Erkennung von Mehrfachspitzen bei der Lasertriangulation: Erfassung mehrerer Reflexionsspitzen für höhere Präzision

Eine Laserdiode strahlt einen fokussierten Strahl auf das Messobjekt. Das Objekt streut das Laserlicht und reflektiert es zurück zur Empfangsoptik des Sensors, die den reflektierten Strahl auf einen 2D-Bildsensor – in der Regel ein CCD- oder CMOS-Array – projiziert. Für jede Pixelspalte dieses Arrays berechnet der Sensor die Intensitätsverteilung entlang der Spaltenachse und ermittelt die Position der maximalen Intensität. Diese Position entspricht dem z-Abstandswert der Oberfläche an dieser x-Position. Der Algorithmus passt eine Gaußsche Kurve an das Intensitätsprofil an und extrahiert den Subpixel-Schwerpunkt als Abstandsmessung, wodurch ein einzelner z-Wert pro Pixelspalte erzeugt wird.

Die Lage des Schwerpunkts z^z^ eines erkannten Peaks wird durch gewichtete Subpixel-Anpassung der Intensitätswerte $I(p)$ über Pixel $p$ innerhalb eines Anpassungsfensters mit der halben Breite $w$ um das lokale Maximum am Pixel p0p0​:

z^=∑p=p0−wp0+wp⋅I(p)∑p=p0−wp0+wI(p)z^=∑p=p0​−wp0​+w​I(p)∑p=p0​−wp0​+w​p⋅I(p)​

Dies ist die standardmäßige Einzelpeak-Auswertung: ein Anpassungsdurchlauf pro Pixelspalte, ein z-Wert als output.

Bei industriellen Laser-Triangulationsmessungen treten Mehrfachspitzen in vier physikalisch unterschiedlichen Situationen auf. Erstens lässt eine transparente oder durchscheinende Schicht – wie beispielsweise eine Glasscheibe, eine Polymerfolie oder eine Schutzbeschichtung – den einfallenden Laserstrahl an jeder ihrer beiden Grenzflächen teilweise durch und reflektiert ihn teilweise: Die Vorderseite erzeugt eine reflektierte Spitze und die Rückseite eine zweite reflektierte Spitze, wobei beide Spitzen an unterschiedlichen Zeilenpositionen innerhalb derselben Pixelspalte auftreten. Zweitens erzeugen spiegelnde oder stark reflektierende Oberflächen – wie polierte Metalle oder lackierte Bauteile – einen direkten Reflexionspeak an der korrekten z-Position und einen oder mehrere Interreflexionspeaks an falschen z-Positionen, die dadurch entstehen, dass das Laserlicht zwischen benachbarten geometrischen Merkmalen reflektiert wird, bevor es den Bildsensor erreicht. Drittens erzeugen mehrschichtige Verbundmaterialien – einschließlich Klebeverbindungen, Laminatstapel und beschichtete Substrate – einen Teilreflexionspeak an jeder Materialgrenzfläche innerhalb der Eindringtiefe des Lasers. Viertens platziert ein scharfer Geometrieübergang – wie eine Kante, eine Rille oder eine Stufenhöhe – zwei Oberflächenebenen gleichzeitig innerhalb des Projektionskegels einer einzelnen Pixelspalte während der Übergangszone, wodurch zwei deutliche Peaks an den z-Positionen der oberen und unteren Oberflächenebene entstehen.

Jeder erkannte Peak wird durch drei messbare Merkmale charakterisiert. Die Position des Mittelpunkts, gemessen in Pixeln und über die Sensorkalibrierung in Mikrometer oder Millimeter umgerechnet, definiert den Z-Abstandswert, den der Peak darstellt – dies ist das primäre output. Die Spitzenamplitude definiert den maximalen Intensitätswert am Schwerpunkt, gemessen in digitalen Graustufeneinheiten auf einer Skala von 0–255 für 8-Bit-Sensoren oder 0–4095 für 12-Bit-Sensoren; die Amplitude spiegelt die Reflektivität der Oberfläche oder der Schichtgrenzfläche wider, die den Peak erzeugt hat. Die Peakbreite, definiert als Halbwertsbreite (FWHM) in Pixeleinheiten, wird durch die Oberflächenstruktur, die Qualität des Laserfokus und den Einfallswinkel an der reflektierenden Grenzfläche bestimmt. Diese drei Attribute – Schwerpunkt, Amplitude und FWHM – bilden die Grundlage für alle nachfolgenden Entscheidungen zur Peakauswahl und Gültigkeitsbewertung.

Die Halbwertsbreite eines mit einer Gauß-Kurve angepassten Peaks mit der Standardabweichung $\sigma$ beträgt:

FWHM = 22 ln(2σ) ≈ 2,355σFWHM=22ln2​σ≈2,355σ

Eine gemessene FWHM unterhalb des Mindestschwellenwerts deutet auf einen Pixelfehler oder eine Einzelpixel-Spitze hin; eine FWHM oberhalb des Höchstschwellenwerts deutet auf unscharfe scatter hin scatter beide werden als ungültige Peaks verworfen.

Transparente und transluzente Materialien – wie Floatglas, Borosilikatglas, Polycarbonatfolien, PMMA-Platten, PET-Verpackungsfolien und optische Klebebeschichtungen – erzeugen zwei Reflexionsspitzen pro Pixelspalte: eine Spitze von der Vorderseite und eine von der Rückseite. Der Peak der Vorderseite weist eine höhere Amplitude auf, wenn die Oberfläche mit einer Antireflexbeschichtung versehen ist; der Peak der Rückseite weist bei unbeschichtetem Glas aufgrund von Totalreflexionseffekten bei flachen Einfallswinkeln eine höhere Amplitude auf. Beide Peaks enthalten geometrisch relevante Informationen: Der Schwerpunkt des ersten Peaks definiert die z-Position der Vorderseite, und der Schwerpunkt des zweiten Peaks definiert die z-Position der Rückseite.

Die Spitzenabstand $\Delta z$ im Sensorkoordinatensystem bezieht sich auf die physikalische Schichtdicke $d$und dem Brechungsindex des Materials $n$ durch die optische Weglänge:

Δz = 2·cos(θ)Δz=cosθ2.​

wobei $\theta$ der Einfallswinkel des Laserstrahls an der Schichtoberfläche ist. Diese Beziehung wird im speziellen Objektvermessung behandelt. Bei der Auswertung mit einem einzigen Peak wird der zweite Peak verworfen, und es wird ein falscher gemittelter z-Wert ausgegeben, der keiner der beiden Oberflächen entspricht.

Spiegelnde Oberflächen – darunter polierter Stahl, hochglanzpoliertes Aluminium, verchromte Bauteile und hochglanzlackierte Karosserieteile – erzeugen einen direkten Reflexionspeak an der korrekten z-Position sowie einen oder mehrere Interreflexionspeaks an falschen z-Positionen, die dadurch entstehen, dass das Laserlicht zwischen benachbarten geometrischen Merkmalen reflektiert wird, bevor es den Bildsensor erreicht. Diese Interreflexionspeaks werden als Geisterpeaks bezeichnet. Ein Geisterpeak überschreitet den Schwellenwert für die minimale Amplitude und belegt eine gültige Pixelspaltenposition, was dazu führt, dass bei der Einzelpeak-Auswertung die Z-Position des Geisterpeaks anstelle der tatsächlichen Z-Position der Oberfläche gemeldet wird. Die Mehrfachpeak-Erkennung behebt diesen Fehlermodus, indem sie alle Peaks sichtbar macht und eine Regel zur Peak-Rangfolge anwendet – typischerweise die Auswahl der maximalen Amplitude –, um den direkten Reflexionspeak als primäres output zu identifizieren.

