Konzepte für flächig messende optische Sensorsysteme

Abstract

In vielen technischen Anwendungen in der produzierenden Industrie, wie der Automobilbranche, wird optische In-Line Messtechnik eingesetzt. Bei den dort verwendeten Sensorsystemen handelt es sich großteils um punktweise messende Sensoren. Um einen ganzen Bereich eines Messobjektes zu erfassen, ist eine laterale Verschiebung des Sensors oder des Messobjektes erforderlich. Eine solche Verschiebung ist zeitaufwendig und steht den Bestrebungen der Industrie nach höheren Durchsatzzahlen entgegen. In dieser Arbeit werden daher Konzepte und Prinzipien betrachtet, die als Grundlage dafür dienen, solche Punktsensoren zu flächigen Messsystemen zu erweitern. Im ersten Teil wird ein Konfokalsensorsystem für präzise Abstandsmessungen untersucht. Eine Möglichkeit den Scanvorgang für einen Konfokalsensor zu beschleunigen und eine präzise Positionierung zu gewährleisten, ist die Verwendung von Einrichtungen, die den Strahlengang des Messsystems mittels einer rotatorischen Scanbewegung variieren. Bei dieser Scanvariante wird das Abstandssignal jedoch verzerrt und erfordert eine Rekonstruktion der gemessenen Abstandsdaten. Es werden ein solcher rotatorischer Scanvorgang für eine Scanlinie betrachtet und zwei Korrekturmethoden für die Rekonstruktion der Messinformation beschrieben. Im zweiten Teil wird ein Farbsensorsystem für präzise Farbmessungen untersucht. Hierbei sind, für eine genaue Farbmessung, definierte Messgeometrien von Sensor, Beleuchtung und Objekt einzuhalten, die eine exakte Positionierung des Sensors zum Messobjekt erfordert. Es stellt sich die Frage, ob durch eine scannende Messung, aus mehreren unterschiedlichen Winkeln rund um eine ideale Messposition, der exakte Farbwert, ohne exakte Positionierung in der idealen Messposition, ermittelt werden kann. Aus diesem Grund wird die Winkelabhängigkeit von unterschiedlichen Messgeometrien bei der Vermessung flacher, matter und leicht glänzender Farbproben systematisch untersucht. Mit Hilfe dieser Winkelabhängigkeit ist es möglich aus einer Schar von Messwerten die optimale Sensorposition für die korrekte Farbmessung abzuleiten, sowie den exakten Farbwert ohne exakte Positionierung in der idealen Messposition zu bestimmen. Für eine nähere Betrachtung, wie die erfassten Zusatzinformationen genutzt werden können, wird zur Demonstration eine rudimentäre Oberflächenrekonstruktion eines einfarbigen Messobjektes durchgeführt.

In many technical applications in the manufacturing industry, such as the automotive sector, optical in-line metrology is already heavily employed. In this area most of the used sensors are pointwise measuring systems. To scan a whole area of an object a movement of the sensor or the object is required. Such a movement is time consuming and stands against industry-s intention of higher throughput rates. In this work, concepts and principles, which can serve as basis for extending such point sensors to areal measurement systems, are therefore considered. In the first part a confocal sensor system for precise distance measurement is investigated. One possibility for a confocal sensor to speed up the scanning process and to ensure precise positioning is the use of devices which vary the beam path and perform a rotating areal scan movement. Due to the rotating scan movement the distance signal is distorted and it is necessary to reconstruct the acquired measurement data. Such a rotating scan for a single scan line is considered and two correction methods for reconstruction are investigated. In the second part, a color sensor system for accurate color measurements is investigated. In this case defined measurement geometries between sensor, illumination and object have to be maintained for a precise color measurement, thus requiring exact positioning. This raises the question whether it is possible to obtain the exact color information by performing several measurements at different angles around the ideal measurement position. For this reason the angular color-dependency of different measurement geometries for flat, matte and slightly shiny color samples is systematically investigated. With this angular-dependency it is possible to derive the ideal sensor position for a precise color determination from a number of measurement values and to identify the correct color value without exact positioning in the ideal sensor position. To demonstrate how this additional information can be used, a rudimentary surface reconstruction is investigated and realized.