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Come i laser speckle-free migliorano le ispezioni 3D

Le soluzioni di visione artificiale che utilizzano sensori di spostamento laser sono costituite da tre elementi essenziali: un generatore di linee laser, una telecamera per acquisire il riflesso della linea laser e un computer per elaborare l'immagine ed estrarre i dati 3D, e in alcuni casi anche immagini 2D. Tuttavia lo speckle del laser compromette la precisione di questi sistemi e limita la loro capacità di acquisire tanto modelli dettagliati di nuvole di punti 3D quanto immagini dettagliate 2D in scala di grigi.

Confronto tra mappa di altezza 2D e nuvola di punti 3D

Mappa di altezza 2.5D (sinistra) e nuvola di punti 3D (destra)

Un sensore di spostamento laser funziona tracciando i cambiamenti in una linea laser proiettata mentre i prodotti passano attraverso il piano del laser. Quando il prodotto passa attraverso il piano, i cambiamenti nella superficie del prodotto sono registrati come cambiamenti nel profilo. La luce laser è particolarmente adatta per questi scanner 3D per la loro fondamentale proprietà di coerenza. Un raggio laser rende la linea la più sottile e meno divergente possibile ed è molto luminoso. Inoltre quando si diffonde in un sottile fascio di luce, come nel caso del raggio a ventaglio di un profilatore laser, il raggio proietta grandi distanze con uno spessore che varia soltanto di qualche foglio di carta. Questo comportamento tuttavia ha un costo. 

Le cause dello speckle

La pura lunghezza d'onda della luce laser le consente di interferire con sè stessa e di creare casuali macchie scure e luminose nell'immagine. Questa interferenza appare come una granulosità quando si guarda una macchia creata da un laser. Lo speckle è stato accettato come un aspetto dell'illuminazione laser per 60 anni e considerato come un problema nella metrologia per un arco di tempo altrettanto lungo. 

In metrologia, l'impatto dello speckle è significativo. Le aree casuali chiare e scure causano un'ondulazione in quella che dovrebbe essere una linea laser dritta su un componente piatto. L’ondulazione, o incertezza, contribuisce direttamente a un errore casuale di altezza che non può essere calibrato. Questo è un aspetto fondamentale per la laser optics. Costituisce il fondamentale limite di precisione di qualsiasi sistema di misurazione laser che ha afflitto i sistemi di metrologia in linea per decenni.

Risolvere la sfida dello speckle

Gli ingegneri cercano di ridurre l'impatto dello speckle sulla triangolazione laser con vari metodi. Dal momento che i fattori determinanti o le variabili di base che possono controllare lo speckle sono la lunghezza d'onda e l'apertura della telecamera, il passaggio a una lunghezza d'onda più corta e una telecamera con un'apertura maggiore può ridurre lo speckle mediamente del 50%. Tuttavia l'errore peak-to-valley è cambiato poco. Se la linea soggetta a speckle fosse una strada con buche, ci sarebbero meno buche e in media sarebbero meno profonde, ma in definitiva ce ne sarebbero comunque numerose grandi.

Un altro metodo comunemente utilizzato per contrastare l'effetto speckle consiste nell'acquisire più immagini e mediarle. Questo metodo elimina lo speckle dall'immagine per l'inverso della radice quadrata del numero di immagini, a condizione che i modelli di speckle siano stati variati sufficientemente attraverso movimento o altro sistema. L'immagine risultante sarebbe naturalmente nella media delle caratteristiche spaziali, richiedendo però anche una notevole quantità di tempo e di costi per elaborazione

Due tecniche classiche usate nell'olografia laser riducono o eliminano quasi lo speckle muovendo il laser o muovendo un diffusore tra il laser e la scena illuminata Questa soluzione riduce significativamente lo speckle, ma lo spostamento di oggetti pesanti, in questo caso del peso di pochi grammi, limita i tempi di integrazione della telecamera a molti millisecondi, quando numerose misurazioni richiedono invece poche decine di microsecondi. Inoltre, i diffusori deteriorano la qualità del fascio, rendendo impossibile ottenere un sottile fascio di luce.

La promessa di linee laser speckle-free per l'automazione industriale 

Cognex ha recentemente brevettato una soluzione di visione di profilatura laser 3D, In-Sight 3D-L4000, che elimina aspetto ed effetti dello speckle e produce una linea perfettamente dritta, pulita e luminosa, rendendo il sistema più resistente agli ambienti sporchi e permettendo il perfetto funzionamento all'interno dei limiti di sicurezza visiva laser Classe 2M.

L'In-Sight 3D-L4000 ispeziona componenti auto fusi con una linea laser speckle-free

L'In-Sight 3D-L4000 ispeziona componenti fusi del settore automobilistico con una linea laser speckle-free

L'approccio dell'In-Sight 3D-L4000 inizia con un laser blu da 450 nm guidato da uno specchio microelettromeccanico (MEM) che spazza il raggio avanti e indietro a 26 kHz verso una speciale ottica di diffusione. Questo elemento ottico a stato solido presenta la proprietà unica di diffondere la luce laser in una direzione in un ventaglio perfettamente uniforme, mantenendo uno “spessore del fascio” equivalente a un raggio laser non diffuso e l'affidabilità comune alle soluzioni monolitiche a semiconduttore per la direzione del fascio. 

Inoltre, la distribuzione dell'intensità lungo la linea è uniforme. Una lente di campo concentra il ventaglio laser, e non si registra alcuna perdita di luce significativa rispetto ai generatori di linee laser più tradizionali. Insieme, questi due elementi ottici generano una linea laser sull'oggetto che, una volta riflessa verso il sensore, elimina lo speckle mantenendo la luminosità del laser. A differenza dei sistemi meccanici che cercano di mitigare gli effetti speckle, il nuovo laser speckle-free ne elimina le cause alla fonte. Questo elimina tanto le buche superficiali quanto quelle profonde lungo il percorso per sviluppare un sistema di ispezione laser a scansione 3D di successo. 

Infine, dato che la linea laser viene proiettata da migliaia di punti diversi lungo l'ottica multicomponente, rende il dispositivo più resistente contro i contaminanti che potrebbero bloccare il proiettore laser. Questo metodo di proiezione presenta l'ulteriore vantaggio di essere sicuro per l'operatore. Le sorgenti laser dell'In-Sight 3D-L4000 sono classificate come 2M piuttosto che come 3B o 3R, abbassando significativamente le attrezzature di sicurezza richieste, le risorse di ingegnerizzazione e i costi di implementazione.

Confronto tra linea laser speckle-free e non

Linea laser blu speckle-free (sinistra) e laser rosso con speckle (destra)

L'elevata intensità del laser puntata sul prodotto genera un valore di segnale-disturbo più elevato di qualsiasi altra soluzione di profilazione laser 3D “a granulosità ridotta”. Ciò consente ai sistemi di funzionare in media più rapidamente della migliore soluzione concorrente, con tempi di acquisizione dei singoli fotogrammi di appena 26 us. Un ridotto speckle significa anche una risoluzione spaziale più elevata che si traduce in misurazioni 3D più precise. Come ulteriore vantaggio, la nitidezza e la luminosità della linea laser e la velocità di acquisizione fanno sì che le immagini volumetriche 2D in scala di grigi e 3D ad alta risoluzione possano essere generate dalla stessa soluzione, aggiungendo significativamente capacità, riducendo allo stesso tempo i costi.

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