Kapitel 3 Abbildung und Objekterfassung

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1 Kapitel 3 Abbildung und Objekterfassung 3.1 Bildentstehung Projektion Auflösungsvermögen nach Abbe Bilddetektoren Strömungsvisualisierung 3.2 Lichtmikroskopie Auflichtmikroskop Durchlichtmikroskop Dunkelfeldbeleuchtung Phasenkontrastverfahren 3.3 Fluoreszenzmikroskopie 3.4 Konfokale Mikroskopie Konfokales Durchlichtmikroskop Konfokales Fluoreszenzmikroskop Nipkow-Scheibe Konfokales Laserscanning Mikroskop 3.5 Verbeserung der Auflösung Immersionsoptik 4pi- Mikroskopie STED Mikroskopie Nahfeld Mikroskopie 3.6 Photogrammetrie Zweidimensionale Photogrammetrie Dreidimensionale Photogrammetrie 3.7 Oberflächenerfassung Aktive Triangulation Lichtschnittverfahren Linienprojektion 3.8 Beleuchtung 3.9 Objekterkennung 1

2 3) Abbildung und Objekterfassung 3.1 Bildentstehung Projektion a) Schattenwurf: Röntgenbilder b) Diaprojektor/Overheadprojektor (Hebbeker, RWTH-Aachen) 2

3 3.1.2 Auflösungsvermögen nach Abbe λ s = n sin = λ ( α) A A = Numerische Apertur 3

4 3.1.3 Bilddetektoren a) CCD Detektoren 4

5 Typen von Halbleitersensoren: CCDs FF CCDs = Full Frame CCDs Anwendungsgebiete:Astronomie, Spektroskopie, TDI Scanner Vorteile:hohe Auflösung, sehr grosse Arrays möglich (7000x9000 Pixel von Philips) Nachteil:mechanischer Shutter zwingend FT CCDs = Frame Transfer CCDs Vorteile:hohe Auflösung, hohe Apertur, interner Shuter möglich, sehr gleichmässige Empfindlichkeit Nachteil:starker Smear Effekt, grosse Chip Fläche IL CCDs = Interline CCDs Anwendungsgebiete:Videokameras low cost Vorteil: kleiner Chip Nachteile: geringe Apertur (kann durch onchip Linsen verbessert werden), starker Smear Effekt, Ladungsreset FIT CCDs = Frame Interline CCDs Anwendungsgebiete: Videokameras high Performance Vorteil: sehr geringer Smear Nachteile: grosse Chip Fläche, geringe Apertur (Linsen möglich) Zeilen CCDs Anwendungsgebiete: Scanner Vorteil: hohe Dynamik (hohes Full Well) Nachteile: keine TDI CCDs = Time Delay and Integration CCDs Anwendungsgebiete: High Speed Scanner Vorteil: sehr hohe Scanngeschwindigkeiten möglich (> 30KHz), extrem hohe Empfindlichkeit Nachteile: geringe Full Well, Scanngeschwindigkeit muss auf ein Promil genau bekannt sein (1% Fehler bei 100 Stufen = 50% MTF Verschlechterung) 5

6 Weitere Bilddetektoren: MOS-XY = XY Adressierbare CCD Sensoren (Photodioden Arrays) Vorläufer der CMOS Sensoren (APS), werden nicht mehr hergestellt Anwendungsgebiete:Spektroskopie Vorteile:hohe Blauempfindlichkeit, wahlfreier Zugriff Nachteile: hoher Dunkelstrom, Ungleichförmige Empfindlichkeit CIDs = Charge Injection Devices Anwendungsgebiete:Schweißkameras und extreme Dynamikanforderungen Vorteile:hohe Übersteurungsfestigkeit, wahlfreier Zugriff Nachteile: hoher Dunkelstrom, Ungleichförmige Empfindlichkeit, nur ein Hersteller APS = Active Pixel Sensors Anwendungsgebiete: Low Cost Kameras, Low Performance Imaging Vorteile: extrem geringer Stromverbrauch, Integration fast aller Kamerafunktionen auf einem Silicium Chip, hohe Übersteurungsfestigkeit, wahlfreier Zugriff Nachteile: Faktor 10 geringere Empfindlichkeit wie CCDs, hoher Dunkelstrom, Ungleichförmige Empfindlichkeit Strömungsvisualisierung Nebel- und Lichtschnittverfahren Schlierentechnik 6

