Laser speckle-based sensor for in-plane displacement sensing

Abstract

Laser-Speckle-basierte In-Plane-Verschiebungssensoren bieten vielversprechende Eigenschaften, wie einen einfachen Aufbau, berührungslose Messungen und eine hohe Auflösung. In der Vergangenheit waren sie jedoch in ihrem Messbereich begrenzt. Die Überwindung dieser Limitierung innerhalb der letzten 10 Jahre, hat zu einem erneuten Interesse an dem Messprinzip in verschiedenen Bereichen geführt, einschließlich Anwendungen in der Roboterfertigung und der Odometrie. Aufgrund steigender Anforderungen nach Präzision und höheren Messraten konzentriert sich diese Masterarbeit auf die Entwicklung eines hochgeschwindigkeits- und hochauflösenden Laser-Speckle-basierten In-Plane-Verschiebungssensors. Um eine kompakte Bauweise zu erreichen, verwendet der Sensor einen objektiven Laser-Specklebasierten Aufbau, der eine einfache Integration des Sensors in verschiedene Systeme ermöglicht. Speckle-Bilder werden mit einem Zeilensensor statt mit herkömmlichen 2D-Bildsensoren erfasst, was Vorteile wie höhere Bildraten und einen geringeren Rechenaufwand bietet. Geometrische Überlegungen werden angestellt, um die Empfindlichkeit für Verschiebungen in der Ebene in einem Freiheitsgrad zu maximieren und gleichzeitig den Einfluss durch die übrigen translatorischen Freiheitsgrade zu minimieren. Die Erfassung und Verarbeitung der Pixeldaten erfolgt über einen FPGA. Durch die Implementierung einer Pipeline-Programmarchitektur können mehrere Aufgaben parallel ausgeführt werden, wodurch die Messrate des Sensors optimiert wird. Zusätzlich werden Subpixel-Interpolationsalgorithmen eingesetzt, um die Auflösung des Sensors weiter zu verbessern. Experimentelle Ergebnisse zeigen eine Auflösung von 3.5 μm und eine Messrate von 24.72 kHz, bei nur geringer Zeitverzögerung von 72.35 μs. Diese Ergebnisse unterstreichen die Effektivität des entwickelten Sensorprototyps und sein Potenzial für Hochgeschwindigkeitsund hochauflösende in-plane Verschiebungsmessungen für zukünftige industrielle Anwendungen.

Laser speckle-based in-plane displacement sensors offer several desirable properties, such as a simple setup, contactless measurements, and high resolution. However, they have been limited in their measurement range in the past. Overcoming this limitation in recent research has led to renewed interest in the measurement principle in various fields, including applications in robotic manufacturing and vehicle odometry. Due to rising demands for precision and increasing measurement rates, this master’s thesis focuses on the development of a high speed and high resolution laser speckle-based in-plane displacement sensor. In order to achieve compactness, the sensor utilizes an objective laser speckle-based setup, facilitating easy sensor integration into various systems. Speckle images are captured using a line sensor rather than traditional 2D image sensors, offering advantages such as enhanced frame rates and reduced computational effort due to the processing of fewer pixels. Geometric considerations are conducted to maximize sensitivity for in-plane displacements in one degree of freedom, while minimizing crosstalk for the remaining translational degrees of freedom. Pixel data acquisition and processing are performed using a FPGA board, with the program based on a comprehensive timing analysis. Through the implementation of a pipelined program architecture, multiple tasks are executed in parallel, thus optimizing the measurement rate of the sensor. Additionally, subpixel interpolation methods are employed to enhance the sensor resolution. Experimental results demonstrate a resolution of 3.5 μm, a measurement rate of 24.72 kHz, and a low sensor latency of 72.35 μs. These findings highlight the effectiveness of the proposed sensor prototype and its potential for high speed and high resolution in-plane displacement measurements for future industrial applications.