Mehrschichtige Verbundstrukturen – darunter glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), Karbon Kunststoffe (CFK), geklebte Metall-Polymer-Sandwichkonstruktionen, thermisch gespritzte Beschichtungen auf Metallsubstraten und Lötmasken von Leiterplatten (PCB) – erzeugen an jeder inneren Grenzfläche, die der Laserstrahl durchdringt, einen Teilreflexionspeak. Die Anzahl der erkennbaren Peaks hängt von der optischen Transparenz jeder Schicht bei der Laserwellenlänge ab – typischerweise 405 nm, 520 nm oder 660 nm bei industriellen Profilsensoren – sowie von der Schichtdicke im Verhältnis zur Tiefenauflösung des Sensors. Bei einem zweischichtigen Verbundsystem mit optisch unterschiedlichen Materialien erkennt der Sensor drei Peaks: einen an der Oberseite, einen an der Verbindungsgrenzfläche und einen an der Unterseite. Die Mehrfach-Peak-Erkennung ermöglicht die Profilierung einzelner Schichtgrenzen, die bei einer Einzel-Peak-Auswertung nicht sichtbar sind.

Strukturierte und abgestufte Oberflächen – darunter bearbeitete Stufen, gepresste Blechprofile, Rillen in Kunststoffspritzgussteilen und Lötstellen auf Leiterplatten – erzeugen an jeder Geometrieunterbrechung eine Übergangszone, in der zwei Oberflächenebenen gleichzeitig innerhalb des Projektionskegels einer einzelnen Pixelsäule beleuchtet werden. In dieser Übergangszone erfasst der Bildsensor zwei separate Intensitätsspitzen an den z-Positionen der oberen und unteren Oberflächenebene. Bei der Einzelpeak-Auswertung werden diese beiden Peaks gemittelt oder interpoliert, wodurch ein z-Wert entsteht, der keiner der beiden Oberflächen entspricht und die gemessene Stufenhöhe verfälscht. Die Mehrpeak-Erkennung löst beide Peaks unabhängig voneinander auf und ermöglicht so eine genaue Stufenhöhenmessung bis an die Grenze der z-Auflösung des Sensors.

Szenarioübersicht

Die Peak-Erkennung identifiziert potenzielle Peaks innerhalb der Intensitätsverteilung jeder Pixelspalte in einem dreistufigen Verfahren. In Schritt 1 wird ein globaler oder adaptiver Intensitätsschwellenwert auf den Spaltenintensitätsvektor angewendet, wobei nur Pixel beibehalten werden, die den Schwellenwert überschreiten; dieser Schritt eliminiert Hintergrundrauschen und Sensordunkelstrom. In Schritt 2 werden lokale Maxima innerhalb des schwellenwertbehandelten Intensitätsvektors identifiziert: Ein Pixel gilt als Kandidat für ein lokales Maximum, wenn sein Intensitätswert die Intensität seiner beiden benachbarten Pixel auf beiden Seiten übersteigt. In Schritt 3 wird eine Gauß-Kurve an die Intensitätswerte in einem Fenster von ±3 bis ±5 Pixeln um jeden Kandidaten für ein lokales Maximum angepasst; der Subpixel-Schwerpunkt der Gauß-Anpassung definiert die z-Position des Peak-Kandidaten mit Subpixel-Genauigkeit.

Die Schwerkraftauflösung $\delta z$ , die durch Gauß-Anpassung erreichbar ist, skaliert mit der Spitzenamplitude $A$und dem Rauschpegel σnσn​ gemäß:

δz ≈ σfitA/σnδz≈A/σn​​σAnpassung​​

wobei σfitσfit​ die Standardabweichung der angepassten Gaußverteilung in Pixeleinheiten ist. In der Praxis werden je nach Sensorkonfiguration und Oberflächenreflexion Zentridauflösungen von 1/10 bis 1/100 Pixel erreicht. Ein Kriterium für den Mindestabstand zwischen den Spitzen – das den Mindestabstand in Pixeln zwischen zwei möglichen Zentren definiert – verhindert, dass benachbarte Rauschschwankungen als zwei separate Spitzen gezählt werden.

