Inspektion (teil-)spiegelnder Oberflächen mit Deflektometrie zur Qualitätssicherung

Komplementär zur Streifenprojektion

Als Deflektometrie werden Verfahren zur Oberflächeninspektion bezeichnet, die Gestaltinformationen über spiegelnde Oberflächen gewinnen, indem sie Spiegelbilder bekannter Szenen und deren Verzerrungen automatisch auswerten. Deflektometrie ist grundlegend verschieden von der Streifenprojektion, wo ein Projektor das Testobjekt mit einer Struktur beleuchtet und eine Kamera diese unter einem Winkel beobachtet, sodass die Verschiebung und/oder Verzerrung des Musters die Höhe der Oberfläche kodiert. In der Deflektometrie wird die zu prüfende Oberfläche als Spiegel für ein selbstleuchtendes oder angestrahltes Referenzmuster benutzt. Die beobachteten Verzerrungen sind eine Folge von Unebenheiten der spiegelnden Oberfläche, kodieren aber die Neigung, nicht die Höhe.

Vorteile der Oberflächeninspektion mit Deflektometrie

Zur vollständigen Erfassung der Oberflächenstruktur müssen die Neigungen in horizontaler und vertikaler Richtung gemessen werden; mathematisch gesprochen sind dies die partiellen Richtungsableitungen. Daher wird eine deflektometrische Messung meist mit zwei Mustersequenzen durchgeführt, eine mit vertikalen und eine mit horizontalen Streifen. Aus der Kombination der Informationen ergibt sich dann das komplette Bild der Oberflächenneigungen, aus denen die Krümmung der Oberfläche errechnet werden kann. Diese Größe entspricht den Änderungen der Neigung und ist ein sehr gutes Maß zur Bestimmung von Oberflächenstrukturen wie Beulen oder Dellen, die das menschliche Auge als unschöne Fehler bewertet.

Durch Anzeige, Aufnahme und Verarbeitung spezieller Bildsequenzen ist es außerdem möglich, Winkeländerungen von einigen Tausendstel Grad zuverlässig zu messen. Damit ist selbst ein einfacher und kompakter deflektometrischer Aufbau dem menschlichen Auge deutlich überlegen und sehr gut als Messsystem zur automatischen und objektiven Oberflächeninspektion geeignet.

Auch z.B. durch die quantitative Messung der sogenannten Orangenhaut, einer Welligkeit des Lacks, können die sehr gut reproduzierbaren Daten der Deflektometrie beim Definieren und Einhalten von Toleranzen entscheidend helfen. Dadurch dass das Messverfahren immer zweidimensionale Daten liefert, können solche Strukturen auch auf ihre Richtung und Wellenlänge hin analysiert werden. In den Spiegelungsdaten steckt aber sogar noch mehr Information über Größen wie Glanzgrad und Helligkeit der Oberfläche. Diese werden bei der Auswertung mitberücksichtigt und helfen, zusätzliche Defekte zu erkennen, die nicht mit einer Oberflächenverformung einhergehen.

Messsystem der Deflektometrie

Die am Fraunhofer Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Karlsruhe, zur Verfügung stehenden Verfahren zur deflektometrischen Inspektion von spiegelnden und teilspiegelnden Oberflächen sind für vielfältige Anwendungen in der industriellen Qualitätssicherung geeignet. Damit steht eine optische Inline-Messtechnik für solche Oberflächen zur Verfügung, welche die klassische qualitative Prüfung um eine quantitative Messung ergänzt und damit eine robuste Defekterkennung und -bewertung ermöglicht.

Im Demonstrator AutoInspect sind, neben anderen Prüfmodalitäten, gleich zwei deflektometrische Messprinzipien realisiert, die Deflektometrie mit bewegtem Objekt unter einem »Torbogen« aus Monitoren zur Musteranzeige sowie die Deflektometrie mittels einer beweglich, an einem Roboterarm montierten Monitor-/Sensoreinheit, mit der sich auch schwer zugängliche Stellen deflektometrisch prüfen lassen. Alle Prüfergebnisse werden ortsgenau auf einem 3D-Modell des Prüflings registriert.