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レーザー変位センサのしくみ

一般にポイントレーザーと呼ばれるレーザー変位センサは、三角測量法の反射を使用して一点を測定します。一方、レーザープロファイラはライン全体を測定します。レーザー変位センサは測定精度が高いものの、データがポイントごとに収集されるため、効率が低いという課題があります。レーザープロファイラには逆のトレードオフがあります。表面をスキャンして三次元の輪郭をすばやく作成しますが、精度は低下します。使用するレーザー測定の種類は、アプリケーションの要件、主に精度または処理速度を重視して決まります。

シェル型容器内のクッキーを数える場合も、車のパネルの位置を確認する場合も、プリント基板上の電子部品の位置を測定する場合も、シンプルな三次元ビジョンシステムのメリットを得ることができる製造アプリケーションのリストは、事実上無限大です。

現在、三次元マシンビジョンの設計者は、レーザー変位システム(別名レーザースキャナ)、立体鏡、タイムオブフライト型(ToF)ソリューションなど、三次元アプリケーションを自由に解決するために複数のオプションを用意しています。これら 3 つのソリューションのうち、レーザー変位センサは最も一般的であり、インライン操作とオフライン操作の両方において、最も高速、最も正確、最もコスト効率の高い三次元データの取り込みを実現します。

プロファイラ、線形変位、エリア変位

レーザー変位センサは、物体の高さ、幅、角度、面積、位置など、二次元および三次元の表面計測を正確に生成できます。レーザー変位センサは、3 つの主要なタイプ(リニアプロファイラ、線形変位センサ、エリアスキャン変位センサ)に分類されます。

レーザープロファイラは、連続した画像に個々のプロファイルを積み重ねることによって、画像の二次元スライス(半分にカットされた物体の画像など)または三次元表面マップのいずれかを生成します。通常、これにはスキャン対象のオブジェクトを追跡するエンコーダーからのモーションデータを使用します。

二次元高さマップと三次元点群の比較

2.5次元高さマップ(左)と三次元点群(右)

レーザー変位センサは、この動作をさらに一歩進め、オブジェクト全体で真の三次元点群を生成し、精度と使いやすさを向上させました(画像処理ソフトウェアが真の三次元環境で動作するように完全に最適化されている場合)。レーザー変位センサは、コンベアの上、または下に取り付けられ、移動する物体をスキャンできるようになっています。これらのセンサは、ロボットアームの先に取り付けられ、センサから物体へのスキャン動作を提供することがあります。

ピッキングロボット装備のコンベアベルト上で鋳造金属部品を検査

最後に、一部のエリアスキャン変位センサは、レーザーに関連して移動する物体に依存するのではなく、マイクロエレクトロメカニカル (MEM) ミラーを使用して、物体の周りにレーザー光を移動させます。

レーザー三角測量測定の高さ

レーザー変位センサは、レーザー三角測量を使用して、キャリブレーションされた基準面(折れ線グラフ上の「ゼロ」位置)からピクセルで高さを決定します。

動作時、レーザー変位センサは、静止または相対運動の可能性がある物体にレーザーラインを投影します。たとえば、In-Sight 3D-L4000 マシンビジョンシステムで使用されるような線形変位センサは、移動コンベアの上に取り付けたり、動くロボットアームに取り付けたりすることができます。

レーザー変位センサ内部のレーザーラインジェネレータから所定の距離と角度に固定されたデジタルセンサは反射光を取り込みます。センサ内で実行されているレーザー三角測量ソフトウェアは、投影されたレーザーラインの形状がオブジェクトを移動する際の変化に基づいて、表面マップまたは三次元点群を再構築します。その結果は、後工程の PLC、材料搬送システム、および/または生産追跡ソフトウェアに伝達され、処理されます。

 

二次元/三次元: 両方の好いとこ取り

これらのシンプルな動作原理に基づいて、レーザー変位センサは、次のような多くの工業製造アプリケーションのプロファイル、位置、およびギャップ測定に幅広く使用されています。

  • 自動車アセンブリの有無
  • 食品および包装のシールおよび体積測定
  • 押出アプリケーションにおける金型のクリアランス、厚さ、ウェブ検査
  • 電子機器および消費財パッケージ品の部品の高さ、位置、平面検査

その精度の他に、レーザー変位センサは高速で、毎秒数百万の三次元データポイントを取り込み、高解像度の三次元点群モデルを構築できます。超高速で作業する能力は、コンベアを移動する製品を100%完全に測定できるため、サンプル製品でラインを停止する必要が無くなります。これにより、コストの削減、品質の向上、スループットの向上が実現します。

最も信頼できるレーザー変位センサは、二次元グレースケール画像と三次元点群を提供します。次世代レーザー変位センサは、高度なスペックルフリーレーザースキャンシステムを使用することで、均一性と光学力を備え、高品質の二次元画像を生成します。この高度なシステムは、コンベアの下(従来のレーザープロジェクタでは汚れが問題)に逆さまに取り付けても信頼性の高い動作を提供します。

21-032 Speckle Gif

青色スペックルフリーのレーザーライト(左)とスペックルのある赤色レーザー(右)

上述のように、現代レーザー変位センサの幅広い測定範囲は、最も強力で直感的なマシンビジョンソフトウェアプログラムと連動することで、レーザープロファイラシステムに事実上すべてのインライン三次元測定アプリケーションを解決する能力を与えます。これにより、メーカーや機械メーカーは時間と費用を節約しながら、製品の全体的な品質を向上させます。

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