Mit einem relativ neuen bildgebenden Verfahren im Bereich der Polarisation beschäftigt sich hingegen die Forschungsgruppe Prozesstechnik am Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien der TU Wien. Ferdinand Bammer ist dort federführend für das Projekt zuständig und erläutert die Grundlagen wie folgt: „Im Gegensatz zur Transmissions-Technologie nutzen wir Ellipsometrie, d.h. wir untersuchen Polarisationszustände des Lichts, das von Prüfobjekten reflektiert wird und erfassen die Intensitäten des reflektierten Lichts unter den linearen Polarisationswinkeln 0°, 45°, 90° und 135°. Mit den Verhältnissen dieser Intensitäten und einem geeigneten mathematischen Modell kann man die Qualität von Schichten und ihre Dicken bestimmen.“

Um eine vollständige Erfassung des Polarisationszustands zu ermöglichen, greifen die Forscher dabei in die optische Trickkiste: Da die Umlaufrichtung der gemessenen Polarisationsellipse bei diesem Verfahren zunächst nicht feststellbar ist, nutzen sie eine zusätzliche Viertelwellenplatte, die eine Messung der Intensitäten der 45°- und 135°-linear- und links/rechts-zirkular-Polarisierung erlaubt. „Aus diesen Intensitäten werden das 45°-Verhältnis R45 und das zirkular-Verhältnis Rz gebildet“, so Bammer. „Damit kann dann in der Regel eine vollständige Erfassung des Polarisationszustandes erfolgen. Die so ermittelten Kennzahlen R45 und Rz beziehungsweise die daraus direkt zu berechnenden klassischen Ellipsometriewinkel ψ und Δ hängen von den Probeneigenschaften ab. Den größten Einfluss auf diese Parameter hat dabei die Dicke einer etwaigen Beschichtung der Probe. Durch den Einsatz der Ellipsometrie ist es daher möglich, Aussagen über die Qualität von Schichtdicken zu treffen. Unser Ziel besteht darin, dieses im Labor funktionierende Verfahren so leistungsfähig und sicher zu machen, dass es auch in Inline-Anwendungen in der Industrie zum Einsatz kommen kann.“

Der Bedarf für solche Inline-Ellipsometriesysteme ist vorhanden und wächst stetig, erläutert Bammer: „In der Elektronikfertigung ist es bei zahllosen Prozessen erforderlich, die Qualität dünner Schichten aus Halbleitern, Metallen, Polymeren oder dielektrischen Schichten möglichst exakt zu ermitteln. Dies gilt unter anderem auch für die Herstellung von OLED-Displays, Brennstoffzellen-Membranen, Batterie-Elektroden, Photovoltaik-Komponenten sowie in der Pharma-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Durch ellipsometrische Messungen kann dort beispielsweise sichergestellt werden, dass die Dicke der Innenbeschichtung in Kunststoff- und Glasbehältern alle Anforderungen erfüllt, um die enthaltenen Produkte zu schützen und gleichzeitig zu garantieren, dass diese nicht ausdiffundieren.“

Polarisationskameras als Basis

Wie genau solche Schichtdicken gemessen und beurteilt werden müssen, hängt stark von der Anwendung ab. Bei Barriereschichten in Flaschen und auf Folien, bei Gleitschichten in pharmazeutischen Gebinden oder bei Primern auf Blechen, die in Form von Haftschichten oder als Vorbehandlung für eine bessere Anhaftung von Lacken genutzt werden, kann nach Bammers Worten eine Genauigkeit von rund 10 Prozent der Schichtdicke ausreichen. Typischerweise liegt die Schichtdicke in solchen Fällen im Bereich von 10 bis 200 nm. Bei komplexeren Anwendungen wie unter anderem in der organischen Photovoltaik (OPV) oder in der Displaytechnik sind jedoch gegebenenfalls auch höhere Genauigkeiten erforderlich.

„Um diese Vorgaben einzuhalten, haben wir am Markt nach geeigneten Polarisationskameras gesucht und aufgrund einer Empfehlung eines Forschungspartners auch gefunden“, so Bammer. „Laut dieser Empfehlung liefert SVS-Vistek die robustesten und vor allem rauschärmsten Kameras, daher haben wir diesen Hersteller gewählt und gute Erfahrungen mit Produktqualität und Service gemacht. Aktuell setzen wir das GigE Vision-Polarisationskameramodell exo250ZGE mit einer Auflösung von 5 Megapixeln und Datenraten bis 24,5 Bildern/s ein, das in einfachen Anwendungen unsere Anforderungen erfüllt.“ Für höhere Messgeschwindigkeiten installiert Bammer die USB3-Polarisationskamera exo250ZU3, die höhere Aufnahmeraten von bis zu 75 Bildern/s ermöglicht. Für Anwendungen, die eine höhere Auflösung erfordern, kommt die USB3-Polarisationskamera exo253ZU3 mit einer Auflösung von 12,3 Megapixeln zum Einsatz.

