Kamera oder Laser, was zuerst und auf welche Parameter kommt es an?

Ein zuverlässiges Bildverarbeitungssystem mit Laser zu bauen, etwa für 3D Triangulation oder die Profilmessung von Oberflächen, ist eine klassische Ingenieuraufgabe. Es geht nicht darum, Bauteile aus einer Liste zu kaufen, sondern um den Entwurf eines Systems, bei dem jede Entscheidung Folgen hat.

Das Kernproblem: Die Parameter von Kamera und Laser hängen untrennbar zusammen. Eine falsche Wahl am Anfang, etwa ein ungeeigneter Sensor, zwingt später zu teuren und schlechten Kompromissen, zum Beispiel zu einem gefährlich starken Laser oder einer ungewöhnlichen Wellenlänge.

Wie geht man also mit diesem Henne und Ei Problem um? Was wählt man zuerst? Schauen wir uns die wichtigsten Parameter und ihre Abhängigkeiten an.

Die wichtigsten Parameter der Bauteile

Beginnen wir damit, die Parameter jedes Bauteils klar zu benennen.

1. Kamera

• Größe und Typ des Sensors: entscheidet über Empfindlichkeit und Bildfeld.
• Art des Verschlusses, Global oder Rolling Shutter: eine grundlegende Entscheidung. Für die Prüfung bewegter Objekte an einer Produktionslinie ist fast immer der Global Shutter nötig, sonst entstehen Verzerrungen. Der Rolling Shutter ist günstiger, taugt aber vor allem für stehende Objekte.
• Auflösung: Zahl der Pixel, etwa 1920 x 1080, sie bestimmt den Detailgrad.
• Geschwindigkeit in Bildern pro Sekunde: muss zur Geschwindigkeit der Produktionslinie passen.
• Monochrom oder Farbe: Für die Prüfung mit Laser wählen wir fast immer monochrome Kameras. Sie haben keinen Bayer Filter und sind dadurch lichtempfindlicher, was beim Aufnehmen einer schwachen Laserlinie entscheidend ist.
• Schnittstelle: zum Beispiel GigE über Ethernet für große Entfernungen und stabile Verbindungen oder USB 3.x für hohe Datenraten auf kurzer Strecke.
• Eingebaute Funktionen: etwa Vorverarbeitung oder Auswertung direkt in der Kamera.

2. Optik, also das Objektiv

• Brennweite, etwa 12 mm oder 25 mm: bestimmt das Bildfeld, also wie breit die Kamera sieht.
• Blendenbereich, etwa f/1.8 bis f/16: steuert, wie viel Licht auf den Sensor fällt. Das hat einen entscheidenden Einfluss auf die Schärfentiefe.
• Maximale Sensorgröße: Das Objektiv muss die gesamte Fläche des Sensors abdecken, etwa 1/1.8 Zoll oder 2/3 Zoll.
• Verzeichnung: wichtig bei genauen Messungen, meist in Prozent angegeben.

3. Laser

• Leistung, etwa 5 mW oder 100 mW: wie hell der Laser ist.
• Wellenlänge, etwa 520 nm oder 660 nm: bestimmt die Farbe, sofern sichtbar, und vor allem, wie gut der Sensor sie sieht.
• Art der Optik: etwa für eine Linie, ein Kreuz oder ein Punktraster.
• Öffnungswinkel der Optik: bestimmt die Länge der Laserlinie aus einer bestimmten Entfernung.

Empfindlichkeit des Sensors und Wellenlänge des Lasers

Das ist die grundlegende Abhängigkeit, die am häufigsten Probleme macht. In einem System, das Abweichungen in der Laserlinie erkennen soll, muss diese Linie im Bild klar und kontrastreich sein.

Man könnte denken: einfach einen starken Laser nehmen. Das ist ein Fehler.

Jeder Sensor hat je nach Wellenlänge des Lichts eine andere Empfindlichkeit. Diese Eigenschaft beschreibt die Kurve der Quanteneffizienz.

Schauen wir uns eine solche Kurve für einen verbreiteten monochromen Sensor an, etwa den GMAX2518. Der höchste Wert der Quanteneffizienz liegt bei rund 520 nm, für das menschliche Auge ist das Grün.

Was heißt das in der Praxis?

• Mit einem grünen Laser bei 520 nm nutzt der Sensor sein volles Potenzial. Schon bei vergleichsweise geringer Laserleistung entsteht ein helles Bild.
• Wählen wir aus Gründen der Sicherheit oder der Kosten einen verbreiteten roten Laser, etwa 638 nm, liegt die Empfindlichkeit des Sensors laut Kurve niedriger. Bei diesem Sensor kann der Unterschied in der aufgenommenen Helligkeit zwischen grünem und rotem Laser über 20 Prozentpunkte betragen.
• Gehen wir weiter ins Infrarot, etwa auf 850 nm, kann die Empfindlichkeit stark einbrechen, der Sensor ist für diesen Laser dann fast blind.

