Charakterisierung von Linienlasern für Machine-Vision Anwendungen und optische Messtechnik

  • Skizze des Querschnittes einer Laserlinie im Fokus (Quelle: http://jiia.org/en/standard_dl/lighting-wg/)Skizze des Querschnittes einer Laserlinie im Fokus (Quelle: http://jiia.org/en/standard_dl/lighting-wg/)

Für die Herausforderungen beim Einsatz vom Bildverarbeitungssystemen gibt es unterschiedliche Lösungen. Der nachfolgende Beitrag gibt Hilfestellung bei Spezifizierung, Parametrierung, dem Vergleich zwischen verschiedenen Linienlasern und bei der Messdatendokumentation.

In der heutigen Industrie 4.0 überwachen Systeme sämtliche Automatisierungs-, Datenaustausch- und Fertigungstechnologien. Dadurch werden grundlegende Verbesserungen der industriellen Prozesse in den Bereichen Herstellung und Qualitätskontrolle, Konstruktion, Materialverbrauch, sowie Lieferkette und Lebenszyklusmanagement möglich.
Genau hier knüpfen Bildverarbeitungssysteme an, die für Inspektions- und Qualitätskontrollprozesse sowie die komplette Steuerung von Industrierobotern zum Einsatz kommen. Für die hier auftretenden Herausforderungen gibt es unterschiedliche Lösungsansätze, welche je nach Anforderungen und Umgebungsbedingungen ihre spezifischen Vorzüge haben.

3D Bildverarbeitungssysteme

Mit 3D-Bildverarbeitungssystemen werden Form und Dimension erfasst. Diese lassen sich unterscheiden in passive Techniken, wie Stereovision oder Photogrammetrie, die nur das Umgebungslicht nutzen, und aktive Systeme, wie Time of Flight, Lichtkodierung oder Triangulation, die immer ein projiziertes Muster benötigen, um ein 3D Modell zu generieren.
Bei passiven Systemen sind die Qualitätsanforderungen auf alle Glieder der Empfängerseite gerichtet, während bei aktiven Systemen bereits die Qualität der Beleuchtungskomponenten, wie der Laser, eine entscheidende Rolle spielt. Für die Empfangselemente, grundlegend bestehend aus Objektiv, Kamera oder Sensor, sowie Auswerte- und Bildverarbeitungssoftware, sind ausreichend Literatur und Normen zu finden. Für aktive Systeme sind vor allem einheitliche Bezugsgrößen und Parameter zur Charakterisierung von Linienlasern, die hauptsächlich in Triangulationssensoren und Systemen eingesetzt werden, kaum bekannt. Dieser Artikel soll ein Grundverständnis für die einheitliche Charakterisierung von Linien und Linienlasern vermitteln.

Kriterien der Linienqualität

Für präzise Messergebnisse ist neben der Auflösung des Bildsensors, der Qualität des optischen Systems (Objektiv, ggf.

Bandpassfilter, etc.), der Oberfläche des Werkstücks und der äußeren Umwelteinflüsse ebenfalls die Strahlqualität des Lasers von entscheidender Bedeutung.
Laserlinien werden hauptsächlich durch ihre Länge, Breite und Arbeitsentfernung gekennzeichnet. Dünnste Laserlinien werden für möglichst hohe Tiefenauflösungen und maximale Bestrahlungsstärken am Sensor bevorzugt, sind jedoch in ihrer Tiefenschärfe begrenzt, also den Bereich indem sich die Strahlquerschnittsfläche verdoppelt hat. Dies schränkt wiederrum den Messbereich in der Anwendung stark ein. Ein Kompromiss aus Linienbreite und Tiefenschärfe ist demzufolge zu berücksichtigen.
Um eine Linie aus dem elliptischen Strahl einer Laserdiode zu erzeugen, sind mehrere Methoden bekannt: Mit einer Zylinderlinse wird die Hauptachse des Strahls gestreckt, womit allerdings der elliptische Querschnitt und die Gauß’sche Intensitätsverteilung entlang der Linie erhalten bleiben. Diese Methode eignet sich also nicht für Messaufgaben. Bei der Nutzung von Rasterlinsen entstehen Punktemuster entlang der Linie, welche die Auswertung erschweren können. Für hochpräzise 3D Aufnahmen werden infolgedessen fast ausschließlich Powell-Linsen eingesetzt. Ihre Besonderheit liegt in der homogenen, also gleichmäßigen Verteilung der Lichtenergie entlang der Linienlänge.
Bei der Interpretation der räumlichen Verteilung der optischen Leistung oder Energie kommt es oftmals zu nicht voraussehbaren Unklarheiten. Hierbei ist zu bedenken, dass auch wenn die optische Leistung über die Linienlänge gleich verteilt ist, die Linienbreite sich trotzdem unterscheiden kann. Dies führt anschließend zu unterschiedlich hellen Bereichen entlang der Linie im Kamerabild. Erst mit der Angabe der integrierten Leistung über die Linienbreite ist die Amplitudenintensität genau festgelegt und ein Vergleich möglich.
Die Linienbreite wird über den Abstand zweier Schnittpunkte mit der Einhüllenden der Leistungsverteilung bei 50 % (FWHM) der maximalen Leistung definiert. Eine andere Definition wäre die 1/e² Breite (etwa 13 % der maximalen Leistung).
Für anspruchsvolle Anwendungen wird eine gleichmäßig ausgeleuchtete Laserlinie am besten erreicht, indem die Powell-Linse an die besonderen Strahleigenschaften der verbauten Laserdiode angepasst wird. Abhängig von den Ansprüchen sind auch verschiedene Intensitätsverteilungen möglich. Spezifische Verteilungen entsprechend einer vorgegebenen Funktion sind natürlich ebenso realisierbar. Dies ist vor allem bei einem schräg einfallenden Laserstrahl, besonderen Messstrukturen oder dem natürlichen Randlichtabfall im Objektiv (Cos4-Gesetz) nützlich.
Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Liniengeradheit. Diese wird als die maximale Abweichung des tatsächlichen Intensitätsverlaufs zur Ausgleichsgeraden definiert. Da die Geradheit einer Laserlinie als Referenz für die Messauswertung genutzt wird, ist eine Messung mit einem gekrümmten oder gewölbten Profil immer mit einer reduzierten Tiefenauflösung sowie einem größeren Rechen- und Kalibrieraufwand verbunden.

