Optische Qualitätskontrolle

Laser-Beleuchtung und Bildverarbeitung erschließen neues Terrain

10.05.2007 | Autor / Redakteur: Peter Stiefenhöfer / Ines Näther

Prinzip der Laserlichtschnittsmessung

Die Kombination von Laser-Beleuchtungen und Bildverarbeitung bietet interessante Möglichkeiten für die Automatisierung optischer Qualitätskontrollen. Eine Kooperation zwischen dem Freiburger Laser-Hersteller Z-LASER und dem Puchheimer Bildverarbeitungs-Spezialisten Stemmer Imaging erschließt solche Wege.

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 gut 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 z.B. 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. 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.

Von „Klein und rund“ bis „rank und schlank“

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 im Markt 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. Linienprojektionen können mittels Zylinder-, Raster- oder Powell-Linsen realisiert werden. 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 Nicht-Gaußsche, 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, so dass 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.

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 Specklemuster. 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

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.

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.

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.

„Schielen“ korrigiert

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, auch vor Blitz und Donner

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. Auch hier unterscheiden sich die Produkte von Z-LASER von vielen anderen Billig-Lasern am Markt: 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 sehr rauen Industriebedingungen eingesetzt werden.

Starke Partnerschaft

Seit Anfang 2006 ergänzen die Laser-Beleuchtungen von Z-LASER das breite Spektrum an Bildverarbeitungs-Komponenten der STEMMER IMAGING GmbH. Aufgrund der langjährigen Erfahrung von Z-LASER und der umfangreichen Laser-Typen vom Standard- bis hin zum kundenspezifischen Produkt auf höchstem Qualitätsniveau fügen sich diese Beleuchtungen optimal in das Portfolio von STEMMER IMAGING ein. Das Puchheimer Unternehmen ist der größte deutsche und europäische Technologie-Anbieter von Komponenten und Dienstleistungen für die industrielle Bildverarbeitung. Darüber hinaus ist es Hersteller von kundenspezifischem Zubehör und vor allem Entwickler der weltweit führenden Bildverarbeitungs-Software-Plattform Common Vision Blox. Aufgrund dieser Bandbreite verfügt STEMMER IMAGING über die kompletten Möglichkeiten, um seine Kunden optimal bei der Lösung ihrer Bildverarbeitungs-Aufgabe zu unterstützen.

Erprobte Kombination

Die Verbindung von Lasern als Beleuchtungsmedium für industrielle Bildverarbeitungs-Anwendungen ist mittlerweile schon in einigen Aufgabenstellungen in verschiedensten Branchen erfolgreich im Einsatz. Ein einfaches, sehr anschauliches Beispiel dafür hat STEMMER IMAGING in Form eines Messe-Demosystems realisiert: In dieser Anwendung wird ein möglicher Schritt bei der Qualitätskontrolle von elektronischen Bauteilen simuliert. Geprüft wird dabei, ob die Beinchen der produzierten Bauteile exakt angebracht wurden oder verbogen sind.

Die Lösung der Aufgabenstellung ist so einfach wie sicher: Die Bauteile werden im Fall der Messe-Demo von einem Roboter unter ein linienförmiges Laser-Licht positioniert, das eine farbige Linie auf die Beinchen und den Hintergrund projeziert. 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 Bildverarbeitungs-Auswertung 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.

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