Mit den Firmware-Versionen 1.11 und 1.12 entwickelt Heliotis die Gen4-Plattform für heliInspect und heliCam konsequent weiter. Neben zahlreichen Detailverbesserungen profitieren Anwender insbesondere von einer höheren Messgenauigkeit der heliInspect Weißlichtinterferometer, einem größeren vertikalen Messbereich, neuen Integrationsmöglichkeiten sowie zusätzlichen Funktionen für die heliCam Lock-in-Kameras.
Wie gewohnt stehen sämtliche Verbesserungen bestehenden Kunden über ein Firmware-Update zur Verfügung – ein Hardwareaustausch ist nicht erforderlich.
Höhere Messgenauigkeit durch optimierte Datenerfassung und Oberflächenrekonstruktion
Die Messgenauigkeit eines Weißlichtinterferometers wird nicht allein durch Optik und Mechanik bestimmt. Ebenso entscheidend ist, wie die Interferenzsignale während des Scans erfasst und anschließend ausgewertet werden. Mit Firmware 1.11 wurden deshalb zwei grundlegende Verbesserungen eingeführt, die genau an diesen Punkten ansetzen.
Encoder-basierte Referenzierung
Bereits in früheren Firmware-Versionen wurden die während eines Scans aufgenommenen Messframes mit der aktuellen Encoderposition der Scanachse verknüpft. Dadurch konnten Abweichungen von einer konstanten Scangeschwindigkeit bereits bei der Rekonstruktion weitgehend kompensiert werden.
Mit dem neuen Encoder-Based Reference Mode wird die Datenerfassung einen Schritt weitergeführt. Die Messframes werden nun nicht mehr mit einer festen Bildrate aufgenommen und anschließend einer Encoderposition zugeordnet. Stattdessen löst die Scanachse jede Aufnahme direkt bei einer definierten Encoderposition aus. Dadurch entstehen die Messframes bereits während der Aufnahme in äquidistanten Abständen von λ/8.
Neben einer nochmals verbesserten Positionszuordnung profitiert davon auch die Signalverarbeitung im heliSens-Bildsensor, da die Lock-in-Demodulation unter idealen Abtastbedingungen erfolgt. Zusammen mit der neuen CenterOfMassPhaseFusion bildet der Encoder-Based Reference Mode die Grundlage für die im nächsten Abschnitt gezeigte deutliche Verbesserung der Wiederholgenauigkeit.
CenterOfMassPhaseFusion als integrierter Extraktionsmodus
Mit Firmware 1.11 wurde die Oberflächenrekonstruktion um den neuen Extraktionsmodus CenterOfMassPhaseFusion erweitert. Der Algorithmus kombiniert die robuste und eindeutige Positionsinformation der Kohärenzhüllkurve mit der deutlich präziseren Phaseninformation. Dadurch vereint er die Vorteile beider Auswerteverfahren: einen großen eindeutigen Messbereich bei gleichzeitig höchster Messpräzision.
Während dieser Algorithmus bisher als separater Verarbeitungsschritt aus der heliAlgo Bibliothek aufgerufen werden musste, ist er nun direkt in die Standard-Auswertung der Gen4-Plattform integriert und steht als nativer Extraktionsmodus über die API zur Verfügung. Anwendungen profitieren dadurch ohne zusätzlichen Implementierungsaufwand von der verbesserten Rekonstruktion – unabhängig davon, ob sie über GenICam, HALCON, MATLAB, Python oder andere Softwareumgebungen auf die Kamera zugreifen.
Zusammen mit der encoderbasierten Referenzierung ermöglicht CenterOfMassPhaseFusion die im folgenden Abschnitt gezeigte deutliche Verbesserung der Wiederholgenauigkeit.
Verbesserte Wiederholgenauigkeit
Die Kombination aus encoderbasierter Referenzierung und dem neuen Rekonstruktionsmodus CenterOfMassPhaseFusion verbessert die Wiederholgenauigkeit insbesondere bei hochpräzisen Stufenhöhenmessungen deutlich. Während die bisherigen Verbesserungen bereits einzeln zu einer höheren Messqualität beitragen, erzielt ihre Kombination die besten Ergebnisse.
Die nachfolgende Vergleichsmessung zeigt die Standardabweichung wiederholter Stufenhöhenmessungen für verschiedene Datenerfassungs- und Rekonstruktionsverfahren. Abhängig von Messaufgabe und Konfiguration lässt sich die Wiederholgenauigkeit gegenüber der bisherigen Standardauswertung nochmals deutlich steigern.
