazwischen liegt. In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des

erfindungsgemäßen Messgeräts 4 dargestellt. Das Messgerät 4 beinhaltet eine Antennenanordnung 2, welche außerhalb des Messgeräte-Gehäuses 3 angeordnet ist. Darüber hinaus beinhaltet das Messgerät 4 eine Messeinrichtung 5, welche die genannte Antennenanordnung 2, eine Sende-/Empfangs- Einrichtung 11 und eine Hochfrequenz- Verarbeitungseinrichtung 12 beinhaltet. Die Sende- /Empfangs-Einrichtung 11 ist dabei ausgebildet, um mittels der Antennenanordnung 2 das Messobjekt 1 mit Signalen zu beaufschlagen und um von dem Messobjekt reflektierte

Signal bzw. das Messobjekt durchdringende Signale mittels der Antennenanordnung 2 zu erfassen. Diese Sende- /Empfangs-Einrichtung 11 ist mit der Hochfrequenz- Verarbeitungseinrichtung 12 verbunden und überträgt die Messergebnisse an die Hochfrequenz- Verarbeitungseinrichtung 12. Die Hochfrequenz- Verarbeitungseinrichtung 12 bestimmt aus den

Messergebnissen Daten von Voxel, welche Volumenelementen in dreidimensionalem Raum entsprechen. Die Daten jedes Voxel beinhalten dabei eine Phase und eine Magnitude der reflektierten bzw. transmittierten Signale und eine entsprechende Raumkoordinate.

Die Hochfrequenz-Verarbeitungseinrichtung 12 bestimmt die Daten der Voxel dabei derart, dass eine Z-Koordinate einer Tiefe in dem Messobjekt 1 entspricht. Eine X-Koordinate und eine Y-Koordinate werden dabei derart bestimmt, dass sie jeweils senkrecht aufeinander und auf der Z-Koordinate stehen. Auf das genaue Verfahren der Rekonstruktion dieser Daten wird an dieser Stelle nicht eingegangen, da es sich um ein fachübliches Verfahren handelt. Weiterhin beinhaltet das Messgerät 4 eine Oberflächen- Bestimmungseinrichtung 6. Die Oberflächen- Bestimmungseinrichtung 6 beinhaltet eine Magnituden- Bestimmungseinrichtung 13, eine Phasen- Bestimmungseinrichtung 14, eine Winkel- Berechnungseinrichtung 15 und eine Oberflächen- Rekonstruktionseinrichtung 16.

Die Ergebnisse der Hochfrequenz-Verarbeitungseinrichtung 12 werden der Magnituden-Bestimmungseinrichtung 13 zugeführt. Die Magnituden-Bestimmungseinrichtung 13 bestimmt dabei jeweils Voxel größter Magnitude bei identischer X-Koordinate und identischer Y-Koordinate. D.h. es wird für jede Reihe von Voxeln entlang der Z-Achse das Voxel größter Magnitude bestimmt. Dies wird für sämtliche Reihen von Voxeln entlang der Z-Achse

wiederholt. Dieses Voxel größter Magnitude wird als

Oberfläche des Messobjekts an dem durch die X-Koordinate und die Y-Koordinate festgelegten Punkt erfasst.

Das Ergebnis der Magnituden-Bestimmungseinrichtung 13 wird der Phasen-Bestimmungseinrichtung 14 zugeführt. Die

Phasen-Bestimmungseinrichtung 14 bestimmt nun Phasen jeweils zumindest dreier Voxel, wobei die zumindest drei Voxel das jeweilige Voxel größter Magnitude und/oder horizontal, vertikal oder/oder diagonal benachbarte Voxel sind. So wird im einfachsten Fall die Phase des Voxels maximaler Magnitude und die Phase eines in X-Richtung und/oder in Y-Richtung benachbarten Voxels bestimmt.

Alternativ können auch die Phasen von vier Voxeln, welche in X-Richtung und/oder in Y-Richtung dem Voxel größter Magnitude benachbart sind, bestimmt werden. Weiterhin können die Phasen von mehr als vier dieser Voxel bestimmt werden. Dieser Schritt wird für jedes der Voxel größter Magnitude wiederholt.

Die Ergebnisse der Phasen-Bestimmungseinrichtung 14 werden anschließend der Winkel-Berechnungseinrichtung 15

zugeführt. Die Winkel-Berechnungseinrichtung 15 berechnet zu jedem von der Magnituden-Bestimmungseinrichtung 13 bestimmten Voxel größter Magnitude einen Normalenvektor der Oberfläche. Hierzu werden aus den Phasen des Voxels größter Magnitude bzw. der benachbarten Voxel Winkel berechnet und diese in einen Normalenvektor umgerechnet.

