IOSB · Technology Conference, pp. 1072 -1077 (2012) Zum einen müssen höchste Pixelraten in Echtzeit gehandhabt werden können, zum anderen gilt es, die Anzahl notwen- diger Pixelmessungen

[ Inspektion und Sichtprüfung ]

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www.iosb.fraunhofer.de

ISSN 1616-8240

vis IT

Essay: Trends und Techniken

Deflektometrie

Transparente Oberflächen

Lebensmittelsicherheit

Windkraftanlagen inspizieren

Prüfen unter Wasser

Inhalt

vis IT Inspektion und Sichtprüfung

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Essay

Inspektion und SichtprüfungThomas Längle

ThemenDeflektometrieStefan Werling

Transparente OberflächenHenning Schulte, Sarah Gelo

LebensmittelsicherheitHenning Schulte, Eduardo Monari

Inspektion von WindkraftanlagenMartin Ruckhäberle

UnterwasserinspektionEckart Michaelsen, Marco Jacobi

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HerausgeberProf. Dr.-Ing. Jürgen BeyererProf. Dr. Maurus Tacke

RedaktionSibylle Wirth

Layout und graphische BearbeitungSibylle WirthEllen Simon

DruckE&B engelhardt und bauerKarlsruhe

Anschrift der Redaktion

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Fraunhoferstr. 176131 KarlsruheTelefon +49 721 6091-300Fax +49 721 [email protected]

© Fraunhofer IOSB Karlsruhe 2012

ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaftzur Förderung der angewandten Forschung e. V. München

13. JahrgangISSN 1616-8240

Bildquellen

Deckblatt, Seite 4, 5, Personen Fotos, Exponate, Key visuals: Manfred Zentsch, indigo Werbefotografie

Personen Fotos: Volker Steger

Seite 5, 12: MEV-Verlag GmbHSeite 5: birgitH / pixelio.deSeite 10: REAL Markt

Alle anderen Abbildungen: © Fraunhofer IOSB

Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit vollständiger Quellenangabe und nach Rücksprache mit der Redaktion.

Belegexemplare werden erbeten.

Impressum

vis IT 3 Inspektion und Sichtprüfung

Liebe Freunde des IOSB,

Wie selbstverständlich ersetzen wir die 5 Sinne des Menschen jeden Tag durch eine Vielzahl von technischen Sensoren. Insbesondere, wenn es darum geht, genauere oder schnellere Informationen zu bekommen als der Mensch dieses leisten könnte.

Im Geschäftsfeld Inspektion und Sichtprüfung bündelt das Fraunhofer IOSB alle Aktivitäten im Bereich der Sensorik, Bild- und Signalverarbeitung zum Zweck der Qualitätssicherung und / oder Produktivitätssteigerung in Echtzeit, wenn »Sehen« die Lösung der Wahl ist. »Sehen« ist hierbei nicht nur das, was das menschliche Auge leistet, sondern erstreckt sich über das gesamte elektromagnetische Spektrum von UV bis IR, wie es in Natur und Technik vorkommt.

Grundlage für unsere Lösungen ist das »Sehen« der relevanten Informationen. Technisch geht es dabei in der Regel um die Bildaufnahme mittels Zeilen- oder Flächen- kameras und Bildanalyse in Echtzeit. Sei es, dass viele Teile sehr schnell beim Sortie-ren von Schüttgütern betrachtet werden müssen, Veränderungen in der Spiegelung oder Textur einer Oberfläche zu detektieren sind oder Objekte / Objektgruppen zu klassifizieren sind.

Immer wenn es darum geht, große Mengen von Teilen (z. B. Schüttgüter) im Durchlauf und in Echtzeit zu »sortieren« oder komplexe Einzelteile auf die Überein- stimmung mit gegebenen Vorgaben zu prüfen – egal ob Farbe, Form oder andere »sichtbare« Eigenschaften – sind unsere Lösungen im Einsatz. Unsere Entwicklungen finden Sie beim Glasrecycling oder bei der Anreicherung von Mineralen genauso, wie bei der Sortierung von Tee, Kaffee und anderen Lebensmitteln.

Bei der Oberflächeninspektion detektieren wir nicht nur Veränderungen in der Struktur, sondern können diese mittels Photometrischen Stereos oder Deflektometrie auch in 3D-Daten umwandeln, um Aussagen über die Topographie der Teile zu machen. Anwendung finden diese Methoden bei der Beurteilung von glänzenden und matten Oberflächen. Manchmal ist es hilfreich, wenn man »in Teile reinschauen« oder einfach nur »durchschauen« kann, um Bestandteile oder Abweichungen zu erkennen. Wenn man diese mittels Licht sichtbar machen kann oder die Materialien, die gesucht werden, spezifische Reflexionseigenschaften besitzen – wir finden sie. Auch für spezielle Fragestellungen wie zum Beispiel das »Sehen« von Vibration in großer Entfernung, »Sehen« in schwieriger Umgebung (z. B. in der Tiefsee) oder das Erkennen von Objekten zur Identifikation stellen wir Lösungen zur Verfügung.

Karlsruhe, im April 2012

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Beyerer Prof. Dr. Maurus Tacke

Prof. Dr. Maurus Tacke

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Beyerer

Editorial

Essay

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hOchWErTIg UnD nachhaLTIg

Wer garantiert mir, dass die Lebensmit-tel, die ich zu mir nehme, frei von Schad-stoffen und zudem von guter Qualität sind? Was geschieht mit unserem säu-berlich getrennten Glas im Rahmen des Recyclingprozesses? Und wie wird dafür Sorge getragen, dass mein Auto nicht nur heute ästhetisch gut aussieht, son-dern auch im Fall einer Unfallreparatur hochwertig repariert wird? Drei Aufga-ben, die uns in unserem täglichen Leben berühren und gleichzeitig drei Fragen, auf die das Geschäftsfeld »Inspektion und Sichtprüfung« des Fraunhofer- Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung eine Antwort gibt.

TEchnOLOgIEn

Im Geschäftsfeld »Inspektion und Sicht-prüfung« forschen und arbeiten mehre-re Abteilungen gemeinsam an innova-tiven Methoden und Prüfsystemen zur Qualitätssicherung, Produktivitätsstei-gerung und Assistenz in Produktion und Instandhaltung. Hierbei erfolgt eine Bündelung von Kompetenzen der Sensorik, Bild- und Signalverarbeitung mit einem speziellen

Fokus auf hyperspektrale Verfahren, fundierte mathematische Modellierung, automatische Lernverfahren sowie Sen-sorfusion. Charakteristisch für unsere Lösungen ist, dass sie oftmals einge-bettet in überlagerte Prozesse sind und daher mit diesen schritthalten müssen.

UnSErE angEBOTE

Das Geschäftsfeld bietet vielfältige Dienstleitungen an, die von Machbar-keitsstudien über Verfahrensentwick-lungen und praktischen Validierungen bis hin zu Demonstratoren und letzt-endlich vermarktbaren Endsystemen führen. Hierbei steht die System- und Produktfähigkeit im Vordergrund, wobei unsere Experten der Mechanik, Optik, Elektrotechnik, Signalverarbei-tung, Informatik und Physik bei der Umsetzung der Verfahren in praxis-taugliche Systeme ihr Know-how ein-bringen.

Um brachenangepasste Lösungen anbie-ten zu können, gliedert sich das Ge-schäftsfeld in die Themenkomplexe Oberflächeninspektion, Schüttgutsortie-

InspektIon und sIchtprüfung

Prof. Dr.-Ing.Thomas Längle

Sprecher des geschäftsfeldesInspektion und Sichtprüfung

Fraunhofer IOSB Karlsruhe

Telefon +49 721 [email protected]



rung, Stückgutinspektion, Anlagenins-pektion sowie Assistenzsysteme auf. In diesem visIT werden wir Ihnen fünf innovative Lösungskonzepte zeigen, die Antworten auf die oben gestellten Fragen geben.

SPIEgELnDE OBErFLächEn

Der erste Themenkomplex behandelt eine schwierige Aufgabe der Oberflä-cheninspektion, nämlich die automatische Prüfung spiegelnder Oberflächen am Beispiel der Lackprüfung – ein Prob-lem, an dem sich die Experten der Sicht-prüfung bisher die Zähne ausgebissen haben. Durch unsere Ansätze der Deflektometrie lässt sich beispielsweise garantieren, dass die Karosserie von neuen Automobilen frei von Beulen und Lackfehlern ist.

gLaSSchEIBEnPrüFUng

Eine ganz andere, aber ebenfalls schwie-rige Prüfaufgabe wird im zweiten Bei-trag behandelt, nämlich die Bewertung von transparenten Materialien, beispiels-weise der Windschutzscheibe von Autos. Im Sinne der Sicherheit der Erkennung von Produktdefekten muss unser Prüf-system hier mit zwei physikalischen Pro-blemen kämpfen, nämlich die hierzu

notwendige große Schärfentiefe bei gebogenen Gläsern mit gleichzeitig hoher Anforderung an die zu erkennen-den Fehler. Das IOSB sorgt dafür, dass die Scheiben frei von Fehlern sind und wir an jeder Stelle freien Durchblick haben.

LEBEnSmITTELPrüFUng

Einen immer größeren Stellenwert nimmt die Lebensmittelprüfung ein, der wir uns im dritten Beitrag widmen. Unsere Sichtprüfsysteme sorgen nicht nur für eine Aussortierung gefährlicher Stoffe (z. B. Mutterkorn im Saatgut, Schimmelanteile bei Lebensmitteln), sondern zudem für einen schönen ästhe-tischen Eindruck (beispielsweise farblich homogene Kaffeebohnen in einer Charge, ohne Bruch und Fremdstoffe). Ganz gemäß dem Motto »Man ist, was man isst«.

WInDKraFTanLagEn

Erneuerbare Energien werden immer wichtiger, insbesondere ist die Bedeu-tung der Windenergie kontinuierlich steigend. Unsere Experten geben in diesem Umfeld Antworten darauf, wie unsere Windenergieanlagen der Zukunft sicher und qualitativ hochwer-tig ausgelegt werden können. Die Prüf-

und Bewertungssysteme des vierten Beitrags sorgen somit dafür, dass Wind-energieanlagen sicher und optimal betrieben werden können.

UnTEr WaSSEr InSPIzIErEn

Der letzte Beitrag beschäftigt sich mit der Inspektion von Infrastrukturen unter Wasser, insbesondere von Häfen und Staumauern. Hier wird heutzutage noch überwiegend visuell und taktil durch Taucher geprüft, was teuer und gefährlich ist. Unsere Experten der Unterwasser-Robotik und Bildverarbei- tung geben Antworten darauf, wie man in diesen schwierigen Umgebungen sehen kann und welche Automatisie-rungslösungen denkbar sind.

Wir wünschen Ihnen eine spannende Lektüre. Und wenn Ihnen bei der Auf-zählung der Eingangsfragen dieses Essay noch weitere schwierige Prüfaufgaben eingefallen sind – lassen Sie es uns wis-sen. Ganz getreu unserem Anspruch, der da lautet »Was wir erkennen, muss nicht Ihr Kunde finden« versuchen wir, auf Ihre Fragen eine Antwort zu geben. Und falls Sie es wünschen, realisieren wir diese auch für Sie.

birgith / pixelio.de

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ziert wird. Aus der Auswertung der Spiegelbilder können dann Rückschlüsse auf die Gestalt der Oberfläche gezogen werden.

