Den passenden Sensor für die gestellte Messaufgabe in der optischen 3D-Messtechnik finden. Wolfgang Berggold studierte

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1 Optische 3D-Sensoren Den passenden Sensor für die gestellte Messaufgabe in der optischen 3D-Messtechnik finden Die optische 3D-Messtechnik bietet bei vielen Vorteile gegenüber abtastenden Systemen. Hierzu gehört das flächenhafte Erfassen des zu vermessenden Objekts, genauso wie die schnelle Gewinnung hochgenauer Messdaten. Darüber hinaus ist besonders der Aspekt, die Daten berührungslos zu gewinnen, von Bedeutung, wenn empfindliche oder gar verformbare Oberflächen zu vermessen sind. Mittlerweile ist die Anzahl verfügbarer Messverfahren und Sensoren nahezu unüberschaubar. So gibt es Laserscanner, Weißlicht- und Laserinterferometer, Deflektometer, Sensoren nach dem Prinzip der Fokussuche, Streifenprojektion oder der Photogrammetrie und sogar Messsysteme, die mehrere Verfahren in einem Gerät vereinen. Alle Verfahren haben hierbei ihre Berechtigung, da es den universellen Sensor, der alle Bedürfnisse befriedigt, aufgrund physikalischer Grenzen und der durch die Messaufgabe gegebenen Randbedingungen (Messbereich,, Oberflächentyp etc.) nicht geben kann. Letztendlich bestimmen das Messobjekt und insbesondere die Art der Oberfläche (spiegelnd, matt, geschliffen, gefräst) sowie die geforderte Messaufgabe den zu wählenden Sensor. Je nach gewünschter Information können für dasselbe Messobjekt verschiedene Sensoren in Frage kommen. Im Folgenden werden vier Messverfahren und Sensoren vorgestellt, die einen großen Teil aller Messaufgaben bewältigen können. Hierbei finden vor allem die neueren Entwicklungen für bisher nicht lösbare Messaufgaben Beachtung [1]. Einen Überblick gibt Tabelle 1. Streifenprojektion Die Streifenprojektion ist eine Variante der Triangulations-Messverfahren, zu denen auch die Lasertriangulation, die konfokale Die Autoren Wolfgang Berggold Wolfgang Berggold studierte Geschichte und Politikwissenschaften an den Universitäten Konstanz und Berlin. Während seiner Promotion an den Universitäten Berlin, Tübingen und Erlangen übernahm Berggold 2008 die Presseund Marketingabteilung der 3D-Shape GmbH. Wolfgang Berggold 3D-Shape GmbH Henkestraße Erlangen Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Website: Mikroskopie und die chromatische Fokussuche gehören. Das Messobjekt wird von einem Projektor mit einem Streifenmuster beleuchtet und meist mit zwei Kameras aus verschiedenen Richtungen beobachtet (Abbildung 1). Die Kameraachsen spannen den so genannten Triangulationswinkel auf. Bei bekannter Geometrie lässt sich die absolute Position der beobachteten Punkte (z. B. eine Million Punkte) im Raum bestimmen. Gerd Häusler Gerd Häusler promovierte 1974 in Physik an der Technischen Universität Berlin. Seitdem arbeitet er am Lehrstuhl für Optik der Universität Erlangen, wo er nach Abschluss seiner Habilitation 1987 zum außerplanmäßigen Professor ernannt wurde. Stationen als Gastprofessor an der Universität München und am RIKEN Institut in Tokyo folgten. Von 1996 bis 2010 war er Mitglied im Vorstand der Deutschen Gesellschaft für angewandte Optik gründete Häusler die Firma 3D-Shape GmbH, gemeinsam mit fünf Mitarbeitern. In seiner universitären Arbeitsgruppe werden seit 25 Jahren optische Sensoren erforscht, entwickelt und teilweise patentiert. Gerd Häusler Institut für Optik, Information und Photonik