SWIR-3D-Sensor für die optische Prüfung unkooperativer Oberflächen

Die Anwendbarkeit optischer Messverfahren zur geometrischen Prüfung von Oberflächen hängt stark von den Reflexionseigenschaften des zu messenden Materials ab. Für optische 3D-Sensoren sind helle, matt reflektierende Oberflächen ideal. Solche kooperativen Eigenschaften sind an Bauteilen und Baugruppen in der Produktion nicht immer gegeben. Unkooperative Oberflächen sind nur mit geringerer Genauigkeit oder gar nicht optisch messbar bzw. erfordern das Aufbringen einer zusätzlichen matten Schicht vor der Messung.

Der neue, am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik IOF, Jena, entwickelte SWIR-3D-Sensor arbeitet mit einer Wellenlänge von 1.450 nm außerhalb des zumeist verwendeten VIS (400…800 nm) oder NIR-A-Spektrums (z. B. 850 oder 950 nm). In diesem Bereich weisen viele glänzende oder tiefschwarze Materialien, z. B. ölige Metallteile, kooperativere Reflexionseigenschaften auf. Der 3D-Sensor basiert auf dem im VIS-Bereich etablierten Verfahren der Triangulation zweier Stereokameras kombiniert mit einem aktiven Musterprojektor. Da klassische Verfahren der Mustergenerierung (z. B. Digital Light Projection DLP) nicht im SWIR einsetzbar sind, wurde der SWIR-Musterprojektor basierend auf dem GOBO-Projektorprinzip entwickelt. Auch der Einsatz klassischer, siliziumbasierter Kameras ist im SWIR nicht möglich, sodass InGaAs-Sensoren eingesetzt werden.

Die Projektion aperiodischer Sinusmuster erlaubt die Rekonstruktion dichter 3D-Punktwolken anhand von 6 bis 12 Kamerabildern mit einer Auflösung von 320 x 256 Punkten. Die 2D-Bildrate beträgt bis zu 344 Bilder pro Sekunde und ist damit auch für Prüfprozesse geeignet, in denen die Datenerfassung und ‑verarbeitung in Echtzeit erfolgen müssen. Arbeitsabstand und Messfeld sind anwendungsspezifisch konfigurierbar. Bei einem Arbeitsabstand von 1,5 m wird ein Bereich von 300 x 300 x 300 mm³ mit einem Punktabstand von 1,2 mm erfasst. Die 3D-Daten können optional mit den Aufnahmen einer Farbkamera verknüpft werden, um zusätzliche Texturdaten der Prüfobjekte zu erhalten.

Der SWIR-3D-Sensor ermöglicht die schnelle optische Prüfung der Geometrie von Bauteilen und Baugruppen bei bisher unkooperativen Materialklassen. Durch die irritationsfreie und augensichere SWIR-Strahlung ist der Sensor zudem für Situationen geeignet, in denen sich der Mensch im Messraum bewegt.