InDUSTrIETaUgLIch

Am Fraunhofer IOSB wurden in den letzten Jahren mehrere deflektome-trische Ansätze für den industriellen Einsatz umgesetzt [1,2]. Wird ein Bild-schirm mit einer Kamera kombiniert, entsteht ein deflektometrischer Sensor- kopf, der als Sensorsystem z. B. von einem Industrieroboter entlang der zu prüfenden Oberfläche geführt werden kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, möglichst die gesamte Umgebung der zu prüfenden Oberfläche mit Mustern zu versehen, so dass die Kamera in der gesamten Oberfläche die Reflexion des Musters sieht. Am IOSB wurde ein Ver-suchsstand realisiert, bei dem mittels

Die Sicherung der Qualität spiegelnder Objekte (z. B. Karosserieteile) erfolgt in vielen Industriebereichen mittels visuellerInspektion durch eine Fachkraft. Der Mensch nimmt mit seinem intuitiven »Sichtprüfungssystem« ohne Weiteres auf solchen Oberflächen bereits kleinste Topografieveränderungen als Defekte wahr. Dabei begutachtet der Prüfer die Qualität anhand von Spiegelungen der Umgebung in der zu prüfenden Ober-fläche.

DEr STrEIFEnTrIcK

Zur Automatisierung der Inspektion spiegelnder Oberflächen erweist sich die Deflektometrie als besonders geeig-net. Eine Kamera beobachtet hierbei das Spiegelbild eines bekannten Musters (meist ein Streifenmuster), das z. B. auf einem Bildschirm angezeigt oder von einem Beamer auf einen Schirm proji-

deflektometrIe zur InspektIon

Dr.-Ing. Stefan Werling

mess-, regelungs- und Diagnosesysteme mrD

Fraunhofer IOSB Karlsruhe


www.iosb.fraunhofer.de Abb. 1: Versuchsstand mit deflektometrischen Mustern und spezieller Sensorik.


Beamern Muster auf vier Seiten des Prüfraums dargestellt werden. Dadurch sind auch in großflächigen und zerklüf- teten Prüfobjekten überall Spiegelungen der Muster sichtbar Abb. 1.

In einer aktuellen Forschungsarbeit wird statt eines Musters im sichtbaren Licht ein Muster im thermischen Infrarot-Be-reich (bei ca. 10 bis 15 µm Wellenlänge) verwendet. Damit lassen sich auch sol-che Oberflächen inspizieren, die wie unlackierte Bleche im sichtbaren Licht matt erscheinen oder die wie Glasspiegel im sichtbaren Licht transparent sind [3].

rOBUSTE InSPEKTIOn

Deflektometrische Verfahren werten ganz allgemein die Spiegelbilder bekann-ter Muster aus. Kennt man insbeson-dere zu jedem Sichtstrahl den entspre-chenden über die Spiegelfläche geseh-enen Musterpunkt, z. B. durch eine Kodierung, so eröffnet diese Zuordnung von Sichtstrahlen zu Musterpunkten verschiedene Auswertemöglichkeiten.Unmittelbar lassen sich aus dieser Zuord- nung Merkmale ableiten, die äquivalent zur lokalen Krümmung der Oberfläche sind. Abb.2 zeigt anhand der deflekto-metrischen Inspektion einer lackierten Blechoberfläche (Karosserie) die Aus-

Literatur: [1] S. Werling: Deflektometrie zur automatischen Sichtprüfung und Rekonstruktion spiegelnder Oberflächen. KIT Scientific Publishing, 2011.[2] S. Werling, M. Heizmann, M. Mai, J. Beyerer: Inspection of Specular and Partially Specular Sur-faces. Metrology and Measurement Systems 16 Nr. 3, S. 415-431, Polish Academy of Sciences, 2009.[3] S. Höfer, M. Roschani, S. Werling, J. Beyerer: Verfahren und Vorrichtung zur Inspektion von Glasoberflächen. F. Puente León, J. Beyerer (Hrsg.): Tagungsband des XXV. Messtechnischen Symposiums, S. 127-138, Shaker, 2011.

wertung solcher krümmungsäquivalen- ter Merkmale von räumlichen Defekten in Form eines Höhenbildes. Werksver-suche zeigten, dass die hiermit erzielte Detektionsleistung ausreicht, um auch solche Defekte zu finden, die für eine Nacharbeit zu klein bzw. zu schwach ausgeprägt sind.

maThEmaTISchE rEKOnSTrUKTIOn

In einem weiteren Schritt lässt sich die spiegelnde Oberfläche vollständig geo-metrisch rekonstruieren. Dies entspricht aus mathematischer Perspektive der Lösung einer nicht-linearen partiellen Differentialgleichung, wozu verschie-dene Rekonstruktionsansätze am Fraunhofer IOSB umgesetzt wurden. Die Lösung dieses Rekonstruktionspro- blems ist die Voraussetzung für die Ver-messung spiegelnder Oberflächen mit-tels Deflektometrie. Dabei zeigt sich, dass für einen Inspektionsbereich von circa 20 cm x 20 cm eine Höhenauflö-sung im Bereich weniger Mikrometer erreichbar ist. Anwendung findet die-ser Ansatz ausgehend von der Vermes-sung lokaler topografischer Defekte bis hin zur Erzeugung von 3D-Modellen großer und komplex geformter Bauteile (Abb. 3).

Abb. 2: Defekt-Detektion. Abb. 3: Rekonstruktion. Abb. 4: Skalenanalyse.

und Vermessung spIegelnder oberflächen

Zur automatischen Defektklassifikation lassen sich topografische Defekte auf verschieden Krümmungsskalen unter-suchen (Abb. 4). Damit kann die Ver-knüpfung der menschlichen visuellen Defektwahrnehmung mit deflektome-trisch erfassten Oberflächenmerkmalen erreicht werden.

Aktuelle Arbeiten beschäftigen sich darüber hinaus mit der Deflektometrie im Durchlauf und der automatisierten Sensoreinsatzplanung zur Erstellung von Inspektionsszenarien.

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glasprüfung nach dIn Iso 10110-3 mIt purIty

Dipl.-Ing. henning Schulte

geschäftsfeldentwickler Inspektion und Sichtprüf-systeme Fraunhofer IOSB Karlsruhe



Abbildungsqualität. Die Norm ist heute verbreitete Grundlage für die Glas-Beur-teilung. Als Maßstab definiert die DIN ISO 10110-3 Anzahl, Größen und Häu-fungen von Fehlern im Material. Die Norm definiert, wie diese Größen zu gewichten sind, um eine Qualitätskenn-größe für ein optisches Bauteil aus die-sen Parametern zu ermitteln. Nach DIN ISO 10110-3 sind Bauteile als gleich zu bewerten, wenn sie beispielsweise:- eine Blase mit einer maximalen proji-

zierten Fläche von 0,16 mm2,- 2 Blasen mit einer maximalen proji-



zierten Fläche von 0,01 mm2 enthalten- oder wenn sich 20 Prozent der erlaub-

ten Blasen innerhalb einer Fläche von 5 Prozent des Prüfbereichs häufen.

aUTOmaTISIErTE PrüFUng

Heute wird die DIN ISO 10110-3 zuneh-mend auch zur Bewertung der Weiter-verarbeitbarkeit von Halbzeugen aus Glas verwendet. Während Partikelein-schlüsse und Blasen annähernd gleichen Einfluss auf die Abbildungsqualität haben, sind die jeweiligen Einflüsse auf die Weiterverarbeitbarkeit jedoch unter Umständen stark unterschiedlich. Für eine produktionsbegleitende Prüfung nach DIN ISO 10110-3 ist es notwendig, diese Prüfung zu automatisieren. Hier-für wird ein System benötigt, das Par-tikeleinschlüsse und Blasen erkennen und unterscheiden kann, sowie beide Fehlerarten jeweils getrennt nach DIN ISO 10110-3 klassifiziert. Eine weitere Anforderung ist die Unterscheidung der

Wir alle wissen: Glas ist ein besonderes Produkt. Bis Anfang des vergangenen Jahrhunderts war die Herstellung von Glas Handarbeit und es war ein Zeichen von Wohlstand, Dinge aus Glas zu be-sitzen. Jedes Teil war mehr oder weniger individuell. Teil dieser »Individualität« waren auch Blasen und Verunreinigun-gen. Heute wie damals gilt die Reinheit von Glas, neben Form und Farbe, als Maßstab für Qualität.

nOTWEnDIgEr maSSSTaB

Um einen einheitlichen Maßstab für die Qualitäts-Beurteilung bezüglich Blasen und Verunreinigungen in Glas-Produkten zu haben, der nicht gänzlich auf attribu-tiven Kriterien beruht, wurde die DIN ISO 10110-3 entwickelt. Sie ermöglicht den messenden Qualitätsvergleich von Pro-dukten und erlaubt die Definition eines reproduzierbaren Grenzwertes für gut und schlecht. Die so entstandene Norm wurde aus früheren Arbeiten zur Beur-teilung der Abbildungsqualität von Lin-sen abgeleitet. Die Gesamtwirkungen von Blasen oder Einschlüssen auf die Weiterverarbeitbarkeit ist vergleichbar mit ihrer jeweiligen Wirkung auf die

Abb. 1: Linsenrohling.


glasprüfung nach dIn Iso 10110-3 mIt purIty

Defekte von Staub, damit eine Prüfung auch außerhalb eines Reinraums statt-finden kann. Die Prüflinge sollen bezüg-lich Blasen und Einschlüssen jeweils ge-trennt klassifiziert werden, so verlangt es die Norm. Am Ende muss das System, abhängig von den - vom Kunden ein-stellbaren - Toleranzen für Blasen und Einschlüsse, die Prüflinge als gut oder schlecht bewerten.

3 aUF EInEn STrEIch

In diesem Kontext wurde am IOSB ein Prüfsystem für die Inspektion von Glas-halbzeugen entwickelt, welches die Beurteilung der Prüflinge aus einer einzigen Ansicht realisiert. Die sichere Unterscheidung von Blasen und Ein-schlüssen ermöglicht eine separate Ein-stellung von Toleranzen nach DIN ISO 10110-3 für beide Defekttypen. Das Prüfsystem basiert auf dem paten- tierten Sensorkonzept Purity des Fraunhofer IOSB. Durch Verwendung von drei unterschiedlichen Beleuchtun-gen ermöglicht es eine dreikanalige Prüfung des Objekts aus einer Ansicht (s. Abb. 2): - die Bestimmung des Transmissions-

profils in einer Retroreflexanordnung (rot),

- eine Erkennung von Streuzentren auf oder im Material in einer Dunkelfeld-anordnung (blau),

- eine Darstellung streuender Strukturen auf der Oberfläche (grün).

