Methoden zur Qualifizierung von CCD-Zeilenkameras als Messgerät für die Farb- und 3D-Messung

Kamerabasierte Systeme werden in zunehmenden Maße für messtechnische Aufgaben im industriellen Umfeld eingesetzt. Deren Qualifizierung hinsichtlich der Tauglichkeit für die jeweilige Messaufgabe ist ein anspruchsvolles Feld, welches ein ganzheitliches Verständnis der Kamerasysteme voraussetzt. Im Falle kontinuierlich transportierter Objekte eignen sich zur messtechnischen Erfassung insbesondere Zeilenkameras. Der Grund liegt in der hohen optischen Auflösung und der kontinuierlichen Abtastung des Objektes. In dieser Arbeit werden zwei Zeilenkamerasysteme der Chromasens GmbH wissenschaftlich untersucht und Methoden zu deren messtechnischen Qualifizierung entwickelt. Betrachtet werden die multispektrale Zeilenkamera truePIXA, welche als bildgebendes Farbmessgerät eingesetzt wird, sowie die Stereo-Zeilenkamera 3DPIXA, welche mittels Triangulation die Vermessung von 3D-Oberflächentopografien ermöglicht. Beide Systeme werden durch mehrere Teilkameras realisiert, die Auswertemethoden sind jedoch komplementär. Der in den Kamerasystemen eingesetzte CCD-Zeilensensor wird angelehnt an den EMVA 1288 Standard charakterisiert, um ein messdatengestütztes Simulationsmodell der multispektralen Zeilenkamera entwickeln zu können. Im nächsten Schritt wird ein Verfahren dargestellt, welches die präzise Vermessung der spektralen Empfindlichkeiten der zwölf Kanäle der multispektralen Zeilenkamera erlaubt. Das Simulationsmodell der multispektralen Zeilenkamera wird eingesetzt, um Sensitivitätsanalysen durchzuführen. Durch den Einsatz eines stochastischen Musters wird die relative Änderung der MTF der Stereo-Zeilenkamera über das Messvolumen charakterisiert. Insbesondere wird der Einfluss der optischen Defokussierung, der Größe des zur Korrelation verwendeten Suchfensters und des Rauschens der Bilddaten auf das Rauschen der 3D-Messung untersucht. Zur Betrachtung der Abhängigkeit der Korrelationsfenstergröße und der Defokussierung, wird der Begriff der frequenzabhängigen Schärfentiefe eingeführt. Dieses Vorgehen führte zu dem Ergebnis, dass das Messrauschen stark von dem Verhältnis der Größe des Korrelationsfensters zur auftretenden Wellenlänge der Modulation im Bild abhängt.

Camera based systems are increasingly used for measurement tasks in the industrial environment. Their technical qualification with respect to the applicability to the targeted metrological application is a challenging field which requires a holistic understanding of such camera systems. In the case of the measurement of continuously moving objects line scan cameras are particularly suitable. The reasons for this are the high optical resolution and the continuous data acquisition. In this work two line scan camera systems of the company Chromasens GmbH are detailed analyzed, as well as the neccessary methods to implement the technical qualification of their measurement performance are developed. Considered are the multispectral line scan camera truePIXA, which is used as imaging colour measuring device, and the stereo line scan camera 3DPIXA, which deploys triangulation to allow for measurement of 3D-surface topography. The similarity of both systems lies in the implementation using multiple cameras, whereas the data processing methods are complementary. To enable the development of a simulation model of the multispectral line scan camera the used CCD line scan sensor is characterized follwing the EMVA 1288 standard. Within the next step a method for precise measurement of the spectral responsivity of the twelve channels of the multispectral camera is developed. The simulation model of the multispectral camera system is used to carry out sensitivity analysis. By the use of a random pattern the relative change of the M T F of the stereo line scan camera over the measuring volume is characterized in detail. Particularly the impact of the optical defocus, the size of the correlation window and of the noise of the image data on the noise of the 3D measurement is examined. Within the analysis of the influence of the size of the correlation window and the optical defocus the frequency dependent depth of field is introduced. It is shown that the noise of the 3D-measurement strongly depends on the ratio of the correlation window size with respect to the wavelength of modulation of the image signal.