Rasterreflexions-Photogrammetrie: ein neues Verfahren zur geometrischen Messung spiegelnder Oberflächen
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| Language: | German |
| Published: |
Aachen
Shaker
2006
|
| Series: | Institut für Produktionsmesstechnik <Braunschweig>: Schriftenreihe des Instituts für Produktionsmesstechnik
1 |
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| Physical Description: | IV, 253 S. Ill., graph. Darst. |
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| adam_text | Inhalt
1 Einleitung.....................................................................................................................1
2 Stand der Technik der Formerfassung reflektierender Oberflächen.....................3
2.1 Verfahren mit punktweiser Abtastung.....................................................................5
2.1.1 Taktile Verfahren mit punktweiser Abtastung..................................................5
2.1.1.1 Tastschnittgeräte..........................................................................................6
2.1.1.2 Koordinatenmeßgeräte.................................................................................6
2.1.2 Optische Verfahren mit punktweiser Abtastung...............................................8
2.1.2.1 Optische Verfahren mit punktweiser Abtastung auf Basis von
Koordinatenmeßgeräten...............................................................................9
2.1.2.2 Optische Verfahren mit punktweiser Abtastung ohne mechanische
Referenzachsen..........................................................................................11
2.2 Verfahren mit flächenhafter Messung...................................................................12
2.2.1 Wellenoptische Verfahren mit flächenhafter Messung...................................13
2.2.1.1 Klassische Formprüfinterferometer...........................................................14
2.2.1.1.1 Das Twyman-Green-Interferometer....................................................14
2.2.1.1.2 Das Fizeau-Interferometer..................................................................16
2.2.1.2 modifizierte Formprüfinterferometer........................................................18
2.2.1.2.1 Formprüfinterferometer mit Meisterteil..............................................19
2.2.1.2.2 Formprüfinterferometer mit autostigmatischer Anordnung................20
2.2.1.2.3 Formprüfinterferometer mit Aberrationskompensation......................21
2.2.1.2.3.1 Aberrationskompensation durch refraktive Kompensationsoptik .21
2.2.1.2.3.2 Aberrationskompensation durch reflektive Kompensationsoptik..22
2.2.1.2.3.3 Aberrationskompensation durch diffraktive Kompensationsoptik 23
2.2.1.2.4 Formprüfinterferometer mit vergrößerter effektiver Wellenlänge......27
2.2.1.2.4.1 Infrarot-Interferometrie..................................................................27
2.2.1.2.4.2 Zwei- und Mehrwellenlängen-Interferometrie..............................28
2.2.1.2.4.3 Schräglicht-Interferometer.............................................................30
2.2.1.3 Weißlicht-Interferometer...........................................................................32
2.2.1.4 Sub-Nyquist-Interferometer.......................................................................33
2.2.1.5 Subapertur-Interferometer.........................................................................34
2.2.1.6
Shearing-Interferometer
.............................................................................35
2.2.2 Geometrisch-optische Verfahren mit flächenhafter Messung.........................36
2.2.2.1 Experimentelle Strahlverfolgung...............................................................37
2.2.2.2 Foucaultsches Schneidenverfahren............................................................38
2.2.2.3 Ronchi-Test...............................................................................................40
2.2.2.4 Hartmann-und Shack-Hartmann-Test.......................................................40
2.2.2.5
Reflexions-Moiré-
Verfahren.....................................................................44
2.2.2.6
Moiré-Deflektometrie
................................................................................49
2.2.2.7 Deflektometrie und Rasterreflexionsverfahren..........................................50
3 Diskussion des Standes der Technik und Zielsetzung............................................57
3.1 Diskussion des Standes der Technik.....................................................................57
3.2 Zielsetzung............................................................................................................59
4 Triangulationsverfahren zur Erfassung remittierender Oberflächen.................61
4.1 Das Triangulationsprinzip.....................................................................................64
4.1.1 Aktive Triangulation.......................................................................................66
4.1.2 Passive Triangulation......................................................................................67
4.2 Grundlagen der Photogrammetrie.........................................................................68
4.2.1 Die Zentralprojektion......................................................................................69
