Benötigte Laser Leistung für Muster bestimmen

[Jungle]

Hallo zusammen,

zuerst möchte ich mich vorstellen. Ich heiße Björn, bin 27 Jahre jung und komme aus der Nähe von Ulm. Nach meiner Ausbildung und schulischen Weiterbildung befinde ich mich nun im letzten Semester meines Maschinenbaustudiums und bearbeite gerade ein Projekt, das nun zeitnah seinen Abschluss findet. Mit Lasertechnik hatte ich bis auf einen 5 DM Laserpointer aus dem Urlaub noch nichts am Hut und hoffe nun, von euch Richtungsweisende antworten zu erhalten.

Konkret geht es um das Projekt. Dabei wird eine Faserverbundplatte aus Kohlenstofffaser mit einem Projektil mit 25mm Durchmesser und 0,5kg bei einscher Geschwindigkeit von 25 m/s beschossen. Interessant für mich ist die Oberflächen Verformung der Platte während der Belastung. Gerade ob sich z.B. ein wellenartige Biegung zum Rand ausbreitet.
Dafür wurde nun die Strukturierte Beleuchtung mit Aufnahme einer Hochgeschwindigkeitskamera ausgewählt. Kamera ist vorerst eine vorhanden, wobei hier noch auf geeignete Objektive und Filter zurückgegriffen werden muss.

Die Erzeugung des Struktur / Musters ist nun via Laser oder LED Projektion möglich. Als Muster würde das Schachbrett treffend sein, damit die Deformation sichtbar wird. Ergo wird auch ein Laser im sichtbaren Spektrum benötigt.
Nun findet man, oder zumindest ich, keine Anhaltspunkte für die Auslegung des Lasers und hier hoffe ich nun, von euch richtungsweisende Antworten zu erhalten. Oder eine Quellenangabe, damit ich mich einlesen kann. Bücher sind im normalfall kein Problem zu bekommen.

Eckdaten:
Material: Faserverbund
Oberfläche: Matt und rau
Maße Platte: 210 x 155mm
Arbeitsabstand: ~300 mm

Fragen:

1. Ausrichtung des Lasers für eine gleichmäßige Projektion wäre genau senkrecht und mittig über der Probe, damit das Schachbrett sauber und ohne Verzerrung abgebildet wird. Ich könnte mir aber vorstellen, das es auf dem Markt extra Aufsätze oder bearbeitete DOE existieren, die erlauben ein verzerrungsfreies Muster unter einem Winkel auf die Platte zu projezieren?

2. Ist es überhaupt Möglich bei einem Abstand von 300mm zur Platte das Linienmuster auf die Größe der Platte aufzuweiten?

3. Laserleistung und Laserklasse ist naütrlich immer eine Frage der Sicherheit, jedoch im Beamtendeutsch nicht immer zu 100% verständlich. Soweit ich informiert bin, bezieht sich diese Einteilung auf punktuell ausgerichtete Laser. Nur ein Beispiel, dessen eindeutige Richtigkeit dahingestellt sei aber nur fürs Verständniss wichtig ist. Angenommen ich besitze einen Laser der Klasse 3 und setze ein DOE davor der den gesamten Strahl in mehrere Linien aufteilt. Die Itensität der Linien dürfte nun weit geringer sein als das des Punktes und fällt nun meinetwegen in die Klasse 2. Ist nun ausschlaggebend für die Sicherheitsvorkehrungen die Klasse das Lasers (3) oder das ausgestrahlte Licht (2), wenn das überhaupt so funktioniert wie ich es gerade geschildert habe?

4. Da es sich um ein Projekt einer schulischen Einrichtung handelt sind die Vorschriften bis ins kleinste Einzuhalten. Daher eigentlich die wichtigste Frage:
Ist es möglich ein 8x8 oder 10x10 Linienmuster mittels einem DOE herzustellen, dessen Laser ohne Schutzbeauftragen (wenn ich mich nicht Irre ist dies ab Klasse 3 notwendig) verwendet werden kann?

5. Da die Oberfläche matt, rau und schwarz ist, wird das Licht stark streuen bzw. die Oberfläche wird einiges schlucken. Die Oberflächenbehandlung mit einem Lack wäre möglich um die Reflektion zu verbessern. Allerdings stellt sich die Frage, ob unter verwendung eines blauen oder grünen Lasers ein besserer Kontrast zustande kommen würde? Die Aufname der Kamera erfolgt in Schwarz-Weiß.

6. Besteht noch eine ander Möglichkeit ein Schachbrettmuster auf die Probe zu projezieren außer mit einem DOE? Es müsste allerdings eine statische Projektion sein. Ein schnell umlaufender Laserpunkt via drehender Spiegel ist nicht möglich, da die Aufname mit Hochgeschwindigkeit erfolgt.

