Laser-Triangulation Von ein bis drei Dimensionen

Zwei und drei Dimensionen mit Laser-Linien

In der industriellen Fertigung wird neben der Prüfung eindimensionaler Größen auch die mehrdimensionale Qualitätskontrolle nachgefragt. Für Anwendungen zur Profil- und Konturmessung kommen vermehrt Laser-Profil-Scanner zum Einsatz. Dafür wird das Messprinzip der Laser-Triangulation auf zwei Dimensionen ausgedehnt, indem der Laser zu einer Linie statt zu einem Punkt fokussiert wird – das Verfahren heißt dann Laser-Linien-Triangulation (Bild 3). Als Sensor dient dabei ein zweidimensionales Sensorelement statt einer Sensorzeile. Unter dem Winkel, aus dem das Sensorelement die Oberfläche betrachtet, wird aus der geraden Laser-Linie ein Profil der Oberfläche – man spricht daher auch von Laser-Profil-Sensoren. Dieses Oberflächenprofil kann aus den Intensitätswerten des reflektierten Lichts, das auf das ortsempfindliche Sensorelement trifft, berechnet werden. Will man noch die dritte Dimension hinzunehmen, so kann das Messobjekt senkrecht zur Laser-Linie beziehungsweise der Profilsensor über das Messobjekt bewegt werden. Der Sensor wird zum 3D-Laser-Profil-Scanner und kann auf diese Weise ein dreidimensionales Bild der Oberfläche erstellen.

Eine typische Anwendung ist die Prüfung von Kleberaupen in Smartphone-Gehäusen. Die Herausforderung sind die besonders feinen Konturen im Inneren des Smartphone und nur sehr dünne, teilweise semitransparente Kleberaupen. Hier ist absolute Zuverlässigkeit und eine 100%-Kontrolle, unter anderem auf Vollständigkeit der Raupe oder auf Höhe und Breite des Klebeauftrags, gefragt. Dies gilt auch für Logos von Tablets oder Laptops: In die Aluminiumgehäuse werden Nuten eingefräst, in die anschließend die Logo-Elemente eingeklebt werden. Diese müssen bündig zum Gehäuse sein. Die Haptik ist entscheidend, denn der Kunde würde das abstehende Logo oder die hervorstehende Vertiefung sofort fühlen. Mittels Laser-Linien-Scannern misst man diese Vertiefungen, um damit die Ebenheit und auch die Tiefe festzustellen. Die Teile, die eingeklebt werden, vermisst man ebenfalls, um eine perfekte Passung zu realisieren.

Einflussfaktoren bei der Laser-Triangulation

Die Leistungsfähigkeit eines Laser-Profil-Scanners ist von vielen Faktoren abhängig. Ideal ist es, wenn alle wesentlichen Komponenten – also die Laser-Quelle, die Optik zum Fokussieren der Laser-Linie, die Empfangsoptik und das Sensorelement – in einem Gehäuse untergebracht sind. Die thermische und mechanische Stabilität des Laser-Profil-Scanners kann dadurch einfacher kontrolliert werden. Auch der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt und das Umgebungslicht haben einen Einfluss auf die Qualität des Messergebnisses. Um Störlicht zu unterdrücken, ist ein Filter vor der Empfangsoptik installiert, das nur für die Wellenlänge des eingesetzten Lasers durchlässig ist.

Neben diesen Einflussfaktoren spielen auch weitere technische Merkmale des Laser-Profil-Scanners eine Rolle. Die Qualität der Optik und der eingesetzten Laserdiode sind entscheidend dafür, wie gut die Linie auf das Messobjekt fokussiert werden kann. Die Ortsauflösung der Sensormatrix und die Leistungsfähigkeit des eingesetzten Prozessors sind maßgeblich dafür, wie präzise und wie schnell aus dem reflektierten Licht ein Oberflächenprofil berechnet werden kann.
Auch die Wellenlänge des Laserlichts spielt eine Rolle für die Präzision des Messergebnisses. Meist wird ein roter Laser eingesetzt, da die Detektoren hier die höchste Empfindlichkeit aufweisen. Bei vielen Anwendungen liefert der Laser-Profil-Scanner mit roter Laser-Linie genaue Ergebnisse.

