Inspektion gekrümmter Oberflächen mit Reflektometrie und Deflektometrie

Ebene Oberflächen können durch eine Auswertung der Spiegelung einer Lichtquelle an der Oberfläche sehr gut automatisch geprüft werden. Auswertbare Spiegelungen treten allerdings nur auf, wenn die Ausrichtung sowohl der Beleuchtung als auch des Sensors relativ zur Oberfläche genau zueinander passen. Sind die betrachteten Flächen nicht eben, passt diese Ausrichtung nicht überall und eine Auswertung der Spiegelung erfordert erheblich höheren Aufwand.

Mit dem Verfahren der Retroreflexions-Reflektometrie (RRR-Prinzip) wird die Spiegelung einer Lichtquelle an der Oberfläche in Retroreflexion ausgewertet. Eine genaue Ausrichtung der Komponenten des Prüfsystems zur untersuchten Oberfläche ist dabei nicht nötig. Die echtzeitfähige Bildaufnahme und -auswertung eines RRR-Prüfsystems erlaubt die Prüfung ebener und gekrümmter Oberflächen im Durchlauf.

Im Unterschied zur Retroreflexions-Reflektometrie verzichtet die Deflektometrie auf die Retroreflexion der Beleuchtung und beobachtet über die spiegelnde Oberfläche direkt ein Beleuchtungsmuster. Durch eine Kodierung dieser Musterpunkte lässt sich algorithmisch die Oberflächenneigung bestimmen. Ein am Fraunhofer IOSB entwickeltes Verfahren liefert aus diesen Ausgangsdaten dann ein 3D-Gittermodell der Prüffläche. Damit sind alle Gestaltinformationen zu einer messtechnischen Bewertung von Oberflächen vorhanden.

 

Anwendungen

Prinzipiell eignet sich die Retroreflexions-Reflektometrie für alle Arten von spiegelnd oder diffus reflektierenden Oberflächen, die Deflektometrie setzt eine zumindest teilspiegelnde Oberfläche voraus. Beide Verfahren sind für die Serienfertigung geeignet und liefern Ergebnisse in Echtzeit. Die Verfahren können je nach Anforderung einzeln oder gemeinsam gewinnbringend eingesetzt werden, z.B. bei Glasoberflächen oder bei metallischen oder lackierten Oberflächen.

Folgende Informationen über die Oberfläche können mit dem RRR-Prinzip automatisch ermittelt werden:

  • Lage und Größe kosmetischer Fehler (Punktdefekte, Lackläufer etc.)
  • Fließlinien (bei lackierten Oberflächen)
  • Vermessung der Reflexionskoeffizienten (bei bekannter oder mittels Deflektometrie vermessener Oberflächengeometrie).
Aufnahmen nach dem RRR-Prinzip
© Fraunhofer IOSB

Bild 1-4: Aufnahmen nach dem RRR-Prinzip

In Ergänzung dazu liefert die Deflektometrie Informationen über:

  • die Krümmung der Oberfläche,
  • die Welligkeit einer Lackierung und
  • die 3D-Gestalt des Prüfobjektes.

Prinzip der Retroreflexions-Reflektometrie

Die schematische Abbildung (Bild 5) zeigt den prinzipiellen Aufbau eines RRR-Prüfsystems. Die Oberfläche des Prüflings wird mit einem Laserstrahl abgescannt. Das an der Oberfläche des Prüflings reflektierte Laserlicht gelangt auf einen retroreflektierenden Schirm. Dieser reflektiert das Licht auf genau dem gleichen Weg zur Oberfläche zurück. Nach einer weiteren Reflexion an der Oberfläche gelangt das Licht wieder in die kombinierte Sende- und Empfangseinheit zurück und wird dort detektiert. Mit jedem Laserscan entsteht so eine Bildzeile, in der jedes Pixel die Reflexionseigenschaften des abgebildeten Oberflächenelements kennzeichnet. Wird der Prüfling durch den Prüfbereich bewegt, entsteht schritthaltend eine Abbildung der Oberfläche. Durch die zweifache Reflexion des Laserstrahls an der Oberfläche werden Störungen der Oberfläche kontrastreich abgebildet und sind in den Bildern gut erkennbar bzw. auswertbar.

