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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen und hochgenauen, optischen Vermessung von dreidimensionalen (3D) Oberflächen durch strukturierte Beleuchtung mit Wellenlängen im ultravioletten (UV) Bereich des Lichtes. Die Objekte können dabei im sichtbaren Wellenlängenbereich andere optische Eigenschaften besitzen als im UV-Bereich, sodass im Sichtbaren reflektierend, absorbierend, transluzent oder transparent wirkende Objekte im UV-Bereich z. B. das Licht stärker streuen. Wenigstens ein Detektor nimmt das vom Objekt gestreute Licht auf. Mit Hilfe dieser Aufnahmen wird dann die dreidimensionale Form des Objektes rekonstruiert.
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Zur Vermessung der dreidimensionalen Form von Oberflächen sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. Ein hochgenauer aber zeitaufwändiger Ansatz besteht in der taktilen Vermessung, bei dem durch Punktantastungen Höhenunterschiede oder Absolutwerte für die Koordinaten ausgegeben werden (H.-G. Pressel, T. Hageney: „Messunsicherheit von Prüfmerkmalen in der Koordinatenmesstechnik“, 2007, Expert-Verlag; M. Hernla: „Messunsicherheit bei Koordinatenmessungen: Abschätzung der aufgabenspezifischen Messunsicherheit durch Unsicherheitsbilanzen“, 2016, Expert-Verlag). Diese Messverfahren können aber nur eine sehr begrenzte Anzahl von Messpunkten pro Zeiteinheit liefern, sodass eine flächenhafte Messung durch Antasten einen Zeitaufwand von einigen Minuten, je nach Objekt, erfordern kann.
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Kontaktlose, optische 3D-Messverfahren bieten dazu eine Alternative mit der Option der flächenhaften Messung, die bis zu einer sogenannten „100%-Kontrolle“ ausgebaut werden kann, und sind bereits in verschiedensten Ausführungsvarianten umfassend untersucht und etabliert. Dabei wird grundsätzlich zwischen passiven und aktiven Verfahren unterschieden. „Passiv“ werden dabei all jene Verfahren genannt, bei denen Markierungen auf den Messobjekten angebracht werden müssen, und als „aktive“ all jene Messmethoden, bei denen keine Markierungen verwendet werden, sondern Muster auf das zu vermessende Objekt projiziert werden.
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Ferner wird auch zwischen räumlichen und zeitlichen Korrelationssuchverfahren unterschieden. Hierbei werden entweder die benachbarten Bildinformationen, was als räumliche Korrelationssuche bezeichnet wird, oder eine Sequenz von Bildern am selben Detektorelement (Pixel) ausgewertet. Das letztgenannte Prinzip wird zeitliche Korrelationssuche genannt. Als Standard in dem Bereich der aktiven Verfahren mit zeitlicher Korrelationssuche haben sich Streifenprojektionsverfahren durchgesetzt (W. Schreiber und G. Notni: „Theory and arrangements of self-calibrating whole-body three-dimensional measurement systems using fringe projection technique“, 2000, Optical Engineering 39, Seite 159-169; J. Gühring: „Dense 3-D surface acquisition by structured light using off-the-shelf components, video-metrics and optical methods for 3D shape measurement“, 2011, Proc. SPIE 4309, Seite 220-231), doch auch Verfahren unter Verwendung statistischer Muster (
DE19623172C1 ; A. Wiegmann, H. Wagner, R. Kowarschik: „Human face measurement by projecting bandlimited random patterns“, 2006, Optics Express 14, Seite 7692-7698) finden häufig Verwendung und erreichen Höhenauflösungen im Bereich von 10
-4 (bezogen auf die Raumdiagonale des Messvolumens).
