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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.

Exposé
Kontakt
Dr.-Ing. Florian Schwabe
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Patentsituation
DE 102017004428 erteilt
US anhängig
Referenznummer
16/050TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.