In der industriellen Fertigung und Automatisierung übernehmen Bildverarbeitungssysteme zentrale Aufgaben wie die Qualitätskontrolle, die Oberflächenprüfung oder die 3D-Vermessung. Herkömmliche Beleuchtungssysteme stoßen jedoch schnell an ihre Grenzen, wenn Oberflächen reflektieren, Lichtverhältnisse wechseln oder Geometrien variieren. Laser stellen eine etablierte Lösung für die industrielle Bildverarbeitung dar: Als strukturierte Beleuchtungsquelle für Messsysteme erzeugen sie präzise, kontrastreiche Lichtmuster und ermöglichen damit verlässliche und wiederholgenaue Prüf- und Messvorgänge in Echtzeit.
Dieser Artikel erläutert das Funktionsprinzip strukturierter Laserbeleuchtung für die Bildverarbeitung, gibt einen Überblick über typische Anwendungen und zeigt, worauf bei der Auswahl der passenden Laserlösung zu achten ist.
Strukturierte Laserbeleuchtung: Grundlage der industriellen Bildverarbeitung
Laser für die industrielle Bildverarbeitung von Z-LASER fungieren in indsutriellen Mess- und Prüfsystemen als strukturierte Beleuchtungsquelle: Sie projizieren Muster – beispielsweise einzelne Linien, Punkte oder Kreuze – auf das zu untersuchende Objekt. Für komplexere Anforderungen erzeugen diffraktive optische Elemente (DOEs) zusammengesetzte Muster wie Multilinien oder Punktraster. Je nach Anwendung kommen Laser zur optischen Prüfung in 2D- oder 3D-Setups zum Einsatz. Eines der meisteingesetzten Verfahren in der industriellen Messtechnik zur berührungslosen 3D-Vermessung ist die Lasertriangulation (auch Lichtschnittverfahren genannt).
Lasertriangulation: Laserbasierte 3D-Vermessung
Die Lasertriangulation ist ein berührungsloses Messverfahren, bei dem ein Laser eine Linie oder einen Punkt auf die Objektoberfläche projiziert, die von einer Kamera aus einem vordefinierten Winkel erfasst wird. Anhand des dadurch erfassten Versatzes ergeben sich Höhen- und Tiefeninformationen. Auf diese Weise entsteht ein hochpräzises 3D-Profil von Oberflächen und Kanten. Das Verfahren funktioniert zuverlässig auf unterschiedlichsten Materialien wie beispielsweise Metall, Glas oder auch Gummi und Kunststoff.
Anwendungsbereiche von Lasern für die industrielle Bildverarbeitung
Laser werden in der industriellen Bildverarbeitung in verschiedenen Branchen zur Qualitätskontrolle, für die Materialprüfung oder das 3D-Scanning eingesetz.
- Metallverarbeitung: Vermessung an Heißstahl, Prüfung von Schweißnähten sowie Spaltmessung im Fahrzeugbau.
- Elektronikindustrie: Anwesenheits- und Lageprüfung von Bauteilen auf Leiterplatten, um fehlende oder falsch platzierte Komponenten auf der Platine zuverlässig zu erkennen.
- Reifenindustrie: Verwendung bei der Qualitätskontrolle für die Reifenproduktion; Vermessung von Reifenprofilen und Erkennung von DOT-Codes, beispielsweise beim Reifenaufbau.
- Infrastrukturinspektion: Einsatz für die Räder- und Gleiskontrolle, die Schienen- und Gleisinspektion sowie die Straßeninspektion. Machine Vision Laser erlauben die präzise Vermessung und Prüfung von Infrastrukturkomponenten, um Abweichungen, Beschädigungen und Verschleiß zu erkennen.
- Lebensmittel- & Getränkeindustrie: Unterscheidung von Produktbestandteilen, Schnittanzeige bei der Zerlegung sowie Füllstands- und Formkontrolle, beispielsweise zur hygienischen und berührungslosen Qualitätssicherung in der Verarbeitung.
- Bin Picking: 3D-Lagebestimmung und Füllstandsmessung in Behältern für das automatisierte Greifen durch Robotersysteme.