Fazit: Wenn die Laserleistung begrenzt ist, etwa aus Gründen der Sicherheit der Bediener, müssen wir eine Wellenlänge nahe am Empfindlichkeitsmaximum unseres Sensors wählen. Sonst kämpfen wir darum, das Signal aus dem Rauschen zu holen.

Blende und Schärfentiefe

Die zweite entscheidende Abhängigkeit betrifft das Objektiv. Die Blende steuert, wie viel Licht in das Objektiv fällt.

• Kleine Blendenzahl, etwa f/2.0: Die Blende ist weit offen, es fällt viel Licht ein. Klingt gut, die Laserlinie ist hell und wir können die Belichtungszeit verkürzen.
• Große Blendenzahl, etwa f/8.0: Die Blende ist fast geschlossen, es fällt sehr wenig Licht ein.

Es könnte scheinen, dass wir immer die kleinste Blendenzahl wollen, um möglichst viel Laserlicht einzufangen. In der Physik gibt es aber nichts umsonst.

Das Öffnen der Blende, also eine kleine Blendenzahl, verringert die Schärfentiefe stark.

Warum ist das ein Problem? Stellen Sie sich die Prüfung von Kartons auf einer Produktionslinie vor. Ist die Schärfentiefe hauchdünn, weil wir mit f/2.0 arbeiten, und der Karton springt auf dem Band um einen Millimeter oder steht leicht schief, dann fällt die Laserlinie auf seiner Oberfläche sofort aus der Schärfe. Das Bild wird unscharf und für die Algorithmen schwer auswertbar.

Schließen wir die Blende dagegen, etwa auf f/8.0, bekommen wir eine große Schärfentiefe. Das System wird unempfindlich gegen Lageänderungen des Objekts, die Laserlinie bleibt scharf. Der Preis ist ein starker Verlust an Helligkeit. Zum Ausgleich müssen wir entweder die Belichtungszeit verlängern, was bei hohem Tempo oft nicht geht, oder die Laserleistung deutlich erhöhen.

Und damit sind wir wieder am Anfang.

Entwurf in Schleifen

Wie Sie sehen, ist die Auswahl dieser Bauteile ein System kommunizierender Röhren.

• Eine schnelle Produktionslinie erzwingt eine kurze Belichtungszeit.
• Eine kurze Belichtungszeit braucht mehr Licht.
• Mehr Licht bekommt man über einen stärkeren Laser oder eine kleinere Blendenzahl.
• Eine kleinere Blendenzahl bedeutet weniger Schärfentiefe, und das ist riskant.
• Für eine große Schärfentiefe, also eine größere Blendenzahl, braucht es einen noch stärkeren Laser.
• Die Laserleistung ist begrenzt durch Budget, Sicherheit und dadurch, wie gut der Sensor sie sieht.

Das lässt sich leider nicht sauber in einer Tabelle ausrechnen. Die größte Unbekannte ist immer das Objekt selbst. Wie die Laserlinie von einer Oberfläche zurückkommt, ob von glänzendem, fast spiegelndem Metall oder von porösem, mattem Kunststoff, verändert das Bild grundlegend.

Deshalb stützt sich die Auswahl dieser Bauteile stark auf Versuche in der Praxis.

Bei einem unserer letzten Systeme sind wir so vorgegangen:

1. Grenzen festlegen: Zuerst haben wir Bildfeld und geforderte Genauigkeit bestimmt, daraus ergaben sich Kamera, also Auflösung und Art des Verschlusses, sowie das Objektiv.
2. Tests im Labor: Danach haben wir einen Satz Laser mit verschiedenen Leistungen und Wellenlängen zum Testen bestellt.
3. Prüfung: Wir haben die Kombinationen an Mustern des Zielmaterials getestet und einen Kompromiss zwischen Helligkeit der Linie, Schärfentiefe über die Blende und Belichtungszeit gesucht.

So konnten wir den Laser wählen, der bei vertretbaren Belichtungswerten den besten Kontrast und die stabilste Messung liefert. Vielen Dank an das Team der polnischen Firma Lambdawave (https://lambdawave.eu/) für die fachliche Unterstützung und die Möglichkeit, ihre Produkte ausführlich zu testen.

In den nächsten Beiträgen gehen wir auf die Auswahl der einzelnen Bauteile und ihrer Parameter ein. Wegen des Umfangs und der Bedeutung bekommt jedes Bauteil einen eigenen Beitrag.