Verbesserte 3D-Bildverarbeitung mit Speckle-freiem, blauem Laser

Durch den Einsatz einer neu entwickelten und kürzlich patentierten Technologie reduziert Cognex den Speckle-Effekt von Laserlinien und optimiert dadurch Triangulations-basierte 3D-Bildverarbeitungslösungen. Das Embedded-Vision-System In-Sight 3D-L4000 ist das erste Produkt, das Anwendern die Vorteile des blauen Lasers zur Verfügung stellt.

Das Laser-Triangulationsverfahren hat sich als maßgebliche Technologie für die 3D-Bildverarbeitung etabliert, um hochaufgelöste und präzise dreidimensionale Bilddaten zu generieren. Der prinzipielle Aufbau dieses Verfahrens besteht aus einem Laser, der eine Linie auf das zu untersuchende Objekt projiziert, und einer in einem bekannten Winkel zum Laser angebrachten Kamera, die Bilder der Laserlinie aufnimmt. Indem das Prüfobjekt beispielsweise durch ein Transportband relativ zur Kamera bewegt wird, wird die Oberflächenkontur des Objekts in den Kamerabildern mit unterschiedlichen Auslenkungen erkennbar. Mit Hilfe einer geeigneten Software können die einzelnen Bilder zusammengesetzt werden und ergeben so die 3D-Daten des Objekts in Form von 3D-Punktewolken oder Höhenprofilen, die sich anschließend analysieren und auf Fehler untersuchen lassen.

Eine Schwachstelle des Laser-Triangulationsverfahrens besteht seit jeher darin, dass die projizierten Laserlinien so genannte Speckles aufweisen. Dieses physikalische Phänomen entsteht durch Interferenzeffekte des Laserlichts, das von der Prüfoberfläche reflektiert wird und dadurch helle und dunkle Punkte auf dem Kamerachip oder im Auge des Betrachters erzeugt, wo eigentlich eine scharfe Linienprojektion gewünscht wird. So entsteht im 3D-Laser-Triangulationssystem ein störendes Bildrauschen. Aus diesem Grund versuchen Entwickler bereits seit Jahren mit verschiedenen Methoden, Speckles zu reduzieren, beispielsweise durch Variationen der Wellenlänge und der Kamerablende oder durch die Aufnahme mehrerer Bilder und die anschließende Berechnung eines Durchschnittsbildes. Bisherige Bemühungen mit vertretbarem Mehraufwand führten jedoch nicht zu nennenswert besseren Ergebnissen.

Neuer optischer Ansatz

Mit einem neuen und inzwischen patentierten Verfahren hat Cognex eine Lösung gefunden, um das Auftreten und die Effekte von Speckles zu minimieren und extrem gerade, saubere und helle Laserlinien zu erzeugen. „Grundlage der neuen Technologie ist ein blauer Laser mit einer Wellenlänge von 450 nm“, erläutert Thomas Ruhnau, Director of Engineering bei Cognex, der die Entwicklung des integrierten Lasers von Anfang an begleitet hat. „Der Laserstrahl wird anschließend von einem mikroelektromechanischen Spiegel mit Ultraschallschwingungen in einer Ebene so abgelenkt, dass ein gefächerter Strahl entsteht. Dieser wird dann auf eine Diffusoroptik geleitet, die über eine einzigartige Eigenschaft verfügt: Dieses optische Element erzeugt einen perfekten Laserfächer mit einer genau definierten Breite und einer Intensitätsverteilung, die entlang der Linie absolut gleichmäßig ist und die Entstehung von Speckle im Ansatz unterbindet.“

Für die hohe Qualität der so erzeugten Laserlinie sorgt nach Ruhnaus Worten zudem eine spezielle Feldlinse, die den gefächerten Laser bündelt. Das Zusammenspiel der optischen Elemente ermöglicht eine Laserlinie, die im Vergleich zu herkömmlichen Laserliniengeneratoren keinen signifikanten Lichtverlust aufweist und auf diese Weise die optimalen Voraussetzungen für verbesserte Ergebnisse von 3D-Bildverarbeitungslösungen schafft.

Ein weiterer Pluspunkt des Cognex-Patents besteht darin, dass das System robust genug für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen ist und dennoch innerhalb der Sicherheitsgrenzen für Laser der Schutzklasse 2M arbeitet. Grund dafür ist das eingesetzte Projektionsverfahren: Da die Laserlinie in voller Breite projiziert und nicht von einem einzelnen Lichtpunkt gezeichnet wird, bleibt die Linienhelligkeit hoch, während die Lichtmenge sinkt, die ein potenzielles Sicherheitsrisiko für Personen im Umfeld des Lasers darstellen könnte. „Durch die sehr schnelle Bewegung des Lasers über die Diffusoroptik gibt es keine stehende Punktquelle, die im Auge einer Person im Umfeld des Lasers abgebildet werden und Schaden anrichten könnte“, verdeutlicht Ruhnau. „Dadurch steigt die Sicherheit für das Bedienpersonal und es bestehen geringere Anforderungen an die Sicherheitsausrüstung.“

Erstes Produkt vorgestellt

Cognex hat die neue Speckle-freie blaue Laseroptik bereits in einem ersten Produkt integriert: Das 3D-Vision-System In-Sight 3D-L4000 nutzt die Vorzüge dieser Technologie und ermöglicht Anwendern damit mindestens doppelt so hohe Prüfgeschwindigkeiten wie vergleichbare Wettbewerbsprodukte. Neben den qualitativ besseren Ergebnissen verfügt In-Sight 3D-L4000 jedoch noch über weitere Vorzüge, so Ruhnau: „Üblicherweise erfordern 3D-Bildverarbeitungssysteme einen externen, leistungsstarken Rechner, um die aufgenommenen Bilder zu verarbeiten. Als intelligentes 3D-System ist In-Sight 3D-L4000 bereits mit ausreichend integrierter Rechenleistung und geeigneten 3D-Vision-Tools ausgestattet, um die Inspektion echter 3D-Punktewolken durchzuführen.“

Zudem hat Cognex bei der Entwicklung der zugehörigen Programmierumgebung viel Wert auf eine intuitive Bedienung gelegt, so dass die bislang eher schwierige Realisierung von 3D-Bildverarbeitungssystemen mit In-Sight 3D-L4000 erheblich einfacher wird. Der Funktionsumfang der enthaltenen 3D-Tools umfasst alle erforderlichen Werkzeuge für die 3D-Bildverarbeitung wie unter anderem flexible Möglichkeiten der Ebenen- und Höhenbestimmung sowie bewährte Tools wie PatMax3D, Blob3D, 3D Geometry und viele weitere Optionen. Damit eignet sich In-Sight 3D-L4000 für die Realisierung leistungsfähiger Anwendungen in zahlreichen Industriesegmenten wie z.B. der Automobilproduktion, der Verpackungs- oder der Elektronikindustrie.

Cognex plant, seine neue Speckle-freie Lasertechnologie künftig noch in weitere Produkte zu integrieren, verrät Ruhnau: „Anwender profitieren von ihr unter anderem durch die verbesserte Genauigkeit und mögliche höhere Prüfgeschwindigkeiten, was die Wirtschaftlichkeit von 3D-Visionsystemen erhöht. Wir sehen daher ein großes Potenzial für weitere Produkte auf Basis dieser Technologie und zahlreiche Einsatzmöglichkeiten in einer Vielzahl von industriellen Anwendungsfeldern.“

VISION: Halle 10, F16