Abstract
In phase-measuring deflectometry for measuring reflecting and transparent surfaces, a high-contrast pattern displayed on a liquid crystal screen is usually optically detected. One of the most important non-idealities of liquid crystal displays with regard to the achievable measurement uncertainty is the refraction in the glass substrate, which leads to an angle-dependent offset between the actual location and the observed location of a feature displayed on the screen. Owing to the typical thicknesses and refractive indices of the glass substrates used, this offset reaches several tenths of a millimeter even at moderate viewing angles. In the approach presented here, the refraction-related offset of features displayed on the screen is determined by simultaneous observation of displayed features and features mounted on the screen. The model used so far was improved, so that apart from a distance of the features to be determined before the evaluation no further previous knowledge is necessary. Within the scope of the investigations carried out, statements on the measurement uncertainty of the method could also be made and verified for the first time.
Zusammenfassung
Bei der phasenmessenden Deflektometrie zur geometrischen Charakterisierung spiegelnder und transparenter Oberflächen wird allgemein das optisch verzerrte Abbild eines kontrastreichen, flächenhaften Referenzmusters registriert. Die Verkörperung des Musters erfolgt in den meisten Fällen durch Anzeige auf einem Flüssigkristallbildschirm. Eine der bedeutendsten Nichtidealitäten von Flüssigkristallanzeigen im Hinblick auf die erzielbare Messunsicherheit stellt die Brechung im Glassubstrat dar, welche zu einem winkelabhängigen Versatz zwischen tatsächlichem und beobachtetem Ort eines auf dem Bildschirm angezeigten Merkmals führt. In Anbetracht der typischen Dicken und Brechungsindizes der verwendeten Glassubstrate erreicht dieser Effekte bereits bei moderaten Betrachtungswinkeln mehrere zehntel Millimeter. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird der brechungsbedingte Versatz von Merkmalen auf dem Bildschirm durch simultane Beobachtung angezeigter und auf der Bildschirmoberfläche applizierter Marken ermittelt. Das bislang hierzu verwendete mathematische Modell wurde verbessert, so dass außer den vorab zu bestimmenden Abständen der applizierten Marken keine weiteren Vorkenntnisse benötigt werden. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen konnten erstmals auch Aussagen zur Messunsicherheit der Methode getroffen und verifiziert werden.
Funding source: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Award Identifier / Grant number: Pe1402/6-1
Funding statement: The funding of this investigation by the German Research Association (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG) under grant Pe1402/6-1 is gratefully acknowledged.
About the authors
Marcus Petz has been working at the Institute for Production Measurement Technology of the TU Braunschweig as a research associate since 1999 and as a chief engineer since 2005. His work focuses on optical metrology, in particular photogrammetric methods for recording shape and deformation, as well as multi-sensor coordinate metrology.
Hanno Dierke studied physics at the TU Braunschweig. After completing his doctorate in 2008 he has been a research associate at the Institute of Production Measurement Technology. The main focus of his work is the investigation of processes in optical metrology.
Rainer Tutsch studied physics and received his doctorate in mechanical engineering from RWTH Aachen University in 1994. He was chief engineer in the Department of Measurement and Quality Technology at the Fraunhofer Institute for Production Technology, Aachen. After working in industry as head of development, he has been professor and head of the Institute for Production Metrology at the TU Braunschweig since December 2000.
References
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2. M. Fischer. “Deflektometrie in Transmission – Ein neues Messverfahren zur Erfassung der Geometrie asphärischer refraktiver Optiken.” Dissertation. Schriftenreihe des Instituts für Produktionsmesstechnik, Band 12, Shaker Verlag Aachen: TU Braunschweig, 2016.Search in Google Scholar
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4. M. Petz, M. Fischer, and R. Tutsch. “Systematic errors in deflectometry induced by use of liquid crystal displays as reference structure.” In: Proc. 21st IMEKO TC2 Symposium on Photonics in Measurement, 16–18 September 2013, Gdansk, Poland. 2013, pp. 16–18.Search in Google Scholar
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