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28.01.2019

Triangulation-Kamera Ranger 3 von Sick

Großer Messbereich für unterschiedliche Objekthöhen

Gängige 3D-Applikationen kommen nicht ohne Kompromisslösungen aus, wenn es um die 3D-Bildwiederholrate geht. Eine neue Generation von High-Speed-3D-Kameras bietet nun Performance auf einem höheren Leistungslevel und erweitert so den Anwendungsbereich.

Triangulation-Kamera Ranger 3 (© Sick)

Seit mehr als 30 Jahren setzt Sick, Waldkirch, parallelisierte SIMD-Sensorarchitekturen mit On-Chip-Berechnung ein, um Bildgebungsverfahren mit hoher Performance auf den Markt zu bringen. Der Ranger RS2200 war 1994 die erste Kamera mit Lasertriangulation, ihm folgten mehrere Sensor-Generationen nach. Jetzt präsentiert der Hersteller mit Ranger3 eine neue Generation der Ranger-Triangulation-Kamerafamilie für anspruchsvolle Inspektionsaufgaben. Diese bestehen vor allem darin, absolut genaue 3D-Messungen von unterschiedlichen Objekthöhen in Bildwiederholraten zu liefern, die mit den steigenden Geschwindigkeiten der Produktionslinien mithalten können.

Beim derzeitigen Stand der Entwicklungen auf dem Markt basieren die meisten 3D-Systeme auf einer 2D-Bildverarbeitung mit 3D-Berechnung in FPGA-Prozessoren oder im externen Framegrabber. Diese Systeme liefern entweder zu geringe Frame-Raten für die großen Objekthöhenunterschiede, oder sie werden in der Bauart zu groß oder zu komplex, da sie ein umfangreiches 3D-Post-Processing brauchen. Übermäßige Wärmeentwicklung bzw. Energieintensität gehören auch zu den negativen Begleiterscheinungen dieser Technologie.

Weniger Komplexität

Sick setzt bei der Lasertriangulation auf seinen eigenentwickelten CMOS-Sensor und stattet ihn mit ROCC-Technologie aus: Rapid On-Chip Calculations ermöglichen laut Firma eine überlegene 3D-Performance bei einer großen Bandbreite von Objekthöhen, eine hohe Bildauflösung und perfekte 3D-Präzision. Der Berechnungsbereich des CMOS-Sensors übernimmt dabei die Umrechnung von einer Laserlinie in 2D in eine exakte 3D-Darstellung. Das aufwendige Post-Processing kann so entfallen, und die Kameradimensionen werden verkleinert. Kosten und Komplexität des kompletten Vision-Systems reduzieren sich durch die Lieferung fertiger 3D-Koordinaten.

Der Sensor kann bis zu 15,4 Gigapixel pro Sekunde verarbeiten und ermöglicht somit ein Full Frame 3D-Imaging (2560 × 832 Pixel) mit 7 kHz. Der neuartige 3D-Algorithmus findet die Laserlinie sowohl in den dunklen als auch in den hellen Partien eines Objekts. Sogar unterschiedliche Materialien in der Produktionslinie – seien sie dunkel oder hell, matt oder glänzend – erfasst die Kamera zuverlässig in 3D-Messungen (Bild 1). Mühevolles Tuning von Parametern entfällt dank der hohen Lichtempfindlichkeit des Sensors auch bei schwach reflektierenden Oberflächen, so der Hersteller. Entsprechend niedrigere Laserleistungen führen so zu Kosteneinsparungen und geringerem Aufwand im Umgang mit Vorschriften zur Lasersicherheit.

Bei High-Speed-Applikationen erlaubt die erhöhte Lichtempfindlichkeit kürzere Belichtungszeiten bei gleichwohl präzisen Ergebnissen. Um den Messbereich noch weiter zu erhöhen, kann der Sensor in Situationen, wo Überbelichtung unvermeidbar ist, auch im erweiterten High-Dynamic-Range-Modus (HDR) arbeiten, um bei geringen Reflexionsstärken trotzdem eine gute Signal-Detektion zu erreichen.

Kompromisslose Qualität

Viele gängige 3D-Applikationen kommen nicht ohne Kompromisslösungen aus, wenn es um das Verhältnis von Höhenauflösung und der Auflösung in der Bewegungsrichtung, also der 3D-Bildwiederholrate, geht. Da große Höhenumfänge eine kleinere Bildwiederholrate bei gleichbleibender Auflösung zur Folge haben, nehmen diese Kompromisse Einfluss auf die Qualität des Ergebnisses. Hier liegt nach Firmenangaben der Vorteil von Ranger3 klar auf der Hand: Mit der Performance auf einem neuen Leistungslevel konnten solche Kompromisse bereits bei einer Reihe bestehender Applikationen komplett vermieden werden. So eröffnen sich neue Anwendungsgebiete auch dort, wo aufgrund zu vieler notwendiger Zugeständnisse bisher keine zufriedenstellenden Lösungen erreichbar waren.

Problemlose Integration

Hersteller von Vision-Systemen wollen, dass ihre Systeme einfach über Software-Schnittstellen in bestehende Applikationen und Vision-Lösungen mit Bildverarbeitungs-Bibliotheken integriert werden können. Die High-Speed-3D-Kamera gibt über Gigabit-Ethernet die Daten an einen externen PC weiter und nutzt die etablierten Standards GenICam und GigE Vision. Anwendern wird die Integration damit leicht gemacht, denn die Kamera lässt sich direkt in Bildverarbeitungs-Pakete einbinden, die GinICam unterstützen, wie beispielsweise Halcon.

Damit die Kamera auch mechanisch problemlos zu integrieren ist, legte der Hersteller bei der Entwicklung besonderes Augenmerk auf ein kompaktes und robustes Design. Mit einer Größe von nur 55 mm × 55 mm × 77 mm ist die neue Kamera nicht nur besonders platzsparend, durch die vergleichsweise geringere Wärmeentwicklung wird sie auch den steigenden Ansprüchen an Energieeffizienz gerecht, da der Bedarf an aktiver Kühlung entfällt. Die ProFlex-Front der Kamera ist für den einfachen Systemeinbau konzipiert. Das ProFlex-Konzept beinhaltet austauschbare Module, wie etwa eine Vielzahl von Objektiven, eine Objektivhaube gemäß Schutzklasse IP65/67, auswechselbare Gewindefilter und mehrere Scheimpflug-Adapter. Dadurch kann die Kamera die Brennweite für jedes spezifische Set-up einstellen und optimieren, um so stets die komplette Objekthöhe in den Fokus zu bekommen.

Sick AG
www.sick.de

Unternehmensinformation

Sick AG

Erwin-Sick-Str. 1
DE 79183 Waldkirch
Tel.: 07681 202-0
Fax: 07681 202-3863

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