PolKa. Prüfung von Verbundmaterialien und transparenten Stoffen. Technologieforum Optische Sensoren

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1 PolKa Prüfung von Verbundmaterialien und transparenten Stoffen Technologieforum Optische Sensoren Strategische Partnerschaft Sensorik e.v./cluster Sensorik 29.April 2014 Jürgen Ernst

2 Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Gegründet 1985 Institutsteile: Erlangen Nürnberg Fürth Dresden Ilmenau Mitarbeiter: ca

3 Abteilung Bildsensorik Arbeitsgruppe Imaging Solutions Uncover the Invisible Beleuchtung Optik Bildsensoren Hardware Algorithmen Software

4 Überblick 1. Grundlagen 2. Stand der Technik 3. Innovativer Polarisationssensor 4. Kamera 5. Anwendungen

5 1. Grundlagen Qualitäten des Lichts Intensität (Amplitude): Wahrnehmung als Helligkeit Wellenlänge: Wahrnehmung als Farbe Polarisation: keine Wahrnehmung

6 1. Grundlagen Entstehung polarisierten Lichts Polarisationsfilter unpolarisiert polarisiert Reflexion an nichtmetallischen Oberflächen z.b. Glas Polarisation durch Streuung (z.b. Himmelslicht) unpolarisiert Teilchen unpolarisiert polarisiert teilpolarisiert

7 2. Stand der Technik Polarisationskameras Realisierungskonzepte für Polarisationskameras Mechanische Polfilter, die gedreht werden -> sequentielle Aufnahme Großflächiger LCD-Shutter vor dem Bildsensor, Polfilter wird umgeschaltet, -> sequentielle Aufnahme Strahlteiler, Aufteilung des Lichts auf mehrere Bildsensoren mit fixierten Polfiltern -> aufwändig; spezielle Objektive nötig Bisherige Lösungen sind Laborgeräte Komplizierter mechanischer Aufbau, z.t. hohe Präzision erforderlich Teuere bis sehr teuere Kameras (ca Euro) Ungeeignet für Miniaturisierung

8 3. Innovativer Polarisationssensor Funktionsprinzip Idee: Einbau eines Drahtgitterpolarisators in den CMOS-Prozess Nanostrukturierung der Al-Schicht mittels moderner CMOS-Technologie Aufbau eines Polarisationssensors mit Polarisator und Photodiode Metall Silizium

9 3. Innovativer Polarisationssensor Verhalten eines Pixels Incident light SiO 2 Al 400 nm

10 3. Innovativer Polarisationssensor Aufbau 4 unterschiedlich orientierte Pixel in einer Gruppe (0, 45, 90, 135 Grad) Pixelanordnung Grauwertbild

11 3. Innovativer Polarisationssensor Bildaufbereitung Korrigierte Ausgangswerte der vier verschiedenen Pixel Berechnung des Stokes-Vektors Korrigierte Pixelwerte Stokes Vektoren Pixelwert [DN] Wert 0-50 S0 S1 S Winkel [ ] Winkel [ ]

12 4. Kamera Technische Daten CMOS-Bildsensor mit integrierten Polarisationsfiltern (0, 45, 90, 135 ) Pixelweise Erfassung und Analyse von linear polarisiertem Licht ( nm) Auflösung: 240x240 (640x480) Pixel Single-shot Aufnahme Geschwindigkeit 300 fps (maximal) Polarisationskontrast > 100:1 Winkelgenauigkeit besser 0,2 Grad GigE Vision Schnittstelle C-Mount Preiswerte Herstellung durch Standard- CMOS-Prozess

13 5. Anwendungen Testchart für Polarisation 12 Felder mit Polarisationsfiltern in unterschiedlicher Orientierung

14 5. Anwendungen Testchart für Polarisation Falschfarbendarstellung der Eigenschaften des polarisierten Lichts im HSV Farbraum Hue (Farbton) = Winkel Saturation = Pol.-Grad Value = Helligkeit

15 5. Anwendungen Visualisierung von Materialspannungen CD-Hülle aus Polystyrol Eingefrorene Spannungen, die beim Spritzguss entstanden sind, drehen die Polarisationsrichtung des Lichts.

16 5. Anwendungen Visualisierung von Materialspannungen Plexiglas-Stab Einseitig eingespannter Stab ohne äußere Kräfte. Innere Spannungen aus dem Herstellungsprozess drehen die Polarisationsrichtung des Lichts.

17 5. Anwendungen Visualisierung von Materialspannungen Plexiglas-Stab Durch Belastung eines einseitig eingespannten Stabes entstehen mechanische Spannungen. Diese drehen die Polarisationsrichtung des Lichts. F

18 5. Anwendungen Visualisierung von Materialspannungen Flüssigkeitsgefüllte Glasflasche Durch örtliche Erhitzung entstandene Materialspannung in Glas.

19 5. Anwendungen Qualitätssicherung CFK Inspektion von Bauteilen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) Visualisierung des Faserverlaufs mittels Falschfarbendarstellung der Polarisationsrichtung Vorteile: Wesentlich höherer Kontrast Einfachere Bildauswertung Tolerant gegen Unschärfe

20 5. Anwendungen Qualitätssicherung CFK CFK-Gewebe, bidirektional

21 5. Anwendungen Qualitätssicherung CFK CFK-Gelege, unidirektional, gesteppt mit Kunststoff-Faden

22 5. Anwendungen Qualitätssicherung CFK CFK-Gelege, unidirektional, mit Fehlstelle

23 5. Anwendungen Qualitätssicherung CFK CFK-Gewebe, fokussiert CFK-Gewebe, defokussiert

24 5. Anwendungen Qualitätssicherung CFK Stärken der PolKa Echtzeitsystem, Faserrichtung wird gemessen und nicht berechnet Wesentlich höherer Kontrast gegenüber normaler Bildgebung Einfachere Bildauswertung One-shot Bildaufnahme für bewegte Objekte in schnellen Prozessen Tolerant gegen Unschärfe, vorteilhaft bei 3D-Objekten Integration in Prozessablauf an vielen Stellen gut möglich Robust, keine bewegten Teile Sehr geringe Betriebskosten Keine gefährliche Strahlung -> hohe Arbeitssicherheit, kein Spezialpersonal

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Jürgen Ernst