4.2.2 Der Rückwärtsschnitt......................................................................................72
4.2.3 Die Bündeltriangulation..................................................................................74
4.2.4 Die Epipolargeometrie.....................................................................................76
4.2.5 Der Vorwärtsschnitt.........................................................................................78
4.3 Projektionsverfahren.............................................................................................82
4.3.1 Punktprojektionsverfahren..............................................................................83
4.3.2 Streifenprojektionsverfahren...........................................................................87
5 Grundlagen der Rasterreflexions-Photogrammetrie.............................................99
5.1 Analyse des konventionellen Rasterreflexions
verf
ahrens...................................100
5.2 Aktive Rasterreflexions-Photogrammetrie..........................................................106
5.3 Passive Rasterreflexions-Photogrammetrie.........................................................112
5.4 Rekonstruktion der Oberfläche durch Integration der lokalen Neigung.............121
6 Die Referenzrasterstruktur....................................................................................125
6.1 Das Referenzmuster............................................................................................125
6.1.1 Zweidimensionale Ortskodierung durch gekreuzte Streifenmuster..............125
6.1.2 Absolute Ortskodierung durch Phasenschiebeverfahren und Graycode.......127
6.1.3 Absolute Ortskodierung durch Weißlicht-Heterodynverfahren....................129
6.2 Technische Umsetzung einer Referenzrasterstruktur..........................................138
6.2.1 Einsatz von LCD-Flachbildschirmen als Referenzstruktur...........................143
6.2.1.1 Korrektur der Monitorkennlinie..............................................................143
6.2.1.2 Tiefpaßfilterung der Referenzmuster.......................................................146
6.2.1.3 Brechung am Monitor..............................................................................148
6.2.1.4 Ebenheitsabweichung des Monitors........................................................151
7 Kalibrierung des Meßsystems................................................................................157
7.1 Modellbildung des Meßsystems..........................................................................157
7.1.1 Das Kameramodell........................................................................................158
7.1.2 Das Referenzrastermodell.............................................................................161
7.2 Kalibrierstrategie.................................................................................................169
7.2.1 Photogrammetrische Einmessung der Kamera..............................................170
7.2.2 Photogrammetrische Einmessung des Referenzspiegels...............................171
7.2.3 Photogrammetrische Einmessung der Rasterstruktur....................................174
7.3 Beispielkalibrierung............................................................................................178
8 Meßaul bauten und Meßbeispiele...........................................................................183
8.1 Meßaufbauten......................................................................................................183
8.2 Meßbeispiele.......................................................................................................187
9 Erweiterung des Meßbereichs................................................................................191
9.1 Erweiterung des Meßbereichs bei starker Krümmung der Oberfläche...............192
9.2 Erweiterung des Meßbereichs bei starker Neigung der Oberfläche....................195
10 Untersuchung der Meßunsicherheit......................................................................199
10.1
Messungan
Referenzkörpern..............................................................................199
10.2 Bestimmung der Meßunsicherheit nach
GUM
....................................................204
iv Inhaltsverzeichnis
11 Ausblick: Messung refraktiver Optiken in Transmission...................................211
12 Zusammenfassung und Ausblick...........................................................................215
12.1 Zusammenfassung...............................................................................................215
12.2 Ausblick...............................................................................................................217
13 Literaturverzeichnis................................................................................................219
Anhänge
A
Technische Daten der Systemkomponenten..........................................................241
A.l Kamera................................................................................................................241
A.2 Objektiv...............................................................................................................241
A.3 Frame Grabber.....................................................................................................242
