3D-Objekterfassung Wärmestrahlen nutzender Sensor scannt „unsichtbare“ Oberflächen

Redakteur: Peter Königsreuther

Maschinen und Robotersysteme konnten transparente Objekte bisher nicht oder nur unzureichend „sehen“. Eine Sensorentwicklung des Fraunhofer-IOF in Jena könnte das bald ändern.

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Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF hat man den MWIR-3D-Sensor entwickelt, der auch transparente Objekte aus Glas oder Kunststoff scannen kann.
Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF hat man den MWIR-3D-Sensor entwickelt, der auch transparente Objekte aus Glas oder Kunststoff scannen kann.
(Bild: Fraunhofer-IOF / W. Oppel)

Forschende am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena haben einen neuen 3D-Sensor entwickelt, der komplexe Objekte auch dann erfassen kann, wenn sie transparent sind. Das mit Wärmestrahlen (Infrarot) arbeitende System nennt sich MWIR-3D-Sensor. Es sei egal, ob die Gegenstände aus Kunststoff (etwa Polystyrol, Polycarbonat oder Acrylglas) sind oder aus Glas.

Doch das ist noch nicht alles, betonen die Experten, denn auch spiegelnde, metallische oder tiefschwarze Oberflächen bleiben nicht mehr unsichtbar. Auch ein Objekt aus einem Werkstoffmix könne damit leicht gescannt werden. Diese Erfindung verringert den bisherigen Aufwand, mit dem diese Art von Gegenständen scannbar gemacht wurden, indem man einen undurchsichtigen Lack applizierte, den man später wieder entfernen musste, heißt es weiter.

Einmal mehr, schafft der Laser einen Durchbruch

Den Forschenden aus Jena ist es nach eigenen Angaben erstmals gelungen, Wärmestrahlen für das Scannen von Objekte nutzbar zu machen. Die in die Realität umgesetzte Idee nennt sich nun „3D-Sensorik im thermischen Infrarot“. Die Hauptrolle spielt ein relativ energiereicher CO2-Laser, dessen Strahlen auf das zu scannende Objekt treffen. Hinzu kommen Speziallinsen, denen die Laserenergie nichts ausmacht. Sie bewirken, dass der Laserstrahl das Objekt als vertikal beleuchtende Linie überstreichen kann, wie die Experten erklären.

Diese Laserlinie wird nach einer abgestimmten Sequenz über das Objekt bewegt, heißt es weiter. Das Objekt absorbiert einen Teil der Laserenergie, ein anderer Teil wird reflektiert. Das linienförmige Abscannen sorge dafür, dass, im Gegensatz zur vollflächig bestrahlenden Methode, das Ganze auch für industrielle Zwecke praktikabel sei. Die thermische Wirkung auf das Objekt sei viel zu gering, um Schaden anzurichten, denn die Differenz zwischen bestrahlter und unbestrahlter Fläche betrage lediglich 3 Grad Celsius.

Der MWIR-3D-Sensor hilft bei der Erkennung transparenter Objekte, weil er mit Wärmestrahlung arbeitet. Diese wird zum Teil reflektiert und von zwei Wärmebildkameras (Bild) aus unterschiedlichen Blickwinkeln erfasst. Daraus kann man die räumliche Lage der Oberflächenpunkte berechnen.
Der MWIR-3D-Sensor hilft bei der Erkennung transparenter Objekte, weil er mit Wärmestrahlung arbeitet. Diese wird zum Teil reflektiert und von zwei Wärmebildkameras (Bild) aus unterschiedlichen Blickwinkeln erfasst. Daraus kann man die räumliche Lage der Oberflächenpunkte berechnen.
(Bild: Fraunhofer-IOF / W. Oppel)

Analyse-Duo aus Thermografie und Triangulation

Die thermische, streifenförmige sowie intensive Signatur der reflektierten Strahlung erfassen zwei Wärmebildkameras aus verschiedenen Blickwinkeln. Aus diesen Ansichten errechnet eine am IOF entwickelte Software die räumlichen Bildpunkte, wobei allmählich das gesamte 3D-Objekt entsteht. Mit einer adaptiven Spiegeloptik ist es nämlich gelungen, die Leistung des Lasers auf eine viel kleinere Oberfläche zu fokussieren. Viel schneller könnten so die nötigen Kontraste für die Wärmebildkameras erzeugt werden. Nur so sei es möglich, bei einer Bildfeldbreite von 160 Millimeter eine Genauigkeit von unter 10 Mikrometer für die 3D-Koordinaten zu erreichen.

Wer profitiert von der neuen 3D-Scannerei für Transparentes?

Am IOF werden nun diverse Systeme entwickelt, die auf der MWIR-3D-Messmethode basieren. Das Verfahren wird auch für verschiedene Messszenarien und für den Einsatz in industriellen Anlagen optimiert. Auch an einem System für die Anwendung in der Robotik wird gearbeitet. Alles konzentriere sich nun darauf, den Laboraufbau in einen möglichst kompakten und robusten Prototyp zu überführen. So sollen Roboter die Fähigkeit erhalten, auch transparente Objekte zu erkennen und greifen zu können.

Das erste anwendungsnahe System, das das MWIR-3D-Messprinzip sogar schon nutzt, heißt„Glass360Dgree“. Es ist speziell für die Überprüfung von Glaskörpern in der Optikfertigung ausgelegt. Das System wird übrigens im Rahmen der Messe „Control-Virtuell“ von den Forschenden präsentiert.

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