Digitale 3D-Endoskopie und Terahertz-Multikanalsystem

Auf der Con­trol in Stuttgart präsen­tiert das Fraun­hofer Hein­rich-Hertz-Insti­tut HHI neue Ver­fahren zur optis­chen 3D-Messtech­nik und zur Inspek­tion unter­halb der Ober­fläche sowie im Mate­ri­alin­neren am Stand 6302 in Halle 6.

3DInMed – Digitale 3D-Endoskopie für Inspektion und Vermessung

3DInMed ist ein laufend­es, vom Bun­desmin­is­teri­um für Wirtschaft und Energie gefördertes Kol­lab­o­ra­tionspro­jekt ver­schieden­er Part­ner zur Etablierung und Weit­er­en­twick­lung von immer­siv­en Bildtech­nolo­gien in der Indus­trie und in der Medi­zin. Dazu zählen Anwen­dungs­ge­bi­ete wie die zer­störungs­freie indus­trielle Mess- und Prüftech­nik, die diag­nos­tis­che und inter­ven­tionelle medi­zinis­che Bildge­bung oder die Ein­führung von Com­put­er Assistierten Designs (CAD) bzw. ander­er dig­i­taler Pla­nungs- und Fertigungswerkzeuge.

Angetrieben wer­den diese Entwick­lun­gen von bere­its existieren­den Tech­nolo­gien aus der Unter­hal­tungse­lek­tron­ik wie 3D-Sen­soren, schnellen Grafik- und Sig­nalver­ar­beitung­sprozes­soren, hochau­flösenden stere­ofähi­gen Dis­plays, berührungslosen Inter­faces und fort­geschrit­te­nen 3D-Druck­ern. Diese Tech­nolo­gien hal­ten nun immer stärk­eren Einzug in andere Anwen­dungs­bere­iche, wie z.B. indus­trielle und bauliche Planungs‑, Pro­duk­tions- oder Inspek­tion­sprozesse. Darüber hin­aus verän­dern bildgebende optis­che 3D-Ver­fahren (wie z.B. die Endoskopie oder Mikroskopie) nach­haltig Diag­nos­tik und Oper­a­tionsver­fahren in der Medizin.

Das Pro­jekt besitzt im Wesentlichen vier Haup­tar­beit­sziele: Die Entwick­lung neuer, robuster Ver­fahren zur Tiefen­schätzung und Objek­terken­nung, die Entwick­lung und den Auf­bau hochratiger und laten­zarmer Über­tra­gungsstreck­en für 3D-Sig­nale, die Entwick­lung von echtzeit­fähi­gen Ver­fahren zur Erzeu­gung von endoskopis­chen 3D-Panora­men mit­tels Tex­tur- und Tiefen­in­for­ma­tio­nen aus stere­oen­doskopis­chen Ansicht­en sowie die Entwick­lung von Ver­fahren zur räum­lichen Ver­mes­sung von 3D-Mikroskopie/En­doskopie-Bildern und von darauf basieren­den AR-Anwendungen.

Dabei sollen vor allem Schlüs­sel­tech­nolo­gien zur 3D-Erfas­sung, Ver­ar­beitung, Über­tra­gung und der autostere­oskopis­chen Visu­al­isierung entwick­elt und getestet wer­den, die anschließend in und über die skizzierten Anwen­dungs­felder hin­aus einge­set­zt wer­den können.

In der Indus­trie kom­men 3D-Anwen­dun­gen vor allem im Auto­mo­tive- und Robotik­bere­ich für die Verbesserung der Fahreras­sis­tenz und in der autonomen Nav­i­ga­tion und der damit ver­bun­de­nen Erfas­sung der Umwelt zum Einsatz.

Ein weit­eres indus­trielles Ein­satzfeld ist das der berührungslosen Mess- und Prüfver­fahren bei schw­er zugänglichen tech­nis­chen Hohlkör­pern, wo mit­tels der 3D-Endoskopie Struk­turen wie Bohrun­gen, Lamellen oder Schweißnähte unter­sucht wer­den können.

