TechTalk: Lasertriangulatie

TechTalk: Lasertriangulatie

Vandaag hebben we het in onze techtalk over lasertriangulatie! Dit is een techniek die gebruik wordt om 3D geometrie te meten en wordt toegepast in onze val-IT Smart. Eén of meerdere laserlijnen volgen het oppervlak van een object om zo informatie te verkrijgen over de posities van het contour. Hierbij is het nodig dat óf de 3D scanner óf het object moet bewegen. Vaak wordt een encoder gebruikt om kleine onregelmatigheden, versnellingen en vertragingen in de beweging te detecteren.

Lasercamerasystemen zijn vaak gemonteerd op een meer-assige robot, maar dit raden we af. Servo’s vebadereb eeb positie, dus zijn ze niet geschikt voor lineaire beweging.

Ieder laserprofiel dat de camera heeft opgenomen, representeert een schijf van het gescande object. Alle schijven samengevoegd vormen een compleet 3D model van het object. Dit wil zeggen dat hoe meer afbeeldingen worden vastgelegd, hoe hoger de resolutie van het object in de bewegingsrichting is. Daarom gebruiken we vaak een camera met een hoge snelheidssensor, welke afbeeldingen met hoge resolutie schiet: duizenden frames per seconde. Omdat we meerdere laserprofielen in één afbeelding moeten opnemen, ondersteunt de sensor meerdere readouts om de framerate te verbeteren en de hoeveelheid verwerkte pixels te verminderen.

Er zijn verschillende manieren van lasertriangulatie mogelijk:

Afhankelijk van de (reflecterende) objecteigenschappen, de vereiste nauwkeurigheid en aanvaardbare occlusie wordt één van bovenstaande manieren gekozen. Tabel 1 geeft inzicht in de verschillende voor- en nadelen toegespitst op de vastgestelde triangulatiegeometrie.

De high intensity laser kan problematische impact op de sensor hebben. Daarom gebruiken we sensoren met een Hoge Dynamische Range, lage Signaal-Ruis Verhouding en speciale dynamische functies om overbelichting te voorkomen. CMOS sensorcellen zijn groot met een relatief kleine vulfactor, maar ze hebben wel het voordeel pixelgestuurd te zijn. Een belangrijke eigenschap is dus dat je controle kunt uitoefenen over de slope van het videosignaal, met behulp van meerdere omslagpunten.

De gebruikte laserprojector speelt een belangrijke rol in zowel de X en Y resolutie als de Z-nauwkeurigheid. Als de lijn verstoringen heeft (wat vaak zo is bij goedkopere projectoren) is het moeilijk om naderhand te corrigeren. De lijn is dan vaak gebogen of heeft een S-vorm, wat wordt veroorzaakt doordat de laserdiode niet exact in lijn ligt met het object. De meeste lasers werken ‘Gaussisch’, wat wil zeggen dat het midden van de laserlijn een hogere intensiteit heeft dan de zijkanten. Wanneer je defecten wil detecteren moet de laserlijn dunner zijn dan het te meten defect. Precieze lasers zijn behoorlijk duur en hebben een beperkte diepterange en field of view.

Het is belangrijk dat de lasers bestand zijn tegen vibraties en temperatuurverschillen, omdat elke afwijking in de laserlijn gedurende en na kalibratie een grote impact heeft op de precisie.

Het werken met lasers in een applicatie die hoge nauwkeurigheid vereist, blijft altijd een uitdaging. Indirecte reflecties hebben vaak een andere fase, waardoor we polaroid filters kunnen gebruiken om de reflecties te filteren. Omdat lasers monochromatisch zijn, kunnen we nauwe bandpass filters gebruiken om alle achtergrondruis te elimineren. Dit is ook handig wanneer de applicatie meerdere lasers gebruikt. Een laser heeft willekeurige speckles die invloed hebben op de nauwkeurigheid van je applicatie. Dit kan verminderd worden door de cameralens iets uit focus in te stellen, zodat deze werkt als low pass filter.

Textuur en kleurvariaties van het gescande object hebben veel invloed op de precisie van de meting. De keuze van de golflengte van je laser is sterk afhankelijk van deze eigenschappen. Reflecterend materiaal blijft een uitdaging. Reflecties kunnen gedetecteerd worden door lasers vanuit verschillende hoeken te gebruiken. Wanneer één van de lijnen uiteenloopt, weet je dat de gemeten dieptepositie minder betrouwbaar is.

Wanneer alle laserprofielen zijn geschoten en verwerkt is het redelijk simpel om de meetpunten van de diepteposities (en dus de point cloud) te berekenen.