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Im richtigen Licht

Laser in der Bildverarbeitung
Im richtigen Licht

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Laser in der wissenschaftlichen und industriellen Bildverarbeitung gewinnen weiter an Bedeutung. Aber welcher Laser ist für die Anwendung richtig und was muss dabei besonders beachtet werden? Ein kleiner Wegweiser und praktische Tipps sollen hier weiterhelfen!

Thomas Rampertshammer, Laser 2000, Wessling bei München

Die Frage der richtigen Beleuchtung war früher ganz einfach – es gab weißes Licht als Auf-, Hinter- oder Seitenbeleuchtung, oder die Bildverarbeitungsaufgabe war einfach unlösbar! Mittels LED Beleuchtung sind schon einige Applikationen mehr zu lösen, das Licht kann gezielter eingesetzt werden.
Dennoch, eine scharfe Linie, einen Punkt, einen Kreis, Kreuze oder Mehrfachlinien (siehe Bild oben) können nur durch eine eng gebündelte und fokussierte Lichtquelle erreicht werden. Um mit einer divergenten und nicht monochromatischen Lichtquelle diese Muster zu erzeugen sind Blenden und/oder Dias notwendig, die Performance der Muster und deren Schärfe über die erreichte Projektion und Abbildungsgröße ist jedoch nicht mit der eines Lasersystems vergleichbar. Die Laserdiode stellt die am häufigsten eingesetzte Laserquelle dar. Innerhalb eines Laserdiodenmodulsystems, das grob beschrieben „nur“ aus der eigentlichen Laserdiode, einer Elektronik und Optik besteht, finden sich jedoch erhebliche Unterschiede.
Warum sollten die Linien so homogen wie möglich sein?
Wird die Gaußsche Linie herkömmlicher Zylinderlinsen mit der homogenen Linienprojektion einer geschliffenen Optik verglichen, ist ein deutlicher Unterschied in der Verteilung der Lichtleistung erkennbar. Innerhalb der mittleren 90% der Linie sind Höhen und Tiefen marginal voneinander entfernt. Die beiden „Ohren“ am Rand werden durch die Kamera oder das menschliche Auge maximal als hellere Punkte wahrgenommen. Bei Bildverarbeitungssystemen wird dies meistens zudem als hilfreicher Referenzpunkt verwendet, das Auge kann oft diese leichte Erhöhung gar nicht mehr wahrnehmen. Eine homogene Leistungsverteilung wirkt sich zudem positiv auf das Leistungsbudget des Lasersystems aus. Bei herkömmlichen Zylinderoptiken mit gaußförmiger Leistungsverteilung ist der Leistungsschwerpunkt in der Mitte der Linie und nichts mehr am Rand übrig. Diese „Fading End“ sind oft auch noch leicht gebogen, was durch die verwendete Zylinderlinse erzeugt wird und bei größerem Öffnungswinkel sehr störend ist. Bekannt geworden für das Patent der Powell Linse zu Erzeugung einer einzigartigen homogenen Linienoptik zeichnet sich der Marktführer LASIRIS für Laser in der Bildverarbeitung seit langem durch hervorragende Spezifikationen aus. Speziell im Bereich Bildverarbeitung und Sensorik finden die Systeme ihren Einsatz.
Laserschutz – For your eyes only!
Einen zu starken Laser sieht man nur zweimal, alle Laser müssen deshalb in Deutschland nach der EN60825-1 klassifiziert werden, oft trifft man jedoch noch die in den USA gültige CDRH Klassifizierung an. Um die Laserschutzklasse zu definieren, muss an jeder Stelle der Projektion die Leistung ermittelt werden. Bei gaußförmigen Leistungsverteilungen ist dies die Mitte der Linie. Aufgrund der ungünstigen Verteilungskurve ist hier logischerweise schnell eine höhere Schutzstufe notwendig, als bei einer homogenen Verteilung.
Die Frage der Isolation
Bei fast allen auf dem Markt gängigen Laser-Modul-Systemen wird die Laserdiode kostengünstig in das Modulgehäuse eingepresst. Dadurch, dass entweder die Kathode oder Anode der Diode mit dem Gehäuse der Laserdiode verbunden ist, entsteht somit eine für die Diode hochgefährliche elektrische Verbindung mit dem Modulgehäuse. Schon ein kleiner Strom genügt zur Erzeugung kleinster Löcher im Halbleiter. Diese Fehlstellen führen zu einer verminderten Leistung der Diode, bzw. wird durch die automatische Leistungsregelung der Monitordiode ein größerer Strom zur Erzeugung der voreingestellten Leistung nötig. Dieser höhere Strom führt zu einer Vergrößerung dieser Löcher und in diesem Kreislauf weiter langsam zum Tod der Diode.