Terahertz-Multikanalsystem zur Inline-Prozessregelung in der Rohrextrusion

Am Fraun­hofer HHI in Berlin wurde ein Ter­a­hertz-Gerät entwick­elt, das erst­mals aus kostengün­sti­gen Stan­dard­bauteilen gefer­tigt wird und ver­gle­ich­sweise han­dlich ist. Das hier­für einge­set­zte Prinzip zur Erzeu­gung von Ter­a­hertz-Strahlung basiert auf einem optoelek­tro­n­is­chen Ver­fahren. Mith­il­fe eines speziellen Hal­bleit­ers wer­den dabei Laser­licht-Pulse genutzt, um elek­trische Ter­a­hertz-Pulse zu erzeu­gen, die nur bil­lion­s­tel Sekun­den lang sind. Basis hier­für ist ein am Fraun­hofer HHI neu entwick­el­ter Hal­bleit­er, der sich mit Laser­licht von 1,5 Mikrom­e­ter Wellen­länge anre­gen lässt. In der optis­chen Nachrich­t­en­tech­nik ist das der Wellen­län­gen-Stan­dard, sodass es hier eine große Zahl kostengün­stiger und qual­i­ta­tiv hochw­er­tiger optis­ch­er Bauteile und Laser gibt.

Zudem wurde ein inte­gri­ert­er Chip entwick­elt, der gle­ichzeit­ig senden und emp­fan­gen kann. Somit ist es jet­zt möglich, eine einzige optis­che Linse zu nutzen, die senkrecht auf das Objekt blickt und einen flex­i­blen Arbeitsab­stand erlaubt. Diese Sende- und Emp­fang­sein­heit, der Trans­ceiv­er, wurde in einen kom­pak­ten kleinen Sen­sorkopf inte­gri­ert, der einen Durchmess­er von nur 25 Mil­lime­tern und eine Länge von 35 Mil­lime­tern hat.

Das vorgestellte Ter­a­hertz-Sen­sorsys­tem befind­et sich bere­its im Ein­satz bei der Her­stel­lung von Kun­st­stof­frohren zur Überwachung der Dicke der Rohrwände direkt in der Fer­ti­gungslin­ie. Sind die Wände zu dünn, wer­den die Rohre insta­bil. Sind sie zu dick, wird wertvoller Kun­st­stoff ver­schwen­det. Bis­lang wird die Pro­duk­tion von Kun­st­stof­frohren mit Ultra­schall­sys­te­men überwacht. Die Ter­a­hertz-Tech­nik bietet gegenüber dem Ultra­schall jedoch mehrere Vorteile: Die Mes­sung mit Ultra­schall kann nur im Kon­takt, also durch ein Medi­um wie das Ultra­schall-Gel beim Arzt oder Wass­er erfol­gen. Die etwa 250 Grad Cel­sius heißen Rohre müssen für die Prü­fung daher mit viel Aufwand und zeitlich­er Verzögerung durch einen Wasser­tank gezo­gen wer­den. Dies ist mit der Ter­a­hertz-Tech­nik nicht mehr erforder­lich. Darüber hin­aus ver­sagt die Ultra­schall­tech­nik auch bei soge­nan­nten »intel­li­gen­ten« Rohren, die aus ein­er Vielzahl unter­schiedlich­er Schicht­en aufge­baut sind und teil­weise auch eine wellige Ober­fläche besitzen.

Weit­ere mögliche Anwen­dun­gen liegen im Bere­ich der Faserver­bundw­erk­stoffe, z. B. bei der Über­prü­fung von Lack­en und Beschich­tun­gen. Ter­a­hertz-Sys­teme ermöglichen hier die berührungslose Inline-Mes­sung auch auf nicht lei­t­en­den Unter­grün­den, bei denen herkömm­liche Prüfver­fahren wie z. B. Wirbel­strom versagen.

Fraun­hofer Hein­rich-Hertz-Insti­tut HHI auf der Con­trol 2017: Halle 6 – Stand 6302