Universität Erlangen-Nürnberg Staudtstraße Erlangen Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Gerd.haeusler@optik.uni-erlangen.de Website: Die erreichbare bei Triangulationssensoren ist fundamental durch optisches (kohärentes) Rauschen begrenzt. Das führt auch dazu, dass die Messunsicherheit mit dem Quadrat der Entfernung zum Objekt wächst. Einfache Lasertriangulationssysteme erreichen (abstandsabhängig) en von 20 bis 150 µm. Die Streifenprojektionsverfahren haben je nach Arbeitsabstand und Messfeldgröße eine Messunsicherheit von 10 bis 20 µm. Im industriellen Bereich werden Streifenprojektionssysteme für die unterschiedlichsten Aufgaben eingesetzt. So werden beispielsweise Karosserieteile gescannt, um 28 Optik & Photonik Oktober 2010 Nr Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

2 die gemessenen Daten mit den CAD-Daten zu vergleichen. Die Neuigkeiten spiegeln sich in den Anwendungsfeldern wider. So wird sich in der Medizintechnik die Einbindung von 3D- Messungen in die ärztliche Beratung und Planung durchsetzen. Besonders geeignet ist die Streifenprojektion, um etwa die korrekte Zusammenführung der Kiefer (dentale Okklusion) und damit die Funktion des Gebisses am virtuellen Modell prüfen zu können. Durch den Einsatz der Streifenprojektion können auch die Veränderungen durch Prothesen vor ihrem Einsatz genauer abgeschätzt werden. Ferner sind die Folgen von Operationen im Kieferbereich besser kontrollierbar. Es ist seit kurzem möglich, die Stellung eines Gebisses in Beziehung zur Oberfläche des Weichgewebes zu simulieren. Mehrere Scans von Gesicht und Gebissmodell werden miteinander verbunden (registriert), was eine virtuelle Sicht ins Innere des Schädels ermöglicht und dies ohne aufwändige CT- oder MRT-Aufnahmen (Abbildung 2). In einem ersten Schritt erfasst ein spezieller Dentalscanner dreidimensional die Gipsabdrücke der Kiefer des Patienten. Dabei werden nicht nur die einzelnen Kiefer in ein 3D-Modell übertragen, sondern auch die Stellung der Kiefer zueinander in demselben Koordinatensystem registriert. Die Digitalisierung eines kompletten Gebissabdrucks dauert etwa 15 Minuten und steht danach in dem offenen STL-Format (Standard Triangulation Language) zur Verfügung. Im Anschluss an den Dentalscan wird ein dreidimensionaler Datensatz des Gesichts des Patienten erstellt. Die Aufnahme selbst dauert weniger als eine Sekunde, die nachträgliche Verarbeitung ca. ein bis drei Minuten. Eine weitere Aufnahme ermöglicht die Registrierung des digitalen Gebissmodells in den Gesichtsscan. Für die Aufnahme beißt der Patient auf eine Gebissgabel, die mit drei außen liegenden Registrierungspunkten versehen ist. Mit dieser Aufnahme lässt sich das 3D-Modell des Gebisses in den Oberflächenscan des Gesichts einfügen. Mit Hilfe dieser 3D-Daten und den 3D- Daten von Kiefermodellen ist es möglich, eine qualitativ hochwertige Analyse für einen Behandlungsbedarf durchzuführen sowie den Behandlungsverlauf präzise nachzuvollziehen und zu dokumentieren (Abbildung 3). Entsprechende Software kann die Daten nach wissenschaftlichen Kriterien quantifizierbar auswerten, wodurch mittels einer halbtransparenten Darstellung die genaue Position des Kiefers zur Weichgewebsoberfläche bildlich dargestellt wird. Aktuell treibt man die Verknüpfung von dreidimensionalen CT-Daten und optisch TABELLE 1: Überblick zu geeigneten Messverfahren. In der ersten Spalte ist die Messaufgabe angegeben, die