A.4 LCD-Flachbildschirm..........................................................................................242
A.5 Linearpositioniereinheit.......................................................................................243
В
Ausgleichungsverfahren..........................................................................................24S
B.l Funktionales Modell............................................................................................245
B.2 Ausgleichung nach vermittelnden Beobachtungen.............................................247
B.3 Ausgleichung mit Bedingungen zwischen Unbekannten....................................248
С
Objektrasterverfahren............................................................................................249
|
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Inhalt
1 Einleitung.1
2 Stand der Technik der Formerfassung reflektierender Oberflächen.3
2.1 Verfahren mit punktweiser Abtastung.5
2.1.1 Taktile Verfahren mit punktweiser Abtastung.5
2.1.1.1 Tastschnittgeräte.6
2.1.1.2 Koordinatenmeßgeräte.6
2.1.2 Optische Verfahren mit punktweiser Abtastung.8
2.1.2.1 Optische Verfahren mit punktweiser Abtastung auf Basis von
Koordinatenmeßgeräten.9
2.1.2.2 Optische Verfahren mit punktweiser Abtastung ohne mechanische
Referenzachsen.11
2.2 Verfahren mit flächenhafter Messung.12
2.2.1 Wellenoptische Verfahren mit flächenhafter Messung.13
2.2.1.1 Klassische Formprüfinterferometer.14
2.2.1.1.1 Das Twyman-Green-Interferometer.14
2.2.1.1.2 Das Fizeau-Interferometer.16
2.2.1.2 modifizierte Formprüfinterferometer.18
2.2.1.2.1 Formprüfinterferometer mit Meisterteil.19
2.2.1.2.2 Formprüfinterferometer mit autostigmatischer Anordnung.20
2.2.1.2.3 Formprüfinterferometer mit Aberrationskompensation.21
2.2.1.2.3.1 Aberrationskompensation durch refraktive Kompensationsoptik .21
2.2.1.2.3.2 Aberrationskompensation durch reflektive Kompensationsoptik.22
2.2.1.2.3.3 Aberrationskompensation durch diffraktive Kompensationsoptik 23
2.2.1.2.4 Formprüfinterferometer mit vergrößerter effektiver Wellenlänge.27
2.2.1.2.4.1 Infrarot-Interferometrie.27
2.2.1.2.4.2 Zwei- und Mehrwellenlängen-Interferometrie.28
2.2.1.2.4.3 Schräglicht-Interferometer.30
2.2.1.3 Weißlicht-Interferometer.32
2.2.1.4 Sub-Nyquist-Interferometer.33
2.2.1.5 Subapertur-Interferometer.34
2.2.1.6
Shearing-Interferometer
.35
2.2.2 Geometrisch-optische Verfahren mit flächenhafter Messung.36
2.2.2.1 Experimentelle Strahlverfolgung.37
2.2.2.2 Foucaultsches Schneidenverfahren.38
2.2.2.3 Ronchi-Test.40
2.2.2.4 Hartmann-und Shack-Hartmann-Test.40
2.2.2.5
Reflexions-Moiré-
Verfahren.44
2.2.2.6
Moiré-Deflektometrie
.49
2.2.2.7 Deflektometrie und Rasterreflexionsverfahren.50
3 Diskussion des Standes der Technik und Zielsetzung.57
3.1 Diskussion des Standes der Technik.57
3.2 Zielsetzung.59
4 Triangulationsverfahren zur Erfassung remittierender Oberflächen.61
4.1 Das Triangulationsprinzip.64
4.1.1 Aktive Triangulation.66
4.1.2 Passive Triangulation.67
4.2 Grundlagen der Photogrammetrie.68
4.2.1 Die Zentralprojektion.69
4.2.2 Der Rückwärtsschnitt.72
4.2.3 Die Bündeltriangulation.74
4.2.4 Die Epipolargeometrie.76
4.2.5 Der Vorwärtsschnitt.78
4.3 Projektionsverfahren.82
4.3.1 Punktprojektionsverfahren.83
4.3.2 Streifenprojektionsverfahren.87
5 Grundlagen der Rasterreflexions-Photogrammetrie.99
5.1 Analyse des konventionellen Rasterreflexions
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ahrens.100
5.2 Aktive Rasterreflexions-Photogrammetrie.106
5.3 Passive Rasterreflexions-Photogrammetrie.112
5.4 Rekonstruktion der Oberfläche durch Integration der lokalen Neigung.121
6 Die Referenzrasterstruktur.125
6.1 Das Referenzmuster.125
6.1.1 Zweidimensionale Ortskodierung durch gekreuzte Streifenmuster.125
6.1.2 Absolute Ortskodierung durch Phasenschiebeverfahren und Graycode.127
6.1.3 Absolute Ortskodierung durch Weißlicht-Heterodynverfahren.129
6.2 Technische Umsetzung einer Referenzrasterstruktur.138
6.2.1 Einsatz von LCD-Flachbildschirmen als Referenzstruktur.143
6.2.1.1 Korrektur der Monitorkennlinie.143
6.2.1.2 Tiefpaßfilterung der Referenzmuster.146
6.2.1.3 Brechung am Monitor.148
6.2.1.4 Ebenheitsabweichung des Monitors.151
7 Kalibrierung des Meßsystems.157
7.1 Modellbildung des Meßsystems.157
7.1.1 Das Kameramodell.158
7.1.2 Das Referenzrastermodell.161
7.2 Kalibrierstrategie.169
7.2.1 Photogrammetrische Einmessung der Kamera.170
7.2.2 Photogrammetrische Einmessung des Referenzspiegels.171
7.2.3 Photogrammetrische Einmessung der Rasterstruktur.174
7.3 Beispielkalibrierung.178
8 Meßaul bauten und Meßbeispiele.183
8.1 Meßaufbauten.183
8.2 Meßbeispiele.187
9 Erweiterung des Meßbereichs.191
9.1 Erweiterung des Meßbereichs bei starker Krümmung der Oberfläche.192
9.2 Erweiterung des Meßbereichs bei starker Neigung der Oberfläche.195
10 Untersuchung der Meßunsicherheit.199
10.1
Messungan
Referenzkörpern.199
10.2 Bestimmung der Meßunsicherheit nach
GUM
.204
iv Inhaltsverzeichnis
11 Ausblick: Messung refraktiver Optiken in Transmission.211
12 Zusammenfassung und Ausblick.215
12.1 Zusammenfassung.215
12.2 Ausblick.217
13 Literaturverzeichnis.219
Anhänge
A
Technische Daten der Systemkomponenten.241
A.l Kamera.241
A.2 Objektiv.241
A.3 Frame Grabber.242
A.4 LCD-Flachbildschirm.242
A.5 Linearpositioniereinheit.243
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