Optische 3D-Sensoren und deren industrielle Anwendung

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Optische 3D-Sensoren und deren
industrielle Anwendung
Wozu (optische) 3D-Sensoren?
Dipl.-lng. Stefan Blossey
Prof. Dr. Gerd Hiiusler,
Lehrstuhl für Optik,
Physikalisches Institut der ·
Universität Erlangen/Nirnberg
Staudtstr. 7/82, 91 058 Erlangen
Optische 3D-Sensoren finden zunehmend
Anwendung in der automatisierten Sichtprüfung
und in der industriellen Meßtechnik. Ihr Vorteil
gegenüber konventionellen mechanischen Tastern
liegt im berÜhrungslosen Messen sowie in der
parallelen Adressierung vieler Objektpunkte
(z.B. Flächensensor). Die bekanntesten Verfahren
sind die (taser-)Triangulation und die Fokussuche,
die beide relativ ausgereift sind und sich für
viele Meßaufgaben sehr gut eignen. ABerdings
weisen diese Sensoren physikafisdte Grenzen
auf, die sie als Ersatz für die hochgenauen
mechanischen Taster in Koordinatenmeßmaschinen
ausscheiden lassen. Erst durch ein neues
Meßprinzip, das "Kohärenzrada~ hält ein
optischer Sensor Einzug in den Genauigkeitsbereich von einem Mikrometer.
24 • MessTee 1/96
eine Reihe weiterer Einsotzgebiete: ln der .
Dentaltechnik werden 3D-Sensoren zur Ver"Zur Sicherung der Qualität von Produkten
messung menschlicher Zähne verwendet,
ist eine Prüfung noch vorzugebenden Kriteum noch den gewonnenen Daten Inlays frä. rien während der Fertigung und Montage
sen
zu können. Ein weiteres Beispiel ist das
11
notwendig. Mit dieser Forderung b~ginnt
sogenannte "Reverse Engineering": hier
die VDI/VDE Vorschrift 2628 zur automati- ·
soll aus einem vorhandenen Freiformmosierten Sichtprüfung. Mit zunehmender Ferdell der zugehörige CAD-Datensatz getigungsautomatisierung . wird es immer
wonnen werden. Nur so können Modelle,
wichtiger1 auch die zitierte Qualitätssichedie auch heute noch häufig von Hand gerung zu automatisieren und in den Fertifertigt werden, digitalisiert und dann mit
gungsprozeß zu integrieren (Schlagwort
Stondordprog rammen
weiterverarbeitet
TQM, Total Quolity Management). Sowohl
werden. Die noch wie vor weit verbreiteten
zur automatisierten Kontrolle einzelner Umtaktilen (=mechanisch tastenden) Sensoren
formschritte in der Fertigungstechnik als
haben einige Nachteile:
auch zur Prozeßoptimierung benötigt man
• Weiche Objekte , können nicht zerSensoren zur Vermessung geometrischer
Größen, speziell Sensoren zur Formerfas.. störungsfrei gemessen werden
sung- die sogenannten 3D-Sensoren.
• Es kann immer nur ein Punkt angetastet
werden
Objektoberfläche
•
Die Dynamik des Meßkopfes läßt keine
·
hohen Meßgeschwindigkeiten zu
•
Der endliche Radius der Meßkugel bildet einen mechanischen Tiefpoß, so daß
feine Oberflächenstrukturen nicht aufgelöst werden können ·
Diese Nachteile sind der Grund dafür, daß
immer mehr optische Meßprinzipien angewandt werden. Diese hoben den Vorteil,
Abb. 1: Ein 3D-Sensor mißt die Hö.enfunktion z(x,y)
daß sie zum einen berührungslos messen
einer Objektoberflä,he
und zum anderen auch zumeist mehrere
Punkte auf einmal vermessen können, was
Wie Abbildung 1 zeigt, mißt ein 3D-Sensor
zu wesentlich höheren Meßgeschwindigdie Objekthöhe z(x, yJ. Die Höhe z wird als '
, keiten führt. Im folgenden werden einige
die longitudinale Koordinate bezeichnet,
wichtige optische Verfahren beschrieben.
