Deflektometrie zur schnellen 3D-Inline-Inspektion in der Bewegungung

H. Liang, C. Faber

MOTIVATION

Hochschule Landshut Gruppe OSIP

Phasenmessende Deflektometrie (PMD, [1]) ist ein etabliertes Verfahren zur Topographievermessung spiegelnder Oberflächen. Hierfür wird jedoch eine zeitliche Sequenz mehrerer Kamera-aufnahmen benötigt. Für Messobjekte auf einem Förderband in Bewegung ist das Verfahren daher nicht geeignet. Single-Shot PMD (SSP, [2]) ist eine mögliche Lösung. Allerdings verringert sich dabei die Robustheit beim Phase-Unwrapping. In diesem Beitrag wird eine Möglichkeit aufgezeigt, die Robustheit der SSP zu erhöhen und diese dadurch auch für unkooperative Objekte einsetzbar zu machen.

MESSPRINZIP DER KLASSISCHEN PMD

[2] Y. Liu, E. Olesch, Z. Yang and G. Häusler, “Fast and accurate deflectometry with crossed fringes”, Adv. Opt. Techn. 3 (4), 2014, 441-445

[1] G. Häusler, “Verfahren und Vorrichtung zur Ermittelung der Form oder Abbildungseigenschaften von spiegelnden oder transparenten Objekten", Patent DE 19944354, 1999

[3] H. Liang; E. Olesch; Z. Yang; G. Häusle, “Single-Shot Phase Measuring Deflec-tometry for Cornea Measurement“. Adv. Opt. Techn. 5(5-6), 2016, S.433–438

[4] W. Lohry, V. Chen and S. Zhang, “Absolute three-dimensional shape measurement using coded fringe patterns without phase unwrapping or projector calibration“, Opt. Express 22, 2014, 1287-1301

Das Prinzip der PMD ist in Fig.1 aufgezeigt. Ein sinusförmiges Streifenmuster wird auf eine Mattscheibe projiziert. Das vom Objekt reflektierte verformte Muster wird von der Kamera aufgenommen. Für die Phasenauswertung wird ein geeignetes Phasenschiebeverfahren in zwei Richtungen durchgeführt (Fig.2). Zur Beseitigung der Phasensprünge ("Unwrap") kann z.B. das Phasenschiebeverfahren in einer anderen teilerfremden Streifenperiode wiederholt werden (Fig.3). Sowohl die Phasenauswertung als auch das Phase-Unwrapping erfolgen bei der klassischen PMD durch die zeitliche Bildsequenz.

Z��������������Mittels Kreuzgittermuster und Einseitenbanddemodulation ist es möglich, spielgende Oberflächen mit einer einzelnen Aufnahme deflektometrisch während der Bewegung zu vermessen. Ohne Zusatzinformation (weitere Phasenauswertung / Graycode) ist das Phase-Unwrapping jedoch bei unkooperativen Objekten nicht stabil. Mit einem dualen Muster kann die Robustheit für eine Inline-Inspektion deutlich erhöht werden.

DUALES MUSTER FÜR SINGLE-SHOT PMDUm eine robuste Single-Shot Phasenauswertung durchzuführen, wird ein duales Muster vorgeschlagen [4]. Dieses besteht aus einer additiven Überlagerung eines sinusförmigen Kreuzgittermusters für die Singleshot Phasenauswertung (periodisch) mit einem Z u f a l l s m u s t e r f ü r d i e g l o b a l e Z u o r d n u n g (Phaseunwrapping). X-Phase, Y-Phase und der Zufallshintergrund werden im Fourierraum getrennt. Die globale Zuordnung erfolgt durch Template Matching der Struktur des Zufallsmusters.

PMD Sensor

Förderband

SINGLE-SHOT PMDEs ist möglich, die Phasenverschiebung bei der deflektometrischen Messung zu vermeiden [2][3]: der Bildschirm wird mit einem Kreuzgittermuster in zwei Richtungen kodier t ; d ie Phasen werden durch Einseitenbanddemodulation (SSD) im Fourierraum (Fig. 4) ausgewertet.Das Phase-Unwrapping erfolgt durch die laterale Prüfung der Phasendifferenz zwischen benachbarten Pixeln. Nach jedem Phasensprung wird die Periodenordnung entsprechend angepasst.

Kamerabild

Fourier Spektrum

unwrapped X-Phase unwrapped Y-

X-Phase Y-Phase

Fig. 4 Auswertungsprinzip der Single-Shot Deflektometrie

Messobjekte

Fig. 1 PMD Inline Inspektion in der Bewegung

X-Phase Y-Phase

Pe

rio

de

1P

erio

de

2

unwrapped X-Phase unwrapped Y-Phase

Fig. 3 Phase-Unwrapping bei PMD

F i g . 5 S i n g l e - S h o t Topographievermessung einer Hornhaut in vivo [3]

Mobiltelefon-DisplaysKamerabild eines defekten

unwrapped Phase des defekten Mobiltelefon-Displays

S S D P h a s e - U n w r a p a n Diskontinuitäten

Fig. 6 Störeffekte beim

Single-Shot PMD wurde bei der Vermessung der menschlichen Cornea in vivo (Fig.5, [3]) mit hoher Messgenauigkeit erfolgreich implementiert. Das Verfahren eignet sich gut zur Vermessung glatter Oberfläche ohne Diskontinuitäten. Beim Phase-Unwrap eines Objekts mit Kanten und Sprüngen ergeben sich jedoch starke Artefakte. Ein Phase-Unwrap rein auf der Basis von Kontextinformationen (ohne zweite Periode oder Gray-Code) ist nicht robust und somit für den industriellen Einsatz ungeeignet.

Y-Phase

Streifenmuster_X

Streifenmuster_Y

Kreuzgittermuster

Zufallsmuster

Duales Muster

Simuliertes Kamerabild

Fourier Spektrum

Ausgewertete X-Phase

Ausgewertete Y-Phase

Ausgewertetes ZufallsmusterFig. 7 Kombination eines Kreuzgittermusters mit einem hochfrequenten Zufallsmuster für die globale Zuordnung.

Fig. 2 Phasenauswertung bei PMD

Dieses Projekt wurde durch die Bayerische Forschungsstiftung (AZ-1273-17) gefördert.

DGaO Proceeding 2018 - http://www.dgao-proceedings.de - ISSN: 1614-8436 - urn:nbn:de:0287-2018-P001-6 eingegangen: 02.08.2018 - veröffentlicht: 08.08.2018