Schnellste 3D-Vision für die Industrie - CSEM
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Hochgeschwindigkeits
linie mit 3D-Lichtfeld
kamera bei Renata AG
Schnellste 3D-Vision (Swatch Group).
für die Industrie
Lichtfeldkameras in der Qualitätskontrolle | Mikrotechnische Komponenten
werden immer komplexer und erfordern Präzision. Die dreidimensionale Vermes-
sung solcher Teile ist anspruchsvoll. Hier helfen alte Ideen im neuen Gewand: Ein
Jahrhundert nach ihrer Erfindung ist die Lichtfeldtechnologie heute eine höchst
interessante Alternative zu herkömmlichen industriellen Prüfverfahren.
P H I L I P P S C H M I D, A L E X A N D E R ST E I N E C K E R
F
ür eine dreidimensionale Ober- System sollte einfach in der Einrich- ein Mikrolinsenarray aufgebracht. Das
flächeninspektion stehen zahl- tung, robust im Betrieb und nahtlos in Objektiv bildet nun vor dem Mikrolin-
reiche bewährte Verfahren mit die bestehende Produktionslinie integ- senarray ein Zwischenbild ab, dessen
Vor- und Nachteilen zur Verfügung. rierbar sein. Natürlich spielen auch die Segmente dann von den Mikrolinsen
Die bekanntesten darunter sind klassi- Systemkosten eine wichtige Rolle. auf Teilbereiche des Sensors abgebildet
sche 2D-Abbildung mit strukturierter werden. So entstehen getrennte Unter-
Beleuchtung, Stereo-Bildaufnahmen, Lichtfeldtechnologie bilder von Objektregionen mit unter-
laserbasierte Verfahren, aber auch Die Lichtfeldtechnologie ist bereits seit schiedlichen optischen Parametern
Time-of-Flight-Kameras. Ferner kom- über einhundert Jahren ein bekannter sowie begrenzten Gesichtsfeldern.
men Verfahren wie konfokale Mikro optischer Ansatz. Erste Kameras mit Jedes Objektdetail wird mehrfach auf
skopie, digitale holografische Mikro diesem Prinzip wurden in den 1990er- dem Sensor dargestellt. Es entsteht eine
skopie oder optische Kohärenz-Tomo- Jahren entwickelt. Multi-Mikro-Stereo-Aufnahme des
grafie industriell zum Einsatz. Gerade Wie funktioniert diese Technologie? Objekts. Hieraus können rechnerisch
im Hochgeschwindigkeitsbereich mit Konventionelle 2D-Kameras bilden Objekttiefen bestimmt und ein dreidi-
mehreren komplexen Teilen pro Sekun- einen Gegenstand über ein Objektiv mensionales Bild rekonstruiert werden.
de eignen sich diese Verfahren nur be- auf einem Sensor ab. In einer soge- Was verhalf der Lichtfeldtechnolo-
Bild: CSEM
dingt. Erschwerend kommen oft zu- nannten plenoptischen Kamera hinge- gie erst jetzt zum Durchbruch? Zum
sätzliche Anforderungen ins Spiel: Das gen ist auf dem Bildsensor zusätzlich einen ist es die enorme Rechenleistung
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heutiger Computer. Moderne Grafik-
prozessoren (GPUs) bewältigen die
umfangreichen Kalkulationen zur
Rekonstruktion der 3D-Daten in
Sekundenbruchteilen. Gleichzeitig ist
die Verfügbarkeit präziser Mikrolin-
senarrays mit massgeschneiderten Eine Lichtfeld-Kamera von
geometrischen und optischen Eigen- Raytrix, einem kommer
schaften gegeben. Das CSEM hat als ziellen Anbieter plen
erste Firma weltweit eine anspruchs- optischer, industrieller
volle industrielle Prüfaufgabe mit die- Kamerasysteme.
ser vielversprechenden Technologie
erfolgreich entwickelt und in der
Industrie umgesetzt.
a b
Vorteile
Lichtfeldkameras eignen sich beson-
ders gut für die Qualitätskontrolle,
denn sie bieten zahlreiche Vorteile.
Hardware: Lichtfeldkameras basie-
ren auf handelsüblichen Industrieka-
meras von renommierten Herstellern.
Die Kamerasensoren werden nach-
träglich im Reinraum mit dem Mikro- a) 2D-Rohbild mit den runden Mikrolinsen, b) Rekonstruiertes Bild mit Tiefeninformation.
linsenarray bestückt. Der Rest erledigt
die ausgeklügelte Kalibrations- und
Rekonstruktions-Software. Dadurch
ergeben sich gleich mehrere Vorteile. a b
Die Kameras sind robust und bereits in
der Industrie etabliert. Dem Anwender
steht eine breite Palette von Bau-
grössen, Auflösungen sowie Schnitt-
stellen zur Verfügung. Es besteht eine
hohe Flexibilität und Kompatibilität
mit Vision-Komponenten (Objektive,
Beleuchtungen, Stative). Die Technolo-
gie weist eine grosse Unabhängigkeit
gegenüber den verwendeten Prüfmate-
rialien auf: matte Oberflächen, reflek-
tierende Metalle, Pasten oder Flüssig-
keiten. Durch den zusätzlichen Einsatz Abschattungsfreie 3D-Darstellung von Stiften eines Steckers mit extremer Tiefenschärfe.
eines Rauschmusterprojektors können
auch völlig strukturlose Oberflächen
exakt rekonstruiert werden.