Neben den technischen Eigenschaften der Polarisationskameras von SVS-Vistek haben Bammer auch andere Faktoren überzeugt: „Schon in den ersten Gesprächen mit den Experten unseres Partners hat sich deren Kompetenz bezüglich der Kamera-Technologie und das Verständnis für unsere Vorstellungen deutlich gezeigt. Die Zusammenarbeit mit SVS-Vistek war schnell, freundlich und effizient – das hat uns bei der Realisierung unserer Ellipsometriesysteme sehr geholfen.“

Technologie-Akzeptanz erzielen

Als größte Herausforderung des Ellipsometrie-Projekts nennt Bammer das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Polarisation und der zu messenden Größe. „Diesen Zusammenhang zu verstehen und in eine einfache und robuste Messmethode umzusetzen, ist an sich schon nicht trivial. Ebenso schwierig ist es jedoch, Entscheidern in der Industrie die technischen Hintergründe zu vermitteln und deren Akzeptanz zu erreichen. Nur so ist es möglich, die im Labor bereits bewiesene Leistungsfähigkeit der Methode in den praktischen Einsatz zu überführen. Polarisationskameras von SVS-Vistek stellen dafür jedenfalls eine hervorragende Grundlage dar, auf die wir auch bei der Weiterentwicklung unserer Systeme bauen werden.“

Einige Systeme auf Basis dieser Technologie werden derzeit in die Praxis überführt. So wollen erste Anwender die Ellipsometrie aus Wien inzwischen in diversen Labor-Systemen, aber auch in industriellen Anwendungen wie unter anderem für Messungen der Schichtdicke und -qualität bei PET-Flaschen nutzen. Zwar können die sehr hohen Genauigkeiten der Labor-Ellipsometrie generell nicht in die Produktionslinie übertragen werden, doch für bestimmte Anwendungen ist die Güte der Messergebnisse auch heute schon ausreichend.

Durch die absehbaren Fortschritte der Technologie wird ihr Potential in Zukunft weiter zunehmen, davon ist Bammer überzeugt: „Bei der Produktion von Komponenten, die für den Einsatz in vielen Zukunftstechnologien benötigt werden, wie unter anderem Displays, Beleuchtungen, Photovoltaik-Komponenten, Akkus und Batterien, Brennstoffzellen oder Katalysatoren, besteht ein stetig steigender Bedarf an zuverlässigen, vollflächigen Qualitätskontrollen von Beschichtungen. Aufgrund dessen bin ich mir sicher, dass die Bedeutung der Polarisationstechnologie in den kommenden Jahren stark zunehmen wird. Aktuell ist in der Industrie noch ein zu geringes Verständnis und Wissen im Bereich Polarisationsmessung und Ellipsometrie vorhanden. Leistungsfähige Polarisationskameras wie die von SVS-Vistek könnten hier jedoch viele Türen öffnen.“

Basiswissen Polarisation

Polarisation bezeichnet die Ausrichtung von elektromagnetischen Schwingungen. Die elektromagnetischen Wellen des Lichts schwingen in verschiedenen Richtungen. Bei unpolarisiertem Licht sind diese Schwingungen zufällig verteilt. Durch geeignete Polarisationsfilter kann das Licht so gefiltert werden, dass nur Schwingungen in einer oder mehreren bestimmten Richtungen durchgelassen werden. Dieses polarisierte Licht, bzw. die Polarisationsänderung nach einer Reflexion, erlaubt dann die Messung bestimmter Eigenschaften, z.B. die Dicke von Beschichtungen.

Über SVS-Vistek:

Als innovativer Hersteller hochwertiger Industriekameras verfügt SVS-Vistek seit mehr als 35 Jahren über außergewöhnliches Know-How in der industriellen Bildverarbeitung. Das Unternehmen entwickelt und produziert eine breite Auswahl an Standardkameras sowie Kameras mit höchsten Auflösungen und Geschwindigkeiten, überdurchschnittlicher Bildqualität und allen relevanten Schnittstellen. Mit leistungsstarken Komponenten wie Objektiven, Beleuchtungen, Filtern, Framegrabbern und Kabeln unterstützt SVS-Vistek seine Kunden bei der Realisierung wirtschaftlicher, individueller Lösungen für verschiedenste Branchen.

Über die Forschungsgruppe Prozesstechnik am Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien der TU Wien:

Die Forschungsgruppe Prozesstechnik am Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien der TU Wien arbeitet gemeinsam mit Partnern aus der Industrie und Wissenschaft an verschiedenen Aufgabenstellungen im Bereich der Makro-, Mikro- und Nanobearbeitung, sowie an messtechnischen Fragestellungen. Diese untersucht sie mit Laser- und Lichtquellen, die Strahlung vom ultravioletten Bereich bis hin zum fernen infraroten Bereich des Spektrums emittieren. Die Aktivitäten der Forschungsgruppe reichen von der Grundlagenforschung bis zur angewandten Forschung.

Die erzielbare Bildqualität von Industriekameras hängt wesentlich von den Temperaturbedingungen des eingesetzten Kamerasensors ab: Mit zunehmender Sensortemperatur verschlechtert sich das Signal-Rausch-Verhältnis und die Empfindlichkeit des Sensors nimmt ab. Zudem ändert sich die spektrale Sensitivität für verschiedene Wellenlängen in Abhängigkeit von der Temperatur. Diese Effekte erschweren die nachfolgende Bildauswertung und können zu fehlerhaften Ergebnissen führen, die beispielsweise in der hochgenauen Farbanalyse von Displays nicht akzeptabel sind.

Zuverlässige, reproduzierbare Ergebnisse garantiert SVS-Vistek mit den neuen Kameramodellen shr411CXGE-T (Farbe) und shr411MXGE-T (Monochrom) durch die Verwendung der Thermoelectric Cooling-Kühltechnologie (TEC) auf Basis eines Peltier-Elements. TEC sorgt auch bei wechselnden äußeren Bedingungen für eine gleichbleibende Betriebstemperatur des Sensors und somit für eine stabile Bildqualität auf höchstem Niveau. Das durchdachte Gehäusedesign mit integrierter Lüftung ermöglicht eine Temperaturdifferenz von bis zu 15 °C zwischen Kameragehäuse und Sensor und stellt die Grundlage für optimale Temperaturverhältnisse des Sensors dar. 