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In den letzten Jahren wurde dabei besonders die schnelle Projektion von Mustern vorangetrieben (M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik: Highspeed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acoustooptical deflection, 2011, Optics Letters 36, Seite 3097-3099; S. Heist, P. Lutzke, I. Schmidt, P. Dietrich, P. Kühmstedt, A. Tünnermann und G. Notni: „High-speed three-dimensional shape measurement using GOBO projection“, 2016, Optics and Lasers in Engineering 87, Seite 90-96), um auch Hochgeschwindigkeitsprozesse untersuchen zu können. Sobald die genannten Messverfahren jedoch mit einer „unkooperativen“, also aufgrund von Oberflächeneigenschaften wie einer hoher Transparenz, Transluzenz oder Absorption schwer zu vermessenden, da schwach streuenden Oberfläche konfrontiert werden, wird der Messprozess erschwert oder sogar unmöglich.
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Reflektierende und transparente Objekte können deflektometrisch oder interferometrisch in ihrer Form rekonstruiert werden.
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Interferometrische Verfahren basieren auf dem Ansatz, Interferenzen des vom Testkörper und einem Referenzobjekt gestreuten und/oder reflektierten Lichtes sichtbar zu machen. Das Licht einer Quelle, die in ihren Eigenschaften je nach avisierter Messqualität ausgewählt ist, wird dazu in Teilbündel geteilt und diese jeweils auf das Messobjekt und das Referenzobjekt geführt. Das von den beiden Objekten gestreute bzw. reflektierte Licht wird überlagert und die entstehenden Interferenzmuster zur Bestimmung der Formdifferenz des Testobjektes vom Referenzobjekt herangezogen (M. Born, E. Wolf, „Principles of Optics“, 7. Auflage, Cambridge University Press). Mit Hilfe der Interferometrie können flächige und genaue Messungen durchgeführt werden, die nicht notwendiger Weise im sichtbaren Wellenlängenbereich stattfinden müssen (S. Fuchs: „Optische Kohärenztomographie mit extrem-ultravioletter Strahlung“, 2018, Dissertationsschrift, Universität Jena). Absolute Koordinaten lassen sich mit dieser Technik doch nur recht aufwendig rekonstruieren.
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In der Deflektometrie wird im Vergleich dazu ein Referenzschirm über bzw. durch das zu vermessende Objekt betrachtet. Da die Form und Bemusterung des Schirms sowie dessen räumliche Lage zum Detektor oder zu den Detektoren bekannt ist, kann aus den Veränderungen in den Aufnahmen, die durch die Form des zu vermessenden Objektes verursacht werden, im Vergleich zu den Referenzwerten des unveränderten Schirmes auf die dreidimensionale Form des Objektes geschlossen werden. Dieser Prozess kann auf unterschiedliche Art und Weise implementiert werden, z.B. durch die Verwendung eines fest bemusterten Schirmes oder durch einen Bildschirm als Referenzschirm, der eine festgelegte Reihenfolge von Mustern zeigt (G. Häusler, C. Faber, E. Olesch, S. Ettl: „Deflectometry vs. interferometry“, 2013, Proc. SPIE 8788, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection VIII, 87881C; G. Häusler, M.C. Knauer, C. Faber, C. Richter, S. Peterhänsel, C. Kranitzky, K. Veit: „Deflectometry: 3D-Metrology from Nanometer to Meter“, 2009, Fringe 2009, Seite 1-6, Springer, Berlin, Heidelberg). Die Rekonstruktionsgenauigkeit bzw. Höhenauflösung kann dabei unterhalb eines tausendstel Millimeters (M. Sander, W. Li, J. Burke: „Sub-µm genaue Formvermessung spiegelnder Oberflächen mittels Deflektometrie.“, 2013, Tagungsband der Oldenburger 3D-Tage) und damit in der Größenordnung von 10-6 der Messvolumendiagonale liegen. Diese Technik ist mit einigem Aufwand verbunden, da nicht nur der Messaufbau sehr genau kalibriert werden muss, sondern auch die Rekonstruktion der 3D-Daten an Umfang zunimmt. Bei stärker gekrümmten Flächen muss das Objekt und/oder der Referenzschirm bewegt werden, da nur die Bereiche der Oberflächen zur Rekonstruktion herangezogen werden können, über die der Referenzschirm für die Detektoren zu sehen ist.