Die angegebenen Werte beziehen sich auf die Wiederholgenauigkeit einzelner Bildsensorpixel relativ zu einer Referenzebene. Im Gegensatz zu vielen veröffentlichten Datenblättern erfolgt keine Mittelung über größere Flächen oder mehrere hundert Pixel, wodurch die Messergebnisse die tatsächliche Leistungsfähigkeit des Systems konservativ wiedergeben. Die Messungen wurden auf einem heliInspect H8 Ultra ohne aktive Schwingungsdämpfung durchgeführt.
| Step Height [µm] |
Target ± nm |
Time-Based Referenz | Encoder-Based Referenz | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Improved Center of Mass |
Center of Mass Phase Fusion |
Improved Center of Mass |
Center of Mass Phase Fusion |
||||||
| σ [nm] |
Hight [µm] |
σ [nm] |
Hight [µm] |
σ [nm] |
Height [µm] |
σ [nm] |
Höhe [µm] |
||
| 1.002 | 24 | 20 | 1.002 | 5 | 1.003 | 16 | 1.001 | 1 | 1.002 |
| 5.009 | 22 | 20 | 4.991 | 7 | 4.996 | 16 | 4.998 | 2 | 4.999 |
| 20.000 | 26 | 20 | 19.984 | 7 | 19.994 | 16 | 20.000 | 2.5 | 19.997 |
| 900.54 | 40 | 20 | 900.55 | 7 | 900.58 | 16 | 900.57 | 3.3 | 900.56 |
Größerer vertikaler Messbereich durch effizientere Speichernutzung
Die heliInspect-Systeme verwenden keinen herkömmlichen 2D-Bildsensor, sondern den von Heliotis entwickelten Lock-in-Bildsensor heliSens. Die Lock-in-Demodulation erfolgt bereits direkt im Pixel. Dadurch müssen nicht sämtliche Rohbilder übertragen und ausgewertet werden. Stattdessen entstehen bereits auf dem Sensor demodulierte Messdaten, wodurch Weißlichtmessungen typischerweise bis zu 100-mal schneller durchgeführt werden können als mit konventionellen Bildsensoren.
Jeder Pixel integriert das Interferenzsignal über mehrere Modulationszyklen und speichert die beiden demodulierten Signalanteile – den In-Phase- (I) und Quadraturanteil (Q). Diese beiden Werte bilden gemeinsam einen Messframe. Während eines vertikalen Scans entsteht so ein kompletter Messframe-Stapel, der die vollständige Information des aufgenommenen Interferogramms enthält.
Für die Oberflächenrekonstruktion muss dieser Messframe-Stapel vollständig auf der Kamera zwischengespeichert werden. Erst nach Abschluss des Scans bestimmt die Kamera aus den Messframes für jedes Pixel die Position des Interferenzmaximums und berechnet daraus die Oberflächenhöhe. Die verfügbare Speicherkapazität bestimmt daher unmittelbar die maximale Anzahl an Messframes und damit den vertikalen Messbereich des Systems.
Mit Firmware 1.12 wurde die Speicherverwaltung der Gen4-Plattform grundlegend überarbeitet. Durch eine effizientere Nutzung des verfügbaren Speichers kann die Kamera nun – abhängig vom Sensortyp – bis zu dreimal mehr Messframes pro Aufnahme verarbeiten. Der maximal nutzbare vertikale Messbereich vergrößert sich entsprechend, ohne dass Änderungen an der Hardware erforderlich sind.
Je nach Objektiv lassen sich dadurch Höhenbereiche von über einem Zentimeter in einem einzigen kontinuierlichen Scan erfassen. Für noch größere Messobjekte steht darüber hinaus die Segmented-Volume-Funktion zur Verfügung, welche mehrere vertikale Teilvolumina automatisch zu einem gemeinsamen 3D-Datensatz zusammenführt.
| Sensor Configuration | Maximum Number of Frames (Previous) |
Maximum Number of Frames (Firmware 1.12.0) |
|---|---|---|
| heliSens S4H Single Memory | 1348 | 2700 |
| heliSens S4H Dual Memory | 1348 | 4048 |
| heliSens S4M Single Memory | 338 | 674 |
| heliSens S4M Dual Memory | 338 | 1022 |
Browserbasierte Inbetriebnahme und Diagnose
Mit Firmware 1.12 steht mit heliViewer 4 erstmals eine browserbasierte Bedienoberfläche zur Verfügung. Der Zugriff erfolgt direkt über einen Webbrowser – eine zusätzliche Softwareinstallation auf dem Host-PC ist nicht erforderlich.
heliViewer 4 ermöglicht die Visualisierung von Topographien, Amplitudenbildern und Live-Daten sowie den direkten Zugriff auf sämtliche Kameraparameter. Ergänzt wird der Funktionsumfang durch integrierte Diagnosefunktionen und einen Setup-Assistenten, der den Anwender Schritt für Schritt durch die Erstinbetriebnahme führt.
