POF optisch analysiert

Dipl.-Ing. Robert Ruthenberg, Freier Journalist in Nürnberg, für Fa. Keyence

Die Polymer-optische Faser (engl. Polymer Optical Fiber = POF) hat sich innerhalb kürzester Zeit in vielen Anwendungsbereichen durchgesetzt. Die hohe (Biege-) Flexibilität, ihr geringes Gewicht und vor allem die Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen führten zu zahlreichen Anwendungen vor allem im Fahrzeug- und Flugzeugbau.

Die Datenübertragung stellt eins der Hauptanwendungsgebiete der POF dar. Im Automobilbereich werden die POF zur Signalübertragung des MOST-Busses (MOST = Media Oriented Systems Transport), einem Netzwerk für Multimediadaten (Audio- und Video-, Sprach- und Datensignalen) eingesetzt. In der Datenkommunikation für Ethernet-, und Firewire-Bussysteme. Sogar innerhalb der Automation inklusive Industrieroboteranwendungen als Sercos-, Profibus-, Interbus sowie für Fast Ethernet-Systeme. Weitere wichtige Anwendungsbereiche stellen die Sensorik sowie die Beleuchtungstechnik dar. Beispielsweise eignen sich die POF als Trübungssensor zur Verringerung der Anzahl der Spülgänge in Waschmaschinen oder sie können als Schwingungssensor für Flugzeug-/Hubschrauberpropeller eingesetzt werden. Seitlich gekerbte POF wiederum strahlen Licht in eine Plexiglasplatte zur Beleuchtung eines Displays ein.

Das POF Application Center der Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg wurde im Jahr 2001 innerhalb der „High-Tech-Offensive Bayern“ gegründet. Seit 2 Jahren finanziert sich das Institut über seine (meist anwendungsspezifischen) Forschungsprojekte selbst. Derzeit sind sechs feste und in der Regel zwischen fünf bis zehn zeitlich befristete Mitarbeiter dort beschäftigt

Da die Messtechnik für Polymer-optische Fasern am Markt kaum erhältlich ist, hat das Institut die meisten Messgeräte selbst entwickelt. Damit werden beispielsweise die numerische Apertur, in diesem Fall der Brechzahlunterschied zwischen Kern und Mantel ermittelt, die Faser-Dämpfung, die maximal übertragbare Bandbreite sowie die geometrischen Abmessungen der Polymerfasern.

Beim Aufbau von optischen Messbänken gilt es die dünne Polymerfaser nicht nur im Mikrometerbereich optimal zu positionieren, sondern im Anschluss daran muss diese auch optisch vermessen werden. Aus diesem Grund sah sich der Institutsleiter Prof. Dr. Hans Poisel sowie sein Mitarbeiter Alexander Bachmann am Markt nach einer flexibleren Lösung, einem hochempfindlichen und doch mobilen Messmikroskop um.

Fündig wurden beide beim Hersteller Keyence. Seit 1990 entwickelt und baut dieses Unternehmen optische Digital-Mikroskope, die eine extrem hohe Auflösung sowie Vergrößerungsfaktor bieten und trotzdem noch tragbar sind und sich somit nahezu an jedem beliebigen Ort aufstellen lassen. Neben der hohen Mobilität zeichnen sich die Digital-Mikroskope dieses Herstellers dadurch aus, dass die zu betrachtenden Objekte vorab nicht präpariert werden müssen. Selbst größere Objekte brauchen nicht zerlegt oder zerschnitten werden, wie dies bei optischen Mikroskopen notwendig ist, um die Probe auf dem Objekthalter zu platzieren. So lassen sich in Verbindung mit einer entsprechenden Optik Betrachtungen und Aufnahmen an sehr großen Bauteilen durchführen, ohne ein Stativ verwenden zu müssen. Dabei wird der Kamerakopf mit seiner Optik lediglich direkt an das zu betrachtende Bauteil gehalten. Die integrierte Verwackelungskorrektur gleicht vollautomatisch jede mehr oder minder große Handunruhe des Anwenders aus.

Mit einer maximalen Auflösung von 18 Millionen Pixel vermag das optische Digital-Mikroskop VHX-100, welches nunmehr beim POF Application Center in Nürnberg im Einsatz ist, selbst winzigste Details klar, deutlich und räumlich, also dreidimensional darzustellen. Es bietet eine 1.000fache optische Vergrößerung, bei Darstellung auf dem eingebauten Flachbildschirm eine 3.000 fache und mit dreifach Digitalzoom sogar eine 9.000 fache Vergrößerung.

