Optical measurement of partially specular surfaces by combining pattern projection and deflectometry techniques

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1 Optical measurement of partially specular surfaces by combining pattern projection and deflectometry techniques Marc Sandner Vortrag zur Masterarbeit im Studiengang Elektro und Informationstechnik Vertiefungsrichtung Photonik an der Fernuniversität Hagen

2 1. Einleitung: Geometrische Optik, Reflexion an Oberflächen 2. Geometrisch optische Phasenmesstechniken (GOP) 3. Rauschabschätzung bei GOP Messungen 4. Motivation 5. Kombinierte GOP : Hybridreflektometrie 6. Messbeispiele 7. Zusammenfassung, Fazit und Ausblick 2

3 Einleitung: Geometrische Optik Geometrische Optik, Strahlenoptik: Betrachtung eines Lichtwellenfeldes als Strahl (Polarisation & Phase werden nicht betrachtet) λ 3

4 Einleitung: Reflexion an Oberflächen Reflexionsgesetz: θ i = θ r 4

5 Einleitung: Reflexion an Oberflächen Reflexionsverhalten ist abhängig von Oberflächenrauheit: Ideal glatte Oberfläche: Ideal matte Oberfläche: Hybride Oberfläche: Spiegel Papier Technische Oberfläche Gerichtete Reflexion Streuung Reflexion + Streuung 5

6 Geometrisch optische Phasenmesstechniken (GOP) GOP: Geometrisch optische Phasenmesstechniken Physikalisches Modell: Strahlenoptik Phasenmessung: Signalquelle liefert flächige, sinusförmige Intensitätsmuster Messobjekt moduliert das Muster Aufnahme des modulierten Musters mit Kamera Ermittlung der Musterposition (Phase), geometrisch optische Berechnung der Oberflächengeometrie 6

7 Geometrisch optische Phasenmesstechniken (GOP) Geometrisch optische Phasenmessung: 7

8 Geometrisch optische Phasenmesstechniken (GOP) Geometrisch optische Phasenmessung g Aufgenommene Helligkeitsverteilung 8

9 Geometrisch optische Phasenmesstechniken (GOP) Geometrisch optische Phasenmessung g Aufgenommene Helligkeitsverteilung 8

10 Geometrisch optische Phasenmesstechniken (GOP) Geometrisch optische Phasenmessung g Aufgenommene Helligkeitsverteilung 8

11 Geometrisch optische Phasenmesstechniken (GOP) Geometrisch optische Phasenmessung g Aufgenommene Helligkeitsverteilung 8

12 Geometrisch optische Phasenmesstechniken (GOP) Geometrisch optische Phasenmessung φ 2 π 0 Phasenkarte 8

13 Geometrisch optische Phasenmesstechniken (GOP) Geometrisch optische Phasenmessung φ 10 π 0 Demodulierte Phasenkarte 8

14 Geometrisch optische Phasenmesstechniken (GOP) Pattern phase Fringe Projection (FP) Phase Measuring Deflectometry (PMD) Triangulation active passive Line / Pattern Projection Moiré Photogrammetry Light field imaging Optical 3D metrology techniques Intensity Confocal microscopy Optical path length Optical phase Time of flight Interferometry LiDAR Nach: Beyerer et al: Automatische Sichtprüfung: Grundlagen, Methoden und Praxis der Bildgewinnung und Bildauswertung. Berlin: Springer,

15 GOP: Streifenprojektion Streifenprojektion Muster wird projiziert, Objekt streut Licht Objektform wird berechnet aus Phasenmessung Messunsicherheit: Einige µm. 10

16 GOP: Streifenprojektion Streifenprojektion Muster wird projiziert, Objekt streut Licht Objektform wird berechnet aus Phasenmessung Messunsicherheit: Einige µm. 10

17 GOP: Deflektometrie (Phasenmessende) Deflektometrie Muster auf Monitor, Objekt reflektiert Licht Oberflächennormale durch Interpretation der Phasenmessung Messunsicherheit: Einige Hundert nm. 11

18 GOP: Deflektometrie (Phasenmessende) Deflektometrie Muster auf Monitor, Objekt reflektiert Licht Oberflächennormale durch Interpretation der Phasenmessung Messunsicherheit: Einige Hundert nm. 11

19 GOP: Deflektometrie Deflektometrisches Problem Keine eindeutige Oberflächennormalenverteilung aus Phasendaten. 12

20 GOP: Deflektometrie Deflektometrisches Problem Keine eindeutige Oberflächennormalenverteilung aus Phasendaten. 12

21 GOP: Deflektometrie Regularisierung mittels Referenzabstand (RDR) Ansatz: Abstand d eines einzelnen Punktes bekannt. Realisierung: Manuelle Justierung ( d 250 µm) Messung mit Distanzsensor ( d 1 µm, Preis = 10k ) 13

