Im richtigen Licht

Ultraschnelle 3D-Messungen mittels Arrayprojektion

Im richtigen Licht

Für die Vermessung von Teilen mit komplexer Oberflächenform werden u.a. optische Messsysteme verwendet, die auf der Projektion bestimmter Muster beruhen. An diese werden allerdings immer höhere Anforderungen bezüglich Messgenauigkeit, Messgeschwindigkeit, Flexibilität und Mobilität gestellt. Neue Möglichkeiten ergeben sich durch ein Messsystem, bei dem die Bilder ultraschnell mittels Arrayprojektion erzeugt werden.
Zahlreiche Messaufgaben erfordern eine hohe Geschwindigkeit, um einerseits z.B. bei der industriellen Qualitätskontrolle mit dem Tempo des Produktionsprozesses mitzuhalten und andererseits robust gegenüber kleinen Objektbewegungen bzw. Erschütterungen zu sein. Um eine Anfälligkeit gegenüber Umgebungslicht zu vermeiden, ist zudem eine große Lichtstärke bzw. ein hoher Wirkungsgrad der Projektion erforderlich. Ein kompakter 3D-Sensor (21x15x5cm) bietet ein völlig neuartiges Projektionsprinzip für die 3D-Messtechnik. Das projizierte Bild wird dabei nicht von einem herkömmlichen Beamer erzeugt, sondern entsteht aus der Überlagerung vieler Einzelbilder, die gleichzeitig von mehreren Mini-Projektoren, die räumlich in einer bestimmten Anordnung zueinander stehen, generiert. Der Vorteil der Projektionstechnik besteht darin, dass die Mini-Projektoren schneller als ein herkömmlicher Beamer geschaltet werden können und damit wesentlich höhere Bildraten bis über 1kHz erzielen. Das Messsystem besteht aus einem LED-basierten Multiapertur-Projektionssystem, welches sinusförmige und binäre Streifenmuster erzeugt, einem Stereo-Kamerapaar, mit dem die projizierten Streifenbilder aufgenommen werden und einer Steuer- und Auswerteeinheit, die den gesamten Prozess von der Bildgenerierung über die Projektion, Aufnahme und 3D-Datenberechnung realisiert. Der Multi-Apertur-Arrayprojektor ermöglicht die Projektion der Mustersequenzen für die 3D-Bildaufnahme durch das rein elektronische Schalten einer Vielzahl von einzelnen LED-Quellen (Bild 2). Bis zu 61 Projektionskanäle beleuchten simultan oder sequenziell das Messfeld. Dabei kann jeder Projektionskanal ein eigenes unabhängiges Bild projizieren. Das elektronische Umschalten der Bilder erfolgt durch das Einschalten der jeweiligen LEDs. Dadurch können Streifenmuster und binäre Muster mit extrem schneller Folge generiert werden. Bei Verwendung von Hochgeschwindigkeitskameras werden Bildraten bis zu 1.000fps erreicht. Die Schaltzeit zwischen den verschiedenen Mustern ist also nicht länger durch die Projektion limitiert, da die Mustergenerierung ohne digitale Bildgeber (DMD, LCOS) erfolgt, sondern nur noch durch die LED-Umschaltelektronik. Das Projektionssystem enthält keine beweglichen Teile und erlaubt durch die kompakte Bauform des Array-Projektors (13,5x15x2,8cm) eine mechanisch robuste, monolithische Sensorausführung. Gleichzeitig führt diese Bauweise gegenüber klassischer Projektion zu vielfach höherer Lichtintensität von bis zu 1.000 Lumen und das bei gleicher Baugröße. Die Vermessung von Objekten mit einer Tiefenausdehnung bis zur Messfeldbreite ist mit dem System möglich. Derzeit beträgt das Messfeld 250x250mm, größere Versionen sind aber auf Anfrage möglich. Mit der Verwendung der Multiapertur-Arrayprojektionstechnik für prozessintegrierte 3D-Messungen kann so die Inline-Qualitätssicherung in vielen Bereichen der industriellen Produktion erheblich beschleunigt werden. Neue Herausforderungen bestehen für die Forscher in der Vermessung hochdynamischer Szenen mit der neuen Messtechnik und der Integration des Arrayprojektors in flexible, handgeführte 3D-Messsysteme.

www.iof.fraunhofer.de

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