Wie Speckle-freie Laser 3D-Prüfungen verbessern
Bildverarbeitungslösungen mit Laser-Profilsensoren bestehen aus drei wesentlichen Elementen: einem Laserliniengenerator, einer Kamera zur Erfassung der Reflexion der Laserlinie und einem Computer für die Verarbeitung des Bildes und das Extrahieren von 3D-Daten, manchmal auch von 2D-Bildern. Laser-Speckle hat die Genauigkeit dieser Systeme jedoch lange beeinträchtigt und sie waren nur eingeschränkt in der Lage, detaillierte 3D-Punktwolkenmodelle und 2D-Graustufenbilder zu erfassen.
2,5D-Höhenprofil (links) und 3D-Punktwolke (rechts)
Ein Laser-Profilsensor verfolgt Änderungen einer projizierten Laserlinie nach, wenn die Produkte durch die Laserebene laufen. Wenn das Produkt durch die Ebene läuft, werden Änderungen an der Produktoberfläche als Profiländerungen aufgezeichnet. Laserstrahlung eignet sich aufgrund ihrer grundlegenden Eigenschaft der Kohärenz besonders gut für diese 3D-Scanner. Ein Laserstrahl erzeugt die dünnste und am wenigsten abweichende Linie, die möglich ist, und ist sehr hell. Und wenn er sich in einem dünnen Lichtfeld verbreitet, wie dem fächerförmigen Strahl eines Laser-Profilers, wird der Strahl über große Distanzen mit einer Dicke projiziert, die nur um wenige Blätter Papier abweicht. Dieses Verhalten hat jedoch seinen Preis.
Die Ursachen von Speckle
Durch ihre reine Wellenlänge kann Laserstrahlung mit sich selbst interferieren und wahllos dunkle und helle Flecken auf dem Bild zu erzeugen. Diese Interferenz erscheint als Lasergranulation oder „Speckle“, wenn man auf einen vom Laser erzeugten Fleck schaut. Speckle ist seit 60 Jahren als wesentliches Merkmal der Laserbeleuchtung akzeptiert und wird ebenso lange als Problem in der Messtechnik gesehen.
In der Messtechnik sind die Auswirkungen des Speckle deutlich. Die wahllosen dunklen und hellen Stellen rufen eine Welligkeit hervor, wo eine gerade Laserlinie auf einem flachen Teil sein sollte. Die Welligkeit oder Unsicherheit trägt direkt zu einem zufälligen Höhenfehler bei, der nicht durch Kalibrierung entfernt werden kann. Dies ist ein grundlegender Faktor im Bereich der Laseroptik. Die Grenzen der Genauigkeit die bei Lasermesssystemen auftritt, sind seit Jahrzehnten ein Problem messtechnischer Systeme.
Lösung für das Speckle-Problem
Ingenieure versuchen, die Auswirkungen von Speckle auf die Lasertriangulation mit verschiedenen Methoden zu verringern. Da die grundlegenden Faktoren oder Variablen, mit denen Speckle kontrolliert werden kann, die Wellenlänge und die Kamerablende sind, kann die Umstellung auf eine kürzere Wellenlänge und eine größere Blende den durchschnittlichen Speckle um 50 % verringern. Jedoch ist der Spitze-Tal-Fehler kaum verändert. Wenn Ihre Linie mit Speckle eine Straße mit Schlaglöchern wäre, gäbe es weniger Schlaglöcher und sie wären im Durchschnitt weniger tief, jedoch würden Sie möglicherweise auf einige große treffen.
Eine andere häufig eingesetzte Methode zur Bekämpfung des Speckle-Effekts ist die Aufnahme mehrerer Bilder und deren Mittelung. Diese Methode entfernt Speckle aus dem Bild im Verhältnis der Umkehrfunktion der Quadratwurzel der Anzahl der Bilder, sofern sich die Speckle-Muster ausreichend durch Bewegung oder andere Mittel geändert haben. Das resultierende Bild würde natürlich räumliche Merkmale mitteln, aber auch viel Zeit und Bearbeitungsaufwand erfordern.