Mit einer Farbzeilenkamera werden alle drei Kanäle gleichzeitig aufgenommen (Farbmultiplex). Das telezentrische Objektiv garantiert, dass die nach DIN ISO 10110-3 geforderte Ermittlung der projizierten Fläche eines Fehlers unab-hängig von der Lage im Bauteil erfolgt.

Beleuchtung und Kamera sind in einen kompakten Sensorkopf integriert. Das Prüfsystem wird über eine grafische Benutzeroberfläche bedient (s. Abb. 4). Sie beinhaltet alle Funktionen zur automatischen Inspektion, eine Ansicht der Prüfstatistik und eine Produktverwal-tung zur Einstellung der Geometriemerk-male und der gewünschten Toleranzen für Blasen und Einschlüsse. Abhängig von den gewählten Toleranzen wird der Prüfling nach der Inspektion als Gut- oder Schlechtteil klassifiziert. Das Prüf-ergebnis sowie die Lokalisierung und Größe der Defekte werden auf der Bedienoberfläche angezeigt. Über digi-tale Ausgänge wird das Ergebnis an die Produktionslinie übermittelt, sodass Schlechtteile automatisch ausgeschleust werden können.

Abb. 2: Schematischer Aufbau des Prüfsystems.

Abb. 3: Abbildung von Einschluss (links), Staub und Blase (rechts).

Abb. 4: Grafische Benutzeroberfläche.

Literatur:[1] DIN ISO 10110-3 : 1996. Optik und optische Instrumente; Erstellung von Zeichnungen für opti-sche Elemente und Systeme. Teil 3: Materialfehler – Blasen und Einschlüsse. Veröffentlicht in: DIN-Taschenbuch 304 - Technische Produktdokumen-tation, Beuth, 2008.[2] Hartrumpf, M.; Heintz, R.: Vorrichtung und Verfahren zur Klassifikation transparenter Bestand- teile in einem Materialstrom. WO2009049594. Veröffentlichungstag: 23.04.09.[3] Längle, T.; Hartrumpf, M.; Vieth, K.-U.; Heintz, R.; Struck, G.: Process for inspection and sorting of colored and transparent materials. In: Petz, T. (Ed.); Wortuba, H. (Ed.); Niehaus, K. (Ed.): Applications of sensor-based sorting in the raw material industry. Aachen: Shaker, 2011, S. 132-138. (Schriftenreihe zur Aufbereitung und Veredelung 42).

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Dr. Kai-Uwe Vieth

Sichtprüfsysteme SPrFraunhofer IOSB Karlsruhe



achtet und im Supermarkt »sagt« uns die Waage, welches Obst wir gerade wiegen.

Alle erwähnten Lösungen haben vieles gemeinsam – sie werden derzeit oder schon seit längerem bei Kunden mit- hilfe von Prototypen oder etablierten Systemen des IOSB begutachtet; die Kunden wollen die Ergebnisse der Beurteilung »in Echtzeit« – also direkt erhalten. Zur Lösung verwenden wir Algorithmen, mit denen wir bereits viele erfolgreiche Erfahrungen - auch außerhalb der »Lebensmittelwelt« - gesammelt haben.

DynamISchE aUFgaBEn-EnTWIcKLUng

Die Adaption und Weiterentwicklung vorhandener Lösungen auf neue Anwendungen und Produkte ist wich-tiger Teil unserer Arbeit. Oft entstehen dabei neue Fragestellungen, weil die Anforderungen abweichen oder steigen.

Genauso selbstverständlich wie wir preiswerte Lebensmittel im Supermarkt erwarten, gehen wir davon aus, dass die angebotenen Lebensmittel höchsten Qualitätsmaßstäben entsprechen. Mög- lich ist das nur, weil Lebensmittel nach industriellen Standards produziert wer-den. Ein wichtiger Teil der Produktion ist daher die Prüfung der Qualität. Da die Ansprüche an die Produkte ständig steigen, steigen auch die Ansprüche an ihre Prüfung.

UmFaSSEnDE KOnTrOLLE

Lebensmittel werden an den unterschiedlichsten Punkten der Prozesskette kont-rolliert: Das Saatgut wird vor dem Aus-säen geprüft, die Weintrauben werden bei der Annahme in der Winzergenos-senschaft kontrolliert, der Kaffee wird vor und nach dem Rösten untersucht und getrocknete Pilze werden vor dem Verpacken inspiziert. Portioniertes Fleisch wird im Zerlegebetrieb begut-

erhöhung der lebensmIttel

Die »intelligente« Gemüsewaage erkennt per Bildauswertung automatisch die Art der Ware.


qualItät durch IntellIgente sensorsysteme

Für uns ist das eine ganz normale Situ-ation. Wenn das zuvor gesteckte Ziel zum Status quo erhoben wird und der Blick, kaum dass er sich an das Neue gewöhnt hat, bereits auf das nächste Etappenziel fokussiert ist, finden wir die passende Lösung.

nEUE PrüFSEnSOrIK

Neben etablierter R-G-B Kameratechnik und dem Laser-Scan ist dabei zur Inspek- tion von Lebensmitteln in jüngster Zeit immer mehr Kameratechnik im Einsatz, die im ultravioletten oder infraroten Wellenlängenbereich arbeitet. Ursache sind Fragestellungen, die nicht mehr mit Sensortechnologie, die im sichtbaren Wellenlängenbereich arbeitet, zu lösen sind oder nur zu lösen sind, wenn man zur Beurteilung deutlich mehr Zeit für Berechnungen hätte.

Im Sichtbaren ist es für jeden selbstver-ständlich und nachvollziehbar, dass die Kameras Bilder erzeugen, die das Auf-

genommene so darstellen, wie wir es sehen (s. Abb. 1). Somit sind die Filter der Inspektionskameras den Rezeptoren im Auge ähnlich und folglich können Auge und Kamera farblich in etwa die-selben Objekte voneinander unterschei-den. Außerhalb des sichtbaren Wellen-längenbereichs fehlt dem Menschen und herkömmlich eingesetzter Kamera-technik diese Fähigkeit (s. Abb. 2).

Unterschiede zwischen zwei verschie-denen Objekten, z. B. im nahinfraroten Wellenlängenbereich, bleiben verborgen.Im ultravioletten und im infraroten Wel-lenlängenbereich zeigen viele Produkte Unterschiede, die im sichtbaren Wellen-längenbereich nicht erkennbar sind. In der Biochemie werden seit vielen Jahren organische Stoffe im mittleren infraroten Wellenbereich optisch geprüft, um organische Stoffe zu identifizieren. Die dort etablierten Verfahren zeigen sehr diffe-renzierte Ergebnisse, sind jedoch auch zeitaufwendig und daher für eine Qualitätsprüfung in der Produktion

meist nicht geeignet. Im nahen Infrarot unterscheiden sich Merkmale oft nicht so differenziert wie im mittleren Infra-rot, jedoch bietet dieser Wellenlängen-bereich oft die Chance, Merkmale un-terschiedlicher Arten für eine Selektion oder Beurteilung zu nutzen. Die zur Verfügung stehende Technik ist meist teurer als die für sichtbare Wellenlängen, aber hinreichend schnell für Prüfungen in Echt-Zeit und zeigt im Ergebnis oft verblüffend differenzierende Merkmale. Die Ergebnisse der Beurteilung können also direkt im jeweiligen Prozess, zum Beispiel bei der Sortierung, verwendet werden.

hyPErSPEKTraL

Das IOSB verfügt über eine multispekt-rale Werkbank mit der es möglich ist im gesamten Wellenlängenbereich vom Ultravioletten (UV) über das Sichtbare (VIS) bis hin zum Nahinfrarot (NIR), Objekte genau zu untersuchen. Sie besteht aus drei verschiedenen, aber ähnlich aufgebauten Systemen, soge-nannten hyperspektralen Bildaufnahme-systemen, für den UV-, den VIS- und den NIR-Wellenlängenbereich. Konkret steht von 240 nm bis 2500 nm Analyse-technik für Voruntersuchungen zur Ver-fügung. Für unterschiedliche Lebens-mittel und deren kritische Fremdobjekte wird am IOSB eine spektrale Datenbank aufgebaut.

Abb. 1: Aufnahme im sichtbaren Wellenbereich. Abb 2: Aufnahme im nahinfraroten Bereich.

Literatur: [1] Michelsburg, M., Gruna, R., Vieth, K.-U. und Puente León, F., 2011: Spektrale Bandselektion für das Filterdesign optischer Inspektionssysteme. tm - Technisches Messen: Vol. 78, No. 9, pp. 384-390.[2] Le, T.-T., 2011: Evaluation verschiedener Distanz maße zur Merkmalsselektion aus hyperspektralen NIR-Daten; Diplomarbeit, Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Industrielle Informations-technik.

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in geringem Umfang Sensoren in der Anlage verbaut. Die Schwingungsaus-wertung ist hierbei auf die jeweiligen Eigenschaften und die vorgegebene räumliche Anordnung der Sensoren beschränkt.

In diesem Zusammenhang interessieren berührungslose, insbesondere laserba-sierte Messverfahren, die ohne das An-bringen von Sensorik an der Anlage Schwingungen auch aus größerer Ent-fernung erfassen können. Damit wird der flexible Einsatz des Lasermesssys-tems für unterschiedliche Anlagen im Onshore- und Offshore-Bereich möglich. LaSErmESSSySTEm

Am Fraunhofer IOSB wurde ein Laser- messsystem entwickelt, mit dem Schwingungen aus einer Entfernung von bis zu 3 km erfasst werden können. Da die Wellenlänge des Lasers (1550 nm) im augensicheren Wellenlängenbe-reich liegt, können ohne eine Gefähr-dung der Augen höhere Laserleistun-gen verwendet werden.

Konstruktionsbedingt verfügen Winden- ergieanlagen über hochgradig schwin-gungsfähige Komponenten, wie etwa den Turm, die Rotorblätter oder Teile des Triebstrangs.

Die hohe Schwingungsbelastung ist hier-bei direkte Ursache für Schäden, die zum Ausfall der Anlage führen können. Die Erfassung und Bewertung von Schwingungen sind somit unverzicht-bare Grundlage der Betriebszustands-überwachung und der Diagnose.

»Condition Monitoring«-Systeme, ba-sierend auf in der Gondel angebrachter Sensorik, sind derzeit integrierter Be-standteil moderner Windenergieanlagen. Mit diesen Systemen wird standard-mäßig das Schwingungsverhalten des Triebstrangs überwacht. Auch werden zunehmend Systeme eingesetzt, die mittels fest installierter Sensoren am Turm oder in den Rotorblättern das Schwingungsverhalten dieser ausge-dehnten Anlagenkomponenten im Be-trieb erfassen. Aus Aufwandsgründen werden bei diesen Systemen jedoch nur

lasergestützte schwIngungs

Dr.-Ing. martin ruckhäberle

Interaktive analyse und Diagnose IaDFraunhofer IOSB Karlsruhe



Dipl.-Phys. Peter Lutzmann

Optronik OPTFraunhofer IOSB Ettlingen




BEWEgUng In DEr BEWEgUng

Derzeit in der Entwicklung (1) ist eine leistungsfähige, kamerabasierte Tracking- Komponente, mit der der Laserstrahl sich bewegenden Anlagenkomponenten nachgeführt werden kann. Damit sind Messungen bei laufender Anlage bei-spielsweise am drehenden Rotorblatt möglich. Die Bewegungsnachführung ist insbesondere für Offshore-Anwendungen von zentraler Bedeutung, da hier grund-sätzlich Relativbewegungen zwischen dem auf einer beweglichen Plattform befindlichen Messsystem und der Anlage auftreten, die bei der Messung kom-pensiert werden müssen.