7. Die Frage wird eigentlich nur der Vollständigkeitshalber gestellt und passt hier nicht zu 100%
Die Aufnahme mit einer normalen Kamera erfolgt normalerweiße mit einem Bandpassfilter um nur die Wellenlänge des Lasers zu erfassen. Hochgeschwindigkeitskameras benötigen normalerweiße eine starke Beleuchtung, da die Belichtungszeit sehr gering ausfällt. Starke Beleuchtung und ein Projezierter aufgeteilter Laserstrahl auf schwarzen Untergrund hört sich erstmal nicht sonderlich sinnvoll an.
Hat hier zufälligerweiße jemand Erfahrung in diesem Bereich?

Ich sag erstmal danke für die Zeit zum Durchlesen und würde mich über eine Beantwortung der Fragen freuen.

Grüße

[JETS]

Hallo erstmal und willkommen im Forum

Zu deiner Frage, ja es gibt DOEs die ein relativ präzises Punktmuster generieren, allerdings nicht unbedingt in einem sehr großen Winkel.
Deine 300mm würden da nicht reichen. Linien Optiken mit nahezu einheitlichen Linien könntest Du mit einem geeigneten Halter entsprechend ausrichten. Das geht auch mit "sicheren" Leistungen z.B. 5mW Modulen von laserfuchs. Ob Du eine Wölbung mit einer rechtwinklig zur Platte angeordneten Projektion ideal erkennst oder ob Du nicht lieber im Winkel flacher auf die Platte projizierst, darfst du selbst ausprobieren.

Mein Ansatz wäre allerdings ein anderer gewesen, ich würde einen dlp Projektor modifizieren, und zwar das Farbrad entfernen, damit Du das Projektionsfläche flackerfrei bekommst, und ein Schachbrett ggf. In verschiedenen Mustergrößen als Standbild ausgeben. Wird vermutlich kostengünstiger und flexibler.

[murmeljoe]

Hallo Björn,

noch eine Randüberlegung, falls Du auch über Scanner nachdenkst. Abgesehen von der Genauigkeit, muss Deine Frame-Rate der Projektion höher sein als die Frame-Rate der Kamera! Sonst sieht man auf den Bildern immer nur einen Teil des Bildes.

Gruß
Joe

[Jungle]

Hallo,

Danke für die Antworten

Ob Du eine Wölbung mit einer rechtwinklig zur Platte angeordneten Projektion ideal erkennst oder ob Du nicht lieber im Winkel flacher auf die Platte projizierst, darfst du selbst ausprobieren.

Und das ist mitunter ein springender Punkt. Wenn ich genau senkrecht ein Muster projeziere, dann sind sogesehen alle vom Laser "eingeschlossenen" Rechtecke gleich groß.
Wenn ich nun um einen Winkel den Laser verkippe, dann sind Rechtecke auf der Projektionsfläche die am nächsten zum Laser ist kleiner, als die weiter entfernten.
Ein flacher Winkel wäre mir auch lieber.

Grüße

[nohoe]

Hallo

Das mit der FRamerate dürfte bei einer High Speed Kamera nicht einfach sein.Wenn man das Schachbrett
mit linien Laser die man durch 2 um 90 Grad verdrehte Gratings erzeugt erden, wäre das zumindesten
ein flackerfreies Bild. Wie viele Bilder macht eine High Speed Kamera 1000 pro Sekunde? Wie schnell ist so ein DLP Chip?

Gruß
Norbert

[VDX]

... lies dich mal bei DavidLaserscanner ein - http://www.david-3d.com/de/

Ich verwende den mit normalen DLP-Beamern, aber auch mit 'einfarbig' modifizierten mit ausgebautem Farbrad, wo er nur mit der internen roten LED oder mit einer eingesetzten und extern angesteuerten beliebigen Lichtquelle (auch z.B. Laser direkt oder über Glasfaser) arbeitet.

Du kannst dazu hier was lesen oder nach "[C...o]" und "VDX" als Autor suchen lasen:
http://laserfreak.net/forum/viewtopic.p ... io#p256009

Die Software projiziert ein Punkte- oder Schachbrettmuster aus einem beliebigen Winkel, so daß es auf dem Punkteraster des Kallibrationsmusters exakt das Punkteraster überlagert - das könntest du als 'statisches Muster' verwenden.