Vorteile laserbasierter Bildverarbeitung
Der Einsatz von Lasern als strukturierte Beleuchtung in Bildverarbeitungssystemen bietet gegenüber konventionellen Beleuchtungslösungen entscheidende Vorteile:
- Hohe und reproduzierbare Messgenauigkeit in Echtzeit: Strukturierte Laserbeleuchtung erzeugt im Gegensatz zu diffusem Licht geometrisch definierte und rechnerisch auswertbare Lichtmuster. Die Lasertriangulation liefert durch die gleichbleibende Strahlqualität eine wiederholbare Messgenauigkeit im Mikrometerbereich und ermöglicht zudem 3D-Vermessungen in Inline-Prozessen mit hoher Taktung.
- Berührungslose und verschleißfreie Messungen: Verfahren wie die Lasertriangulation funktionieren kontaktlos und eignen sich deshalb für empfindliche Oberflächen, bewegte Objekte und automatisierte Prozesse.
- Branchenübergreifende Einsatzmöglichkeiten: Durch unterschiedliche Wellenlängen und Projektionsarten lassen sich die Laser an unterschiedliche Materialien oder Oberflächen anpassen, wodurch sie in diversen Branchen eingesetzt werden können.
- Effizienz: Die schnelle Datenverarbeitung beschleunigt Produktionsprozesse und trägt zur Kostensenkung bei.
Auswahlkriterien für die richtige Laserlösung
Die Auswahl des geeigneten Lasermoduls hängt von mehreren technischen Parametern sowie den Anforderungen der jeweiligen Applikation ab, für die der Laser zur 3D-Vermessung verwendet werden soll:
- Wellenlänge: Die Wellenlänge muss auf die Materialeigenschaften und die Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts abgestimmt werden. Für die 3D-Vermessung eingesetzte Laser mit roter Wellenlänge (640 und 660 nm) sind für die meisten Applikationen geeignet, da die Quanteneffizienz vieler Kamerachips auf den roten Spektralbereich optimiert ist. Nah-IR-Wellenlängen (760 bis 830 nm) werden häufig bei Anwendungen im Freien eingesetzt, insbesondere wenn starkes Umgebungslicht vorherrscht. Blaue und grüne Wellenlängen (405 bis 520 nm) bieten Vorteile bei (halb-)transparenten oder hochreflektierenden Materialien, beispielsweise bei poliertem Metall oder Lötstellen. Außerdem können sie einen besseren visuellen Kontrast auf glühenden Materialien wie Heißstahl erzeugen.
- Optische Ausgangsleistung und Laserklasse: Die optische Ausgangsleistung beeinflusst die Intensität der Projektion; zusammen mit dem Öffnungswinkel bestimmt sie zudem die Laserklasse. Viele Anwendungen erfordern eine augensichere Laserklasse (1, 1M, 2 oder 2M), was eine Begrenzung der Ausgangsleistung bedeutet. Eine höhere Ausgangsleistung erlaubt jedoch kürzere Belichtungszeiten der Kamera und dadurch höhere Messgeschwindigkeiten. Gleichzeitig entsteht mehr Wärme im Lasermodul, was sich negativ auf die Lebensdauer auswirken kann. Eine geeignete Wärmeableitung, beispielsweise über eine metallische Befestigung, ist daher wichtig.
- Öffnungswinkel und Arbeitsabstand: Der erforderliche Öffnungswinkel bestimmt die Länge der projizierten Linie in Abhängigkeit vom Arbeitsabstand. Da an den äußeren Enden optische Effekte auftreten können, sollten bei Machine-Vision-Anwendungen möglichst nur die mittleren 80 Prozent der Linie verwendet werden.
- Optikkonfiguration und Linienbreite: Die Linienbreite nimmt mit zunehmendem Arbeitsabstand zu. Dünne Linien gehen in der Regel mit einer geringeren Tiefenschärfe (DoF) einher, die ebenfalls vom Arbeitsabstand abhängt. Z-LASER bietet zwei optische Konfigurationen an, die Linienbreite und Tiefenschärfe beeinflussen: Elp-Optik („extended line“) bietet einen erweiterten Tiefenschärfebereich und ist für die meisten Anwendungen die erste Wahl. Die flp-Optik („fine line“) erzeugt besonders dünne Linien.
