Physikalische Grenzen von optischen 3D-Sensoren:
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PHYSIKALISCHE GRENZEN VON
OPTISCHEN 3D-SENSOREN
DEN NATURWISSENSCHAFTLICHEN .FAKULTAETEN F. - 4W.
DER FRIEDRICH-ALEXANDER-UNIVERSITAET ERLAFIGEN-NUERNBERG
ZUR
ERLANGUNG DES DOKTORGRADES
VORGELEGT VON
JUERGEN M. HERRMANN
AUS ANSBACH
IMAGE 2
INHALT
1. ZUSAMMENFASSUNG 6
2. EINLEITUNG UND MOTIVATION 12
2 . 1. WOZU 3D-SENSOREN ? 12
2 . 1 . 1. VERWENDUNG VON OPTISCHEN 3D-SENSOREN ZUR SICHTPRUEFUNG 13
2.1.2. GEFORDERTE LEISTUNGSMERKMALE DER 3D-SENSOREN 14
16
16
16
18
20
22
30
34
36
44
45
45
45
46
47
48
49
50
5. LATERALES AUFLOESUNGSVERMOEGEN SCHAERFENTIEFEPROBLEM 56
5 . 1. PUNKTSENSOREN 56
5.2. PARALLELSENSOREN 60
3.
3 . 1.
3 . 1 . 1.
3.1.2.
3.1.3.
3.1.4.
3.1.5.
3.1.6.
3.2.
3.3.
4.
4 . 1.
4.2
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
STATUS QUO DER 3 D - M E SS T E C H N IK
DIE VERSCHIEDENEN SENSORPRINZIPIEN
INTERFEROMETRIE
FOKUSSUCHE
LAUFZEIT
TRIANGULATION
SPECKLEMETHODEN
WEITERE MESSVERFAHREN
UEBERBLICK UEBER DIE LEISTUNGSMERKMALE VERSCHIEDENER
3D-SENSOREN
RESUEMEE
CODIERUNG DER 3D-LNFORMATION DURCH LICHT
ORT ZEIT
ENERGIE
PHASE
WELLENLAENGE
KOHAERENZ
POLARISATION
IMAGE 3
6. UNTERSUCHUNG DER MESSUNSICHERHEIT VERSCHIEDENER
KOHAERENTER SENSOREN 63
6.1. GRUNDLAGEN DER SPECKLETHEORIE 63
6.2. ZUR MESSUNSICHERHEIT BEI TRIANGULATION 68
6.2.1. MESSPRINZIP UND PROBLEMATIK 68
6.2.2. LIMITIERUNG DER MESSUNSICHERHEIT DURCH SPECKLE 70
6.2.3. THEORETISCHE MESSUNSICHERHEIT 76
6.2.4. EXPERIMENTELLE ERGEBNISSE 81
6.2.5. APERTURMINIMIERTE TRIANGULATION 85
6.3. ZUR MESSUNSICHERHEIT BEI FOKUSSUCHE 88
6.3.1. MESSPRINZIP UND PROBLEMATIK AM BEISPIEL KONFOKALES MAKROSKOP 88
6.3.2. NUMERISCHE SIMULATION DES MAKROSKOPS 91
6.3.3. THEORETISCHE MESSUNSICHERHEIT 97
6.3.4. EXPERIMENTELLE ERGEBNISSE 102
6.4. ZUR MESSUNSICHERHEIT BEI INTERFEROMETRIE AM BEISPIEL DES
SHEARING-INTERFEROMETERS 106
6.4.1. MESSPRINZIP UND PROBLEMATIK 106
6.4.2. THEORETISCHE MESSUNSICHERHEIT 108
6.4.3. EXPERIMENTELLE ERGEBNISSE 111
6.5. RESUEMEE 113
7. VERRINGERUNG DER MESSUNSICHERHEIT DURCH
SPECKLEREDUKTION 114
7.1. SPECKLEREDUKTION 114
7.1.1. SPECKLEREDUKTION NACH DEM STREUPROZESS 115
7.1.2. SPECKLEREDUKTION VOR DEM STREUPROZESS 118
7.1.3. EINE UNSCHAERFERELATION ZWISCHEN LATERALEM AUFLOESUNGSABSTAND UND
LONGITUDINAIER MESSUNSICHERHEIT 119
7.2. SPECKLEREDUKTION DURCH VERRINGERUNG DER ZEITLICHEN KOHAERENZ 123
7.2.1. TRIANGULATION 130
7.2.2. FOKUSSUCHE 133
7.3. RESUEMEE 135
8. INTERPRETATION DER ERGEBNISSE MIT HILFE DER
HEISENBERGSCHEN UNSCHAERFERELATION 136
4
IMAGE 4
9. VERGLEICH DER SENSOREN BEZUEGLICH IHRER NORMIERTEN
MESSUNSICHERHEIT 138
10. DAS KOHAERENZRADAR 140
11. LOESUNG DES SPECKLEPROBLEMS DURCH KOHAERENT-ZU INKOHAERENT WANDLUNG
DES LICHTS 143
1 1 . 1. MOEGLICHKEITEN EINER KOHAERENT-ZU-INKOHAERENT WANDLUNG 143
11.2. EIN GEEIGNETES MESSVERFAHREN - DIE DOPPELSPALTMETHODE 146
1 1 . 2 . 1. MESSPRINZIP 147
11.2.2. AUSWERTUNG DER DETEKTORSIGNALE DURCH OPTIMALFILTERUNG 151
11.2.3. MESSERGEBNISSE 152
12. TIEFENMESSUNG BEIM LASERABTRAGEN 156
1 2 . 1. DEFINITION DES MESSPROBLEMS 156
12.2. SENSORPRINZIP 157
12.3. MESSERGEBNISSE 161
13. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 165
ANHANG LITERATUR 167
DANKSAGUNG 179
LEBENSLAUF 180
5
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