Art der Optik und Öffnungswinkel
Die erste Entscheidung betrifft die Frage, wie der Laser das Licht auf die geprüfte Oberfläche werfen soll. Möglich sind ein einzelner Punkt, eine Linie, ein Kreuz oder ein Punktraster, je nach verwendeter Optik.
Für Systeme, die Oberflächen scannen, brauchen wir einen Linienlaser, der einen Strahl zu einer Linie aufweitet. Dabei lohnt sich die sogenannte Powell Linse. Sie erzeugt eine Linie mit gleichmäßiger Dicke und gleichmäßiger Helligkeit über die ganze Breite. Der Unterschied ist auf Bild 1 gut zu sehen: links eine Linie mit Powell Linse, rechts ohne. Ohne sie ist die Mitte der Linie deutlich dicker und heller, die Ränder sind dünner und dunkler.
Nach unserer Erfahrung ist die Powell Linse eine der Stellen, an denen man nicht sparen sollte, denn sie wirkt sich direkt auf die Qualität aller späteren Messungen aus.
Bild 1: Vergleich der Laserlinie, erzeugt mit einer üblichen Optik und mit einer Powell Linse
Der zweite Parameter der Optik ist der Öffnungswinkel. Er wirkt ähnlich wie die Brennweite beim Objektiv: Er bestimmt, wie weit der Laser vom beleuchteten Objekt entfernt sein muss, um es vollständig auszuleuchten. In der Praxis ist eine Optik mit 60 Grad ein bewährter Ausgangspunkt, ein guter Kompromiss zwischen Arbeitsabstand und Qualität der Linie. Ist der Platz für die Montage sehr knapp, kommen auch 90 Grad infrage, dann muss man aber eine merklich schlechtere Linie hinnehmen.
Wellenlänge
Die Wellenlänge ist schlicht die Farbe des Lichts. Werte in Nanometern lassen sich direkt in das übersetzen, was das Auge sieht, wie Bild 2 zeigt. Außerhalb des sichtbaren Bereichs gibt es außerdem Laser im Ultravioletten und Infraroten, für ihre Aufnahme braucht es allerdings spezielle Sensoren, die deutlich teurer sind als übliche Sensoren für sichtbares Licht.
Bild 2: Wellenlängen der sichtbaren Strahlung
Deshalb sind wir im sichtbaren Bereich geblieben. Die endgültige Wahl der Wellenlänge haben wir getroffen, indem wir das Diagramm des sichtbaren Spektrums mit der Empfindlichkeitskurve des Sensors übereinandergelegt haben. Wir haben sie in einem früheren Beitrag gezeigt, hier noch einmal zur Erinnerung.
Bild 3: Kurve der Empfindlichkeit des Sensors nach Wellenlänge
Wie zu sehen ist, erreicht die Empfindlichkeit des Sensors ihr Maximum bei 520 nm, also im Grünen, und genau diesen Laser haben wir in unserem System eingesetzt. Dazu kommt, dass sich 520 nm unter verschiedenen Bedingungen gut schlägt, aus unserer Sicht ist das also die beste Wahl.
Leistung der Laserdiode
Die Leistung eines Lasers wird meist in Milliwatt angegeben, und das nicht ohne Grund: Schon 5 mW reichen aus, um das Augenlicht dauerhaft zu schädigen. Laser über 1 W gibt es natürlich und manchmal braucht es sie, sie verlangen im Betrieb aber deutlich mehr Vorsicht.
Die Wahl der Leistung ist eine der schwierigeren Entscheidungen im ganzen System, denn sie hängt von vielen Größen ab, unter anderem:
- der Breite der Fläche, die die Laserlinie abdecken soll,
- der Einstellung der Blende,
- der Größe des Kamerasensors,
- der Belichtungszeit des Sensors,
- dem Abstand zwischen Kamera und Laserlinie,
- den Lichtverhältnissen in der Halle.
Es gibt also viele Größen, und ein magischer Wert für die Leistung lässt sich vorab kaum berechnen. In der Praxis funktioniert schrittweises Ausprobieren am besten: Wir starten mit einer geringeren Leistung und erhöhen sie so lange, bis die Linie gut genug ist.
Dabei sollte man die Sicherheit nie aus dem Blick verlieren. Je stärker der Laser, desto größer das Risiko für Menschen in der Nähe. Bei Lasern über 1 W ist es Standard, sie in einem geschlossenen, lichtdichten Gehäuse ohne jeden Zugang für Menschen zu betreiben. Soll das System dort arbeiten, wo Menschen Zugang haben, empfiehlt es sich, unter 1 W zu bleiben.
Wie geht es weiter?
Mit diesem Beitrag haben wir die drei wichtigsten Bauteile eines Bildverarbeitungssystems für die Prüfung von Oberflächen abgeschlossen: Kamera, Optik und Laser. In den nächsten Beiträgen zeigen wir, wie diese Teile zu einem funktionierenden Ganzen zusammenkommen. Wir gehen zum Bau eines Teststands im Labor über und zeigen, wie man eine eigene Produktionslinie für Tests aufbaut.