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スペックルフリーのレーザーが三次元検査を強化する方法

レーザー遠位センサを使用するマシンビジョンソリューションは、レーザーラインジェネレータ、レーザーラインの反射を取り込むカメラ、画像を処理して三次元データ、場合によっては二次元画像を抽出するコンピュータという重要な3つの要素で構成されています。しかし、レーザースペックルは長い間、これらのシステムの精度を悩ませ、詳細な三次元点群モデルと二次元グレースケール画像の両方を取り込む能力を制限してきました。

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、製品がレーザーカーテンを通過する際に、投影されたレーザーラインの変化を追跡することによって機能します。製品がレーザーカーテンを通過すると、製品の表面の変化がプロファイルの変更として記録されます。レーザー光は、コヒーレンス(可干渉性)という基本特性があるため、三次元スキャナに特に適しています。レーザービームは、非常に薄く、最も発散可能なラインとなり、明るさが増します。レーザープロファイラのファン状のビームのように薄い光がシート状に広がると、ビームは数枚の紙程度で異なる厚さで大きな距離を投影します。ただし、この動作にはコストがかかります。

スペックルの原因

レーザー光の純粋な波長は、それ自体が干渉し、画像にランダムな暗いと明るいスポットを作成することがあります。レーザーによって作られたスポットを見ると、この干渉は、粒状の「斑点」として現れます。スペックルは 60 年間レーザー照明の基礎として受け入れられ、同様に長い間測定の課題として見られてきました。

計測学では、スペックルの影響は重要です。ランダムな暗い斑点と明るい斑点は、平面に対して真っ直ぐなレーザーラインに波形を引き起こします。この波形、つまり不確定性は、較正できないランダムな高さ誤差の原因となります。これはレーザー光学の基本です。レーザー測定システムにおける精度の限界であり、何十年もの間、インライン計測システムの課題でした。

スペックルの問題を解決

エンジニアは、さまざまな方法を使用して、レーザー三角測量におけるスペックルの影響を軽減しようとしています。スペックルを制御する基本的なドライバまたは変数は、波長とカメラの絞りであるため、短い波長にシフトし、カメラの絞りをより大きくすることで、平均スペックルの 50% を減らすことができます。この場合でも山対谷の比の誤差はほとんど変わりません。スペックルのあるラインのパスにポットホールがある場合、そのポットホールが浅い可能性は平均より低いものの、最終的に大きいポットホールに当たる可能性も残っています。

スペックルの影響に効果のある一般的な別の方法には、複数の画像を取り込み、それらを同時に平均化する方法があります。この方法は、スペックルパターンが動きやその他の手段によって十分変化するという条件の下、画像数の逆平方根で画像のスペックルを取り除きます。その結果、得られる画像の空間的な特徴が自然に平均化されますが、それにはかなりの時間と処理オーバーヘッドが伴います。

レーザーホログラフィーで使用される2つの古典的な技術は、レーザーとレーザー照射されているスクリーン間でレーザーを動かしたり、ディフューザーを動かすことで、スペックルを減らすか、またはほぼ排除します。これによりスペックルが大幅に減少しますが、重いものを移動する(この場合、数グラムの重さ)場合で、カメラの統合時間が数ミリ秒に制限され、多くの測定で数10マイクロ秒が必要です。また、ディフューザーはビーム品質を破壊するため、薄い光のシートを作ることが不可能になります。

ファクトリオートメーション用スペックルフリーレーザーラインの可能性

コグネックスが最近は特許を取得した三次元レーザープロファイリングビジョンソリューションである「In-Sight 3D-L4000」は、スペックルの外観と影響を排除し、真っ直ぐできれいな明るいラインを作り出し、汚れた環境におけるシステムを強化し、レーザークラス 2M の目の安全限界の範囲内で最適に機能します。

鋳造された自動車部品をスペックルフリーレーザーラインで検査する In-Sight 3D-L4000

鋳造された自動車部品をスペックルフリーレーザーラインで検査する In-Sight 3D-L4000

In-Sight 3D-L4000 アプローチは、マイクロエレクトロメカニカル (MEM) ミラーによって操縦される 450 nm の青色レーザーで始まり、26 kHz でビームを、特別なディフューザー光学に向かって前後にスイープします。この固体光学素子は、完全に均一なファンでレーザー光を一方向に拡散するユニークな特性があり、半導体モノリシックのビームステアリングソリューションに共通する確実性で、拡散しないレーザービームに相当する「シート厚さ」を維持します。

さらに、線に沿って均一に配光します。フィールドレンズはレーザーを集中させ、従来のレーザーラインジェネレータに比べて大きな光の損失はありません。この2つの光学要素を組み合わせて、対象物上にレーザーラインを生成し、センサに反射させ、レーザーの明るさを維持しながら、すべてのスペックルを排除します。スペックルの効果を軽減しようとする機械システムとは異なり、新しいスペックルフリーレーザーは、ソースでスペックルの原因を排除します。これにより、三次元レーザースキャン検査システムの開発に沿った浅い穴と深いポットホールの両方が排除されます。

最後に、レーザーラインは多面レンズに沿って何千もの異なる点から投影されるため、レーザープロジェクタをブロックする可能性のある汚染物質に対してデバイスを強化します。この投影法には、オペレータにとって安全であるという付加的なメリットがあります。In-Sight 3D-L4000 レーザーソースは3Bまたは3Rではなく2Mに分類され、必要な安全装置、エンジニアリングソース、実装コストを大幅に削減します。

スペックルフリーレーザーラインとスペックルありレーザーの比較

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)

製品に照射される高強度レーザーで、その他の「スペックル低減」三次元レーザープロフィルソリューションより高いSN比を実現します。これにより、システムは、他社の最高ソリューションの平均よりも速く実行することができ、個々のフレーム取り込み時間は26マイクロ秒短縮されます。スペックル低減とは、高い空間分解能を意味し、高精度の三次元測定を実現します。さらに、レーザーラインの鮮明さと明るさ、および取得速度という新たなメリットにより、高解像度の二次元グレースケール画像と三次元体積画像を同じソリューションから生成できるため、コストを削減しながら機能を追加できます。

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