mit x und y bezeichnet man die lateralen
Koordinaten. Je nachdem in wievielen Dimensionen gleichzeitig die Höhe z beFokussuche
stimmt werden kann, spricht man von einem Punkt-, Linien- oder Flächensensor. Die
Bei diesem Verfahren wird ein Lichtpunkt
verschiedenen Sensortypen unterscheiden
("Spot") auf den zu vermessenden Obersich dabei in ihren Parametern wie MeßunAächenpunkt projiziert. Bei dem einfachsicherheit, Meßbereich, Arbeitsobstond,
sten Verfahren wird die Optik solange
Meßgeschwindigkeit, Robustheit, Größe
nachgeführt, bis der Spot möglichst scharf
und Kosten. Exemplarisch für den industriist. Aus den bekannten Daten der Optik erellen Einsatz dieser Sensoren seien hier eihält man den Abstand des Objektpunktes
nige Beispiele aus dem Automobilbau gevom Sensor. bie fokussuchenden Sensoren
nannt:
Dort
werden
Zylinqerköpfe,
sind vorwiegend optisch tastende Punktsensoren; für die untere Grenze der erreichbaGetriebezahnräder, Einspritzdüsen, Airbagventile und sogar großflächige Koresren Meßunsicherheit oz gilt folgende wichseriebleche vermessen, und das alles mit
tige Proportionalität:
jeweils sehr unterschiedlichen Anforderun1
gen an den 3D-Sensor. Neben den induozoc-sin2u
striellen Anwendungen gibt es auch noch
.X
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.
Dabei ist u der halbe Öffnungswinkel der
Beobachtungsoptik und sin u ist die sogenannte Beobachtungsapertur. Um eine geneue Messung erhalten zu können, muß
man also mit weit geöffneten Optiken arbeiten, deshalb werden vorwiegend Mikroskopobjektive eingesetzt. Der Arbeitsabstand ist damit entsprechend gering und
man kann in tiefen Strukturen nicht mehr
messen. Aufgrund des punktweisen Messens muß das Objekt lateral .abgetastet
werden, um ein vollständiges Oberflächenprofil zu erhalten. Häufig wird der Sensor
als einfacher Abstandstaster eingesetzt,
z.B. als Positionsaufnehmer für einen Lageregelkreis (CD-Piayer).
(Laser-)Triangulation
Abbildung 2 zeigt das . Funktionsprinzip
dieses weit verbreiteten Sensortyps anhand
eines Liniensensors (Lichtschnittsensor).
CCO-~
Schwingspiegel
Ahb. 2: Triangulation am Beispiel des Uchtschaittsensors
Hauptmerkmal der Triangulation ist, daß
aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet und beobachtet wird. Der Winkel
zwischen der Beleuchtung und der Beobachtung ist der sogenannte Triangulationswinkel 8. Beim Lichtschnittverfahren wird
nun ein Laserstrahl über einen Schwingspiegel umgelenkt und auf das Objekt projiziert. Der Empfänger ist eine einfache
CCD-Kamera. Auf den Kamerachip wird
somit ein Höhenprofil abgebildet. Dieser
Liniensensor ist sehr gut geeignet für Profilmessungen, wenn sich das Werkstück kontinuierlich,.unter dem Sensor vorbeibewegt,
wie di~s z.B . auf Walzstraßen der Fall ist.
Eine flächenmessende Variante der Triangulation ist die Streifenprojektion, bei der
sequentiell Streifenmuster . auf das Objekt
projiziert und ausgewertet werden. Mit nur
wenigen Kamerabildern (< 1 Sekunde) ·
kann damit eine komplette Fläche vermessen werden. Ein wesentlicher Nachteil der
Triangulation sind die Abschattungen aufgrund der zur Beleuchtung nicht koaxialen
Beobachtung. Es gibt zwar · Ansätze mit
zwei oder mehreren Empfängern, aller-
dings wird es nie möglich sein in tiefen
Strukturen (z.B. in schmalen Bohrlöchern)
zu messen. Auch hier gibt es eine ähnliche
physikalische Grenze [1] für die bei der
Höhenbestimmung bestenfalls erreichbare
Meßunsicherheit öz:
Özoc
.
