Messprinzip

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Lasertriangulation

Das Gerät erfasst Höhenprofile und Höhenbilder nach dem Prinzip der Lasertriangulation. Bei diesem Verfahren wird eine Laserlinie aus einer Richtung auf das Zielobjekt projiziert. Der Bildsensor erfasst das Objekt aus einem anderen, aber bekannten Winkel. Das resultierende Sensorbild wird vom eingebetteten Prozessor ausgewertet und in ein einzelnes Höhenprofil umgewandelt. Durch Bewegen des Ziels mit einer bestimmten Geschwindigkeit unter der Laserlinie kann ein vollständiges Höhenbild erfasst werden. Die drei Punkte – Laser, Sensor und Ziel – sowie die Winkel und Abstände zwischen ihnen definieren die Triangulationsgeometrie.

Geometrische Abhängigkeiten

Es gibt drei grundlegende Geometrien, auf denen das gesamte Gerät aufgebaut und kalibriert ist:

Field of View

Das Sichtfeld (FOV) hängt von der integrierten Optik des Geräts und dem Abstrahlwinkel des Lasers ab. Das Nah-Sichtfeld wird an der Obergrenze des Z-Bereichs definiert und ist schmaler als das Sichtfeld. Das Fern-Sichtfeld wird an der Untergrenze des Z-Bereichs definiert und ist breiter als das Sichtfeld.

Hinweis

Die Laserlinie ist in der Regel breiter als das Sichtfeld. Dies ist aufgrund von Ungenauigkeiten an den Rändern der Laserlinie erforderlich.

Working Distance

Der Arbeitsabstand (WD) bezeichnet den Nennabstand zwischen der Unterkante des Lasermoduls und der zu messenden Zielfläche. Die Messgenauigkeit ist immer dann am besten, wenn die Messung im Arbeitsabstand durchgeführt wird. Es ist jedoch ein Z-Bereich definiert, in dem die Zielfläche oder mehrere Flächen auftreten können. Der gesamte Z-Bereich ist die Summe der Abstände vom nahen Sichtfeld (Near FOV) zum Arbeitsabstand (WD) und vom Arbeitsabstand (WD) zum fernen Sichtfeld (Far FOV).

Triangulationswinkel

Der Triangulationswinkel beschreibt den Winkel zwischen dem senkrecht ausgerichteten Laser und der geneigten Sensorebene.

Koordinatensysteme

Das Koordinatensystem des Geräts lässt sich wie folgt beschreiben: Die X-Achse gibt die Breite des Messbereichs entlang der Laserlinie an, die Y-Achse gibt die Transportrichtung an und die Z-Achse gibt die Höhenwerte entlang der Laserebene an.

Die folgende Abbildung zeigt die typische Geometrie der Triangulation.

Sensorauflösung

Die Auflösung des Sensors ist in jeder Achse unterschiedlich:

ΔX: Auflösung entlang der Laserlinie und quer zum Ziel (lateral). Dies entspricht der Breite des Sichtfelds geteilt durch die Anzahl der Pixel des Bildsensors
ΔY: Auflösung senkrecht zur Laserlinie (in Bewegungsrichtung). Sie hängt direkt von der Messfrequenz und der Transport ab.
ΔZ: Höhenauflösung. Die Laserlinie wird senkrecht auf die Objektoberfläche projiziert, während die Kamera das Objekt unter dem Triangulationswinkel α erfasst. Die Höhenauflösung lässt sich näherungsweise wie folgt berechnen:

Okklusionen

Okklusion eine wesentliche Einschränkung des Lasertriangulationsverfahrens Okklusion . Ist die Laserlinie für den Sensor nicht sichtbar, können keine Höhendaten erfasst werden. Es ist daher erforderlich, das Zielobjekt zu analysieren und die Scanbahn so zu planen, dass Okklusionen vermieden werden. Eine Lösung kann der Einsatz einer Konfiguration mit zwei oder mehreren Sensoren sein.

Gerätemodi und Algorithmen zur Spitzenerkennung

In diesem Kapitel werden die allgemeinen Funktionen der implementierten Gerätemodi und der Algorithmen zur Spitzenwert-Erkennung beschrieben. Dieses Gerät kann im 2D-Areascan-Modus und im 3D-Linescan3D-Modus betrieben werden:

Areascan

Der Areascan-Modus ist der 2D-Bildmodus, in dem das Gerät ähnlich wie eine herkömmliche 2D-Kamera betrieben wird. In diesem Modus werden Graustufendaten mit einer Auflösung von 8 bis 10 Bit über die Geräteschnittstelle erfasst. Darüber hinaus kann der Sensor in multiple regions unterteilt werden.

Linescan3D

Der Linescan3D-Modus ist der 3D-Modus, der Höhendaten liefert. Genau wie im Areascan-Modus kann der Sensor in multiple regions unterteilt werden. Für jeden Bereich kann eine „Scan3dExtraction“ aktiviert werden. Der Linescan3D-Modus kann auf verschiedene Algorithmen zur Spitzenerkennung eingestellt werden. In diesem Modus nimmt der Bildsensor ein Bild auf, aus dem der ausgewählte Algorithmus die Position der Laserlinie spaltenweise extrahiert. Alle Laserlinienpositionen aus einem Bild werden als Profil bezeichnet. Es stellt einen Querschnitt des Zielobjekts dar. Das Gerät wiederholt diesen Vorgang für eine definierte Anzahl von Profilen, die anschließend zu einem Entfernungsbild zusammengefasst werden. Dieses Entfernungsbild stellt kein Bild des Zielobjekts im klassischen Sinne dar, sondern vielmehr eine Reihe von Höhenprofilen.

3D-Algorithmen