Digitale Mehrwellenlängen-Holographie – vom Labor in die Fertigung

Digitale Holographie

Die digital-holographische 3D-Messtechnik ermöglicht die schnelle (sub-Sekunden) und gleichzeitig hochpräzise (µm-Bereich) Messung von 3D-Geometrien typischerweise streichholzschachtelgroßer technischer Bauteile. Das Grundprinzip der Holographie geht auf eine Erfindung von Dennis Gabor aus dem Jahr 1948 zurück, für die er 1971 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.

Im Gegensatz zur Fotographie, bei der die räumliche Verteilung der Lichtintensität gespeichert wird, nutzt die Holographie zusätzlich die Aufzeichnung der Phaseninformation. Voraussetzung hierfür ist eine kohärente Lichtquelle – typischerweise ein Laser. Wird die Oberfläche eines Prüflings mit Laserlicht beleuchtet, ist in der Phasenverteilung der rückgestreuten Lichtwelle die Form des Prüflings gespeichert. Durch die interferometrische Aufzeichnung und anschließende digitale Rekonstruktion wird diese Information zugänglich und genutzt, um Oberflächen dreidimensional zu vermessen.

Messen mit mehreren Wellenlängen an technischen Oberflächen

Durch den Einsatz mehrerer schmalbandiger Laser werden verschiedene synthetische Wellenlängen generiert. Dank dieser unterschiedlichen Wellenlängen erschließt sich ein breites Messspektrum, je nach Rauigkeit der Oberfläche vom (Sub-) Mikrometer- bis in den Millimeterbereich. Auflösung und Reproduzierbarkeit der Messungen sind vom Abstand der Einzelwellenlängen und von der Oberflächenbeschaffenheit abhängig und können durch geschickte Wahl der Lichtquellen flexibel an die jeweilige Anwendung angepasst werden.

Im Gegensatz zur klassischen Interferometrie oder Holographie mit nur einer Laserwellenlänge können mit der Mehrwellenlängen-Holographie optisch raue Oberflächen vermessen werden. Das auf rauen Oberflächen entstehende Specklerauschen, welches quantitative Phasenauswertungen zur Topographiebestimmung normalerweise unmöglich macht, wird durch die numerische Rekonstruktion bei verschiedenen Wellenlängen eliminiert. Dabei entsteht eine Phasenkarte bei der Schwebungsfrequenz der Einzelwellenlängen, welche die Information über die Topographie des beleuchteten Objekts enthält und quantitativ ausgewertet werden kann.

Genauigkeit und Geschwindigkeit bei anspruchsvollsten Inline-Prüfaufgaben

Die rechenaufwändige digital-holographische Rekonstruktion der komplexwertigen Wellenfelder, in denen die Prüflingstopographie gespeichert ist, erfolgt auf modernen Grafikkarten und wurde in den vergangenen Jahren um mehrere Größenordnungen beschleunigt. Der von Fraunhofer IPM entwickelte 3D-Sensor »HoloTop« wertet mehr als 100 Mio. Messpunkte pro Sekunde aus und besitzt damit hinsichlich Genauigkeit und Geschwindigkeit eine Alleinstellung.

Fraunhofer IPM besitzt ein Schlüsselpatent (DE102008020584B3) zur Selbstkalibration der synthetischen Wellenlängen, deren Länge die Maßverkörperung des Verfahrens darstellt.