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Messung der SVBRDF metallischer Oberflächen zur Detektion mikroskopischer Defekte

Dipl.-Ing. Andreas Winkler

Die Qualitätssicherung in Produktionsprozessen gewinnt vor allem in der Automobilindustrie immer mehr an Bedeutung. Besonderen Stellenwert hat dabei die Überprüfung metallischer Oberflächen auf mikroskopisch kleine Defekte wie Kratzer oder Verschmutzungen, bei der man mit herkömmlichen Methoden der digitalen Bildverarbeitung an Grenzen bei der Detektionswahrscheinlichkeit stößt. Einen neuen Ansatz bietet hier die Vermessung der SVBRDF, der "Spatially Varying Bidirectional Reflectance Distribution Function".

Die SVBRDF beschreibt das Reflektanzverhalten an einzelnen Punkten einer Oberfläche für verschiedene Richtungen des einfallenden Lichts sowie verschiedene Richtungen des reflektierten Lichts und beinhaltet somit im Vergleich zu einfachen Fotografien der Probe wesentlich mehr Informationen über die Oberfläche und deren mögliche Defekte. Ein betrachteter Punkt auf der Oberfläche kann durch zwei Koordinaten beschrieben werden und die Richtungen des einfallenden und des reflektierten Lichts können jeweils durch zwei Winkel parametrisiert werden (den Polarwinkel und das Azimut, Abb. 1). Berücksichtigt man die Wellenlänge des Lichts als zusätzliche Variable, erhält man für die SVBRDF eine 7-dimensionale Funktion.

Abb. 1: Schematische Darstellung eines Flächenelements dA auf einer Probe, das von einer Leuchtdiode beleuchtet und von einer Kamera beobachtet wird. Die Polarwinkel des einfallenden und des reflektierten Lichts werden zum Lot gemessen und die Azimute werden in der Ebene normal zum Lot gemessen.

Zur Messung der SVBRDF wurde im Labor ein Gonioreflektometer aufgebaut. Kernstück des Aufbaus ist ein sphärisches Gelenk zum Bewegen der zu untersuchenden Probe, bei dem drei Rotationstische der URS-Serie der Newport Corporation so zueinander montiert sind, dass sich die Drehachsen in einem Punkt schneiden (Abb. 2). Diese Anordnung erlaubt, die Probe entlang einer virtuellen halbkugelförmigen Fläche beliebig zu positionieren. Als Lichtquelle werden Hochleistungs-LEDs der XQ-Serie von Cree Inc. in verschiedenen Farben verwendet, die mit einer mechanischen Konstruktion entlang einer Kreisbahn rundum die Probe bewegt werden können. Die Leuchtdioden bieten den Vorteil, dass Sie mit ihrer kleinen Grundfläche dem Verhalten einer Punktlichtquelle nahe kommen, außerdem haben farbige LEDs typischerweise ein schmalbandiges Spektrum. Als Detektor dient eine Prosilica GC Kamera von Allied Vision Technologies, die im Zenit des sphärischen Gelenks fest montiert ist.

Abb. 2: Das sphärische Gelenk zum Bewegen der Probe entlang einer virtuellen Halbkugel ist das Herzstück des Gonioreflektometers.

Ziel dieser Arbeit ist es, mikroskopisch kleine Defekte auf metallischen Oberflächen anhand der Abweichungen zwischen gemessener SVBRDF und der typischen SVBRDF einer Referenzprobe zu detektieren. In weiterer Folge soll untersucht werden, wie dicht die SVBRDF gescannt werden muss, um Defekte mit einer bestimmten minimalen Größe gerade noch detektieren zu können, um daraus die notwendigen Voraussetzungen für die Integration des Messverfahrens in einen industriellen Produktionsprozess ableiten zu können.

Um Messfehler des Gonioreflektometers zu minimieren, müssen die Positionen von Kamera und Lichtquelle relativ zur Probe möglichst genau bekannt sein und die inhärenten Verzerrungen des optischen Abbildungssystems müssen berücksichtigt werden. Des Weiteren ist eine radiometrische Kalibrierung von Kamera und Lichtquelle notwendig. Dabei wird jedem Pixel der Kamera eine definierte Empfindlichkeit zugeordnet und die Lichtintensitätsverteilungen der Leuchtdioden werden bestimmt. Letztlich stellt auch die Speicherung und Verarbeitung der großen Messdatenmengen eine Herausforderung dar, bei der im Hinblick auf immer leistungsfähiger werdende Computersysteme künftiges Potential besteht.