Optische Systeme. Inhalte der Vorlesung. Methoden der Entfernungsmessung

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1 Inhalte der Vorlesung 9.2 Optische Systeme Martina Gerken Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 3. Optische Messtechnik 3.1 Spektroskopie 3.2 Materialcharakterisierung 3.3 Entfernungsmessung 3.4 Winkelmessung 3.5 Optische Maus 4. Optische Materialbearbeitung 5. Optik in der Datenspeicherung 6. Mikro- und Nanooptische Systeme Universität Karlsruhe (TH) Methoden der Entfernungsmessung 9.3 Entfernungsmessung über Triangulation 9.4 Basisentfernungsmesser Kathete (Basis) vorgegeben Winkel β verändert bis sich Hypotenuse und Ankathete im Objekt treffen. Winkelentfernungsmesser Winkel β vorgegeben Länge der Kathete verändert, bis sich Hypotenuse und Ankathete im Objekt treffen. Optische Methoden optische Triangulation optische Laufzeitmessung optische Interferometrie Quelle: de.wikipedia.org/wiki/entfernungsmessung Quelle:

2 Visuelle Darstellung 9.5 Beispiele für Indikatorbilder 9.6 Mischbildindikator Schnittbildindikator Mischbild Fokussiert, wenn Bild und Geisterbild deckungsgleich Schnittbild Fokussiert, wenn Bildhälften ohne Versatz Kehrbild Fokussiert, wenn Kehrbild ohne Versatz Quelle: Naumann/Schröder, Bauelemente der Optik, 1992 Quelle: Beispiel: Mischbild-Entfernungsmesser 9.7 Veränderliche Strahlablenkung 9.8 Winkeländerung über Prismendrehung erreicht Hebelübersetzung zur genaueren Winkelbestimmung Optische Übersetzung mit Prismenkeilen erzeugt bei großer Schwenkung bwz. Drehung nur kleine Strahlwinkeländerung Planplattenmikrometer Drehen/Verschieben von Planlinsenpaar Drehkeilpaar ; Naumann/Schröder, Bauelemente der Optik, 1992

3 Beispiel: Kehrbild-Entfernungsmesser 9.9 Beispiele: Abstandssensor 9.10 Winkeländerung über Linsenversatz Bildtrennung durch Prismensystem Kontrolle der Rotationsachse eines Körpers Kontrolle von Unwuchten eines Körpers Beispiele: Abstandssensor 9.11 Lichtschnitt-Sensor 9.12 Messung der Schichtdicke Laserlinie in definiertem Winkel über Tastobjekt gelegt Laserlinie wird auf Empfänger-Kamera als Kontur abgebildet, die dem Höhenprofil entspricht Essentiell für Automatisierung Quelle:

4 Farbcodierte Triangulation 9.13 Laufzeit-Entfernungsmesser 9.14 Pressemeldung 01/2007: Mit Hilfe eines farbcodierten Triangulations- Verfahrens lassen sich dreidimensionale Abbilder von teilweise sogar bewegten Objekten aller Art erfassen. 3D-Machine Vision erweitert von Siemens Projektor beleuchtet Objekt mit parallelen Lichtstreifen Kamera zeichnet Muster auf, das eine Art Höhenprofil ergibt Computerprogramm berechnet im Bruchteil einer Sekunde das 3D-Abbild Lichtstreifen sind farblich oder zeitlich redundant codiert Je nach Kodierung wird 3D-Datensatz aus einem Videobild bestimmt und somit auch bewegtes Objekt dreidimensional erfasst. Aussenden eines Laserpulses und Bestimmung der Zeitdifferenz bis zum Empfang des Reflexionspulses Berechnung der Strecke aus Ausbreitungsgeschwindigkeit Problem: Licht ist schnell Laufzeit für eine Stecke von 1 m ist 3 ns Kurze Laserpulse und schnelle Elektronik notwendig Quelle: LIDAR (Light Detection and Ranging) 9.15 Gruppenarbeit 9.16 Vgl. Radar: Elektromagnetische Welle wird abgestrahlt und das reflektierte Signal detektiert und analysiert. Ihre Firma möchte einen elektronischen Entfernungsmesser ins Produktprogramm aufnehmen und Ihr Team soll einen ersten Vorschlag erarbeiten Entwickeln Sie im Team je einen Vorschlag für einen Triangulations- und einen Laufzeit-Entfernungsmesser. Erstellen Sie ein Schema des Aufbaus! Spezifizieren Sie die Komponenten! Nennen Sie den Messbereich! Schätzen Sie die Messgenauigkeit ab! Diskutieren Sie, welcher Ihrer Vorschläge vielversprechender ist und stellen Sie diesen mit Hilfe einer Overhead-Folie dem Management vor! Quelle:

5 LIDAR Anwendungsbeispiele 9.17 LIDAR-Systeme (Beispiel Uni Baltimore) 9.18 Koordinatenbestimmung durch Laufzeitmessung Chemische Analyse (Schadstoffgehalt in der Atmosphäre) durch Laufzeitmessung und spektrale Messung (von Raman-Streuung) Dynamik von Gasströmungen durch Laufzeitmessungen und Dopplerverschiebung Laser Telescope Q-switched Nd-YAG with 320mJ at 1064nm (additional wavelengths: 532nm and 355nm); 30Hz repetition rate; 8ns pulse; 1.8 mrad beam divergence; BigSky laser model CFR cm (10 in) diameter, Cassegrain f/10, 5mrad FOV (Meade LX50) Detector Digitizer Scanning system IR-enhanced Si avalanche photodiode (Analog Modules) 12-bit 100MHz, dual channel (Signatec PDA 12) Azimuth rotary stage (180:1), stepper motors & encoders, elevation right angle reducer (100:1), i.e. from 90 o to -10 o, AT6400 controller (Compumotor) Maximum range resolution 1.5m Data acquisition Pentium 133 MHz laptop Interferometrische Entfernungsmessung 9.19 Einschub: Newtonsche Ringe 9.20 Interferometer Lichtstrahl wird in mindestens zwei Lichtbündel aufgeteilt Lichtbündel durchlaufen unterschiedliche optische Wege Lichtbündel werden am Ausgang wieder zusammengeführt Bei kohärenter Überlagerung Interferenzmuster (Interferenzstreifen oder - ringe) beobachtbar Muster wird durch Differenz der optischen Wege bestimmt, die die einzelnen Strahlen bis zur Vereinigung zurückgelegt haben. Präzisionsmessungen über Auswertung von optischen Interferenzen Beispiele für Interferometer Newtonsche Ringe durch Interferenz von Reflexion an Linse und Reflexion an Glasplatte Fabry-Perot Michelson Mach-Zehnder Quelle: Naumann/Schröder, Bauelemente der Optik, 1992 Ohne Fehler Mit Fehler Quelle: wwwex.physik.uni-ulm.de

6 Weißlichtinterferometrie 9.21 Fokussierentfernungsmesser 9.22 Interferenz breitbandigen Lichts (Weißlicht) ausgenutzt Breitbandiges Licht hat kurze Kohärenzlänge Interferenzphänomene nur sichtbar, wenn die Weglänge in beiden Armen des Interferometers bis auf die Kohärenzlänge (~λ) gleich Messkopf wird in z-richtung verfahren und Objekt abgescannt Tiefenbild des Objektes mit einer sehr geringen Messunsicherheit generiert Aufbau muss sehr stabil sein Veränderung von Objektiv-Okular-Abstand bis Abbildung fokussiert Ablesen der Entfernung an Objektivskala Auch Kontrastmessung genannt, da Bildkontrast im Fokus maximal Autofokus einer Digitalkamera funktioniert über Kontrastmessung Prozessor der Kamera errechnet Frequenzverteilung im Bild Je größer der Anteil der hohen Frequenzen, desto schärfer das Bild Mehrere Aufnahmen mit unterschiedlicher Fokussierung notwendig, um eine Verbesserung oder Verschlechterung der Bildschärfe und die Richtung der nötigen Fokussierung zu ermitteln. Quelle: Quelle: Naumann/Schröder, Bauelemente der Optik, 1992 Autofokus durch astigmatische Abbildung 9.23 Inhalte der Vorlesung 9.24 Beleuchtungsfleck A wird durch Objektiv und Zylinderlinse astigmatisch auf Quadrantendiode abgebildet Bei richtiger Fokussierung (Soll-Abstand) sind Signale der beiden x-dioden und der beiden y-dioden identisch Fokus-Nachführung ergibt sich aus Differenzsignal Verwendung in CD- und DVD-Spielern 1. Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 3. Optische Messtechnik 3.1 Spektroskopie 3.2 Materialcharakterisierung 3.3 Entfernungsmessung 3.4 Winkelmessung 3.5 Optische Maus 4. Optische Materialbearbeitung 5. Optik in der Datenspeicherung 6. Mikro- und Nanooptische Systeme Quelle: Naumann/Schröder, Bauelemente der Optik, 1992

7 Winkelbestimmung über Kollimator und Fernrohr 9.25 Autokollimationsfernrohr 9.26 Kollimator: Projektor, der Strichplatte mit beleuchteter Marke nach Unendlich abbildet Fernrohr mit Marke zur Auswertung benutzt Richtungsdifferenzen werden empfindlich angezeigt Messanordnung ist unempfindlich gegen Fluchtungsdifferenzen (Parallelversetzung) Kollimator und Fernrohr in einem Messgerät vereinigt Okularstrichplatte (Fernrohrstrichplatte) und Kollimatorstrichplatte befinden sich in der Brennebene des Autokollimatorobjektives Quelle: Beispiel: Ermittlung des Profils einer Führungsbahn 9.27 Fluchtfernrohr 9.28 Präzisionsinstrumente zur Ausrichtung von Objekten entlang einer Fluchtlinie ( Fluchtgeraden ) Fluchtfernrohr fokussiert Zielmarken, um so deren laterale Abweichung in Bezug auf Referenzlinie zu bestimmen Messanordnung gegenüber Drehung unempfindlich