Auf die genaue Funktion der Magnituden- Bestimmungseinrichtung 13, der Phasen- Bestimmungseinrichtung 14 und der Winkel- Berechnungseinrichtung 15 wird anhand von Fig. 3 näher eingegangen .

Die ermittelten Normalenvektoren der von der Magnituden- Bestimmungseinrichtung 13 bestimmten Voxel größter

Magnitude werden anschließend der Oberflächen- Rekonstruktionseinrichtung 16 zugeführt. Diese bestimmt aus den Normalenvektoren und den Raumkoordinaten der Voxel größter Magnitude eine Oberfläche des Messobjekts. Die ermittelte Oberfläche wird anschließend einer

Anzeigeeinrichtung 17 zugeführt, welche ebenfalls Teil des Messgeräts 4 ist.

Weiterhin ist Teil des Messgeräts 4 eine Steuereinrichtung 18, welche mit sämtlichen übrigen Komponenten verbunden ist und diese steuert. Darüber hinaus ist die

Steuereinrichtung 18 ausgebildet, um anhand der von der Oberflächen-Rekonstruktionseinrichtung 16 ermittelten Oberfläche und/oder anhand der von der Phasen- Bestimmungseinrichtung 14 bestimmten Phasen

Oberflächenanomalien zu detektieren. Diese zeichnen sich durch plötzliche Phasensprünge und damit Änderungen der Richtung des Normalenvektors entlang der Oberfläche aus. So kann z.B. bei einer Anwendung in Sicherheitskontrollen die Anwesenheit eines Fremdkörpers an der Körperoberfläche einer untersuchten Person detektiert werden. Alternativ kann mit diesem Verfahren eine Oberflächenanomalie, z.B. ein Lackschaden bei einer Oberflächenanalyse ermittelt werden.

In Fig. 3 sind nun eine Vielzahl von Voxeln als Ergebnis der Messeinrichtung 5 aus Fig. 2 dargestellt. Die Z-Achse entspricht dabei einer Tiefe in dem Messobjekt 1 aus Fig. 1. Die Y-Achse und die X-Achse stehen dabei senkrecht aufeinander und auf der Z-Achse. Hier dargestellt sind hintereinander entlang der Z-Achse drei Voxel-Ebenen 20a, 20b und 20c. Die Voxel größter Magnitude sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Nebeneinander sind jedoch in der Voxel-Ebene 20a vier Alternativen zur Auswahl der heranzuziehenden Voxel zur Phasenbestimmung durch die Phasen-Bestimmungseinrichtung 14 aus Fig. 2 gezeigt. Um ein zentrales Voxel 21a sind entlang der X- Achse benachbarte Voxel 22a und 23a gezeigt. Weiterhin sind entlang der Y-Achse benachbarte Voxel 24a und 25a gezeigt. Um nun den Normalenvektor des Voxels größter Magnitude 21a zu bestimmen, werden die Phasen der entlang der X-Achse benachbarten Voxel 22a und 23a bestimmt.

Weiterhin werden die Phasen der entlang der Y-Achse benachbarten Voxel 24a und 25a bestimmt.

Werden jeweils die Phasen der benachbarten Voxel genutzt, so ergeben sich zwei Winkel, welche zu einem

Normalenvektor verrechnet werden können. Wird jedoch zusätzlich die Phase des Voxels größter Magnitude 21a herangezogen, so ergeben sich vier Winkel und damit eine Überbestimmung des Normalenvektors. Diese Redundanz kann durch die Winkel-Berechnungseinrichtung 15 genutzt werden, um Fehler auszugleichen. Als Ergebnis wird lediglich ein Normalenvektor des Voxels größter Magnitude 21a bestimmt.

Alternativ kann zusätzlich zu einem Voxel größter

Magnitude 21b lediglich ein benachbarter Voxel 22b in X- Richtung und ein benachbarter Voxel 24b in Y-Richtung herangezogen werden. In diesem Fall ergibt sich keine Redundanz. D.h. die drei Phasenwerte der drei Voxel werden direkt herangezogen, um den Normalenvektor zu berechnen. Alternativ können zusätzlich zu einem Voxel größter

Magnitude 21c diagonal benachbarte Voxel, d.h. ein in X- Richtung und in Y-Richtung benachbartes Voxel 26c und ein in X-Richtung und Y-Richtung benachbartes Voxel 29c herangezogen werden. Auch in dem hier dargestellten

Beispiel ergibt sich keine Redundanz, so dass der

Normalenvektor anhand sämtlicher der drei Phasenwerte bestimmt wird.