1
.
sm0 - smu
Möchte man also sehr genau messen, d.h.
mit einer kleinen Meßunsicherheit, so muß
der Triangulationswinkel 0 groß gewählt
werden, was nur für flache Objekte sinnvoll
ist, da sonst .zu viel Abschattung auftritt.
Ebenso sollte die Beobachtungsapertur
groß gewählt werden, was wiederum einen kurzen Arbeitsabstand zur Folge hat.
Typische Werte für die Meßunsicherheiten
industriell eingesetzter Sensoren liegen
zwischen 20 und 200 !Jm. Gut eignet sich
das Verfahren beispielsweise für die Vermessung von Karosserieblechen, die flach
sind, so daß mit einem großen Triangulationswinkel gearbeitet werden kann. Hier erreicht man mit speziellen Streifenprojektionsverfahren Meßunsicherheiten von ca .
5 fJm. Da das Verfahren leicht skalierbar
ist, können auch kleine Objekte vermessen
werden, so z.B. menschliche Zähne für die
Inlayfertigung (oz "" 20 !Jm).
Die Triangulation hat Probleme bei technischen, "nicht kooperativen" Oberflächen,
wie z.B. bei gefrästem oder gedrehtem
Stahl mit deterministischen Strukturen. Hier
können Meßunsicherheiten auftreten, die
ein Vielfaches der physikalischen Grenze
betragen. Probleme haben beide Verfahren - sowohl die Fokussuche als auch die
Triangulation - bei sog. Volumenstreuern,
also Materialien, bei denen das Licht eindringt und damit nicht nur von der Oberfläche, sondern auch aus tieferen Schichten
zurückgestreut wird. Typische Vertreter sind
hier Keramiken, aber auch Kunststoffe und
viele natürliche Materialien, wie Haut und
Zahnschmelz.
lnterferometrie
Dieser Sensortyp arbeitet nur an optisch
glatten Oberflächen; "optisch glatt" heißt,
daß die Oberflächenrauhigkeit klein gegenüber der Wellenlänge A. der verwendeten Lichtquelle ist. Typische Anwendungsgebiete sind damit die Glasindustrie,
speziell die optische Industrie, die Linsen
und andere optische Komponenten damit
vermessen kann. Bei der lnterferometrie
wird ein Laserstrahl aufgeteilt und dem Referenzarm und dem Objektarm zugeführt.
Im Referenzarm steht ein Spiegel und im
Objektarm das optisch glatte Objekt. Von
beiden wird das Licht nun reflektiert und im
Strahlteiler wieder vereinigt. Danach ge-
langt der vereinigte Strahl auf den Empfänger, z.B. eine CCD-Kamera. Da ein Laser
kohärentes Licht aussendet, stehen Referenz- und Objektstrahl in einer festen Phasenbeziehung zueinander, so daß sie
kohärent interferieren können: Je nach
Phasendifferenz zwischen Referenz- und
Objektwelle interferieren die Strahlen konstruktiv oder destruktiv, was zu den typischen Interferenzstreifenmustern führt, aus
denen die Höhendaten berechnet werden
können. Die typischen Meßunsicherheiten
bei der klassischen Laserinterferometrie liegen im Bereich weniger Nanometer. Problematisch wird es grundsätzlich, wenn
das Objekt Unstetigkeitsstellen wie Stufen
aufweist, deren Höhe nicht eindeutig angegeben werden kann; der Eindeutigkeitsbereich dieses Verfahrens ist auf 'A/2 beschränkt (relatives Meßverfahren, kein
absolutes). Bei den sog. Heterodyninterferometern (z.B. [2]) wird dieser Eindeutigkeitsbereich erweitert, indem man zwei
Laser (/... 1, /...2) mit einem kleinen und
konstanten Wellenlängenunterschied verwendet. Dadurch entsteht eine wesentlich längere synthetische Wellenlänge
(A. 1 - A. 2)/ I~ - /... 1 1 (von mehreren Mikrometern bis in den Millimeterbereich). Mit
diesen Heterodyninterferometern können
dann sogar optisch rauhe Objekte vermessen werden, deren Rauhigkeit aber immer
noch deutlich kleiner als die synthetische
Wellenlänge sein muß.
