Carl Zeiss Optotechnik GmbH - Optische Messtechnik
Mittwoch, 11 März 2015 08:13

Intelligente 3D-Digitalisierung

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Streifenprojektionssysteme sind inzwischen fester Bestandteil der industriellen Messtechnik geworden, da sie im Gegensatz zu taktilen Verfahren in kurzer Zeit sehr große Punktmengen erzeugen können. Dennoch stoßen diese Systeme nach wie vor an ihre Grenzen, wenn verschiedene Bereiche der zu digitalisierenden Oberfläche stark unterschiedliche Reflexionseigenschaften aufweisen, und als Folge davon der von der Kamera detektierbare Dynamikumfang nicht mehr ausreicht. Der COMET 6 Sensor der Steinbichler Optotechnik GmbH beschreitet hier einen neuen Weg, indem er die projizierte Lichtmenge automatisch an die lokalen Reflexionseigenschaften des Messobjekts anpasst.

Autoren: Christian Thamm & Sebastian Oberndorfner, Entwicklung 3D-Digitalisierung, Steinbichler Optotechnik GmbH

Gegenüber konventionellen Koordinatenmessverfahren haben Streifenprojektionssysteme einige unbestrittene Vorteile. Anstatt der taktilen Antastung einiger ausgewählter Punkte ermöglichen sie die berührungslose und vollflächige Erfassung komplexer Objektoberflächen mit hoher Punktdichte. Sind die Messdaten akquiriert und gespeichert, ist bei Bedarf auch eine nachträgliche Auswertung vormals unberücksichtigter Merkmale und somit eine rückwirkende Prüfung des Produktionsprozesses möglich. Außerdem sind die Sensoren aufgrund ihrer kompakten Größe und ihres geringen Gewichts transportabel und entsprechend flexibel einsetzbar. Typische Einsatzbereiche liegen beispielsweise in der Qualitätskontrolle, dem Reverse Engineering oder im Designprozess.

Im Produktportfolio der Steinbichler Optotechnik GmbH ist der COMET 6 das neue High-End-Streifenprojektionssystem. Seine modulare Bauweise erlaubt eine schnelle Anpassung des Messfeldes an die jeweilige Messaufgabe, wobei kleine Arbeitsabstände auch bei großen Messfeldern für größtmögliche Flexibilität sorgen. Mit der 16 Megapixel-Kamera wird eine im Bereich der Streifenprojektion bisher unerreichte Auflösung angeboten.
Projektorseitig ermöglicht die bewährte Blue-LED-Technologie das vom Umgebungslicht unabhängige Messen. Kern der Blue-LED Technologie ist eine Hochleistungs-LED, die im blauen Spektralbereich arbeitet. In Kombination mit einem eigens entwickelten Filterelement können unerwünschte Lichteinflüsse, wie beispielsweise Tageslicht oder Deckenbeleuchtung, minimiert und so die Qualität der Messdaten deutlich verbessert werden. Eine konstante LED-Leistung und ein wartungsfreier Betrieb sind weitere Vorteile der Blue-LED-Technologie.

Eine Bedingung für eine erfolgreiche Messung, die bisher alle Streifenprojektionssysteme an die zu digitalisierende Objektoberfläche stellen, ist eine ausreichend diffuse Reflexion des projizierten Lichts. Denn gerichtete Reflexionen führen mitunter zu starker Über- oder Untersteuerung des Streifenmusters im Kamerabild, was wiederum zur Folge hat, dass an den entsprechenden Stellen keine Messdaten generiert werden können. Aus diesem Grund sind Anwender bei der Digitalisierung glänzender Objekte oftmals gezwungen, die Objektoberfläche vorab mit Kreidespray zu präparieren, um für eine diffuse Reflexion des Streifenmusters zu sorgen. Da eine solche Vorbehandlung des Objekts jedoch immer einen Mehraufwand bedeutet und in vielen Fällen vom Anwender nicht gewünscht ist, bleibt oftmals nur die Ergänzung weiterer Messungen mit angepassten Belichtungszeiten. Dies erhöht die Gesamtmesszeit und erschwert so den Einsatz von Streifenprojektionssystemen gerade im industriellen Umfeld.

Der COMET 6 Sensor begegnet dieser Aufgabenstellung mit dem gänzlich neuen Konzept der „Intelligent Light Control“ (ILC), welche die Intensität des projizierten Lichts, abhängig von der Belichtung der Kamera, punktuell an die Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche anpasst. Dies ist möglich, weil das Projektionsdisplay eine pixelweise Modulation der Lichtintensität erlaubt. Da die Menge des detektierten Lichts insbesondere von der Orientierung der Kamera zum Messobjekt und der Projektoreinheit abhängt, kann ein derartiges Verfahren nur mit einem Ein-Kamera-System angewandt werden.


         
Bild 1: Streifenmuster auf einem Blechteil.
Übersteuerte Kamerapixel sind rot eingefärbt.
Bild 2: Streifenmuster auf einem Blechteil
bei aktivierter Intelligent Light Control.
Die Kamerapixel sind homogen ausgesteuert.

Beim Start jeder Messung wird zunächst eine kurze Serie unterschiedlicher Helligkeiten auf den zu digitalisierenden Objektbereich projiziert, um die ideale Projektionsintensität individuell für jedes Kamerapixel zu bestimmen. Eine Korrespondenzsuche ermittelt außerdem welcher Teil des Projektionsdisplays den Teil der Objektoberfläche beleuchtet, der von dem jeweiligen Kamerapixel beobachtet wird. Dadurch wird eine Messung mit lokal angepasster Lichtintensität ermöglicht und eine homogene Beleuchtung des Messobjekts gewährleistet, sodass der Dynamikbereich der Kamera optimal ausgenutzt wird.

Bei automatisierten Anwendungen mit einer wiederholgenauen Positionierung des Sensors, beispielsweise durch den Einsatz eines Industrieroboters, können zudem die ermittelten Korrespondenzen und Intensitäten einmalig gespeichert und bei jedem erneuten Start des Messprogramms abgerufen werden, was dazu beiträgt die eigentliche Messzeit weiter zu verkürzen.

Glänzende Messobjekte, wie beispielsweise unbearbeitete Blechteile, deren Oberfläche das einfallende Licht überwiegend gerichtet reflektiert, stellten bisher hohe Anforderungen an Streifenprojektionssysteme. Die Intelligent Light Control des neuen COMET 6 Sensors ist ein innovatives Verfahren um derartige Messobjekte zukünftig effizienter zu digitalisieren.


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