weiteren Spalten geben an, welches Messverfahren wie gut geeignet ist, um diese Aufgabe zu lösen. ABB. 1: Triangulationssystem mit einer Kamera: Die codierten Lichtstreifen bilden Lichtebenen im Raum, die Bildkoordinaten der Kamera Sichtstrahlen. Wenn die Position der Kamera und des Projektors zueinander bekannt ist, kann der Schnittpunkt der Sichtstrahlen mit den Lichtebenen und damit die 3D-Koordinate jedes Oberflächenpunktes ermittelt werden. gewonnenen 3D-Oberflächendaten voran. Die Ärzte erreichen damit, dass sich die Patienten stärker mit den Diagnoseergebnissen identifizieren. Weißlichtinterferometrie Die Interferometrie ist ein lange bekanntes Messprinzip, das vorrangig für mikroskopische mit glatten Oberflächen Verwendung fand. Seit der Einführung des so genannten Kohärenzradars 1992 sind auch Vermessungen der 3D-Topographie von rauen Oberflächen möglich [2]. Moderne Technologien und neue Verfahren der Signalverarbeitung haben eine Weiterentwicklung der Interferometer zu präzisen und schnellen Messinstrumenten, auch für mikroskopische Objekte, ermöglicht. Der Großteil der Weißlichtinterferometer basiert auf dem Michelson- oder Mirau- Interferometer. Eine Lichtquelle beleuchtet ABB. 2: Screenshot eines 3D-Datensatzes mit registriertem Gebissabdruck. das Messobjekt und einen Referenzspiegel mit räumlich kohärentem, aber breitbandigem Licht, indem ein halbdurchlässiger 2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 29

3 ABB. 3: 3D-Sensor Datenerfassung. ABB. 4: Prinzip der Weißlichtinterferometrie: Ein Strahlteiler verteilt das Licht auf den Referenzspiegel und das Messobjekt. Aus dem Interferenzmuster des reflektierten Lichts lassen sich Höhenunterschiede ermitteln. ABB. 5: Farbcodiertes Höhenbild von einem Ball-Grid-Array (Flip Chip) mit mehreren hundert Lötpunkten. Spiegel (Strahlteiler) die Lichtwellen aufteilt (Abbildung 4). Das Messobjekt und der Referenzspiegel reflektieren die Lichtwellen, welche wiederum über den Strahlteiler auf einen Detektor (Kamerachip) treffen. Das Messobjekt wird entlang der optischen Achse abgetastet. Die Firma 3D-Shape GmbH Erlangen, Deutschland Die 3D-Shape GmbH wurde 2001 als Spin-off des Instituts für Optik der Universität Erlangen-Nürnberg gegründet. Das langjährige Know-How der Gründer floss unmittelbar in die Entwicklung optischer 3D-Messsysteme für medizinische und industrielle ein. Bis heute trägt die enge Zusammenarbeit mit dem Institut für Optik, Information und Photonik sowie außeruniversitären Forschungsstätten zur Technologiekompetenz des Unternehmens bei. Mittlerweile entwickelt und vermarktet die 3D-Shape GmbH weltweit optische Sensoren für die dreidimensionale Erfassung der Form und Oberfläche sowie entsprechende Auswertesoftware. Wenn die Weglänge zum Messobjekt mit der Weglänge zum Referenzspiegel übereinstimmen, entstehen Interferenzmuster, die eine Kamera aufnimmt. Die Software wertet diese Helligkeitsschwankungen aus und ordnet jedem Pixel einen Höhenwert zu. en Durch das Abtasten entlang der optischen Achse wird eine Höhenkarte des Objektes erstellt. In longitudinaler Richtung (Höhe z) lassen sich auf optisch rauen Oberflächen Messunsicherheiten im Bereich der Objektrauigkeit erreichen (typischerweise 1 µm), bei optisch glatten Oberflächen sind Messunsicherheiten von wenigen Nanometern realisierbar. Der besondere Vorteil der Weißlichtinterferometrie besteht darin, dass die Messgenauigkeit nicht von der