PRECIZNA LASERSKA TRIANGULACIJA S SKENIRANJEM SIMETRIČNEGA VZORCA NA OBJEKTIH RAZLIČNIH OPTIČNIH LASTNOSTIŽbontar, Klemen (Avtor) Mihelj, Matjaž (Mentor) laserska triangulacijaskeniranje simetričnega vzorcakompenzacija podpovršinskega sipanjatočno merjenje premikaindustrijska optična metrologijaalgoritmi robustnega računanja središčaDoktorska disertacija predstavlja namenski brezkontaktni merilnik premika površine različnih tipov materialov, ki temelji na principu laserske triangulacije in zagotavlja visoko točnost merjenja. Lasersko strukturiranje omogoča hitro in precizno izdelavo prototipov, široko uporabno predvsem na področju elektronike ter fotovoltaike. Proces kot izvršno orodje uporablja fokusiran laserski žarek primerne valovne dolžine, pri čemer je strukturiranje realizirano preko sistema odklanjanja laserskega žarka po površini materiala. Divergenca laserskega žarka, ki je definirana z uporabljenimi optičnimi elementi, določa območje okoli fokusne ravnine laserskega žarka, v katerem sta premer ter intenziteta žarka še primerna za zadostitev toleranc izdelave. Posledično je kvaliteta izdelanega vzorca direktno povezana s točnostjo določanja pozicije površine materiala glede na fokusno ravnino laserskega žarka, za kar je potreben robusten merilnik premika. Komercialni merilniki premika, tako kontaktni, kot tudi brezkontaktni, niso primerni za uporabo v omenjeni aplikaciji laserskega strukturiranja. Le-ta namreč med procesom strukturiranja uporablja fiksno pritrjeno odsesovalno-varovalno komoro, ki odstranjuje odpadni material ter ščiti pred sevanjem laserske svetlobe. Poleg tega mora biti meritev izvedena v središču obdelovalnega polja laserskega sistema, brez da bi senzor zastiral laserski žarek. Zato smo zasnovali in zgradili lastni brezkontaktni merilnik premika, ki za namene merjenja uporablja primerno reguliran vgrajeni izvor laserske svetlobe ter dodatno kamero za zajem sipane svetlobe. Kamero smo namestili izven odsesovalno-varovalne komore, kar pomeni, da tak merilnik ne omejuje obdelovalnega polja laserskega sistema. Uporabili smo visoko-kvalitetni UV laserski žarek, ki se primarno uporablja za strukturiranje in predstavlja novost. Ta poleg visoke stabilnosti projekcije ter distribucije intenzitete žarka omogoča merjenje prosojnih materialov, ki predstavljajo največjo omejitev za komercialne laserske triangulacijske senzorje. Uporaba UV laserskega žarka je smiselna, saj ima večina prosojnih materialov visok koeficient absorpcije za svetlobo v UV spektru. Optične lastnosti merjene površine ter raznovrstne površinske poškodbe močno vplivajo na točnost računanja oddaljenosti, saj je merilni rezultat pridobljen posredno preko določanja središča zajetega svetlobnega signala. Občutljivost meritve na omenjene probleme smo zmanjšali preko projekcije simetričnega vzorca, ki poveča aktivno površino merjenja ter s tem zmanjša vplive lokalnih nepravilnosti materiala. Projekcijo simetričnega vzorca smo realizirali preko skeniranja laserske pike po zaključeni trajektoriji, pri čemer je potrebno uporabiti zadosti visoko hitrost skeniranja. Ta korak rezultira v povprečenju distribucije svetlobe po vzorcu, kakor tudi zmanjša vpliv pegastega šuma na merilno negotovost. Pogoj za robustno merjenje različnih tipov materialov je primerno nastavljanje intenzitete laserskega žarka glede na optične lastnosti merjene površine. Zaradi zahteve po ponovljivosti ter objektivnosti nastavljanja optimalne intenzitete laserskega žarka smo implementirali avtomatski proces, katerega algoritem temelji na analizi distribucije svetlobe zajetega simetričnega vzorca. Čeprav skeniranje simetričnega vzorca poveča robustnost na površinske napake ter optične lastnosti merjenega materiala, je za doseganje visokih točnosti merjenja potrebno ponovljivo izračunati središče zajetega vzorca. Le-to, enako kot v primeru projekcije pike, posredno določa oddaljenost predmeta glede na referenčno točko. Simetrija zajetega vzorca kljub potencialnim popačitvam ter celo delnimi prekinitvami omogoča zadostno količino informacij za izračun središča. Robusten izračun središča smo dosegli preko metode dvo-koračnega prilagajanja krivulj, kjer v prvem koraku na radialne profile zajetega vzorca prilagodimo Gaussove krivulje, v drugem koraku pa na točke vrhov prilagojenih Gaussovih krivulj prilagodimo elipso. Opisani postopek zmanjšuje občutljivost na spremembo kvalitete zajetega vzorca ter zvišuje robustnost merjenja. Podpovršinsko sipanje, ki ga je možno opaziti pri merjenju polprosojnih materialov, občutno vpliva na merilni rezultat. Za odpravljanje vpliva le-tega smo implementirali kompenzacijsko metodo, ki temelji na simetričnosti zajetega vzorca. Metodo smo zasnovali v povezavi z rezultati analize vpliva podpovršinskega sipanja na distribucijo intenzitete svetlobe v zajetem vzorcu. Razvoj in validacija merilnega sistema sta potekala na komercialni napravi za lasersko strukturiranje LPKF ProtoLaser U3, na katerem je tudi implementiran. Merilna metoda je verificirana preko primerjalnih meritev z referenčnim kontaktnim merilnikom premika. Poleg tega smo merilni sistem implementirali in verificirali na sorodni napravi za lasersko strukturiranje PKF ProtoLaser S v1.3, ki namesto UV laserskega žarka za namene strukturiranja uporablja IR valovno dolžino. Uporaba le-te v merilne namene ni mogoča, zato smo na tej napravi za merjenje uporabili vgrajeni rdeči kazalnik. Eksperimentalni rezultati kažejo, da je merilni sistem robusten na spreminjanje intenzitete laserskega žarka ter omogoča merjenje materialov z različnimi optičnimi lastnostmi z merilnim pogreškom nižjim od 50 μm na vseh merjenih materialih. Dodatno smo v programskem okolju Matlab preko simulacije opravili študijo vpliva optičnih popačitev zajetega signala na merilno negotovost. S tem postopkom smo razklopili merilno negotovost zaradi motenj v zajemu signala od temeljnih napak merilnega algoritma. Generirali smo tri različne optimalne vhodne vzorce, ter preko simulacije različnih nepravilnosti v zajemu signala analizirali odvisnost merilnega pogreška od pozicije začetnega središča. Rezultati simulacije dokazujejo, da kvaliteta vhodnega signala opazno vpliva na merilni rezultat.20152015-11-18 13:24:03Doktorsko delo/naloga73473VisID: 31283COBISS_ID: 11058516sl