Inverse Deflektometrie – Fehlerdetektion auf spiegelnden Oberflächen

Was versteht man unter Deflektometrie?

© Fraunhofer IIS
Abb. 1: Bei der Deflektometrie wird die Oberflächenbeschaffenheit über Abweichungen im reflektierten Bild detektiert. Dellen auf dem Flugzeugrumpf können so mittels der Spiegelungen von Wolken detektiert werden.

Unter dem Stichwort Deflektometrie fasst man eine Reihe von Mess- und Prüftechniken für spiegelnde oder teilspiegelnde Oberflächen zusammen. Alle Verfahren haben gemeinsam, dass die Spiegelung eines bekannten Musters an der zu prüfende Oberfläche untersucht wird. Deflektometrische Verfahren zeigen daher eine große Nähe zum menschlichen Sehen. Auch der Mensch nimmt Fehler auf spiegelnden Oberflächen über Abweichungen im reflektierten Bild wahr. So können zum Beispiel Dellen auf der Flugzeugaussenhaut über die Spiegelungen von Wolken detektiert werden (s. Abb. 1).

Welche Vorteile bietet die Inverse Deflektometrie gegenüber der klassischen Deflektometrie?

Als Inverse Deflektometrie bezeichnen wir ein am Fraunhofer IIS entwickeltes und patentiertes Verfahren, welches sich besonders für den industriellen Einsatz eignet.
Bei der inversen Deflektometrie handelt es sich um ein scannendes Verfahren, d.h. das zu prüfende Objekt wird in der Bewegung erfasst (Alternativ kann auch der Messkopf bewegt werden).

Da in der industriellen Fertigung das Prüfobjekt oft sowieso auf einer Fertigungsstraße bewegt wird, kann das Verfahren einfach implementiert werden. Oft ist dies auch in zeitlicher Hinsicht ein großer Vorteil, da im Optimalfall keine zusätzliche Messzeit benötigt wird.

Ein weiterer großer Vorteil ist das Erfassen von transparenten Objekten wie optischen Gläsern. Dies stellt in der klassischen Deflektometrie ein Problem dar, da es zu einer zusätzlichen Spiegelung auf der Rückseite des Objekts kommt. Die Überlagerung zweier komplexer Reflektionen lässt sich nicht mehr einfach trennen. Daher muss die Rückseite solcher Objekte in der klassischen Deflektometrie mattiert und geschwärzt werden, um die Reflektion an der Rückseite zu unterdrücken. Das Prüfobjekt wird dadurch für den Endanwender unbrauchbar. Eine Serienprüfung solcher Objekte ist bei klassischen deflektometrischen Verfahren nicht möglich.

Im Gegensatz dazu ermöglicht die inverse Deflektometrie erstmals eine inlinefähige 100%ige Kontrolle. Dieser Vorteil der inversen Deflektometrie kann im Idealfall sogar noch erweitert werden. So kann zum Beispiel bei Schutzbrillen die Oberfläche und die Rückseite gleichzeitig erfasst werden. Dies wird möglich, da das an beiden Oberflächen reflektierte Signal ausgewertet werden kann.
Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel Kratzer, Risse sowie Lackläufer oder Einschlüsse auf beiden Seiten einer Schutz- oder Sportbrille mit nur einer Messung detektieren.

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Messung eines Gleitsichtglases mittels Inverser Deflektometrie. Das Glas muss hierbei weder mattiert noch geschwärzt werden und bleibt somit weiterhin verwendbar.
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Die ausgegebenen Messdaten lassen eindeutige Rückschlüsse auf die fehlerfreie Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks zu.
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Defekterkennung auf einer spiegelnden Oberfläche

Was ist der Unterschied zum Lichtschnittverfahren?

Im Gegensatz zu den deflektometrischen Verfahren wird das Lichtschnittverfahren zur Prüfung von diffus streuenden Oberflächen eingesetzt.
Die Inverse Deflektometrie ist daher eine eine ideale Ergänzung zum bisherigen Lichtschnittverfahren, da hierbei nicht länger eine diffus streuende Oberfläche zur Verfügung stehen muss.
Beide Verfahren können auch kombiniert werden, um Oberflächen zu erfassen, die sowohl spiegeln als auch diffus streuen.

Welche Anwendungsfelder sind möglich?

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Oberflächenbeschaffenheit eines Handydisplays

Die Inverse Deflektometrie eignet sich zur Vermessung und Fehlerdetektion auf (teil-) spiegelnden Oberflächen.
Insbesondere in folgenden Bereichen sind Qualitätsevaluierungen möglich:

Qualitätskontrolle und Defekterkennung bei

  • Optische Gläser
  • Brillengläser, insbesondere Gleitsichtgläser
  • Kugeln von z.B. Kugellagern
  • Schutzbrillen
  • Scheinwerfergläsern
  • Spiegel
  • Fenster
  • Displays
  • Spritzgussformen
  • Produkte der Medizintechnik
  • lackierte Oberflächen
  • Kontrolle der Planlage bei Folien
  • …  

Wie sieht ein Messaufbau für die Inverse Deflektometrie aus?

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Messaufbau zur Inversen Deflektometrie

Ein möglicher Messaufbau der Inversen Deflektometrie ist in der nebenstehenden Abbildung dargestellt:
Ein Linienlaser wird auf die zu untersuchende Oberfläche projiziert. Aufgrund der spiegelnden Oberfläche wird das Licht auf einen Schirm reflektiert und von dort auf eine Kamera abgebildet.
Zur Abtastung der gesamten Oberfläche muss der Sensor oder die Oberfläche linear bewegt werden. Die Position und die Oberflächennormale am Ort der Reflektion hat dabei Einfluss auf den Projektionsort auf dem Schirm. Durch Bestimmung des Linienverlaufs auf dem Schirm können Rückschlüsse auf die Form der zu prüfenden Oberfläche gezogen werden.

Wie auch die klassische Deflektometrie ist das Verfahren besonders sensitiv für lokale Winkeländerungen.