Entfernung des Messobjektes abhängt anders als bei den Triangulationsverfahren. Durch diese Eigenschaft ist es beispielsweise möglich, auch in tiefen Bohrungen die Grundfläche im Mikrometer- oder gar Nanometerbereich auf Ebenheit zu untersuchen. Außerdem ist die Integration der Sensoren in Produktionslinien sehr gut möglich, da große Arbeitsabstände bis zu 100 mm durchaus möglich sind. Die optische 3D-Messtechnik durch Weißlichtinterferometrie bietet Lösungen für ein breites Spektrum von Messaufgaben in der Automobilindustrie, dem Flugzeugbau, der Elektronikindustrie, im Formenbau etc. an. Der robuste und flexible Aufbau der Messsysteme ermöglicht die Anpassung an unterschiedlichste Messaufgaben. Sie eignen sich dadurch sowohl für präzise Messungen unter Laborbedingungen als auch für die inline-qualitätskontrolle in Produktionslinien unter industriellen Fertigungsbedingungen. Mit modernen Weißlichtinterferometern werden bei Präzisionsmessungen en im Bereich weniger Nanometer und bei der 100%-Kontrolle an Fließbändern Taktzeiten von 1,5 Sekunden erreicht. Die Weißlichtinterferometrie ist nahezu unabhängig von der Mikrotopografie der Oberfläche. Verschiedenste Materialien mit unterschiedlich bearbeiteten Oberflächen und sogar transparente Objekte wie Haut oder Papier sind daher messbar. Durch eine geschickte Auswahl und Abstimmung der Komponenten können standardmäßig Messfelder von 0,25 x 0,25 mm² bis hin zu 60 x 60 mm² realisiert werden. Eine spezielle Technik misst auch Felder bis 130 x 130 mm 2. Die laterale Auflösung richtet sich dabei nach dem gewünschten Messfeld und der für die jeweilige Messaufgabe gewählten Optik und Kamera. In der Elektronikindustrie werden Weißlichtinterferometer routinemäßig für die 100%-Kontrolle von Flip-Chips eingesetzt. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen ein farbcodiertes Höhenbild einer Messung und einen Profilschnitt durch die Oberfläche eines Bauteils der Elektronikindustrie. Zu beachten ist, dass dieses Ergebnis bereits nach einer Messzeit von etwa einer Sekunde vollflächig vorliegt. Hunderte von Kontaktpunkten werden auf Fehler und Ebenheit im Sub-Mikrometer-Bereich untersucht. Dies gewährleistet das Verbauen von ausschließlich fehlerfreien Flip-Chips für wertvolle Komponenten. Ein anderes Einsatzgebiet der Weißlichtinterferometrie ist die Vermessung von Dichtflächen und die Qualitätssicherung von Einspritzsystemen. Im Automotive- Bereich finden Weißlichtinterferometer prozessbegleitend bei der Herstellung von so genannten Drehventilen Anwendung (Abbildung 7). In einem großen Messfeld von 45 x 45 mm² wird die Bauteilgeometrie mikrometergenau erfasst und relevante Parameter wie z. B. Ebenheit und Stufenhöhen bestimmt. Dies dient nicht nur der Qualitätssicherung, sondern auch der Optimierung des Fertigungsprozesses. 30 Optik & Photonik Oktober 2010 Nr Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

4 µm µm mm ABB. 6: Schnitt durch mehrere Kontakte (sog. Bumps). Hier wird die Höhe der Bumps von etwa 12 µm auf Koplanarität untersucht. ABB. 7: Datensatz eines Abgasrückführungsventils aus der Automobilindustrie. Die Planarität wird über einen Durchmesser von 40 mm auf 1 µm Ebenheit untersucht. In verschiedenen Messlaboratorien detektieren und quantifizieren Weißlichtinterferometer Schadstellen, z. B. durch die Bestimmung des Volumens von Abriebstellen. Die Leistungsfähigkeit des Weißlichtinterferometers bzw. Kohärenzradars