Laser-Mikroliniengenerator 13LR…

Schäfter + Kirchhoff
2004
Laser-Mikroliniengenerator
für die 3D-Profilmessung
und Spurweitenkontrolle
Leistungsmerkmal:
Laserlinie mit homogener
Intensitätsverteilung und
konstanter Linienbreite
Strahl- bzw. Intensitätsprofil
siehe Bild 1
Funktionselemente:
Laserdiode
Kollimationsoptik
Refraktive Linienoptik
Laserelektronik
Laser-Mikroliniengenerator 13LR…
Eine Schlüsselkomponente für die 3D-Lasermesstechnik
Applikation: Profil- und Spurweitenkontrolle von Eisenbahnschienen
Art-LaserLi_s+k_02-04.pdf / Seite 1
Schienenprofil, räumliche Positionierung der Schiene und der Spurweitenabstand sind wichtige Indikatoren für einen störungsfreien
Schienenverkehr. Verschleiß an Schienenkörper und Absenkungen des
Gleisbettes stören und beeinträchtigen die Funktionssicherheit. Eine 3DLaser-Messtechnik nach dem Prinzip des Laserlichtschnittverfahrens kontrolliert während der Produktion im Walzwerk die Maßhaltigkeit des Schienenprofils. Die Funktionalität und Kontrolle der Eisenbahntrasse erfolgt
nach dem gleichen Messprinzip und ist um die Funktion der Spurweitenmessung erweitert. Die 3D-Laser-Messtechnik ist zu diesem Zweck im
Fahrkörper des Triebwagens oder im Spezial- und Servicefahrzeug integriert. Funktionselemente und räumliche Anordnung der 3D-Laser-Messtechnik sind im Bild 3 dargestellt.
Für die 3D-Profilmessung nach dem Laserlichtschnittverfahren wurde der Laserlinien-Generator 13LR... entwickelt. Seine
besonderen Merkmale sind die homogene
Intensitätsverteilung und die konstante
Linienbreite über den gesamten Messbereich. Dieses ideale Strahl- und Intensitätsprofil erhöht Messgenauigkeit und
Auflösung und reduziert die Rechenzeit für
die Bildauswertung.
Angepasst an die Messapplikation gibt es
die Ausführungen Laser-Mikro- und LaserMakroliniengenerator. Der Mikroliniengenerator projiziert Laserlinien ab 0,025 mm
Breite mit hoher Leistungsdichte und einem
kleinen Schärfentiefenbereich. Beim Makroliniengenerator ist die Laserlinie breiter
(Faktor 2 - 3) der Schärfentiefenbereich
größer (Faktor 10) und die Leistungsdichte
konstant über den ganzen Schärfentiefenbereich (Bild 2).
homogene Laserlinie. Die Rasterlinsen bewirken eine Umverteilung der Leistungsdichte
des einfallenden Gaußstrahls. Der kollimierte
gaußförmige Laserstrahl wird von der Rasterlinsenoptik aufgefächert, in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt und zu einer dünnen Laserlinie fokussiert. Durch Superposition der Teilstrahlen resultiert eine Laserlinie mit homogener Intensitätsverteilung und konstanter
Linienbreite (Bild 1).
(Fortsetzung Seite S3)
X1
X2
1,0
1
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
-20
-10
0
10
20
-30
Laserliniengenerator 13LR
Funktionsprinzip
Das gewünschte Strahlprofil wird erzeugt
durch eine refraktive Optik. Sphärische und
Rasterlinsenoptiken formen aus der Laserdiodenstrahlung mit elliptischer Strahlform
und gaußförmiger Intensitätsverteilung eine
1,0
2
0,8
-20
-10
0
10
20
30
Klassische Laserlinie
X1 und X2 Strahlanalyse
1 und 2 Intensitätsverteilung in Linienrichtung
3 und 4 Strahlquerschnitt
Bild 1. Strahlprofil eines Laserliniengenerators
13LR… und einer klassischen Laserlinie
S1
Celsiusweg 15, D-22761 Hamburg • Tel: (+49) 40 85 39 97- 0 • Fax: (+49) 40 850 31 37 • eMail: [email protected] • Web: http://www.SuKHamburg.de
Schäfter + Kirchhoff
2004
X1
1
3
Laserlinie mit homogener Intensitätsverteilung und konstanter Linienbreite
Strahlprofil:
X1 , homogen in Linienrichtung, senkrecht dazu gaußförmig
Linienbreite:
ab 0,018 mm (abhängig vom Arbeitsabstand); über die
Laserlinie konstante Linienbreite
Fächerwinkel: 12°, 25° und 40°
Linienlänge:
13 - 2800 mm, abhängig vom Arbeitsabstand
Spektralbereich: 630 - 980 nm, optional 405 nm und 1064 - 1550 nm
Laserleistung: bis 43 mW (optional Infrarot bis 140 mW)
2
1 Fokussieren der Laserlinie auf
den Arbeitsabstand
2 Lösen /Arretieren der Fokuslage
3 Potentiometer für Laserleistung
Laser-Mikroliniengenerator 13LR...+55CM...
• Objektiv-Innenfokussierung, d.h. die Fokuslage ist auch
mit angekoppelter Linienoptik einstellbar
• Integrierte Elektronik für die Laserleistungsregelung
• Laserausgangsleistung mit Potentiometer einstellbar
• Extern modulierbar bis 80 kHz • Versorgungsspannung:
+5V (± 5%) • Ganzmetallgehäuse, Ø 25 /28 mm
Rayleighbereich: siehe Seite M5
Tabelle 2
Fächer- LinienWinkel Längen
Bestell-Code α (Grad) L (mm)
Linienoptik
13LR...
13LR 12M125
13LR 12S250
13LR 12S500
13LR 12S1000
Fächerwinkel α = 12° 13LR 12S000
α
Die Laser-Mikroliniengeneratoren 13LR...+55CM... bestehen aus der Kombination ei- 3D-Objektvermessung nach
ner Laserdioden-Strahlquelle mit einer Linienoptik. Die gewünschte Konfiguration wird dem Laserlichtschnitt-Verfahren.
vom Anwender aus den Tabellen 2-4 bzw. 6-8 (Linienoptik) und der Tabelle 1 bzw. 5
(Laserdioden-Strahlquelle) ausgewählt und in den Bestell-Code übertragen. Die in den Linienbreitenfaktor F
Tabellen 2-4 und 6-8 aufgeführten Linienlängen und Linienbreiten gelten für den Stan- Eigenschaften der Laserdiodard-Arbeitsabstand der Linienoptiken. Abweichende Arbeitsabstände können inner- den-Strahlquelle wie Strahlhalb des angegebenen Fokussierbereiches durch Nachfokussieren erreicht werden. höhe und Wellenlänge beeinDie Linienbreite und die Linienlänge ändern sich dabei annähernd proportional zum Ar- flussen die Breite und den
beitsabstand.
Rayleigh- bzw. Schärfentie-
Bestell-Code
13 LR 25 S500S + 55 CM - 685-43- M02 - T12 - 2
Linienoptik
Tabelle 2 – 4
Linien- Arbeits- Rayleigh- FokussierBereich
Breiten Abstand Bereich
(mm)
B (mm) A (mm) ZR (mm)
Strahl-Kon- Maß
vergenz
X
β (Grad)
(mm)
12
12
12
12
12
26
52
103
201
409
0,035
0,058
0,116
0,231
0,464
120
248
496
977
2000
2,0
7,8
31,3
125
506
100
205
415
815
1300
- 205
- 415
- 815
- 1300
-∞
1,7
0,8
0,4
0,2
0,1
12
8
8
8
8
25
25
25
25
25
55
109
217
425
1300
0,035
0,058
0,116
0,231
0,695
119
249
496
977
3000
2,0
7,8
31
125
1134
100
205
415
815
1300
- 205
- 415
- 815
- 1300
-∞
1,7
0,8
0,4
0,2
0,07
12
8
8
8
8
40
40
40
40
40
90
180
357
698
2840
0,052
0,087
0,173
0,347
1,390
120
245
492
973
4000
2,0
8
31
125
2012
100
205
410
815
1300
- 205
- 410
- 815
- 1300
-∞
1,7
0,8
0,4
0,2
0,05
22
22
22
22
14
Tabelle 3
13LR 25M125
13LR 25S250
13LR 25S500
13LR 25S1000
Fächerwinkel α = 25° 13LR 25S000
α
Applikation
Laser-Mikroliniengenerator 13LR...
+
Laserdioden-Strahlquelle 55CM...
Anschlußkabel
Tabelle 1, lfd.Nr. 1-10
siehe Tabelle 1
fenbereich der Laserlinie:
Linienbreite: multiplizieren
mit F
Rayleigh-/Schärfentiefenbereich: multiplizieren mit 1/F2
Laserdioden-Strahlquelle 55CM...
Tabelle 1
lfd.
Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Bestell-Code
Wellen- Pout
länge (mW)
(nm)
Parameter
LDCode
Objektiv
Kabel
-
2
..
..
..
..
..
..
..
..
elektr. Kabel: 1,5 m geschirmtes
• Anschlußkabel 3 x 0,14 mm2 . . . . . . . 1
• wie 1, mit Rundstecker T3260/001 . . 2
• Kabel kundenspezifisch . . . . . . . . . . . 5
2
55CM
55CM
55CM
55CM
55CM
55CM
55CM
55CM
55CM
-
635
638
660
660
670
690
780
785
830
-
3
7
25
39
3
43
39
34
25
-
H01
H02
M01
PA1
T07
M02
H06
Y03
A14
-
T12
T12
T12
T12
T12
T12
T12
T12
T12
Strahlhöhe Rand- Linien- Modu(mm) intensi- breiten- lation
Ø ll
tät (%) Faktor F
3,0
>90
1,18
A
3,0
>90
1,19
A
3,7
>90
0,99
T
3,1
>90
1,16
T
3,7
>90
1,00
A
3,7
>90
1,03
T
3,5
>90
1,23
A
4,8
>90
0,90
A
3,5
>90
1,30
T
Tabelle 4
Maßbild
Laser-Mikroliniengenerator 13LR… + 55CM…
A = Arbeitsabstand
B = Linienbreite
L = Linienlänge
α = Fächerwinkel
β = Strahlkonvergenz
*
Potentiometer
▲
13LR 40M125
13LR 40S250
13LR 40S500
α
13LR 40S1000
Fächerwinkel α = 40° 13LR 40S000
α
Abweichende Wellenlängen/Leistungen auf
Anfrage.
T07 und Y03: Laserdioden mit geringer
Kohärenzlänge im unteren Leistungsbereich.
Anschlußbelegung
Kabel Stecker
rt
2
+5V
br
3
Umod
GND
sw
1
ge/gn Schirm
1
Stecker Amphenol-Tuchel T3260/001
(DIN 41524) für Spannungsversorgung und
externe Modulation (Anschluß Umod)
Kabelabschirmung und Gehäuse sind
verbunden, die Laserdiode/ Elektronik ist
davon galvanisch getrennt.
3
2
Connector
(male) front
view
Integrierte Elektronik
• Betriebsspannung +5V ± 5%
• Externe Modulation:
T: TTL bis 20 kHz, Ein-/Ausschaltverzögerung typ. 2/2 µs.
A: analog bis 20 kHz, Umod -0.4..+2.4V, Imod < 6 mA,
Ein-/Ausschaltverzögerung typ. 2/10 µs
(optional TTL bis 10 kHz über externe Hilfsschaltung SK97006)
• Laserausgangsleistung über Potentiometer einstellbar (1% – 100%)
β
* = Spannbereich für Halterung
X1
Applikation
Laser-Makroliniengenerator 13LRM...
Laserlinie mit erweitertem Schärfentiefenbereich (s. Seite M5)
Schärfentiefenbereich
siehe Seite M5
Die projizierte Makro-Laserlinie bleibt über einen großen Bereich konstant.
Vorteil: konstante Signalamplitude auf dem Sensor. Im angegebenen Schärfentiefenbereich vergrößert sich die Linienbreite max. um den Faktor 1,4
Strahlprofil:
X1 , homogen in Linienrichtung, senkrecht dazu im Schärfentiefenbereich annähernd gaußförmig
Linienbreite:
ab 0,16 mm (abhängig vom Arbeitsabstand); über die
Laserlinie konstante Linienbreite
Laserleistung: bis 25 mW (optional Infrarot bis 40 mW)
Bestell-Code 13 LR M25 S500-1,5 + 55 CM - 685 -25- M02 - T12 - 2
Laser-Makroliniengenerator 13LRM-…+55CM-…
• Ganzmetallgehäuse, Ø 25 /28 mm
• Integrierte Elektronik für die Laserleistungsregelung
Tabelle 6
Linienoptik
13LRM...
Fächer- Linien- Linien- Arbeits- Schärfen- Fokussier- Strahl-Kon- Maß
vergenz
X
Winkel Längen Breiten Abstand tiefenbereich Bereich
ß (Grad) (mm)
(mm)
α(Grad) L (mm) B (mm) A (mm)
(mm)
13LRM12S250-1,5
13LRM12S500-1,5
13LRM12S1000-1,5
12
12
12
52
103
201
0,16
0,32
0,64
236
412
965
83
332
1327
Fächerwinkel α = 12°
13LRM12S000-1,5
12
409
1,30
2000
3000
Tabelle 7
13LRM25S250-1,5
13LRM25S500-1,5
13LRM25S1000-1,5
25
25
25
109
217
425
0,16
0,32
0,64
238
413
966
83
332
1327
Fächerwinkel α = 25°
13LR25S000-1,5
25
1300
1,94
3000
4500
Tabelle 8
13LRM40S250-1,5
13LRM40S500-1,5
13LRM40S1000-1,5
40
40
40
180
357
698
0,16
0,32
0,64
240
415
968
83
332
1327
13LRM40S000-1,5
40
2840
2,60
4000
6000
α
Art-LaserLi_s+k_02-04.pdf / Seite 2
Bestell-Code
Linienoptik
Tabelle 6 – 8
α
α
Fächerwinkel α = 40°
195 - 355
355 - 780
780 - 1330
1330 - ∞
195 - 355
355 - 780
780 - 1330
1330 - ∞
200 - 355
355 - 785
785 - 1340
1340 - ∞
0,34
0,17
0,09
20,9
20,9
20,9
0,04
20,9
0,34
0,17
0,09
16,4
16,4
16,4
0,03
16,4
0,34
0,17
0,09
27,4
27,4
27,4
0,02
27,4
+
Laserdioden-Strahlquelle
Anschlußkabel
Tabelle 5, lfd.Nr. 1-5
siehe Tabelle 5
Laserdioden-Strahlquelle 55CM...
Tabelle 5
lfd.
Nr.
1
2
3
4
5
6
55CM
55CM
55CM
55CM
55CM
55CM
Bestell-Code
Wellenlänge
(nm)
- 638 - 660 - 660 - 670 - 690 - 785 -
Pout
(mW)
4 14 25 2 25 16 -
Parameter
LDCode
Objektiv
Kabel
-
2
..
..
..
..
..
elektr. Kabel: 1,5 m geschirmtes
• Anschlußkabel 3 x 0,14 mm2 . . . . . . . 1
• wie 1, mit Rundstecker T3260/001 . . 2
• Kabel kundenspezifisch . . . . . . . . . . . 5
2
H02
M01
PA1
T07
M02
Y03
-
T12
T12
T12
T12
T12
T12
Strahlhöhe Rand- Linien- Modu(mm) intensi- breiten- lation
Ø ll
tät (%) Faktor F
>90
1,5
A
0,95
>90
1,5
T
0,99
>90
1,5
T
1,16
>90
1,5
A
1,00
>90
1,5
T
1,03
>90
1,5
A
1,17
Abweichende Wellenlängen/Leistungen auf
Anfrage.
T07 und Y03: Laserdioden mit geringer
Kohärenzlänge im unteren Leistungsbereich.
Integrierte Elektronik, elektr. Anschlußbelegung und Maßbild
siehe Tabelle 1 (Laser-Mikroliniengenerator 13LR)
S2
Celsiusweg 15, D-22761 Hamburg • Tel: (+49) 40 85 39 97- 0 • Fax: (+49) 40 850 31 37 • eMail: [email protected] • Web: http://www.SuKHamburg.de
Schäfter + Kirchhoff
2004
Kenngrößen und
Leistungsparameter
A
Leistungsdichte in %
Die Strahlformungsoptik bestimmt die Parameter Fächerwinkel, Linienlänge und Arbeitsabstand sowie (bis auf einen wellenlängenabhängigen Korrekturfaktor) die Linienbreite
und die Schärfentiefe des Laserliniengenerators. Die verwendete Laserdiode legt die
Wellenlänge und die Ausgangsleistung fest.
Der Liniengenerator enthält eine integrierte
Elektronik für die Laserleistungsregelung.
Benötigt wird lediglich eine Versorgungsspannung von +5V. Zusätzlich gibt es einen
Modulationseingang über den die Laserausgangsleistung (abhängig von der verwendeten
Laserdiode) entweder analog oder durch ein
TTL Signal gesteuert bzw. geschaltet werden
kann. Die Objektiv-Innenfokussierung des
Laserliniengenerators ermöglicht eine Korrektur der Fokuslage.
Schäfter + Kirchhoff stellt Laserliniengeneratoren der Typenreihe 13LR.. mit 12°, 25° und
40° Fächerwinkel her. Die zur Verfügung
stehenden Linienoptiken erzeugen Linien von
ca. 20 mm bis mehr als 3000 mm Länge bei
einem freien Arbeitsabstand von ca. 120 mm
bis mehr als 4000 mm. Die um den Faktor 3
größere Apertur der Optiken ergibt proportional feinere Laserlinien (Linienbreite abhängig
vom Arbeitsabstand ab 0,025 mm) als die allgemein übliche Bauform mit Strahlaperturen
von ca. 5 mm.
Die Laserliniengeneratoren sind standardmäßig mit Wellenlängen im Bereich 630 - 980
nm und optional mit 405 nm oder 1064-1550
nm erhältlich. Im sichtbaren Spektrum beträgt
100
Linienbreite mm (1/e2)
0,18
50
0,06
0
Abstand A: 0 mm
0,35
12 mm
24 mm
0,53
36 mm
die maximale Laserleistung 43 mW (bei 660
nm), im Infraroten 100 mW.
Bei Anwendungen wie der 3D-Profilmessung
kommt der Schärfentiefe der Laserlinie eine
besondere Bedeutung zu. Um eine weitgehend konstante Signalamplitude auf dem
Sensor zu gewährleisten, muss sowohl die
Schärfentiefe des Kameraobjektivs, als auch
der Schärfentiefenbereich des Laserliniengenerators den gesamten Höhenmessbereich
überdecken.
Laserspeckle
Schärfentiefe einer Laserlinie
Die Laserlinie wird auf einen festen Arbeitsabstand fokussiert. Bei abweichenden Abständen wird die Linie breiter und die Leistungsdichte sinkt.
Als Schärfentiefe einer Laserlinie wird der
Bereich um den Nenn-Arbeitsabstand bezeichnet, in dem sich die Linienbreite um nicht
mehr als einen Faktor 1,4 vergrößert. Man
unterscheidet zwei Typen von Laserliniengeneratoren (vgl. Bild 2).
Laser-Mikroliniengeneratoren 13LR-... erzeugen dünne Laserlinien mit senkrecht zur
Linie gaußförmigem Intensitätsprofil. Der
Schärfentiefenbereich ist bei Wellenlänge λ
und Linienbreite B gegeben durch den sogenannten Rayleigh-Bereich 2 ZR :
Laser-Makroliniengeneratoren 13LRM-...
erzeugen
Laserlinien
mit
erweitertem
Schärfentiefenbereich. Bei gleichem Arbeitsabstand sind Makrolaserlinien breiter als
Mikrolinien (Faktor 2-3). Das Intensitätsprofil
senkrecht zur Linie ist innerhalb des Schärfentiefenbereiches näherungsweise gaußförmig.
Außerhalb des Schärfentiefenbereiches treten
beugungsbedingt Nebenmaxima auf.
Der Schärfentiefenbereich einer Makrolinie ist
näherungsweise gegeben durch
Mikrolinie: Intensitätsprofil und Linienbreite
B
Leistungsdichte in %
z. B. Mikroliniengenerator
13 LR 25 S 250 + 55CM-660-25-M01-T12-2
hohe Leistungsdichte und schmale Laserlinie im
Fokus. Linienverbreiterung und stark reduzierte
Leistungsdichte bei Abstandsänderung.
Linienbreite mm (1/e2)
20
0,18
0,17
10
0,16
0,16
0
Abstand A: 0 mm
12 mm
24 mm
36 mm
Art-LaserLi_s+k_02-04.pdf / Seite 3
Makrolinie: Intensitätsprofil und Linienbreite
z.B. Makroliniengenerator
13LRM25S250-1,5+55CM-660-14-M01-T12-2
Leistungsdichte und Linienbreite bleiben in einem
um den Faktor 10 (im Vergleich zur Mikrolinie A )
vergrößerten Arbeitsbereich annähernd konstant.
Bild 2. Intensitätsprofil und Linienbreite einer
Mikro- und einer Makrolinie.
Laserlinie legt die von der Applikation geforderte Schärfentiefe die minimale Breite der
Laserlinie fest.
Steht wenig Laserleistung zur Verfügung, ist
die Auswahl einer möglichst schmalen
Laserlinie sinnvoll (höhere Leistungsdichte auf
dem Sensor). Bei geringer Störung durch Laserspeckle (s.u.), ermöglichen breitere Laserlinien den Einsatz von Subpixel-Algorythmen
zur Steigerung der Messauflösung.
Laser-Makrolinien haben vor allem aufgrund
der größeren Linienbreite bei gleichem
Arbeitsabstand einen gegenüber LaserMikrolinien um mehr als 10-fach vergrößerten
Schärfentiefenbereich. Prinzipbedingt ist die
Ausgangsleistung der Laser-Makroliniengeneratoren geringer (50 - 60%) als die der entsprechenden Mikroliniengeneratoren.
Linienbreite
Innerhalb der beiden Typenreihen Mikro- bzw.
Makroliniengenerator ist die Breite der Laserlinie proportional zum Arbeitsabstand.
Wegen des physikalischen Zusammenhangs
zwischen der Breite und der Schärfentiefe der
Laserspeckle sind Interferenzerscheinungen,
die aufgrund der Kohärenz der Laserstrahlung
z.B. bei Reflexion an einer rauen Oberfläche
entstehen. Laserspeckle stören die Kantenschärfe und die Homogenität der Laserlinien.
Quer zur Linienrichtung wird der Intensitätsschwerpunkt stochastisch verschoben, Subpixel-Algorithmen bringen keinen oder nur geringen Genauigkeitsgewinn.
Bei der beschriebenen Applikation vermindert
die Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und dem Sensor die Speckle-Erscheinungen.
Applikation:
3D-Profilmessung einer
Eisenbahnschiene
Bild 3 zeigt ein Applikationsbeispiel mit zwei
Laserliniengeneratoren und zwei CMOSKameras. Die Laserliniengeneratoren markieren die vermessene Schnittebene. Die Laserlinien werden jeweils senkrecht zur Schiene,
aus unterschiedlichen Richtungen, aber in
einer gemeinsamen Ebene auf die Schiene
projiziert.
Die obere Kamera erfasst das Profil der Lauffläche, die rechte Kamera den seitlichen Verlauf des Schienenprofils. Für eine vollständige
Bestimmung des Schienenprofils sind weitere
Laserliniengeneratoren und Kamerasysteme
notwendig, die hier der besseren Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden.
Bei der Profilmessung der oberen Lauffläche
ist eine höhere Genauigkeit und ein kleinerer
Messbereich erforderlich als auf der rechten
Seite des Profils. Entsprechend (vgl. Abschnitt
„Laserlichtschnitt“ weiter unten) ist die obere
Kamera in einem größeren Triangulationswinkel (60°) zum einfallenden Laserstrahl angeordnet als die rechte Kamera (45°).
Anforderungen: Messgenauigkeit auf der oberen Lauffläche 0.1 mm, sonst 0.2 mm.
Messbereich der Höhenmessung oben
15 mm, sonst 70 mm. Die Messfeldbreite ist 80
mm für beide Kameras.
Verwendet werden zwei Laser-Makroliniengeneratoren des Typs 13LRM25S250-1,5 +
55CM-660-25-PA1-T12-2 von Schäfter +
Kirchhoff. Bei einem Arbeitsabstand von
S3
Celsiusweg 15, D-22761 Hamburg • Tel: (+49) 40 85 39 97- 0 • Fax: (+49) 40 850 31 37 • eMail: [email protected] • Web: http://www.SuKHamburg.de
Schäfter + Kirchhoff
A
3
B
4
2
Bild 3. 3D-Profilmessung einer Eisenbahnschiene nach dem
Laser-Lichtschnittverfahren.
A – Bild der Kamera 1 , Linienkontur der Lauffläche
(Triangulationswinkel 60° zu Laserliniengenerator 3 ).
B – Bild der Kamera 2 , Linienkontur der Seitenflächen
(Triangulationswinkel 45° zu Laserliniengenerator 4 ).
