Entwicklung virtueller, optischer Sensoren zur Charakterisierung geometrischer Oberflächen

Das virtuelle, optische Messen wird in der industriellen Anwendung häufig vernachlässigt. Um optische Messergebnisse jedoch vorhersehbar und zuverlässig zu machen, ist es erforderlich, Sensoren zu modellieren und die Resultate, sogenannte virtuelle Messergebnisse, zu analysieren. Die zulässigen Modellvereinfachungen sind dabei vom zugrunde liegenden, physikalischen Messprinzip abhängig. In dieser Arbeit werden zwei virtuelle, optische Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien unter paraxialen Annahmen modelliert. Zudem werden Untersuchungen zum Übertragungsverhalten der Sensoren angestellt. Beim ersten Sensor handelt es sich um einen winkelauflösenden Streulichtsensor zur Messung der statistischen Verteilung von Gradienten geometrischer Oberflächen. Der zweite Sensor ist ein kurzkohärentes Interferometer zur vertikal hochauflösenden Messung von Topographien. Während dem winkelauflösenden Messprinzip ein inkohärenter Modellansatz zugrunde liegt, werden beim Interferometer kohärente Annahmen getroffen. Mithilfe der Sensormodelle ist es möglich, geometrische Oberflächen virtuell anzutasten und, basierend auf generierten oder real gemessenen Topographiedaten, virtuelle Messungen anzustellen. Auf diese Weise werden umfangreiche Untersuchungen zum Übertragungsverhalten der Sensoren ermöglicht. Darüber hinaus wird ein eigens entwickeltes, VTK-basiertes Programm vorgestellt, das die nichtsequentielle Berechnung optischer Sensoren ermöglicht. Dieses Programm nutzt Ray Tracing zur Simulation nichtsequentieller, optischer Systeme. Des Weiteren werden Ansätze für die parallele Datenverarbeitung mit CUDA® vorgestellt. Der paraxial modellierte, winkelauflösende Streulichtsensor wird demnach zusätzlich nichtsequentiell simuliert und die Ergebnisse der paraxialen und der nichtsequentiellen Berechnung werden gegenübergestellt.Virtual, optical measurements are often neglected within industrial applications. Anyhow, it is crucial to model sensors virtually and to analyze those data properly, so-called virtual measurement results. This is done in order to get predictable and reliable outcomes. The permissible model simplifications depend on the underlying physical measurement principle. In this thesis two virtual, optical sensors based on different measurement principles are modelled paraxially and their transfer characteristic is analyzed. The first sensor is an angle-resolved scattering light sensor, which is used to measure the statistical distribution of surface gradients. The second sensor is a coherence scanning interferometer, which is used to measure topographies with a very high vertical resolution. While the angle-resolved measurement principle is incoherent, the interferometer is based on coherent assumptions. Using those sensor models enables to sample geometric surfaces virtually and to analyze those sensors based on generated or measured topography data. In this manner, comprehensive investigations of the sensors’ transfer characteristics are enabled. A self-developed, VTK-based application is introduced, that facilitates nonsequential simulations of optical sensors. This application utilizes ray tracing techniques to simulate those optical systems. Approaches for parallel data processing using CUDA® are included. In addition, the paraxially modeled angle-resolved scattering light sensor is simulated nonsequentially in order to analyze and contrast the results of the paraxial and the nonsequential simulation