Die neuen Kameras shr411xXGE-T in Monochrom und Farbe basieren auf den Sensoren IMX411ALR bzw. IMX411AQR von Sony und eignen sich durch ihre hohe Auflösung von 151 Megapixeln und die integrierte TEC-Kühlung für zahlreiche Anwendungen mit erhöhten Anforderungen, wie sie unter anderem in der Elektronik-, Halbleiter- und Flat Panel Display-Produktion sowie bei Digital Archiving-Systemen häufig vorliegen. Beide Modelle nutzen die leistungsfähige 10GigE-Schnittstelle mit hoher Bandbreite für die Übertragung der aufgenommenen Bilddaten. Selbst bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten ist damit eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung sichergestellt. 

Neben TEC-Kühlung und hoher Auflösung bestechen die neuen Kameras shr411xXGE-T von SVS-Vistek zudem durch außergewöhnlich exakte Bildkalibrierung, extrem hohe Homogenität und einem großen Dynamikumfang. Außerdem bieten die Kameras zahlreichen praxisbewährten Funktionen wie Defect Pixel Correction, Lens Shading Correction, ROI, LUT, Binning sowie einen integrierten 4-kanaligen LED-Blitz-Controller oder POE (Power Over Ethernet). Diese Eigenschaften machen die neuen shr411xXGE-T-Kameras zu einer prädestinierten Option für den Einsatz in High-End-Bildverarbeitungssystemen mit höchsten Anforderungen. 

19.200 x 12.800 Bildpunkten entgeht so leicht kein Fehler. Mit der shr811 erweitert SVS-Vistek die SHR-Kameraserie, die große Pixelstrukturen mit höchsten Auflösungen kombiniert und auf diese Weise eine herausragende Bildqualität in Anwendungen mit höchsten Anforderungen zur Verfügung stellt. Die präzise Inspektion von Wafern, Solarpanels und Displays sowie die Kontrolle größerer Flächen sind einige Beispiele von Applikationen, in denen die in Monochrom und Farbe verfügbare shr811 ihre Stärken voll ausspielt.

Als Basis für die hohe Auflösung und den hohen Dynamikumfang der shr811 setzt SVS-Vistek auf den CMOS-Sensor IMX811 von Sony mit Rolling Shutter, der mit höchster baulicher Genauigkeit in einem massiven, thermisch optimierten Gehäuse justiert ist. Eine hochwertige Harmonisierung der Bildpunkte mit Defect Pixel Correction garantiert ein rauschfreies Bild der Kamera, die aufgrund des großen M72 Objektiv-Mounts den Anschluss einer Vielfalt geeigneter Objektive erlaubt.

Die ökonomische, leistungsstarke CoaXPress-12-Schnittstelle mit vier Kanälen ermöglicht der shr811 auch bei langen Datenleitungen einen verzögerungsfreien Datentransfer von bis zu 12,4 Vollbildern/s sowie ein hervorragendes Latenzverhalten. Die Kamera ist mit einer umfangreichen I/O-Schnittstelle mit galvanischer Schnittstellentrennung, Sequenzer und integrierter Mehrkanal LED-Lichtsteuerung ausgestattet. Zahlreiche Funktionen wie unter anderem ein automatischer oder manueller Weißabgleich, AOI, LUT, Binning, eine interne Shading-Korrektur und PoCXP (Power Over CoaXPress) geben Anwendern alle Möglichkeiten an die Hand, um im Praxiseinsatz zuverlässige Ergebnisse zu garantieren. Ausgestattet mit diesen herausragenden technischen Merkmalen stellt die shr811 selbst für anspruchsvollste optische Aufgaben, wie z.B. die Inspektion von Displays, eine ideale Wahl dar.

Mikrotron EoSens9.5 heißt die neueste High-Speed-Kamera im Portfolio von SVS-Vistek. Auf Basis des integrierten LUX9506V3-Sensors von Luxima mit 6,5 µm großen Pixeln ermöglicht sie Global Shutter-Aufnahmen sehr schneller Abläufe zur nachfolgenden Analyse, wobei die erzielbare Aufnahmegeschwindigkeit vom Anwender auf die vorliegende Aufgabe angepasst werden kann. Bei Ausnutzung der vollen Auflösung von 9,5 Megapixeln im Format 4096 x 2304 ist die EoSens9.5 in der Lage, 509 Bilder/s zu erfassen. Verkleinert man die Area Of Interest (AOI) z.B. auf 1280 x 864, so liefert die High-Speed-Kamera im High Speed Mode 4.240 Bilder/s. Für extrem schnelle Vorgänge wie beispielsweise bestimmte Laser-Applikationen oder Aufgaben aus dem Bereich der Particle Image Velocimetry (PIV) kann die AOI bei Bedarf noch kleiner gewählt werden, um zum Beispiel 71.581 Bilder/s mit einer Auflösung von 128 x 128 Pixeln oder gar 225.000 Bilder/s mit einer Auflösung von 128 x 24 Pixeln zu erfassen.

Die umfangreichen Datenmengen, die bei Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit der Mikrotron EoSens9.5 entstehen, werden über eine leistungsfähige CXP12-Schnittstelle mit vier Kanälen an den Auswerterechner übertragen. Die neueste Generation der bewährten Mikrotron EoSens-Plattform ist für den Anschluss von Flatfront- und M58-Objektiven sowie unter Verwendung eines Adapters für C-Mount-Objektive ausgelegt.

Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeiten bei Bildaufnahme und -übertragung stellt die Mikrotron EoSens9.5 die perfekte Lösung für die Analyse extrem schneller Vorgänge dar, wie sie beispielsweise in der Additiven Fertigung, bei der Schmelzbadüberwachung, bei Schleif- oder Fräs-Prozessen, in Sport- und Unterhaltungsanwendungen, bei der Elektronikfertigung oder auch bei Verteidigungsaufgaben häufig auftreten.

