Fasergekoppelt statt freistrahlend
Verbesserung der Strahlmodellierung mittels Glasfasern
In Systemen zur industriellen Bildverarbeitung hat sich die Verwendung von freistrahlenden Laserdioden als Lichtquelle über die letzten Jahre etabliert. Allerdings kann die Abbildungsqualität konventioneller freistrahlender Laserdiodenquellen den fortlaufend steigenden Anforderungen an die Projektionsqualität des Lasermoduls meist nicht genügen. Dagegen verspricht der Einsatz fasergekoppelter Singlemode-Laserdioden erheblich verbesserte optische Projektionseigenschaften.
Seit etlichen Jahren werden Linienlaser als strukturierte Beleuchtung für die industrielle 3D-Bildverarbeitung eingesetzt. Hierbei stellt die Lasertriangulationstechnik eine der häufigsten Anwendungen dar. Klassische Triangulationssysteme bestehen aus einer Kamera, einem Laser für die monochrome Zeilenbeleuchtung und einer Bildverarbeitungssoftware. Im Vergleich zur Kamera, Objektiven und der Software wird dem Laser meist wenig Beachtung geschenkt, obwohl dieser eine Kernkomponente des Messverfahrens darstellt. Beim Einsatz eines Linienlasers müssen unterschiedliche optische Parameter berücksichtigt werden, z.B. die Linienhomogenität, -geradheit, -breite und Koaxialität des Laserstrahles, die Strahlqualität (M2), und möglicherweise das Streulicht. Alle genannten Parameter beeinflussen unmittelbar die Messgenauigkeit des Gesamtsystems. Nachteilig ist z.B. eine inhomogene Leistungsverteilung entlang der Linie. Dies kann zur Folge haben, dass die Kamera in bestimmten Bildabschnitten keine verwertbaren Informationen, aufgrund von zu hoher oder zu geringer Leistung, wahrnehmen kann. Je größer die Intensitätsschwankung in der Projektion ist, umso größer muss der Dynamikbereich der Kamera sein.
Projektionseigenschaften freistrahlender Linienlaser
Zum Einsatz kommen in heutigen Messsystemen ausschließlich sogenannte Freistrahl-Laser. Der typische Aufbau besteht aus einer Laserdiode, einer asphärischen Kollimationsoptik und einem Liniengenerator. Dank industrietauglicher Spezifikationen von freistrahlenden Lasern, z.B. Temperaturbetrieb bis 60°C, Schutzgehäuse, einfache Integrationen in Systemen usw. sind Laser in industriellen Anwendungen bereits sehr verbreitet. Dank kompakter Bauformen sind Freistrahler einfach in der Handhabung und ohne großen Aufwand in vorhandene Systeme zu integrieren. Allerdings sind diesen Modulen aufgrund Ihres Aufbaus hinsichtlich der Projektionsqualität Grenzen gesetzt. Leider können selbst mit großem Aufwand die teilweise schlechten Strahleigenschaften von Laserdioden nicht ausreichend und zufriedenstellend kompensiert werden. Dies betrifft vor allen Dingen die ’slow-Axis‘ des kollimierten Laserstrahls.
Strahlqualität beeinflusst Linienhomogenität
Die Linienhomogenität ist ein Parameter, der stark von der Strahlqualität der Laserdiode beeinflusst wird. Nimmt man eine beugungsbegrenzte Kollimationslinse an, bestimmen die Linienoptiken (z.B. Powell-Linsen) und der aus der Laserdiode erzeugte Strahl die Intensitätsverteilung. Durch das schlechte Strahlprofil der Laserdiode, das bis zu M2=2 in der slow-Axis liegen kann, lässt sich eine weitere Optimierung der Linienhomogenität nur schwer umsetzen. Daher bieten etwa 80 bis 90% der auf dem Markt angebotenen Linienlaser für die Bildverarbeitung eine maximale Linienhomogenität zwischen ±20 und ±40%. Die Liniengeradheit ist aber eine äußerst wichtige Spezifikationen wenn eine hohe Tiefenauflösung mit einem Triangulationssystem erwünscht ist. Die exakte Positionierung der Linienoptik vor der Ellipse des kollimierten Laserstrahls ist hierzu maßgeblich. Wird diese zu einer der beiden Strahlachsen verdreht positioniert, so wird statt einer geraden Linie ein ‚S‘ projiziert. Im Falle eines zirkularen Strahlprofils hingegen ist die Justage unkritischer, da die fast- und die slow-Axis identisch sind. Beim Querschnitt der Linien sind die Linienbreite sowie die Qualität der Gaussverteilung zu betrachten. Aufgrund des relativ großen Öffnungswinkels in der fast-Axis der Laserdiode ergibt sich ein weiteres Problem: Um zu vermeiden, dass der Laserstrahl im Gehäuse abgeschnitten wird und dadurch Beugungsmuster entstehen, dürfen ausschließlich Linsen mit einer großen numerischen Apertur und einer kleinen effektiven Brennweite eingesetzt werden. Die relativ hohen mechanischen Toleranzen des Laserdiodengehäuses und die meist nicht zentrale Positionierung des Emitters im Gehäuse verursachen zusätzliche Ungenauigkeiten in der optischen Achse. Dies bedeutet, dass der Laser nicht mehr koaxial zum Gehäuse abstrahlt und einen Winkelfehler aufweist. Hierbei spricht man von Koaxialität des Laserstrahles, welche typischerweise bei bis zu ±10mrad liegen kann.
