Optische 3D Messtechnik

 


 
20 Jahre Unabhängige 3D Machine Vision Expertise

Ein vollständiges Sortiment optischer 3D Messtechnologien erlaubt die freie Auswahl der wirtschaftlich wie technisch besten Lösung – unabhängig von Hersteller, Marke oder einer bestimmten Technologie ist Solarius Ihr Garant für Innovation und Fortschritt in Ihrer QS 4.0

Die 3-Dimensionale Erfassung von Oberflächeneigenschaften, gleich ob Topografie, Textur oder tribologische Parameter, wird durch eine Vielzahl physikalisch verschiedener optischer Abbildungsprinzipien ermöglicht. Diese Abbildungsprinzipien erlauben eine wirklichkeitsgetreue, vollständige und schnelle Digitalisierung von technischen Oberflächen und auf dieser Basis eine echtzeitfähige, automatisierbare und zuverlässige Analyse dieser Daten zum Zweck der Überwachung und Steuerung von Prozessen sowie für die eigentliche Sicherung der Qualität von Produkten. Auch die Rückverfolgbarkeit der Daten in Form von Audit Trails oder eine nachträgliche Überprüfbarkeit von Ergebnissen ist durch eine Archivierung dieser digitalisierten Oberflächen jederzeit einfach und transparent möglich. Die optische 3D Messtechnik für technische Oberflächen ist ein elementarer Bestandteil der umfassenden Digitalisierung der industriellen Produktion, auch bekannt unter dem Namen High-Tech Projekt Industrie 4.0

Mittels der verschiedenen 3D Abbildungsprinzipien werden digitale Abbilder von Formen, Texturen, Rauheit und Schichten erzeugt. Jedes der 3D Abbildungsprinzipien zeigt natürliche Stärken und Schwächen gegenüber dem individuellen Charakter von Objekten. Je nach Eigenschaft einer Oberfläche, dem Material des Werkstücks oder der endgültigen Verwendung eines Produkts kann sich ein bestimmtes Abbildungsprinzip als vorteilhaft gegenüber den anderen Prinzipien erweisen. Erfahrung in der Anwendung optischer Messtechnik und eine unabhängige Technologiewahl sind essenziell. Darüber hinaus hat jedes einzelne der Abbildungsprinzipien, im Laufe von mehr als 20 Jahren intensiver, industrieller Anwendung optischer 3D Messtechnik, unterschiedlichste Varianten der technischen Umsetzung und Ausgestaltung entwickelt um den jeweilig eigenen, natürlichen Schwächen bestmöglich zu begegnen. Die Vielzahl konkurrierender Technologien und Anbieter mit allen individuellen Vor- und Nachteilen macht die Auswahl der richtigen Technologie für eine bestimmte Aufgabe oder ein umfangreicheres Aufgabengebiet zu einer vielschichtigen und nicht trivialen Entscheidung.

Die Solarius Unternehmensgruppe bietet ein breites und umfassendes Portfolio an optischen 3D Messsystemen und Technologien für die Digitalisierung sowie die folgende, messtechnische Analyse der digitalisierten Oberflächen. Ausgehend von einer vollständigen Technologieplattform kann für jede Messanwendung das optimale System oder die ideale Kombination von Technologien bestimmt werden. Basierend auf 20 Jahren Erfahrung in der automatisierten, industriellen 3D Messtechnik weltweit und einem multinationalen Team von Experten auf dem Fachgebiet der optischen 3D Oberflächenerfassung und Bildverarbeitung ist Solarius unabhängig bei der Auswahl der wirtschaftlich wie technisch besten Lösung für Ihre individuelle Aufgabenstellung.

 

Optische Sensortypen

 


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2D / 3D Zeilenkameras

2D und 3D Zeilensensoren sind eine ideal Wahl für scannende Anwendungen mit hohen Vorschüben und kontinuierlichen Messungen. Solarius bietet verschiedene chromatische und monochromatische konfokale Zeilensensoren sowie Triangulationssensoren mit mehreren unterscheidlichen Lichtquellen für eine Vielzahl von Oberflächenmessaufgaben an.

 

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2D / 3D Punktsensoren

Punktsensoren sind eine kostengünstige und platzsparende Alternative für Anwendungen der optischen Messtechnik oder um taktile Systeme durch aktuelle, berührungslose 3D-Messtechnik zu ersetzen. Verschiedenste Techologien liefern präzise und genaue Ergebnisse für ISO konforme Messungen im Solarius Portfolio von Punktsensorprodukten.