Bereits geringe Temperaturschwankungen eines Kamerasensors haben negativen Einfluss auf die Bildqualität und erschweren dadurch die nachfolgende Bildauswertung. Eine Erhöhung der Sensortemperatur hat beispielsweise eine Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses und eine Beeinträchtigung der Empfindlichkeit des Sensors zur Folge. Als Funktion der Temperatur ändert sich die spektrale Sensitivität für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich. In Konsequenz ist bei Anwendungen mit erhöhter Anforderung, wie z.B. die hochpräzise Farbmessung, eine temperaturabhängige Kalibrierung notwendig. Abhilfe bei der neuen hr455xXGE-T schafft die Kühltechnologie: Thermo-Electric Cooling (TEC) auf Basis eines Peltier-Elements. Damit wird der Sensor auch unter wechselnden äußeren Bedingungen auf gleichbleibender Betriebstemperatur gehalten und durch diese Temperaturstabilisierung wird für reproduzierbare Ergebnisse gesorgt.

SVS-Vistek nutzt in der neuen hr455xXGE-T ein eigens entwickeltes TEC-Konzept, welches speziell für großflächige Sensoren optimiert ist. Dafür wurde unter anderem ein neues Gehäusedesign mit integrierter Lüftung entwickelt. Das SVS-Portfolio an temperaturstabilisierten Kameras wird so um eine neue Variante erweitert, welche neben den auf dem Markt bereits verfügbaren SWIR-Kameras bis 5 MP nun auch hochauflösende Sensoren im sichtbaren Spektralbereich unterstützt. Anwender aus der Display-Inspektion, der Halbleiter- und Elektronikfertigung sowie anderen anspruchsvollen Anwendungsbereichen können damit Aufgaben wie die bereits erwähnte Farbmessung, die Wafer-Inspektion, die Prüfung elektronischer Bauteile, Leiterplatten und viele weitere Untersuchungen mit noch höherer Qualität und Zuverlässigkeit durchführen.

Die hr455xXGE-T ist mit der leistungsfähigen 10GigE-Schnittstelle ausgestattet, die durch ihre hohe Bandbreite selbst bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung erlaubt. Die enorme Auflösung von zunächst 61 Megapixeln sorgt für die Erkennung kleinster Fehler.

Weitere technische Highlights der hr455xXGE-T sind unter anderem ihre außergewöhnlich exakte Bildkalibrierung, die extrem gute Homogenität, die sich beispielsweise bei der präzisen Vermessung von Displays auszahlt, der große Dynamikumfang, der die Erkennung minimaler Lumineszenz- und Farbunterschiede ermöglicht, eine Speicher-Option bis 32 GByte sowie das robuste Design und ein geringes Gewicht. Zusätzliche Eigenschaften wie Defect Pixel Correction, Lens Shading Correction, ROI, LUT, Binning, der integrierte 4-kanalige LED-Blitz-Controller oder POE (Power Over Ethernet) machen die neue hr455xXGE-T zu einer extrem leistungsfähigen Kamera für den Einsatz in High-End-Bildverarbeitungssystemen.

Die beeindruckende Bandbreite der 25GigE-Schnittstelle ermöglicht die schnelle und zuverlässige Übertragung immenser Datenmengen bei Bildverarbeitungsanwendungen im oberen Geschwindigkeitsbereich. Je nach Einsatzfall können die höheren Datenübertragungsraten zu schnelleren Maschinen und Prozessen und dadurch zu mehr Umsatz führen.

SVS-Vistek hat das 25GigE-Interface nun in diverse Industriekameras der FXO-Familie integriert und deckt damit Auflösungen von 1,8 bis 24,6 MP ab. Sony Pregius-Sensoren der 3ten und 4ten Generation sind Garanten für die Aufnahme qualitativ hochwertiger Bilder, die eine optimale Basis für die nachfolgende Bildauswertung schaffen. Durch den Einsatz von SFP28-Verbindungen können Kabellängen bis 10 km und Datenübertragungsraten von bis zu 3125 MB/s erzielt werden, was je nach Auflösung des eingesetzten Kameramodells bis zu 671 Bilder/s ermöglicht.

Die FXO-Modelle mit 25GigE-Ausprägung bestechen durch ein gefrästes Gehäuse mit Abmessungen von gerade mal 50 x 50 x 100 mm, was sie aktuell zu den kompaktesten Industriekameras mit 25GigE-Schnittstelle weltweit macht. Zudem weisen sie einen Betriebstemperaturbereich von bis zu 60 °C auf. Zu den Besonderheiten der FXO-Kameras mit 25GigE-Schnittstelle zählt unter anderem der integrierte Strobe Controller. Dieser erlaubt ohne den Einsatz sonst üblicher Beleuchtungssteuerungen die Ansteuerung von Beleuchtungen über vier High Power Outputs mit bis zu 3 Ampere. Dadurch werden Aufwand sowie Kosten bei der Realisierung von Applikationen reduziert.

Diese technischen Eigenschaften erschließen vielseitige Einsatzmöglichkeiten der FXO-Kameras mit 25GigE-Anschluß in Anwendungen wie unter anderem in der industriellen Automation, im Bereich Automotive, der Qualitätskontrolle oder im Entertainment- und Sportbereich zum Beispiel für Live-Analysen bei Sport-Events.

