Rotationssymmetrischer Triangulationssensor (RTS) für hochpräzise und robuste Distanzmessung

• Projekttitel: Rotationssymmetrischer Triangulationssensor (RTS) für hochpräzise und robuste Distanzmessung
  
• Arbeitstitel der HHN: Optik-Design des rotationssymmetrischen Triangulationssensors (RTS)
  
• Projektpartner: TU Berlin, Scansonic GmbH, Hochschule Heilbronn, Institut für Mechatronik
  
• Laufzeit: 1,5 Jahre (1. Mai 2005 – 31. Oktober 2006)
  

Das Messprinzip der klassischen Triangulation hat Aufgrund seines eindimensionalen Aufbaus den Nachteil, dass es an Kanten, Stufen und Kehlen zu Fehlmessungen oder einer kompletten Abschattung des Messsignals kommen kann. Dieser Nachteil kann mit einem rotationssymmetrischen Aufbau vermieden werden.

Mit einem Laser wird ein Lichtfleck auf das Messobjekt projiziert. Das Licht des Lasers wird auf der Oberfläche des Objekts in alle Richtungen gestreut. Ein Teil des gestreuten Lichts wird über ein rotationssymmetrisches optisches System auf einen 2D- Detektor (z.B. CCD- oder CMOS-Chip) abgebildet. Das optische System wird so ausgelegt, dass über den ganzen Messbereich ein scharfer Ring auf dem Detektor entsteht. Eine Radiusänderung des Rings ist ein direktes Maß für die Abstandsänderung des Objekts.

Bild 1: Bei klassischen Triangulationssensoren (a) hängt das Messergebnis an Objektkanten von der rotatorischen Orientierung des Sensors ab. (b) Bei der rotationssymmetrischen Triangulation wird das vom Objekt gestreute Licht aus allen Richtungen aufgefangen und auf einen Flächendetektor als Kreis abgebildet (Viertelschnitt durch das System; oben: reales CCD-Bild). Die Herausforderung beim Optik-Design der Empfangsoptik besteht darin, eine vertikale Objektlinie (O0, O1, O2 ) in eine horizontale Bildeben (O0', O1', O2' ) abzubilden.

Im Rahmen des beantragten Förderprojekts wurde ein hochpräziser und robuster optischer Abstandssensor für Messaufgaben in der Qualitätssicherung auf Basis der rotationssymmetrischen Triangulation erforscht und bis zur Funktionsmusterreife entwickelt (RTS-K)

Vorteile

• Keine Abschattung oder Fehlmessung an Kanten oder Kehlen
• Wesentlich reduzierte Messunsicherheit im Vergleich zur klassischen Triangulation (vergleichbar mit Weisslicht-konfokal-Verfahren bei deutlich reduziertem Geräteaufwand)
• Vergleichbar geringer Geräteaufwand wie bei der klassischen Triangulation (für die Detektion werden außer dem CCD-Empfänger nur zwei spritzgussgegossene oder diamantgedrehte, torische Kunststoffoptiken benötigt)

Technische Daten von RTS-K

• Messbereich: +/- 8,5 mm (17 mm)
• Arbeitsabstand: 30 mm
• Triangulationswinkel: 16°
• Winkel zw. den Randstrahlen (2u): 4,5°
• Wellenlänge (LD): 650 nm
• Messunsicherheit auf lambertscher Oberfläche: ca. 4 µm

Bild 2: CAD-Modell von dem Sensor RTS-K

Bild 3: Funktionsmuster: Sensor RTS-K