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Laser
Linienlaser für die
3D-Automatisierungstechnik
Christoph Böhm, NextSense GmbH
Maher Zein, Coherent (Deutschland) GmbH
Die Bildverarbeitung ist ein Anwendungsbereich, der verschiedene Technologien
miteinander verknüpft, um eine automatisierte Qualitätssicherung zu ermöglichen.
Die Verwendung von Linienlasern als Lichtquelle beim Lichtschnittverfahren zur
Vermessung eines Höhenprofils entlang einer projizierten Lichtlinie ist eine gängige
Praxis. Zur präzisen, einfachen und flexiblen 3D-Inspektion werden die Laser mit
asphärichen Liniengeneratoren kombiniert.
gleichmäßig ausgeleuchtet wird.
Es gibt mehrere gängige Möglichkeiten,
einen gaußförmigen Laserstrahl in eine
homogene Intensitätsverteilung (ein- und
zweidimensional) umzuwandeln. Eine
äußerst wirkungsvolle und flexible Methode basiert auf dem asphärischen Liniengenerator (ALG) (Bild 2).
Bild 1: Aufbau eines Lasermoduls
Die optische Triangulationsmessung ist
bereits ein etabliertes Messverfahren in
der 3D-Bildverarbeitung. Das Laserschnittverfahren hat aufgrund der stetig zunehmenden Qualitätskriterien an Messzyklen,
Genauigkeit und lückenlose Inspektion
gegenüber anderen Methoden (Punkt
zu Punkt-Abtastung, Stereo Vision, TOF,
etc.) deutliche Vorteile, da die Form- bzw.
Tiefenvermessung sowie Rekonstruktion
von Bildern ohne Korrespondenz- und
Disparitätsprobleme, mühsame Kalibrierungen, Pikosekunden schnelle Elektronik
und extrem hohen Rechenaufwand auskommt. Zur Bewältigung dieser Aufgaben
werden höchste Anforderungen an die
Linienhomogenität, Liniengeradheit, Schärfentiefe, Punkt- bzw. Leistungsstabilität
von < 10 μRad/°C bzw. < 2%, und nicht
zuletzt an die Flexibilität sowie die Reproduzierbarkeit bei der Fertigung der Linienlaser gestellt.
Asphärischer Liniengenerator
(Flat-Top-Technologie)
der Gaußscher oder nahezu Gaußscher
Intensitätsverteilung. Die Gaußsche Intensitätsverteilung ist akzeptabel und häufig
sehr nützlich für viele Anwendungen, bei
welchen der Laserstrahl auf einen kleinen
Spot fokussiert werden muss. Es gibt allerdings viele andere Anwendungen, für die
eine homogene Intensitätsverteilung, oft
auch als „Flat-Top“ bezeichnet, die optimale Lösung bedeutet. Zum Beispiel für
Aufgaben u.a. in der Materialbearbeitung,
gewährleistet eine homogene Intensitätsverteilung, dass die Fläche vollständig und
Linienlaser für die
3D-Automatisierung
Die heute meist verwendeten Laser, bestehend aus Laserdiode, Kollimatorlinse, Liniengenerator und externer Fokussierung
(Bild 1), erzeugen entweder kreisförmige
oder elliptische Strahlprofile mit entwe38 Photonik 2/2014
Refraktive asphärische Liniengeneratoren
erzeugen ein homogenes zylindrisches
Profil, indem die optische Funktion einer
asphärischen Zylinderlinse und eines giebelförmigen Prismas vereint wird. Einerseits
fächert das Prisma den einfallenden Laserstrahl unter einem spezifischen Winkel
(Fan Angle „FA“) auf, andererseits verteilt
die asphärische Zylinderlinse die Energie
gleichmäßig mit einem homogenen Intensitätsverlauf zwischen den Endpunkten.
Da diese Struktur ausschließlich ein refraktives Element darstellt, bestehen keine
Wellenlängen- bzw. Temperaturabhängigkeiten, Überlagerungen von Strukturen,
Interferenzen bzw. Auflösungsprobleme
durch die eingeschränkte Winkeltrennung.
Von großer Bedeutung ist jedoch, die
zu polierende Fläche an den einfallenden
Laserstrahl so gut wie möglich anzupassen, da sonst die Energieverteilung in und
entlang der Linie inhomogen verlaufen
könnte.
Linienhomogenität ist
entscheidend
Bild 2: Ein asphärischer Liniengenerator
Eine unzureichende Komponentenanpassung bei der Linienformung bewirkt
unerwünschte Wellenfront-Strukturen im
Linienprofil. Als Ergebnis können hohe
Laser
reichs und somit die Erhöhung der Auflösung und Rechengeschwindigkeit.
Boresight: Optische-/mechanische
Justierung und Öffnungswinkel
Bild 3: Linienbreite
Intensitätsspitzen an beiden Linienenden,
periodische Strukturen, Streuung und letzten Endes ein unebenes Linienprofil beobachtet werden. Die Homogenität der zu
projizierenden Laserlinie ist daher abhängig
von verschiedenen Variablen: Größe des
auf den ALG einfallenden Laserstrahls,
Oberflächenrauhigkeit des ALG, asphärisches Profil etc. Dabei spielt die Anpassung
der zu polierenden Fläche an die Größe des
einfallenden Laserstrahls die dominierende
Rolle. Darüber hinaus hängt die Reproduzierbarkeit der Linsenanpassung an den
kollimierten Laserstrahl auch von der Streuung der Divergenz der Laserdioden, bzw.
der Genauigkeit des Polierprozesses für die
optischen Komponenten ab.
Optimierte Systeme erzielen bis zu 95%
Leistungseffizienz und +/-7,5% Linienhomogenität. Mittels dynamischer Linienkorrektur bei „Off-Axis“-Beleuchtung und
externer Fokussierung durch einen fein
einstellbaren Übersetzungsmechanismus
lassen sich zuverlässige, optisch verzerrungsfreie und wiederholbare Messungen
durchführen.
Linienbreite für den Nachweis
kleinster Erhebungen
Obwohl die Linienbreite eine Funktion
mehrerer Parameter ist, lässt sich diese am
besten durch die Größe des einfallenden
Laserstrahls beschreiben. Allgemein gilt,
je größer der einfallende Laserstrahl ist,
desto kleiner fällt die Fokussierung auf
einen bestimmten Arbeitsabstand aus. Der
Durchmesser des einfallenden Laserstrahls
verändert sich mit der Divergenz der Laserdiode bzw. der Brennweite des verwendeten Kollimators (Bild 3).
(Gl. 1)
Mit entsprechenden Kollimatoren können
9 μm feine Linien erzeugt werden.
Lückenlose Abtastung mittels
gerader Linien
Projizierte Laserlinien sind selten gerade.
Spitz zulaufende Enden oder eine leichte
S-Form können auftreten und sind ein Hinweis auf eine mangelhafte Liniengeradheit
(Bild 4). Die Ursache hierfür liegt in der
optischen Ausrichtung und/oder Unrein-
Die Linienkrümmung (Bild 6) resultiert
aus dem Winkel zwischen der Linse und
dem einfallenden Laserstrahl. Die Wölbung
drückt man als (dx/L) x 100 aus (Bild 7).
Faustformel: Wölbung (%) = Öffnungswinkel [°] x Boresight [mrad] / 4375
Aus obiger Formel geht hervor, dass die
Abhängigkeit der Liniengeradheit direkt
proportional zu „Boresight“ und Öffnungswinkel ist.
Bild 6: Einfallender Laserstrahl vs.
schlecht ausgerichtete Linse
Bild 4: Typische Geradheitsfehler. Das
Laserlinienprofil kann, wie in den zwei
obigen Beispielen ersichtlich, in der
Form variieren.
heit der Linsen, wie z.B. eine ungleichmäßige Oberfläche. Bild 5 veranschaulicht dies
anhand zweier durchgeführter Messungen.
