Ultraschnelle 3D-Messtechnik mittels Array-Projektion

Frontansicht des Array-Projektors
© Fraunhofer IOF

Frontansicht des Array-Projektors

Optische 3D-Sensoren, die auf der Projektion bestimmter Muster basieren, werden überall dort eingesetzt, wo die Oberflächenform komplexer Bauteile berührungslos und mit hoher Genauigkeit vermessen werden soll. Neben der Messgenauigkeit werden auch an Messgeschwindigkeit, Flexibilität und Mobilität stetig höhere Anforderungen gestellt. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena wurde ein neues Messsystem entwickelt, dessen Herzstück ein ultraschneller Array-Projektor ist und das dadurch mehr als 300 3D-Bilder pro Sekunde aufnehmen kann. Die Hochgeschwindigkeits-3D-Vermessung von schnell bewegten Objekten wird bei der Messe Control demonstriert.

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 die Anfälligkeit gegenüber Umgebungslicht zu minimieren, 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, weshalb oft eine sehr kompakte Bauweise gewünscht wird.

3D-Sensorsystem mit integriertem Array-Projektor
© Fraunhofer IOF

3D-Sensorsystem mit integriertem Array-Projektor

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 insbesondere darin, dass durch die geringe Schaltzeit der LEDs wesentlich höhere Bildraten von einigen 10 kHz erreicht werden können.

Das neue Messsystem besteht aus einem 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. Mit dieser Technologie können mehr als 300 3D-Bilder pro Sekunde aufgenommen werden, einzig limitiert durch die Bildrate der verwendeten Kameras. Die Messobjekte können hierbei eine Tiefenausdehnung von bis zur doppelten Messfeldbreite aufweisen.

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.