Von Bedeutung ist außerdem die Beam "Pointing Stability", diese gibt die Winkelabweichung des Strahls von seiner mechanischen Achse an. Beeinflusst wird diese durch Temperaturschwankungen (beispielsweise in der Aufwärmphase, als auch durch sich ändernde Umgebungsverhältnisse), oder durch unterschiedliche Strom- und Spannungsversorgung. Ebenso kann es zu einer Drehung der Linie kommen. Die Abweichung der Laserstrahlachse von seiner mechanischen Achse wird über den "Bore Sight"-Winkel festgelegt.
Für besonders hochauflösende Systeme sind demnach verschiedene Faktoren von Bedeutung. Ist der Messabstand bekannt und fest definiert, so ist es ratsam den Laser auf diesen Abstand zu optimieren und zu fixieren.

Methoden zur Analyse der Linienqualität

Um eine objektive Qualitätsaussage über die Linienqualität zu machen, sollten Systeme immer direkt vermessen werden. Indirekte Messungen, zum Beispiel Betrachtung einer Laserlinie auf einer bevorzugten Oberfläche, bringen zufällige Interferenzen, induziert durch Oberflächenfehler des Objekts, und Fehler durch die Winkelabhängigkeit des Sensors mit ein. Unabhängig davon haben Mess- und Umgebungsbedingungen, sowie die Auswertung einen wesentlichen Einfluss.
Die Auflösung des verwendeten Sensors sollte hinreichend groß gewählt sein und der Laserstrahl im Idealfall vollkommen orthogonal auf diesen auftreffen. Optische Elemente wie Objektive (besonders für kleine Aperturen) und Abschwächer bringen durch Abbildungsfehler und eventuell auftretende Interferenzen weitere Ungenauigkeiten ein und sollten deshalb ebenfalls weggelassen werden. Zu beachten ist zudem, dass viele Laser erst bei einer bestimmten Leistung und nach einer gewissen Aufwärmphase optimal arbeiten und eine Leistungsänderung das Strahlprofil negativ beeinflussen kann.
Neben der ausreichenden Empfindlichkeit des Sensors für die jeweilige Laserwellenlänge, sollten ebenso Störquellen wie Umgebungsbeleuchtung, schwankende Temperaturen, Feuchtigkeit o.ä. möglichst vollständig ausgeschlossen werden.
Die spezifizierten Sollwerte werden in der Regel für den Fokusbereich definiert. Hier ist die Liniendicke des Lasers am geringsten und die Leistung pro Fläche am Sensor am höchsten.
Nach durchgeführter Aufnahme der Laserlinie mit zum Beispiel einer beweglichen Flächenkamera werden die Endpunkte der Messung festgesetzt (1/e² oder FWHM). Für die zwischen den Endpunkten aufgespannte Kurve wird eine Regressionsgerade berechnet. Über die Maximalabweichung zur Regressionsgeraden ist die Geradheit der Laserlinie definiert.
Über die Helligkeitsunterschiede entlang der Line lässt sich die Homogenität der Intensitätsverteilung ermitteln.

Zusammenfassung

Da 3D-Bildverarbeitung auch in Zukunft einen großen Stellenwert in der modernen Produktion und Qualitätskontrolle einnehmen wird, ist ein gemeinsames Verständnis zwischen Kunde und Anbieter von Produkten und deren Eigenschaften essenziell. Die einheitliche Charakterisierung von Linienlasern ist bis dato nicht hinreichend verbreitet. Die oben erläuterten Punkte sollen als Hilfsmittel zur Spezifizierung, Parametrierung und zum Vergleich zwischen verschiedenen Linienlasern als auch für die Messdatendokumentation dienen.
Zitat: Für präzise Messergebnisse ist neben der Auflösung des Bildsensors, der Qualität des optischen Systems, der Oberfläche des Werkstücks und der äußeren Umwelteinflüsse ebenfalls die Strahlqualität des Lasers von entscheidender Bedeutung.

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