Messehinweise:
SVS-Vistek stellt nach aktuellem Stand auf folgenden Messen aus:
Semicon Southeast Asia, 28. bis 30. Mai 2024 in Kuala Lumpur, Malaysia (Halle 2, Stand 1720)
Image Sensing Show Yokohama, 12. bis 14. Juni 2024, Yokohama, Japan
UKIVA Machine Vision Conference & Exhibition, 18. bis 19. Juni 2024, Milton Keynes, UK
Vision China, 8. bis 10. Juli 2024, Shanghai, China
Vision, 8. bis 10. Oktober 2024, Stuttgart, Deutschland

Eine der vielen Folgen der weltweiten Klimaerwärmung ist die steigende Gefahr von Waldbränden, die in Europa insbesondere in den südlichen Ländern immer häufiger auftreten und teilweise gewaltige Schäden an der Natur und für den Menschen zur Folge haben. Nach einer Studie des European Forest Fire Information Systems EFFIS verursachen Waldbrände bis zu 20% des weltweiten CO2-Ausstoßes. Allein in Deutschland sind im Jahr 2022 knapp 4300 Hektar Wald vollständig verbrannt, mit enormen Schäden für Wirtschaft und Umwelt, und haben rund 739.000 Tonnen CO2 freigesetzt.

Vor diesem Hintergrund hat sich ein interdisziplinäres Team aus Forschenden der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Aufgabe gemacht, die Früherkennung von Waldbränden durch den Einsatz von Drohnen zu verbessern und damit die Auswirkungen solcher Feuer zu minimieren. „Je früher ein Waldbrand identifiziert wird, desto schneller kann ihn die Feuerwehr unter Kontrolle bringen und den Schaden dadurch so klein wie möglich halten“, erläutert Leon Seidel. Er ist einer der Verantwortlichen des Forschungsprojekts Evolonic, das seit 2018 langstreckenfähige Drohnen und Sensorsysteme für die Waldbranderkennung entwickelt.

Vier flugfähige unbemannte Luftfahrzeug-Prototypen (Unmanned Aerial Vehicles, UAV) mit unterschiedlichen Entwicklungsstadien hat Evolonic seitdem realisiert und getestet. Eines dieser UAVs ist mit dem derzeit maximalen Erkennungssystem ausgestattet und startet seit Sommer 2023 immer dann, wenn erhöhte Waldbrandgefahr besteht, so Seidel: „Diese Drohne hat eine Reichweite von rund 100 Kilometern und kann zirka 60 Minuten in der Luft bleiben. In diesem Rahmen fliegt sie vorab definierte Routen ab, die daraufhin optimiert sind, ein möglichst großes Waldgebiet überblicken zu können.“ Anschließend kehrt die Drohne zu ihrer Basisstation zurück.

Wesentlicher Bestandteil der Drohne ist eine nach vorne gerichtete Kamera, die pro Sekunde etwa 15 Bilder des abgeflogenen Gebiets aufnimmt. Mittels einer von Evolonic entwickelten KI-Software, die während des Fluges auf einem Onboard-Computer von Nvidia läuft, lassen sich Rauchquellen optisch erkennen und lokalisieren. „Um möglichst kurze Reaktionszeiten für die Lösch- und Rettungsaktivitäten erzielen zu können, steht den Feuerwehr-Leitstellen und Einsatzkräften eine Webapplikation zur Verfügung, die die genaue Position eines vermuteten Feuers sowie weitere relevante Informationen und Bilder anzeigt“, beschreibt Seidel den weiteren Ablauf. „Diese Daten können in der Leitstelle direkt von einem Experten geprüft werden, um eventuelle Fehlalarme zu vermeiden. Auch für die spätere Optimierung der KI-Auswertung können die so gesammelten Daten genutzt werden. Bestätigt sich ein Brandherd, unterstützen kontinuierliche Livebilder und Sensordaten der Drohne die Feuerwehr zudem bei der Wahl der idealen Anfahrtsroute sowie bei der Brandbekämpfung vor Ort.“

Bildverarbeitung von SVS-Vistek

Als besondere Herausforderungen an das in der Drohne verwendete Bildverarbeitungs-System nennt Seidel die notwendige hohe Bildqualität und insbesondere einen großen Dynamikumfang. Zudem waren eine geringe Einbaugröße und ein niedriges Gewicht essenziell, um die angestrebten Leistungen bei Reichweite und Flugdauer der Drohne zu erzielen. Die Kamera sollte außerdem zu einem Nvidia Jetson Onboard-Computer kompatibel sein, der in der Drohne integriert war.

„Bei den ersten Prototypen arbeiteten wir mit Multicoptern und Drohnen mit schwächerer Kamera- und Computing-Hardware“, erinnert sich Seidel. „Kameras mit kleineren Sensoren hatten damals insbesondere bei schwierigen Lichtbedingungen oft Probleme, Rauch sicher zu erkennen, was auf den geringeren Dynamikumfang zurückzuführen war. Andere Kameras konnten wir nicht im Echtzeit-nahen Bereich ansteuern oder hatten eine erhebliche Latenz bei der Übertragung der Bilder. Diese Faktoren verschlechterten die Lokalisierung von Brandstellen erheblich.“

Diese Situation verbesserte sich nach einem Messebesuch auf der Nürnberger PCIM 2023, wo ein Kollege von Seidel mit Christian Schaarschmidt, Sales Manager DACH des Industriekameraherstellers SVS-Vistek, ins Gespräch kam. „Ich fand die Idee faszinierend, Drohnen und Bildverarbeitung für die Waldbranderkennung einzusetzen, und war mir sicher, dass wir dafür die perfekte Kamera im Sortiment haben“, so Schaarschmidt.