Präzision: Der Einsatzbereich der
3D-Lichtfeldtechnologie erstreckt sich
dank dem frei wählbaren Primärobjek-
tiv vom Sub-μm-Bereich für die Mikro-
skopie bis hin zu Meterauflösung für
Gebäude oder Drohnenanwendungen.
In der typischen Qualitätsinspektion
für mechanische Komponenten
erreicht die Technologie bei einem Metrisch kalibrierte
Volumen von 10 x 10 x 5 mm3 eine abso- 3D-Darstellung.
lute Messpräzision von lateral 1 μm
und in z-Richtung 10 μm.
Bilder: Raytrix / CSEM
Geschwindigkeit: Der wohl grösste wendet. Das 2D-Rohbild der Kamera ckelte Protokolle wie USB3, Camera-
Vorteil der Lichtfeldkameras ist die wird über gängige Industrieschnitt- Link, GigE oder CoaXPress zum Ein-
enorm hohe Aufnahme- und Auswer- stellen an den PC übertragen. Dabei satz. Dies ermöglicht maximale Da-
tegeschwindigkeit. Für die Bildakqui- kommen speziell für den Bereich der tendurchsätze von bis zu 7200 MB/s.
se wird standardisierte Hardware ver- industriellen Bildverarbeitung entwi- Selbst bei einer Kameraauflösung von
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20 Megapixel können so problemlos
mehrere 100 Bilder pro Sekunde über-
a b tragen werden. Die 3D-Rekonstruk
tion wird auf dem PC berechnet und
ist für die beste Auflösung sehr re-
chenintensiv. Durch den parallelen
Einsatz von mehreren Grafikprozesso-
ren kann die Last dynamisch verteilt
werden. Dadurch ist Auswertung in
Echtzeit mit bis zu 80 Bildern pro Se-
kunde bei moderaten Kosten möglich.
Die Lichtfeldtechnologie ist heute so
schnell, dass der Flaschenhals die
Handhabung und Zuführung der
Prüfteile ist. Dank einem leistungsfä-
higen Blitz, schnellen Achsen und prä-
Die Tiefenschärfe der Standardkamera (a) ist etwa sechsmal geringer als die der Licht zisen Triggern konnte eine Applikati-
feldkamera (b). on mit 20 Teilen pro Sekunde realisiert
werden. Innerhalb von 50 ms erfolgen
nebst der Bildaufnahme, 3D-Rekon
struktion auch die geometrische Aus-
wertung sowie die Prüfung durch ein
neuronales Netzwerk. Dies ist ein In-
dustrierekord.
Abschattung: Viele 3D-Industrie-
lösungen basieren auf Triangulations-
prinzipien. Ein Winkel zwischen Laser-
linie und Kamera oder unterschiedliche
Perspektiven zweier Kameras bilden
die Grundlage. Dadurch entstehen
Bereiche mit einer Abschattung, unzu-
gängliche Stellen, bei welchen keine
CSEM-Visard mit integrier 3D-Information vorliegt. Dank dem
ter Lichtfeldkamera: Lichtfeldprinzip lässt sich eine abschat-
3D-Auswertung. tungsfreie Messung in nur einer Auf-
nahme (single shot) realisieren.