Viktor

[Jungle]

Hi,

danke für die Antworten.
Das Problem an der Sache mit Umbauten, egal was verändert wurde, von bestehenden Geräten ist das Nachweisen der Unbedenklichkeit und weiter bestehender Sicherheit. Schulische Einrichtung etc.
Dazu gehört (leider) auch das entfernen von einem Farbrad!

Ich habe leider auch vergessen zu erwähnen, das ich möglichst kleine Gerätschaften benötige, da nicht viel Raum zum Einbau besteht.

Die Aufnahme via High Speed Kamera sollte mit 2000fps erfolgen. Da ich bereits einige Hersteller in diesem Bereich angeschrieben habe, bin ich mit der erforderlichen Leistung noch nicht wirklich weiter gekommen. Sehr gut war auf jeden Fall der Tip mit Laserfuchs (haben sich auch noch nicht gemeldet), da ich nun wenigstens einen Anhaltspunkt besitze.

[JETS]

Das entfernen des farbrades macht die led nicht gefährlicher, es flackert nur nicht mehr.
Damit hast du konstantes Licht und kannst egalmit welcher framerate aufnehmen.

[Dr. Burne]

Ich denke Lasertechnich dürfte bei dem Arbeitsabstand kaum möglich sein.
Zudem kommt hinzu, dass du bei 2000fps sicherlich Leistungen im Wattbereich brauchst, bei 100 Linien wären es pro Linie 1% Laserleistung, da kommst du mir unter Klasse 3 auf praktisch fast null Energie die bei der kamera ankommt im Vergleich zum Rauschen.


Hmm wenn man bautechnich nichts verändern darf, wäre eventuell einfach eine Projektion einer Leistungsstarken Projektorlampe über eine Optik mir nachfolgender Rasterblende aus Metall eine Möglichkeit, welche dann aber so geschnitten werden müsste, dass die optische Verzerrung korrigiert wird.
Allerdings ist beim Arbeitsabstand vom 300mm die Blende für 10x10 Rastzer einfach zu klein um sie in entsprechender Quaslität mal einfach so irgendwo zu fertigen lassen.

Wenn ich mich nicht irre gibt es solche Lichtquellen für solche Rastermuster zu kaufen, glaube aber nicht, dass die billig sind und deinen Anforderungen entsprechen.

[Jungle]

Hi,

mit 15 x 15 Linien wäre ich anfangs schon mal zufrieden. Die DOE bzw. Laser mit DOE bekommt man bei Laserfuchs und anderen Herstellern (~300€) bei einer Leistung von 5mW.
Bei einem Arbeitsabstand von 300mm einer projezierten Linie von 155mm benötige ich einen Öffnungswinkel von 29°.

Öffnungswinkel bekommt man auch mit 90°, sodas ich bei 300mm Abstand eine 600mm Linie an die Oberfläche bekommen. Das ist jetzt eigentlich nicht mehr das extreme Problem.

Einzigst wo ich mir gerade echt noch die Zähne ausbeise ist, das irgendwie zu berechnen, das die Lichtdichte der einzelnen Linien hoch genug ist, das es vom Bildsensor erfasst werden kann. Klar hängt dies auch von den Kameraspezifischen Parameter ab aber obwohl es in der Industire gängige Praxis ist, ein Laser via Hochgeschwindigkeit zu beobachten findet man absulut keine Parameter zu den Versuchen oder Aufbauten...

[Dr. Burne]

Hi,

bei 15x15 Linien würde ich pauschal mal 4W Laserleistung ansetzen.

Je nach Wirkungsgrad kommst du auf ca. 10-15mW pro Linie, wenn nichts am zu belichtenden Bereich vorbei geht.

Macht bei 2000fps und 50% Reflektion der Oberfläche, 2,5uJoule pro Linie.

Du kannst nun mal schaun, was man berechnen kann wieviel Energie zur Kamera davon reflektiert wird, wemutlich kommt bei der Kamera dann nur was im niedrigen pJoule bereich an, was sich auf die komplette Länge des Sensors verteilt.

Z.B. 10pJ auf 1000 Pixel verteilt bekommst du ca. 22000 Photonen bei 445nm pro Pixel, das sollte wohl reichen um was zu belichten.


Wenn du aber auf Klasse 2M Laser reduzieren musst kommst du schnell in den Bereich von ein paar Photonen pro Pixel, das wird definitiv nichts ist im Gegensatz zum Rauschen.

[JETS]

@ jungle

eine Linie mit 5 mW bei 60° Öffnungswinkel sollte hell genug für die Kamera sein.

Du musst einfach nur mehrere Dioden mit Linienoptiken verwenden.
Da jede für sich "sicher" ist und diese sich nirgends bündeln ist eine
Anordnung aus mehreren paralellen oder kreuzförmigen Linien ebenso sicher.

