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Peak Detector Minimum Detectable Z-Step Copyright © AQSENSE, S.L. Dr. Josep Forest Technical Director

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Page 1: Peak Detector - AQsense … · digital filtering and interpolation techniques to ensure that the detection of the ... Our peak detector uses a specialized FIR filter stage where the

Peak Detector

Minimum Detectable Z­Step

Copyright © AQSENSE, S.L.

Dr. Josep ForestTechnical Director

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Peak Detector

Minimum Detectable Defect

Table of Contents1.Introduction.........................................................................................................................42.Layout..................................................................................................................................43.Results................................................................................................................................84.Conclusions.........................................................................................................................9

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the prior written consent of AQSENSE, S.L.

Disclaimer

While   every   precaution   has   been   taken   in   the   preparation   of   this   manual,   AQSENSE,   S.L.   assumes   no 

responsibility   for  errors or omissions. AQSENSE, S.L.   reserves the  right   to change the specification of   the product 

described within this manual and the manual itself at any time without notice and without obligation of AQSENSE, S.L. to 

notify any person of such revisions or changes. 

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1. Introduction

3D Surface Inspection deals with the analysis of surface defects in 3D, like bumps, dents, scratches or rough edges.

Laser triangulation is a well­known, widely used 3D acquisition technology for many industrial   applications   in   industries   such   as   automotive,   aircraft,   space,   etc.   This technology   is   currently   in   use   for   3D   surface   inspection,   as   well   as   3D   metrology applications, among others.

Detection accuracy and resolution are two crucial concepts that must seriously be considered   when   choosing   the   3D   laser­triangulation­based   acquisition   system   for   a particular 3D surface inspection application.

The   AQSENSE   peak   detector   improves   the   laser   stripe   detection   accuracy compared with   the   traditional  weighted center  of  gravity  detectors  by  applying  special digital filtering and interpolation techniques to ensure that the detection of the maximum intensity point is performed at a maximum (theoretical) accuracy of 1/64th of a pixel.

This  document   describes   the   results   of   our   own  experiments   to   determine   the minimum detectable step in depth. That is, the minimal difference in Z that our laser stripe detection techniques are able to see.

2. Layout

The tests were done using the following hardware:

– MV­D1024E­3D01 Photonfocus camera (implementing the Peak Detector)

– Lenses 35 and 50 mm. Standard quality, unbranded

– Lasiris Stocker Yale 10mW 635 nm 501L 30º laser emitter

– Gage blocks (certified by Metrology & Quality Services Ltd)

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The test measurements were done using different camera­laser angles, i.e. 30, 60, 70, and 90 degrees (see figure 1). The distance between the camera and the gages was 475 mm giving a field of view of 130mm when using the f=35mm lenses and 90mm with the f=50mm lenses.

Figure 2 shows the set of gages used for the test. As can be seen, the surface is shiny­polished to the point that they could be used as mirrors. Even though this surface finish is not appropriate for laser triangulation, the optical system and the camera exposure time were adjusted to guarantee a minimal acceptable image quality of the laser stripe.

The standard, calibrated gages were put together next to each other, forming steps. The gages thicknesses were 1.000, 1.005, 1.010, 1.020, 1.050, 1.100, and 1.200 mm, and their manufacturing tolerances were in the order of 10­4 mm, as certified by  Metrology & Quality Services Ltd.

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Figure 1: Acquisition configuration at different angles

Figure 2: A picture of the set of gages

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A laser  line was projected onto the gages (see figure  5) and the detected profile was acquired. Figure 3 shows a picture of the laser line as projected onto the gage set at a 90 degree angle between camera and laser, together with a plot of the data. The average value of each step is clearly distinguished, even in the case of the left­most two gages, 

where the difference in height is 5m.

The average of multiple tests showed even better distinctions between the 1.000 and the 1.005mm gages (see figure 4).

When the steps were clearly distinguished in average, the height step between the "distinguishable" gages was taken as the minimal detectable defect size. It is worth noting that the detection of less specular (or reflective) surfaces will be even better than the best 

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Figure 3: Below: The laser line as projected onto the gages. Above: A plot of the profiles detection

Figure 4: A plot showing the difference between detections of 1 and 1.005 mm gages

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detection we could have with  this shiny surface (the noise  level will  decrease),  so the distinction between small steps in height will appear more clearly.

Our   peak   detector   uses   a   specialized   FIR   filter   stage   where   the   order   and coefficient  values can be  "customized"  such  that   lower  noise   levels  can be achieved, hence smaller height differences could be detected. However, laser speckle noise as well as   the  sensor  noise  are   the   factors   that   limit   the  detection  of  smaller  defects.   In  our opinion, even if the sensor noise level (black current, thermal, etc...) is significantly lower and the sensitivity is increased, without a speckle­free or reduced speckle light source or a special optical arrangement it is not feasible to detect variations in height smaller than 4 to 2m with this field of view. In any case, we have not been able to perform smaller defect detection tests with the equipment available in our facilities.

3. Results

According to the previously mentioned method and criteria, a number of tests were undertaken using different camera­laser angles, by scanning profiles from the gage set (see figure 6). These tests resulted in the tabular data shown in tables 1 and 2, where the minimal “detectable” step in height is reported for every different angle between camera and laser, in an arrangement similar to that shown in figure 1.

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Figure 5: Projection of the laser emitter onto the gage set.

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Angle camera­laser Step Size ( m)μ

30 50

62 20

70 10

90 5

Table 1: Minimum detectable height step using f=35mm lens

Angle camera­laser Step Size ( m)μ

30 20

62 10

70 10

90 5

Table 2: Minimum detectable height step using f=50mm lens

Note that the minimal defect has remained at 5 microns for a 90 degrees angle between camera and laser, although the field of view has decreased from 130 to 90 mm with   the  use  of   f=35mm   or   f=50mm   lenses,   respectively,   the  different   noise   sources including laser speckle and image sensor noise being the limiting factors that prevent the system from “seeing” smaller height steps with normal laser and optical components.

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Figure 6: 3D Reconstruction of the gages (1mm, 1.02mm, 1.04mm, 1.06mm, 1.08mm, 1.10mm)

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4. Conclusions

The   AQSENSE   peak   detector   performance   has   been   checked   using   standard, certified, calibrated gages, providing a clear portrait of what's the minimal z­step that can be sensed with a particular camera, for different fields of view and for different camera­laser angles.

Although the gage surfaces are difficult ones because they are highly specular to the point that they look like mirrors, very small height variations (down to 5 microns) could be sensed. The fact that with this specular surface we achieved such good results, make us think that they are representative enough for a wide variety of surface types.

Only a particular implementation of the peak detector has been tested. However, since the peak detector can be “tuned” by recalculating the FIR filter coefficients, even worse surface types (like skin, translucent, oily, etc...) can be detected more accurately, so special   versions   of   our   peak   detector   can   be   produced   for   specialized   scanning   of particular surface types.

Carrying out some action on the laser speckle noise as well as an increase in image sensor sensitivity,  or  even employing another  type of  light source with  the property of being sharply focussed, should increase the detection capability so that smaller steps in height could be sensed.

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