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Am Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik Jena wurde zur Vermessung unkooperativer Oberflächen die Verwendung infraroter Strahlung zur Erwärmung von Glasoberflächen vorgeschlagen und erprobt (M. Landmann, S. Heist, A. Brahm, S. Schindwolf, P. Kühmstedt und G. Notni: „3D shape measurement by thermal fringe projection: optimization of infrared (IR) projection parameters“, In: Dimensional Optical Metrology and Inspection for Practical Applications VII, Band 10667, Seite 1066704. International Society for Optics and Photonics, 2018). Dabei wird ein transparentes Objekt, z.B. ein Glasblock, durch die Beleuchtung mit einem Infrarotlaser erhitzt, wobei die Beleuchtungsverteilung strukturiert wird. Die entstandenen Wärmesignaturen werden dann von zwei kalibrierten Kameras aufgezeichnet. Allerdings muss der Glaskörper erst wieder abkühlen, bevor das nächste Muster aufprojiziert werden kann, um eine weitere Wärmesignatur einzuschreiben. Durch die Auswertung der entstandenen Stapel von Aufnahmen kann mittels zeitlicher Korrelationssuche die dreidimensionale Struktur des Objektes rekonstruiert werden. Der Zeitaufwand der Aufnahmen hängt stark vom Abkühlverhalten des Objektes ab und liegt zwischen einigen Minuten und einer halben Stunde.
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Auch der UV-Bereich wurde für die Objektvermessung bereits teilweise (für Wellenlängen im Bereich von 320 nm) erschlossen (Y. Dong und B. Pan, „In-situ 3D shape and recession measurements of ablative materials in an arc-heated wind tunnel by UV stereo-digital image correlation“, Opt. Laser Eng., 116:75-81, 2019; Y. Dong, J. Zhao und B. Pan, „Ultraviolet 3D digital image correlation applied for deformation measurement in thermal testing with infrared quartz lamps“, Chinese Journal of Aeronautics, 33(3):1085-1092, 2020.). In diesen Veröffentlichungen wurde nicht das zurückgestreute UV-Licht zur Messung herangezogen, sondern stattdessen die IR-Strahlung der zu untersuchenden Oberfläche, die sich aus der Erwärmung durch die Beleuchtung mit UV-Licht ergab. Die resultierende Messgenauigkeit war mit etwa 10 µm vergleichsweise sehr präzise, jedoch konnten dabei keine Materialien untersucht werden, die nicht auch schon im sichtbaren Bereich des Lichtes vermessen werden konnten.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass bisher kein nicht-deflektometrisches, optisches Messverfahren bekannt ist, mit dem im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichtes transparente, stark absorbierende, transluzente oder reflektierende Oberflächen schnell und genau (Standardabweichung ca. 10-4 der Diagonale des Messvolumens) vermessen werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Oberflächen schnell und genau dreidimensional zu erfassen, die im sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS) für eine 3D-Vermessung unvorteilhafte optische Eigenschaften (sogenannte unkooperative Oberflächen) besitzen, also transparent, stark absorbierend, transluzent oder reflektierend sind.
