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Streifentriangulation mit räumlichen Lichtmodulatoren (SLM)

Streifenprojektion mit räumlichen Lichtmodulatoren (SLM)
Prinzip der Streifentriangulation
Innovation: Adaptivität durch den Einsatz von SLMs
Anwendungen
Ergebnisse
Kenndaten der Messsysteme
Referenzen

Die Streifentriangulation ist ein robustes und schnelles Verfahren zur optischen 3D-Vermessung. Es kann, je nach Anforderung, in verschiedenen Skalenbereichen eingesetzt werden. Der Einsatz räumlicher Lichtmodulatoren (engl. Spatial Light Modulator, SLM) wie Flüssigkristall-Displays (LCD), Digital Micromirror Devices (DMD) oder Liquid-Crystal-on-Silicon-Displays (LCOS) zur Streifenerzeugung erlaubt eine individuelle Anpassung des projizierten Streifenmusters an die jeweilige Messaufgabe. So können die Streifen nicht nur in der Periode, sondern auch lokal in der Helligkeit angepasst werden.


Prinzip der Streifentriangulation

Nach dem Prinzip der Triangulation werden Streifen auf die Messszene bzw. das zu untersuchende Objekt projiziert und von einer Kamera unter dem Winkel β detektiert (siehe Abbildung 1). Die von der Kamera detektierte seitliche Auslenkung der Streifen ist hierbei ein Mass für die Höhe des Objekts. Um die Höheninformation zu codieren, wird in einem ersten Schritt zur Grobauflösung eine Streifensequenz, bestehend aus dem binären Graycode projiziert. In einem zweiten Schritt wird zur Feinauflösung eine Sequenz von Streifen mit Cosinus-förmigem Intensitätsprofil nach dem aus der Interferometrie bekannten Phasenschiebeverfahren eingesetzt (siehe Abbildung 2).

Abbildung 1: Prinzip der Streifentriangulation

 

Abbildung 2: Binärer Graycode (oben) und cosinusförmige Streifen (unten)

Abbildung 1: Prinzip der Streifentriangulation Abbildung 2: Binärer Graycode (oben) und cosinusförmige Streifen (unten)

Innovation: Adaptivität durch den Einsatz von SLMs

Pixelierte SLMs lassen sich in verschiedensten Messanordnungen zur makroskopischen und zur mikroskopischen Topometrie einsetzen. Abbildung 3 zeigt ein am Institut verwendetes miniaturisiertes ferroelektrisches LCOS-Display.

Mit dem Einsatz von SLMs lassen sich im Vergleich zum Einsatz mechanisch bewegter Ronchi-Gitter deutlich bessere Tiefenauflösungen erreichen. Abbildung 4 zeigt ein mikroskopisches Messsystem (Messfeldgrösse zwischen 0,8 x 0,6 mm2 und 25 x 19 mm2) auf der Basis eines Stereomikroskops mit dem ferroelektrischen LCOS-Display zur Streifengenerierung. Hierbei wurde ein Arm zur strukturierten Beleuchtung modifiziert, die Beobachtung unter dem Triangulationswinkel β erfolgt durch den zweiten Arm. Für Messungen im makroskopischen Bereich (Messfelddurchmesser ca. 0,5 m) werden am Institut Systeme auf der Basis von DMD-Projektoren eingesetzt.

Ist die Helligkeitsverteilung innerhalb des Messfelds inhomogen, so kann insbesondere in unter- und überbelichteten Bereichen keine Topographie mehr gemessen werden. Durch den Einsatz von SLMs können die projizierten Streifen lokal in ihrer Helligkeit angepasst werden, wodurch eine homogene Ausleuchtung der Messszene gewährleistet wird. Die Qualität und die Vollständigkeit der gemessenen Topographien wird dadurch stark verbessert. Den Vergleich zwischen einem unkorrigierten und einem helligkeitsangepassten Streifenmuster zeigt Abbildung 5. Abbildung 4: Stereomikroskop mit LCOS-Display zur Streifenerzeugung
Abbildung 3: Ferroelektrisches LCOS-Display
Abbildung 3: Ferroelektrisches LCOS-Display Abbildung 4: Stereomikroskop mit LCOS-Display zur Streifenerzeugung
Abbildung 5: Streifenbild vor (links) und nach (rechts) erfolgter Helligkeitsanpassung Abbildung 5: Streifenbild vor (links) und nach (rechts) erfolgter Helligkeitsanpassung
Abbildung 5: Streifenbild vor (links) und nach (rechts) erfolgter Helligkeitsanpassung

