Bislang ist rotes Laserlicht in der Wegmessung per Lasertriangulation im Einsatz, da die verwendeten Elemente bei Wellenlängen von etwa 650 nm am empfindlichsten sind. Blaue Laser arbeiten dagegen am anderen Ende des sichtbaren Lichtspektrums, deren Wellenlänge mit 405 nm nahe dem ultravioletten (UV) Licht liegt. Physikalisch bedingt sind CCD-Elemente im infraroten Bereich deutlich empfindlicher als im UV-Bereich. Aus diesem Grund arbeiten viele herkömmliche Sensoren mit rotem Laserlicht. Viele Messaufgaben können damit sehr gut gelöst werden, einige jedoch nicht.

Objekte wie glühendes Metall oder Silizium emittieren von sich aus einen hohen Anteil infraroter Strahlung. Diese Strahlung stört den auf „rot“ getrimmten Sensor, so dass ab Temperaturen von etwa +700 °C keine vernünftige Messung mehr möglich ist. Das Signal reißt bei dieser Temperatur plötzlich ab. Blaue Laser messen dagegen im entgegengesetzten Bereich des sichtbaren Lichts und lassen sich von der emittierten IR-Strahlung nicht stören.

Funktionsprinzip Triangulation: Die Abstandsmessung basiert auf einer präzisen Winkelmessung. Die kürzere Wellenlänge des blauen Lasers verlangt unter anderem eine komplett neu berechnete Optik.

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Triangulation bedeutet Abstandsmessung durch Winkelberechnung. Bei der Lasertriangulation emittiert eine Diode einen Lichtstrahl, der auf das Messobjekt gerichtet ist. Der dort reflektierte Lichtpunkt wird über eine Optik auf ein digitales Fotoelement abgebildet. Aktuelle Sensoren setzen dabei auf CMOS- oder CCD-Elemente. Aus der Lage des Lichtpunkts auf dem Empfangselement und aus der Distanz von Sende- zum Empfangselement im Sensorgehäuse ergibt sich der Abstand des Objekts zum Sensor. Bei digitalen Sensoren werden durch die Reflexion einzelne Pixel der CCD/CMOS-Zeile beleuchtet.

Aus der Verteilung der beleuchteten Pixel und deren Intensitätswerte berechnet der integrierte Mikrocontroller mit aufwendigen Algorithmen den Abstand zum Mess-Objekt. Umgebungseinflüsse und unterschiedliche Oberflächeneigenschaften haben daher nur wenig Einfluss auf das Mess-Ergebnis. Spezielle Funktionen wie die RTSC (Real Time Surface Compensation) passen dabei die Laserleistung in Echtzeit für jeden Messwert an und sorgen dafür, dass auch bei schnell wechselnden Oberflächeneigenschaften stabile Mess-Ergebnisse erreicht werden.

Weniger Streuung bei schwierigen Oberflächen

Abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Mess-Objekts dringt das Licht von roten Lasern mehr oder weniger tief in das Mess-Objekt ein und wird gestreut. Bei organischen Mess-Objekten mit einer Textur, beispielsweise Funiere, Holz oder Haut, tritt dieser Effekt besonders intensiv in Erscheinung. Dadurch entsteht ein unscharfer Bildpunkt, der eine exakte Abstandsmessung verhindert. Aufgrund der kürzeren Wellenlänge dringt blau-violettes Laserlicht bei solchen Materialien nicht so tief in das Mess-Objekt. Dieser Effekt lässt sich mit bloßem Auge beobachten. Bei Tropfen aus Acrylharz zum Beispiel durchdringt der rote Laser den gesamten Tropfen während der blaue auf der Oberfläche bleibt. Der Vorteil: Die Oberfläche reflektiert nach wie vor einen scharf abgegrenzten Laserpunkt. Blaue Laser ermöglichen somit stabile und präzise Ergebnisse auf bislang kritischen Mess-Objekten.

Mit dem Blue-Laser-Sensor optoNCDT 1700BL wird der Abstand von Objekten auch bei schwierigen Ober­flachen zuverlässig erfasst, weil die kurzwelligeren Strahlen weniger tief eindringen und somit weniger gestreut werden.

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Der Einsatz von blauen Lasern erfordert allerdings einige Modifikationen. Micro-Epsilon hat dazu die Lasertriangulationssensoren der Baureihe optoNCDT 1700BL komplett umgestaltet. Unter anderem waren speziell auf die kurze Wellenlänge abgestimmte Objektive und Filter, eine andereLasersteuerung und überarbeitete Auswerte-Algorithmen notwendig.

Die Verformung von Bremsscheiben während extremer Beanspruchung ist eine typische Mess-Aufgabe, die sich mit dem blauen Lasersensor lösen lässt. Die Wellenlänge des blau-violetten Lasers erlaubt den Einsatz eines Filters, der das intensive, von der rotglühenden Bremsscheibe abgestrahlte Licht unterdrückt, so dass keine Blendung der CCD/CMOS-Zeile erfolgt. Der optoNCDT 1700BL ermöglicht es, den so genannten Scheibenschlag beziehungsweise die DTV (Disk Thickness Variation) der 800 °C heißen Bremsscheibe hochdynamisch und präzise mit 1,5 µm Auflösung zu messen. Zum Schutz gegen die hohen Temperaturen befindet sich der Sensor während der Messung hinter einem Hitzeschild.

Autor: Erich Winkler ist Produktmanager für optoNCDT bei der Firma Micro-Epsilon in Ortenburg.