Darüber hinaus können sämtliche in X-Richtung, Y-Richtung und diagonal benachbarte Voxel 22d-29d, welche um ein

Voxel größter Magnitude 21d angeordnet sind und das Voxel größter Magnitude 21d zur Bestimmung der Normalenvektoren herangezogen werden. In diesem Fall ergibt sich eine große Überbestimmung des Normalenvektors. Diese Überbestimmung wird zur Vermeidung von Messfehlern als Redundanz genutzt.

Im Folgenden wird lediglich für den einfachen Fall, welcher um das Voxel 21a dargestellt ist, eine

entsprechende Winkelberechnung gezeigt. Dabei entspricht Δ _χ : Voxelabstand in X-Richtung

Δ _γ : Voxelabstand in Y-Richtung

Δ _ζ : Voxelabstand in Z-Richtung

Δρ _χ : Phasenunterschied zwischen den Voxeln 22a und 23a Δρ _γ : Phasenunterschied zwischen den Voxeln 24a und 25a Λ : Wellenlänge bei der Mittenfrequenz

Es ergibt sich somit

Um die Komplexität der Berechnung zu reduzieren, kann darüber hinaus der maximale Neigungswinkel der

untersuchten Oberfläche gegenüber der Verbindungslinie zwischen der Antennenanordnung und dem Messobjekt festgelegt werden. Dabei entsprechen: 9 _x ^max : Maximale Neigung in X-Richtung

9 _y ^max : Maximale Neigung in Y-Richtung

Da Δρ _χ und Δρ _γ jeweils 2n erreichen können, ergeben sich optimale Δχ und Δγ, wenn

Um Fehler durch Mehrdeutigkeiten in den Phasenwerten zu vermeiden, sollte dabei Δζ <= λ / 2 sein.

Die somit ermittelten Winkel θ _χ und 9 _y müssen nun

lediglich in Kugelkoordinaten umgerechnet werden,

geschieht wie folgt:

Um nun eine optimale Darstellung der Ergebnisse zu

erreichen, werden die soeben ermittelten Kugelkoordinaten den Koordinaten in einem HSV-Farbraum zugeordnet. Die einzelnen Voxel der Oberfläche werden somit jeweils in der zugeordneten Farbe des entsprechenden Normalenvektors auf der Anzeigeeinrichtung 17 aus Fig. 2 dargestellt. Es lässt sich somit anhand der Farbe sofort die Neigung der

Oberfläche an dem jeweiligen Punkt beurteilen. So lassen sich insbesondere sehr einfach plötzliche Änderungen in der Neigung der Oberfläche erkennen.

Anhand von Fig. 4 ist im Folgenden ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt 30 erfolgt eine Bestrahlung des Messobjekts mit einem Messsignal. In einem zweiten Schritt 31 wird von dem Messobjekt reflektierte Strahlung empfangen. In einem dritten Schritt 32 werden anhand der reflektierten

Strahlung Betrag und Phase sämtlicher Voxel des

Messobjekts berechnet. In einem vierten Schritt 33 werden anschließend für sämtliche Voxel mit jeweils identischer X-Koordinate und jeweils identischer Y-Koordinate, d.h. für jeweils Reihen von Voxeln entlang der Z-Achse die Voxel größter Magnitude, d.h. die hellsten Voxel,

bestimmt. Diese Voxel werden somit als Oberfläche des Messobjekts bei dieser X-Koordinate und dieser Y- Koordinate ermittelt. In einem fünften Schritt 34 werden anschließend die Phasen der bestimmten Voxel größter

Magnitude und die Phasen von benachbarten Voxeln bestimmt. Dies ist anhand von Fig. 3 näher erläutert. Anschließend wird in einem sechsten Schritt 35 der Normalenvektor der jeweiligen Voxel größter Magnitude anhand der bestimmten

Phasen berechnet. In einem siebten Schritt 36 erfolgt eine Oberflächenrekonstruktion basierend auf den bestimmten Normalenvektoren und der Raumkoordinate der Voxel größter Magnitude. In einem optionalen achten Schritt 37 erfolgt weiterhin eine Detektion von Oberflächenanomalien anhand der rekonstruierten Oberfläche und/oder der ermittelten Phasen .

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte

Ausführungsbeispiel beschränkt. So können

unterschiedlichste Frequenzen der Messsignale herangezogen werden. Insbesondere besteht keine Festlegung auf

Mikrowellensignale, wenngleich diese bevorzugt sind.

Darüber hinaus können auch unterschiedlichste Verfahren herangezogen werden, um aus den Messergebnissen die

Magnituden und Phasen der einzelnen Voxel zu bestimmen. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale und/oder in den Figuren gezeigten Merkmale und/oder in den Ansprüchen beanspruchte Merkmale sind im Rahmen der Erfindung

beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.