Diese Annahme bestätigte sich in weiterführenden Gesprächen sehr schnell: SVS-Vistek empfahl Evolonic den Einsatz der USB3 Vision-Farbkamera exo267CU3, die mit ihrer Auflösung von 8,8 Megapixeln, einem Global Shutter CMOS-Sensor IMX267LQR mit 3,45 x 3,45 µm Pixelgröße von Sony, Gehäuseabmessungen von 50 x 50 x 43 mm, einem Gewicht von nur 138 Gramm und vielen weiteren Merkmalen alle Anforderungen für den Einsatz an der Drohne erfüllte. Auch die Anforderung an die Bildrate war für die exo267CU3 kein Problem: Sie kann bis zu rund 32 Bilder/s aufnehmen. Mit einem speziellen Infinity Focus C-Mount-Objektiv konnte SVS-Vistek somit das komplette Bildaufnahmesystem für die aktuell leistungsstärkste Drohne von Evolonic beisteuern.

„Diese Kombination aus Kamera und Objektiv war aufgrund des großen Sensors bei geringem Gewicht sowie der guten Softwareunterstützung auch für ARM64 und der einfachen Anbindung an den Nvidia Jetson die optimale Wahl für uns“, freut sich Seidel. „Die mit diesem System ausgestattete Drohne hat seitdem zu einer Früherkennungsquote von Brandherden und Rauch geführt, die deutlich über den Ergebnissen der vorangegangenen Versionen lag. Die Güte des Kamerasystems zeigt sich dabei vor allem beim Einsatz unter unterschiedlichsten Licht- und Temperaturverhältnissen, die im Außenbereich ja sehr stark schwanken können.“

Von Erlangen nach ganz Deutschland

Im Sommer 2023 waren die Drohnen von Evolonic vor allem im fränkischen Erlangen sowie bei einem großen Waldbrandversuch in Sachsen-Anhalt unterwegs, doch das Einsatzgebiet könnte sich schon bald auf Bayern oder sogar ganz Deutschland ausdehnen, so Seidel: „Wir schätzen die Kosten für die Weiterentwicklung des Systems bis zur Marktreife auf rund eine halbe Million Euro. Die Ziele lauten dabei unter anderem, dass die Drohnen zukünftig komplett autark agieren und aus den aufgenommenen Daten Vorhersagen über die weitere Ausbreitung von Bränden getroffen werden können. Unsere Entwicklung wird derzeit von der bayerischen Landesregierung für den Einsatz im Rahmen eines großen Pilotprojekts geprüft, das Anfang 2025 starten soll. Wir sind gespannt, ob es sich durchsetzen kann.“

Das Drohnen-gestützte Konzept steht dabei auch im Wettbewerb zu anderen Ansätzen zur Waldbrandfrüherkennung, beispielsweise mit Hilfe von Satelliten, Flugbeobachtern, IoT-Sensoren und stationär montierten Kameras. „Der große Vorteil der UAV-basierten Waldbranderkennung gegenüber diesen Technologien ist die hohe Genauigkeit der Lokalisierung und die Abdeckung relativ großer Gebiete bei niedrigen Kosten“, unterstreicht Seidel. „Aus diesem Grund sehen wir gute Chancen, dass unsere Drohnen mit den Kameras und Objektiven von SVS-Vistek künftig auch in weiteren Gebieten Bayerns und vielleicht auch Deutschlands für eine frühzeitige Identifizierung möglicher Waldbrände eingesetzt werden.“

Über Evolonic:

Evolonic ist ein interdisziplinäres Team aus Forschenden der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in Kooperation mit dem Fraunhofer IISB. Im Rahmen eines Projekts entwickelt das Team seit 2018 langstreckenfähige Drohnen und Sensorsysteme, die unter anderem für die Früherkennung von Waldbränden eingesetzt werden können.

SVS-Vistek stellt stolz neue Varianten der FXO-Kameraserie mit Sony’s hochauflösenden IMX992 und IMX993 InGaAs-Sensoren vor. Ausgestattet mit 10GigE oder CoaXPress-12 Interface, sind sie derzeit weltweit die schnellsten hochauflösenden SWIR-Kameras am Markt. Die fxo992 und fxo993 bieten 5,2MP oder 3,1MP bei 132,6fps bzw. 173,4fps und sind wahlweise mit oder ohne thermoelektrische Kühlung (TEC) ab sofort bestellbar.

Bildgebung im SWIR-Bereich bietet zahlreiche Vorteile für unterschiedlichste Inspektionsaufgaben, bei denen unsichtbares sichtbar gemacht werden soll. Viele Materialien verfügen insbesondere im SWIR-Bereich über spezifische Spektraleigenschaften, die in vielen Bildgebungsaufgaben genutzt werden können und nicht mit herkömmlichen Kameras für sichtbares Licht lösbar sind. Beispiele hierfür sind die Qualitätskontrolle von Halbleitern, auch unter der Oberfläche, die Inhaltskontrolle von undurchsichtigen Behältern, Substanzbestimmung und Erkennung von Fremdstoffkontaminationen, Inspektion und Kontrolle von Beschichtungen, die Zustandsüberwachung z.B. in der Landwirtschaft und der Lebensmittelindustrie sowie die Wassergehaltserkennung und -lokalisierung.

Die technischen Eigenschaften der neuen fxo992 und fxo993 sind unter Berücksichtigung der großen Vielfalt an Applikationen der industriellen Automation optimiert. Dazu gehören der integrierte Multichannel Strobe Controller, das GenICam Interface zur Kamerakonfiguration und zugehöriger Transportlayer zur verlässlichen Bilderfassung sowie zahlreiche Firmware-Features inklusive Bildoptimierungsfunktionen wie Defektpixel-Korrektur oder Two-Point NUC (Non Uniformity Correction). Die Kameras verfügen über ein thermo-mechanisch optimiertes Designs von nur 50mm x 50mm (BxH) sowie einer maximalen Länge von 82,8 mm und sind somit selbst mit zusätzlicher Sensortemperaturstabilisierung (Kühlung) sehr kompakt. Mit diesen Merkmalen können komplexe Inspektionsaufgaben in verschiedenen Bereichen wie der Halbleiter-, Batterie-, Glas-, Laser- und Edelsteinfertigung, der Recycling-Industrie sowie in der Forschung und Entwicklung zuverlässig gelöst werden. SVS-Vistek bietet darüber hinaus passendes Zubehör wie Objektive und Kabel sowie geeignete Beleuchtung für die neuen FXO SWIR-Modelle mit C-Mount an, um den Aufbau zuverlässiger und perfekt abgestimmter SWIR-Bildverarbeitungssysteme zu ermöglichen.

