Laserscanning - Flächenscans
Laserscanning (auch Laserabtastung) bezeichnet das zeilen- oder rasterartige Überstreichen von Oberflächen oder Körpern mit einem Laserstrahl, um diese zu vermessen, zu bearbeiten oder um ein Bild zu erzeugen. Sensoren, die den Laserstrahl entsprechend ablenken, heissen Laserscanner. Ein Laserscanner, der neben der Objektgeometrie zusätzlich die Intensität des reflektierten Signals erfasst, wird abbildender Laserscanner genannt. Die Aufnahme der Intensitätswerte des von den aufgenommenen Oberflächen reflektierten Laserlichtes erfolgt bei heutigen Lasermesssystemen in 16-bit-Graustufen. Im Ergebnis erhält man ein Abbild der Oberflächen ähnlich dem eines Schwarzweissfotos.
Inhaltsverzeichnis
Der Laserscanner
Ein Laserscanner besteht aus einem Scankopf und einer Treiber- und Ansteuerelektronik. Die Elektronik besteht aus einem leistungselektronischen Teil, der die Ströme für die Antriebe liefert, und aus einer z. B. auf einem PC oder eingebetteten System laufenden Scannersoftware, die die Treiberelektronik anspricht.
Bei Messanwendungen wird das Ergebnis des Scanvorganges von Sensoren über den gleichen oder einen getrennten optischen Weg empfangen und üblicherweise von der gleichen Scannersoftware erfasst, die auch die anderen Komponenten anspricht und kontrolliert.
Scankopf
Im Scankopf wird der Laserstrahl abgelenkt, dessen Ablenkungswinkel gemessen und (meistens) elektronisch geregelt wird.
Spiegelscanner
Die einfachste Methode, um eine Scanbewegung zu erzeugen, ist die Veränderung der Orientierung eines Spiegels, an dem der Laserstrahl reflektiert wird. In einer räumlichen Dimension kann das durch einen Galvanometerantrieb (kurz: Galvo), durch einen sich kontinuierlich drehenden Spiegel, oder durch ein sich kontinuierlich drehendes Spiegelprisma (Polygonspiegel) erfolgen, je nachdem, ob eine frei programmierbare Bewegung (Vektorsteuerung) oder eine periodische Bewegung (Zeile, Bild) gewünscht ist. Man unterscheidet daher üblicherweise Vektorscanner und Rasterscanner.
Zur zweidimensionalen Ablenkung muss entweder ein Spiegel in zwei Richtungen ausgelenkt werden – wie vor allem bei langsamen Systemen eingesetzt – oder es werden zwei orthogonal drehbare stehende Spiegel nahe beieinander aufgestellt, über die der Laserstrahl reflektiert wird. Die beiden Plan- bzw. Polygonspiegel werden dann von je einem Galvanometerantrieb oder Elektromotor angetrieben. Zweidimensionale Scanköpfe für Hochleistungslaser spielen in der Materialbearbeitung eine wesentliche Rolle. Zweidimensionale Scanköpfe für Laser niedriger Leistung sind wesentliche Bestandteile von Konfokalmikroskopen.
Für einfache Showzwecke werden oft Planspiegel leicht verkippt auf einer Motorwelle montiert, sodass sich mit dem Lichtpunkt Lissajous-Figuren und Kardioiden erzeugen lassen.
Es gibt auch Laserscanner, bei denen eine zusätzliche Feder und entsprechende Ansteuerung für eine resonante Drehschwingung sorgen. Solche resonanten Laserscanner findet man, sowohl in eindimensionaler als auch in zweidimensionaler Ausführung, in Barcodelesegeräten sowie in Spezialanwendungen in der Drucktechnik oder Raumfahrt.
Des Weiteren existieren Scanköpfe zum dreidimensionalen Lasermarkieren, die neben den zwei Spiegeln für X- und Y-Achse noch eine verstellbare Optik für die Tiefe, also die Z-Achse besitzen. Damit ist es möglich, den Laser auch in der dritten Dimension anzusteuern. Der Laserfokus kann dann in allen drei Raumdimensionen frei positioniert werden.
Viele Lasercanner erlauben zusätzlich die Veränderung der Laserintensität.
Bei Laserprojektoren werden drei Laserstrahlen mit den drei Grundfarben rot, grün und blau in einem gemeinsamen Strahlengang über die zwei Ablenkspiegel geführt.
Mikrospiegelfelder werden in modernen Videoprojektoren eingesetzt und arbeiten prinzipiell wie viele einzelne kleine Laserscanner.
Prismenscanner
Mittels zwei axial drehbaren Prismen, sogenannten Risley-prismen, können ebenfalls Laserstrahlen zwei-dimensional abgelenkt werden. Prismenscanner werden derzeit nur für wenige spezielle Anwendungen im militärischen Bereich eingesetzt.
Andere Technologien
Es gibt noch einige weitere Effekte, die das kontrollierte Ablenken eines Laserstrahls ermöglichen. Wichtige Beispiele sind akustooptische Deflektoren und elektrooptische Deflektoren. Diese Scanmethoden erreichen derzeit die höchsten Ablenkgeschwindigkeiten, sind aber auch deutlich teurer als Spiegel- oder Prismenscanner, und ermöglichen nur sehr viel kleinere Scanwinkelbereiche.
