Three-dimensional shape measurement of transparent objects by pattern transmission photogrammetry
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurde ein deflektometrisches Messverfahren entwickelt, mit welchem die Geometrie transparenter Objekte, insbesondere abbildender Optiken wie z.B. Brillenglasrohlinge, direkt in Transmission gemessen werden kann. Die Messung in Transmission bietet dabei im Vergleich zu etablierten Messverfahren, welche die Vorder- und Rückfläche des Prüflings separat in Reflexion messen, erhebliche Vorteile. Zum einen wird für die Messung der bei transparenten Objekten deutlich höhere Anteil des transmittierten Lichts genutzt, was sich positiv auf die Empfindlichkeit gegenüber störendem Umgebungslicht auswirkt. Zum anderen sind die relative Orientierung beider Flächen sowie die optische Abbildungswirkung intrinsisch in den Messdaten enthalten. Es handelt sich daher um ein holistisches Linsenmessverfahren, welches die simultane Bestimmung der gesamten Prüflingsgeometrie und des Brechungsindex ermöglicht. Die Rekonstruktion der Prüflingseigenschaften erfolgt durch einen modellgestützten Ansatz, welcher mittels rechnerischer Strahlverfolgung (Raytracing) die Parameter des Modells solange iterativ optimiert, bis die simulierten Strahlverläufe hinreichende Übereinstimmung mit den experimentell erfassten Strahlverläufen aufweisen. Im Interesse einer praxistauglichen Messdauer wurden rechenintensive Schritte des Simulations- und Auswerteprozesses parallelisiert. Insbesondere das zur Modelloptimierung wiederholt zu durchlaufende Raytracing konnte durch Auslagerung auf Grafikprozessoren (GPUs) massiv beschleunigt werden. Um die Vorteile des GPU-basierten Raytracings optimal ausnutzen zu können, erfolgt die geometrische Beschreibung der Prüflingsoberflächen durch Kombination eines globalen Modells niedriger Ordnung auf Basis von Zernike-Polynomen sowie eines hierauf bezogenen Dreiecksnetzes variabler Dichte, welches der Darstellung kleiner, lokaler Abweichungen vom globalen Modell dient. Um den Informationsgehalt und die Genauigkeit des Messprozesses zu steigern, wurde ein symmetrischer deflektometrischer Aufbau konzipiert und erstellt, welcher zum einen die simultane Beobachtung in Transmission und in Reflexion ermöglicht und zum anderen unerwünschte Umgebungseinflüsse auf die Messung minimiert. Hinsichtlich der bei Messung in Reflexion auftretenden Überlagerung von Vorder- und Rückseitenreflex wurde aufbauend auf bestehenden Mehrwellenlängenverfahren ein vielversprechender Ansatz identifiziert, welcher jeweils für Teilbereiche der Oberfläche eine gute Signaltrennung ermöglicht. Dabei berücksichtigt der Ansatz einerseits lokale Qualitätsinformationen, die direkt aus den aufgezeichneten Bilddaten bestimmt werden können und benötigt andererseits nur für einzelne Messpunkte vergleichsweise unpräzise Startwerte, welche aus einer zusätzlichen diskreten Ortskodierung gewonnen werden können. Zusätzlich zu der im Projekt realisierten holistischen Linsenmessung haben die durchgeführten Arbeiten wichtige Impulse für verwandte Mess- und Prüftechniken geliefert. Hervorzuheben ist hier insbesondere das im Projekt formulierte Kamera- und Phasenrauschmodell, welches erfolgreich sowohl auf die Vorhersage des statistischen Rauschens von 3D-Messpunkte bei der Anwendung verbreiteter, phasenmessender Streifenprojektionstechniken als auch auf die Optimierung der digitalen Bildkorrelation durch korrekte Gewichtung von Einzelbeobachtungen angewendet werden konnte. Ebenfalls durch das Phasenrauschmodell angeregt wurde ein neuartiger Ansatz zur Detektion und Klassifizierung kurzwelliger Oberflächenimperfektionen wie beispielsweise Kratzer, Schrammen oder Verunreinigungen. Das Verfahren ist in der Lage, Oberflächendefekte zu erkennen, deren Abmessungen deutlich unterhalb der optischen Auflösung des zur Beobachtung eingesetzten Abbildungssystems liegen. Im Unterschied zu etablierten Verfahren, welche eine Beleuchtung des Prüflings in Dunkelfeldanordnung nutzen, ist der neue Ansatz in Hellfeldanordnung anwendbar, wodurch eine Automatisierung des Prüfprozesses deutlich vereinfacht wird.
Publications
- Deflektometrie in Transmission – Ein neues Messverfahren zur Erfassung der Geometrie asphärischer refraktiver Optiken. Dissertation, Schriftenreihe des Instituts für Produktionsmesstechnik, Band 12, Aachen: Shaker, März 2016, ISBN 978-3-8440-4321-1
Fischer, M.
- Defekterkennung an spiegelnden und transparenten Oberflächen durch Abbildung einer örtlich modulierbaren Lichtquelle. In: tm - Technisches Messen, 1 Nov. 2017
Petz, M.; Fischer, M.; Tutsch, R
(See online at https://doi.org/10.1515/teme-2017-0088) - GPU-based raytracing for accelerating deflectometric asphere measurements. EDP Sciences, 18th International Congress of Metrology, 2017
Puschke, A.; Fischer, M.; Petz, M.; Tutsch, R.
(See online at https://doi.org/10.1051/metrology/201714007) - Statistical characterization of evaluation strategies for fringe projection systems by means of a model-based noise prediction. In: Journal of Sensors and Sensor Systems (JSSS) 6 (2017) 1, S. 145-153
Fischer, M.; Petz, M.; Tutsch, R.
(See online at https://doi.org/10.5194/jsss-6-145-2017)