8 Beispiel: Auswertung Fluchtbahnvermessung 9.29 Ausrichten der Fernrohrachse 9.30 Vor Verwendung muss Fernrohrachse meist parallel zu Führungsbahn etc. ausgerichtet werden Vorgehen siehe Bild Quelle: Bei Benutzung eines Justierlasers identisches Vorgehen mit zwei Irisblenden Inhalte der Vorlesung 9.31 Opto-mechanische Maus (seit 1984) Grundlagen der Wellenoptik 2. Abbildende optische Systeme 3. Optische Messtechnik 3.1 Spektroskopie 3.2 Materialcharakterisierung 3.3 Entfernungsmessung 3.4 Winkelmessung 3.5 Optische Maus 4. Optische Materialbearbeitung 5. Optik in der Datenspeicherung 6. Mikro- und Nanooptische Systeme Richtung erhält man aus zeitlicher Folge beider Signale

9 Optische Maus (alt seit 1968) 9.33 Optische Maus (neu) 9.34 Spezielles Muster auf dem Mauspad sorgt für eine modulierte Reflexion bei Verschiebung Bild wird gescannt (wie in der Digitalkamera) und Verschiebungen errechnet Quelle: Beispiele für optische Maus-Systeme 9.35 Lasermaus (sehr neu seit November 2004) 9.36 Gesamtaufnahme Beleuchtung mit einem IR-Laser Bildaufnahme mit Kamera Speckle-Interpretation zur Bewegungsauswertung Quelle: Beispielbild von unten Quelle: Quelle:

10 Was sind Speckle? 9.37 Erinnerung: Beugung am Gitter 9.38 Speckle (Laserlicht-Granulationen) entstehen bei Reflexion bzw. Transmission von kohärentem Licht an rauen Oberflächen bzw. verteilten Streupartikeln Interferenzeffekt an einer sehr großen Zahl N von Streuzentren k, die feste Phasendifferenzen ϕ k zwischen 0..2π erzeugen Jedes Streuzentrum ist Ausgangspunkt einer Kugelwelle, die sich im Beobachtungspunkt überlagern Beobachtungspunkt r A ( r) N = k= 1 ae k iϕ N k λ kohärentes Licht Wie entstehen Speckle? 9.39 Speckle 9.40 Interferenzeffekt an einer sehr großen Zahl N von Streuzentren k, die zufällige Phasendifferenzen ϕ k zwischen 0..2π erzeugen Jedes Streuzentrum ist Ausgangspunkt einer Kugelwelle, die sich im Beobachtungspunkt überlagern Beschaffenheit der Oberfläche Speckle treten auf, wenn die Rauheit der Oberfläche größer ist als die Wellenlänge Beobachtungspunkt r A ( r) N = k= 1 ae k iϕ N k Rauheit Beobachtungspunkt r λ kohärentes Licht λ kohärentes Licht

11 Speckle 9.41 Probleme durch Speckles 9.42 Beschaffenheit von Streupartikeln Speckle treten in Transmission auf, wenn Streupartikel im Volumen verteilt sind im Abstand größer als die Wellenlänge Rauheit kohärentes Licht Beobachtungspunkt r Möglicher Unterschied zu Streuung an der Oberfläche: Hologramme: Neben der gewünschten Interferenz von Objekt- und Referenzwelle existieren Speckle durch raue Objekte Laserprojektionsdisplays: Rauheiten der streuenden Projektionsfläche sind Ursache von Speckles und geben ein unklares Bild Astronomie: Wellenfronten werden durch die Atmosphäre gestört und limitieren das Auflösungsvermögen (vgl. adaptive Optik) Funklöcher: Der Dozent mit Funkmikrofon ist je nach Position im Hörsaal nicht mehr zu hören (manchmal kein Problem) Vielfachreflexion (random walk) macht effektive Rauheit größer als Dicke der Schicht Chancen durch Speckles 9.43 Lasermaus 9.44 Speckle Metrologie Direkter Rückschluss vom Speckle-Muster auf Oberflächenrauheit nicht möglich (vgl. Hologramme) Also: Vergleich von Referenz- und Messobjekt Überlagerung von Muster 1 und Muster 2 gibt ein Muster 3, das abhängig von der Phase (oder Wellenlänge) ist. Quelle:

12 Lasermaus (sehr neu seit November 2004) 9.45 Fragensammlung 9.46 Andere Laser-Eigenschaften können ebenfalls benutzt werden z.b. Philips Twin-Eye Laser Sensor: Eingabegerät basierend auf Laserdopplereffekt Nennen Sie drei Methoden der optischen Entfernungsmessung! Skizzieren Sie ein Gerät zur visuellen Entfernungsmessung über Triangulation! Wie können kleine Winkeländerungen im Strahlengang erreicht werden? Für welche Distanzen sind Laufzeitentfernungsmessungen geeignet? Wie funktioniert die interferometrische Entfernungsmessung? Wie bestimmt eine Digitalkamera die Gegenstandsweite? Was ist ein Autokollimator? Wie funktioniert eine optische Maus? Was ist Speckle? Wann tritt Speckle auf? Wie funktioniert eine Lasermaus? Quelle: