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Cómo los láseres sin manchas mejoran las inspecciones 3D

Las soluciones de visión artificial que utilizan sensores de desplazamiento cuentan de tres elementos clave: un generador de línea láser, una cámara para captar el reflejo de la línea láser y una computadora para procesar la imagen y extraer los datos 3D (en algunos casos, también las imágenes 2D). Sin embargo, las manchas del láser han afectado durante mucho tiempo la precisión de estos sistemas y han limitado su capacidad para capturar tanto modelos detallados de nubes de puntos en 3D como imágenes 2D en escala de grises.

Comparación de mapa de altura 2D y nube de puntos 3D

Mapa de altura 2.5D (izquierda) y nube de puntos 3D (derecha)

Un sensor de desplazamiento láser funciona al rastrear los cambios en una línea láser proyectada a medida que los productos pasan por el plano del láser. Cuando el producto pasa por el plano, se registran los cambios en la superficie del producto como cambios en el perfil. La luz láser es especialmente adecuada para estos escáneres 3D debido a su propiedad básica de coherencia. Un rayo láser generará la línea más fina y menos divergente posible y puede ser muy brillante. Cuando se extiende en una fina lámina de luz, como el rayo en forma de abanico de un perfilador láser, el rayo se proyecta a grandes distancias con un grosor con una variación de unas pocas hojas de papel. Sin embargo, este comportamiento tiene un costo. 

Las causas de las manchas

La longitud de onda pura de la luz láser permite que interfiera consigo misma y, así, se generan puntos oscuros y brillantes aleatorios en la imagen. Esta interferencia se visualiza como “manchas” granulares al mirar un punto generado por un láser. Estas manchas se han aceptado como parte de la iluminación láser durante 60 años, además de considerarse un problema en la metrología. 

En metrología, el impacto de las manchas es significativo. Las manchas oscuras y claras aleatorias provocan una ondulación en lo que debería ser una línea láser recta sobre una pieza plana. Esta ondulación, o imprecisión, contribuye directamente a un error de altura aleatorio que no se puede calibrar. Esto es fundamental para la óptica láser. Es el límite fundamental de la precisión de cualquier sistema de medición láser que ha afectado a los sistemas de metrología en línea durante décadas.

Resolver el desafío de las manchas

Los ingenieros utilizan diferentes métodos para intentar reducir el impacto de las manchas en la triangulación láser. Dado que los conductores o las variables básicas que controlan las manchas son la longitud de onda y la apertura de la cámara, pasar a una longitud de onda más corta y usar una cámara de mayor apertura puede reducir las manchas en un 50%. Sin embargo, el error de pico a valle cambia poco. Si tu línea de manchas fuera un carmino con baches, tendría menos y, en promedio, serían menos profundos, pero eventualmente seguirías encontrando varios grandes.

Otro método utilizado habitualmente para combatir el efecto de las manchas es tomar múltiples imágenes y promediarlas juntas. Este método elimina las manchas en la imagen a la inversa de la raíz cuadrada del número de imágenes, siempre que los patrones de manchas hayan sido modificados lo suficiente por el movimiento o algún otro medio. La imagen resultante promediaría naturalmente las características espaciales, pero aún necesitaría de cantidades significativas de tiempo y gastos de procesamiento.

Dos técnicas clásicas utilizadas en la holografía láser disminuyen o casi eliminan las manchas moviendo el láser o moviendo un difusor entre el láser y la pantalla que se ilumina. Esto reduce significativamente las manchas, pero mover cosas pesadas —cualquier cosa que pese al menos algunos gramos— limita los tiempos de integración de la cámara a muchos milisegundos, cuando muchas mediciones requieren unas decenas de microsegundos. Además, los difusores destruyen la calidad del rayo, lo que hace imposible conseguir una lámina fina de luz.

La promesa de visión artificial sin manchas para la automatización industrial&nsbp;

Cognex ha patentado recientemente una solución de visión de perfilado láser 3D, el In-Sight 3D-L4000, que elimina la apariencia y los efectos de las manchas y produce una línea extremadamente recta, limpia y brillante, a la vez que endurece el sistema contra los entornos sucios y opera dentro de los límites de seguridad ocular láser de clase 2M.

El In-Sight 3D-L4000 inspecciona un componente automotriz de fundición con una línea láser sin manchas

El In-Sight 3D-L4000 inspecciona un componente automotriz de fundición con una línea láser sin manchas

El acercamiento del In-Sight 3D-L4000 comienza con un láser azul de 450 nm dirigido por un espejo micoelectromecánico (MEM) que mueve el rayo de un lado al otro a 26 kHz hacia un difusor óptico especial. Este elemento óptico de estado sólido tiene la propiedad única de difundir la luz láser en una dirección en abanico perfectamente uniforme, manteniendo un “grosor de lámina” equivalente al de un rayo láser no difundido con la robustez común a las soluciones monolíticas de dirección del rayo con semiconductores.&nsbp;

Además, la distribución de la intensidad a lo largo de la línea es uniforme. Una lente de campo concentra el abanico láser y no hay una pérdida de luz significativa en comparación con los generadores de línea láser más tradicionales. Juntos, estos dos elementos ópticos generan una línea láser sobre el objeto que, una vez se refleja en el sensor, elimina todas las manchas y mantiene la luminosidad del láser. Al contrario que los sistemas mecánicos que intentan mitigar el efecto de las manchas, el nuevo láser sin manchas elimina las causas de las manchas en la fuente. Esto elimina los baches superficiales y profundos en el camino para desarrollar un sistema exitoso de inspección de escaneo láser 3D. 

Por último, dado que la línea láser se proyecta desde miles de puntos diferentes a lo largo de la óptica multiparte, endurece el dispositivo contra los contaminantes que podrían bloquear el proyector láser. Este método de proyección tiene la ventaja adicional de ser seguro para el operador. Las fuentes láser In-Sight 3D-L4000 están clasificadas como 2M en lugar de 3B o 3R, lo que reduce significativamente el equipo de seguridad necesario, los recursos de ingeniería y los costos de implementación.

Comparación de línea láser sin manchas y láser con manchas

Línea láser azul sin manchas (izquierda) y láser rojo con manchas (derecha)

La alta intensidad del láser orientado al producto genera un valor de señal a ruido mayor que cualquier otra solución de perfilado láser 3D con “disminución de manchas”. Esto permite que los sistemas funcionen en promedio más rápido que la mejor solución de la competencia, con tiempos de adquisición de fotogramas individuales tan bajos como 26 ms. La reducción de manchas también implica una mayor resolución espacial, lo que se traduce en mediciones 3D más precisas. Como ventaja adicional, la nitidez y el brillo de la línea láser y la velocidad de adquisición permiten generar imágenes volumétricas 2D de alta resolución en escala de grises y en 3D a partir de la misma solución, lo que añade una capacidad significativa a la vez que reduce los costos.

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