 

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2D / 3D Matrixsensoren

Optische Matrixsensoren sind typisch für 2D Vision Anwendungen sowie ideal geeignet für die 3D Mikroskopie. Solarius verfügt über interferometrische und konfokale Sensoren sowie Systeme mit Fokusvariation. 3D Matrix Sensorsysteme eignen sich für technisch ansruchsvolle 3D Messaufgaben mit höchsten Anforderungen and Genauigkeit und Präzision.

 

Physikalische Abbildungsprinzipien

 


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Konfokale Systeme

Die monochromatische konfokale Mikroskopie ist eine optische Bildgebungstechnik, mit der 3D Oberflächentopografien mithilfe einer räumlichen Lochblende erzeugt werden können. Das Erfassen mehrerer 2D Bilder in unterschiedlichen Tiefen auf einer Probe ermöglicht die hochgenaue Rekonstruktion dreidimensionaler Strukturen innerhalb eines Objekts. Diese Technik wird in Wissenschaft und Industrie intensiv eingesetzt. Typische Anwendungen sind die Biowissenschaften, die Inspektion von Halbleitern sowie die Materialwissenschaft. Die Systeme können beugungsbegrenzt ausgelegt werden, was eine ideale Abbildungsqualität ermöglicht. Stärke der konfokalen Technologie ist die Fähigkeit, eine sehr hohe räumliche Auflösung und hohe Kontraste zu ermöglichen, was sie ideal für Rauheits- und Geometriemessungen an transparenten und sehr glatten Materialien mit mehreren Schichten, rauen Oberflächen oder sehr stark variierenden Reflektivitäten innerhalb eines Objekts macht. Schwächen dieser Technologie sind die eingeschränkte Fähigkeit, steile Kanten und sehr dünne Schichten zu erfassen ebenso wie die, verglichen mit anderen Systemen, geringere Geschwindigkeit. Konfokale Sensoren können mit der Fokusvariation kombiniert werden, um die Bildqualität an steilen Kanten zu erhöhen.

 

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Chromatisch Konfokale Systeme

 

Chromatisch konfokale Mikroskopie bezieht sich prinzipiell auf die monochromatische konfokale Technologie. Anstatt jedoch das nicht fokussierte Licht durch eine Lochblende zu blockieren, wird die optische Dispersion verwendet, um unterschiedliche, voneinander unabhängige konfokale Bedingungen in unterschiedlichen Abständen zum Sensor zu erzeugen. Durch die Verwendung von Filtern oder Spektroskopen können konfokale Bilder für verschiedene Wellenlängen erfasst und 3D Topografien von Objekten und Geometrien abgeleitet werden. Chromatisch konfokale Sensoren können auf und durch transparentes Material messen, mehrere Grenzflächen zwischen Materialien erkennen und deren Dicke bestimmen. Die messtechnischen Eigenschaften der Sensoren entsprechen im Wesentlichen denen von Tastnadeln, sie eignen sich daher auch als Ersatz für taktile Profilometer. Stärken und Schwächen der chromatisch konfokalen Technologie sind mit denen des monochromatischen konfokalen Ansatzes vergleichbar. Der wesentliche Unterschied liegt in der vergleichsweise niedrigeren lateralen Auflösung und, je nach technischer Umsetzung des Systems, einer geringen Farbempfindlichkeit. Signifikanter Vorteil ist sie vergleichsweise höhere Kosteneffizienz.

 

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Interferometrie

Die Interferometrie ist eine hochgenaue 3D Messmethode, bei der das Phänomen der Interferenz von Wellen zur Rekonstruktion von Topographien verwendet wird. Durch die Verwendung von zwei gleichen, kohärenten Lichtstrahlen, deren einer von der Oberfläche eines Objekts reflektiert und verändert wird während der zweite unverändert bleibt, kann ein Interferenzmuster gebildet werden, wenn sich diese beiden Strahlen überlagern. Da die Wellenlänge des sichtbaren Lichts sehr kurz ist, können bereits kleine Änderungen in den Unterschieden der optischen Weglängen zwischen den zwei Strahlen erfasst werden. Ähnlich wie bei der konfokalen Technologie ist die Interferometrie in den Wissenschaften und der industriellen Inspektion sehr präsent. Die den Interferometrischen Systemen eigene Stärke ist eine sehr hohe vertikale Auflösung, mit der transparente Filme und Schichten auch im Submikrometerbereich noch zuverlässig gemessen werden können. Während die Interferometrie gegenüber triangulatorischen Systemen immer noch vergleichsweise langsam ist, ist sie merklich schneller als konfokale Ansätze. Die Hauptschwäche der Interferometrie ist ihre begrenzte Fähigkeit zur lateralen Auflösung in Bezug auf die konfokalen Systeme und ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen.