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Der Begriff der „unkooperativen Oberflächen“ bezieht sich im Folgenden auf ebensolche Oberflächen, die aufgrund ihrer optischen Eigenschaften im sichtbaren Bereich des Lichtes nur umständlich oder gar nicht durch streulichtbasierte, optische Methoden vermessen werden können. Die Schwierigkeit der Vermessung dieser Oberflächen liegt in dem deutlichen Intensitätsunterschied, der durch standortunterschiedliche Detektoren bei der Messung aufgenommen wird. Stark absorbierende Oberflächen sind dabei nur mit großer Beleuchtungsintensität vermessbar. Die Menge des trotz der Absorption gestreuten Lichts hängt dabei aber von der Neigung der Oberfläche ab und führt daher bei allen nicht ebenen Messobjekten zu stark abweichenden Messintensitäten, die neben der schwachen Signalstärke durch einen großen Absorptionskoeffizienten, ein weiteres wesentliches Hindernis darstellen. Transparente Oberflächen liefern, wenn überhaupt, nur in einem kleinen Winkelbereich ein verwertbares Signal. Freiformobjekte aus transparenten Materialien erfüllen selbst diese Bedingung nur lokal in kleinstem Rahmen. Bei transluzenten Oberflächen können die Problemstellungen stark absorbierender und transparenter Oberflächen zugleich auftreten, da das Licht aus verschiedenen Tiefen des Objektes in unterschiedlicher Stärke gestreut wird. Auch Methoden mit nur einer Kamera scheitern an der direkten optischen Messung, da auch hier verschiedene Bereiche des Objektes unterschiedlich starke Signale, bzw. auch kein Signal zurück streuen, sodass die Kalibrierprinzipien, auf denen die Vermessung fußt, scheitern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem zumindest ein konstantes und/oder zu veränderndes und/oder mehrere unterschiedliche optische Muster mit hoher Abbildungsrate auf die dreidimensional zu vermessende Objektoberfläche projiziert werden, sowie dass zumindest ein projiziertes Muster in seinem Wechsel von wenigstens einem Detektor (3) als standortunterschiedliche korrespondierende Bildmuster der zu vermessenden Objektoberfläche erfasst und zur Gewinnung von 3D-Informationen des Objektes (2) ausgewertet wird, indem Lichtwellen des vom Objekt (2) gestreuten Musters von wenigstens einem Detektor (3) aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster mit Licht in einem Wellenlängenbereich deutlich unterhalb des sichtbaren Lichts projiziert werden.
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Die vorliegende Erfindung erweitert den Bereich der bisherigen Messmöglichkeiten dadurch, dass zur Beleuchtung eine wesentlich kürzere Wellenlänge von 100 nm bis 380 nm, bevorzugt 150 nm bis 300 nm, besonders bevorzugt 190 nm bis 300 nm verwendet wird. Die damit einhergehende höhere Frequenz des Lichtes, also des elektromagnetischen Feldes, mit dem die Objektoberflächen beleuchtet werden, führt bei einigen Materialien zu einem anderen optischen Verhalten. So kann z. B. der Anteil des diffus gestreuten Lichtes im Vergleich zum transmittierten, absorbierten und reflektierten Licht stark zunehmen, wodurch eine stereophotogrammetrische Vermessung möglich wird.
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Bei den Aufnahmen der gestreuten Muster ist darauf zu achten, dass der in der Regel noch auftretende Hauptreflex nicht auf eine der zur Aufnahme verwendeten Kameras fällt. Dies kann z. B. durch eine leichte Neigung des Messobjektes bewerkstelligt werden. Wie im sichtbaren Wellenlängenbereich muss auch im UV-Bereich eine ausreichende Grauwertintensität in den Aufnahmen gegeben sein, um eine gute Rekonstruktion zu ermöglichen. Stark über- oder unterbelichtete Bildbereiche lassen auch im UV nur eine schlechte oder gar keine Rekonstruktion der 3D-Oberfläche zu.
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Auch Oberflächen, die im VIS reflektieren, können im UV-Bereich stark streuen und so eine stereophotogrammetrische Rekonstruktion ermöglichen. Mit demselben Aufbau ist es ebenfalls möglich, Objekte aus Edelstahl mit einer höheren Vollständigkeit (Messpunktdichte) als im sichtbaren Bereich des Lichtes (z.B. bei stärker geneigten Flächen) zu vermessen.
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Das vorgeschlagene Verfahren muss nicht zwangsläufig mit Speckle-Mustern als Beleuchtungsstrukturen im UV arbeiten.
