Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) hat ein Teilprojekt mit dem Titel “Fokusvariabler Bildmusterprojektor” innerhalb des größeren Multi-3D-Konsortiums abgeschlossen, das von dem Industriepartner SICK geleitet wird. Das Projekt lief vom 1. Februar 2017 bis zum 31. Januar 2020, mit einer Verlängerung bis zum 31. Juli 2020, und wurde vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert. Dem Konsortium gehörte neben SICK auch das Unternehmen gbs an, das zur Entwicklung und zum Testen von Bildverarbeitungsroutinen beitrug, während sich IOF auf die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung eines mikrooptischen Mustergenerators für strukturierte Beleuchtung im nahen Infrarot konzentrierte.
Das technische Ziel war es, die herkömmliche strukturierte Beleuchtung auf der Basis von Laserdioden oder Beugungsstrahlgeneratoren durch ein inkohärentes, von einem VCSEL-Array gesteuertes System zu ersetzen, das eine fleckenfreie Projektion und eine minimale Wellenlängenabhängigkeit bietet. Das Herzstück des Designs ist ein monolithisches Tandem-Mikrolinsen-Array (MLA) mit vergrabenen Aperturen, das einen Fliegenaugen-Kondensator bildet, der das Licht eines kollimierten Hochleistungs-VCSEL-Arrays bei 808 nm formt. Das MLA wird durch lithografische Master-Erstellung, Masken-Master-Übertragung auf ein Glassubstrat und UV-härtbaren Polymerguss hergestellt, wodurch ein doppelseitiges Polymer-auf-Glas-Element mit ausgerichteten Aperturen entsteht. Ein handelsübliches Projektionsobjektiv (f = 4,65 mm, Blende = 1,02 mm, f/4,5, Hauptstrahlwinkel = 9,3°) bildet das Muster in das Messvolumen ab und erzeugt ein hyperfokales, viereckiges Spot-Array. Ray-Tracing-Simulationen dienten als Grundlage für das optische Design und sagten eine abstandsproportionale Spotgröße voraus, die typisch für hyperfokale Beleuchtung ist. Das hergestellte System wurde mit einem Adapter zusammengebaut, der die Mikrooptik und das Projektionsobjektiv auf der Sensorplattform befestigt.
Die Charakterisierung des kompletten Projektors zeigte eine gute Übereinstimmung mit den Simulationen für Schlüsselparameter wie Auflösung, Sichtfeld, Transmission und Kontrast. Das System erreichte eine hohe Gesamttransmission und ermöglichte die Erzeugung sowohl regelmäßiger als auch unregelmäßiger Punktmuster mit ausgezeichneter Gleichmäßigkeit. Im Vergleich zu Ansätzen mit Laserdioden und diffraktiven Strahlengeneratoren liefert der VCSEL-basierte Projektor eine fleckenfreie Beleuchtung und ist weitgehend unempfindlich gegenüber der Wellenlängendrift, einem häufigen Problem bei diffraktiven Optiken. Im Vergleich zu herkömmlichen Goboprojektoren bietet das neue Design ein kleineres Bauvolumen und eine bessere Systemübertragung. Die Strahlenqualität des Projektors mit Einzelstrahlen, die an die Strahlqualität von Singlemode-Lasern heranreicht, beweist seine Eignung für hochpräzise 3D-Erfassungsaufgaben.
In der letzten Phase wurde der vollständig montierte Projektor in ein komplettes Sensorsystem bei SICK integriert. Funktionstests bestätigten, dass die strukturierte Beleuchtung die strengen Anforderungen der Multi-3D-Sensorarchitektur erfüllte und die Leistungsfähigkeit des Designs in einer realen Anwendung bestätigte. Die Ergebnisse des Projekts liefern ein skalierbares, wellenlängenstabiles Beleuchtungsmodul mit geringer Streuung, das in zukünftige multimodale 3D-Sensorsysteme integriert werden kann und den Stand der Technik bei der 3D-Messung mit strukturiertem Licht voranbringt.