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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 |
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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).  |
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| Abbildung
1: Prinzip der Streifentriangulation |
Abbildung 2:
Binärer Graycode (oben) und cosinusförmige Streifen
(unten) |
Innovation:
Adaptivität durch den Einsatz von SLMs |
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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. |  |
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| Abbildung
3: Ferroelektrisches LCOS-Display |
Abbildung 4:
Stereomikroskop mit LCOS-Display zur Streifenerzeugung |
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| Abbildung 5:
Streifenbild vor (links) und nach (rechts) erfolgter
Helligkeitsanpassung |
| Mikrotopometrie mit Stereomikroskop |
| Vermessung
der Mikrotopographie verschiedenster technischer und biologischer
Oberflächen |
| Makroskopische 3D-Vermessung |
| Vermessung
von regulären und Freiformoberflächen aller Art |
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.  |
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| Abbildung
6: Topographie eines gefrästen Stahlblocks mit
Sinusprofil | |
Abbildung 7:
Topographie eines Unterkiefer-Gipsmodells |
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| Abbildung 8:
Topographie eines verchromten Stahlblechs. Höhenwerte sind
Graustufen-codiert. | |
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Kenndaten der
Messsysteme |
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| 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 |
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| 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 |
[1]
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C. Kohler, U. Droste, K. Körner, W. Osten, Reduktion von
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[5]
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[8]
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wm