α
α
30°
60°
h
Kamera
Triangulationswinkel
α 60° = hohe Auflösung,
kleiner Höhenmessbereich (h)
h
Triangulationswinkel
α 30° = reduzierte
Auflösung, großer
Höhenmessbereich (h)
A
Laserlichtschnitt ist ein Verfahren zur Profilmessung in einer Schnittebene. Eine schräg
angeordnete Flächenkamera (CCD- oder
CMOS-Matrix) registriert den Lateralversatz
bzw. die Verformung einer senkrecht auf die
zu vermessende Oberfläche projizierten
Laserlinie. Messbereich und Messauflösung
werden bestimmt vom Triangulationswinkel
α zwischen der Ebene der Laserlinie und der
optischen Achse der Kameraoptik (siehe
Bild 4).
Aufgrund perspektivischer Verzeichnung besteht ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Höhendifferenz h und Peak-Position
auf dem Kamerasensor x (gemessen jeweils
ab der optischer Achse des Objektivs).
Es gilt
B
▲
B
Laser
Laserlichtschnitt
A
B
▲
A
Angepasst an kundenspezifische Applikationen wie Partikelmessung, Reflexsensoren
und die Laserdiffraktion werden von Schäfter
+ Kirchhoff Laserstrahlquellen mit speziellem
Strahlprofil entwickelt und gefertigt (siehe
Bild 5).
▲
Laser Triangulation (Laserlichtschnitt)
Laserstrahlquellen für die optische
Mess- und Sensortechnik
▲
238 mm ist die Länge der Linien 109 mm, die
Linienbreite beträgt 0,16 mm, die Schärfentiefe 83 mm. Die Wellenlänge ist 660 nm, die
Laser-Ausgangsleistung 25 mW.
Als Messkameras kommen zwei CMOSKameras mit 1024 x 1024 Pixeln und 10 µm
Pixelgröße zum Einsatz (Photonfocus AG).
Beide sind mit CCTV-Objektiven mit Brennweite 25 mm und Öffnungsverhältnis 1:1.4
ausgestattet. Der Abbildungsmaßstab bei der
mit
A: Objektabstand – Abstand zwischen Laserlinie und Objektiv-Hauptebene H
A’: Bildabstand – Abstand des Sensors von
der Objektiv-Hauptebene H’ (jeweils auf
der optischen Achse des Objektivs)
α: Winkel zwischen der Ebene der Laserlinie
und der optischen Achse des Objektivs.
Die dem Pixelabstand ∆ x entsprechende
Höhenänderung ∆ h berechnet sich aus
▲
1
optischen Achse ist
1:8. Zum Erzielen einer
ausreichenden Schärfentiefe werden beide
Objektive mit Blende
16 betrieben. Die Linienbreite entspricht
auf dem Sensor einer
Signalpeak-Breite von
2-3 Pixeln.
Die erreichte Messgenauigkeit liegt bei der
Messung des Laufflächenprofils bei 0,07
bis 0,12 mm, bei einem
Messbereich von 96
mm. Tatsächlich werden nur 15 mm Messbereich benötigt, hier
liegt die Auflösung bei
0,07 bis 0,09 mm.
Die Erfassung des weiteren Profilverlaufs mit
der rechten Kamera erfolgt mit einer Genauigkeit von 0,080,17 mm bei einem
Messbereich
von
96 mm.
▲
2004
Bild 5. Laserdiodenstrahlquellen mit refraktiver
und diffraktiver Strahlformungsoptik
Bild 4. Einfluss des Triangulationswinkels α auf
die Auflösung und den Höhenmessbereich.
OPTICS, METROLOGY AND PHOTONICS BY
40 years of experience and a lot of production know-how are the base of many advanced optical products and optoelectronic systems designed by Schäfter + Kirchhoff
Laser Diode Systems in space
Optical Design Service
CCD Line Scan Camera System
Laser Line generators
Laser and Optics for AFM
Photolytic CNS stimulation
SK 9170: Gray Scale Line Signal – 0
Art-LaserLi_s+k_02-04.pdf / Seite 4
Des ig ne d fo r 255
Microsoft
®
Windows 2000
®
ZOOM
0
0
SK 9170: Gray Scale Line Signal – 1
255
ZOOM
Microsoft
Windows xp
Professional
®
®
0
0
S4
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