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Eine mögliche Umsetzung besteht in der Verwendung einer inkohärenten Lichtquelle. Mithilfe von geeigneten Abbildungssystemen, wie z.B. Linsen und/oder Linsensystemen und/oder Gittern bzw. Fresnel-Gittern, lassen sich analog zum sichtbaren Wellenlängenbereich verschiedene Mustertypen generieren. So könnte unter anderem die Beleuchtung mit Streifenmustern, Graycodes, bandbegrenzten Mustern und/oder periodischen und aperiodischen Sinusmustern realisiert werden.
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Auch andere Varianten mit kohärenter Beleuchtung sind denkbar. Die Verwendung von Interferenzmustern wie Streifen oder holographisch erzeugten Muster ist möglich, doch kann auch eine klassische Abbildung zur Musterprojektion herangezogen werden.
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Auch die Verwendung einer anderen Wellenlänge, als die im Ausführungsbeispiel verwendete, ist denkbar. So ist aus der Interferometrie bekannt, dass unter anderem Edelstahl mit kürzer werdender Wellenlänge besser streut. Die Verwendung einer kürzeren Wellenlänge würde hier also, unabhängig von der Art des verwendeten Musters, Vorteile bringen.
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Das Verfahren kann auch mit einer räumlichen oder raum-zeitlichen Korrelationssuche und/oder mit Phasenschiebetechnik arbeiten.
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Auch 3D-Messysteme mit nur einer Kamera können eingesetzt werden. Dabei können sowohl Beleuchtungssysteme mit nur einer Beleuchtungsapertur verwendet werden als auch Mehr-Apertursysteme. Dazu müssen nach Stand der Technik der bzw. die Beleuchtungsaperturen kalibriert werden. Durch das Vorwissen über die Position und Projektionsrichtung eines einzelnen Projektionszentrums oder durch Vorwissen über die Projektionseigenschaften eines Mehr-Apertursystems können dann die 3D-Punkte entweder über Punkttriangulationen oder Volumenelementkalibrierungen bestimmt werden. Auch Systeme, bei denen mehrere Kameras bzw. mehrere Bildansichten verwendet werden, können nach dem Stand der Technik implementiert werden, indem eine UV-Quelle zur Beleuchtung verwendet wird und Objektoberflächen entsprechend streuend wirken.
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Mit dem Verfahren können auch Oberflächen untersucht werden, die im Sichtbaren kooperativ sind, vorausgesetzt, sie sind im UV nicht unkooperativ. Damit ist es möglich, komplexe Objekte, die aus verschiedenen Materialien, von denen sich ein Teil im Sichtbaren kooperativ und der andere nicht kooperativ verhält, zu vermessen.
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Auch eine Beleuchtung mit mehreren Wellenlängen oder mit breitbandigen UV- und VIS-Quellen ist möglich. Da sich die optischen Eigenschaften vieler Materialklassen vom sichtbaren Wellenlängenbereich bis zum extremen UV stark ändern, kann durch eine Anpassung der Beleuchtungswellenlänge an die Materialeigenschaften eine Verbesserung der 3D-Rekonstruktionsgenauigkeit erreicht werden.
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Die Umsetzung als sogenanntes „Ein-Schuss-Verfahren“, also als 3D-Messverfahren, für das nur eine Aufnahme verwendet wird, ist möglich. Bei derartigen Verfahren werden nur ein einzelnes Muster und nur einzelne Aufnahmen verwendet und mit diesen eine 3D-Rekonstruktion durchgeführt. Diese Muster können statistisch oder pseudo-statistisch sein oder auch deterministisch, also vorher wohlbekannt und definiert. Zum Beispiel durch eine räumliche Korrelationssuche können auch mit nur einer Aufnahme auf diese Weise Objektformen rekonstruiert werden. Dazu können auch „time-of-flight“ Ansätze genutzt werden, indem zum Beispiel bekannte Muster im UV-Bereich erzeugt und von einem oder mehreren Detektoren aufgenommen werden. Allerdings liefern derartige Ausführungen entweder eine niedrigere Präzision oder eine geringere Punktdichte.