22 GOP: Deflektometrie Einfluß der Abstands dzur Referenzhöhe auf dem Messfehler: Bei manueller Justierung ( d 250 µm) Messfehler der Grobform von ca. 1 µm. 880 nm Formdifferenzbild: 0 nm Sandner, M. et al.: Absolut Abstandsreferenz für die Streifenreflexionstechnik zur Verringerung systematischer Messfehler, DGaO Proceedings

23 GOP: Deflektometrie Regularisierung mittels IniShape (ISR) Ansatz: Grobform des Objektes ist bekannt. Keine manuelle Justierung nötig Objektform muss vor der Messung bekannt sein! 15

24 GOP: Deflektometrie Regularisierung mittels IniShape (ISR) Ansatz: Grobform des Objektes ist bekannt. Keine manuelle Justierung nötig Objektform muss vor der Messung bekannt sein! 15

25 Rauschabschätzung bei GOP Messungen Messrauschen kann aus Einzelmessung berechnet werden 1, Streifenmodulation M ist ausschlaggebender Parameter 2 : Signal Rausch Abstand: φ φσ 1 Fischer, M. et al: Vorhersage des Phasenrauschens in optischen Messsystemen mit strukturierter Beleuchtung, tm Technisches Messen 79, Bothe, T.: Grundlegende Untersuchungen zur Formerfassung mit einem neuartigen Prinzip der Streifenprojektion und Realisierung in einer kompakten 3D Kamera. (Dissertation), BIAS Verlag,

26 Rauschabschätzung bei GOP Messungen Abhängigkeit der Streifenmodulation M von Objektrauheit R a Average fringe modulation M Average M (PMD) Average M (FP) Nominal average Roughness R a / µm 17

27 Rauschabschätzung bei GOP Messungen Abhängigkeit der Streifenmodulation M von Streifenperiode P 0.25 Average fringe modulation M Average M (PMD) Average M (FP) Fringe Period P / pixel 18

28 Motivation Geometrisch optische Phasenmesstechniken (GOP) : Streifenprojektion (FP) Deflektometrie (PMD) Eigenschaften: Hochpräzise, schnell, berührungslos, robust. 19

29 Motivation Vielseitig einsetzbar. Einsatz von GOP für: Diffus streuende Oberflächen (FP) Gerichtet reflektierende Oberflächen (PMD) 20

30 Motivation Vielseitig einsetzbar. Einsatz von GOP für: Diffus streuende Oberflächen (FP) Gerichtet reflektierende Oberflächen (PMD) Eingeschränkte Verwendbarkeit für Oberflächen mit unbekannten oder lokal variierenden Reflexionseigenschaften! 20

31 Motivation Vielseitig einsetzbar. Einsatz von GOP für: Diffus streuende Oberflächen (FP) Gerichtet reflektierende Oberflächen (PMD) Eingeschränkte Verwendbarkeit für Oberflächen mit unbekannten oder lokal variierenden Reflexionseigenschaften! Kombination der Messtechniken 20

32 Kombinierte GOP: Hybridreflektometrie Hybridreflektometrie: Kombinierter FP / PMD Aufbau Fusion der Messdaten 21

33 Kombinierte GOP: Hybridreflektometrie Hybridreflektometrie Testaufbau: Senke: Messkamera Quelle : Mustergeber Projektor Quelle: Mustergeber TFT Monitor Senke : Hilfskamera für Streifenprojektions Messung 22

34 Kombinierte GOP: Hybridreflektometrie Messprozess: 23

35 Kombinierte GOP: Hybridreflektometrie Messprozess: 1. Streifenprojektions Messung 23

36 Kombinierte GOP: Hybridreflektometrie Messprozess: 1. Streifenprojektions Messung 2. Deflektometrie Messung 23

37 Kombinierte GOP: Hybridreflektometrie Datenfusion (HR Regularisierung): Verwendung der Formdaten aus FP Messung zur Normalenbestimmung aus PMD Messung Hiermit iterative Berechnung der Form: Berechnung der Normalenverteilung mittels Systemkalibrierung Berechnung der Form aus Integration der Normalenverteilung Abgleich der berechneten Form mit initialen FP Formdaten 24

38 Messungen Messungen mit FP, PMD (HRR, ISR, RDR) Testobjekte: Oberflächen mit hybridem Reflexionsverhalten (streunend und gerichtet reflektierend) I. Stetige Oberflächen mit örtlich homogenen Reflexionsverhalten: a. Plane Oberfläche (Invar) b. Hohlspiegel (Al) II. Freiformobjekt (Al) mit örtlich variierendem Reflexionsverhalten und unstetiger Oberfläche Schätzer für Wiederholpräzision: Standardabweichung aus je 3 Messungen 25