Einige Hersteller eloxieren deshalb das Gehäuse. Diese Isolation ist aber nur solange widerstandsfähig, solange das Gehäuse nicht verkratzt oder diese Schicht anderweitig durchbrochen wird. Auch hier ist eine zusätzliche Isolation unbedingt ratsam. Isolieren bedeutet aber immer zusätzlichen Mehraufwand, schlechtere Wärmeleitfähigkeit, eine geringere Temperaturbeständigkeit und Strahlachsenstabilität sowie Justage derselben. Sämtliche Lasergehäuse müssen am besten richtig potenzialfrei sein, das heißt, die Laser müssen dann nicht mehr isoliert eingebaut werden. Diese Potenzialfreiheit darf nicht nur durch eine Eloxialschicht angedeutet werden, sondern zusätzlich durch eine elektrische und mechanische Trennung der Diode gewährleistet sein.
Punktgenau – die Sache mit der Strahlstabilität
Zu wenig Beachtung erhält oft der Wert der Strahlstabilität. In der Regel verbirgt sich hier eine der größten Messfehlerquellen. So kann bei billigen Gehäusekonstruktionen der Laserstrahl über 0,5 mrad pro veränderten Grad Celsius driften. Selbst das Einschalten des Laserdiodenmoduls führt zu einer Erwärmung des Lasersystems um ca. + 5 °C durch den Betrieb. Die Driftrichtung ist zudem nicht reproduzierbar, was eine mögliche Kompensation ausschließt. Damit Sonnenschein und Regenwetter, Sommer und Winter keinen nennenswerten Einfluss auf die Genauigkeit des Systems ausüben, bieten sich zur Abhilfe Systeme mit Werten um die 0,001 mrad/°C an. Der Clou liegt im Aufbau des Systemgehäuses.
Ist die Diode innerhalb des Systems mechanisch aufgehängt und in eine wärmeableitende und damit kühlende Vergussmasse eingebettet, wird das System präventiv bestens geschützt.
Temperaturschutz –Eine heiße Sache
Die Temperatur ist der Top-Feind für alle Laserdioden. Wird eine Lebensdauer von 50000 Stunden angegeben, verringert sich diese pro 10°C Temperaturerhöhung gegenüber 20°C um jeweils 50%. Professionelle Lasersysteme schalten deshalb bei 45°C automatisch ab und erst wieder unterhalb dieser Temperatur erneut ein. Sollte der Laser dennoch unter südafrikanischen Tropenbedingungen eingesetzt werden, empfiehlt sich eine aktive Klimaanlage in Form von temperaturregelnden Peltierelementen.
Verpolungsschutz / Plus ist Rot und Schwarz ist Minus – oder war’s andersherum?
Unabsichtliches Verpolen von Plus und Minus kann das „Aus“ für viele Laser bedeuten. Die meisten Laser haben einen einfachen Verpolungsschutz der ausreichend schützt.
Überspannungsschutz – Thunder and Lighting
Bei zu wenig Versorgungsspannung findet bei Laserdioden keine spontane Emission statt, der Laser ist aus oder nur eine „multimodige Diode“. Aber bei bereits einigen mV zuviel Spannung verglüht der Halbleiter. Standard Laserdiodenmodulsysteme können bei Spannungen um die 5 VDC 630% betrieben werden. Bei höheren Versorgungsspannungen ist eine automatische Abschaltung zum Schutz sinnvoll. Für Versorgungsspannung bis 30 VDC stehen Universaladapter zur Verfügung.
Vielfalt der Formen
Ohne zusätzliche Optik ist jedes Laserdiodenmodul ein Punktlaser, entweder mit elliptischen, oder bei Verwendung mit Mikrooptik auch mit rundem Strahlenquerschnitt. In Verbindung mit speziellen Aufsatzoptiken können viele unterschiedliche Muster projiziert werden.
Damit aus der kleinen Halbleiterstrahlquelle ein brauchbarer Laserstrahl wird, ist zusätzliche Optik notwendig. Die Laserdiode alleine emittiert aus einer Fläche von ca. 1 µm u 3 µm und meist mit Abstrahlwinkeln um die 10° u 30°. Ein optischer Kollimator sorgt dafür, dass dieses Licht gebündelt wird. Je nach Abstand des Kollimators zu der Laserdiode verändert sich der Fokuspunkt des Lasersystems, er wird größer oder kleiner. Wird der Fokus optimal auf die Arbeitsdistanz gelegt, erhält man einen sehr kleinen Spot im Mikrometerbereich. Je nach Abstand des Lasersystems zur Oberfläche sind bestimmte Grenzwerte vorgegeben. Die Tiefenschärfe wird als der Bereich definiert, in dem sich die minimal fokussierte Talie des Laserstrahles jeweils bis um Faktor A2 erhöht hat. Zu beachten ist, dass unterschiedliche Materialien wie Stoff, Beton, Watte, Haut oder Flüssigkeiten auch eine unterschiedliche Konsistenz aufweisen und dadurch eine andere Linienstärke visuell vermitteln können.