Anwendungen

Mikrotopometrie mit Stereomikroskop
  Vermessung der Mikrotopographie verschiedenster technischer und biologischer Oberflächen
Makroskopische 3D-Vermessung
  Vermessung von regulären und Freiformoberflächen aller Art

Ergebnisse

Mit der Streifentriangulation lassen sich 3D-Messungen in verschiedenen Skalenbereichen durchführen. Abbildung 6 zeigt die mit Hilfe eines
DMD-Projektors gemessene Topographie eines sinusförmig gefrästen Stahlblocks. Die Messfeldgrösse betrug in diesem Fall 257 x 257 mm2 bei einer Höhenauflösung von 34 μm. Die Topographie eines Unterkiefer-Gipsmodells zeigt Abbildung 7. Die Messfeldgrösse von 32 x 24 mm2 (Höhenauflösung 4μm) wurde in diesem Fall durch eine Projektor-Eigenentwicklung mit einem ferroelelektrischen LCOS-Display realisiert. Abbildung 8 zeigt schliesslich die Mikrotopographie eines verchromten Stahlblechs. Diese wurde mit dem Sensor, basierend auf einem Stereomikroskop, gemessen. Die Messfeldgrösse betrug hier 1,05 x 0,82 mm2. Die Höhenauflösung lag mit 85 nm deutlich im Sub-μm-Bereich.

Abbildung 6: Topographie eines gefrästen Stahlblocks mit Sinusprofil   Abbildung 7: Topographie eines Unterkiefer-Gipsmodells
Abbildung 6: Topographie eines gefrästen Stahlblocks mit Sinusprofil   Abbildung 7: Topographie eines Unterkiefer-Gipsmodells
 
Abbildung 8: Topographie eines verchromten Stahlblechs. Höhenwerte sind Graustufen-codiert.    
Abbildung 8: Topographie eines verchromten Stahlblechs. Höhenwerte sind Graustufen-codiert.    
 

Kenndaten der Messsysteme

Mikrotopometriesensor, basierend auf einem Stereomikroskop
Display: Ferroelektrisches LCOS-Display mit 1280 x 1024 Pixeln
Kamera: Digitale CMOS-Kamera
Messfeldgrösse: Zwischen 0,8 x 0,6 mm2 und 25 x19 mm2 einstellbar
Triangulationswinkel: 9°, 18°, 28°, je nach verwendetem Objektiv
Höhenauflösung: < 7 x 10-5, bezogen auf die Messfelddiagonale

Makroskopisches 3D-Messsystem
Projektor: DMD-Projektor mit 1024 x 768 Pixeln
Kamera: Analoge CCD-Kamera oder digitale CMOS-Kamera
Messfeldgrösse: 370 x 270 mm2
Triangulationswinkel: 30°
Höhenauflösung: < 1.0 x 10-4 für analoge CCD-Kamera
< 7 x 10-5 für digitale CMOS-Kamera

Referenzen

  1. C. Kohler, U. Droste, K. Körner, W. Osten, Reduktion von Überschwingern bei der 3D-Streifenprojektion durch „Inverse Filterung", tm Technisches Messen, Vol. 73, No. 11, pp. 595-602 (2006).
  2. K.-P. Proll, J.-M. Nivet, K. Körner, H. J. Tiziani; "Microscopic three-dimensional topometry with ferroelectric liquid-crystal-on-silicon displays", Appl. Opt. 42 (10), 1773-1778 (2003)
  3. J.-M. Nivet, K. Körner, U. Droste, M. Fleischer, H. J. Tiziani, W. Osten; "Depth-scanning fringe projection technique (DSFP) with 3-D calibration", Proc. SPIE 5144 , 443-450 (2003)
  4. K.-P. Proll, J.-M. Nivet, K. Körner, H. J. Tiziani; "Application of a ferroelectric liquid-crystal-on-silicon display in fringe projection setups", Proc. SPIE 5144 , 240-247 (2003)
  5. K.-P. Proll, J.-M. Nivet, Ch. Voland, H. J. Tiziani; "Enhancement of the dynamic range of the detected intensity in an optical measurement system by a three-channel technique", Appl. Opt. 41 (1), 130-135 (2002)
  6. K.-P. Proll, J.-M. Nivet, Ch. Voland, H. J. Tiziani; "Application of a liquid-crystal spatial light modulator for brightness adaptation in microscopic topometry", Appl. Opt. 39 (34), 6430-6435 (2000)
  7. R. Windecker, M. Fleischer, H. J. Tiziani; "Three-dimensional topomatry with stereo microscopes", Opt. Eng. 36 (12), 3372-3377 (1997)
  8. K. Leonhardt, U. Droste, H. J. Tiziani; "Microshape and rough-surface analysis by fringe projection", Appl. Opt. 33 , 7477-7488 (1994)