Unterscheidungen & Anwendungsgebiete
Airborne Laserscanning
Airborne Laserscanning, kurz ALS, respektive die Laseraltimetrie ist eine Methode der Geodäsie, bei der eine Topografie mit Hilfe von punktweisen Entfernungsmessungen erfasst wird. Dieses Verfahren dient im Allgemeinen zur Erfassung von Geländehöhen und Objekten auf dem Gelände und ersetzt zunehmend die klassische Photogrammetrie. Die Sensorik operiert von Flugzeugen oder Hubschraubern aus.
Bei der Entfernungsermittlung zum zu erfassenden Objekt können unterschiedliche Messprinzipen zum Einsatz kommen. Bei der Messung unter Ausnutzung der Lichtlaufzeit werden einzelne, kurze Laserpulse ausgesandt und die vom Objekt reflektierte Strahlung mit Sensor registriert. Die Zeit, die zwischen ausgesandten und empfangenen Pulsen liegt, ist ein Mass für die Entfernung zwischen der Sende- und Empfangseinheit. Alternativ kann eine Pulsfolge mit fester Frequenz ausgesandt und ihre Reflexion am zu vermessenden Objekt detektiert werden. Die Phasendifferenz zwischen ausgesandter und empfangener Pulsfolge ist ebenfalls ein Mass für die Entfernung.
Für eine korrekte Georeferenzierung der Entfernungsmessung ist es erforderlich, dass Position und Orientierung des Sensors im Raum zum Zeitpunkt der Messung bekannt sind. Im Falle des Luft gestützten Laserscanning wird dazu eine Kombination aus mindestens einem GPS-Empfänger und inertialem Navigationssystem (INS) verwendet. Hierbei ist es wichtig, dass die verschiedenen Messwerte der unterschiedlichen Sensoren synchron ermittelt oder über geeignete Verfahren zumindest synchronisiert werden können. Beim Luft gestützten Laserscanning lassen sich gemäss Herstellerangaben bzw. Dienstleistungsunternehmen unter günstigen Bedingungen (vegetationslose Flächen, schwache bis mittlere Geländeneigung) Genauigkeiten in der Höhe von 5–15 cm und in der Lage von 30 bis 50 cm erreichen. Mittels geeigneter Verfahren lassen sich dann aus den Daten der Entfernungsmessung und der Komponente GPS/INS dreidimensionale kartesische Koordinaten der gemessenen Punkte ableiten.
Terrestrisches Laserscanning
Beim Terrestrischen Laserscanning, kurz TLS, wird die Oberflächengeometrie von Gegenständen mittels Pulslaufzeit, Phasendifferenz im Vergleich zu einer Referenz oder durch Triangulation von Laserstrahlen digital erfasst. Dabei entsteht eine diskrete Menge von Abtastpunkten, die als Punktwolke bezeichnet wird. Die Koordinaten der gemessenen Punkte werden aus den Winkeln und der Entfernung in Bezug zum Ursprung (Gerätestandort) ermittelt.
Im Gegensatz zur luftgestützten Anwendung kann bei TLS von statischen Aufnahmesituationen ausgegangen werden. Mit fortschreitender Technik werden TLS-Systeme aber auch zunehmend auf mobilen Plattformen (Kfz, Schiff, Zug) installiert um grossräumige linienhafte Strukturen, wie Lichtraumprofile einer Eisenbahntrasse, zu erfassen. In diesem Falle spricht man zunehmend von kinematischen terrestrischen Laserscanning (k-TLS) bis hin zu Mobile Mapping-Systemen, wie sie beispielsweise für die Datenerfassung bei Google Street View zum Einsatz kommen.
Eine weitere Untergliederung ermöglicht die dimensionale Betrachtungsweise für 2D- und 3D-Anwendungen.
Beim 2D-Laserscanning wird die Kontur von Gegenständen auf einer Ebene digital erfasst. In Sicherheitssystemen wird 2D-Laserscanning als berührungslos wirkende Schutzeinrichtung benutzt um zu erkennen, ob Personen oder Gegenstände definierte (Gefahren-)Bereiche überschreiten um dann entsprechende Massnahmen einleiten zu können (z. B. Abschaltung von Maschinen). Vorteile gegenüber dem Lichtvorhang sind vor allem die Programmierbarkeit des abzusichernden Schutzfeldes und die Absicherung eines grossen Bereiches von einem einzelnen relativ kleinen Gerät aus. Nachteilig ist die gegenüber Lichtvorhängen derzeit geringere rechnerische Auflösung, die einen grösseren Sicherheitsabstand zur Gefahrenstelle bedingt. 2D-Laserscanner werden auch eingesetzt um Objekte automatisch zu erkennen, so zum Beispiel auf den Lkw-Maut-Kontrollbrücken auf deutschen Autobahnen. Weitere Anwendungsgebiete sind die Erstellung von Karten in der Robotik sowie die Erkennung von Hindernissen bei autonomen mobilen Robotern.