Ein Sensor mit Mehrfachpeak-Unterstützung wendet eine von vier Regeln zur Peak-Rangfolge an, um zu bestimmen, welcher der erkannten Peaks als primäre output gemeldet wird, oder meldet alle erkannten Peaks als separate z-Werte. Die vier Regeln lauten:

Ein gültiger Peak muss drei Gültigkeitskriterien gleichzeitig erfüllen, bevor er in die output aufgenommen wird. Erstens muss die Peakamplitude einen vom Benutzer konfigurierbaren Mindestschwellenwert für die Amplitude – gemessen in Graustufeneinheiten – überschreiten, wodurch Peaks ausgeschlossen werden, die durch Laserspekkelrauschen, Umgebungslicht oder Sensorausleserauschen verursacht werden. Zweitens muss die Spitzenbreite (FWHM), gemessen in Pixeleinheiten, innerhalb eines vom Benutzer konfigurierbaren Bereichs liegen, der durch einen minimalen und maximalen Breitenwert definiert ist, wodurch Einzelpixel-Spitzen, die durch Staub oder Pixelfehler verursacht werden (zu schmal), sowie breite, unscharfe Streubeiträge aus scatter im Untergrund scatter zu breit) verworfen werden. Drittens muss das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) jedes Peaks – berechnet als Verhältnis der Peakamplitude zum lokalen Rauschpegel im umgebenden Pixelbereich:

SNR = Apeak / σnoiseSNR=σRauschen​ASpitzenwert​​

— muss einen Mindest-SNR-Wert überschreiten. Peaks, die eines dieser drei Kriterien nicht erfüllen, werden als ungültig markiert und aus der output ausgeschlossen; der Sensor meldet an der entsprechenden x-Position einen Nullwert oder ein Gültigkeitskennzeichen.

Ein Sensor mit Mehrfachpeak-Unterstützung bietet drei konfigurierbare output . Im Modus „Nur Primärpeak“ gibt der Sensor einen z-Wert pro Pixelspalte aus – den z-Wert des Peaks, der die aktive Peak-Rangfolge-Regel erfüllt – und das output entspricht dem eines Standard-Einzelpeak-Sensors, wodurch eine nahtlose Kompatibilität mit bestehender Profilverarbeitungssoftware gewährleistet ist. Im All-Peaks-Modus gibt der Sensor bis zu N Z-Werte pro Pixelspalte aus, wobei N die konfigurierte maximale Peakanzahl pro Spalte ist (typischerweise 2, 3 oder 4); Jeder Peak wird mit seinem Zentrums-Z-Wert, seiner Amplitude und seinem Gültigkeitsflag gemeldet, wodurch sich das Profil-Datenvolumen um den Faktor N vervielfacht. Im Peak-Index-Modus gibt der Sensor den Z-Wert und die Amplitude des Peaks an einem festgelegten Rangindex (1., 2. oder 3.) aus, was die systematische Extraktion einer bestimmten Schichtgrenze aus einem bekannten Mehrschichtsystem ermöglicht, ohne den vollständigen Multi-Peak-Datensatz zu übertragen.

Ein Laser-Profilscanner mit Mehrfachspitzen-Unterstützung bietet eine konfigurierbare maximale Spitzenanzahl pro Pixelspalte, die in der Regel zwischen 1 (Standard-Einzelspitzenmodus), 2, 3 oder 4 Spitzen gewählt werden kann. Eine Erhöhung der maximalen Spitzenanzahl verlängert die Signalverarbeitungszeit pro Profillinie und verringert damit die maximale Messrate:

Die Multipeak-Auswertung wird entweder als sensorinterne Verarbeitung – die vor der Datenübertragung auf dem FPGA oder DSP des Sensors ausgeführt wird und somit die Anforderungen an die Schnittstellenbandbreite reduziert – oder als hostseitige Nachbearbeitung nach der Übertragung der Rohbilder implementiert; bei der sensorinternen Multipeak-Verarbeitung werden statt der vollständigen Rohbilder nur die extrahierten Peak-Daten übertragen.

