Streifentriangulation 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.

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)

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 3: Ferroelektrisches LCOS-Display	Abbildung 4: Stereomikroskop mit LCOS-Display zur Streifenerzeugung

Abbildung 5: Streifenbild vor (links) und nach (rechts) erfolgter Helligkeitsanpassung

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 8: Topographie eines verchromten Stahlblechs. Höhenwerte sind Graustufen-codiert.