Ein herkömmliches Mikroskop besitzt nur eine relativ geringe Tiefenschärfe. Wenn das Objekt größere Ausbuchtungen und Vertiefungen aufweist, kann daher meist nur ein kleiner Fokusbereich des Objekts scharf dargestellt werden. Das VHX weist eine hervorragende Tiefenschärfe auf. Es ist nämlich in der Lage, mehrere Bilder mit unterschiedlichen Fokuspositionen zusammenzusetzen und daraus ein einziges Bild zu erzeugen, das an allen Stellen die gleiche Tiefenschärfe besitzt.

Wie Prof. Dr. Hans Poisel unterstreicht, erfüllt gerade diese hohe Tiefenschärfe neben der ausgezeichneten Mobilität ihre Anwendungsbedürfnisse. „Wir können das optische Digital-Mikroskop VHX-100 einfach mit vor Ort hinnehmen, die Kamera an die zu betrachtende Stelle halten und schon erzielen wir hochaufgelöste und extrem scharfe Bilder.“ Das kompakte und mit nur 13 kg Gewicht (inklusive LCD-Monitor) leicht tragbare Digital-Mikroskop VHX ist mit einer handlichen Digital-Kamera ausgerüstet. Die Kamera verfügt über einen 2,11 Millionen Pixel CCD-Bildsensor. Ihre elektronische Verschlussblende lässt sich in Stufen bis hinab zu 1/5.000 Sekunde einstellen. Dank ihrer sehr kompakten Konstruktion ermöglicht die bewegliche Kamera Betrachtungen bei hoher Präzision selbst bei sehr beengten Verhältnissen.

POF-Mitarbeiter Alexander Bachmann wiederum hebt die Messfunktionen des Mikroskops VHX-100 hervor. „Die umfangreichen Messfunktionen ermöglichen uns, die Objekte nicht nur quantitativ zu betrachten, vielmehr erlauben diese auch exakte qualitative Messungen. Ob Abstand, Mittenabstand, Radius oder automatische Flächenauswertungen von Farb- und Helligkeitsflächen, eine Vielzahl an Messfunktionen sind mit diesem Gerät möglich. Mittels des Mikroskops VHX lassen sich selbst mikrometergenaue Messungen sehr einfach durchführen.“

Ein typisches Anwendungsbeispiel stellt die Visualisierung von POF-Steckern mit mehreren Fasern dar. „Wenn 42 Fasern als Faserarray angeordnet sind, so messen unsere Mitarbeiter unter anderem die Abstände, die Faserpositionen sowie die jeweiligen Faserdurchmesser“, beschreibt Alexander Bachmann dieses Beispiel. Er ergänzt, dass „die hohe Tiefenschärfe dieses Digital-Mikroskops im Vergleich zu herkömmlichen Mikroskopen die Anwendung deutlich vereinfacht, denn eine Mikroskopkamera, die schon bei einem Arbeitsabstand von immerhin 25 mm scharfe Bilder erzeugt ist allemal besser, als wenn sie es erst bei weniger als 2 mm tut.“

Die VHX-Mikroskope (neben dem VHX-100 gibt es noch das größere Modell VHX-600) verfügen über weitere Fokussierfunktionen wie die sogenannte Schnelle Tiefenschärfebildung, mit der eine sofortige Bildzusammensetzung möglich ist, sowie die Tiefenschärfebildung mit hoher Qualität, welche hochauflösende Bilder bereitstellt, oder die 3D-Anzeige, welche eine dreidimensionale Darstellung auf Basis der zusammengesetzten Daten ermöglicht.

Um räumliche Strukturen rasch und präzise abzubilden, haben die Ingenieure am Mikroskopstativ einen Fokussiereinstellknopf vorgesehen, mit dem sich die Tiefenschärfe durch einfaches Drehen an einem Einstellknopf sehr bequem und schnell vornehmen lässt.

POF-Mitarbeiterin Sabrina Brod möchte beispielsweise die maschinell hergestellten 45°-Fasen einer Polymerfaser untersuchen und betrachtet beim Scharfstellen einfach das Echtzeitbild auf dem Monitor und findet dadurch sehr schnell die beste Einstellung. Der Zeit- und Arbeitsaufwand für die Bilderstellung vermag Sabrina Brod dadurch um bis zu 70 % zu reduzieren.