Die Mehrfachspitzen-Erkennung ist eine von drei fortschrittlichen Funktionen zur Signalauswertung, die innerhalb desselben Lasertriangulationsknotens arbeiten. HDR (High Dynamic Range) erweitert den messbaren Reflektivitätsbereich, indem mehrere Belichtungen kombiniert werden, um sehr dunkle und sehr helle Oberflächenbereiche gleichzeitig auszuwerten – eine Funktion, die die Mehrfachspitzen-Erkennung auf Oberflächen mit gemischter Reflektivität ergänzt. Multiple Slope passt das Belichtungsverhalten des Sensors bei steilen Oberflächenwinkeln und starken Intensitätsgradienten an und verbessert so die Signalqualität an Geometriekanten, an denen häufig Geisterpeaks durch Interreflexion auftreten. Multipart ermöglicht es dem Sensor, Pixelspalten mehreren unabhängigen Messbereichen innerhalb eines einzigen Scan-Durchlaufs zuzuordnen. Jede dieser drei Funktionen verfügt über einen eigenen Artikel innerhalb des Lasertriangulations-Knotens.

output Multipeak output vervielfacht das Profil-Datenvolumen proportional zur konfigurierten Spitzenanzahl. Ein Sensor, der im Single-Peak-Modus mit 4.000 Profilen pro Sekunde und 1.280 Pixelspalten arbeitet, überträgt 5,12 Millionen Z-Werte pro Sekunde. Im 2-Peak-Modus überträgt derselbe Sensor 10,24 Millionen Z-Werte pro Sekunde; im 4-Peak-Modus überträgt er 20,48 Millionen Z-Werte pro Sekunde. Industrielle standards , die bei Laser-Profilsensoren standards – darunter GigE Vision(Bandbreite: bis zu 125 MB/s), Camera Link Full (Bandbreite: bis zu 680 MB/s) und CoaXPress(Bandbreite: bis zu 12,5 GB/s pro Lane) – bestimmen, ob das erhöhte Datenvolumen des Mehrpeak-Modus bei der erforderlichen Messrate aufrechterhalten werden kann. Die nachgelagerte Verarbeitungshardware und -software muss so konfiguriert sein, dass sie die erweiterte Datenstruktur, einschließlich der Felder für die Amplitude und Gültigkeit pro Peak, verarbeiten kann, bevor der Multipeak-Modus in einem Produktionsinspektionssystem eingesetzt werden kann.

Die folgenden Themen stehen im Zusammenhang mit der Mehrfachspitzenerkennung und werden in separaten Fachartikeln behandelt. Der übergeordnete Artikel zur Lasertriangulation befasst sich mit dem geometrischen Messprinzip, der Scheimpflug-Bedingung und der Kalibrierungsmethodik – diese Grundlagen werden hier nicht wiederholt.Der Artikel zu HDR behandelt die Erweiterung des Dynamikbereichs für die gleichzeitige Messung kontrastreicher Oberflächenbereiche. Der Artikel zu „Multiple Slope“ befasst sich mit der Anpassung von Mehrfachbelichtungssignalen bei steilen Oberflächenwinkeln. Multipartbehandelt die Auswertung mehrerer Bereiche innerhalb eines einzelnen Profilscans. Der Artikel zur CCD/CMOS-Sensorkomponente behandelt die Bildsensorarchitektur, die Pixelstruktur und die Ausleseelektronik. Der Artikel zum Messprinzip „Reflexion/Absorption“ behandelt die optische Physik der Oberflächenreflexion und -absorption. Die Ableitung der Schichtdicke aus dem Abstand der Peak-Zentren einer 2-Peak-Messung an einem transparenten Material wird im speziellen Objektvermessung über die Schichtdickenmessung behandelt. Die Lasersicherheitsklassifizierung und die Kennzeichnung der Laserklassen fallen nicht in den Rahmen dieses Artikels.