Du musst Dir nur den geeigneten Halter basteln, dann klappt das mit laserlinien.
Würde aber immernoch Diamuster oder modifizierte Digitalprojektion empfehlen.

[Dr. Burne]

Irgendwie hatte ich oben nen Aussetzer, 15x15 Linien Grid sind 30 seperate Linien nicht 15 mal 15 Linien

irgendwas mit 5-15mW pro Linie sollte reichen für 2000fps

Wenn er die Box, wo Kamera und Laser drin sind komplett blickdicht kapselt hat er auch Laser Klasse 1, nur muss dan eine Wartungsklappe mit entsprechendem Sicherheitskontakt versehen werden

nur dann 30 Module mit feinsinstellbarer Mechanik wird schon ziemlich aufwändig

[JETS]

In den Schulen ist das mit der Sicherheit so ne Sache, das muss auch beim Aufbau sicher sein
und nicht erst wenn es ringsum dicht eingepackt ist...

[Jungle]

Hi,

und ich besitze nicht unbedingt soviel Platz zu einbauen:-D

Laser hat sich nun eh zu 98% erledigt.
Nach meiner Berechnung brauch ich nun bei 50% diffuser Reflektion, für 30 Lininen a 150mm x 1mm, bei einer Kamerablende von 4 mindestens 150mW bei 635nm. Und selbst hier ist dann nicht wirklich sicher ob auch genaug für die Bildverarbeitung ankommt. Von Grün oder Blau will ich ich erst gan nicht anfangen.
Entspricht also genau der Aussage von Dr. Burne

Und leider ist mir aufgefallen, das es für Laser anscheinend gar keine Scheimpflugadapter gibt.
Somit muss ich auf LED Projektoren zurückgreifen.

Grüße

[Hatschi]

Halli Hallo

Scheimpflug bei Laser?

Oder meinst du damit eine verzerrungsfreie Projektion?

Hatschi

[Jungle]

Genau, das bei einer schrägen Ausrichtung des Lasers inkl. DOE das Gitter Verzerrungsfrei auf der Oberfläche abgebildet wird.
Bis jetzt nur bei LED Projektoren gefunden.

Grüße

[JETS]

Deswegen hatte ich dir vorgeschlagen mehrere einzellinien aus sicheren 5mw Dioden und Linien Optik mittels geeignetem Haltern eben einander zu setzen, dann kannst Du die Abstände perfekt variieren. Auf die gleiche weise bekommst auch ein Gitter und die Lichtleistung der Linien reicht locker für ne Kamera aus. Außerdem hast eine flackerfrei dauerbeleuchtung bei laser.
Zunächst könntest du nur ein paar Linien zum günstig testen nehmen und kannst dann die Auflösung durch nachkaufen erhöhen.

Bei Projektoren musst du auf das flackern achten, LCD led Projektoren wiederholen das Bild, somit flackert das auf der Kamera.
Dlp ohne farbrad bringt hier mehr.

[Jungle]

Für mehrere Laserdioden reicht der Platz nicht aus.

Mit LED Projekoren meinte ich diese schönen Dinger. (falls Verlinkung nicht gewünscht bitte schreiben)
http://www.opto-telecentric.com/products/LTPRSMHP3W-R

Grüße

[JETS]

Nur verzerren die halt. Wenn du vorher schon weißt dass das nicht funktioniert mit schräg auftreffenden Gittern brauchst du eine andere Lösung die funktioniert

[Jungle]

Für diese Projektoren, evtl. nicht genau der den ich gepostet habe, gibt es die Scheimpflugadaper.

Im anderen Fall muss eben der Laser / Projektor direkt senkrecht aufgestellt werden. Allerdings muss ich mir dann überlegen wie ich die Dinger schütze. Sonst trifft ein 0,5kg schweres Geschoss mit 25m/s auf das Teil.

Grüße

[VDX]

... warum malst du die Linien nicht einfach mit einem weißen Edding auf die Platte drauf?

Wenn du nur die Deformation über die Zeit benötigst, bekommst du das mit einer seitlich draufschauenden Kamera auch so mit

Viktor

[Jungle]

Weil das die langweiligen Lösungen sind

Man ist ja auch erstmal am suchen, was für Möglichkeiten einen offen stehen. Für die ersten Versuche wird das wohl in die Richtung mit dem Edding laufen

Grüße

[Hatschi]

Halli Hallo

Dir ist schon klar das das bei den Laser mit Scheimpflug nix wird. Ein laserspot(Linie) ist immer Scharf, egal welcher Abstand und ob gerade oder schräg!

Hatschi