Wenn Sie lichtallergisch sind!
Mit Hilfe der Bandpassfilter kann störendes Hintergrundlicht einfach und effizient ausgeblendet werden. Dabei sollte auf eine hohe Effizienz in der Lichtdurchlässigkeit der gewünschten Wellenlänge geachtet werden. Filter mit einer Effizienz von > 80% sind bestens geeignet. Der sogenannte „Blue Shift“ ist die Wellenlängenänderung des Lasersystems bei Erwärmung (je nach System zwischen 0,2 und 0,3 nm/°C). Wählen Sie die Wellenlänge des Lasersystems etwas geringer als die Zentralwellenlänge des Filters (CWL Range). Bei Erwärmung des Lasersystems läuft die Wellenlänge dann direkt in den optimalen Bereich des Filters.
Die Bandbreite (FWHM) des Filters ist ebenfalls ein entscheidendes Kriterium. Wird diese zu eng gewählt, kann Licht, das unter einem schrägen Winkel auf das Filter fällt, nicht mehr das Bandpassfilter passieren. Das hat zur Folge, dass nur ein Ausschnitt der zu messenden Szene observiert wird. Auch Bandpass-filter haben eine beschränkte Lebensdauer, bzw. verändern ihre Eigenschaften. Aus-schließlich Filter mit einer staubabweisenden Beschichtung garantieren, dass die Filterqualität nicht schon teilweise nach einem Jahr rapide degradiert. Filter mit einem sogenannten Non-Hydroscopic Film sind über mehrere Jahre einsetzbar.
Hochleistungslaser
Wenn viel Leistung für die Lichtschnittmessung benötigt wird, liegt man mit einem Hochleistungslaserdiodensystem genau richtig. Hochleistungslaserdioden geben ein sehr inhomogenes Strahlprofil ab, das an sich nicht ohne optische Korrektur verwendet werden kann. Um dieses Profil zu „zähmen“ wird die verwendete Optik so lange optimiert und per Hand geschliffen, bis der Laser ein schönes, sauberes und homogenes Linienprofil erhält. Hochleistungslaser werden in der Regel mit 5 VDC betrieben und sind auch modulier- und regelbar. Mit frei fokussierbaren Optiken kann der Laser auf individuelle Arbeitsabstände perfekt eingestellt werden (siehe Abb. Seite 46 Linienbreite: Tiefenschärfe).
Elektronische Synchronisation und Leistungseinstellung
Wird ein Laserdiodensystem an eine Gleichspannung angeschlossen, emittiert es permanent als CW-Laser. Je nach System kann über die Versorgungsspannung oder über zusätzliche Steuereingänge der Laser in seiner Intensität verändert und geregelt werden. Dahinter verbirgt sich zum Beispiel eine analoge Modulation von DC, also gleich einem CW-Dauerstrichlaser, bis zu hohen Frequenzen. Über eine angelegte Spannung kann damit die Ausgangsleistung reguliert werden. Handelt es sich zum Beispiel um ein dunkles Objekt, das mehr Licht benötigt, kann hier die Leistung bis zum voreingestellten Limit gefahren werden. Bei mehr kooperativen Objekten, würde diese Regelschleife über das Feedback von dem Kamerasystem, die Leistung wieder verringern können. Die untere Grenze an fokussierten Laserlinien ist derzeit bei 9 µm (1/e2). In allen Bereichen, in denen extrem feine und dünne Linien (bis zu 9 µm) zum Beleuchten diverser Bauteile oder Oberflächen für die Beurteilung durch eine weitere Bildverarbeitung unabdingbar sind, eignen sich diese neuen Lasersysteme hervorragend.
Zusammenfassung
Laserdiodenmodule eignen sich in einem weiten Gebiet als robuste und langlebige Beleuchtung in der Bildverarbeitung. Die ständig größer werdende Auswahl an verfügbaren Dioden und Optionen ermöglicht einen wachsenden Einsatzbereich. Bei Berücksichtigung der aufgeführten Aspekte fällt die Auswahl eines passenden Systems leichter.
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