7 3.2 Lichtmikroskopie Auflichtmikroskop und Durchlichtmikroskop Dunkelfeldbeleuchtung Phasenkontrastverfahren 7

8 3.3 Fluoreszenzmikroskopie 8

9 3.4 Konfokale Mikroskopie Konfokales Durchlichtmikroskop Herkömmliches Durchlichtmikroskop: Konfokales Durchlichtmikroskop: 9

10 3.4.2 Konfokales Fluoreszenzmikroskop 10

11 3.4.3 Nipkow-Scheibe 11

12 3.4.5 Konfokales Laserscanning Mikroskop 12

13 3.5 Verbeserung der Auflösung Immersionsoptik pi- Mikroskopie gwdg.de/abteilungen/200/ 13

14 3.5.3 STED Mikroskopie Stimulated Emission Depletion 14

15 15

16 3.5.4 Nahfeld Mikroskopie SNOM: Scanning Nearfield Optical Microscopy 16

17 17

18 Dr. Christian Spitz, Lehrstuhl für Photonik, Universität Potsdam Photogrammetrie Zweidimensionale Photogrammetrie Topographie: Maßstäblich entzerrte Luftbilder (Orthophotos) Mustererkennung => Kartenmaterial Dreidimensionale Photogrammetrie Oberflächenerfassung: Stereokamera: bekannter Abstand, bekannter relativer Blickwinkel (im einfachsten Fall parallel) Identifizierung von Objektpunkten: Ggf Texturprojektion Mathematische Bildbearbeitung (Scharfzeichnen, Kantenfindung) Mustererkennung Zuordnung homologer Bilddetails Triangulation: Raumkoordinaten für jedes Bilddetail Interpolation Gittermodell bzw. Höhenlinien α α z = d / [tan(α 2 )-tan(α 1 )] 18

19 Steroekamera mit LED Illumination und Weisslichtprojektor 1m x 1m Bild wird in ca. 1 sec berechnet Das komplette Autochassis (Renault) wird mit 0.3 mm Genauigkeit in 30 min (2000 Referenzpunkte) vermessen. 19

20 3.7 Oberflächenerfassung Aktive Triangulation Projektor, durch einen Lichtstrahl beleuchteter Oberflächenpunkt des Objektes und Kamera stellen ein Dreieck dar. Basisbreite sowie α und β sind bekannt. 20

21 3.7.2 Lichtschnittverfahren Ebenes Lichtbündel projiziert Linie auf dem Objekt. Deformation aus Sicht der Kamera ist Maß für die Objekthöhe. 21

22 3.7.3 Linienprojektion Wie Lichtschnittverfahren, aber gleichzeitige Projektion vieler Linien. Zuordnung durch sequenzielle Projektion verschiedener Linienbreiten. 22

23 3.8 Beleuchtung Wellenlänge: Relevante Kontraste Sensorempfindlichkeit Objektreflektivität Original: Weiße Beleuchtung Rot beleuchtet Grün beleuchtet 23

24 Vignettierung: Bildhelligkeit nimmt zum Rand ab Korrigierende Beleuchtung 24

25 3.9 Objekterkennung Wissen über die zu identifizierende Objekte => Datenauswertung Anpassung von Modellparametern Bild der linken Kamera Höhenprofil parametrisierte Objekte 25

26 Vorgabe des Modells durch den Operateur VR-Aufbereitung für Stadtplanung W. Förstner, Uni-Bonn 26