Beim Fokussieren werden übrigens Kantenabweichungen und Vergrößerungsschwankungen, welche durch ein Verschieben der Brennpunktposition verursacht werden, vollautomatisch korrigiert. Damit ist eine detailgetreue, natürliche und räumliche Bilderzeugung ohne jegliche Unschärfen sehr einfach zu erzielen. Darüber hinaus wird eine automatische Korrektur von Kamera-Verwackelungen vorgenommen, so dass alle Bilder, selbst die bei schwierigen Aufnahmepositionen aufgenommenen, extrem scharf sind.

Die hohe Tiefenschärfequalität in Kombination mit dem neuentwickelten D.F.D.-Verfahren ermöglicht eine 3-dimensionale Bilddarstellung von höchster Qualität. Bei der D.F.D.- (depth from defocus) Technologie werden die 3-D-Daten durch Berechnung der Höhenunterschiede auf Grundlage von zwei oder mehreren 2-D-Bildern mit unterschiedlichen Fokuspunkten erzielt. Durch eine Verstellung der Beleuchtung, die sich mit nur einer einzigen Taste vornehmen lässt, sind Vorsprünge und Vertiefungen optimal auszuleuchten.

Selbstverständlich verfügt das optische Digital-Mikroskop VHX über eine Reihe von Funktionen, die dem Anwender die bestmögliche Abbildung des zu betrachtenden Objektes erheblich erleichtern. So lässt sich das Bild auf dem großen, 15-Zoll Farb-LCD (TFT)-Monitor horizontal oder vertikal teilen, um beispielsweise einen Objektausschnitt nochmals zu vergrößern. Trotzdem kann das Gesamtbild gleichzeitig angezeigt werden. Mittels der vierfachen Bildschirmteilung vermag der Betrachter ein Objekt sogar aus verschiedenen Blickwinkeln bestmöglich zu betrachten und alle vier Ansichten miteinander zu vergleichen. Die Zeitraffer-Funktion wiederum erlaubt Bilder in einem festgelegten zeitlichen Abstand automatisch aufzunehmen.

Die POF-Mitarbeiter nutzen die Möglichkeit der Bildschirmteilung weniger, allerdings hebt Alexander Bachmann hervor, dass „oftmals mehrere Mitarbeiter anhand der Bildschirmdarstellungen über weitere Vorgehensweisen ausgiebig miteinander diskutieren. Bei herkömmlichen Mikroskopen mit ihrem Okular ist das nicht möglich.“ Bei Bedarf sind die Bilder auf einer 40 GB-Festplatte abzuspeichern (Kapazität etwa 200.000 Bilder bei Komprimierung eines 2 Millionen Pixel-Bildes) oder per LAN- (RJ-45; 10BASE-T/100 BASE-TX) bzw. USB 2.0-Schnittstelle auf andere Rechner sowie übers Internet zu übertragen. Ein 24-fach CD-R/RW-Laufwerk ist im Gerät zusätzlich eingebaut.

Weist ein Objekt sowohl extrem dunkle wie auch extrem helle Bereiche auf, dann ist meist keine optimale Darstellung mittels herkömmlicher Mikroskope möglich. Das Mikroskop VHX dagegen, verfügt über eine Regelfunktion, die selbst extrem kontrastreiche Objekte einwandfrei darstellen kann. Mit Hilfe von indirekter und direkter Beleuchtung lassen sich zudem Schatten auf den Bildern vermeiden. Die Kantenvergrößerungsfunktion wiederum erlaubt eine Objektvergrößerung in Echtzeit in einem bestimmten Betrachtungsbereich. Das ist speziell bei Kanten-Abbildungen, wie beispielsweise bei den erwähnten 45°-Fasen an der Polymerfaser, sehr wichtig. Kantenfehler sind daher extrem schnell aufzufinden.

Eine Vielzahl an Objektiven vom Makro- über diverse Telezoomobjektive bis hin zu Boreskope-Objektiven sowie flexible Endoskope und verschiedene Zubehörartikel wie ein digitaler Farbdrucker runden das Bild dieses innovativen optischen Digital- Mikroskops ab.

KEYENCE Deutschland, Neu-Isenburg

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