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Como Lasers Livre de Reflexos Melhoram Inspeções 3D

As soluções de visão que usam sensores de deslocamento a laser são compostas por três elementos essenciais: um gerador de linha laser, uma câmera para capturar o reflexo da linha laser e um computador para processar a imagem e extrair dados 3D e, em alguns casos, imagens 2D. No entanto, reflexos no laser há muito prejudicam a precisão desses sistemas e limitam sua capacidade de capturar modelos de nuvem de pontos 3D detalhados e imagens 2D em tons de cinza.

Comparação entre mapa de altura 2D e nuvem de pontos 3D

Mapa de altura 2.5(esquerda) e nuvem de pontos 3D (direita)

Um sensor de deslocamento a laser funciona rastreando as alterações em uma linha laser projetada à medida que os produtos passam pelo plano do laser. Quando o produto passa pelo plano, as alterações’ na superfície do produto são registradas como alterações no perfil. A luz laser é particularmente adequada para estes scanners 3D por causa de sua propriedade fundamental de coerência. Um feixe de laser tornará a linha mais fina e menos divergente possível, o que proporcionará um brilho melhor. E quando distribuído em uma folha fina de luz, como o feixe em forma de leque de um perfilador a laser, ele se projeta a grandes distâncias com uma espessura variando em apenas algumas folhas de papel. No entanto, este comportamento apresenta algumas desvantagens.&nsbp;

As causas do reflexo

O comprimento de onda puro da luz laser permite que ela interfira em si mesma e crie pontos escuros e brilhantes aleatórios na imagem. Essa interferência aparece como um “reflexo” granulado ao olhar para um ponto criado por um laser. Reflexos têm sido aceitos como fundamentais para a iluminação a laser por 60 anos e vistos como um problema em metrologia pelo mesmo tempo.&nsbp;

Em metrologia, o impacto do reflexo é significativo. Os reflexos escuros e aleatórios causam uma ondulação no que deveria ser uma linha de laser reta em uma parte plana. Esta ondulação, ou incerteza, contribui diretamente para um erro de altura aleatório que não pode ser calibrado. Isso é um conceito fundamental para a óptica do laser. É o limite fundamental de precisão de qualquer sistema de medição a laser, que aflige os sistemas de metrologia em linha há décadas.

Como solucionar o desafio dos reflexos

Os engenheiros tentam reduzir o impacto dos reflexos na triangulação a laser usando vários métodos. Como os drivers básicos ou variáveis que podem controlar os reflexos são o comprimento de onda e a abertura da câmera, mudar para um comprimento de onda mais curto e uma câmera de maior abertura pode reduzir a média de reflexos em 50%. No entanto, o erro de pico a vale pouco mudou. Se sua linha pontilhada fosse uma estrada com buracos, você teria menos buracos e, em média, eles seriam menos profundos, mas eventualmente você ainda encontraria vários buracos grandes.

Outro método comumente usado para combater o efeito dos reflexos é adquirir várias imagens e fazer a média delas juntas. Este método remove os reflexos da imagem pelo inverso da raiz quadrada do número de imagens, desde que os padrões dos reflexos tenham sido alterados o suficiente por movimento ou outro meio. A imagem resultante naturalmente seria uma média de características espaciais, ao mesmo tempo que exigiria uma quantidade significativa de tempo e sobrecarga de processamento.

Duas técnicas clássicas usadas na holografia a laser reduzem ou quase eliminam reflexos movendo o laser ou movendo um difusor entre o laser e a tela que está sendo iluminada. Isso reduz os reflexos significativamente, mas mover coisas pesadas — neste caso, qualquer coisa que pese pelo menos alguns gramas — limita o tempo de integração da câmera a muitos milissegundos, e muitas medições requerem alguns décimos de microssegundos. Além disso, os difusores destroem a qualidade do feixe, tornando uma fina folha de luz impossível.

A promessa de sistemas de visão livre de reflexos para automação da fábrica&nsbp;

A Cognex patenteou recentemente uma solução de visão de perfilador a laser 3D, o In-Sight 3D-L4000, que elimina o aparecimento e os efeitos de reflexos e produz uma linha extremamente reta, limpa e brilhante enquanto protege o sistema contra ambientes sujos e opera bem dentro dos limites de segurança para os olhos com Classe de Laser 2M.

O In-Sight 3D-L4000 inspeciona componentes automotivos fundidos com linha laser livre de reflexos

O In-Sight 3D-L4000 inspeciona componentes automotivos fundidos com linha laser livre de reflexos

A abordagem do In-Sight 3D-L4000 começa com um laser azul de 450 nm dirigido por um espelho microeletromecânico (MEM) que varre o feixe para frente e para trás a 26 kHz em direção a um difusor óptico especial. Este elemento óptico de estado sólido tem a propriedade única de difundir a luz do laser em uma direção em um ventilador perfeitamente uniforme, enquanto mantém uma “espessura de folha” equivalente a um feixe de laser não difundido e robustez comum às soluções de direção de feixe de semicondutor monolítico.&nsbp;

Além disso, a distribuição de intensidade ao longo da linha é uniforme. Uma lente de campo concentra o ventilador do laser e não há perda significativa de luz em comparação com os geradores de linha laser mais tradicionais. Juntos, esses dois elementos ópticos geram uma linha laser no objeto que, uma vez refletida de volta para o sensor, elimina os reflexos enquanto mantém o brilho do laser’. Ao contrário dos sistemas mecânicos que tentam mitigar o efeito dos reflexos, o novo laser livre de reflexos elimina as causas dos reflexos na origem. Ao contrário dos sistemas mecânicos que tentam mitigar o efeito dos reflexos, o novo laser livre de reflexos elimina as causas dos reflexos na origem.&nsbp;

Além disso, como a linha laser é projetada a partir de milhares de pontos diferentes ao longo da óptica multiparte, ela protege o dispositivo contra contaminantes que podem bloquear o projetor de laser. Este método de projeção tem um benefício adicional por ser seguro para o operador. As fontes de laser do In-Sight 3D-L4000 são classificadas como 2M em vez de 3B ou 3R, reduzindo significativamente os equipamentos de segurança necessários, recursos de engenharia e custos de implementação.

Linha laser livre de reflexos e laser com comparação de reflexos

Linha laser livre de reflexos azul (esquerda) e laser vermelho com reflexos (direita)

A alta intensidade do laser direcionada ao produto gera um valor maior de sinal-ruído do que qualquer outra solução de perfilador a laser 3D com “redução de reflexos”. Isso permite que os sistemas funcionem em média mais rápido do que a melhor solução da concorrência, com tempos de aquisição de quadros individuais tão baixos quanto 26 us. A redução de reflexos também significa maior resolução espacial, resultando em medições 3D mais precisas. Como um benefício adicional, a nitidez e o brilho da linha do laser e a velocidade de aquisição significam que imagens 2D em escala de cinza e 3D volumétricas de alta resolução, podem ser geradas a partir da mesma solução, adicionando capacidade significativa e reduzindo custos.

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