Zwei in der Laserholographie eingesetzte klassische Techniken verringern oder beseitigen Speckle nahezu. Dies wird entweder durch Bewegung des Lasers oder Bewegung eines Diffusors zwischen dem Laser und der zu beleuchtenden Szene erreicht. Das verringert Speckle deutlich, jedoch würde die Bewegung schwerer Dinge — in diesem Fall alles, was zumindest einige wenige Gramm wiegt — die Zeiten für die Kamera-Einbindung auf viele Millisekunden begrenzen, und viele Messungen benötigen einige Zehntel Mikrosekunden. Außerdem zerstören Diffusoren die Qualität des Strahls und machen es dadurch unmöglich, ein dünnes Lichtfeld zu erreichen.
Das Versprechen der Speckle-freien Laserlinien für die Fabrikautomatisierung
Cognex patentierte kürzlich eine Vision-Lösung mit 3D-Laser-Profilscanning, In- Sight 3D-L4000, das das Auftreten und die Effekte des Speckle beseitigt und eine äußerst gerade, saubere helle Linie produziert, während das System gegen schmutzige Umgebungen gewappnet ist und innerhalb der Grenzwerte der Augensicherheit für die Laserklasse 2M gut funktioniert.
In-Sight 3D-L4000 prüft Guss-Automobilkomponenten mit Speckle-freier Laserlinie
Das In-Sight 3D-L4000 System beginnt mit einem blauen 450-nm-Laser, der von einem mikroelektromechanischen (MEM) Spiegel gesteuert wird, der den Strahl mit 26 kHz hin und her zu einer speziellen Diffusoroptik sendet. Dieses optische Halbleiterelement verfügt über die einzigartige Eigenschaft, den Laserstrahl in eine Richtung in einem völlig gleichmäßigen Fächer zu verbreiten, während es eine „Felddicke“ aufrechterhält, die einem nicht verbreiteten Laserstrahl mit der Stabilität entspricht, die bei monolithischen Halbleiterlösungen zur Strahlsteuerung üblich ist.
Darüber hinaus ist die Intensitätsverteilung entlang der Linie einheitlich. Eine Feldlinse konzentriert den Laserfächer, und es gibt keinen signifikanten Lichtverlust im Vergleich zu traditionelleren Laserliniengeneratoren. Diese beiden optischen Elemente erzeugen zusammen eine Laserlinie auf dem Objekt, das nach der Reflexion zum Sensor Speckle entfernt, während die Helligkeit des Lasers beibehalten wird. Im Gegensatz zu mechanischen Systemen, die versuchen, den Speckle-Effekt zu verringern, beseitigt der neue Speckle-freie Laser die Ursachen für Speckle an der Quelle. Dabei werden sowohl die flachen als auch die tiefen „Schlaglöcher“ beseitigt, die es auf dem Entwicklungsweg zu einem erfolgreichen Prüfsystem mit 3D-Laser-Scanning gibt.
Da die Laserlinie von tausenden verschiedenen Punkten entlang der mehrteiligen Optik projiziert wird, macht es das Gerät gegen unempfindlich gegen Verunreinigungen, die den Laserprojektor blockieren könnten. Diese Projektionsmethode hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie für das Bedienpersonal sicher ist. Die Laserquellen des In-Sight 3D-L4000 sind für 2M anstatt 3B oder 3R klassifiziert, wodurch deutlich niedrigere Kosten für Sicherheitsausrüstung, technische Ressourcen und Implementierung erforderlich sind.
Blaue Speckle-freie Laserlinie (links) und rote Laserlinie mit Speckle (rechts)
Die auf das Produkt gerichtete hohe Laserintensität erzeugt einen höheren Signal-Rausch-Wert als jede andere 3D-Laser-Profilscanninglösung „mit weniger Speckle“. Dadurch läuft das System durchschnittlich schneller als das beste Konkurrenzprodukt, mit einzelnen Frame-Erfassungszeiten von nur 26 µs. Weniger Speckle bedeutet auch eine höhere räumliche Auflösung, die zu genaueren 3D-Messungen führt. Als zusätzlicher Vorteil bedeuten die Schärfe und Helligkeit der Laserlinie und die Erfassungsgeschwindigkeit, dass hochauflösende 2D-Graustufen- und 3D-Volumenbilder mit derselben Lösung erzeugt werden können. Dies macht sie deutlich leistungsfähiger und verringert die Kosten.