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Im Folgenden soll die der Erfindung zugrundeliegende Idee anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt werden.
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1 zeigt dabei eine schematische Darstellung eines Aufbaus zur 3D-Messung von Oberflächen. Ein Projektor 1 beleuchtet ein Objekt 2 mit einem strukturierten Muster. Mindestens ein Detektor 3 macht Aufnahmen der Oberfläche (befindlich im Messvolumen 4). Diese Aufnahmen werden dann zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Oberfläche herangezogen.
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Ein quasimonochromatischer Laser mit einer Wellenlänge im UV von 266 nm und einer Ausgangsleistung von 100 mW wird benutzt, um kohärente Beleuchtungsstrukturen, sogenannte objektive Speckles, für die 3D-Messung zu erzeugen. Dazu wird die Wellenfront des emittierten Laserstrahles durch das Einbringen einer Streuscheibe in den Strahlengang statistisch variiert, und im Volumen hinter der Streuscheibe bilden sich dann objektive Speckles aus, die als Beleuchtungsmuster für Objekte in diesem Volumen dienen (= Projektor 1).
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Die Beobachtung der Objekte erfolgt mit zwei UV-Kameras, die bezüglich ihrer inneren und äußeren Parameter kalibriert sind, sodass deren individuelle Abbildungseigenschaften, Orientierung und Positionierung zueinander bekannt sind. Durch eine Bewegung der Streuscheibe kann das Beleuchtungsmuster verändert und so mit mehreren Aufnahmen Musterstapel erzeugt werden, die für die Rekonstruktion der 3D-Koordinaten des untersuchten Objektes genutzt werden können, analog zu früheren Systemen, die bereits im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts erprobt wurden (M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik: „Highspeed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acusto-optical deflection“, 2011, Optics Letters 36, Seite 3097-3099).
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Bei den Messungen ist darauf zu achten, genug Streulicht durch die Kameras zu detektieren, um eine 3D-Messung zu ermöglichen. Dazu ist es von Vorteil, den Arbeitsabstand möglichst klein zu halten, um einen genügend großen Raumwinkelbereich durch die Objektive zu erfassen. Im Ausführungsbeispiel lag der Arbeitsabstand bei etwa 12 cm. Ferner sollten die Aufnahmezeit und wenn möglich die Beleuchtungsintensität derart erhöht werden, dass die projizierten Strukturen klar auf dem Objekt zu erkennen sind. Im Ausführungsbeispiel mussten zu diesem Zweck bei Belichtungszeiten von 0,5 s mehrere Bilder angefertigt und diese summiert werden, um eine zum VIS vergleichbare Intensität zu detektieren. Eine numerische Nachbearbeitung der Bilder durch numerische Filter hat sich dabei als äußerst gewinnbringend erwiesen. Dabei wird über benachbarte Bildbereiche gemittelt, sodass das durch die Kohärenz des Lichtes entstehende kohärente Rauschen reduziert werden konnte.
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Anschließend können die Bilder durch dieselben Rekonstruktionsalgorithmen wie im VIS bearbeitet werden (zeitliche Korrelationssuche).
Durch die Verwendung von ultraviolettem Licht können allerdings jetzt auch Muster auf im sichtbaren Wellenlängenbereich transparenten (durchsichtigen) Materialien, wie Glas, beobachtet werden, wobei im Vergleich zu auch im VIS streuenden Oberflächen höhere Aufnahmezeiten realisiert werden müssen. Zwar können auch im sichtbaren Wellenlängenbereich Streueffekte auf derartigen Objektoberflächen auftreten, allerdings überwiegt der transmittierte Teil des Lichtes deutlich den zurückgestreuten Anteil, sodass eine 3D-Rekonstruktion im Allgemeinen im Sichtbaren kaum oder gar nicht möglich ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Projektor
- 2
- Objekt
- 3
- Kamera
- 4
- Messvolumen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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