Thomas Rampertshammer gibt in dieser Ausgabe der x-technik AUTOMATION einen Einblick zu Techniken, Möglichkeiten und notwendigen Beleuchtungssystemen für die professionelle 3D-Bildverarbeitung mit Lasersystemen. Der Trend in der 3D-Bildverarbeitung geht weiter in Richtung höhere Messgeschwindigkeit und noch kompaktere Systeme, so dass die technologische Entwicklung weitere Innovationen hervorbringen wird.

Thomas Rampertshammer, Laser 2000 GmbH.

Thomas Rampertshammer, Laser 2000 GmbH.

Kompakte Linienlaser für Roboter und Automotive

Die Mess- und Prüfaufgaben im Bereich Automotive sind vielfältig, umfangreich und anspruchsvoll. Nur leichtgewichtige, kompakte Linienlaser können am Roboter montiert werden, um in kleinsten Ecken und Winkeln als Quelle für die 3D-Lichtschnittmessung verwendet zu werden.

Häufig werden Laser in der 3D-Bildverarbeitung im Automotive Bereich eingesetzt, um den Abstand von Türkanten zu messen. Dabei werden sie entweder in stationär angebrachte Prüfrahmen eingebaut oder als Lichtquelle in Handgeräten bzw. auf Handling-Robotern eingesetzt, um die Messinformation zu erhalten. Auch die Auftragsstärke von Kleberaupen oder (Lack-) Schichten ist mit Laserlinien einfach und sicher zu bestimmen. In Kombination mit einem Bandpassfilter ist es zudem nicht mehr notwendig, das Umgebungslicht abzuschotten. Ein feiner Laserstrich hilft, die Fensterkante im Rahmen zu definieren, um die Scheibe beim automatisierten Einbau exakt und dicht per Roboter zu positionieren.

Reifenprofile zu analysieren, ist eine der einfachen Aufgaben für einen Laser. Komplexe Oberflächengeometrien und Konturen farb- bzw. lackunabhängig zu bewerten, benötigt eine ausgeklügelte Software und ein in der Leistung hochstabiles Lasersystem. PKW- und LKW-Achsen werden mit einem Laser und einem optischen Positionsdetektor zueinander ausgerichtet – gleiches gilt für die Positionierung des Abstandsradars bei Fahrzeugen.

Laser und kompakte LED-Systeme sind leicht, sie können daher direkt an die Roboter angebracht werden,

Häufig werden Laser in der 3D-Bildverarbeitung im Automotive Bereich eingesetzt –entweder in stationär angebrachten Prüfrahmen bzw. auf Handling-Robotern, oder als Lichtquelle in Handgeräten.

Häufig werden Laser in der 3D-Bildverarbeitung im Automotive Bereich eingesetzt...

um in den kleinsten Winkeln vor Ort Objekte dreidimensional sehr schnell zu vermessen. Verfügbare Mini-Systeme sind hierfür die leichtesten Kompaktlasersysteme am Markt, die zudem industrietauglich sind. Für diese Miniaturlaser gibt es mittlerweile alle Linienoptiken und Mehrfachprojektoren sowie eine große Vielfalt an Optionen zur individuellen Auswahl. Mit wenigen Gramm Gewicht für den Laser bleibt Reserve für andere Komponenten und Systeme.

Störlicht vermeiden durch Bandpassfilter

Optische Filter helfen in der Bildverarbeitung die zu messende Information sicher vom Umgebungslicht zu separieren. Filter ist jedoch nicht Filter, der Unterschied steckt in den nicht sichtbaren Spezifikationen.

In der Bildverarbeitung nimmt die Kamera über ein Objektiv ein beleuchtetes Objekt oder eine Messszene auf, um es mittels geeigneter Software-Algorithmen auszuwerten. Ein wesentlicher Faktor hierbei ist die perfekte Ausleuchtung des Bildes mit geeigneten Leuchtmitteln, um die entsprechenden Merkmale herausarbeiten zu können. Der erste Messaufbau findet meist im Labor unter optimalen Bedingungen statt. Schon in der Werkshalle können Oberbeleuchtung und unterschiedliche Lichtreflexe eine Messung beeinflussen. Wird nach dem Export beim Kunden eine Sonneneinstrahlung entdeckt, die zudem jahreszeitlich unterschiedlich ist, kann dies das gewünschte Messergebnis stark beeinträchtigen, bis hin zum kompletten Messausfall. Viele Firmen hausen daher Ihre Anlagen ein,

um die empfindliche Sensorik komplett abzuschotten.

Dieser intensive Aufwand ist im Einzelfall gerechtfertigt, in der Regel reicht es aus, mit einer geeigneten Beleuchtung und einem entsprechenden Filter das Umgebungslicht komplett zu trennen – ein Bandpassfilter ist dabei die erste Wahl.

Der Filter besteht aus verschiedenen Sperrschichten, die kombiniert komplette Wellenlängenbereiche blocken. Wird ein Langpass- und ein Kurzpass-Filter entsprechend kombiniert, bleibt ein eingeschränkter Wellenlängenbereich, in dem das Licht passieren kann. Je stärker das Störlicht ausfallen kann, desto wichtiger ist das Blocken im Kurz- bzw. Langpassbereich. Nicht alle Filter blocken zu 100 %. Die verbleibende Strahlung tritt dann als Signalrauschen auf. Viele handelsübliche Filter verändern durch Alterung ihre chemische Beschichtung und damit Kennlinie – die daraus resultierenden Effekte für die Bildverarbeitungsalgorithmen sind schwer zu prognostizieren.

Filter für den professionellen Einsatz weisen ein entsprechendes Schutz-Coating auf. Blockt der Filter nur einen kleinen Bereich und öffnet dann wieder im IR- oder UV-Bereich, kann erneut Störstrahlung transmittiert werden und IR-Strahlung zu einem hohen Signalrauschen führen. Gleiches gilt für die Steilheit der Transmissionsflanken – sind diese nicht „scharfkantig und steil“, kommt zuviel Störstrahlung durch den Filter, die Signalabgrenzung erfolgt nicht optimal. Dies ist beispielsweise notwendig, wenn mit verschiedenen Farben von LED oder Lasersystemen auf einem Objekt gleichzeitig gemessen werden soll, wobei sich die Lichtquellen überlagern dürfen, ohne jedoch andere Kamerasysteme zu stören. Um dies zu vermeiden, werden zahlreiche Laser und Filterkombinationen entsprechend selektiert kombiniert.

Filter müssen mindestens eine Effizienz von > 95 % aufweisen, um die teuren Lichtquellen nicht zu stark zu dämpfen. Gute Filter, beispielsweise aus dem Bereich der Bio-Analytik, bringen all diese Vorzüge mit und lassen sich hervorragend in der Bildverarbeitung einsetzen.

Thomas Rampertshammer, Laser 2000 GmbH.

Häufig werden Laser in der 3D-Bildverarbeitung im Automotive Bereich eingesetzt –entweder in stationär angebrachten Prüfrahmen bzw. auf Handling-Robotern, oder als Lichtquelle in Handgeräten.