Kohärenzradar
Dieses neue Verfahren [3] basiert auch auf
· lnterferometrie. Allerdings wird anstelle eines Lasers eine Weißlichtquelle benutzt.
Dies hat zur Folge, daß nur dann Interferenzen auftreten können, wenn die optischen Weglängen für das licht im Referenz- und Objektarm gleich lang sind. Die
Orte im Objektarm, für die diese Bedingung gilt, nennt man "Referenzebene". Im
Gegensatz zur klassischen Laserinterferometrie ist ein Weißlichtinterferometer also
absolut messend. Soweit ist dieses Verfahren nun nicht gerade neu, da bereits
Michelsan vor über 100 Jahren das Pariser
Urmeter damit vermessen hat. Problematisch bei allen Interferometern ist aber, daß
das Objekt optisch glatt sein muß. Ist dies
nicht der Fall, so sieht man eine granulöse
lntensitätsverteilung,
die
sogenannten
Speckle. Ein typisches Specklemuster beobachtet man z.B. bei einer laserbeleuchteten
rauhen Wand. Entgegen eines weitverbreiteten Irrtums treten Speckle auch dann auf,
wenn man eine Weißlichtquelle benutzt!
Betrachtet man z.B. einen Fingernagel im
Sonnenlicht, so sieht man bunte Punkte:
Farbspeckle. Da die Phase eines Speckles
rein zufällig ist, können die normalen phaMess Tee l /96 • 25
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Strahlteiler
Beleuchtungsstrahlengang
.-----+-'
ne verfahren werden muß. Diese Seengeschwindigkeit beträgt momentan 4 fJm/ s,
wird demnächst aber noch drastisch erhöht
werden können. Entscheidender Vorteil des
Kohärenzradars ist aber, daß die Meßunsicherheit nur von der Rauhigkeit der
Objektoberfläche und nicht mehr von der
Beobachtungsapertur abhängt! Die Überlegenheit des Kohärenzradars zeigt Abbildung 5, wo im Vergleich mit zwei Triangulationssensoren die Meßunsicherheit an
technischen Oberflächen dargestellt ist.
Beobachtungs: .
strahlengang ~
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10
Abb. 3: Optischer Aufbau des Kohärenzradars
5
0 Lasertriangulation (kohärent)
• Streifenprojektion (inkohärent)
• Kohärenzradar
senmessenden Interferometer an rauhen
Oberflächen nicht mehr messen.
Anders das Kohärenzradar (s. Abb. 3):
Hier macht man sich die ·speckle zunutze!
Da jedes Speckle von einem bestimmten
(kleinen!) Gebiet der Objektoberfläche
kommt, wertet man die Interferenzfigur in
jedem einzelnen Speckle aus, während
Objekt und Sens~r aufeinander zubewegt
werden. Treten in einem Speckle Interferenzen auf, so weiß man, daß der zugehörige
Objektbereich mit der Referenz abgeglichen ist, daß er also in der Referenzebene
steht. Sorgt man über die Optik dafür, daß
auf jedes Kamerapixel ein Speckle abgebildet wird, so werden beim Flächensensor
1/4 Million Speckle und damit Objektbereiche parallel vermessen (s. Abb. 4).
Abb. 5: MeBunsidlerheiten des Kohärenzradars und
zweier Triaagulationssensoren an techniscben Oberflächen
Aufgrund der koaxialen Beleuchtung und
Beobachtung erreicht man dieses Ergebnis
auch noch in tiefen Strukturen (s. Abb. 6)
bzw. bei größeren Arbeitsabständen.