wird derzeit vor allem durch die Qualität der verfügbaren Kameras und der Performance neuester Hochleistungsrechner definiert. Ausgeklügelte Verfahren zur effizienten Signalauswertung und die Verfügbarkeit schneller Kameras mit immer größeren Bildfeldern erhöhen die Leistung ständig und erweitern damit das Applikationsspektrum dieser Systeme. Flying Triangulation Für die dreidimensionale Rundum-Erfassung eines Objektes sind eine Vielzahl von Aufnahmen aus unterschiedlichen Richtungen nötig. Um die verschiedenen Aufnahmen nachträglich zusammensetzen zu können, sind entweder bestimmte Marker notwendig, die eine sogenannte Registrierung der Position der Einzelaufnahmen im Koordinatensystem erlauben oder aber aufwendige Software-Algorithmen, die in der Lage sind, übereinstimmende Flächen in Verbindung zu bringen. Nahezu alle optischen Messverfahren verbieten eine Bewegung des Objektes relativ zum Sensor. Hier geht das Prinzip Flying Triangulation neue Wege [3], denn der Sensor kann freihändig um das Objekt herum geführt werden. Dabei darf sich sogar das Objekt bewegen. Während der Führung wird ein Film von 3D-Aufnahmen aufgenommen, die auch zueinander registriert und visualisiert werden. So sieht der Nutzer sofort, welche Objektareale bereits aufgenommen sind und welche noch erfasst werden müssen, etwa, wo noch Lücken bestehen. Bereits nach wenigen Sekunden ist eine vollständige 3D-Rundumaufnahme fertig [4]. ABB. 8: Signalentstehung bei der phasenmessenden Deflektometrie. Kohärentes Rauschen ( Speckle-Rauschen ) bestimmt die Messunsicherheit δz der Triangulationssensoren. Mit einem Intraoral- Zahnsensor, der auf Flying Triangulation beruht, wurde eine Messunsicherheit von weniger als 50 Mikrometern erreicht. Ein weiterer Sensor für die Vermessung von Gesichtern erreicht auch aufgrund des größeren Arbeitsabstandes eine Messunsicherheit von 300 Mikrometern. Als erstes Anwendungsgebiet für die Flying Triangulation zeichnet sich der Einsatz als intraoraler Zahnscanner ab, da die Komponenten der Sensoren stark miniaturisiert werden können. Aber auch in der plastischen Chirurgie und im industriellen Bereich wie der Lötpastenkontrolle wird der Sensor in naher Zukunft angewendet. Phasenmessende Deflektometrie Eine besondere Herausforderung für die optische Messtechnik sind spiegelnde Oberflächen. Da man die Oberfläche eines Spiegels nicht sehen kann, sondern nur das reflektierte Licht, braucht man ein neues Messprinzip: die phasenmessende Deflektometrie. Dabei wird ein Streifenmuster mit sinusförmigem Intensitätsverlauf in einiger Entfernung vom Objekt erzeugt, also nicht auf das Objekt projiziert (Abbildung 8). Man beobachtet das vom Messobjekt verzerrte Spiegelbild. Daraus lassen sich mit Hilfe eines hoch komplexen Verfahrens quantitative Daten über die Form der Oberfläche ermitteln. Wenn die Beleuchtung aus einem großen Raumwinkel einfällt, sind auch stark gekrümmte, unregelmäßig geformte Objekte vermessbar. Die Tatsache, dass nicht gleichzeitig auf die Oberfläche des Prüflings und das Muster fokussiert werden kann, führt zu einer Unschärferelation, die die lateral auflösbare Distanz δx und die erreichbare Winkelmessunsicherheit δα miteinander verknüpft: δα δx 1 nm Der Wert 1 nm ist mit einfachen Mitteln zu erreichen. Es ist bemerkenswert, dass 2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 31

