3D-Sensor des Fraunhofer IOF erfasst transparente Objekte

Mit dem neuen MWIR-3D-Sensor des Fraunhofer IOF lassen sich Gegenstände dreidimensional scannen – ganz gleich, ob sie aus transparentem Kunststoff oder Glas bestehen. Selbst Objekte mit glänzend metallischen oder tiefschwarzen Oberflächen lassen sich erfassen.

Den Forschern aus Jena ist es dabei gelungen, Wärmestrahlung für die 3D-Erfassung nutzbar zu machen. Sie bezeichnen diese Methode daher als „3D-Sensorik im thermischen Infrarot“. Herzstück des Systems ist ein energiereicher CO2-Laser, mit dem das Messobjekte bestrahlt wird. Mit speziellen Linsen für hohe Leistungsdichten wird der Laserstrahl auf eine, das gesamte Objekt vertikal beleuchtende, Linie ausgeweitet. Für ein hochauflösendes Messergebnis wird diese Linie in einer speziell abgestimmten Sequenz über das Objekt bewegt. Die Energie des Laserlichts wird vom Messobjekt absorbiert und zum Teil wieder emittiert.

Das Verfahren kombiniert dabei Thermografie und Triangulation: Zwei Wärmebildkameras analysieren diese thermische Signatur, die der schmale und intensive Infrarotstreifen auf dem Objekt hinterlässt, aus zwei verschiedenen Perspektiven. Eine selbst entwickelte Software errechnet aus den Informationen der zwei Blickwinkel anschließend räumliche Bildpunkte und fügt sie zu den exakten Abmessungen des Messobjekts zusammen.

Die für die 3D-Analyse eingebrachte thermische Energie ist so gering, dass das Objekt keinen Schaden nimmt. Der Temperaturunterschied zwischen erwärmter und nicht erwärmter Fläche liegt üblicherweise bei unter 3 °C. Aus diesem Grund eignet sich das Verfahren auch für sensible Materialien.

„Mit adaptiver Spiegeloptik ist es uns gelungen, die Leistung des Lasers auf eine deutlich geringere Oberfläche zu fokussieren und damit viel schneller den notwendigen Kontrast für die Wärmebildkameras zu liefern“, erklärt Martin Landmann, Forscher in der Abteilung „Bildgebung und Sensorik“ am Fraunhofer IOF. „Erst dadurch war es möglich, bei einer Bildfeldbreite von 160 mm eine Genauigkeit von unter 10 µm für die 3D-Koordinaten zu erreichen.“

Das erste anwendungsnahe System, das dieses MWIR-3D-Messprinzip nutzt, ist „Glass 360 Dgree“. Es ist speziell für die Überprüfung von Glaskörpern in der Optikfertigung ausgelegt und soll im weiteren Verlauf auch von Forschungspartnern genutzt werden, um zu testen, wie sich das Messverfahren in verschiedenste Robotikprozesse integrieren lässt.

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Fraunhofer IOF, Halle 10, Stand D55