Nachteilig bei diesem Sensortyp ist, daß
jeder Objektpunkt durch die Referenzebe-
Abb. 6: Präzise Vermessung eines Bohrloches
Weiterhin können auch die meisten Volumenstreuer vermessen werden, da der Anteil, der von der Oberfläche zurückgestreut
wird, vom Volumenanteil getrennt werden
kann. Damit ist ein optisches Verfahren gefunden worden, welches die Vorteile der
berührungslosen und parallel adressierenden Optik mit der Genauigkeit taktiler Sensoren vereint. Dieses Sensorprinzip wurde
auch als Punktsensor verwirklicht, so daß
mechanische Taster unmittelbar durch einen optischen ersetzt werden können.
heiten bei beliebigem Arbeitsabstand, bei
frei skalierbarem Meßfeld und einer hohen
Meßgeschwindigkeit liefert, der leicht,
klein, robust und zudem noch kostengünstig ist. Je nach Anwendungsfall muß das
richtige Meßprinzip gefunden und eventuell für die spezielle Meßaufgabe engepaßt werden. Mit dem Kohärenzradar ist
aber abzusehen, daß mechanische Taster
in vielen Anwendungen durch optische
Sensoren ersetzt werden können. Ausnahmen bleiben Oberflächen, die optisch
unzugänglich sind oder aber kein auswertbares Licht zurückstreuen (z.B. 100 % Reflexion an schrägen hochpolierten OberRächen). Was den optischen 3D-Sensoren
noch fehlt, ist eine verbindliche DIN, so
daß Herstellerangaben vergleichbar werden und auch der Anwender sich schnell einen objektivierten Überblick über die Leistungsmerkmale
der
unterschiedlichen
Sensoren verschaffen kann.
Die Autoren
Dipl.-lng. Stefan Blossey, Jahrgang 1965, studierte von 1985 bis 1991 an der Universität Erlangen Elektrotechnik. Seit 1992 ist er wissenschaftlicher Angestellter am Lehrstuhl für Optik
der gleichen Universität und befaßt sich in seiner
Dissertation mit der Beschleunigung des
Meßprinzip~ "Kohärenzradar".
Prof. Dr. Gerd Häusler, Jahrgang 1944, ist
außerplanmäßiger Professor am Lehrstuhl für
Optik des Physikalischen Instituts der Universität
Erlangen. Seine Arbeitsgruppe "Optisches Messen, Prüfen und Erkennen" erforscht die Grundlagen optischer Sensoren und entwickelt gemeinsam mit der Industrie 3D-Sensoren für die
industrielle Sichtprüfung. Ein weiteres Arbeitsgebiet sind Algorithmen zur 3D-Datenverarbeitung,
inklusive inverses CAD.
Literatur:
[1]
DORSCH, R., HÄUSLER, G., HERRMANN, J., "Loser triangulation: Fundamental uncertointy of distance measurement", Applied Optics 33 (7) ,
1306-1314 (1994)
[2]
SODNIK, Z., FISCHER, E., InNER, T., TIZIANI,
HJ., ,,Two-wovelength double heterodyne interferometry using o matched grating technique",
Applied Optics 30 (22), 31 39 ( 1991)
[3]
DRESEL, T., HÄUSLER, G., VENZKE, H., "Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar'; Applied Optics 3 1 (7), 919 - 925
(1992)
Fazi1
Abb. 4: Grauwertcoä~erter Höhenplot einer gemessenea
Münze
26 • MessTec 1/96
Die breite Palette an optischen 3D-Sensoren, von denen hier nur einige wichtige
Vertreter erwähnt wurden, unterscheiden
sich in zahlreichen Parametern. Es wird in
naher Zukunft sicherlich nicht den idealen
Sensor geben, der kleinste Meßunsicher-
Weitere lnfonnationen über
K; n-Nr.: 205