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Holographische Interferometrie

Die holographische 3D Interferometrie ist eine Technik, mit der statische oder dynamische Topographien von Objekten mit optisch rauen Oberflächen in sehr hoher Genauigkeit 3D vermessen werden können. Holographie ist ein Vorgang, bei dem gebeugtes Licht, das von einem Objekt gestreut wird, aufgezeichnet und zu einer 3D Oberfläche rekonstruiert wird. Sofern das direkt aufgenommene Lichtfeld von einem weiteren Lichtfeld überlagert wird, das von einem idealen, homogen ebenen Objekt gestreuten wurde, sind die beiden Felder identisch. Bei einer kleinen Verformung der Objektoberfläche sind die relativen Phasen der Lichtfelder jedoch unterschiedlich und es können Interferenzen beobachtet werden. Anhand dieser Interferenzen können Konturen erzeugt werden, welche die Form der zu vermessenden Oberfläche repäsentieren. Die holografische Interferometrie kann die 3D Messung rauer Oberflächen erheblich verbessern, ohne dabei jedoch die Grenzen der lateralen Auflösung und die sehr hohe Empfindlichkeit der Interferometrie gegenüber Vibrationen an sich zu überwinden. Der Anwendungsbereich der Holographie in der industriellen 3D Messtechnik ist auf Grund ihrer Komplexität bisher begrenzt, während sie in der Anwendung in Form von Vibrometern alltäglich geworden ist.

 

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Fokusvariation

3D Sensoren basierend auf Fokusvariation kombinieren eine geringe Tiefenschärfe mit dem vertikalen Scannen eines Objekts um Topografie- und Farbinformationen von der Oberfläche eines Objekts bereitzustellen. Mit einem optischen Abbildungssystem mit geringer Schärfentiefe werden nur diejenigen Teile der Oberfläche eines Objekts in hoher Auflösung abgebildet, die sich in einem bestimmten Abstand zu dem Sensor befinden. Alle anderen Bereiche der Topographie der Oberfläche erscheinen verschwommen. Durch die Erfassung mehrerer, einzelner 2D Bilder in unterschiedlichen Entfernungen zu dem Objekt können, ähnlich wie bei konfokalen Systemen, 3D Oberflächentopographien rekonstruiert werden. Die Auswahl fokussierter Anteile in einem Bild erfolgt, anders als bei konfokalen Systemen, nicht mittels einer Lochblende sondern via Bildverarbeitung. Die Fokusvariation wird sowohl in industriellen als auch wissenschaftlichen Anwendungen in Laboratorien und in der Massenproduktion eingesetzt. Stärken der Technologie sind, im Vergleich zur Interferometrie und konfokalen Ansätzen, ihre höhere Geschwindigkeit, ihre Fähigkeit steilere Kanten zu erfassen. Nachteilig ist die eingeschränkte Fähigkeit sehr glatte, transparente sowie dynamische Oberflächen in 3D zu vermessen.

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Triangulation

Triangulationssensoren bestehen aus einem Projektor zur Erzeugung eines Lichtmusters und einem kamerabasierten System zur Abbildung. Ein Lichtmuster, bei dem es sich um einen Punkt, eine Linie oder um komplexe Muster handeln kann, wird auf die Oberfläche eines Objekts projiziert. Am Beispiel einer einzelnen Linie erklärt, erscheint eine gerade Linie durch eine unebene Oberfläche verzerrt oder bleibt, bei gerader Oberfläche, eine gerade Linie. Diese Verzerrung kann mit Hilfe des Kamerasystems erfasst werden. Da Kamera und der Projektor in einem bekannten Abstand zueinander ausgerichtet sind, einschließlich eines bekannten Projektions- und Bildwinkels auf das Objekt, kann der Abstand eines Objekts basierend auf den trigonometrischen Regeln eines Dreiecks berechnet werden. Beim Scannen eines Objekts kann so eine 3D Topographie der Oberfläche rekonstruiert werden. Die Triangulation erlaubt eine sehr hohe Messgeschwindigkeit, ist für eine Vielzahl von Materialien und Bauteilgrößen anwendbar und ist sehr robust gegenüber schwierigen Bedingungen in der Produktion. Nachteile der Triangulation sind die eingeschränkte Fähigkeit spiegelnde Oberflächen zu erfassen, die systembedingte Abschattung und ihr begrenztes Auflösungsvermögen.