Ultraschnelle dreidimensionale Erfassung mittels Arrayprojektion

Für die Vermessung von Teilen mit komplexer Oberflächenform werden u.a. optische Messsysteme verwendet, die auf der Projektion bestimmter Muster beruhen. An diese werden immer höhere Anforderungen bezüglich Messgenauigkeit, Messgeschwindigkeit, Flexibilität und Mobilität gestellt. Ein neues Messsystem, bei dem die Bilder ultra-schnell mittels Arrayprojektion erzeugt werden, wird auf der Messe Control in Stuttgart von seinen Entwicklern präsentiert.

Zahlreiche Messaufgaben erfordern eine sehr hohe Geschwindigkeit, um einerseits z.B. bei der industriellen Qualitätskontrolle mit dem Tempo des Produktionsprozesses mitzuhalten und andererseits z.B. robust gegenüber kleinen Objektbewegungen bzw. Erschütterungen zu sein. Um nicht anfällig gegenüber Umgebungslicht zu sein, ist eine große Lichtstärke bzw. ein hoher Wirkungsgrad der Projektion erforderlich. Bei der Integration von Messsensoren in den Produktionsprozess steht häufig nur wenig freier Raum für die Positionierung des Sensors zur Verfügung. Daher wird häufig eine sehr kompakte Bauweise gewünscht.

Mit einem kompakten Sensor, bestehend aus zwei Kameras und einem Arrayprojektor, haben Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena ein völlig neuartiges Projektionsprinzip für die 3D-Messtechnik nutzbar gemacht. 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 werden.

Arrayprojektor Gesamtansicht
© Fraunhofer IOF

Arrayprojektor Gesamtansicht

Der Vorteil dieser neuen Projektionstechnik besteht darin, dass die Mini-Projektoren schneller als ein herkömmlicher Beamer geschaltet werden können und damit wesentlich höhere Bildraten bis über 1 kHz erzielen.

Das neue 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.

Die Lichtstärke der Projektion beträgt mehr als 1000 Lumen, und es können bis zu 1000 Bilder pro Sekunde generiert, projiziert und aufgenommen werden. Es können Messobjekte mit einer Tiefenausdehnung bis zur Messfeldbreite vermessen 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. Mit der Verwendung der Multiapertur-Arrayprojektionstechnik für prozessintegrierte 3D-Messungen kann die inline Qualitätssicherung in vielen Bereichen der industrielen Produktion erheblich beschleunigt werden.

Schematische Anordnung des 3D-Sensorsystems mit Messobjekt
© Fraunhofer IOF

Schematische Anordnung des 3D-Sensorsystems mit Messobjekt