Des Weiteren wird das Lasermesssys-tem hinsichtlich Mehrkanalabtastung weiterentwickelt, die eine synchrone Erfassung mehrerer Messpunkte an der Anlage erlaubt. Dieses ermöglicht eine noch detailliertere Schwingungsanalyse mit Identifikation von Schwingungs- modi und der Quantifizierung der Schwingungsausbreitung.

anWEnDUngEn

Durch die flexible Wahl von Anzahl und Ort der vom Laser abgetasteten Mess-punkte können Schwingungen der jeweiligen Anlagenkomponente groß-flächig erfasst und quantifiziert werden. Hinsichtlich des zu betrachtenden Fre-quenzbereichs gibt es prinzipiell keine Einschränkungen. Sowohl niederfre-quente Strukturschwingungen als auch akustische Schwingungen können erfasst werden. Damit lässt sich das Schwingungsverhalten kompletter Anlagenkomponenten im Betrieb ana-lysieren und beispielsweise hinsichtlich Materialbelastung bewerten.

VIELSEITIgKEIT

Das Lasermesssystem kann damit zur Erfassung von Schwingungen der Anlage im laufenden Betrieb für unter-schiedliche Aufgabenstellungen einge-setzt werden: - Validierung von für die Konstruktion von Rotorblättern und Turm verwen-deten Simulationsmodellen.

- Bestimmung des Schwingungsver-haltens von Rotorblättern hinsicht-lich deren strukturelle und aerodyna-mische Optimierung.

- Erfassung von Turmschwingungen zur Bewertung des strukturellen Zustands.

- Erfassung akustischer Schwingungen der für die Schallemission maßgeb-licher Anlagenkomponenten (Gondel, Rotorblattspitze) zur Identifikation und Quantifikation dominanter Schall-quellen sowie für die Bewertung der Gesamtschallemission der Anlage.

analyse an wIndenergIeanlagen

(1) Gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages.

Das Lasermesssystem des IOSB.

»Schwingungskarte« mit farblicher Kodierung der Schwingungsamplituden.

Infrarotbild mit sichtbarem Laser-Spot.

Literatur.[1] Lutzmann, P.; Göhler, B.; van Putten, F.; Hill, C.A.: Laser vibration sensing: Overview and application, Conference »Electro-Optical Remote Sensing, Photonic Technologies, and Applications« 5, 2011, Prague, SPIE, 2011.

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TDr.-Ing. Eckart michaelsen

Objekterkennung OBJ Fraunhofer IOSB Ettlingen



VErFügBarE FahrzEUgE

Am Anwendungszentrum System- technik AST in Ilmenau beschäftigt sich die Arbeitsgruppe Oberflächenwasser / Maritime Systeme mit Konzeption, Bau und Steuerung von Unterwasserfahr-zeugen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung von Algorithmen zur Führung der Fahrzeuge während der autonomen Inspektion. Ein selbst entwickeltes Führungssystem steuert die vier unterschiedlichen Fahrzeuge, die für praktische Erprobungen und Einsätze zur Verfügung stehen.Der 1,30 m lange und 41 kg schwere Seebär dient vornehmlich der visuellen Inspektion von Talsperren sowie dem Auffinden und Begutachten von Objekten in einem Seegebiet. Dabei agiert das Fahrzeug ferngesteuert über ein Glasfaserkabel, kann aber trotzdem größere Strecken bis 1 Kilometer leicht bewältigen.Sein großer, autonom agierender Bruder, der CWolf, kann mit über 2 m Länge und 120 kg Gewicht ein Mehrfaches an Nutz- last mit sich führen und über akustische Kommunikation mit neuen Aufgaben versorgt werden. Durch sein flexibles Nutzlastkonzept sind unterschiedliche Sensoren integrierbar, so unter anderem optische Kameras, Sonare oder Wasser-qualitätssensoren. Weitere Sensoren sind in der Entwicklung.

WarUm InSPEKTIOn UnTEr WaSSEr?

Mit der intensivierten Nutzung erneuer-barer Energien wächst das Interesse an den energetischen Ressourcen der Meere. Planung und Bau von derzeit genehmig-ten 26 Windparks in Nord- und Ostsee mit über 1900 Windkraftanlagen und die Verlegung hunderter Kilometer See-kabel stellen Behörden und Betreiber vor bisher ungelöste Probleme hinsichtlich Inspektion und Wartung. Die geforderte jährliche Überprüfung der Fundamente und Kabel auf Schäden kann durch Taucher oder ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge nicht mit vertret-barem Aufwand durchgeführt werden. Hier sind autonome Systeme gefragt, die – einmal mit der Mission versorgt und im zu überprüfenden Windpark ausgesetzt – selbständig ihre Arbeiten erledigen.

Offshore-Windkraftanlagen sind nur ein Aspekt autonomer Unterwasser- inspektion. Daneben warten auch tausende Kilometer von Öl- und Gas-pipelines, Seekabel zwischen den Kon-tinenten, sowie Spundwände in Häfen und Binnenwasserstraßen auf Wartung. Auch der kommende Unterwasser- bergbau benötigt autark operierende Systeme zur Überwachung und Inspek-tion der Infrastrukturen.

unterwasserInspektIon – Vor

Dipl.-Ing. marco Jacobi

abteilung Wasser und mobile Systeme WmSFraunhofer aST Ilmenau


www.iosb.fraunhofer.de/aST

AUV TIETeK kann bis 6000 m tief tauchen. Motorentest bei dem AUV CWolf.


stoss In das letzte »neuland«

Das Fahrzeug ExAUV (Experimental Autonomous Underwater Vehicle) wurde innerhalb der Arbeitsgruppe entwickelt, um ein leicht manövrierbares und einfach für verschiedenste Sensorkonfiguration umrüstbares Fahrzeug zur Verfügung zu haben. Mit diesem System werden stets die ersten Erprobungen neuer Algorith-men und Sensoren durchgeführt.

Für Arbeiten in der Tiefsee wird derzeit das AUV TIETeK von mehreren Instituten entwickelt, welches Explorations- und Inspektionsaufgaben in bis zu 6000 m Wassertiefe ausführen kann.

FahrzEUgFührUng

Die Steuerung der am Institut vorhan-denen Fahrzeuge erfolgt über das in der Arbeitsgruppe selbst entwickelte Soft-waresystem ConSys. Damit ist es mög-lich, verschiedenste Fahrzeugführungs- und Navigationsalgorithmen auf den einzelnen Fahrzeugen einzusetzen und in Simulationen zu testen, ohne diese neu implementieren zu müssen. Des Weiteren können auf den Fahrzeugen vorhandene sowie neue Sensoren und Sensorsysteme einfach und transparent eingebunden und deren Daten verar-beitet werden. Alle Algorithmen sind mit diesem System unmittelbar auf allen

Fahrzeugen verfügbar, ob im instituts- eigenen Testbecken auf dem ExAUV, im Flachwasser auf dem AUV CWolf oder in der Tiefsee auf dem AUV TIETeK.

BILDVErBESSErUng

Die Inspektion von unter Wasser liegen-der Infrastruktur erfordert ausgefeilte und angepasste bildgebende Sensoren. Heutige bildgebende Verfahren für Un-terwasser-Zwecke basieren zum größten Teil auf akustischen Sensoren, da diese vorteilhafte Eigenschaften unter Wasser besitzen (z. B. eine relativ große Reich- weite). Das Potenzial, das in visuell- optischen Signalen vorhanden ist, wie z. B. Texturen und Oberflächenreflek-tanzen, kann aufgrund der schlechten Sichtverhältnisse, die unter Wasser herrschen, noch nicht genutzt werden. Am IOSB werden im Rahmen des Projektes »Underwater Vision« neue Verfahren der variablen Bildgewinnung und -verarbeitung erforscht und um-gesetzt, um die Bildqualität und die Sichtweiten unter Wasser zu erhöhen. Damit wird die visuell-optische Inspek- tion von Unterwasser-Infrastruktur auch in trüben Gewässern ermöglicht.

BILDTEPPIch-gEnErIE-rUng

In der modernen Bildverarbeitung gibt es Methoden, mit denen aus vielen über- lappenden Einzelbildern oder Videos Bildteppiche zusammengesetzt werden können. Das hat für die Unterwasserin-spektion hohes Anwendungspotenzial,

da so aus Bildserien, die aus nächster Nähe im Vorbeifahren gewonnen wur-den, große Übersichten erzeugt wer-den können. Diese Übersichtskarten dienen der Inspektion, Dokumentation, Archivierung und dem Erkennen von Veränderungen gegenüber älteren Übersichten. Die Methoden müssen an die Kameras (Weitwinkel mit starken Linsenverzeichnungen), die zu erwar-tende Bildqualität (starke Trübungen), die mitgeführte Beleuchtung, die extremen Bildteppichgrößen (mehrere Größenordnungen größer als das Ein-zelbild) und die Sensortrajektorie ent-lang der Struktur angepasst werden. Verfahren dazu werden ebenfalls im Projekt »Underwater Vision« entwi-ckelt und erprobt.

Bildaufnahme im Rohzustand.

Automatisch restaurierte Bildaufnahme.

Das Testbecken in Ilmenau mit ExAUV.

KarlsruheFraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSBFraunhoferstraße 176131 KarlsruheTelefon +49 721 6091-0Fax +49 721 [email protected]

Ettlingen Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSBGutleuthausstr. 176275 EttlingenTelefon +49 7243 992-130Fax +49 7243 992-299www.iosb.fraunhofer.de

IlmenauFraunhofer-AnwendungszentrumSystemtechnik ASTAm Vogelherd 5098693 IlmenauTelefon +49 3677 4610Fax +49 3677 [email protected]

Lemgo Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation INALangenbruch 6 32657 LemgoTelefon +49 5261 702-572Fax +49 5261 702-5969juergen.jasperneite@iosb-ina.fraunhofer.dewww.iosb-ina.fraunhofer.de

Beijing Representative for Production and Information Technologies Unit 0610, Landmark Tower II 8 North Dongsanhuan Road Chaoyang District 100004 Beijing, PR China Telefon +86 10 6590 0621 Fax +86 10 6590 0619 [email protected]

visIT_Oberflaechenpruefung.pdf

[Oberflächenprüfung ]

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ISSN 1616-8240

vis IT

Essay: Automatische Serienprüfung

CCT Sensor

Deflektometrie

Texturanalyse

Ellipsometrie

Materialeigenschaften von Oberflächen

Reflexionsmessung mit der BRDF-Anlage

INHALT

vis IT Oberflächenprüfung

2

Essay

Automatische Serienprüfung von dekorativen oder funktionellen Oberflächen – ein Weg zu mehr Produktqualität und ProduktionseffizienzRolf Beck

ThemenCCT Sensor – schnelle 3D-Messung in der Produktionsstraße Miro Taphanel

Deflektometrie zur Inspektion spiegelnd reflektierender OberflächenStefan Werling

TexturanalyseMarkus Vogelbacher

EllipsometrieSehr dünne Schichten präzise vermessenChristian Negara

Das Licht macht sie unverwechselbar:Optische Informationen aus OberflächenHenning Schulte, Robin Gruna

Reflexionsmessung mit der BRDF-AnlageAlexander Schwarz, Martina Richter

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HerausgeberProf. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer

RedaktionSibylle Wirth

Layout und graphische BearbeitungEllen Simon

DruckE&B engelhardt und bauerKarlsruhe

Anschrift der Redaktion

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Fraunhoferstr. 176131 KarlsruheTelefon +49 721 6091-300Fax +49 721 [email protected]

© Fraunhofer IOSB Karlsruhe 2014

ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaftzur Förderung der angewandten Forschung e. V. München

15. JahrgangISSN 1616-8240

Bildquellen:

Deckblatt, Personen Fotos Manfred Zentsch,indigo Werbefotografie

Bilder Seite 4 + 5 Carl Zeiss OIM GmbH

Bilder Seite 14Rainer Sturm_pixelio

Alle anderen Abbildungen: © Fraunhofer IOSB

Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit vollständiger Quellenangabe und nach Rücksprache mit der Redaktion.

Belegexemplare werden erbeten.

Impressum

vis IT 3 Oberflächenprüfung

Liebe Freunde des IOSB,

»Der Kunde ist König« – und für den Kunden rücken Design- und Ästhetikaspekte der von ihm erworbenen Produkte immer mehr in den Vordergrund. Ein Beispiel hierfür ist die Automobilindustrie, in der das ästhetische Erscheinungsbild eines Automobils immer sensibler wahrgenommen wird. Daher ist es notwendig, die Oberflächenqualität kontinuierlich im Produktionsprozess über die verschiedenen Prozessschritte hinweg zu prüfen. Dies gilt auch für viele anderen Branchen, bei-spielsweise bei der Herstellung von »weißer Ware« oder Unterhaltungselektronik.

Der Gastbeitrag der Firma Zeiss OIM in diesem visIT verdeutlicht eindringlich die Notwendigkeit zur Oberflächenprüfung aus Sicht der Industrie. Die in den hierauf folgenden Beiträgen beschriebenen Lösungsansätze des Geschäftsfeldes »Inspektion und Sichtprüfung« behandeln Antworten auf die von Zeiss OIM formulierten Fragestellungen.

Der erste Beitrag stellt einen vom Fraunhofer IOSB völlig neu konzipierten und umgesetzten 3D-Sensor vor, der auf dem konfokalen Messprinzip beruht und Oberflächen zugleich schnell und genau vermessen kann.

Der zweite Beitrag beschäftigt sich mit der automatischen Prüfung spiegelnder Oberflächen mittels Deflektometrie – ein Problem, an dem sich die Experten der Sichtprüfung bisher die Zähne ausgebissen haben.

Ein wesentlicher Aspekt für die Wahrnehmung einer Oberfläche durch den Menschen ist die Textur. Der Beitrag stellt neueste Forschungsergebnisse in diesem Bereich vor.

Viele Oberflächen werden beschichtet, um die gewünschten Oberflächeneigen-schaften zu erhalten. In diesem Kontext werden neue Ansätze zur Beschichtungs-prüfung mittels Echtzeit-Ellipsometrie an gekrümmten Oberflächen vorgestellt.

Zwei kürzere Beiträge beschäftigen sich mit der Gewinnung der Material- und Reflektanzeigenschaften von Oberflächen und schließen somit die letzten Lücken im Prüfprozess.

Wir wünschen Ihnen eine spannende Lektüre und sind gerne bereit, auf Ihre Fragen zur Oberflächeninspektion die passenden Prüfsysteme zu konzipieren. Und falls Sie es wünschen, realisieren wir dieses auch für Sie.

Karlsruhe, im April 2014

Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer

Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer

Editorial

Essay

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AUTOMATISCHE SERIENPRÜFUNG VON DEKORATIVEN ODER FUNKTIONELLEN OBER-FLÄCHEN – EIN WEG ZU HÖHERER PRODUKTQUALITÄT UND PRODUKTIONSEFFIZIENZ

Das Qualitätsniveau von Oberflächen wird

zunehmend zu einem entscheidenden Wett-

bewerbsfaktor sowohl bei funktionellen als

auch bei dekorativen Oberflächen. Während

bei funktionellen Oberflächen Megatrends

wie Energie-Effizienz und Zuverlässigkeit die

Treiber für immer höhere Anforderungen an

Oberflächen-Mikrostrukturen sind, ist das

perfekte Erscheinungsbild von dekorativen

Oberflächen ein wesentlicher Faktor für die

Preisbereitschaft von Endkunden insbeson-

dere bei hochwertigen und hochpreisigen

Produkten. Gleichzeitig besteht ein perma-

nenter Druck auf die Herstellkosten im

scharfen internationalen Wettbewerb.

WaS IST DIe FOlge DavOn?

Produktionslinien werden – wie bei Maß-

und Formanforderungen längst üblich –

immer näher an der Grenze des »blind

Beherrschbaren« betrieben und die Liefer-

qualität wird durch eine 100 Prozent Serien-

prüfung der gefertigten Teile sichergestellt.

Prozesse mit mehreren Prozent N.i.O.-Anteil

vor der Serienprüfung gelten dabei noch als

»kontrolliert beherrscht« und »wirtschaft-

lich sinnvoll«.

Die Serienprüfung wird heute überwiegend

visuell als Sichtprüfung durchgeführt, mit

allen mit dem Faktor Mensch verbundenen

Vor- aber auch Nachteilen. Auf der Vorteils-

seite stehen vor allem Flexibilität, Umgang

mit Unbekanntem und (bei akzeptabler

Bauteilgröße) ein höchst variables Bauteile-

handling vom Griff in die Kiste bis zu kom-

plexer Ablage in Form-Verpackungen. Die

Nachteile wie hohe Verfügbarkeitskosten,

schlechte Objektivität, schwierig zu gewähr-

leistende »Prüfmittelfähigkeit« und aufwän-

diges und deshalb meist geringes Prüfergeb-

nis-Feedback zur systematischen Vorpro-

zess-Verbesserung werden jedoch immer

bedeutender. Gleichzeitig sind in den letzten

Jahren die Möglichkeiten durch Kamera-

und Rechnertechnik und damit Hand in

Hand auch von Bildauswertungs-Software

immens gestiegen. Immer mehr Produk-

tions- und Qualitätsverantwortliche prüfen

daher die Automatisierbarkeit ihrer Sicht-

Dipl.-Ing. Rolf Beckgeschäftsführer

Carl Zeiss OIM gmbH Daimlerstrasse 19 73117 WangenTelefon +49 7161 5653 -00 [email protected]

www.zeiss.de/oim


AUTOMATISCHE SERIENPRÜFUNG VON DEKORATIVEN ODER FUNKTIONELLEN OBER-FLÄCHEN – EIN WEG ZU HÖHERER PRODUKTQUALITÄT UND PRODUKTIONSEFFIZIENZ

prüfaufgaben. Damit wiederholt sich bei

der Oberflächenprüfung konsequent, was

bei Maß-, Form- und Lageprüfung schon

vor Jahren geschah und heute längst zum

Standard geworden ist: Produktionsverant-

wortliche streben nach einer in ihren Wirk-

zusammenhängen verstandenen, transpa-

renten Produktionskette mit integriertem

Qualitätsmanagementsystem.

WO STeCken DIe RISIken unD SCHWIeRIgkeITen?

Während bei den Maß- und Formprüfungen

internationale Standards zur Definition der

Prüfungen »selbstverständlich« vorhanden

sind, mangelt es bei der Definition von

Oberflächenqualität an solchen allgemein

anerkannten und verbindlichen Standards.

Die Folge davon ist, dass die Ermittlung der

Prüfspezifikation wesentlich aufwändiger,

aber auch wesentlich erfolgsentscheidender

ist und zudem in der Regel projektspezifisch

erledigt werden muss. Die Konzeption des

Prüfprozesses geschieht heute üblicherweise

ebenfalls projektspezifisch, entweder als

Einzellösung oder als Duplikat einer weit-

gehend identischen Aufgabenstellung.

Die Matrix zeigt typische Oberflächenfehler im Graubild, Glanzbild und Neigungsbild sowie das zugehörige Auswerteergebnis. Eine Scheuerstelle, die im Graubild nicht sichtbar ist, tritt im Glanz-bild deutlich hervor. Für die Bewertung einer Beule oder einer Schlagstelle ist das Neigungsbild am besten geeignet.Alle Bildkanäle können parallel in die Bildverar-beitung eingebunden werden. Dazu nutzt ZEISS eine eigens entwickelte Software, welche die Möglichkeiten der Multikanalbilder voll aus-schöpft.

WelCHe anSäTZe veRFOlgT DIe FIRMa ZeISS?

Vor der Entscheidung von ZEISS, automati-

sche Prüfsysteme für die Serienprüfung an-

zubieten, wurde innerhalb eines Forschungs-

vorhabens detailliert untersucht, wie Sicht-

prüfer zu ihrer Urteilsfindung kommen.

Jeder, der selbst einmal eine Oberfläche

durch »Sichtprüfung« beurteilt hat wird

bestätigen, dass »Drehen und Wenden« von

Teil oder Kopf und die Nutzung verschiede-

ner Hintergrundbeleuchtungen intuitiv ein-

gesetzt werden, um neben Farbeindrücken

vor allem auch Glanz oder Mikrotopologien

zu bewerten.

Während einfache Bildverarbeitungssysteme

üblicherweise eine feste Kamerablickrich-

tung und eine fixe Beleuchtungsverteilung

aufweisen, und somit dieses »Drehen und

Wenden« nicht abbilden können, hat sich

ZEISS für das aufwändigere Verfahren der

phasenschiebenden Deflektometrie mit

möglichst großer Beleuchtungs-Umschlie-

ßung entschieden. Damit ist diese Lösung

bereits bzgl. der Bildaufnahme sehr viel

näher am Vorbild Mensch und kann in einer

Messung sowohl Farbe als auch Glanz und

lokale Topologien für jeden einzelnen Bild-

punkt erfassen. Die eigentliche Bildverar-

beitung wird dabei durch eine geschlossene

Prüfprozess-Entwicklungs-Kette ergänzt.

