Optische Tiefenprofilbestimmung auf der Basis adaptiv generierter Beugungsmuster
Final Report Abstract
Ziel dieses Projektes war es, eine neues Verfahren zur optischen Tiefenprofilbestimmung zu entwickeln und zu analysieren, das sich an derzeit als kritisch angesehene Randbedingungen wie hohe Umgebungshelligkeit und untexturierte Oberflächen anpassen kann. Dazu wurde gezeigt, wie ein LCoS-Mikrodisplay (Liquid Crystal on Silicon) als dynamisches Phasengitter zur räumlichen Lichtmodulation für die Projektion adaptiver Beugungsmuster verwendet werden kann. Einer systemtheoretischen Beschreibung folgte die Güte- Untersuchung und Erweiterung von Algorithmen zur Phasengitterberechnung, die auf einem massiv parallelen Grafikprozessor in Echtzeit umgesetzt wurde. Die Fourierholographische Laserprojektion konnte somit erstmalig in Echtzeit realisiert werden. Gegenüber heute üblichen regelmäßigen Abtastrastern wird eine oberflächenadaptive Abtastung vorgestellt, in der Projektionsmuster während des laufenden Messvorgangs adaptiv zu bereits vermessenen Abtastpunkten an Stellen größter Tiefengradienten platziert werden. Die daraus resultierende Minimierung des Gesamtfehlers des Tiefenprofils konnte an der Abtastung von Testszenarien gezeigt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Projektionsmustern, die unabhängig vom Systemsetup entworfen werden, sind in diesem Projekt konfliktfreie, eindeutige Abtastraster entwickelt worden. Ein vorgestellter Algorithmus modifiziert beliebige Raster bei größtmöglicher Musterähnlichkeit derart, dass sich detektierte Musterpunkte stets eindeutig ihren Projektionsstrahlen zuordnen lassen. Diese eindeutige Lösung für die problematische Korrespondenzfindungsphase des Messprozesses gilt nicht nur für dynamische Muster, sondern kann für die Herstellung jedweder statischer diskreter Muster oder Abtastsequenzen übernommen werden. Die Verfahrensgrenzen und Genauigkeit wurden sowohl theoretisch simuliert und dargestellt als auch praktisch in einem realen, detailliert beschriebenen Messaufbau bestätigt. Mit dem derzeitigen Stand der Technik in der Mikrodisplay-Technologie konnte das neuartige Verfahren zur Tiefenprofilbestimmung entwickelt und sein Potential analysiert werden. Die fortschreitende Miniaturisierung bei Mikrodisplays kommt diesem Verfahren zugute. Die Strukturgröße des aktuellen Phasengitters ist durch die Pixelgröße von 8,1 x 8,1 µm um bis zu drei Zehnerpotenzen größer als erreichbare Strukturgrößen von statischen Gittern. Für das Gesamtsystem ist dieser Größenunterschied gravierend, denn für ein zwischen ein und zwei Zehnerpotenzen kleineres Phasengitter kann das zur Aufweitung des Laserstrahls auf Gitter- /Displaygröße benötigte Linsensystem mit Modenblende komplett entfallen. Die Displaydiagonale entspricht dann direkt dem kollimiertem Strahldurchmesser des Lasers. Zusätzlich kann in diesem Fall auch die Fresnel-Linse zum Erreichen der Fraunhoferregion komplett wegfallen. Die Fraunhoferregion ist bei dieser geringen Strukturgröße bereits für z>0,0843 m erreicht. Die Punkte sind ab dieser Entfernung fokussiert und unterliegen lediglich der üblichen Fernfelddivergenz des Laserstrahls und der Faltung mit der vernachlässigbar kleinen Displayapertur, wie dies auch bei statischen Phasengittern und anderen Verfahren wie Scanning Laser der Fall ist. Durch den Wegfall dieser Komponenten entsteht ein kostengünstiges, mechanisch robustes System, das lediglich aus Lasermodul, Display und Detektor besteht.
Publications
- „Dynamische Beugungsmuster für die optische Tiefenprofilbestimmung“ VDI-Bericht 1981, Bildverarbeitung in der Mess- und Automatisierungstechnik, ISBN 978-3- 18-091981-2, VDI/VDE-GMA, Regensburg, S. 23-34, 2007
D. Lubeley
- „Laserprojektion auf Basis von Beugung - Bildwiedergabe und 3D-Erfassung“, ITG-Fachbericht 199, Vorträge des 12. Dortmunder Fernsehseminars vom 20. bis 21. März 2007 in Dortmund, ISBN 978-3-8007-3019-3, VDE-Verlag, Berlin und Offenbach, pp. 197-200, 2007
D. Lubeley
- „Unambiguous Dynamic Diffraction Patterns for 3D Depth Profile Measurement“, Pattern Recognition - 29th DAGM Symposium, ISBN 978-3-540-74933-2, Springer Verlag, Heidelberg, pp. 42-51, 2007
D. Lubeley
- Fourierholographische Laserprojektion in Echtzeit, ITG Fachbericht, Vorträge des 13. Dortmunder Fernsehseminars vom 17. bis 18. März 2009 in Dortmund, 2009
D. Lubeley, M. Bernau
- Fourierholographische Projektion von Bewegtbildsequenzen mit effizienter Berechnung der Phasenhologramm, ITG Fachbericht, Vorträge des 13. Dortmunder Fernsehseminars vom 17. bis 18. März 2009 in Dortmund, 2009
M. Bernau, D. Lubeley
