Goboprojektion für Hochgeschwindigkeits-3D-Messungen

Die optische 3D-Messtechnik basierend auf aktiver Musterprojektion ist ein fest etabliertes Verfahren in vielen Anwendungsgebieten von Industrie und Forschung. Eingesetzt werden 3D-Scanner in der Qualitätssicherung, der Medizintechnik, der Forensik oder zur Archivierung von Kulturgütern. Das Messprinzip erlaubt dabei eine berührungslose und hochgenaue dreidimensionale Rekonstruktion von Objektoberflächen. So können selbst Formabweichungen im Bereich weniger Mikrometer detektiert werden. Konventionelle 3D-Scanner sind durch den Einsatz von klassischen Projektoren nur eingeschränkt in der Lage, der stetigen Forderung nach höheren Aufnahmeraten und Auflösungen nachzukommen. Die Lösung dieses Problems ist eine Kernaufgabe aktueller Forschung im Rahmen der 3D-Messtechnik. Bei schnellen Objektdeformationen oder zur Untersuchung von schnellen Prozessen war es bisher meist nur möglich, einen Vergleich zwischen der Objektform im Ausgangszustand und nach einer Änderung durchzuführen. Ein sogenannter Soll-Ist-Vergleich dieser zwei Zustände liefert jedoch keinen Einblick in die zugrundeliegenden Deformationsprozesse.

Das am Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena entwickelte Messsystem ist in der Lage, durch ein innovatives Projektionsprinzip eine extreme Steigerung der Aufnahmerate zu realisieren. Über 5.500 voneinander unabhängige 3D-Datensätze der Objektoberfläche können erstmals pro Sekunde mit jeweils mehr als 250.000 Messpunkten durch das System rekonstruiert werden. Bei einer 3D-Rate von 1.300 Datensätzen pro Sekunde können in jeder Einzelaufnahme 1 Mio. Oberflächenpunkte vermessen werden.

Hochgeschwindigkeits-3D-Messsystem
© Fraunhofer IOF, Jena

Hochgeschwindigkeits-3D-Messsystem

Das Messsystem basiert auf zwei Hochgeschwindigkeitskameras mit einer Bildrate von über 13 kHz bei einer Auflösung von einem Megapixel. Die Kameras beobachten das Messobjekt in einer sogenannten Stereoanordnung, während mit einer sehr hohen Geschwindigkeit die zur Berechnung notwendigen Muster projiziert werden. Als Projektionssystem kommt ein GOBOprojektor zum Einsatz. Dabei steht die Abkürzung GOBO für GOes Bevor Optics und beschreibt die Anordnung der Optik gegenüber einem Projektionsrad. Bei diesem sogenannten GOBO-Rad handelt es sich um eine lasergeschnittene Metallmaske mit einer binären Streifenstruktur. Durch eine gezielte Defokussierung und die Bewegungsunschärfe resultierend aus der Drehbewegung des Rades wird ein sogenanntes aperiodisches Sinusmuster auf das Messobjekt projiziert. Durch dieses spezielle Muster ist es möglich, aus den Kamerabildern die 3D-Daten des Messobjektes zu berechnen.

Die Lichtstärke der Projektionseinheit ist durch den Einsatz einer Hochleistungs-Gasentladungslampe sehr groß. Selbst bei extrem kurzen Belichtungszeiten von nur 2,5 µs können die zur Berechnung notwendigen Kamerabilder aufgenommen werden. Dies ermöglicht es, höchst anspruchsvolle Messaufgaben zu bewältigen. So wurden mit dem System bereits Entfaltungen von Airbags mit einer Dauer von gerade einmal 35 ms mit mehreren hundert Aufnahmen dreidimensional vermessen. Genutzt wird das System ebenfalls für Untersuchungen im Personenschutz, insbesondere in der Crashtestforschung und liefert hier eine bisher unerreichte Datenqualität.

Darüber hinaus erlaubt das Grundprinzip der GOBOprojektion für Hochgeschwindigkeits-3D-Messsysteme den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien, wie der Bewegungsanalyse in der medizinischen Forschung oder Sportwissenschaft, die Verwendung in Produktionslinien zur Inline-Qualitätssicherung selbst bei hohen Taktzahlen und zur Vermessung von Großobjekten wie Flugzeugtragflächen, Schiffen oder Rotorblättern von Windkraftanlagen. Die hohe Datendichte, die enorme zeitliche Auflösung und die hohe Genauigkeit der Oberflächenrekonstruktion durch das neue 3D-Messsystem, ermöglichen neben einem großen Informationsgewinn in verschiedensten Forschungsgebieten einen großen Schritt zur 100-Prozent-3D-Inline-Qualitätskontrolle für eine Vielzahl industrieller Anwendungen.

Messungen des Entfaltungsvorganges an einem Airbag-Demonstrator-System
© Fraunhofer IOF, Jena

Messungen des Entfaltungsvorganges an einem Airbag-Demonstrator-System