Laserbeleuchtung in der Qualitätskontrolle

Das auf die Applikation abgestimmte Licht löst 80% der Bildverarbeitungsaufgabe

08.10.2007 | Autor / Redakteur: Christian Schaarschmidt* / Gerd Kucera

Mit seiner Wechselwirkung zwischen Beleuchtungseinheit, Prüfling und Kamera spielt in der Bildverarbeitung das optimale Licht eine Schlüsselrolle. Nicht selten ermöglicht erst die geschickte Nutzung aller Systemeigenschaften eine erfolgreiche Applikation. Der Einsatz von Laser-Beleuchtungen bietet interessante Möglichkeiten in der Automatisierung optischer Qualitätskontrollen.

Mittels einer von einem Laser erzeugten Lichtstruktur und einer Kamera mit nachgeschalteter Bildauswertung lassen sich bei bekanntem Winkel zwischen Kamera und Objekt Höhenunterschiede und Profile an einem zu prüfenden Objekt vermessen. Mögliche Formen der Laser-Beleuchtung können dabei Punkte und Punktmatrizen, Linien und Liniengitter oder Schachbrettmuster sein. Je nach Lichtstruktur unterscheidet man zwischen Triangulations-, Lichtschnitt- und Gitterprojektions-Verfahren.

Sowohl die Form der Laser-Beleuchtung als auch das angewendete Verfahren müssen auf die zu lösende Anwendung angepasst werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. So besteht z.B. bei Liniengitterprojektionen immer die Gefahr, dass falsche Linien zur Messung herangezogen werden, weil etwa eine Linie vom zu messenden Objekt abgeschattet wird. In solchen Fällen ist es günstiger, eine Serie von sehr kleinen Linienlasern zu benutzen, die separat ein- und ausschaltbar sind, um so sicherstellen zu können, dass tatsächlich die korrekte Linie betrachtet wird.

Bewegen sich die Objekte oder sind sie statisch?

Beachtet werden muss außerdem, ob Objekte statisch oder in Bewegung vermessen werden sollen. Bei bewegten Objekten kann die Lichtquelle moduliert und mit der Bildaufnahme synchronisiert werden. Sehr hoch modulierbare Laserquellen lassen sich sogar mit der Pixelauslesefrequenz synchronisieren.

Dioden-Laser, die als Laser-Lichtquelle für die Bildverarbeitung in der Regel eingesetzt werden, existieren in der Grundform als Punkt- oder Linien-Laser. Meist haben die angebotenen Punktlaser ein elliptisches Strahlprofil. Es ist aber auch möglich, Diodenlaser mit einer Elliptizität nahe 1, also mit quasi idealer Rundheit zu konstruieren. Dazu werden Laserdioden mit integrierter Mikrooptik eingesetzt, die ein zirkulares Strahlprofil erzeugen und mit hochwertigen Kollimatoren kombiniert werden.

Die Lichtverteilung und richtige Linsenauswahl

Linienprojektionen lassen sich mittels Zylinder-, Raster- oder Powell-Linsen realisieren. Zylinderlinsen produzieren eine Gaußsche Lichtverteilung entlang der Linie, wobei der Durchmesser einer solchen Linse den Fächerwinkel und damit die Linienlänge beeinflusst.

Blendet man die Randbereiche ab oder nutzt man die Linie nur im Maximum, haben solche Linien oft eine recht homogene Lichtverteilung entlang des genutzten Bereichs. Braucht man unbedingt eine nichtgaußsche, also sehr gleichmäßige Lichtverteilung entlang der Linie, bieten sich Raster- und Powell-Linsen als Liniengeneratoren an.

Auf kleine Distanzen wird die Punktstruktur der (kostengünstigen) Rasterlinse nicht aufgelöst, sodass sie dort gut eingesetzt werden kann. Auf größere Distanzen sieht die Kamera aber die Punktstruktur der Linie. Falls dies die Messung stört, oder wenn man in größeren Abständen messen muss, setzt man Powell-Linsen ein. Diese Linsen werden manuell geschliffen und sind mit Fächerwinkeln bis zu 90° verfügbar.

Wichtig ist auch die breite der Lichtstrukturen

Wichtig für alle Anwendungen ist die bestmögliche Schärfe der Projektion bei gegebenem Messabstand. Typischerweise wird man also möglichst feine Linien einsetzen, um eine gute Messauflösung zu bekommen. Einfluss auf die Wahrnehmung der Linienbreite hat aber nicht nur die Güte der Optik, sondern auch die Struktur des zu untersuchenden Objektes.

Aufgrund der Kohärenz des Laserlichts entsteht auf der Oberfläche, auf die projiziert wird, ein so genanntes Speckle-Muster. Dieses kann Einfluss auf den Verlauf der Intensitätsverteilung quer zur Linie haben und somit die Konturschärfe und Homogenität der Linie beeinträchtigen. Wird die Linienbreite mit mehreren (mindestens drei) Kamera-Pixeln erkannt, kann durch einen Gauß-Fit die exakte Lage der Linie mit Subpixel-Genauigkeit bestimmt werden.

Schärfentiefe und Geradlinigkeit sind essentielle Parameter

Will man Objekte mit dem Laserlichtschnittverfahren vermessen, so kommt noch die Schärfentiefe als Parameter ins Spiel. Sie ist der Bereich, in dem sich die Linienbreite um nicht mehr als den Faktor Þ2 verbreitert. Breitere Linien haben gegenüber ultrafeinen Linien einen deutlich größeren Schärfentiefebereich. Es muss also immer der optimale Kompromiss zwischen Linienbreite und benötigter Schärfentiefe für die jeweilige Anwendung gefunden werden.

Nur mit geraden Linien lässt sich auch exakt messen, da nur so Verformungen des Objekts sauber erkannt werden. Bei Billiglasern weisen Linien jedoch oft die Form eines S oder einer Banane auf. Es ist also wichtig, dass die verwendete Linie im Messbereich sehr gerade ist.

Die passenden Projektionsmuster für die Kameraanwendung

Z-LASER stellt dies bei seinen Linienlasern durch exakt gerade Einstellungen während der Produktion sicher. Selbst bei meterlangen Linien beträgt die Abweichung nicht mehr als 0,1 mm. Auf Kundenwunsch vermessen die Freiburger sogar jede Linie und legen der Lieferung ein Prüfprotokoll bei, aus dem die Linienbreite im Fokus und die maximale Abweichung von der Geradlinigkeit hervorgeht.

Neben Punkt- und Linienprojektionen wird für Kamera-Anwendungen eine Vielzahl weiterer Projektionsmuster verwendet: Kreuze, Kreise, Quadrate, Punktmatrix, Mehrfachlinien, Schachbrettmuster und vieles andere mehr. Diese Projektionen werden mittels diffraktiver optischer Elemente (DOEs) erzeugt.

Die Projektionsqualität hängt von der Computerberechnung ab

DOEs basieren auf dem Prinzip der Lichtbeugung an periodischen Mikrostrukturen. Durch gezieltes Design der Oberflächenstrukturierung lassen sich Strahlformungseigenschaften wie computergenerierte Hologramme oder Freiform-Phasenfunktionen realisieren. Die Herstellung der DOEs erfolgt über einen Master, der dann in einem Massenreplikationsprozess kostengünstig abgeformt wird.

Die Qualität der Projektion hängt sowohl von der Qualität des computergenerierten Hologramms (Berechnung) als auch vom Master ab. Z-LASER arbeitet mit ausgewiesenen Experten in diesem Feld zusammen und ist in der Lage, neben Standardprojektionen wie Kreuzen, Multilinien, Schachbrettmustern, Punktmatrizen, Kreisen usw. auch kundenspezifische DOEs anzubieten.

Laserdioden können auch schielen – das muss man korrigieren

Bedingt durch den Fertigungsprozess können Laserdioden zum Teil erheblich schielen, d.h. sie strahlen nicht zentrisch und koaxial zum Gehäuse ab. Für manche Anwendungen müssen deshalb die Laserdioden mittels Justierschrauben zentrisch und koaxial zum Lasergehäuse ausgerichtet werden. So ausgerichtete Laser weisen dann nur noch einen minimalen Abstrahlfehler auf, der bei 0,5 mrad oder darunter liegt, während nicht korrigierte Laser typischerweise einen Abstrahlfehler von ca. 3 mrad haben.

Optimaler Schutz selbst vor geringen äußeren Störungen

Laserdioden sind hochempfindliche elektronische Bauteile, die schon durch geringe äußere Einflüsse zerstört werden können. Für eine hohe Lebenserwartung ist es deshalb wichtig, diese Bauteile besonders zu schützen. Bis auf die Super-Mini-Serie, wo dies aufgrund der Baugröße unmöglich ist, sind alle Z-Laser potentialfrei aufgebaut und verfügen über einen Verpolungsschutz, der die Laserdiode bei unbeabsichtigter Verwechslung des Plus- und Minuspols schützt. Die Laser müssen also beim Einbau nicht extra elektrisch isoliert werden, was direkte Auswirkungen auf die Güte und Lebensdauer hat. Trotz elektrischer Isolation werden die internen Laserdioden thermisch gut an die Gehäuse gekoppelt. Aufgrund dieser guten Wärmeableitung kann mit Lebensdauern im Bereich von 30.000 bis 100.000 Stunden gerechnet werden.

Trotz Normung der Netzspannungsparameter sind Laser immer wieder zahlreichen Störungen ausgesetzt, welche die Laser zerstören können. Z-LASER sind besonders robust und können in der Heavy-Duty-Version auch unter besonders rauen Industriebedingungen eingesetzt werden.

Eine erprobte Kombination hat in der Anwendung bestanden

Laser als Beleuchtungsmedium sind in verschiedenen Branchen erfolgreich im Einsatz. Ein einfaches, anschauliches Beispiel dafür ist die Anwendung zur Qualitätskontrolle von elektronischen Bauteilen. Geprüft wird, ob die Beinchen der produzierten Bauteile exakt angebracht wurden oder verbogen sind.

Die Bauteile werden in diesem Fall von einem Roboter unter ein linienförmiges Laser-Licht positioniert, das eine farbige Linie auf die Beinchen und den Hintergrund projiziert. Eine über der Szene in einem bekannten Winkel angebrachte Kamera liefert Bilder der Prüfteile. Aufgrund des Winkels zwischen Kamera und Lichtquelle erscheint die Laserlinie an den Stellen unterbrochen, wo sie auf die Beinchen trifft. An diesen Stellen entstehen also Lichtpunkte, die bei fehlerfreien Produkten einen bekannten Abstand zu der Hintergrundlinie haben. Dieser kann von der nachgeschalteten Bildverarbeitungsauswertung sehr einfach gemessen werden. Stimmt der gemessene Abstand zwischen Lichtpunkt auf dem Beinchen und Hintergrundlinie nicht überein, kann dies nur einen Grund haben: Das betreffende Beinchen ist verbogen oder nicht vorhanden, das Bauteil somit fehlerhaft.

Das Licht ist Ihr Messmittel

Man mag es kaum glauben, aber das richtige, auf die Applikation abgestimmte Licht löst bereits 80% der Bildverarbeitungsaufgabe. Licht ist ein Messmittel. Darum beginnen die Überlegungen zum Aufbau maschineller Sehsysteme stets bei der Beleuchtung.

Taugt ein Messmittel nicht, kommt ein unnötig hoher Aufwand bei der Bildanalyse auf den Anwender zu. Effiziente Beleuchtungstechnik bedeutet daher ein komplexes Zusammenspiel von Mechanik, Optik und Elektronik. Zum Themenkomplex gehören Aspekte wie mechanische Stabilität, Verschleiß und Langzeitverhalten (Verschleiß der Beleuchtung). Welche Art der Beleuchtung für eine gegebene Applikation nötig ist, bestimmt allein die Aufgabe.

*Christian Schaarschmidt ist Vertriebsingenieur bei STEMMER Imagin, Puchheim.

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