Schema eines Retroreflexions-Reflektometers (RRR)
© Fraunhofer IOSB

Bild 5: Schema eines Retroreflexions-Reflektometers (RRR)

Voraussetzungen

Eine Prüfung mit dem RRR-Prinzip ist für alle Objekte bzw. Objektelemente möglich, sofern folgende Bedingungen erfüllt sind:

  • Der zu prüfende Bereich darf nicht abgeschattet werden, d.h. die Strahlung der Lichtquelle muss den Bereich treffen.
  • Das Objekt muss so stark reflektieren, dass auswertbare Signale im Detektor erzeugt werden. Durch ausreichende Intensität der Lichtquelle und Empfindlichkeit des Detektors kann diese Bedingung auch für schwächer reflektierende Prüflinge erfüllt werden.
  • Die reflektierte Strahlung muss den Retro-Reflektor treffen. Je nach Geometrie der Prüflinge muss deshalb ggf. eine Anpassung von Form und Größe des Reflektors erfolgen.

 

Unterschiedliche Realisierungen

  • Das Prinzip kann sowohl mit Laserscannern als auch mit Flächen- oder Zeilenkameras realisiert werden.
  • Zur Prüfung von Objekten mit geringer Tiefenausdehnung eignet sich eine kamerabasierte Realisierung.
  • Für Objekte mit größerer Tiefenausdehnung (derzeit bis 300 mm) erfolgt die Prüfung mit Laserscannern.

Prinzip der Deflektometrie

Prinzip der Deflektometrie
© Fraunhofer IOSB

Bild 6: Prinzip der Deflektometrie

Bild 6 zeigt das Schema der deflektometrischen Datenaufnahme. Eine Kamera beobachtet über eine spiegelnde Fläche bekannte Muster. Aus den Verformungen der Spiegelbilder können dann Rückschlüsse über die Gestalt der Oberfläche gezogen werden. Die Auswertung einer Sequenz von Streifenmustern liefert die Registrierung der (an der Oberfläche reflektierten) Sichtstrahlen der Kamera zu Punkten auf dem Schirm. Sind in einem weiteren Schritt eine Systemkalibrierung sowie mindestens ein Oberflächenpunkt bekannt, so gelingt eine vollständige Rekonstruktion der spiegelnden Oberfläche. Die einzige Voraussetzung für die Deflektometrie ist eine hinreichend spiegelnde Oberfläche des Prüfobjektes. Bild 7 zeigt das Höhenprofil der Abweichung einer Bauteiloberfläche von einem Referenzmodell. Die Bauteildimensionen liegen in diesem Beispiel im Bereich eines Meters und die detektierten Höhenabweichungen im Bereich von wenigen hundertstel Millimetern. Dies zeigt, dass mit dem deflektometrischen Ansatz eine aufwandsgünstige Prüfung selbst großer Flächen möglich ist.

Messtechnische Bestimmung der Abweichungen einer Prüffläche von einem Referenzmodell
© Fraunhofer IOSB

Bild 7: Messtechnische Bestimmung der Abweichungen einer Prüffläche von einem Referenzmodell

Realisierungen

Um auch Bauteile mit komplexer Oberflächengeometrie, z.B. Kraftfahrzeugkarosserien oder mit starken Oberflächenkrümmungen deflektometrisch prüfen zu können, wurden am Fraunhofer IOSB die Sensorkonzepte nach Bild 8 realisiert. Sowohl die Musterprojektion in einen kompletten Halbraum („Inspektionscave“) als auch eine Inspektion mittels robotergeführtem Sensorkopf ermöglicht die 100-Prozent-Inspektion einer kompletten Prüfteiloberfläche.

Unterschiedliche Sensorrealisierungen des deflektometrischen Prinzips
© Fraunhofer IOSB

Bild 8: Unterschiedliche Sensorrealisierungen des deflektometrischen Prinzips