Dadurch sind 3D-Messungen entlang
senkrechter Flächen oder in Sacklö-
RÉSUMÉ
Vision 3D extrêmement rapide pour l’industrie
Caméras plénoptiques dans le contrôle qualité
La production de masse dans un pays à salaires élevés tel que Contrairement aux caméras 2D conventionnelles qui
la Suisse comporte son lot de défis. Les clients s’attendent à reproduisent un objet sur un capteur via un objectif, la
des produits de haute qualité mais à des prix compétitifs. caméra plénoptique possède une matrice de microlentilles
Le contrôle optique de la qualité constitue une étape qui est ajoutée sur le capteur d’image. L’objectif forme alors
importante du processus de production, et il est souvent une image intermédiaire devant le réseau de microlentilles,
nécessaire de vérifier la précision dimensionnelle des dont les segments sont ensuite reproduits par les microlen-
pièces. Or, les composants mécaniques et microtechniques tilles sur des secteurs partiels du capteur. On obtient ainsi
deviennent de plus en plus complexes et demandent une des sous-images distinctes de régions de l’objet avec des
grande précision. La mesure tridimensionnelle de telles paramètres optiques différents ainsi que des champs visuels
pièces est exigeante. Dans ce contexte, de vieilles idées font limités. Chaque détail de l’objet est représenté plusieurs fois
Bilder: Raytrix / CSEM
peau neuve : 100 ans après son invention, la technologie sur le capteur. Il en résulte une prise de vue multi-micro-
plénoptique offre aujourd’hui une alternative intéressante stéréo de la scène. À partir de là, il est possible d’obtenir des
aux processus de contrôle industriels traditionnels. Elle informations sur la profondeur de l’objet et de reconstruire
permet une mesure 3D précise en temps réel et peut facile- une image tridimensionnelle qui peut être utilisée pour le
ment être intégrée dans les lignes de production. contrôle qualité. NO
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chern ohne Abschattungen möglich. die aufwendigen Berechnungen sind bination mit intelligenter Datenanalyse
Ein Vorteil, welcher sonst nur durch moderne Grafikprozessoren notwen- eine wichtige Rolle in der industriellen
komplexe optische Aufbauten oder dig, welche dank dem AI-Hype seit Qualitätskontrolle für 3D-Prüfaufga-
zusätzliche mechanische Bewegungen Längerem den Sprung in die Industrie ben spielen wird. Sie erreicht bereits
erzielt werden kann. geschafft haben. heute Echtzeitfähigkeit, kann über
Tiefenschärfe: Gerade bei hohen CSEM hat eine Integrationssoftware klassische Objektive von Makroskopie
Vergrösserungen ist die Tiefenschärfe Visard (Vision Automation and Robot bis Mikroskopie eingesetzt werden, ist
von klassischen Bildsystemen stark Designer) entwickelt, die eine überge- benutzerfreundlich, wartungsarm und
einschränkend. In der Lichtfeldkamera ordnete Steuerung des Prüfsystems, vermeidet bestimmte Einschränkun-
kommen deshalb beim Mikrolinsen dynamische Verwaltung der Rechen- gen herkömmlicher 3D-Verfahren, wie
array drei verschiedene Linsentypen leistung sowie die Anbindung an das etwa Abschattungen. Erste Systeme
zum Einsatz. Jeder Typ hat eine unter- Leitsystem realisiert. mit Geschwindigkeitsrekorden sind
schiedliche Brennweite, welche für Visard ist eine PC-basierte Software, bereits im validierten industriellen Ein-
einen nahtlosen Übergang vom Nah- die verschiedene Module für die indus- satz. In Verbindung mit modernen Ver-
in den Fernbereich optimiert wurde. trielle Qualitätskontrolle enthält. Das fahren der Datenanalyse wie Deep
Eine Lichtfeldkamera erreicht deshalb 3D-Auswertesystem lässt sich bequem Neural Networks für Qualitätsinspek-
eine bis zu sechsfach höhere Tiefen- über OPC-UA an SPS anbinden. Das tion ergibt sich ein mächtiger Werk-
schärfe als eine vergleichbare 2D-Aus- komplette Datenlogging und die zeugkasten für die Industrie: ein weite-
führung. Bei industriellen Anwendun- lückenlose Rückverfolgbarkeit kann rer Schritt zur erhöhten Effizienz in der
gen kann somit oft eine zusätzliche ebenfalls integriert werden. Produktion und nicht zuletzt zur Stand-
Z-Achse für die Nachfokussierung ein- Die Analyse der 3D-Daten erfolgt ortsicherung in entwickelten Industrie-
gespart werden. mit unterschiedlichen Verfahren, dar- ländern.
unter auch einem Deep-Learning-An-
Hard- und Software zur Analyse satz für ästhetische Merkmale. Geo- Autoren
sowie Nutzerschnittstelle metrien und Masshaltigkeit der Teile Philipp Schmid ist Head Research and Business Develop
Das Computersystem besteht aus ver- werden in der Punktewolke bestimmt, ment Industry 4.0 & Machine Learning.
JJ CSEM, 2002 Neuenburg
schiedenen Komponenten: ein Subsys- Abweichungen erkannt und auch unge- JJ philipp.schmid@csem.ch
tem zur Steuerung der Kameras und wöhnliche Fehlerbilder zuverlässig
zur Datenakquisition sowie der Rekon- nachgewiesen. Dr. Alexander Steinecker ist Business Development
Manager beim CSEM.
struktion der 3D-Bilddaten. Ein weite- JJ alexander.steinecker@csem.ch
rer Prozess übernimmt die Auswer- Ausblick
tung der Bilddaten und übermittelt die Die Autoren sind davon überzeugt, Die ursprüngliche Version dieses Artikels erschien in
Management und Qualität, 9–10/2021, S. 32–35.
Resultate an die Hauptsteuerung. Für dass die Lichtfeldtechnologie in Kom-
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