Statt wie verbreitet üblich Parameter nur

anhand einzelner Bilder anzupassen,

beinhaltet der Ablauf die Optimierung an

statistisch relevanten Mengen von Teilen.

auSblICk

Mit dem Ansatz, die für den Sichtprüfpro-

zess relevanten und physikalisch nachvoll-

ziehbaren Informationen als Eingangsgröße

für die Bildverarbeitung zu gewinnen, ist

der erste Schritt getan, um Qualitätsdefini-

tionen von Oberflächen standardisieren zu

können. Unabhängig von Prüfanordnung

und Teilegeometrie erschließt dieser Ansatz

neue Möglichkeiten, die Abhängigkeit von

heutigen Einzelprojektlösungen Stück für

Stück zu verlassen und zu einer ähnlichen

Einsatzflexibilität zu gelangen, wie sie heute

im Bereich der Maß- und Formprüfung

bereits üblich ist.

kratzer Scheuerstelle

Foto

graubild

glanzbild

neigungsbild

Ergebnis

Themen

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Die Qualitätskontrolle auf Basis von 3D-Daten ist in den Laboren des produ-zierenden Gewerbes weit verbreitet. Hingegen ist die 3D-Messung direkt in der Produktionsstraße, als Umsetzung einer 100 Prozent Qualitätskontrolle, selten. Ein Großteil der verfügbaren optischen Sensoren kann bei den heu-tigen hohen Produktionsgeschwindig-keiten nicht schritthalten. Für diese Anforderungen wurde am Fraunhofer IOSB das Messprinzip des chromatisch konfokalen Triangulationssensors entwickelt. Wesentliche Eigenschaften sind eine hohe Messgeschwindigkeit bei gleich-zeitiger geringer Messunsicherheit und eine vielseitige Anwendbarkeit auf sowohl spiegelnden als auch matten Oberflächen. Anwendungen die beson-ders profitieren können sind z. B. groß-flächige Prüfaufgaben an Karosserie-bauteilen oder die inline Prüfung von metallischen Dichtflächen auf Maßhal-tigkeit, Rauigkeit und Defekte im ein-stelligen µm-Bereich (CCT Sensor: chro-matic confocal triangulation sensor).

WIe SCHnell IST SCHnell genug?

Vier wesentliche Faktoren bestimmen in einer optischen 3D-Prüfaufgabe die Pixeldatenrate:

1. Zeit pro Prüfaufgabe 2. Zu prüfende Oberfläche 3. Örtliche Auflösung zur Erfüllung der

Messmittelfähigkeit 4. Effektivität des 3D-Messprinzips (Ver-

hältnis Pixel zu 3D-Messungspunkte).

Das Problem der hohen Datenrate resul-tiert aus einer multiplikativen Verknüp-fung dieser Faktoren, wobei unglück-licherweise die flächigen Größen wie Prüfoberfläche und örtliche Auflösung quadratisch eingehen. Lautet die Anforderung z. B. doppelt so schnell und doppelte örtliche Auflösung, dann resultiert eine achtfach erhöhte Daten-rate. Von diesem Standpunkt aus betrachtet, wird es immer zu langsame Sensoren geben. Die Auflistung zeigt aber auch die wesentlichen Stellschrau-ben, um schnellste 3D-Messtechnik zu ermöglichen.

CCT SENSOR – SCHNELLE 3D-MES SUNG IN DER PRODUKTIONSSTRASSE

Dipl.-Ing. Miro Taphanel

Sichtprüfsysteme (SPR)Fraunhofer IOSb karlsruhe


www.iosb.fraunhofer.de/SPR


Literatur: [1] Taphanel, M.; Hovestreydt, B.; Beyerer, J.: »Speed-up chromatic sensors by optimized opti-cal fi lters«, Proc. SPIE Vol 8788. pp. 87880S-87880S-10 (2013)[2] Taphanel, M.; Beyerer, J.: »Fast 3D in-line sensor for specular and diffuse surfaces combi-ning the chromatic confocal and triangulation principle«, Instrumentation and Measurement Technology Conference, pp. 1072 -1077 (2012)

Zum einen müssen höchste Pixelraten in Echtzeit gehandhabt werden können, zum anderen gilt es, die Anzahl notwen-diger Pixelmessungen pro 3D-Messwert gering zu halten.

aM geSCHWInDIgkeITSlIMIT MeSSen

Der CCT Sensor kodiert unterschiedliche Prüfhöhen mittels unterschiedlicher Wellenlängen. Auf dem Messobjekt erscheint dadurch ein charakteristisches Regenbogenmuster. Die Sensoroptik hat die Eigenschaft, dass nur Licht der Wellenlänge auf den Kamerasensor trifft, die auch auf der Oberfläche fokus-siert ist. Dadurch wird die Messung der Höhe durch eine Messung der Wellen-länge umgesetzt. Typischerweise wird hierzu ein Spektrometer eingesetzt. Dieses Vorgehen hat jedoch eine stark reduzierte Effektivität des Sensorprin-zips zur Folge. Um z. B. an einer örtlichen Position die Höhe zu bestimmen, müss-ten bei der Verwendung eines Spektro-meters ungefähr 1000 Pixel ausgelesen werden. Um das einhergehende hohe Datenaufkommen zu vermeiden, wird beim CCT Sensor auf ein Spektrometer verzichtet und eine multispektrale

Kamera mit sechs Kanälen eingesetzt. Durch eine Optimierung der spektralen Empfindlichkeit der einzelnen Kanäle kann eine geringe Messunsicherheit, bei gleichzeitig geringem Datenaufkommen, realisiert werden. Für eine technische Realisierung kann zudem auf Zeilenka-meras zurückgegriffen werden, welche nach aktuellem Stand der Technik bis zu 100.000 Zeilenbilder pro Sekunde liefern. Nach dem Prinzip des CCT Sensors können somit schnellste 3D- Sensoren aufgebaut werden.

In DeR PRaxIS

Bei dem CCT Sensor handelt es sich um einen zeilenscannenden 3D-Sensor mit z. B. 1000-2000 benachbarten Mess-punkten. Eine spiegelsymmetrische kon-fokale Optik ermöglicht, dass sowohl glänzende als auch matte Oberflächen vermessen werden können. Ein wichti-ger Gesichtspunkt für Messungen bei hohen Geschwindigkeiten ist, dass das zur Verfügung stehende Licht bestmög-lich genutzt wird. Durch die spiegelsym-metrische Anordnung der Beleuchtungs- und Abbildungsoptik wird die Reflekti-onsbedingung erfüllt und maximal viel Licht eingesammelt.

Typische technische Daten einer bei-spielhaften Konfiguration lauten:

- 10 mm Zeilenbreite- 2,5 mm vertikaler Messbereich- Messunsicherheit im Nano-/Mikro-

meter Bereich- 2.000 Messpunkte pro Zeile- 50.000 Zeilen pro Sekunde

Durch ein verändertes Optikdesign können diese technischen Eigenschaften an die jeweiligen Anforderungen ange-passt werden. Das CCT Sensorprinzip hat das Potenzial, die Vorteile der optischen 3D-Messung direkt in der Produktionsstraße umzusetzen. Beson-ders Prozesse, für die heutige Messtech-nik zu langsam ist, werden zukünftig profitieren können.

CCT SENSOR – SCHNELLE 3D-MES SUNG IN DER PRODUKTIONSSTRASSE

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Dr.-Ing. Stefan Werling

Mess-, Regelungs- und Diagnosesysteme (MRD)Fraunhofer IOSb karlsruhe


www.iosb.fraunhofer.de/?deflektometrie

Für die Inspektion von spiegelnden und teilspiegelnden Oberflächen stellt das Prinzip der Deflektometrie das geeig-nete Werkzeug dar. Dabei wird die spie-gelnde Reflexion der Umgebung (eines Schirms) in der zu prüfenden Ober-fläche aufgenommen und ausgewertet.

Deflektometrische Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass prinzipiell eine extrem hohe Höhenauflösung von unter 1 µm möglich ist, wobei für die Bilderfassung nur Standard-Komponen-ten wie z. B. ein Monitor und eine Industrie-Kamera erforderlich sind. Ein weiterer Vorteil der Deflektometrie besteht darin, dass ihre Empfindlichkeit ähnlich der menschlichen Wahrneh-mung ist. Anwendungsgebiete liegen in allen Branchen, bei denen (teil-)spiegelnde Oberflächen mit hoher geometrischer oder ästhetischer Qualität gefordert sind, z. B. in der Automobilindustrie oder in der optischen Industrie.

SenSORIk

Eine Herausforderung der Deflektome-trie liegt darin, dass für einen zu inspi-zierenden Oberflächenpunkt zwei Vor-aussetzungen erfüllt sein müssen: Der Punkt muss von der Kamera sichtbar sein, außerdem muss der reflektierte Sichtstrahl den Schirm treffen. Für gro-ße Objekte muss daher eine entspre-chende Sensorik verwendet werden:

• Ein möglicher Ansatz ist es, die Kame-ra mit dem Schirm zu einem Sensor-kopf zu kombinieren, der z. B. von

einem Industrieroboter positioniert wird (Abb. 1 links). Das Prüfobjekt wird aus mehreren Positionen aufge-nommen, bis die gesamte Oberfläche

erfasst ist.• Eine Alternative besteht darin, den

(idealerweise) gesamten Raum als Schirm zu verwenden. Dies kann z. B.

mittels einer CAVE (cave automatic virtual environment, d.h. eines Rau-

mes, bei dem durch Projektionen eine beliebige Umgebung erzeugt werden

kann) geschehen (Abb. 1 rechts).

Abb. 1: Sensorik für die Deflektometrie: Robotergeführter Sensorkopf (links), Deflektometrie-CAVE (rechts).

DEFLEKTOMETRIE ZUR INSPEKTION SPIEGELND REFLEKTIERENDER OBERFLÄCHEN


geOMeTRISCHe MeSSTeCHnIk FüR ObeRFläCHen

Aus deflektometrischen Messdaten lässt sich zusammen mit Zusatzwissen die inspizierte Oberfläche rekonstruieren [1,2]. In den entstehenden Rekonstruk-tionen sind die geometrischen Eigen-schaften der Oberfläche und darauf befindliche Defekte gut zu untersuchen (Abb. 2). Auch kleine Geometrieab-weichungen auf großen Flächen können bewertet werden (Abb.3).

akTuelle FORSCHung

Am IOSB wird momentan an mehreren Fragestellungen zur Deflektometrie gearbeitet:• Planung von Aufnahmekonstellatio-

nen: Die automatische Bestimmung möglichst weniger Sensorpositionen

bei großen Objekten ist eine aufwen-dige Optimierungsaufgabe. Aktuelle

Arbeiten beschäftigen sich mit der Anwendung probabilistischer Pla-nungsverfahren für diese Aufgabe (siehe z. B. [3]).

• Thermische Deflektometrie: Spiegelnde Reflektanz lässt sich auch auf rauen Oberflächen erzeugen, wenn Licht

mit größerer Wellenlänge (z. B. im thermischen Infrarot) verwendet wird. Aktuelle Arbeiten beschäftigen sich

mit der Erzeugung thermischer Muster und der signalangepassten

Auswertung der erfassten Daten (siehe z. B. [4,5]).• Klassifikation von Oberflächende- fekten: Eine in der Praxis wichtige Fragestellung ist die Zuordnung von

detektierten Unregelmäßigkeiten zu Qualitätsklassen. Gerade bei Prüfauf-gaben, bei denen die menschliche Wahrnehmung das Maß der Dinge ist,

ist diese Objektivierung herausfor-dernd. Lösungsmöglichkeiten erge-ben sich etwa mit signalangepassten Wavelet-Filtern (siehe z. B. [6]).

