Verfahren zur Fokus-scannenden Triangulation mit strukturierter Beleuchtung und zwei Wavelet-Signalen
Kurzfassung
Dieses Messsystem – basierend auf fokus-variierender Triangulation mit Streifenbeleuchtung – ermöglicht die robuste 3D-Erfassung von Objekten mit hohem Aspektverhältnis auch bei großem Arbeitsabstand.
Hintergrund
Im Bereich der 3D-Gestaltmessung gibt es Optimierungsbedarf im Sinne der Robustheit der Messung im allgemeinen sowie der Verbesserung zur Erfassung von nicht-kooperativen Objektpunkten, speziell auch bei Geometrien mit großem Aspektverhältnis.
Problemstellung
Stand der Technik sind hier die fokussierenden Triangulationsmessanordnungen mit strukturierter Beleuchtung und Generierung eines Wavelet-Signals. Das hochauflösende Verfahren der Fokus-scannenden Triangulation mit strukturierter Beleuchtung und Nutzung der Phaseninformation funktioniert an nicht-kooperativen Objektpunkten wie Kanten oder Flächenbereichen hoher Gradienten und Hell-Dunkel-Übergängen jedoch nur eingeschränkt. Insbesondere wenn die Enveloppe des Wavelet-Signals über der Fokustiefe etwas asymmetrisch, also deformiert ist.
Lösung
An der Universität Stuttgart wurden ein Verfahren und eine Anordnung zur fokus-variierenden Triangulation mit Streifenbeleuchtung, insbesondere auch für die 3D-Gestaltmessung im mikro- und mesoskopischen Bereich, entwickelt, welche die Robustheit des Messens erhöhen soll.
Zwei Wavelet-Signale W1 und W2, die in Schwebung sind, oder sich in fein und grob unterscheiden, werden unter Nutzung der Streifen-Triangulation mit Durchfokussieren bei jedem Tiefen-Scan getrennt erzeugt. Dabei wird der Eindeutigkeitsbereich der Phasenmessung um die Schwebungswellenlänge oder die grobe Wellenlänge erweitert, so dass die sehr unerwünschten 2Pi-Sprünge hier stark reduziert sind. Durch die Verwendung vergleichsweise lichtstarker Objektive für Projektion und Detektion kann an kooperativen Objekten mit hohen Frame-Raten gemessen werden.
Die Erfindung besitzt einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem „konfokalen Ansatz“: Es gelangt sehr viel mehr Licht auf den Kamera-Chip. Im Vergleich ist deshalb ein viel schnelleres Messen möglich.
Auch gegenüber „SIM mit flying Phase-shift“ zeigt dieses Verfahren Vorteile: Es gibt eine zumindest teilweise Ausmittelung von Speckling-Effekten. Im Vergleich werden also deutlich mehr optische Primär-Daten, hier Bilder, zur Verrechnung gewonnen und verarbeitet.
Vorteile
- Verbesserte Robustheit der 3D-Messung
- Messen vom schwach mikroskopischen bis zum mesoskopischen Bereich
- Messen von Objekten mit hohem Aspekt-verhältnis, da kein Problem mit der Schärfentiefe
- Mikrometer-Auflösung in den drei Raumkoordinaten, ggf. auch Sub-Mikrometer-Auflösung in der Tiefe
- Schnelleres Messen als beim konfokalen Ansatz
- Großer Arbeitsabstand (40mm) im Vergleich zur structured illumination microscopy (SIM) oder zur konfokalen Mikroskopie
Anwendungsbereiche
Es soll eine robuste 3D-Erfassung auch vergleichsweise tief geformter Objekte (Aspekt-Verhältnis ist deutlich höher als z. B. bei einer Münzprägung) ermöglicht werden, sowohl mit einer hohen lateralen Auflösung als auch einer besonders hohen Tiefenauflösung. Dabei steht eine extrem schnelle 3D-Messung nicht im Vordergrund.