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02.12.2015

Dr. Markus Fratz, Fraunhofer IPM: Holographie – nicht nur für spiegelglatte Oberflächen

Dr. Markus Fratz, Fraunhofer IPM

Für die Produktionskontrolle entwickelt das Fraunhofer IPM optische Systeme und bildgebende Verfahren, mit denen sich Oberflächen und 3D-Strukturen im laufenden Produktionsprozess analysieren und Prozesse regeln lassen. Dr. Markus Fratz ist Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Freiburg.


1. Ohne Qualitätskontrollen kommt keine Produktion aus. Wie sind da aktuell die Standards, etwa in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik oder der Automobilindustrie?

Dr. Markus Fratz: So vielfältig die genannten Industriezweige sind, so unterschiedlich sind auch die Ansprüche an die Qualitätssicherung. In vielen Bereichen dominiert hier nach wie vor die visuelle Sichtprüfung. Aber gerade wenn es um funktionswichtige Bauteile in hohen Stückzahlen geht, wird die Sichtprüfung schon seit einiger Zeit durch automatisierte Vision-Inspektions-Systeme verdrängt.

Neben den wirtschaftlichen Vorteilen spielt da sicher auch die Möglichkeit der Dokumentation eine große Rolle. Doch die steigenden Anforderungen an die Güte verschiedenster Komponenten führen mehr und mehr dazu, dass reine Bildverarbeitungssysteme oft nicht mehr ausreichen. Der Wunsch nach echter 3D-Vermessung ist in vielen Bereichen erkennbar. Doch echte quantitative Messergebnisse im Produktionstakt sind nach wie vor für die meisten Messverfahren nur in den wenigsten Fällen erreichbar. Dort setzt unser HoloTop-System an.


2. Mit HoloTop und HoloFlash hat Fraunhofer schon 2010 Systeme zur holografischen Oberflächenmessung vorgestellt. Wurde jetzt vor ein paar Wochen eine Weiterentwicklung von HoloTop präsentiert?

Dr. Markus Fratz: Wir haben in den letzten Jahren eine Reihe Projekte im Bereich der Mehrwellenholographie bearbeitet. Nun war es mal wieder an der Zeit, den aktuellen Stand unserer Entwicklungen zu präsentieren. Die größten Fortschritte haben wir sicher hinsichtlich der Messgeschwindigkeit und Auflösung gemacht. 2010 waren wir bei einer Messrate von einer Messung pro Sekunde, wobei eine Messung aus 1,4 Millionen Messpunkten bestand. Der aktuelle Sensor liefert bis zu 11 Messungen pro Sekunde und das bei gut 9 Millionen 3D-Punkten pro Messung.


3. Welche Technologie liegt HoloTop zugrunde?

Dr. Markus Fratz: HoloTop basiert auf dem Prinzip der Mehrwellenlängen-Holographie. Dazu wird eine zu vermessende Oberfläche zunächst mit Laserlicht einer Wellenlänge beleuchtet. Das reflektierte oder gestreute Licht wird dann mit einer Referenzwelle zur Überlagerung gebracht. Eine hochauflösende Industriekamera zeichnet das so entstehende Interferogramm auf. Dieser Ablauf wird mit einer oder mehreren weiteren Laserwellenlängen wiederholt. Die aufgenommenen Interferogramme unterscheiden sich leicht, so dass anhand der Unterschiede der Interferogramme die Form der zu vermessenden Oberfläche bestimmt werden kann.


4. Üblicherweise werden zur Oberflächenkontrolle interferometrische Verfahren eingesetzt. Welche Vorteile hat da die digitale Mehrwellenlängen-Holographie?

Dr. Markus Fratz: Auf der einen Seite nutzen wir eben mehr als eine Wellenlänge. Gegenüber der klassischen Einzelwellenlängen-Interferometrie bietet das vor allem den Vorteil, dass wir auch an rauen, nicht-spiegelnden Oberflächen messen können. Denn an solchen Oberflächen entsteht bei der Beleuchtung mit Laserlicht die typische Lasergranulation, auch Speckles genannt.

