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Von Brillen und Spiegeln

Inline-Stereo-Deflektometrie für spiegelnder Oberflächen

Die präzise Vermessung von spiegelnden Freiformflächen stellt eine besondere Herausforderung für die optische Messtechnik dar. Vor allem in der automatisierten Fertigung ist die 100%-Kontrolle von transparenten und spiegelnden Bauteilen eine Aufgabenstellung, die nur mit ausgereiften Messgeräten und ausgefeilten Softwarealgorithmen gelingen kann. So sind bei der Spritzguss-Herstellung von Kunststoffoptiken und der Fertigung von Freiform-Spiegeln für Head-Up-Displays Deflektometer die erste Wahl.
Die Messung blanker Freiformflächen, wie asphärische Linsen, Windschutzscheiben oder lackierte Karosserien, ist aus mehreren Gründen messtechnisch aufwändig: Die Lichtstrahlen der Beleuchtungsquelle werden bei ‚krummen Flächen‘ in einen großen Winkelbereich reflektiert, sodass sie zu einem großen Teil nicht in die Apertur (Öffnung für die Lichtstrahlen) des Messsystems gelangen. Zudem kann man die spiegelnde Oberfläche nicht ’sehen‘. Man kann bei der optischen 3D-Sensorik deshalb nur die Ablenkung von Lichtstrahlen erfassen, die durch das Messobjekt hervorgerufen wird. Das Stereo-Deflektometer SpecGAGE3D arbeitet nach dem Prinzip der phasenmessenden Deflektometrie (PMD), mit der besonders genaue Messergebnisse erzielt werden können. Das Messverfahren und die Softwarealgorithmik wurden derart optimiert und beschleunigt, dass sogar eine 100%-Kontrolle im Fertigungsprozess möglich ist.

Phasenmessende Deflektometrie (PMD)

Bei der phasenmessenden Deflektometrie handelt es sich um eine direkte Neigungsmessung. Um die lokalen Oberflächennormale zu bestimmen, wird Licht von einer Mattscheibe über die Objektoberfläche in zwei Kameras reflektiert. Die dabei gewonnenen Daten werden anschließend ausgewertet. Zunächst wird ein Streifenmuster mit sinusförmiger Intensitätsverteilung auf eine Mattscheibe projiziert, die das Licht so aufteilt, dass es aus verschiedenen Richtungen auf den Prüfling fällt. Damit wird sichergestellt, dass Licht in die Objektive der beobachtenden Kameras fällt. Sie nehmen die gespiegelten Muster auf der Oberfläche des Objekts auf. Die zugehörige Software berechnet mittels bekannter Phasen-Shift-Verfahren die lokale Neigung und leitet die Oberflächenkrümmung ab. Im Gegensatz zu herkömmlichen deflektometrischen Verfahren, bei denen nur eine Kamera zum Einsatz kommt, handelt es sich bei der absolut messenden Deflektometrie um ein Stereoverfahren. Einfache deflektometrische Verfahren besitzen im Allgemeinen die Schwäche, dass sie nicht eindeutig bezüglich der Berechnung der Position der Oberflächennormale sind. Durch diese Mehrdeutigkeit geht jegliche Information über die Objekthöhe verloren, weshalb viele derartige Verfahren nicht für absolute Neigungs- und Höhenmessungen verwendet werden können. Das Prinzip der Phasenmessenden Stereo-Deflektometrie basiert dagegen auf einem Verfahren, das diese Mehrdeutigkeit aufhebt. Damit kann der Mangel anderer Verfahren, bei denen aus dem Schnittpunkt des Sichtstrahls mit der Objektoberfläche zwar die Oberflächennormale, aber nicht die genaue Position des Schnittpunkts bestimmt werden kann, behoben werden.

Einsatzgebiete

Mit Hilfe der phasenmessenden Stereo-Deflektometrie lassen sich schnelle Messungen spiegelnder Oberflächen mit verschiedenen Beschaffenheiten durchführen. Auch transparente, spiegelnde Objekte sind messbar. Lange Zeit war die deflektometrische 3D-Vermessung von transparenten Objekten durch den Reflex der Objektrückseite nur für die Stichprobenkontrolle geeignet. Die Rückseite musste aufwändig aufgeraut und geschwärzt werden, wodurch das Bauteil zerstört wurde. Durch die Auswahl geeigneter Lichtwellenlängen im UV-Bereich und den Einsatz entsprechender Auswertesoftware kann der Rückseitenreflex vermieden werden. Die Lichtwellen werden durch das Material schlicht absorbiert, sodass kein Reflex entsteht. Somit sind auch transparente spiegelnde Objekte, wie Linsen, Projektionsdisplays und Kunststoffoptiken in einer 100%-Kontrolle prüfbar. Deflektometrische Stereo-Verfahren eignen sich insbesondere für Kontrollen mit hohen Genauigkeitsanforderungen und kurzen Taktzeiten im niedrigen Minutenbereich. Aktuell werden die 3D-Prüfgeräte in der Produktion von Head-Up-Display-Spiegeln, Wafern und in der Brillenglasfertigung eingesetzt. Kommende Einsatzgebiete ergeben sich in der Automobilindustrie, wo diverse Bauteile, wie Rückspiegel, Scheiben und lackierte Karosserieteile geprüft werden müssen. Die vorgegebenen Toleranzen bei der Head-Up-Display Spiegel Herstellung können nur durch eine 100%-Kontrolle aller Spiegel eingehalten werden. Insbesondere bietet die Messtechnik die Möglichkeit, auch unbeschichtete Spiegel zu vermessen. Dies spart Kosten, da Schlechtteile bereits unmittelbar nach dem Spritzgussprozess aussortiert werden können. Die Messzeit von unter einer Minute bei vollflächiger Messung mit vielen 100.000 Punkten ermöglicht auch die Verwendung der Form- und Neigungsdaten für eine Simulation der zu erwartenden Bildqualität im Head-Up-Display. Die Messungenauigkeit liegt dabei unter 2µm für die Höheninformation bzw. 0,05mrad für die Neigungsdaten. Die Brillenglasfertigung mit HSC-Bearbeitung (HSC=high-speed cutting) ermöglicht eine vollautomatisierte Fertigung von individuellen Gleitsichtgläsern. Die neu entwickelte UV-Deflektometrie bietet hier eine 100%-Kontrolle der gefertigten Freiformflächen mit einem automatischen CAD-Vergleich auf Basis des Flächenbrechwertes, der aus den Neigungsdaten mit einer Genauigkeit von 1/100 Dioptrie ermittelt wird. Die Einbindung erfolgt direkt in die Fertigungslinie nach dem Polieren des Brillenglases. Der Vorteil der UV-Deflektometrie besteht darin, dass die Rückseite keinen störenden Einfluss mehr auf das Messergebnis hat und so die zerstörungsfreie Prüfung von Brillengläsern möglich ist. Die bearbeitete Seite des Glases kann im aufgeblockten Zustand vermessen werden.

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