Holoflash« setzt neue Maßstäbe

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R P h y si k a l is c he M esste c hni k I pm
3D-Daten auf einen Blick
Das digital-holographische Inspektionssystem
»HoloFlash« setzt neue Maßstäbe
1
I n l ine - I nspe k tion
3D-Daten auf einen Blick
Das digital-holographische Inspektionssystem
»HoloFlash« setzt neue Maßstäbe
Die Vermessung dreidimensionaler Oberflächen ist eine altbekannte Aufgabe für die industrielle Messtechnik.
Typischerweise verwendet man dafür optische Verfahren wie Streifenreflexion, Lasertriangulation oder Weißlicht-Interferometrie. Solche Systeme sind jedoch für viele Messaufgaben in der Inline-Inspektion entweder zu
langsam oder zu ungenau. Das neue Inspektionssystem »HoloFlash« von Fraunhofer IPM setzt nun dank eines
digital-holographischen Verfahrens neue Maßstäbe in puncto Messgeschwindigkeit bei hoher Genauigkeit.
In der Fertigung von Hightech-Produkten oder sicherheitsrelevanten Bauteilen muss nicht selten
jedes einzelne Bauteil geprüft werden. Dichtungsringe beispielsweise müssen ganz bestimmte
Oberflächenstrukturen aufweisen, um die gewünschte Dichtigkeit zu garantieren. Das sollte im
Idealfall schon in der Produktion gemessen werden. Das Inspektionssystem »HoloFlash«, das
am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg entwickelt wurde, kann
solche Mikrostrukturen innerhalb von nur einer Millisekunde erfassen und erlaubt dadurch die
gewünschte 100%-Prüfung direkt in der Fertigungslinie. Grundlage des Systems ist ein digitalholografisches Messverfahren, das trotz der kurzen Messzeit eine hohe Genauigkeit aufweist.
Fraunhofer IPM präsentierte mit seinem schnellen Inspektionssystem »HoloFlash« auf der internationalen Fachmesse für Qualitätssicherung »Control 2010« eine Weltneuheit. Was aber
steckt technisch dahinter?
Digitale Holographie – kontaktlos und hochpräzise
»HoloFlash« ist im Gegensatz zu vergleichbar exakten optischen Messverfahren nicht-scannend
und kommt stattdessen mit einer flächigen blitzartigen Belichtung aus. Dabei beleuchtet ein
aufgeweiteter Laserstrahl die zu vermessende Oberfläche und wird nach der Reflektion mit dem
Ursprungslaserstrahl überlagert. In dem dann vorliegenden Interferogramm sind alle notwendigen 3D-Informationen der beleuchteten Oberfläche enthalten. Das ist das Prinzip der Holographie, wie es Dennis Gábor schon im Jahre 1948 in der Zeitschrift Nature unter dem knappen
Das Inspektionssystem
Titel »A New Microscopic Principle« beschrieben hat. Doch auch heute – über 60 Jahre später –
»HoloFlash« erfasst selbst
sind die Anwendungsmöglichkeiten der Holographie noch lange nicht ausgereizt. Die Mess-
winzige Strukturen mit ex-
technik-Entwicklungen am Fraunhofer IPM beweisen es immer wieder aufs Neue.
trem kurzer Messzeit und
Aber zurück zur Messung: Wie kommt man nun an die im Hologramm versteckte 3D-Informa­
hoher Genauigkeit. Daher
tion? Bei »HoloFlash« zeichnet ein Hochleistungs-CCD-Chip (Charged Coupled Device) das
eignet es sich für die 100-
zweidimensionale Interferenzmuster – das digitale Hologramm – mit 16-Megapixel-Auflösung
Prozent-Kontrolle schneller
auf. Anschließend wird daraus numerisch das 3D-Bild durch ein räumliches Phasenschiebever-
Produktionsabläufe in der
fahren in Kombination mit der numerischen Lösung des Beugungsintegrals rekonstruiert. Das
Fertigungslinie.
geschieht rasend schnell: Nach kaum einer halben Sekunde steht das 3D-Messergebnis bei-
(Bildquelle: FotoMike1976 / Fotolia,
spielsweise zur Produktionsregelung zur Verfügung (Abb. 1). Das Geheimnis hinter der schnel-
Fraunhofer IPM)
len Rekonstruktion ist die parallele Berechnung auf Grafikkarten.
2
1
1 Schnell und genau: Das
Grafikkarten als Supercomputer
digital-holographische Inspektionssystem »HoloFlash«
Durch die Überlagerung der Objekt- mit einer Referenzwelle auf der CCD-Kamera wird ein
stellt z. B. die 3D-Ober­
­digitales Hologramm erzeugt. Aus diesem kann die 3D-Information durch numerische Rekon­
flächenstruktur einer Zwei-
struktion der räumlichen Amplituden- und Phasenverteilung gewonnen werden. Hierfür werden
Euro-Münze (links) in rund
die 16-Megapixel-großen digitalen Hologramme in den Speicher der Grafikkarte kopiert. Dort
einer halben Sekunde fertig
arbeiten viele Prozessoren parallel – derzeit bis zu 512 – und beschleunigen die numerische
ausgewertet zur Verfügung
­Rekonstruktion im Vergleich zur Berechnung auf einem modernen Hauptprozessor (CPU) um
(rechts).
mehr als eine Größenordnung. Die Berechnung geschieht in mehreren Schritten (siehe Infobox).