• Alternative Rekonstruktionsverfahren: Als Ergänzung zu bekannten Verfah-

ren der Oberflächenrekonstruktion wird an Verfahren auf der Grundlage

des Ansatzes »Voxel Carving« ge- forscht (siehe z. B. [7]). Ziel ist es, die Voraussetzungen zur deflektometri-schen Rekonstruktion zu reduzieren, so dass z.B. die Bilderfassung auch bei bewegtem Sensorkopf erfolgen kann.

• Kombination mit photometrischem Stereo: Eine weitere Möglichkeit für

wenig spiegelnde Oberflächen be-steht darin, Deflektometrie mit pho-tometrischem Stereo zu kombinieren. Da die beiden Verfahren signaltheore-tisch ähnlich sind, lassen sich photo-

Bild 2: Mittels Oberflächenrekonstruktion detektierte Lack-Pickel.

Bild 3: Mittels Rekonstruktion bestimmte Höhen-abweichungen auf einem großen Karosserieteil (Abmessungen ca. 1x1 m).

Bild 4: Inspektion eines unlackierten Blechs mittels photometrischen Stereos.

metrisch und deflektometrisch gewonnene Daten in ähnlicher Weise

auswerten. Damit sind z. B. auch klei-ne Defekte auf unlackierten Blechen erkennbar (Abb. 4).

DEFLEKTOMETRIE ZUR INSPEKTION SPIEGELND REFLEKTIERENDER OBERFLÄCHEN

Literatur: [1] Werling, S.: Deflektometrie zur automatischen Sichtprüfung und Rekonstruktion spiegelnder Oberflächen. Dissertation, KIT, 2010[2] Werling, S.; Mai, M.; Heizmann, M.; Beyerer, J.: Inspection of Specular and Partially Specular Sur-faces. In: Metrology and Measurement Systems 16 Nr. 3, S. 415-431, Polish Academy of Scien-ces, 2009[3] Roschani, M.; Beyerer, J.: Planungsbasierte Oberflächeninspektion in der Deflektometrie bei gegebener Referenzfläche mittels Greedy-Opti-mierung. In: Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt (Hrsg.), Tagungsband des XXVI. Messtechnischen Symposiums, Shaker, 2012[4] Beyerer, J.; Heizmann, M.; Werling, S.: Konzept zur Erzeugung eines räumlich und/oder zeitlich veränderbaren thermischen Strahlungs-musters. DE 10 2009 053 510 A1, Deutsches Pa-tent- und Markenamt, Anmeldetag: 16.11.2009, Offenlegungstag: 19.05.2011, Veröffentlichungs-tag der Patenterteilung: 03.05.2012[5] Höfer, S.; Werling, S.; Beyerer, J.: Verfahren zur Erzeugung dynamischer Wärmemuster für die Anwendung in der photometrischrotdeflektome-trie. In: Tagungsband des XXVI. Messtechnischen Symposiums, Shaker, 2012[6] Le, T.-T.; Ziebarth, M.; Greiner, T.; Heizmann, M.: Inspection of Specular Surfaces using Optimized M-channel Wavelets. In: Proceedings of the IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, ICASSP 2013[7] Pak, A.: Reconstruction of specular surfaces via probabilistic voxel carving. In: Proceedings of SPIE Volume 8791, Videometrics, Range Imaging, and Applications XII; and Automated Visual Ins-pection, Paper No. 87911B-1, 2013

Themen

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Dipl.-Ing. Markus vogelbacher

Mess-, Regelungs- und Diagnosesysteme (MRD)Fraunhofer IOSB



Texturen begegnen uns überall im täg-lichen Leben. Sei es das Muster eines Teppichs, die Holzmaserung eines Tisches oder die Beschaffenheit unserer Kleidung. Jedes Objekt besitzt eine Tex-tur und damit ist sie neben der Farbe und der Form eine der wichtigsten Objekteigenschaften. Daher wird deut-lich, dass die Beurteilung der Textur auch einen wichtigen Bestandteil der Qualitätsprüfung – z. B. für die indus-trielle Produktion – darstellt.

TexTuR: WaS beDeuTeT DaS?

Obwohl der Begriff Textur umgangs-sprachlich geläufig ist, existiert keine allgemeingültige Definition. Grund-sätzlich kann man diese als zweidimen-sional ausgeprägte Struktur, die eine gewisse deterministische oder statisti-sche Regelmäßigkeit aufweist, bezeich-nen. Je nachdem, wie viel Wissen über die Textur vorliegt, können grundsätz-lich drei Texturtypen unterschieden werden, deren Grenzen fließend inei-nander übergehen. Beim strukturellen Texturtyp (Abb. 1) liegt ein eindeutiges Grundprimitiv und Anordnungsschema vor. Diese unterliegen im Bereich des strukturell-statistischen Texturtyps (Abb. 1) immer mehr stochastischen

Fluktuationen, bis letztendlich im Bereich der statistischen Texturen (Abb. 1) kein Grundprimitiv mehr zu erkennen ist.

auSWeRTeveRFaHRen FüR alle TexTuRTyPen

Je nachdem, welcher Texturtyp vorliegt, lassen sich unterschiedliche Auswerte-verfahren sinnvoll anwenden. Am Fraunhofer IOSB existiert dazu ein Grundmethodensatz und das Wissen, welche Verfahren für die einzelnen Tex-turtypen geeignet sind. Die Aufgaben-stellungen können in diesem Zusammen-hang sehr unterschiedlich sein: Sowohl die Klassifikation, d. h. das Zuordnen eines Objektes anhand seiner Textur, die Segmentierung, d. h. das Zerlegen eines Bildes in Teilbereiche anhand der Textur, als auch die Detektion von Defekten, d. h. das Erkennen von signi-fikanten Abweichungen der Regel-mäßigkeit der Textur, können relevant für eine Inspektion sein. Dem Anwen-dungsgebiet der Texturanalyse sind dabei keine Grenzen gesetzt. Sei es bei der Lackprüfung, der Beurteilung von Textilien oder Dekorflächen und vielem mehr, die Textur spielt in den meisten Fällen eine wichtige Rolle.

Abb. 1: Beispiele für strukturellen (links), strukturell-statistischen (Mitte) und statistischen (rechts) Texturtyp.

TEXTURANALYSE


löSungen auCH FüR SPeZIalFälle

Da die Texturanalyse am Fraunhofer IOSB ein aktuelles Forschungsthema ist, können auch für spezielle Aufgaben-stellungen, für die keine Standardme-thoden verfügbar sind, Lösungen in Form von Methoden und Algorithmen erarbeitet werden. Dies erfolgt entwe-der durch die Anpassung bewährter Standardverfahren oder durch Entwick-lung eigener neuer Methoden. In einer aktuellen Forschungsarbeit wird außer-dem speziell der schwierige Bereich strukturell-statistischer Texturen bear-beitet, mit dem Ziel eine geeignete mathematische Beschreibung zu finden, die sowohl den strukturellen als auch den statistischen Anteil dieses Textur-typs berücksichtigt.

OPTIMIeRTe bIlDauFnaHMe FüR eIn OPTIMaleS eRgebnIS

Vor der Texturanalyse steht immer die Bildaufnahme, die in vielen Fällen die Auswertung deutlich erleichtern kann. Auch in diesem Bereich besteht am Fraunhofer IOSB eine breite Kompetenz-

basis. Im Texturlabor (Abb. 2) können neben unterschiedlichen Beleuchtungen und Beleuchtungsstrategien auch unter-schiedliche Kamerawinkel und -positi-onen untersucht werden. Damit wird es in manchen Fällen möglich, schon durch geschickte Kamera-Beleuchtungs-Konstellationen die spätere Texturana-lyse erheblich zu vereinfachen bzw. sogar relevante Details sichtbar zu machen, die bei normaler Betrachtung nicht auftreten. Zum Beispiel können mit Hilfe unterschiedlicher Beleuch-tungsrichtungen die Fadenrichtungen einer Webstruktur einfach segmentiert werden (Abb. 3) [1]. Letztendlich führt meist die Kombination aus geeigneter Beleuchtungsstrategie und angepassten Auswerteverfahren zum optimalen Ergebnis.

anWenDungSbeISPIel: beuRTeI-lung laCkIeRTeR ObjekTe MIT HIlFe DeR ObeRFläCHenTexTuR

Ein Beispiel für aktuelle Arbeiten ist die Anwendung der Texturanalyse auf deflektometrisch erzeugten Daten zur Beurteilung von lackierten Oberflächen. Die Untersuchung der Welligkeit dieser

Abb. 2: Texturlabor Beispielaufbau.

Abb. 3: Beleuchtungsserie (oben) zur Segmentie-rung der Bestandteile einer Webstruktur (unten).

Abb. 4: Auswertung der Krümmung eines lackierten Bleches mit geringer (oben) und starker (unten) Orangenhaut.

TEXTURANALYSE

Literatur: [1] Vogelbacher, M.; Werling, S. und Ziebarth, M.: Beurteilung textiler Flächenhalbzeuge mittels variabler Beleuchtung. In Forum Bildverarbeitung, Seiten 193–204, 2012.

Oberfläche, der so genannten Orangen-haut, und die Ableitung industrietaug-licher Kenngrößen, die die menschliche Wahrnehmung widerspiegeln sollen, stehen dabei im Fokus der aktuellen Forschung am IOSB (Abb. 4).

Themen

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ELLIPSOMETRIE

Mit zunehmender Miniaturisierung in mechanischen, optischen und elektri-schen Systemen entsteht die Notwen-digkeit präzise Messgeräte zur Steue-rung von Produktionsprozessen sowie zur Qualitätssicherung zur Verfügung zu stellen. Die Ellipsometrie ist ein bewährtes Verfahren zur Vermessung von dünnen Schichten. Aufgrund von Einschränkungen der prüfbaren Ober-flächen sind vorhandene Ellipsometrie-geräte in vielen Anwendungsbereichen jedoch nicht einsetzbar.

anWenDungSbeReICHe DeR DünnSCHICHTTeCHnOlOgIe

Die präzise Vermessung und Charakte-risierung dünner Schichten im Mikro- oder Nanometerbereich ist in vielen Anwendungsbereichen notwendig. Sowohl die Materialidentifikation als auch der Schichtaufbau können dabei von Interesse sein. In der Halbleitertech-nologie wird bei jedem Abscheiden einer neuen Schicht oder beim Materi-alabtrag der Schichtaufbau messtech-nisch überwacht. Bei der Herstellung optischer Filter und Linsen ist bei der

Regelung des Produktionsprozesses eine genaue Vermessung des Schicht-aufbaus notwendig. Dabei wird nicht nur die Objektgeometrie sondern auch die Beschichtung vermessen, die aus dutzenden einzelner Schichten aufge-baut sein kann. Auch bei alltäglichen Gegenständen treten Mikro- oder Nanobeschichtungen auf, wie die Antikondensatlackierung bei Fahrzeug-scheinwerfern oder die Antihaftbe-schichtung im Sanitärbereich.

ellIPSOMeTRIe In DeR anWenDung

Ein Verfahren, das sich besonders in der Halbleitertechnik etabliert hat ist die Ellipsometrie. Bei diesem berührungs-losen und zerstörungsfreien optischen Messverfahren wird durch Reflexion von Licht an einer Probe die Polarisations-änderung des einfallenden und reflek-tierten Strahls gemessen.