Die additive Fertigung ist im Vergleich zu anderen Produktionstechnologien eine relativ junge Disziplin, die einerseits zwar viele neue Möglichkeiten eröffnet, andererseits aber in Teilbereichen noch nicht vollständig erforscht ist und deshalb auch diverse Herausforderungen bei gleichzeitig hohem Optimierungspotenzial aufweist.

Das gilt auch für das Pulverbett-basierte Laserschmelzen (Powder Bed Laser Melting, PBLM). Bei diesem Verfahren wird das zu verarbeitende Material in Form eines Pulverbetts schichtweise selektiv aufgeschmolzen, um so die gewünschten Werkstücke aus 3D-Modelldaten zu erzeugen. Die dafür erforderliche Energie wird mittels Laserstrahlquellen selektiv in die Prozesszone eingebracht, wodurch der Pulverwerkstoff im Bereich des entstehenden Bauteils aufgeschmolzen wird. Beim anschließenden Erkalten härtet das Material aus und formt dabei die gewünschten Bauteile.

Eingesetzt wird diese Technologie unter anderem in der Automobilindustrie, der Medizin und der Luft- und Raumfahrt, wo sie sich zunehmend in der Serienproduktion etabliert. Hauptgründe für diese positive Entwicklung sind die flexiblen und im Vergleich zu vielen traditionellen Fertigungsmethoden deutlich erweiterten Möglichkeiten in Bezug auf das Design der gefertigten Teile, eine ständig zunehmende Vielfalt bei der Materialauswahl sowie die stetig sinkenden Produktionskosten.

Herausforderung stabile Prozesse

Eine zentrale Herausforderung des Verfahrens für die allgemeine industrielle Umsetzung ist die Prozessstabilität. Wesentliches Problem bei PBLM im Vergleich zu konventionellen Methoden ist hier vor allem, dass das gefertigte Teil bisher erst dann auf Fehler geprüft werden kann, wenn es am Ende des Prozesses aus dem umgebenden Pulvermaterial ausgepackt wird. Weist es in diesem Stadium Mängel auf, so sind diese in der Regel kaum noch zu beheben.

Die Aconity3D GmbH mit Sitz in Herzogenrath bei Aachen hat sich das Ziel gesetzt, die Stabilität von Metall-basierten PBLM-Prozessen zu optimieren, um diese Technologie qualitativ weiter zu verbessern und ihren Einsatz in unterschiedlichsten Branchen dadurch zu fördern. „Die Prozessüberwachung in PBLM-Anlagen ist nach aktuellem Stand der Technik noch nicht ausgereift“, weiß Lutz Lübbert, Project Manager Machine Development bei Aconity3D. „Um diese Situation zu verändern, haben wir ein Verfahren entwickelt, bei dem die Daten eines High-Speed-Bildverarbeitungssystems dazu beisteuern, den Einfluss ausgewählter Prozessparameter auf produzierte Teile zu erfassen und Rückschlüsse über Parametereinflüsse zu ermöglichen.“

Um die Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitung für diese Aufgabenstellung optimal auszuwählen und damit ein praxistaugliches System zu realisieren, hat sich Aconity3D für die Mikrotron High-Speed-Kamera EoSens3.0MCX5 von SVS-Vistek und die dafür benötigte Peripherie entschieden. Der Grund für diese Entscheidung war laut Lübbert sehr einfach: „Als wir vor rund sechs Jahren für diese Anwendung mit der Marktrecherche nach geeigneten Kameras mit der erforderlichen Geschwindigkeit und Genauigkeit begonnen haben, gab es keine vergleichbaren verfügbaren Kameras. Die damals getroffene Entscheidung für die Mikrotron EoSens3.0MCX5 haben wir nie bereut, denn die damit entwickelte Methode funktioniert seit seiner Einführung absolut stabil und ermöglicht einen Einblick in die Korrelation von Sensordaten, den angewandten Prozessparametern und den daraus resultierenden Bauteileigenschaften.“

Mehr Einblick mit Bildverarbeitung

Die Bilddaten, die die Mikrotron EoSens3.0MCX5-Kameras liefern, ermöglichen den Experten der Aconity3D GmbH zusätzliche Einblicke in den PBLM-Prozess, erläutert Lübbert: „Mit diesen Hochgeschwindigkeitskameras können wir beispielsweise Konturscans von Materialschichten über den Bauprozess hinweg vergleichen und das Verhalten des Schmelzbades in kritischen Bauteilbereichen beobachten. Auf diese Weise können wir Fehler wie abreißende Schmelzbäder oder inhomogene Oberflächenbeschaffenheiten sicher identifizieren. Somit kann der Einfluss veränderter Laser-Parameter wie der Modulationsfrequenz und der Modulationslänge auf die Größe des Schmelzbades erkannt werden, wenn alle übrigen Laser-Parameter konstant bleiben. Die auf diese Weise gewonnenen Daten lassen sich nutzen, um das Know-how über PBLM-Prozesse zu erweitern und zugrundeliegende Effekte zu isolieren.“ Die so gewonnenen Erkenntnisse bilden nach Lübberts Worten in Kombination mit weiteren Messmethoden wie der Pyrometrie die Grundlage für eine effizientere Materialforschung im Bereich des 3D-Metalldrucks.

