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20.03.2017

System Specgage 3D von Isra Vision

3D-Inspektion von Umlenkspiegeln

Eine zentrale Komponente von Head-up-Displays sind die empfindlichen Umlenkspiegel. Diese werden mit einem System geprüft, für das die phasenmessende Deflektometrie mit dem Stereoverfahren kombiniert wurde. So soll eine verzerrungsfreie Projektion sichergestellt werden.

System Specgage 3D (© Isra Vision)

Sie sind das vielleicht bekannteste Beispiel für Augmented Reality, eine durch technische Hilfsmittel erweiterte Realität: Head-up-Displays (HUD). In Fahr- oder Flugzeugen projizieren diese mittels Lichtquelle und Umlenkspiegel Informationen auf eine kleine Scheibe direkt in das Sichtfeld des Fahrers oder Piloten. Früher nur in Flugzeugen und Hubschraubern eingesetzt, sind HUDs heute gerade auch aus Sicherheitsgründen für Fahrzeuge aller Klassen verfügbar.

Mehrstufige Prüfung der Umlenkspiegel

Der Umlenk- oder Freiformspiegel ist das zentrale Element der Head-up-Displays. Von der fehlerfreien Krümmung hängt entscheidend die Qualität des projizierten Bildes ab. Hergestellt im Spritzguss- oder Glasbiegeverfahren, ist die Herstellung der Spiegel aufwendig und fehleranfällig. Daher produzieren nur wenige Anbieter das sensible Bauteil in Eigenarbeit und setzen stattdessen auf spezialisierte Zulieferer. Nur zu 100 Prozent defektfreie Spiegel werden weiterverarbeitet.

Damit die Informationen perfekt für den Fahrer ablesbar sind, werden die hochreflektierenden Teile des HUDs in mehrstufigen Verfahren geprüft. Hersteller verwenden verschiedene Verfahren, um die Qualität der Spiegel zu sichern, von denen jedes allerdings individuelle Nachteile birgt.

Der Einsatz taktiler Messtechnologie etwa ist in der Regel deutlich zeitaufwendiger als ein optisches Verfahren und birgt das Risiko, die Beschichtungen des Spiegels zu zerstören. Eine 100-Prozent-Detektion lässt sich so kaum realisieren. Optische Lösungen sind prinzipiell geeignet, scheitern aber häufig an der spiegelnden Freiformfläche. Diese bleibt für eine Kamera "unsichtbar", da nur die Wirkung des Lichts auf die reflektierende Oberfläche für die Kamera erkennbar ist, nicht aber die Eigenschaften der Oberfläche selbst.

Interferometrische Methoden, die Weglängendifferenzen zwischen einem reflektierten und einem Musterlichtstrahl ermitteln, würden diese Schwierigkeit beilegen, benötigen in der Regel aber teure Kompensationsoptiken. Auch ein optischer Tastsensor erfordert eine zusätzliche Bewegungsmechanik, die den Sensorkopf entlang der Oberfläche verfährt.

Zwei Verfahren wurden kombiniert

Bei der Prüfung von Umlenkspiegeln muss das Problem der "unsichtbaren", nicht streuenden Oberflächen umgangen werden. Daher hat Isra Vision, Darmstadt, die phasenmessende Deflektometrie mit einem stereometrischen Ansatz und einer Streifenmusterbeleuchtung kombiniert. Auf diesem vom Hersteller entwickelten Verfahren basieren die Systeme SpecGage3D. Sie bestehen aus einer Projektionseinheit und zwei oder mehr Kameras, die in ihrer Position auf den Projektor sehr genau kalibriert sind. In der Standardausführung können Prüffelder von 230 mm × 170 mm bis 300 mm × 200 mm geprüft werden.

Das Muster besteht dabei nicht aus klar abgegrenzten dunklen und hellen Streifen, sondern ergibt sich aus den insgesamt sinusförmig verlaufenden Grauwerten der einzelnen Punkte auf der Scheibe. Für das menschliche Auge erscheinen diese als unscharfe Streifen, sie definieren aber durch Verschiebung der Sinusphasen und Grauwerte letztlich jeden Punkt der geprüften Oberfläche. Wahlweise werden die Sinusstreifen mit einem Projektor auf eine Mattscheibe geworfen oder direkt auf einem LCD-Schirm erzeugt.

Spiegelnde Oberflächen reflektieren in der Regel einfallendes Licht nur in eine Richtung, die sich aus dem Einfallswinkel des Lichts ergibt. Mattscheibe oder LCD-Schirm bieten dagegen einen Lichteinfall aus vielen verschiedenen Richtungen an; so ist sichergestellt, dass in jeder Situation Licht in das Objektiv der beobachtenden Kamera einfällt. Je nach Form des Objekts erscheint das reflektierte Streifenmuster verzerrt auf der Oberfläche.

Die Kameras erfassen die volle Fläche und Geometrie eines Objekts und bestimmen gleichzeitig punktgenau Abweichungen vom Solldatensatz. Dabei erzielt das System laut Hersteller Genauigkeiten von unter 3 µm Abweichung für die Höhenmessung und 10 mD in der Krümmungsmessung.

Durch Verwendung des Stereo-Ansatzes kann für jeden Punkt der spiegelnden Fläche sowohl die Oberflächennormale als auch die Höhe zuverlässig und unabhängig von der Bauteilpositionierung bestimmt werden. Der Anwender erhält als Ergebnis eine hochaufgelöste Höhen- und Neigungskarte des Objekts, die sich für den Abgleich mit einem CAD-Maßdatensatz eignet. Die Messergebnisse werden in weniger als zehn Sekunden (Betriebssystem Windows 7 pro, 64 Bit) ausgegeben.

Die Inspektion mit phasenmessender Deflektometrie spart weitere Bearbeitungsstufen ein, schont Ressourcen, reduziert die Maschinenlaufzeiten und sichert die Zufriedenheit der Kunden. Dies gilt auch für weitere Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen, wie etwa die Prüfung von Präzisionsoptiken oder Wafern. Auch für größere Objekte wie lackierte Autokarosserien lässt sich die Methode anpassen.

Control: Halle 4, Stand 4418

Isra Vision AG
www.isravision.com

Unternehmensinformation

ISRA Vision AG

Industriestr. 14
DE 64297 Darmstadt
Tel.: 06151 948-0
Fax: 06151 948-140

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