Der browserbasierte Zugriff ergänzt die bestehenden GenICam-, SDK- und API-Schnittstellen. Dadurch kann praktisch jeder PC oder Laptop als Service- oder Engineering-Station genutzt werden, was insbesondere Inbetriebnahme, Wartung und Diagnose direkt an der Maschine erleichtert..
heliViewer4 embedded – Quick Start
Nahtlose Integration in industrielle Bildverarbeitungssysteme – jetzt auch für Cognex Vision Pro
Die Integration in bestehende Machine-Vision-Umgebungen ist seit vielen Jahren ein zentrales Entwicklungsziel der Heliotis Gen4-Plattform. Sämtliche Kamerafunktionen stehen standardkonform über GenICam zur Verfügung und lassen sich dadurch ohne zusätzlichen Entwicklungsaufwand in die meisten industriellen Bildverarbeitungsbibliotheken integrieren
Als Voting Member des GenICam-Konsortiums beteiligt sich Heliotis aktiv an der Weiterentwicklung des Industriestandards. Gemeinsam mit verschiedenen Softwareherstellern wurden in den vergangenen Jahren zahlreiche GenICam-Implementierungen weiterentwickelt und standardkonform vervollständigt. Heute unterstützen praktisch alle gängigen GenICam-kompatiblen Machine-Vision-Plattformen die Integration von heliInspect-Systemen..
Mit Firmware 1.12 wird dieses Software-Ökosystem um die Unterstützung von Cognex VisionPro erweitert. Da die GenICam-Schnittstelle von VisionPro die für heliInspect benötigten Funktionen derzeit nicht vollständig unterstützt, erfolgte die Integration über das „Appliction Integration Kit“ von Cognex. Damit steht heliInspect nun auch Anwendern von Cognex VisionPro ohne zusätzliche Middleware nativ zur Verfügung.
Neue Funktionen für die heliCam Lock-in-Kameras
Nicht nur die heliInspect Weißlichtinterferometer profitieren von den Firmware-Versionen 1.11 und 1.12. Auch die heliCam C4 und C4M wurden um neue Funktionen erweitert, welche Messabläufe beschleunigen, die Synchronisation komplexer Experimente vereinfachen und die Inbetriebnahme erleichtern.
On-Camera I/Q-Akkumulation
Viele Lock-in-Anwendungen basieren auf der Mittelung einer großen Anzahl von I/Q-Messungen. Mit Firmware 1.11 kann diese Akkumulation nun direkt auf der Kamera erfolgen. Anstatt alle einzelnen I/Q-Frames an den Host-PC zu übertragen, werden lediglich ein akkumuliertes I- und ein akkumuliertes Q-Bild übertragen.
Je nach Anwendung reduziert sich dadurch das zu übertragende Datenvolumen erheblich, wodurch sich die gesamte Messzeit deutlich verkürzen kann. Gleichzeitig lassen sich deutlichmehr Einzelmessungen zu einer Aufnahme zusammenfassen.
Neue Triggeroptionen für komplexe Messaufbauten
Ein neuer Trigger-Modus ermöglicht es, jeden einzelnen I/Q-Messframe einer Sequenz durch ein externes Triggersignal zu starten. Dadurch lässt sich die heliCam wesentlich einfacher mit externen Experimenten synchronisieren.
Ein typisches Beispiel ist die Synchronisation mit einem hochfrequenten Rechtecksignal. In Verbindung mit dem Quarter-Period-Triggering bleibt die Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Messungen exakt definiert und reproduzierbar.
Low-Level-Intensity-Modus
Mit Firmware 1.12 steht zusätzlich ein Low-Level-Intensity-Modus zur Verfügung. Dieser liefert ein Live-Intensitätsbild ähnlich einer konventionellen Kamera und erleichtert insbesondere die Inbetriebnahme optischer Aufbauten.
Der Modus eignet sich beispielsweise zum Fokussieren, Ausrichten optischer Komponenten oder zur Positionierung einer Probe. Ergänzend stehen Beispielprogramme für Python und MATLAB zur Verfügung, welche den Einstieg in die Kameraansteuerung und die Integration in eigene Messsoftware erleichtern.
Fazit
Die Firmware-Versionen 1.11 und 1.12 erweitern die Heliotis Gen4-Plattform um zahlreiche neue Funktionen und Leistungsverbesserungen. Von einer höheren Messgenauigkeit und einem größeren vertikalen Messbereich über die browserbasierte Inbetriebnahme und nahtlose Softwareintegration bis hin zu neuen Funktionen für die heliCam profitieren bestehende Systeme – ganz ohne Änderungen an der Hardware.
Bei Heliotis endet die Produktentwicklung nicht mit der Auslieferung eines Systems. Neue Firmware-Versionen erweitern die Plattform kontinuierlich um zusätzliche Funktionen und Leistungsverbesserungen und sorgen dafür, dass bestehende Installationen auch langfristig vom technologischen Fortschritt profitieren.
Für unsere Kunden bedeutet dies einen hohen Investitionsschutz: Ein wesentlicher Teil der Innovation entsteht heute durch Firmware- und Software-Updates und nicht durch den Austausch der Hardware. Dadurch verlängert sich der technologische Lebenszyklus der Gen4-Plattform und bestehende Systeme gewinnen kontinuierlich an Leistungsfähigkeit.
Heliotis AG