Je gerader die Linie verläuft, desto genauer erfolgt die 3D-Bildrekonstruktion. Die
starke Linienkrümmung im oberen Bildteil
führt zu einer Vergrößerung des Auslesebereichs (Rechteck) zur Bestimmung und
Analyse der Grauwerte. Die Vergößerung
des Auslesebereichs erhöht unnötig die
Bild 5: Hohe Auflösung durch gerade
Linien
Bild 7: Gewölbtes Linienprofil
Schärfentiefe (DOF)
Die Schärfentiefe einer fokussierten
Linie wird typischerweise ins Verhältnis
zur Rayleigh-Länge, ausgehend von einer
Strahltaille (Z0) gesetzt. Die Rayleigh-Länge definiert die Entfernung, bei der sich
die Linienbreite um √2 vergrößert. Für
Coherent-Laser gibt es zwei DOF-Zustände.
Je nach Wahl der Dioden-Achse (langsame oder schnelle) lässt sich aufgrund der
unterschiedlichen Divergenzen die Fokussierung anpassen. Entscheidet man sich
für die schnelle Achse, so ist die Divergenz
größer und die DOF kleiner (Bild 8). Bei
Anwendungen, bei denen das Höhenprofil
eines Objekts groß ist bzw. die Position
des Prüflings während des Messvorgangs
Schwankungen erfährt, empfiehlt es sich,
die langsame Achse für die Fokussierung
zu verwenden, da dies die größte DOF und
somit die besten Messergebnisse liefert.
(Gl. 2)
Rechengeschwindigkeit bei der Bildanalyse und verschlechtert die Auflösung in
vertikaler Richtung. Auf der anderen Seite
erlaubt die Laserlinie in der unteren Bildhälfte die Verkleinerung des Auslesebe-
Divergenz
Da die Gaußschen Strahlen dem Gesetz
der diffraktiven Optik unterliegen, kann ein
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Laser
Bild 9: Änderung der Divergenz in
Abhängigkeit des Arbeitsabstands und
Öffnungswinkels
im Vergleich zu herkömmlichen, abtastenden Messverfahren kontaktfreies Messen
(Bild 10) und damit deutlich zuverlässigere und besser reproduzierbare Messwerte
auch bei beengten Platzverhältnissen unter
dem Fahrzeug in der Servicewerkstätte.
Klassische Messfehler, wie zum Beispiel
bei Messungen mit Lehren durch schräge
Ablesung, undefinierte Messkraft oder verkipptes Ansetzen sind ausgeschlossen.
Kontakt:
Maher Zein
Coherent (Deutschland)
GmbH
Dieselstr. 5b
64807 Dieburg
Tel.: 06071-968 331
Fax: 06071-968 490
eMail: [email protected]
www.coherent.com
Bild 8: Divergenz und Schärfentiefe
perfekt kollimierter Strahl nicht verwirklicht
werden. Die Strahldivergenz ist eine Funktion der Strahltaillengröße, die wiederum
von der optischen Anordnung festgelegt
wird. Die Divergenz im Fernfeld kann als
das Verhältnis der Wellenlänge zur Strahltaille am Fokuspunkt beschrieben werden.
(Gl. 3)
Bei den meisten Anwendungen wird die
Strahltaille eines Lasers auf das zu untersuchende Objekt fokussiert. Die Divergenz
ändert sich mit der Position der Strahltaille.
Christoph Böhm
NextSense GmbH
Straßganger Straße 295
A - 8053 Graz
eMail: christoph.boehm@
nextsense.at
Tel.: +43/316 232400-533
Fax: +43/316 232400-599
www.nextsense.at
Linienlaser in der Praxis
Bild 10: Kontaktfreie Verschleißmessung
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Linienlaser mit entsprechenden Messgeräten kommen u.a. bei der Vermessung von
Hochleistungsbahnstrecken und modernen
Zugtypen zum Einsatz. Fahrzeuge und
Strecken werden auf Verschleißerscheinungen an Rädern und Schienen geprüft.
Hierbei sind exakte und benutzerunabhängig Messergebnisse mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von wenigen
1/100 mm erforderlich. Linienlaser bieten
www.photonik.de
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