Z-LASER-Empfehlungen: Lasermodule für die industrielle Bildverarbeitung
Z-LASER bietet unterschiedliche Lasermodule für Machine-Vision für unterschiedliche Applikationen an. Das Portfolio umfasst kompakte Lösungen für die Systemintegration, vielseitige Standardmodule sowie Hochleistungsmodule für besonders anspruchsvolle Messbedingungen. Im Folgenden werden drei Lasermodule vorgestellt:
- ZM18-VISION: Das Machine-Vision-Modul aus der ZM18-Familie deckt ein breites Wellenlängenspektrum ab, wodurch es für verschiedene Materialien und Applikationen geeignet ist. Der Laser ist für komplexe Bildverarbeitungssysteme ausgelegt.
- ZX20: Das präzise Lasermodul aus der ZX-Laserfamilie mit flexibler Wellenlängenauswahl ist der Standardlaser für die meisten Applikationen. Es eignet sich für anspruchsvolle Bildverarbeitungsanwendungen in rauen Umgebungen.
- ZQ1-HighPower: Das optimierte Hochleistungsmodul aus der ZQ1-Laserfamilie liefert bis zu 2,5 W optische Ausgangsleistung bei den Wellenlängen 450, 760 und 808 nm. Die 760-nm-Diode sorgt für ein deutlich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis und reduzierte Umgebungslichteffekte. Es ist ideal ideal für Messungen im Freien unter Tageslichtbedingungen sowie für hohe Messgeschwindigkeiten, beispielsweise bei der Infrastrukturinspektion (Straßen und Schienen).
ZM18-Vision Modul
Das ZM18-Vision ist ein präzises Lasermodul für anspruchsvolle Bildverarbeitungsanwendungen in Industrie, Forschung und OEM-Integration. Mit Wellenlängen von 405 nm bis 830 nm deckt es ein deutlich erweitertes Spektrum ab und ermöglicht die optimale Anpassung an unterschiedlichste Materialien und Anwendungen. Mit seinem robusten Industriedesign und konstanter Leistungsstabilität eignet sich das ZM18-Vision für den zuverlässigen Einsatz in Inspektionssystemen und komplexen Bildverarbeitungssystemen.
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ZX20 Modul
Das ZX20 Modul ist ein präzises Lasermodul für anspruchsvolle Bildverarbeitungsanwendungen. Anwender können je nach Material und Anwendung zwischen roten, grünen, blauen oder infraroten Wellenlängen wählen. Dank werkzeugfreier Fokussierung lässt sich der Laser optimal an unterschiedliche Arbeitsabstände anpassen. Mit seinem robusten, industrietauglichen Design und konstanter Leistungsstabilität funktioniert der ZX20 auch zuverlässig in rauen Umgebungen. Er eignet sich ideal für die Integration in Sensoren, komplexe Bildverarbeitungssysteme und robuste Maschinen wie Sägen.
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ZQ1 – HighPower
Der ZQ1 HighPower ist ein leistungsoptimiertes Lasermodul für anspruchsvolle Bildverarbeitungs- und Messanwendungen. Mit bis zu 2,5 W optischer Ausgangsleistung und verfügbaren Wellenlängen von 760 nm, 808 nm und 450 nm bietet er maximale Flexibilität für industrielle Sensorik, Analytik und Medizintechnik. Besonders die 762 nm-Diode sorgt für ein deutlich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis, höhere Kamerasensitivität und reduzierte Umgebungslichteffekte – ideal für Messungen im Freien und unter Tageslichtbedingungen. Typische Anwendungen reichen von 3D-Triangulation und Infrastrukturinspektionen (Straße & Schiene) bis hin zu Spektroskopie, Präzisionsmetrologie und medizinischen Verfahren. Durch sein robustes Thermodesign, aktive Stabilisierung und OEM-Optionen ist der ZQ1 HighPower perfekt für den zuverlässigen Einsatz in Industrie- und Outdoor-Umgebungen geeignet.
Mehr erfahrenAlle Lasermodule von Z-LASER sind flexibel konfigurierbar: Wellenlänge, Ausgangsleistung, Öffnungswinkel, Optikkonfiguration und Schnittstelle lassen sich an die jeweilige Applikation anpassen. Zudme bietet Z-LASER für jedes Lasermodul passendes Zubehör wie Halterungen, Kabel und Netzteile an.
