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Fokusvariationssensoren

Berührungslose Messung komplexer Oberflächentopografien

Bei der einfachsten Version des Fokusvariationssensors wird als Messpunkt der Abstand zwischen Objekt und Sensor bestimmt. Hierfür werden die gleichen Hardwarekomponenten eingesetzt wie bei der Bildverarbeitung.

Autofokus und Bildverarbeitung in einem

Beim Verfahren des Sensors entlang der optischen Achse wird für einen Bildausschnitt (Fenster) nur in einer Position eine scharfe Abbildung erzeugt. Ist der Sensor defokussiert, entstehen unscharfe Bilder. Als Kenngröße für den Schärfezustand eines Bildes kann der Kontrast verwendet werden. Wird der Sensor in Richtung seiner optischen Achse in einem Bereich bewegt, innerhalb dessen die Objektebene liegt, so wird der Kontrastwert dann sein Maximum erreichen, wenn die Fokusebene mit der Objektebene übereinstimmt. Aus dieser Sensorposition lässt sich die Lage des Punkts auf der Oberfläche bestimmen (Abb. 18). Auf diesen Punkt kann danach durch Positionieren scharf gestellt werden (Autofokus).

Autofokus und Bildverarbeitung in einem
<p>Abb. 18: Fokuspunktbestimmung durch Sensorbewegung im Bereich z1 bis z2 und Auswertung des entstehenden Kontrastverlaufs</p>

Großer Aperturwinkel: genauerer Fokus

Die Empfindlichkeit des beschriebenen Verfahrens wird primär davon beeinflusst, wie groß der Bereich entlang der optischen Achse ist, der von dem verwendeten Objektiv scheinbar scharf dargestellt wird. Dieser auch als Schärfentiefe bezeichnete Bereich hängt direkt von der Auflösung bzw. der verwendeten numerischen Apertur des Objektivs ab. Je größer die numerische Apertur, desto geringer die Schärfentiefe und desto genauer ist die mit dem Autofokus realisierte Messung. Bei üblichen Objektiven erhält man die günstigsten Ergebnisse mit hohen Vergrößerungen. Um hohe Genauigkeiten zu erreichen, müssen viele Stützpunkte der Fokuskurve aufgenommen werden. Pro Messpunkt sind einige Sekunden Zeit erforderlich. Dies führt bei der Messung vieler Punkte zu hohen Gesamtmesszeiten. Die Autofokusfunktion wird eingesetzt, um die Messebenen für die Bildverarbeitung zu bestimmen und Höhenstufen zu messen. Die Anwendungsfelder sind dementsprechend die gleichen wie für die Bildverarbeitung.

3D-Patch: viele Punkte gleichzeitig messen

Alternativ kann das oben beschriebene Fokusverfahren mit bewegter Kamera für mehrere Gruppen von Bildpunkten (mehrere Fenster) oder für jeden Bildpunkt der Kamera gleichzeitig durchgeführt werden. Mit einmaligem Durchfahren des gewünschten Messbereichs entlang der optischen Achse erhält man innerhalb weniger Sekunden eine Vielzahl von Messpunkten als Punktewolke. Dieses Verfahren (Werth 3D-Patch) ermöglicht eine besonders einfache und schnelle dreidimensionale Erfassung von Oberflächentopografien (Abb.19a). Größere Oberflächenbereiche können durch automatisches Aneinandersetzen mehrerer Patches gemessen werden. Mit dem Verfahren lassen sich Topografien kleinerer Oberflächenbereiche von Werkstücken aus verschiedensten Materialien oder z. B. von Verrundungen an Werkzeugschneiden gut messen.

3D-Patch: viele Punkte gleichzeitig messen
<p>Abb. 19: Mehrdimensionale Abstandssensoren: a) Fokusvariation: Werth 3D-Patch bzw. konfokaler Flächensensor (NFP), b) Laserliniensensor, c) Musterprojektionssensor, d) Fotogrammetriesensor</p>

Werth 3D-Patch

Fokusvaritationssensor