39 Messbeispiel (Ia) : Ebene Oberfläche Stetige Oberfläche mit örtlich homogener Reflektivität (Ia): Ebene metallische Oberfläche (Invar) Referenzabstand: z = 10 mm 26

40 Messbeispiel (Ia) : Ebene Oberfläche Streifenmodulation M für Phasenmessung mit Streifenprojektion (FP, Kamera 1) und Deflektometrie (PMD): M (FP) 24 % M (PMD) 14 % 6 % 6 % Streifenbreite: FP: 12 Pixel PMD: 240 Pixel 27

41 Messbeispiel (Ia) : Ebene Oberfläche Streifenprojektion: Gemessene Form z, Tiefpassgefiltert & Original z (FP g ) z (FP) 13 µm +13 µm 28

42 Messbeispiel (Ia) : Ebene Oberfläche Form z von Streifenprojektion und Deflektometrie (HDR, ISR, RDR) z (FP g ) z (HDR) z (ISR) z (RDR) 13 µm +13 µm 29

43 Messbeispiel (Ia) : Ebene Oberfläche Differenz zu Form z von Streifenprojektionsmessung: z (HDR FP g ) z (ISR FP g ) z (RDR FP g ) 8 µm +8 µm 30

44 Messbeispiel (Ia) : Ebene Oberfläche Standardabweichung σz p, d.h. Wiederholpräzision der Form z für Streifenprojektion und Deflektometrie σz p (FP) 4.00 µm σz p (HDR) 0.77 µm 0.00 µm 0.65 µm σz p (ISR) 7.25 µm σz p (RDR) 0.07 µm 7.10 µm 0.00 µm 31

45 Messbeispiel (Ib) : Hohlspiegel Stetige Oberfläche mit örtlich homogener Reflektivität (Ib): Diamantgedrehter sphärischer Spiegel, r = 200 mm (Al) Variation des Referenzabstands: z = { 10 mm, 0 mm, 10 mm} 32

46 Messbeispiel (Ib) : Hohlspiegel Stetige Oberfläche mit örtlich homogener Reflektivität (Ib): 33

47 Messbeispiel (Ib) : Hohlspiegel Streifenmodulation M für Phasenmessung mit Streifenprojektion (FP, Kamera 1,2) und Deflektometrie (PMD): M (FP) 30 % M (PMD) 40 % 0% 30 % Streifenbreite: FP: 50 Pixel PMD: 100 Pixel 34

48 Messbeispiel (Ib) : Hohlspiegel Residuen der Form z von Streifenprojektion und Deflektometrie (HDR, ISR, RDR) nach Abzug einer Sphäre aus numerischem Fit: z (FP) 35 µm z (HDR) 0.35 µm 35 µm 0.35 µm z (ISR) 0.35 µm z (RDR) 0.35 µm 0.35 µm 0.35 µm 35

49 Messbeispiel (Ib) : Hohlspiegel Aus Messdaten ermittelter Radius der Oberfläche: 36

50 Messbeispiel (Ib) : Hohlspiegel Aus Messdaten ermittelter Radius der Oberfläche: Geringste Differenz zu nominellen Radius für Daten aus HRR Messung 37

51 Messbeispiel (II) : Freiform Unstetige Oberfläche mit örtlich variierender Reflektivität (II): Unstetige Freiformoberfläche (Al) mit Regionen R1, R2, R3, R4 Referenzabstand: z = 0 mm 38

52 Messbeispiel (II) : Freiform Streifenmodulation M für Phasenmessung mit Streifenprojektion (FP, Kamera 1,2) und Deflektometrie (PMD): M (FP) 40 % M (PMD) 40 % 0% 0% Streifenbreite: FP: 24 Pixel PMD: 24 Pixel 39

53 Messbeispiel (II) : Freiform Form z aus Streifenprojektionsmessung: z (FP) 2.1 mm 1.3 mm Histogramm: 40

54 Messbeispiel (II) : Freiform Wiederholpräzision der Form z für Streifenprojektionsmessung: σz p (FP) 20 µm 0µm 41

55 Messbeispiel (II) : Freiform Hybridreflektometrie Auswertung: Vorverarbeitung der FP Formdaten: Interpolation fehlender Formdaten als gültigen Daten (Nicht abgeschattet, Standardabweichung < 7 µm) HRR Auswertung: Individuelle Auswertung der gültigen Bereiche R1, R3 und R4 42

56 Messbeispiel (II) : Freiform Form z in gültigen Bereichen R1, R3 und R4 aus Hybridreflektometriemessung: z (HRR) 2.1 mm 1.3 mm 43

