Ultraschnelles Autofokussystem für Robot Vision Systeme

Ultraschnelles Autofokussystem für Robot Vision Systeme

Ein Roboterarm, an dem das ultraschnelle Autofokussystem Taglens installiert ist, ermöglicht eine Wiederholgenauigkeit von 20µm, um den genauen Abstand und die exakte Positionierung für Autofokus-Einstellungen zu liefern, bevor ein Bild aufgenommen wird. Das Besondere an der Linse ist ihre Fähigkeit, unabhängig von Höhenunterschied, Positionstoleranzen oder gekrümmten Oberflächen immer im Fokus zu stehen.

Die Robotag von Mitutoyo bei der Inspektion einer Turbinenschaufel ermöglicht eine Wiederholgenauigkeit von 20µm, um den genauen Abstand und die exakte Positionierung für Autofokus-Einstellungen zu liefern, bevor ein Bild aufgenommen wird. (Bild: Mitutoyo Europe GmbH)

Die Robotag von Mitutoyo bei der Inspektion einer Turbinenschaufel ermöglicht eine Wiederholgenauigkeit von 20µm, um den genauen Abstand und die exakte Positionierung für Autofokus-Einstellungen zu liefern, bevor ein Bild aufgenommen wird. (Bild: Mitutoyo Europe GmbH)

Bei Inspektionssystemen mit physikalisch begrenzter Schärfentiefe kann es vorkommen, dass Bilder oder Bildteile nicht immer im Fokus sind. Dies ist bei der Verwendung des Robotag Systems aufgrund seiner erweiterten Schärfentiefe nahezu ausgeschlossen. Dank Mitutoyos Software mit EDOF-Funktion (Extended Depth Of Focus) und der Möglichkeit, die Brennweite mit hoher Geschwindigkeit zu scannen, sind alle erfassten Objekte scharf abgebildet. In Kombination mit einem Algorithmus lässt sich die Software mittels KI zu einem automatischen Fehlererkennungssystem kombinieren. Es eignet sich dann auch für industrielle Inspektionsaufgaben mit hohem Durchsatz. Diese spezielle Anwendung ist nicht nur ein Merkmal des Robotag, sondern kann durch die Anpassung der Taglens an jedes andere Robotersystem durchgeführt werden.

Funktionsprinzip der Taglens

Bei der Taglens wird eine Flüssigkeit auf Silikonbasis verwendet, die aufgrund ihrer thermischen und viskosen Eigenschaften ausgewählt wurde, sowie der Art und Weise, wie einfallendes Licht sie durchdringt. Die Taglens generiert in dieser transparenten Flüssigkeit in der Mitte unterschiedliche Dichten, um die Lichtstrahlen beim Durchgang zu beeinflussen, genau wie bei einer Glaslinse. Da das Element der Linse flüssig ist, ist eine definierte konstante Dichteänderung nicht durch Kompression möglich und kann auch durch Temperaturänderungen nicht präzise genug gesteuert werden. Die lokale Dichte eines gasförmigen oder flüssigen Mediums hingegen kann mithilfe von Schallwellen beeinflusst werden. Die oszillierende Schallfrequenz kann zwischen 50 und 500kHz liegen und Wellenfronten bilden, die zu Interferenzen und einer stehenden Welle führen. Unter Verwendung eines Piezorings, der einen Hohlraum umschließt, in dem das flüssige Medium eingeschlossen ist, werden akustische Schwingungen in radialer Richtung gesendet. Die durch Interferenz resultierende stehende Welle, die die Dichteschwankung und damit den Brechungsindex moduliert, wird durch eine Besselfunktion beschrieben, die sich im Zentrum ähnlich wie eine parabolische Linse verhält. Die Taglens bündelt also Lichtstrahlen genau in einem Brennpunkt. Durch Anpassung der Amplitude ändert sich die Stärke der Krümmung, während die parabolische Form der Dichteverteilung erhalten bleibt. Durch das Verschieben des Brennpunkts mit hoher Geschwindigkeit zwischen Minimum und unendlich, wird die Linse varifokal. Dadurch scheint das erzeugte Bild wiederum alles im Fokus zu haben, unabhängig von Entfernung oder Ausrichtung. Dies ist vorteilhaft für Aufgaben, z.B. wie Hochgeschwindigkeitsinspektion, Mikroskopie, automatisches Fahren usw.

Breitbandige gepulste Lichtquelle zur automatischen Fokuskontrolle, die eine Synchronisation an die hohen Frequenzen der Taglens ermöglicht. (Bild: ©Katja Geisler/Mitutoyo Deutschland GmbH)

Breitbandige gepulste Lichtquelle zur automatischen Fokuskontrolle, die eine Synchronisation an die hohen Frequenzen der Taglens ermöglicht. (Bild: ©Katja Geisler/Mitutoyo Deutschland GmbH)

Scharfstellen selektiver Ebenen

Als Add-on für den Robotag steht eine breitbandige gepulste Lichtquelle (PLS) zur automatischen Fokuskontrolle zur Verfügung, die eine Synchronisation an die hohen Frequenzen der Taglens ermöglicht. Da das vom Controller ausgegebene Impulssignal für die PLS mit der Taglens-Resonanzfrequenz synchron läuft, lässt sich die beobachtete Tiefenposition durch Phasenverstellung ändern. So ist es möglich, bei sequenzieller Variation der Phase durch Einschalten der gepulsten Lichtquelle die gewünschten Fokuspositionen einzustellen. Dadurch entsteht nicht nur ein Bild, bei dem alles scharf dargestellt ist, sondern auch die Möglichkeit, selektiv Ebenen entlang der Höhe der Probe abzutasten, um so ein 3D-Bild zu rekonstruieren. Jedes Bild wird mithilfe des externen Triggermodus aufgenommen, wobei das Licht auf die entsprechenden Amplitudenposition der Taglens gepulst wird. Mit der Software Tagpak lassen sich diese Mehrfachbilder mit hoher Frequenz beobachten. Eine weitere Alternative ist das Kombinieren mehrerer Schärfenebenen in nur einem 2D-Bild. Mit dieser Technologie lassen sich beispielsweise präzise 3D-Formprüfungen durchführen.

www.mitutoyo.de

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