Im Vergleich zu konventionellen Fertigungsmethoden, die sich oft auf die Dichte der gegossenen Halbzeuge verlassen, hat diese Inline-Inspektionsmethode das Potenzial, Produktionsfehler frühzeitig zu erkennen. Daraus resultieren eine geringere notwendige Anzahl an zerstörerischen Materialprüfungen sowie niedrigere Herstellungskosten. Darüber hinaus stellt eine zuverlässige Prozessüberwachung mit einer schlüssigen Korrelation zwischen den eingesetzten Prozessparametern und den resultierenden Bauteileigenschaften eine Voraussetzung für eine geschlossene Prozessführung dar. Für konventionelle Laserschweißprozesse werden solche Regelungssysteme seit vielen Jahren eingesetzt. „Bei PBLM-Prozessen befindet sich die Prozessüberwachung oder gar die Prozessregelung hingegen noch in einem recht frühen technologischen Stadium, doch unsere Entwicklungen tragen dazu bei, diesen Rückstand zu verkürzen“, so Lübbert.

Als Haupthindernis für die Inline-Prozessüberwachung und -Regelung von PBLM-Prozessen nennt er die instationäre Natur des Prozesses, der durch eine Vielzahl unterschiedlicher Phänomene wie unter anderem Schmelzbadturbulenzen, Schweißrauchbildung, Spatter oder sonstige Anomalien im Pulverbett bestimmt wird. Diese zugrundeliegenden störenden Prozessphänomene erhöhen das Messrauschen und verringern die Genauigkeit der Informationen, die direkt aus dem Schmelzpool gewonnen werden können.

Flexible Anpassung

Die eingesetzte Mikrotron High-Speed-Kamera EoSens3.0MCX5 ist für diese Anwendung gleich aus mehreren Gründen die optimale Wahl, erläutert Karl Laderer, der als Area Sales Manager DACH für den Vertrieb der Mikrotron-Produktreihe verantwortlich ist: „Diese High-Speed-Kamera verfügt über einen Sensor, bei dem die Region of Interest (ROI) sowohl in y-Richtung als auch in x-Richtung skaliert werden kann. Das Besondere bei diesem Sensor ist eine mögliche Steigerung der Bildrate durch eine Reduzierung der Pixel in x-Richtung. Auf diese Weise lassen sich kleine ROIs mit hoher Bildrate realisieren, was Anwendern in jedem Einsatzfeld eine enorme Flexibilität an die Hand gibt, die Kamera exakt auf die vorliegenden Anforderungen anzupassen.“ Auch die Pixelgröße von 8 µm x 8 µm des 3 MP-Sensors sowie das lüfterlose Design für eine einfache Integration sind nach Laderers Worten wichtige Kamera-Eigenschaften, die bei der Überwachung von PBLM-Prozessen für zuverlässige Ergebnisse sorgen. Aus wirtschaftlichen Gründen entschied sich Aconity3D für ein Kameramodell mit CXP6-Schnittstelle, die günstiger ist als CXP12-Produkte dieser Serie und die anfallenden Datenströme dennoch problemlos bewältigt.

Optimistisch für die Zukunft

Das entwickelte Inline Process Monitoring-Tool von Aconity3D ist für nahezu alle Systeme des Unternehmens verfügbar, bspw. für das Einsteigersystem AconityMINI und das aktuell größte System AconityTWO mit optionalem Multi-Laser-Setup. Zielgruppe dieser Anlagen sind laut Lübbert Forschungseinrichtungen im In- und Ausland sowie die Forschungsabteilungen großer Unternehmen, die sich mit PBLM-Prozessen befassen.

„Die Prozessüberwachung mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungssystemen ist aus unserer Sicht ein wirksames Instrument, um mehr über die laufenden Mechanismen zu erfahren und die Qualität von Teilen bereits während der Produktion zu verbessern, anstatt erst die fertigen Teile für eine spätere Parameteroptimierung zu analysieren. Unser Ziel ist es, die Entwicklung von Erkennungsalgorithmen voranzutreiben, mit denen übermäßige Schmelzbadgrößen schnell und sicher identifiziert werden können, um sofortige Gegenmaßnahmen einzuleiten. Aufgrund unserer guten Erfahrungen mit den bisher eingesetzten Produkten und dem hilfreichen Support unseres Bildverarbeitungspartners unter anderem bei Programmierfragen sehe ich die High-Speed-Kameras von SVS-Vistek auch für unsere künftigen Systeme als wesentliche Komponenten an.“

Über Aconity3D:

Die Aconity3D GmbH wurde 2014 gegründet und hat ihren aktuellen Firmensitz in Herzogenrath. Das Unternehmen hat sich auf die Konzeption und den Vertrieb modular aufgebauter Laboranlagen für den pulverbettbasierten 3D-Laserdruck von Metallen spezialisiert. Unter der Zielsetzung, das Einsatzspektrum für diese innovative Fertigungstechnologie zu erweitern, verbinden die frei konfigurierbaren Aconity3D-Anlagen maximale Funktionalität mit einer attraktiven Preisstruktur. Anwendungsspezifische Beratungsleistungen, Workshops, Machbarkeitsstudien und die Auftragsfertigung von Bauteilen an den firmeneigenen Anlagen ergänzen das Hardware-Portfolio der Aconity3D zu einem ganzheitlichen Implementierungs-Konzept und eröffnen so einen weitgefächerten Zugang zu dieser Technologie. Der pulverbettbasierte 3D-Laserdruck kommt so auch in die Reichweite von klein- und mittelständischen Unternehmen.