Hochgenaue deflektometrische Formmessung unter Berücksichtigung der nicht-idealen Eigenschaften eines Displays als Referenzebene (MoniKal)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Projekt durchgeführten Qualifizierungsmessungen zeigen auf, dass die angestrebten Formmessabweichungen von ≤ 0,5 μm an ebenen und stärker gekrümmten Oberflächen auf Grundlage der verbesserten Verfahren zur Modellierung und Einmessung von Monitor und Systemgeometrie sowie zahlreicher weiterer Verfahrensoptimierungen tatsächlich erreicht werden konnten. Die Messungen, insbesondere jene an sehr stark gekrümmten Oberflächen mit einem Öffnungsverhältnis von f/1, zeigen jedoch auch noch verbliebene systematische Restfehler auf. Deren Herkunft ist zum Teil bereits bekannt – wie etwa thermische oder schwerkraftbedingte Geometrieänderungen von Messaufbau und Monitor – so dass im Zuge der Weiterführung der Forschungsarbeiten eine weitere Reduzierung der Messabweichungen zu erwarten ist. Es kann jedoch festgehalten werden, dass der Monitor als in der Vergangenheit dominierende Quelle von Abweichungen, nun vergleichbar gut verstanden und beherrscht wird, wie die sonstigen Systemkomponenten. Für weitere Verbesserungen müssen daher zukünftig auch wieder andere Komponenten der Messaufbauten und der Messprozesse verstärkt betrachtet werden. Dies gilt insbesondere für bislang im Stand der Forschung vernachlässigte Einflüsse der optischen Abbildung selbst, wie etwa Einflüsse der Exzentrizität schräg auftreffender Strahlbündel oder der Abbildungswirkung des Prüflings selbst. Als die beiden dominierenden Abweichungseinflüsse des Monitors haben sich die Topografie der Displayoberfläche sowie die Brechung im Glassubstrat erwiesen. Für beide Komponenten wurden im Projekt sehr wirksame Verfahren zur Modellierung sowie zur experimentellen Charakterisierung erarbeitet und in Form eines Gesamtmodells in die deflektometrischen Auswerteroutinen integriert. Einflüsse auf Pixelebene des Displays (Füllfaktor, Polarisation, Geometriefehler der Pixel) verursachen im Vergleich nur geringe Messabweichungen, die zum Teil zwar im Modell berücksichtigt sind, bisher jedoch nicht zuverlässig von statistischen Einflüssen unterschieden werden können. Zudem sind sie in Ihrer Wirkung in der Regel so hochfrequent, dass sie hinsichtlich der globalen Form vernachlässigt werden können. Einen wesentlichen Abweichungseinfluss auf die im Rahmen des Projekts durchgeführten Messungen stellen – insbesondere thermisch bedingte – Änderungen der Systemgeometrie dar. Dies betrifft in besonderem Maße jedoch nicht ausschließlich die Displaytopografie. Neben aufwändigeren Konstruktionen der Messaufbauten ist daher insbesondere das Integrieren zusätzlicher Sensorik zur Überwachung des Istzustandes eine erfolgversprechende Maßnahme zur Genauigkeitssteigerung. Das am IPROM eingesetzte Stereo-Kamerasystem zur Displaymessung stellt einen ersten Schritt in diese Richtung dar. Im Vergleich von interner und externer Abstandsreferenz hat sich gezeigt, dass der Einsatz eines konfokalen Abstandssensors zur externen Referenzierung eine Einschränkung der Flexibilität sowohl der Systemgeometrie als auch der Einmessung darstellt. Konzeptionell bietet die externe Referenzierung jedoch den Vorteil, dass die Regularisierung unabhängig von möglichen Abweichungen der deflektometrischen Messung erfolgt. Die interne Referenzierung mittels eines Lineartisches erweist sich im Vergleich als deutlich flexibler. Jedoch wirken sich grundsätzlich sowohl unerwünschte Bewegungskomponenten der Achse sowie mögliche Restfehler der Systemeinmessung auf die Regularisierung aus. Die angestellten Vergleiche simultaner und sequentieller Einmessstrategien haben deutlich gezeigt, dass die simultanen Ansätze aufgrund schlechter Konditionierung der resultierenden Gleichungssysteme nicht geeignet sind, eine Verbesserung der äußeren Genauigkeit, also eine Verringerung der Unsicherheit beim Einmessen der Parameter der Systemgeometrie, zu erreichen. Die sequentiellen Verfahren unter Einbeziehung externer Zusatzinformationen erweisen sich im Vergleich als deutlich überlegen. Als äußerst nutzbringend hat sich im Projekt die Möglichkeit erwiesen, mittels der an BIAS und IPROM erstellten Softwaremodule Teile des deflektometrischen Messprozesses simulieren zu können. Hierdurch konnten Einmess- und Auswertealgorithmen validiert und effizient optimiert werden. Eine weiterführende Detaillierung der zugrundeliegenden Modelle einer Simulationsumgebung hinsichtlich bisher unzureichend berücksichtigter Aspekte, beispielsweise der Abbildung der defokussiert betrachteten Anzeigefläche auf die Pixel der Kamera, verspricht einen erheblichen Erkenntnisgewinn des deflektometrischen Messprozesses. Auf diesem Wege kann eine Annäherung an das Ziel, Deflektometrie in Form eines virtuellen Messinstruments abbilden zu können um fundierte Aussagen zur aufgabenspezifischen Messunsicherheit zu treffen, erreicht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Effects of non-ideal display properties in phase measuring deflectometry: A model-based investigation. Proc. SPIE 10678, 106780Y (2018)
Bartsch, J., Nüß, J. R., Prinzler, M. H. U., Kalms, M., Bergmann, R. B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2306463) - Photogrammetrische Bestimmung der Brechungseigenschaften von Flüssigkristallbildschirmen für die Deflektometrie. in: DGaO (Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik) 119. Jahrestagung (Tagungsband), 22.-26.05.2018 in Aalen, S. 80
Petz, M., Dierke, H., Tutsch, R.
- Photogrammetrische Bestimmung der Brechungseigenschaften von Flüssigkristallbildschirmen. In: T. Längle, F. Puente León, M. Heizmann (Hrsg.): Forum Bildverarbeitung 2018, Karlsruhe, S. 13-24
Dierke, H., Petz, M., Tutsch, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.5445/KSP/1000085290) - Deflectometry on complex surfaces with compensation of display shape deviations, 10th High Level Expert Meeting Asphere Metrology on Joint Investigations (HLEM 2019), Braunschweig 19-20 März 2019
Bartsch, J., Kalms, M., Bergmann, R. B.
- Improving the calibration of phase measuring deflectometry by a polynomial representation of the display shape, Journal of the European Optical Society – Rapid Publications 15:20 (2019)
Bartsch, J., Kalms, M., Bergmann, R. B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1186/s41476-019-0116-1) - Photogrammetric determination of the refractive properties of liquid crystal displays, tm - Technisches Messen 86:6 (2019)
Petz, M., Dierke, H., Tutsch, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/teme-2018-0088)
