Ultraschnelle dreidimensionale Erfassung mittels Array-Projektion

Für die Vermessung von Teilen mit komplexer Oberflächenform werden unter anderem optische Messsysteme eingesetzt, die auf der Projektion bestimmter Muster beruhen. An diese Systeme werden immer höhere Anforderungen bezüglich Messgenauigkeit, Messgeschwindigkeit, Flexibilität und Mobilität gestellt. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena, wurde nun ein Messsystem entwickelt, bei dem die Bilder ultra-schnell mittels Array-Projektion erzeugt werden.

Gesamtansicht des Array-Projektors
© Fraunhofer IOF

Gesamtansicht des Array-Projektors

Zahlreiche Messaufgaben erfordern eine sehr hohe Geschwindigkeit, um einerseits z.B. bei der industriellen Qualitätskontrolle mit dem Takt des Produktionsprozesses mitzuhalten, und andererseits beispielsweise 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 oft eine sehr kompakte Bauweise gewünscht.

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

Schematische Anordnung des 3D-Sensorsystems mit Messobjekt

Mit einem kompakten Sensor, bestehend aus zwei Kameras und einem Array-Projektor, 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 statischer Einzelbilder, die gleichzeitig von einer Vielzahl von LED-Mikroprojektoren generiert werden. Der Musterwechsel wird nicht durch einen Wechsel des Bildgebers realisiert, sondern durch das An- und Ausschalten der zu verschiedenen Mikroprojektoren gehörenden LEDs.

Der Vorteil dieser neuen Projektionstechnik gegenüber herkömmlichen Beamern besteht darin, dass durch die geringe Schaltzeit der LEDs wesentlich höhere Bildraten bis zu mehreren 10 KHz erreicht werden können.

Das neue Messsystem besteht aus dem beschriebenen LED-basierten Multiapertur-Projektionssystem, welches neuartige aperiodische Sinus-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 bis zur Aufnahme und 3D-Datenberechnung realisiert.

Der Lichtstrom der Projektion beträgt mehr als 100 Lumen. Es wurden, nur durch die Bildrate der verwendeten Kameras limitiert, mehr als 300 3D-Bilder/s mit dieser Technologie aufgenommen. Dabei können Messobjekte mit einer Tiefenausdehnung bis zur doppelten Messfeldbreite vermessen werden.

Neue Herausforderungen bestehen für die Forscher in der Vermessung hochdynamischer Szenen mit der neuen Messtechnik und der Integration des Array-Projektors in flexible, handgeführte 3D-Messsysteme. Mit der Verwendung der Multiapertur-Projektionstechnik für prozessintegrierte 3D-Messungen kann die Inline Qualitätssicherung in vielen Bereichen der industriellen Produktion erheblich beschleunigt werden.

Array-Projektion zur dreidimensionalen Vermessung
© Fraunhofer IOF

Array-Projektion zur dreidimensionalen Vermessung