5 ABB. 9: Messung einer Linse. Die erzeugten Streifen (oben) und das am Objekt (unten) gespiegelte Streifenbild sind erkennbar. Aus der Verzerrung des Streifenbildes kann die Form der Oberfläche bestimmt werden. Im Bildausschnitt ist die lokale Brechkraft der Oberfläche (Krümmungskarte) und die Höhenkarte (in mm) eines Gleitsichtbrillenglases farbcodiert dargestellt. ABB. 10: Krümmungskarte einer Windschutzscheibe. das o.g. Unschärfeprodukt gleichzeitig die Messunsicherheit δh der Höhe wiedergibt, unabhängig vom Messfeld. Man kann also sowohl bei Sensoren zur Vermessung von Autoscheiben (δx = 1 mm), bei der Brillenglasmessung (δx = 100 μm) und sogar auch bei mikroskopischen Objekten lokale Höhenänderungen des Objekts im Nanometerbereich messen [5]. Eine sehr wichtige Anwendung ist die Vermessung von Brillengläsern. Besonders interessant ist dabei die Bestimmung der lokalen Brechkraft, die mit einer von 1/100 dpt auf einer Fläche von 3x3 mm² messbar ist. 1/100 dpt entspricht einer Pfeilhöhe von etwa 20 nm. Abbildung 9 zeigt das farbcodierte Messergebnis für ein Gleitsichtbrillenglas. Der Fernbereich (oben) und der Nahbereich (unten) sind deutlich zu erkennen. Ein wesentlich größeres Messfeld wird bei der Vermessung von Autoscheiben be- nötigt. Hier soll die sogenannte Reflexionsoptik überprüft werden. Es handelt sich dabei um ein rein ästhetisches Problem: Dem Kunden missfällt es, wenn sich Reflexe nicht harmonisch in das Gesamtbild der Karosserie einfügen. Zusätzlich wurde ein photogrammetrisches Verfahren entwickelt, das die relative Ausrichtung und anschließende Verschmelzung von vielen Einzelmessungen ermöglicht. Abbildung 10 zeigt das Endergebnis aus sieben Einzelmessungen. Vor allem am Rand der Scheibe sind deutliche Variationen der lokalen Krümmung zu erkennen, die dann zu unästhetischen Reflexen führen. Fazit Vor allem im industriellen Bereich besteht der Wunsch, alle positiven Eigenschaften der optischen Messtechnik in einem Sensor zu vereinen. Wie oben dargelegt, kann dies jedoch aufgrund der physikalischen Grenzen und auch der Randbedingungen der Messaufgabe nicht gelingen. Die Physik stellt grundsätzlich vier verschiedene Messprinzipien zur Verfügung: Triangulation Interferometrie auf rauen Oberflächen klassische Interferometrie auf blanken Oberflächen und Deflektometrie Die bekannten Sensoren lassen sich alle einem dieser vier Prinzipien zuordnen. Die Prinzipien haben wie oben beschrieben sehr unterschiedliche Eigenschaften. Um den passenden Sensor für eine gestellte Messaufgabe zu finden ist es wichtig, die unterschiedlichen Eigenschaften zu verstehen. Referenzen [1] G. Häusler. Optical 3D Sensors. In B. Girod, G. Greiner, H. Niemann, Hrsg., Principles of 3D Image Analysis and Synthesis, Kluwer Academic Publishers, Boston Dordrecht London, Seiten 1-23, (2000) [2] T. Dresel, G. Häusler, H. Venzke. 3D-sensing of rough surfaces by coherence radar. Appl. Opt. 31, 7, (1992) [3] S. Ettl, O. Arold, P. Vogt, O. Hybl, Z. Yang, W. Xie, G. Häusler. Flying Triangulation a new optical 3D sensor enabling the acquisition of surfaces by freehand motion. Proceedings of the 110th Annual Meeting of the DGaO, Brescia, Italy (2009) [4] videos/messung.wmv [5] M. C. Knauer, J. Kaminski, G. Häusler. Phase Measuring Deflectometry: a new approach to measure specular free-form surfaces,optical Metrology in Production Engineering, Proceedings of SPIE Vol. 5457, Strasbourg, (2004) 32 Optik & Photonik Oktober 2010 Nr Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim