Laser-Triangulation Von ein bis drei Dimensionen

Präzise Vermessungen auf unterschiedlichen Oberflächen.
Präzise Vermessungen auf unterschiedlichen Oberflächen.

Das Prinzip der Triangulation – die geometrische Vermessung mit Hilfe von Dreiecksbeziehungen – ist bereits seit der Antike bekannt und ist in der Landvermessung üblich. Aber auch in deutlich kleinerem Maßstab können Geometrien auf unterschiedlichen Oberflächen präzise vermessen werden.

Verfahren der Laser-Triangulation können beispielsweise eingesetzt werden, um produzierte Bauteile zu vermessen. Die Messdaten stehen in der Regel in Echtzeit zur Verfügung und können somit zur automatischen Korrektur und Regelung direkt im Fertigungsprozess verwendet werden. So optimierte Abläufe verbessern die Qualität der Produkte, sparen Rohstoffe und Energie und senken damit die Herstellkosten.
Mit dem Triangulationsprinzip werden Abstände gegen ein breites Spektrum von Materialoberflächen gemessen. Dabei kommen verschiedene Messverfahren zum Einsatz: Die Messung von Weg, Abstand und Position per Laser-Punkt und die Profil- und Spaltmessung per Laser-Linie.

Eindimensionale Abstandsmessung mit Laser-Punkt-Sensoren

Um einen Triangulations-Sensor mit Laserlicht zu realisieren, wird ein Laserstrahl auf ein Messobjekt fokussiert (Bild 1). Eine unter einem festen Winkel zum Laserstrahl geneigte, ortsauflösende CCD-/CMOS-Zeile detektiert die diffuse Reflexion an der Oberfläche. Ändert sich der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt, so ändert sich auch der Winkel, unter dem das reflektierte Licht auf die Sensorzeile fällt, und damit auch die Position des reflektierten Lichts auf der Sensorzeile. Über die Winkelbeziehungen im Dreieck lässt sich der Abstand zwischen Sensor und Oberfläche des Messobjekts berechnen. Mit diesem Messverfahren können Messgenauigkeiten bis in den Submikrometerbereich erreicht werden.

Laseroptische Wegsensoren messen mit einem sehr kleinen Lichtfleck, der Messungen von kleinsten Teilen ermöglicht. Der große Messabstand wiederum ermöglicht Messungen gegen kritische Oberflächen, wie zum Beispiel heiße Metalle. Das berührungslose Prinzip erlaubt verschleißfreie Messungen. Darüber hinaus sind mit dem Prinzip der Laser-Triangulation sehr schnelle Messungen möglich.

Ein Beispiel, bei dem schnelle und höchste Präzision auf kleinstem Raum gefordert ist, sind Bestückungsautomaten. Hier können die Laser-Punkt-Sensoren ihre Vorteile ausspielen, wenn es um die Qualitätskontrolle der winzigen Bauteile geht. Denn diese müssen unter anderem in der richtigen Ausrichtung an der korrekten Stelle sitzen oder die korrekte Höhe aufweisen. Dazu kommen noch weitere Herausforderungen, wie die Prüfung der noch viel kleineren IC-Pins eines Bauteils, die in exaktem Abstand zur Leiterplatte stehen müssen. Der Abstand zwischen beiden Teilen darf nicht zu groß sein, damit hier einwandfrei gelötet werden kann. Die sogenannte Koplanarität gibt an, ob alle Pins parallel zueinander liegen.

Das Bauteil wird dazu über einen Triangulationswegsensor geführt, dessen Laserstrahl die Pins abscannt. Nachdem die Abstandswerte berechnet wurden, wird entschieden, ob das Bauteil platziert oder aussortiert werden muss. Die Anforderungen an die Messtechnik sind enorm: nicht nur weil die Teile winzig klein sind, sondern vor allem auch wegen des schnellen Wechsels von glänzender zu matter Oberfläche. Die Pins bestehen aus glänzendem Metall, während die Leiterplatte eine matte Oberfläche aufweist. Somit ist das Empfangselement im Sensor in kürzesten Abständen erst einer starken, dann wieder einer schwachen Reflexion ausgesetzt. Um diese Aufgabe zu lösen, verwenden die Laser-Sensoren optoNCDT 1420 (Bild 2) von Micro-Epsilon die Auto-Target Compensation (ATC). Sie sorgt für eine schnelle Ausregelung von unterschiedlichen Reflexionen und erlaubt einen glatten Verlauf des Abstandssignals. Die Sensoren zeichnen sich daneben auch durch einen sehr kleinen Lichtfleck (bis zu 40 µm) aus, der die Messung feinster Details ermöglicht.