Mit diesem modellgetriebenen Mess-verfahren können Schichtdicken von wenigen Millimetern bis hin zu einzelnen Atomlagen detektiert werden.

SEHR DÜNNE SCHICHTEN PRÄZISE VERMESSEN

Sender Empfänger

Probe

n

Dipl.-Inform. Christian negara

Sichtprüfsysteme (SPR)Fraunhofer IOSB




Ähnlich wie bei der Interferometrie werden Phasenbeziehungen zwischen Lichtstrahlen gemessen um eine Auflö-sung zu erreichen, die weit unterhalb der Wellenlänge des Lichts liegt. Beim gewöhnlichen ellipsometrischen Auf-bau werden die Winkel der Lichtquelle und des Sensors bzgl. der Oberflächen-normalen festgelegt, so dass die Reflex-ionsbedingung erfüllt wird. Daher kann mit diesem Aufbau Ellipsometrie nur bei planaren Flächen eingesetzt werden. Erweiterungen zur Vermessung von Oberflächen mit kleinen Neigungsän-derungen [1] sind wiederum für bild-gebende Ellipsometrie ungeeignet [2].

ReTRO-ReFlex ellIPSOMeTRIe

Das patentierte Retroreflex-Prinzip, das in der Abteilung SPR am Fraunhofer IOSB entwickelt wurde, umgeht die genannten Nachteile und erweitert die Einsatzmöglichkeiten der Ellipsometrie in der Sichtprüfung. Ein Laserstrahl mit genau definierter Polarisation trifft dabei nach der Reflexion an der Pro-benoberfläche auf eine Retroreflexfolie. Der reflektierte Lichtstrahl gelangt von dort wieder auf dem gleichen Weg zurück zur Lichtquelle.

In der kombinierten Sende- und Emp-fangseinheit werden der Polarisations-zustand des zurückreflektierten Lichts gemessen und daraus die ellipsome-trischen Kenngrößen bestimmt.

An die Oberflächentopologie ist nur die Einschränkung geknüpft, dass die Retroreflexfolie vom Laserstrahl getrof-fen wird, wodurch Änderungen des Einfallswinkels von bis zu 30° möglich werden. Das Messprinzip kann durch rotierende Spiegel zu einem scannenden Verfahren erweitert werden und im Durchlauf erhält man ein Abbild der ortsaufge-lösten ellipsometrischen Messungen. Folgende Erweiterungen der Retro-Reflex Ellipsometrie werden in diesem Projekt genauer untersucht:

• Durch Anpassung der Kohärenzlänge an die zu bestimmende Schichtdicke soll die Interpretierbarkeit der Daten durch Eliminierung von Störeinflüssen erhöht werden.

• Analog zur Zwei-Wellenlängen- Interferometrie soll durch Verwen-

dung von Lasern mit einer kleinen Wellenlängendifferenz die detektier-

SEHR DÜNNE SCHICHTEN PRÄZISE VERMESSEN

Literatur: [1] Neuschaefer-Rube, U.: Optische Oberflächen-messtechnik für Topographie und Material. Habili-tationsschrift, Universität Gesamthochschule Kassel, 2002, S. 100-101[2] http://www.nanofilm.de/thin-film-characteri-zation-imaging-ellipsometry/nanofilm_ep4

bare Schichtdicke vom Nanometer bis in den Mikrometerbereich erweitert werden.

• Die Einsatzmöglichkeiten einer Weiß-lichtquelle als Erweiterung zur spekt-roskopischen Ellipsometrie sollen

untersucht werden.

• Die Kombination mit anderen Topo-graphiemessverfahren wie der

Deflektometrie soll eine robustere Bestimmung der Modellparameter ermöglichen.

Transceiver

Reflektor

Objekt

Themen

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T Dipl.-Ing. Henning Schulte Sichtprüfsysteme (SPR)Fraunhofer IOSb karlsruhe



Dipl.-Inform. Robin gruna

Sichtprüfsysteme (SPR)Fraunhofer IOSb karlsruhe



DAS LICHT MACHT SIE UNVERWECHSELBAR:

OPTISCHE INFORMATIONEN AUS OBERFLÄCHEN

Im täglichen Leben identifizieren wir Produkte oder beurteilen ihre Eigen-schaften vielfach anhand der visuellen Erscheinung ihrer Oberfläche. Form, Textur und Reflexion sind oft so spezi-fisch, dass eine Klassifizierung aufgrund dieser optischen Merkmale möglich ist. Diese optischen Merkmale werden auch genutzt, um Oberflächenfehler und -defekte zu erkennen, auch wenn diese nur aus wenigen Blickrichtungen sicht-bar sind. Für eine automatisierte Erken-nung werden ihre Eigenschaften durch bildgebende, optische Systeme erfasst und algorithmisch ausgewertet. Weit verbreitet für die Detektion von Fehlern und Defekten sind herkömmliche Grau- oder RGB-Kameras. Zunehmend spielt auch Sensorik, in den für Menschen nicht sichtbaren Licht-Wellenlängen-bereichen wie UV und IR, aber auch im Röntgen und Terahertz (THz) Spektral-bereich eine Rolle.

Bei Äpfeln geben verschrumpelte oder braun gefärbte Oberflächen in der Regel andere Hinweise auf die Qualität der Produkte als beispielsweise bei Pilzen. Die makellose Oberfläche einer Fahr-zeugkarosserie zeichnet sich durch die unverzerrte Spiegelung eines bekannten Musters aus. Eigenschaften werden sichtbar, weil wir abhängig von der betrachteten Farbe / Struktur / Form, unterschiedliche Effekte sehen.

Diese, für jeden Stoff spezifischen, Signaturen können zu seiner Identifi-kation oder zur Bewertung seiner Eigenschaften verwendet werden.

Die Anforderungen und Möglichkeiten der optischen Analytik mittels hyper-spektraler Datenaufnahme (UV bis NIR) in unterschiedlichsten Anwendungen nehmen stetig zu. So kann z. B. bei Fleisch eine Veränderung der spektralen Reflexion im IR, als Folge der frühpost-mortalen metabolen Prozesse im Fleisch, gemessen werden. Für eine sichere zeitliche Indikation benötigt man den Vergleich zu anderen Proben. Im IOSB entwickeln wir, auf Basis der produktspezifischen Reflexionen, eine Daten-Infrastruktur, welche die Voraus-setzungen schafft, hyperspektrale Informationen zu unterschiedlichsten Stoffen für eine dezentrale Nutzung zur Verfügung zu stellen. In der Zukunft können so z. B. dezentral mit mobilen Endgeräten erfasste Daten, zentral ausgewertet und mit Referenzdaten verglichen werden.



OPTISCHE INSPEKTION MIT EINEM

ROBOTERGESTÜTZTEN GONIOREFLEKTOMETER

Bei der optischen Detektion von Defek-ten und Fehlstellen in einem Bild spielen die unterschiedlichen Reflexionseigen-schaften von Oberflächen eine wichtige Rolle obwohl sie oft nicht das eigent-liche Ziel der Untersuchung sind. Hingegen ist das genaue räumliche Reflexionsvermögen das Hauptziel einer Messung, wenn es um die optische Charakterisierung einer Oberfläche, um die Ermittlung der spezifischen optischen Materialeigenschaften oder um die Kenntnis der mikroskopischen Oberflä-chengeometrie (z. B. Rauigkeit) geht. Oberflächen können Licht sehr unter-schiedlich reflektieren, z. B. spiegelnd oder diffus. Die meisten Oberflächen streuen das Licht mehr oder weniger stark um die ideale Reflexionsrichtung in verschiedene Richtungen. Hinzu kommt noch die Abhängigkeit von der Wellenlänge und dem Polarisations-zustand des Lichtes.

Die Bidirektionale Reflektanzvertei-lungsfunktion (BRDF) beschreibt die Reflexionseigenschaften einer Ober-fläche vollständig. Die BRDF gibt für jede Beleuchtungs- und Beobachtungs-richtung das Verhältnis von beobachte-ter Strahldichte zu eingestrahlter Bestrahlungsstärke an.

Am IOSB wurde ein robotergestütztes Gonioreflektometer konzipiert und auf-gebaut, das automatisierte Messungen von Oberflächen mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung ermöglicht. Die Messanlage besteht aus einem Industrieroboter, der kopfüber hängend an einem Gestell angebracht ist und den Detektor trägt, und einem Dreh- und Hubtisch, mit dem die Probe ge-dreht werden kann und an dem die Beleuchtungseinheit auf einem ausfahr-baren Bogenarm befestigt ist.

Der Roboter bewegt den Detektor halb-kugelförmig um die Messprobe herum, sodass alle gewünschten Reflexions-richtungen durchlaufen werden. Der gesamte Messablauf ist softwarege-steuert und parametrisiert, wobei alle Messpositionen berechnet und nach-einander angefahren werden. Je nach Winkelbereich und Winkelauflösung von Einstrahl- und Reflexionsrichtung können sich sehr lange Messzeiten und eine sehr große Zahl von Messpunkten ergeben. Nach Ende der Messung kann die ge-messene BRDF der Oberfläche auf ver-schiedene Weise visualisiert werden; Abb. 2 zeigt die reflektierte Strahlstärke einer Probe.

Abb.: 1 Abb.: 2

Dr. alexander Schwarz

Signatorik (SIg)Fraunhofer IOSB Ettlingen


www.iosb.fraunhofer.de/SIgKO

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Dipl.-Inform. Dipl.-Ing. (BA) Martina Richter

Signatorik (SIG)Fraunhofer IOSB Ettlingen


www.iosb.fraunhofer.de/SIGKO

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KarlsruheFraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSBFraunhoferstraße 176131 KarlsruheTelefon +49 721 6091-0Fax +49 721 [email protected]

Ettlingen Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSBGutleuthausstr. 176275 EttlingenTelefon +49 7243 992-0Fax +49 7243 992-299www.iosb.fraunhofer.de

IlmenauFraunhofer-InstitutsteilAngewandte Systemtechnik ASTAm Vogelherd 5098693 IlmenauTelefon +49 3677 4610Fax +49 3677 [email protected]

Lemgo Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation INALangenbruch 6 32657 LemgoTelefon +49 5261 702 5998Fax +49 5261 702-5969juergen.jasperneite@iosb-ina.fraunhofer.dewww.iosb-ina.fraunhofer.de

Beijing Representative for Production and Information Technologies Unit 0610, Landmark Tower II 8 North Dongsanhuan Road Chaoyang District 100004 Beijing, PR China Telefon +86 10 6590 0621 Fax +86 10 6590 0619 [email protected]

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IOSB · Technology Conference, pp. 1072 -1077 (2012) Zum einen müssen höchste Pixelraten in Echtzeit gehandhabt werden können, zum anderen gilt es, die Anzahl notwen- diger Pixelmessungen