(Bildquelle Münze: Reppa GmbH)
Dieses zweistufige Vorgehen (Phasenschiebeverfahren kombiniert
Infobox Numerische Rekonstruktion der 3D-Information
mit der Auswertung des Beu-
Auf der Grafikkarte wird in einem ersten Schritt die komplexe
gungsintegrals) unterdrückt die
Objektwelle (Amplitude und Phase) in der Hologrammebene
Überlagerungen durch ein so ge-
durch Lösen der so genannten Interferogrammgleichung
nanntes »Twin-Image« und die
berechnet:
nullte Beugungsordnung, welche
ansonsten mit rekonstruiert würden [1, 2]. In einem letzten Rechenschritt wird die durch die zwei
Einzelwellenlängen generierte syn-
Anschließend wird in einem zweiten Schritt die komplexe Objekt-
thetische Wellenlänge »virtuell«
welle durch numerische Auswertung des Fresnel-Kirchhoff‘schen
im Rechner erzeugt. Die dabei er-
Beugungsintegrals in der Ebene des Messobjekts rekonstruiert:
zeugte synthetische Phasenkarte
enthält die gewünschte 3D-Information des Messobjekts. Das Ergebnis ist eine 3D-Kartierung der
Objektoberfläche.
Viele Anwendungen: Hauptsache schnell und flexibel
Für den Anwender sind letztendlich natürlich nicht die Messtechniken entscheidend, sondern
die sich daraus ergebenden Möglichkeiten. Als berührungslos arbeitendes Messsystem eignet
sich »HoloFlash« besonders für die schnelle 3D-Oberflächenvermessung von Bauteilen. Besondere Vorteile verspricht es durch seine kurze Belichtungszeit von unter einer Millisekunde bei
schnellen Inspektionsaufgaben in der Fertigung von Hightech-Produkten und -Halbzeugen –
etwa in Luftfahrt-, Automobil- oder Medizintechnik. Die laterale Auflösung liegt bei 20 µm, die
vertikale Auflösung bei unter 1 µm. Diese einzigartige Kombination aus kurzer Messzeit und
hoher Auflösung bei einer Messfeldgröße von bis zu 4 x 4 cm2 macht »HoloFlash« für viele Aufgaben besonders in der Inline-Messtechnik interessant. Sowohl die l­aterale Auflösung als auch
3
I n l ine - I nspe k tion
Durch kohärente Überla-
die Messfeldgröße sind dabei flexibel an die jeweilige Applikation anpassbar. Das zugrunde lie-
gerung des am Messobjekt
gende Verfahren der digitalen Holographie besticht zusätzlich durch seine hohe Toleranz ge-
gebeugten Laserlichts (der
genüber leicht spiegelnden oder rauen Oberflächen. Die vergleichsweise Unempfindlichkeit des
Objektwelle) mit einer Refe-
gesamten Systems gegenüber Vibrationen erlaubt eine einfache Inte­gration selbst in raue Pro-
renzwelle entsteht auf dem
duktionsumgebungen.
CCD-Sensor ein digitales
Hologramm. Die gleichzei-
Referenzwelle
tige Beleuchtung mit zwei
Wellenlängen und deren
Objektwelle
inkohärente Überlagerung
Grafikkarte
erzeugt darüber hinaus
rein numerisch eine synthetische Wellenlänge, die
Messungen auch an rauen
CCD
»speckelnden« Oberflächen
ermöglicht.
Weiteres digital-holographisches Inspektionssystem für Höhenmessung
Neben »HoloFlash« wurde am Fraunhofer IPM mit »HoloTop« ein weiteres voll industrietaug­
liches digital-holographisches Inspektionssystem entwickelt. Während »HoloFlash«, ausgestattet
mit einem 16-Megapixel-CCD-Chip, vor allem höchste Auflösung liefert, zeichnet sich »HoloTop« durch einen Eindeutigkeitsbereich in der Höhenmessung von bis zu 10 mm aus. Mit diesen Systemen gelingt es erstmalig, die digitale Holographie aus der Labor- in die ProduktionsKontakt:
umgebung zu überführen. Beide Inspektionssysteme lassen sich individuell an die jeweilige
Fraunhofer-Institut
Industriean­forderung anpassen. Der Anwendungsbereich ist aufgrund der äußerst schnellen
für Physikalische
und trotzdem sehr genauen Messung enorm.
Messtechnik IPM
Heidenhofstraße 8
Mit der digital-holographischen Vermessung von Oberflächen sind bei Fraunhofer IPM Markus Fratz,
79110 Freiburg
Volker Jetter, Gerhard Knoll, Karl Kulmus, Lysann Megel, Marcel Pfeifer und Daniel Carl befasst.
www.ipm.fraunhofer.de
Andreas Hofmann
Abteilung Neue Technologien
und Patente
Literatur:
Telefon +49 761 8857-136
[1]D. Carl, M. Fratz, M. Pfeifer, D. M. Giel, H. Höfler, Multiwavelength digital holography with
andreas.hofmann@
­autocalibration of phase shifts and artificial wavelengths, Applied Optics 48, H1–H8 (2009).
ipm.fraunhofer.de
[2]D. Carl, B. Kemper, G. Wernicke, G. von Bally, Parameter optimized digital holographic
­microscope for high r­ esolution living cell analysis, Applied Optics 43, 6536–6544 (2004).
4