57 Messbeispiel (II) : Freiform Wiederholpräzision der Form z für Hybridreflektometriemessung in den Bereichen R1, R3 und R4: σz p (HRR) 0.96 µm σz p (HRR) 1.02 µm σz p (HRR) 0.66 µm 0.89 µm 0.95 µm 0.60 µm 44

58 Messbeispiel (II) : Freiform Residuen der Form z aus HRR Messung nach Abzug einer Sphäre aus numerischem Fit (r Fit = 379,047 mm ± 0,007 mm), z (HRR) 1.8 µm 1.8 µm 45

59 Messbeispiel (II) : Freiform Vergleich Hybridreflektometriemessung zu mechanischer Messung (Messschieber): Region Height z in reference to R3: Deviation of HRR measurement to mechanical measurement R1 23 µm ±80 µm R2 9 µm ±81 µm R4 16 µm ±80 µm Maximale Abweichung der Flächenschwerpunkte von 23 µm 46

60 Messbeispiel (II) : Freiform Formdaten aus kombinierter Messung : Deflektometrie Messdaten (HRR) z (HRR, FP) 2.1 mm 1.3 mm Streifenprojektions Messdaten 47

61 Zusammenfassung Hybridreflektometrie: Kombination von Messdaten aus Streifenprojektions (FP) und (1 Kamera basierter) deflektometrischer (PMD) Messung Hybridreflektometrie Regularisierung (HRR): Bestimmung der Normalenverteilung auf einer Oberfläche durch Interpretation von Phasenmessdaten aus PMD mittels Formdaten aus FP 48

62 Zusammenfassung Mit HRR erzielte Messergebnisse: Verbesserte Auflösung in Formdaten im Vergleich zu Streifenprojektion (FP), vergleichbar mit anderen 1 Kamera PMD Ansätzen (RDR, ISR) Messbeispiel Hohlspiegel: Beste Treue zu nominellen Radius im Vergleich zu FP sowie RDR PMD, ISR PMD Geringere Anforderungen an Objektoberfläche: Lokal unstetige Oberflächen messbar Kein Justierung des Objekts notwendig Unbekannte Formen messbar im Gegensatz zu anderen 1 Kamera PMD Ansätzen (RDR, ISR) 49

63 Zusammenfassung Regularisierungsmethode Fixpunkt (RDR) Ini Shape (ISR) Hybridreflektometrie (HRR) Lokal unstetige Oberflächen x x Unbekannte Objektform x Unbekannte Objektposition x 50

64 Fazit Erste Formmessungen mittels neuartiger HRR basierten Deflektometrie wurden erfolgreich demonstriert. Hybridreflektometrie hat ein großes Potenzial für die Messung von teilreflektierenden Oberflächen. 51

65 Ausblick Datenfusion: Entwicklung einer Metrik für die Güte von FP und PMD Messungen (u.a. aus Streifenmodulation) im Bezug auf erzeugte Formdaten Entwickelung eines Least Squares basierten Ansatzes zur Datenfusion; Gewichtung von FP, PMD Phasendaten mittels Messdatengüte Entwicklung einer kombinierten Systemgeometrie Kalibrierung Automatisierte Anpassung der Musterperioden 52

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68 Rauschabschätzung bei GOP Messungen Lokale Streifenmodulation M: Streifenprojektions Messung Deflektometrie Messung

69 Rauschabschätzung bei GOP Messungen Lokale Streifenmodulation M: M (Streifenprojektion) M (Deflektometrie)

70 Normalenintegration (HRR) Phase ϕ PMD from PMD measurement Shape data z FP from FP measurement Input: ϕ PMD, z z FP, z FP average(z FP ) Calculate (x,y) from z and rays of sight Calculate normals from ϕ PMD, system geometry and (x,y,z) Calculate gradients from (x,y,z) and normals z Integrate (gradients) Integration Loop Add offset: z z + z FP Last loop iteration? NO YES Output: z PMD z Calculate (x PMD, y PMD ) from z PMD and rays of sight Point cloud (z PMD, z PMD, z PMD ) from HRR evaluated PMD measurement

71 Messbeispiel (Ib) : Hohlspiegel Aus Messdaten ermittelter Radius der Oberfläche: d z1 = d z,ref 10mm d z2 = d z,ref d z3 = d z,ref +10mm r fit /mm (FP) ± ± ± r fit / mm (HRR) ± ± ± r fit /mm (ISR) ± ± ± r fit /mm (RDR) ± ± ± 0.005

72 Dateninterpolation (FP) Eingabe bild Eingabe maske Ausgabe maske Ausgabe bild