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Laserbeleuchtung

Laserdioden basieren auf dem gleichen Prinzip wie klassische LEDs. Durch zusätzliche optische Resonatoren erzeugen sie ein wesentlich schmalbandigeres Licht, das zudem kohärent ist.

Mittels eines durch den Laser erzeugten Lichtmusters auf dem Objekt und einer Kamera lassen sich bei bekanntem Winkel zwischen Laser und Kamera Höhenunterschiede und Profile an einem Prüfobjekt vermessen. Neben Punkt und Linienprojektionen werden für Kameraanwendungen eine Vielzahl weiterer Projektionsmuster verwendet: Kreuze, Kreise, Quadrate, Punktmatrix, Mehrfachlinien, Schachbrettmuster, etc. Diese Projektionen werden mittels diffraktiver optischer Elemente (DOEs) erzeugt. DOEs basieren auf dem Prinzip der Lichtbeugung an periodischen Mikrostrukturen. Je nach Lichtmuster unterscheidet man zwischen Triangulation, Lichtschnitt und Gitterprojektionsverfahren.

Laserlichtquellen

Die meisten der angebotenen Punktlaser weisen ein elliptisches Strahlenprofil auf. Es ist aber auch möglich, Diodenlaser mit einer Elliptizität nahe 1, also mit quasi idealer Rundheit zu konstruieren. Dazu werden Laserdioden mit integrierter Mikrooptik eingesetzt, die ein zirkulares Strahlprofil erzeugen.

Laserbeleuchtung: Zirkulares Strahlprofil

Linienprojektionen können mittels Zylinder-, Raster- oder Powell-Linsen realisiert werden. Zylinderlinsen produzieren eine Gaußsche Lichtverteilung entlang der Laserlinie, wobei der Durchmesser einer solchen Linse den Fächerwinkel und damit die Linienlänge beeinflusst. In diesem Fall werden die Enden der Linie ausgeblendet und die Lichtverteilung ist nicht gleichmäßig. Derartige Laser sind für Bildverarbeitungsanwendungen nicht geeignet.

Für Bildverarbeitungsanwendungen ist eine Linie mit einer gleichmäßigen Lichtverteilung entlang der Linie sehr wichtig. Hierfür bieten sich Raster oder Powell Linsen an. Powell-Linsen liefern das beste Profil während Rasterlinsen den idealen Kompromiss zwischen Kosten und gleichmäßiger Beleuchtung darstellen und besonders für kurze Distanzen eingesetzt werden.

Auf kurze Distanzen wird die Punktstruktur der Rasterlinse nicht aufgelöst, so dass sie dort gut eingesetzt werden kann. Auf größere Distanzen »sieht« die Kamera aber die Punktstruktur der Linien. Falls das die Messung stört, oder wenn in größeren Abständen gemessen werden muss, sind Powell-Linsen einzusetzen. Diese sind mit Fächerwinkeln von 10° bis 90° verfügbar.

  • Breite der Laser-Lichtstrukturen
    Wichtig für alle Anwendungen ist die bestmögliche Schärfe der Projektion. Typischerweise wird man also möglichst feine Linien einsetzen, um eine gute Messauflösung zu erhalten. Linienbreiten bis unter 50 µm (1/e²) können derzeit erreicht werden. Einfluss auf die Linienbreite hat aber nicht nur die Güte der Optik, sondern auch die Struktur des zu untersuchenden Objekts. Stark streuende Oberflächen erzeugen breitere Linien im Kamerabild. Daneben können auch die so genannten »Speckles« (Lichtgranulation) die Linienqualität im Kamerabild negativ beeinträchtigen. Diese Erscheinung entsteht als grieseliges Muster durch Interferenz des kohärenten Laserlichtes auf den Mikrostrukturen
    der rauen Oberfläche. Sie stört aufgrund des Verlaufs quer zur Laserlinie die Kantenschärfe und Homogenität der Laserlinien. Grundsätzlich lassen sich »Speckles« bei rauen Oberflächen nur reduzieren, aber nicht grundsätzlich vermeiden.

  • Laser Schärfentiefe
    Will man Objekte mit dem Laserlichtschnittverfahren vermessen, kommt die Schärfentiefe als Parameter ins Spiel. Sie ist typischerweise der Bereich, in dem sich die Linienbreite um nicht mehr als den Faktor √2 erhöht. Breitere Linien haben gegenüber ultrafeinen Linien einen deutlich größeren Schärfentiefebereich. Es muss also der optimale Kompromiss zwischen Linienbreite und benötigter Schärfentiefe gefunden werden.

  • Geradlinigkeit und Qualität des Laserstrahls
    Nur mit geraden Linien lässt sich auch sinnvoll messen, da nur so Verformungen des Objekts realitätsgetreu ermittelt werden können. Bei sehr kostengünstigen Produkten haben Linien oft die Form eines »S« oder einer »Banane«. Dies ist durch den Fertigungsprozess bedingt. Das heißt, dass Laserdioden zum Teil erheblich »schielen« können und somit nicht zentrisch und koaxial zum Gehäuse abstrahlen. Für manche Anwendungen müssen die Laserdioden deshalb mittels Justierschrauben zentrisch und koaxial zum Lasergehäuse ausgerichtet werden. So ausgerichtete Laser weisen dann nur noch einen minimalen Abstrahlfehler auf, der bei 0,5 mrad und darunter liegt, während nicht korrigierte Laser typischerweise einen Abstrahlfehler von ca. 3 mrad haben.

Für Lichtschnitt ungeeignete Laserlinie

  • Konstante Lichtleistung bei Lasern
    Eine konstante Lichtleistung wird bei Diodenlasern durch ein Nachregeln über die Steuerelektronik erzielt. Ein Anteil der Lichtleistung wird nicht Richtung Objekt abgestrahlt, sondern zu einer Photodiode umgeleitet. Die von der Photodiode gemessene Intensität dient als Referenz, anhand der die Laserleistung nachjustiert wird.Die Lebenserwartung einer Laserdiode sinkt mit steigender Temperatur erheblich (pro 10 °C über Raumtemperatur um ca. 50 %). Damit einher geht ein Abfallen der Lichtleistung. Treten Temperaturspitzen nur zeitweise auf, reicht zum Schutz der Diode eine automatische Abschaltung bei ca. 45 °C. Wird der Laser dauerhaft belastet, empfiehlt sich hingegen eine aktive Kühlung.

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