CCT-Sensor für inlinefähige konfokale 3D-Messtechnik für spiegelnde und diffuse Oberflächen

Detailaufnahme der Optik samt Kamera
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Detailaufnahme der Optik samt Kamera. Das rechte Objektiv dient zur Beleuchtung. An das linke Objektiv ist eine Hochgeschwindigkeitskamera angeschlossen, die als Zei-lenkamera verwendet wird.

Gesamtansicht des Messaufbaus
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Gesamtansicht des Messaufbaus. Die Größe kann für eine industrielle Anwendung weiter reduziert werden

Das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, Karlsruhe, stellt den inlinefähigen 3D-Sensor zur Messung der Topographie von Oberflächen von spiegelnden bis voll diffusen, z.B. rauen Oberflächen vor. Der CCT-Sensor (Chromatic Confocal Triangulation) kombiniert dabei das chromatische konfokale Messprinzip mit dem der Triangulation. Bei bis zu 16.000 Zeilenmessungen pro Sekunde wird in jedem Messzyklus eine Zeile von mehr als 1000 nebeneinanderliegenden Höhenwerten gemessen. Die vertikale Auflösung des Sensors liegt im einstelligen Mikrometerbereich und deckt gleichzeitig einen Messbereich von 2,5 Millimetern ab.

Der optische Aufbau kodiert mittels einer speziellen Beleuchtung in Form eines Lichtfächers aus unterschiedlichen Wellenlängen verschiedene Objekthöhen. Die eigentliche Messung der Höhe erfolgt durch die Bestimmung der korrespondierenden Wellenlänge des Lichts mittels einer multispektralen Zeilenkamera. Um eine schnelle Messung der Wellenlänge mit hoher Präzision zu ermöglichen, wurde eigens eine sechskanalige, multispektrale Aufnahmetechnik entwickelt. Die multispektrale Zeilenkamera kombiniert die spektrale Auflösung eines Spektrometers mit der Geschwindigkeit einer Zeilenkamera im kHz-Bereich. Durch dieses Gesamtkonzept wird das Messdatenaufkommen gering gehalten und es können die derzeit höchsten Messgeschwindigkeiten erzielt werden.

Durch die hohe Messgeschwindigkeit ist der CCT-Sensor besonders für den Einsatz in der Inline-Produktionsüberwachung geeignet. Aktuell liegt die Messgeschwindigkeit des Systems bei 16 kHz. Diese lässt sich durch die Verwendung von Hochleistungslichtquellen auf über 100 kHz steigern. Der technische Aufbau kommt ohne bewegliche Komponenten aus, was einen geringen Wartungsaufwand und wirtschaftlichen Preis verspricht.

Schnappschuss einer Messung
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Schnappschuss einer Messung. Der CCT-Sensor scannt ähnlich einer Zeilenkamera das zu vermessende Objekt. Zur Beleuchtung werden unterschiedliche Wellenlängen verwendet, welche als Regenbogenmuster sichtbar sind.

Eine besondere Eigenschaft ist, dass sowohl perfekt spiegelnde als auch diffuse, z.B. raue, Oberflächen vermessen werden können. Gerade Oberflächeneigenschaften, die dazwischen liegen, sind besonders relevant in der metallverarbeitenden Industrie. Jeder der 2000 Messpunkte pro Zeile hat eine laterale Auflösung von 7 x 7 Mikrometer wodurch sich auf einer Breite von 10 Millimeter auch kleinste Details auflösen lassen. Der vertikale Messbereich von 2 Millimeter mit einer Auflösung im einstelligen Mikrometerbereich steht unabhängig von der Messgeschwindigkeit im vollen Umfang zur Verfügung.

Beispielhafte Messung einer Euromünze
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Beispielhafte Messung einer Euromünze. Die Münze wurde mit einer Messgeschwindigkeit von 80 mm/s gescannt und die laterale Auflösung beträgt 7 µm.

Beispielhafte Anwendungen sind:

  • Inspektion von metallischen Tiefziehteilen, z.B. Spülen, die sich durch eine stark spiegelnde aber diffuse Oberfläche auszeichnen
  • Vermessung von verchromten Bauteilen im Automobilbereich
  • Inline Qualitätssicherung von metallischen Dichtflächen im Motorenbau
  • Prüfung der Formhaltigkeit von Laserstrukturierungsprozessen
  • Inline Qualitätssicherung von gestanzten metallischen Bauteilen