Neuer 3D-Sensor erfasst transparente Objekte
Forschende am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF haben eine neue Messmethode zur 3D-Formerfassung entwickelt. Mit ihrem „MWIR-3D-Sensor“ können sie Gegenstände dreidimensional scannen – ganz gleich, ob sie aus transparentem Kunststoff oder Glas bestehen. Selbst Objekte mit glänzend metallischen oder tiefschwarzen Oberflächen lassen sich problemlos erfassen. Auch die Kombination verschiedener Werkstoffe ist für den neuen 3D-Infrarot-Sensor kein Problem. Im Bereich der 3D-Sensorik ist dieses Maß an Flexibilität bei der Beschaffenheit der Messobjekte ein Novum. Anwendungen sind u. a. in den Bereichen Qualitätskontrolle in der Produktion und Robotik denkbar.
Wollte man bisher spiegelnde, durchsichtige oder schwarze Oberflächen mit konventionellen 3D-Scannern exakt vermessen, musste man zu diesem Zweck zunächst ihre Oberfläche behandeln. Das bedeutet: Für die Messung wurden die Objekte temporär mit Lack überzogen. Nach dem Scan musste dieser meist wieder aufwendig entfernt werden.
Die neue Erfindung des Fraunhofer IOF macht diese unpraktische und zeitintensive Behandlung des Messobjektes künftig überflüssig. Das Verfahren eignet sich aufgrund der Größe des Messfeldes sowie der Auflösung und der Geschwindigkeit ideal für die Qualitätskontrolle in Produktionsprozessen oder für Anwendungen in der Automatisierung.
Möglich wird dies durch die Nutzung von Wärmestrahlung für die 3D-Erfassung. Die Forschenden bezeichnen diese Methode daher als „3D-Sensorik im thermischen Infrarot“. Herzstück des Systems ist ein energiereicher CO2-Laser, mit dem das Messobjekte bestrahlt wird. Mit speziellen Linsen für hohe Leistungsdichten wird der Laserstrahl auf eine, das gesamte Objekt vertikal beleuchtende, Linie ausgeweitet. Für ein hochauflösendes Messergebnis wird diese Linie in einer speziell abgestimmten Sequenz über das Objekt bewegt. Die Energie des Laserlichts wird vom Messobjekt absorbiert und zum Teil wieder emittiert.
Das System arbeitet mit Wärmestrahlung für die 3D-Erfassung von transparenten Objekten
Aus zwei verschiedenen Perspektiven analysieren zwei Wärmebildkameras diese thermische Signatur, die der schmale und intensive Infrarotstreifen auf dem Objekt hinterlässt. Eine selbst entwickelte Software errechnet aus den Informationen der zwei Blickwinkel anschließend räumliche Bildpunkte und fügt sie zu den exakten Abmessungen des Messobjektes zusammen.
Die für die 3D-Analyse eingebrachte thermische Energie ist so gering, dass das Objekt keinen Schaden nimmt. Der Temperaturunterschied zwischen erwärmter und nicht erwärmter Fläche liegt üblicherweise bei unter 3 °C. Daher ist dieses Verfahren auch für sensible Materialien geeignet.
„Mit dem Wechsel von einem vollflächigen Wärmemuster hin zu einem schmalen Wärmestreifen ist es uns gelungen, die Technologie so weiterzuentwickeln, dass wir die Anforderungen, die an einen 3D-Sensor im industriellen Einsatz gestellt werden, erfüllen können“, betont Martin Landmann, Forscher in der Abteilung „Bildgebung und Sensorik“ am Fraunhofer IOF. „Mit adaptiver Spiegeloptik ist es uns gelungen, die Leistung des Lasers auf eine deutlich geringere Oberfläche zu fokussieren und damit viel schneller den notwendigen Kontrast für die Wärmebildkameras zu liefern. Erst dadurch war es möglich, bei einer Bildfeldbreite von 160 mm eine Genauigkeit von unter 10 µm für die 3D-Koordinaten zu erreichen“, erklärt er.
Nach der erfolgreichen wissenschaftlichen Demonstration der neuen Messmethode arbeiten die Forschenden nun daran, das Messprinzip zur Marktreife zu treiben: „Für uns geht es jetzt darum, das System aus dem Labor in die Praxis zu überführen“, erläutert Landmann. Konkrete Anwendungsgebiete hat er auch bereits vor Augen: „Die Parameter unseres Systems lassen es zu, dass wir es für unterschiedliche Anwendungsszenarien optimieren. Wenn wir die Auflösung auf unter 50 µm reduzieren, können wir einen stereoskopischen Datensatz in unter einer Sekunde aufnehmen und sind damit schnell genug für Anwendungen in der Robotik.“
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Stefan Heist
Fraunhofer IOF, Bildgebung und Sensorik
Telefon: +49 3641 807 214
E-Mail: stefan.heist@iof-fraunhofer.de
Bild links:
Visualisierung des 3D-Scannvorgangs
Copyright: Walter Oppel, Fraunhofer IOF
