Data fusion of areal measured microtopographies with plane of reference using optical sensors
Final Report Abstract
Im Projekt „Datenfusion optisch flächenhaft erfasster Mikrotopografien mit Bezugsebene“ wurden Methoden für eine abweichungsminimierte Datenfusion (Stitching) von überlappenden Messfeldern von bildverarbeitenden Mikroskopen untersucht. Das Ziel dieser Methode ist die Erstellung von hochauflösenden Messfeldern mit einer Fläche von bis zu wenigen Quadratzentimetern für die Oberflächencharakterisierung technischer Oberflächen. In der zweiten Phase des Projektes wurden die im Rahmen der ersten Phase entwickelten Methoden zur Messdatenfusion erweitert. Insbesondere wurde die Verkippungsunsicherheit beim Verfahrens des xy-Tisches eines bildverarbeitenden Mikroskops berücksichtigt. Die Fusionsmethoden wurden somit von drei Freiheitsgraden (3-DOF) auf fünf Freiheitsgrade (5-DOF) erweitert. Im Anschluss wurden die entwickelten Algorithmen sowohl theoretisch als auch experimentell verifiziert. Für die theoretische Verifikation der Fusionsmethoden wurden die Führungsgrößen in Form von Lageabweichungen benachbarter Messdatensätze in 5-DOF synthetisch vorgegeben. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelten Methoden sehr gut geeignet sind, die Führungsgrößen in allen 5-DOF zu rekonstruieren. Weiterhin vorhandene Fusionsfehler sind vor allem auf den Resampling-Schritt zurückzuführen, der bei der Lagekorrektur relativ zueinander verkippter Messdatensätze benötigt wird. Zudem sind die Fehler abhängig von der jeweiligen konkreten Oberflächentextur. Als Ergebnis der Untersuchungen kann festgehalten werden, dass ein höherer Sq-Wert (RMS-Rauheit) der gemessenen Oberfläche zu einem größeren Fehler (SD-Wert) bei der Messdatenfusion führt, als bei einer Oberfläche mit geringerer Rauheit und somit kleinerem Sq-Wert. Für die experimentelle Verifikation der entwickelten Fusionsmethoden wurden zunächst reale sich teilweise überlappende Messdatensätze aufgenommen. Zwischen zwei Aufnahmen wird die Probe mit Hilfe eines hochpräzisen Hexapoden in die neue Messposition gebracht. Auf diese Weise können Führungsabweichungen simuliert werden, wie sie bei den Positioniersystemen kommerziell erhältlicher bildverarbeitender Mikroskope auftreten können. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass laterale Führungsabweichungen in x- und y-Richtung nach der Rekonstruktion zu Fusionsabweichungen von weniger als einem Pixel führen. In z-Richtung können die vorgegebenen Führungsgrößen, aufgrund der geschlossenen Software des verwendeten Mikroskops, nicht korrekt rekonstruiert werden. In den rotatorischen Richtungen konnten sehr kleine Verkippungswinkel nicht perfekt rekonstruiert werden. Dies liegt darin begründet, dass die Unsicherheit der Einpassung einer Ebene als Ersatzformelement, welche zur Abschätzung der vorliegenden Verkippung benötigt wird, größer als die Höhenänderung ist, welche durch die Verkippung im Messdatensatz verursacht wird. Die Unsicherheit der Ebeneneinpassung wird maßgeblich von der Rauheit der gemessenen Oberfläche ab. Diese ist in der Regel mindestens eine Größenordnung größer als die Höhenänderung aufgrund kleiner Verkippungen. Abschließend wurde ein Vergleich der Fusionsergebnisse zwischen der in der ersten Projektphase entwickelten 3-DOF-Fusionsmethode und der in der zweiten Projektphase optimierten 5-DOF-Fusionsmethode durchgeführt.
Publications
- 3D-Reconstruction of Microstructures on Cylinder Liners. Proc. 13th Int. Conf. of the EUSPEN, 2013, S. 132-135
Engelke, F.; Kästner, M.; Reithmeier; E.
- Low coherence interferometry based roughness measurement on turbine blade surfaces using wavelet analysis. Optics and Lasers in Engineering, 82:113-121, 2016
Zou, Y.; Li, Y.; Kästner, M.; Reithmeier, E.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.02.011)
