Möglichkeiten und Grenzen der optischen 3D-Formerfassung

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1 Möglichkeiten und Grenzen der optischen 3D-Formerfassung G. Häusler www. 3d-shape.com Programm Physik der Messprinzipien Sensorprinzipien und Anwendungen: Triangulation Weisslichtinterferometrie Deflektometrie 2 1

2 3 die Objekte sind dreidimensionale sichtbar sind meist nur die im 3d-Raum 4 2

3 wir sehen nur die Projektion auf die Netzhaut Objekt die Projektion ist 5 Warum optische 3D-Sensoren? Auge: 2D-Erscheinung 3D-Sensoren: geometrische Gestalt unabhängig von: Beleuchtung, Verschmutzung, Rotation, Verschiebung

4 Wünsche an die Bildgebung: Blick ins Volumen: (CT, MR, optische Kohärenztomografie) Oberflächengestalt (optischer 3d-Sensor) 7 Wieviele Sensorprinzipien gibt es? Entfernung von Sternen Abstand von Atomen = wie viele Sensoren sind notwendig? wo sind die Grenzen? 8 4

5 nur 4 physikalische Prinzipien nötig: I. Triangulation: δz ~ z 2 II. Weisslichtinterferometrie auf rauhen Oberflächen δz ~ R a III. klassische Interferometrie δz ~ 1/z IV. Deflektometrie δz. δx> Q 9 optische 3D-Sensor- Prinzipien Stereo-Sehen shape from motion Lasertriangulation Fokussuche konfokale Mikroskopie Streifenprojektion photometrisches Stereo Typ I WLI auf rauen Oberflächen optische Kohärenztomografie Laufzeit-Verfahren klassische Interferometrie shape from shading Deflektometrie Typ II Typ III Typ IV 10 5

6 OPT. SENSOREN für NANOMETER und METER 11 Triangulation 12 6

7 passives Stereo 1 2 Objekt Vorteil: Probleme: Triangulationswinkel - θ passiv Korrespondenzproblem aktive Lasertriangulation 1 2 LASER δz Objekt Vorteil: Probleme: flexibel, einfach sehr hohes Messrauschen 1 2 δx CCD- Photoempfänger 14 7

8 kohärentes Rauschen bei Lasertriangulation: Arbeitsabstand z = 1 Meter Apertur-Durchmesser = 20 mm Triangulationswinkel 30 o voll kohärente Streuung (C=1) Messunsicherheit δz ~ 1mm 15 KONSEQUENZEN für Triangulation KEINE LASER! 16 8

9 Streifenprojektion und Anwendungen Streifenprojektor Oberfläche Z(x,y) TV-Kamera Computer 17 zu beachten: (1) Problem: mehrere Sätze von Rohdaten notwendig Lösung: schneller Sensor: (0.27 sec für ein 3D-Bild!) 18 9

10 FaceScan 3D Messzeit: 0.27 s Messunsicherheit 0.3 mm Kameras Beamer 3D-SHAPE GmbH 19 Messung mehrerer Ansichten mit Spiegeln 20 10

11 Grenzen Statistische Messunsicherheit < 0.05% vom Messfeld Systematischer Messfehler < 0.1% vom Messfeld Laterale Auflösung < 0.1% vom Messfeld 21 intraoperative Unterstützung Operation Optische 3-D-Aufnahme Soll-Ist-Vergleich Überwachung nicht ionisierend, schnell, kostengünstig 22 11

12 Korrektur von Augapfelfehlstellung (Dr. Nkenke, MKG Erlangen) vor der Operation nach der Operation 23 Nach der Operation 3DAnsicht Augen-postop Ist-Position Soll-Position 12,5 mm 24 12

13 Volumenänderungen /Genauigkeitstest 10 Messungen M i dazwischen Verformung der Knetmasse Referenzmessung: ohne Knetmasse M 0 Volumen-Messfehler ~ 0.6% (V=7.7 cm³) 25 Farbtextur? Demo 3D-viewer 26 13

14 Fusion Ultraschall / opt. 3D 27 Fusion optische Daten mit Ultraschalldaten 28 14

15 Hautverformung Lösung: Extraktion der Hautkontur aus optischer Messung B Hautkontur aus opt. Messung Hautkontur aus US-Messung 29 Zahntechnik 30 15

16 für rapid prototyping Original virtual Copy FDM rapid prototype 31 Posaunenengel Fürstenportal, Bamberger Dom 32 16

17 33 c Optische Sensoren für Nanometer und Meter 34 17

18 nur 4 physikalische Prinzipien nötig: I. Triangulation: δz ~ z 2 II. Weisslichtinterferometrie auf rauhen Oberflächen δz ~ R a III. klassische Interferometrie δz ~ 1/z IV. Deflektometrie δz. δx > Q 35 Weisslichtinterferometrie 36 18

19 Signal an verschiedenen Oberflächen An optisch glatten Oberflächen An optisch rauen Oberflächen 37 Visualisierung der Signalerzeugung: 38 19

