Deflektometrie

Dreidimensionale Formerfassung von transparenten Objekten mittels Rasterphotogrammetrie in Transmission (DFG Sachbeihilfe)

Motivation

Werkstücke, deren visuelle Erscheinung oder optische Wirkung relevant für ihre Anwendung ist, bedürfen besonders empfindlicher Messverfahren. Im Bereich spiegelnd reflektierender Objekte werden bereits geometrisch-optische Verfahren der Deflektometrie angewandt.

Die geometrische Erfassung refraktiver Optiken, d.h. transparenter und strahlbrechender Werkstoffe, stellt einen neuen Anwendungsbereich der Deflektometrie dar. Dazu wird ein Auswerteverfahren erarbeitet und erprobt, das in Transmission die Ermittlung der geometrischen Beschaffenheit der Vorder- und Rückseite eines Prüflings sowie der optischen Eigenschaften erlaubt.

Lösungsansatz

Das zugrunde liegende Messverfahren für die 3D-Formerfassung ist die Rasterphotogrammetrie. Die Mehrdeutigkeit des Strahlverlaufs verhindert im Allgemeinen die Formerfassung einer Linse, da beide Oberflächen berücksichtigt werden müssen. Eine Erweiterung des konventionellen Versuchsaufbaus der Rasterphotogrammetrie um drei weitere Kameras ermöglicht die eindeutige absolute Bestimmung der räumlichen Lage von einfallenden und gebrochenen Strahlen aus 4 verschiedenen Perspektiven. Das dem Ansatz zugrunde liegende Messprinzip kombiniert hierfür Auswertemethoden der Deflektometrie mit Verfahren der Photogrammetrie. Im Rahmen eines mathematischen Optimierungsprozesses kann so die Prüflingsoberfläche punktweise rekonstruiert werden.

Bisherige Ergebnisse

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines deflektometrischen Messverfahrens mit dem die Geometrie transparenter Objekte und insbesondere refraktiver Optiken, wie z.B. Linsen, direkt in Transmission gemessen werden kann. Die Messung in Transmission bietet dabei im Vergleich zu etablierten Messverfahren, welche die Vorder- und Rückfläche des Prüflings getrennt 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 geometrische Relation beider Flächen und die Wirkung der Brechung intrinsisch in den Messdaten enthalten, so dass sich die gesamte Geometrie des Prüflings und der Brechungsindex simultan rekonstruieren lassen.

Im Rahmen des Projekts wurde ein hinsichtlich Messgenauigkeit und Auflösung optimiertes deflektometrisches Messsystem aufgebaut. Hierfür kamen, im Gegensatz zu den weit verbreiteten Computer-Monitoren aus dem Consumer-Bereich, leistungsfähige Graustufenmonitore aus der Röntgendiagnostik zum Einsatz. In systematischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass diese deutlich besser für deflektometrische Messsysteme geeignet sind. Die systematischen Abweichungen die durch den Einsatz eines LCD-Monitors entstehen, wie z.B. die Lichtbrechung im Glassubstrat oder die Unebenheit der Monitoroberfläche, konnten durch eine modellbasierte Kalibrierung berücksichtigt und weitgehend korrigiert werden.

Für das Messsystem wurden mehrere Rekonstruktionsalgorithmen implementiert und untersucht. Eine punktweise Auswertung der Korrespondenzen von ein- und ausfallenden Lichtstrahlen lieferte bisher keine zufriedenstellenden Ergebnisse, da die Abweichungen von der Prüflingsoberfläche bis zu 1 mm betragen. Es konnte jedoch auf der Grundlage einer ebenfalls im Rahmen des Projekts erarbeiteten Vorhersagemethode für die zufälligen Messabweichungen und einer Beschreibung der Prüflingsgeometrie mittels Zernike-Polynomen ein globaler Rekonstruktionsalgorithmus implementiert werden, mit dem erfolgreich die Geometrie und der Brechungsindex eines asphärischen Brillenglasrohlings in Transmission gemessen wurde. Die Abweichungen der formbeschreibenden Parameter betragen dabei maximal 2%, was einer Abweichung von maximal 30 µm auf der Prüflingsoberfläche entspricht.

Im Rahmen zukünftiger Arbeiten soll neben einer Analyse und Minimierung der systematischen Abweichungen bei der globalen Rekonstruktion insbesondere der Ansatz der lokalen Prüflingsrekonstruktion weiterverfolgt werden, da dieser erhebliches Potential bezüglich der Flexibilität des Messverfahrens bietet. Mit einer punktweisen Rekonstruktion wäre es möglich, auch komplex geformte transparente Objekte, die beispielweise Unstetigkeit (z.B. Stufen) aufweisen, in Transmission zu messen.

Kontakt

Dr.-Ing. Marc Fischer
Tel.: (0531) 391 – 7023
Email: marc.fischer@tu-bs.de