Micro-Epsilon präsentierte vor einigen Jahren die ersten Laser-Triangulationssysteme, die blaue Laserdioden verwendeten, zunächst zur Laser-Punkt-Triangulation, später auch für Laser-Profil-Scanner. Die Laser-Linie einer blauen Laserdiode lässt sich deutlich schärfer auf das Messobjekt fokussieren als bei den roten Laserdioden. Blaues Laserlicht dringt nicht so weit in die Oberfläche ein, was zu einer weiteren Verbesserung beiträgt. Gerade Oberflächen, die mit herkömmlichen Laser-Profil-Scannern schwierig zu vermessen sind – etwa organische Materialien, wie Holz oder Lebensmittel, und semitransparente Materialien oder auch glühende Objekte –, lassen sich mit Laser-Profil-Scannern, die auf blauen Laserdioden basieren, deutlich besser vermessen.

Leistungsfähige Scanner

Micro-Epsilon bietet ein großes Spek¬trum an Laser-Profil-Scannern an, die nach dem Prinzip der Laser-Linien-Triangulation arbeiten, so zum Beispiel die Produktfamilie ScanControl. Die Scanner arbeiten mit einer CMOS-Sensormatrix, die eine Auflösung entlang der x-Richtung (entlang der Laser-Linie auf der Oberfläche) von bis zu 1280 Punkten haben.

Das Modell ScanControl 29xx-10 BL verwendet eine blaue Laserdiode. Damit erreicht der Scanner eine Länge der Laser-Linie von 10 mm. Daraus ergibt sich ein Punktabstand von nur 7,8 µm, wodurch dieser Laser-Profil-Scanner mehr als doppelt so hoch auflöst wie vorherige Laserscanner mit 25 mm Messbereich. Die Auflösung in z-Richtung kann je nach Modell bis zu 1 µm betragen. Die Auflösung entlang der y-Achse hängt im Wesentlichen davon ab, wie präzise das Messobjekt relativ zum Scanner bewegt werden kann. Mit Messraten von bis zu 4000 Hz lassen sich Oberflächen präzise und schnell vermessen.

Die Laser-Profil-Scanner der Serie ScanControl haben einen ins Gehäuse inte¬grier-ten Controller. Dieser berechnet aus den Intensitätswerten auf der CMOS-Sensormatrix das zweidimensionale Profil der Oberfläche. Eine Auswertung der Profile ist mit den sogenannten Smart-Modellen möglich. Damit lassen sich häufig wiederkehrende einfache oder komplexe Messaufgaben direkt im Scanner realisieren und die Ergebnisse ausgeben.

Wenn der Anwender die Auswertung der Profildaten extern vornehmen möchte, kann der Laser-Profil-Scanner auch die gesamten Rohprofile der Sensormatrix ausgeben. Zur Anbindung an einen PC ist eine Ethernet-Schnittstelle mit GigE-Vision vorhanden. Um die Einbindung in eigene Software zu erleichtern, stellt Micro-Epsilon Bibliotheken für C, C++ und C# sowie LabView-Treiber zur Verfügung. Auch eine Integration in Linux-Umgebungen ist durch entsprechende Bibliotheken problemlos möglich.
Für Anwendungen, bei denen raue Umgebungsbedingungen herrschen, bietet Micro-Epsilon spezielles Zubehör an, das den Scanner schützt. So ist etwa für Schweißapplikationen ein spezielles Schutzgehäuse erhältlich, dessen Schutzscheiben austauschbar sind. Eine zusätzliche Druckluftspülung schützt die optischen Komponenten vor Staubablagerungen. Bei hohen Umgebungstemperaturen kann der ScanControl in ein gekühltes Gehäuse eingebaut werden.

Nach Unterlagen von Micro-Epsilon) / mh