20 Kohärenzradar: KORAD 3D S18 Feld bis 130mm 130 Hz frame rate Echtzeitauswertung für blanke und raue Objekte erfüllt Industriestandards 39 Nützliche Eigenschaften: die Messunsicherheit hängt nicht vom Arbeitsabstand oder der Apertur ab! Messungen in tiefen Bohrungen sind möglich Messungen an nahezu allen Materialien sind möglich Messungen an sehr großen Objekten sind möglich Rauhigkeitsmessungen sind aus großem Abstand möglich 40 20

21 MESSUNG IM BOHRLOCH 13 mm Messunsicherheit 1 µm, auch am Grunde des Bohrlochs 4 mm 41 Testmessung: Referenzkegel R. Gross, C. Richter 42 21

22 Schnitt Einspritzdüse 43 Schneidwerkzeug 12,0 [mm] [µm] ,0 8,0 4,0 8,0 12,0 [mm] 44 22

23 Motorblock MOTORBLOCK 45 Riss-Detektion mit MIKROKORAD 3D 10µm R. Gross 46 23

24 flip chip bump array 47 Haut (in vivo) and Schaltkreis auf Keramik

25 Messung der Oberflächenrauheit R q Kohärenzradar vs. Taster σ(objekt) =R c q = < z(messung) > Gemessen mit: Korad Taststift 49 δz 20µ 10µ Lasertriangulation phasenmessende Triangulation Korad geschliffen gefräst gefräst geschabt geschabt gestoßen gehont gehärtet gehärtet 50 25

26 Deflektometrie 51 phasenmessende Deflektometrie ( PMD ) optisch differenzierender Quellcodierer für blanke Objekte 52 26

27 PMD - Prinzip projector Kamera Mattscheibe Prüfling 53 In der ist Beleuchtung = Quellcodierung source encoder object illumination noise observation 3D PC 54 27

28 Deflektometrie Deflektometrie ist das MP 3 unter den 3D- Messverfahren: es macht eine effektive Quellcodierung 55 Rasierklinge: Schneidwinkel mit PMD razor blade 56 28

29 SpecGAGE 3D Deflektometrie Für blanke Freiformflächen 57 Gleitsichtglas A B Messzeit < 10 sec Messunsicherheit < 0,02 dpt (3x3mm²) 3D Darstellung des Flächenbrechwerts 3,5 3 2,5 2 dpt A B Schnitt von A nach B 1, mm 58 29

30 Bearbeitungsspuren 59 Erreichte Formgenauigkeit Φ 3mm λ/10 Φ 5mm λ/4 Φ 7mm λ/2 Φ 14 mm 1 µm 60 30

31 Diamantgedrehter Kegel (Injektornadel) Drehriefen ~ 20 nm tief Optics Univ. Erlangen 61 Mikro Zylinderlinsenarray mit PMD (integriert) 0,105 mm 62 31

32 mobiles System für Autoscheiben cameras LCD-monitor 63 Autoscheiben-Messung Auswertung Streifenbild Krümmungsbild 64 32

33 Geometrische Form durch Integration (überhöhte Darstellung) 65 PMD Eigenschaften: + 1 Mio pixel, Messzeit 10sec + keine bewegten Teile + grosser Messbereich(bis +/-1000 Dpt) + skalierbar vom mm bis Meter + empfindlich für Nanometer Defekte + KEIN INTERFEROMETER! 66 33

34 Zusammenfassung 67 Freie Auswahl VON SENSOREN Oberfläche klass. Int. Korad PMT Lasertri. blank, eben blank, krumm matt, Lambert techn. Oberfl Volumenstreuer tiefe Bohrungen geneigte tech. Oberflächen PMD : uneingeschr. Messmögl. 0: mit Ausfällen --: Mess. unmöglich 68 34

35 Literatur: , 2004 G. Häusler. Three-Dimensional Sensors Potentials and Limitations. In B. Jähne, H. Haußecker und P. Geißler, Hrsg., Handbook of Computer Vision and Applications, Vol. 1: Sensors and Imaging, pp , Academic Press Boston, G. Häusler. Ubiquitous coherence boon and bale of the optical metrologist, Speckle Metrology 2003, Trondheim, June 2003, Proc. SPIE Vol. 4933, pp , 2003 M. Knauer, J. Kaminski and G. Häusler. Phase Measuring Deflectometry SPIE Vol. 5457, pp Strasbourg, April 2004 C. Wagner and G. Häusler. Information theoretical optimization, Applied Optics, Vol. 42, No.27, pp , 20. September 2003 M. Knauer et al, 3D-sensor zoo.., Laser Technik Journal, 1, 2006, p Kooperationspartner: Institut für, Information und Photonik, Max-Planck Forschungsgruppe, Uni-Erlangen 3D-Shape GmbH, Erlangen Mund-, Kiefer und Gesichtschirurgie, Kieferorthopädie, Uni-Würzburg Wir danken den Fördermittelgebern: DFG, Sonderforschungsbereich 603 Bayerische Forschungsstiftung 70 35