Präzision und Effizienz in der industriellen Bildverarbeitung mit Z-LASER
Industrielle Bildverarbeitungssysteme mit strukturierter Laserbeleuchtung machen Prüf- und Messprozesse präzise, schnell und reproduzierbar. Berührungslose Verfahren wie die Lasertriangulation erfassen dreidimensionale Konturen, prüfen Maße und Positionen und erkennen Abweichungen zuverlässig in Echtzeit. Die exakten Messdaten ermöglichen automatisierte Qualitätskontrollen, reduzieren Ausschuss und stabilisieren Produktionsabläufe. Zudem eignen sich laserbasierte Bildverarbeitungssysteme für zahlreiche Anwendungen in unterschiedlichen Branchen, da Wellenlänge und Projektionsart an die Material- oder Oberflächeneigenschaften des Messobjekts sowie an die jeweligen Applikationsanforderungen angepasst werden können.
Sie möchten prüfen, welche Lösung für Ihre Anwendung geeignet ist? Wir unterstützen Sie bei der Auswahl des passenden Lasermoduls für Ihr Bildverarbeitungssystem.
Häufige Fragen und Antworten
Ein Laser fungiert in der industriellen Bildverarbeitung als strukturierte Beleuchtungsquelle für Mess- und Prüfsysteme. Eines der verbreitetsten Verfahren zur laserbasierten 3D-Vermessung ist die Lasertriangulation: Ein Laser projiziert eine Linie oder ein definiertes Muster auf das Prüfobjekt, das eine Kamera aus einem vordefinierten Winkel erfasst. Die Auswertesoftware berechnet daraus dreidimensionale Konturen und erkennt Abweichungen zuverlässig. So lassen sich Maße, Positionen und Oberflächen berührungslos und automatisiert prüfen.
Laserbasierte Bildverarbeitung ermöglicht eine präzise, berührungslose und reproduzierbare Qualitätskontrolle in Echtzeit. Sie erfasst Höhe, Form, Position und Oberflächenbeschaffenheit von Objekten zuverlässig und hochpräzise. Da Laser für die Kontrolle empfindlicher, (halb-)transparenter oder hochreflektierender Materialien und Oberflächen geeignet sind, können sie für vielfältige Anwendungen in unterschiedlichen Branchen eingesetzt werden.
Laserbasierte Bildverarbeitung wird unter anderem in der Infrastrukturinspektion, der Metallverarbeitung, der Elektronik- und Reifenindustrie, der Intralogistik sowie der Lebensmittel- und Getränkeindustrie zur Materialprüfung, Qualitätskontrolle oder zum 3D-Scanning eingesetzt. Typische bildverarbeitende Laser-Anwendungen in der Industrie sind die Profilmessung, die Maß- und Oberflächenprüfung, die Anwesenheits- und Lageprüfung von Bauteilen auf Leiterplatten, die Erkennung von DOT-Codes sowie die 3D-Lagebestimmung und Füllstandsmessung beim Bin Picking.
Die Wellenlänge muss auf die Materialeigenschaften und die Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts abgestimmt werden. Rote Wellenlängen (640 bis 660 nm) sind für die meisten Anwendungen die erste Wahl, da die Quanteneffizienz der meisten Kamerachips auf das rote Spektrum optimiert ist. Blaue und grüne Wellenlängen (405 bis 520 nm) bieten Vorteile auf (halb-)transparenten oder hochreflektierenden Oberflächen sowie auf glühenden Materialien. Nah-IR-Wellenlängen (760 bis 830 nm) eignen sich für Außenanwendungen, bei denen starkes Umgebungslicht die Messung beeinflussen kann.
Für optimale Messergebnisse müssen Wellenlänge, Arbeitsabstand, Linienbreite, Tiefenschärfe und Ausgangsleistung des für die 3D-Vermessung eingesetzten Lasers auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden. Z-LASER bietet hierfür zwei Optikkonfigurationen an: die elp-Konfiguration, die einen erweiterten Tiefenschärfebereich bietet und die Standardwahl für die meisten Anwendungen darstellt, sowie die flp-Konfiguration, die besonders feine Linien erzeugt.