Misst man nur bei einer Wellenlänge, zerstören die Speckles die Phaseninformation des Laserlichts. Eine 3D-Messung wird dadurch unmöglich. Führt man die Messungen aber mit mehreren leicht unterschiedlichen Laserwellenlängen nacheinander durch, kann man die 3D-Information der Objektoberfläche von den störenden Speckles trennen. Erst dadurch werden interferometrische Messungen an rauen Oberflächen möglich.

Der zweite Vorteil versteckt sich im Wort Holographie: Anhand der Interferogramme kann die Form der Lichtwellen, die von der Objektoberfläche kommt, vollständig bestimmt werden, also in Amplitude und Phase. Mit dieser Information lässt sich die Form der Lichtwelle dann nicht nur in der Schärfe-Ebene des Sensors bestimmen, sondern mit Hilfe numerischer Methoden auch in anderen Ebenen. Das heißt, es gibt die Möglichkeit auf verschiedene Ebenen scharf zu stellen, ohne den Sensor, das Messobjekt oder auch nur eine Linse im Sensor verschieben zu müssen. Das lockert die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit der Prüflinge und reduziert zudem die Rüstzeiten.


5. Schnelligkeit ist eine der Hauptanforderungen an Inline-Inspektionssysteme. Wie erreichen sie die kurzen Messzeiten?

Dr. Markus Fratz: Wenn man nach Verfahren sucht, die ähnliche Spezifikationen hinsichtlich Anwendungsgebiet und Messgenauigkeit vorweisen können, stößt man in der Regel auf Weißlichtinterferometer und konfokal messende Systeme. Dort werden die gleichen Kameras eingesetzt wie in der Mehrwellenlängenholographie. Der entscheidende Unterschied der Mehrwellenlängen-Holographie liegt in der Anzahl der Kamerabilder, die für eine Messung nötig sind.

Unser aktueller Sensor hat einen Messbereich von etwa 0,5 mm. Für eine Messung benötigt das Holotop-System nur 9 Kamerabilder, die auch bei 3072 x 3072 Bildpunkten in rund 60 ms reiner Messzeit aufgenommen werden können. Sowohl für die Weißlichtinterferometrie als auch für konfokale Methoden sind für einen so großen Messbereich um Größenordnungen mehr Bilder nötig.

Dazu kommt, dass auch die Auswertung mit der kurzen Messzeit Schritt halten muss. Einen entscheidenden Beitrag zur Auswertegeschwindigkeit leistet dabei die Verwendung moderner Grafikkarten. Die Auswertealgorithmen wurden bei Fraunhofer IPM mit Hilfe der CUDA-Plattform zur Grafikkartenprogrammierung hochgradig parallelisiert. Auf diese Art dauert auch das Erzeugen der 3D-Daten aus den Kamerabildern nur noch rund 140 ms.


6. Werden solche Systeme schon in der Industrie eingesetzt?

Dr. Markus Fratz: Ja. Wir schließen beispielsweise gerade ein Projekt ab, bei dem ein Holographie-Sensor Präzisionsdrehteile voll-automatisiert im Sekundentakt vermisst. Verschiedene geometrische Merkmale werden erfasst und mit vorgegebenen Toleranzen verglichen. Unser Kunde nutzt den Sensor zur 100 Prozent-Kontrolle seiner fertig bearbeiteten Bauteile, die für Anwendungen in der Automobilindustrie bestimmt sind.

Es besteht großes Interesse an der schnellen Inline-3D-Vermessung. Vor allem im Bereich Automotive sehen wir großes Potential für weitere Einsatzszenarien des HoloTop-Sensors.


Danke für das Interview.

Mehr Informationen:
www.ipm.fraunhofer.de

 
 
 
 
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