Das 3D-Laserscanning liefert als Ergebnis dreidimensionale Punktwolken und somit ein vollständiges Abbild der Messszene. Anhand der Punktwolke werden entweder Einzelmasse wie z. B. Längen und Winkel bestimmt oder es wird aus ihr eine geschlossene Oberfläche aus Dreiecken konstruiert (Vermaschung oder Meshing) und z. B. in der 3D-Computergrafik zur Visualisierung verwendet[1].
Der Einsatz des terrestrischen 3D-Laserscanning umfasst zahlreiche Gebiete der Bestandsaufnahme und beginnt in der Architekturvermessung mit Schwerpunkten in der Bauforschung und Denkmalpflege. Verformte und beschädigte Bauwerke mit räumlich komplizierten Strukturen können im Groben schnell erfasst werden. Je komplexer die Gebäudestruktur jedoch ist, umso mehr Verschattungen weisen die einzelnen Scans auf und sind somit unvollständig, was nur durch weitere Messstandpunkte zu beheben ist. Bei möblierten Gebäuden (dies ist der Standardfall in der Denkmalpflege) sind die Scanergebnisse nur bedingt auswertbar. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise der Rohrleitungs- und Anlagenbau, die Archäologie, der Denkmalschutz, Reverse-Engineering und Qualitätssicherung sowie der Tunnelbau, die Forensik und Unfallforschung.
Moderne Lasermesssysteme erreichen eine Punktgenauigkeit von bis zu 1 mm. Ein Laserscanner, dessen Entfernungsbestimmung nach dem Impuls- oder Phasenmessverfahren funktioniert, speichert zusätzlich den Reflexionsgrad des Laserlichtes ab. In Kombination mit einer (u. U. externen) Digitalkamera können die Punktwolken zudem mit photorealistischen Texturen versehen werden. Im Bereich der Laserscanner, die nach dem Phasendifferenzverfahren (Phasenmessverfahren) arbeiten, wurden in den letzten Jahren enorme Fortschritte insbesondere in Hinblick auf die Abtastrate erzielt. So erreichen aktuelle Geräte Messgeschwindigkeiten von über 1 Mio. 3D-Messpunkten pro Sekunde (1 MHz). Dabei wird, im Gegensatz zum Impulslaufzeitverfahren, ein kontinuierlicher Laserstrahl ausgesandt. Die Amplitude des ausgesandten Laserstrahls wird mit mehreren sinusförmigen Wellen unterschiedlicher Wellenlänge moduliert. Der entstehende zeitliche Abstand des empfangenen Signals gegenüber dem gesendeten Signal ist eine Folge der Entfernung zum Objekt. Bei gleichzeitiger Betrachtung der Phasenlage des gesendeten und des empfangenen Signals ergibt sich eine Phasendifferenz, die die Bestimmung des Objektabstandes erlaubt.
Konfokales Laserscanning
Konfokales Laserscanning ist ein spezielles dreidimensionales Laserscanning-Verfahren, das in der Mikroskopie (siehe Laser-Scanning-Mikroskop) und Augenspiegelung) eingesetzt wird. Das Prinzip des konfokalen Laserscannings beruht darauf, dass ein fokussierter Laserstrahl über eine Probe gescannt wird (in der Mikroskopie wird manchmal stattdessen das Objekt selbst bewegt) und das zurückfallende Licht hinter einer kleinen Punktblende detektiert wird. Durch die Anordnung der Blende wird nur Licht aus der Brennebene detektiert und man erhält ein Schnittbild nur aus dieser Ebene. Wie dick diese Ebene ist, hängt von der Schärfentiefe des verwendeten Mikroskops ab. Ändert man zwischen einzelnen Aufnahmen die Fokussierung, so kann man einen ganzen Bildstapel aufnehmen und erhält so einen 3D-Datensatz (siehe auch Konfokalmikroskop).
Materialbearbeitung und Fertigung
Ist die Laserleistung ausreichend gross, kann die gescannte Oberfläche bearbeitet werden. Laserscanner werden insbesondere zum Gravieren, Schweissen und Härten eingesetzt. Auch beim Rapid Prototyping können Laserscanningverfahren zum Einsatz kommen, zum Beispiel, um einen Prototyp mit dem sog. Lasersinterverfahren aus lokal durch Lasererwärmung gesinterten Pulverschichten aufzubauen. Stereolithografiemaschinen nutzen Laserscanner um flüssigen Kunststoff selektiv zu härten und dadurch dreidimensionale Kunststoffteile aufzubauen. Auch Laserbeschrifter und Maschinen zur Bearbeitung von Augenlinsen – zur Korrektur von Fehlsichtigkeit – setzen Laserscanner ein. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Glasinnengravur.
Barcodeleser
Viele Barecodeleser setzen Laserscanner ein. Mehr hierzu unter Barcodeleser.
Einzelnachweise
- C. Teutsch, Model-based Analysis and Evaluation of Point Sets from Optical 3D Laser Scanners, volume 1 of Magdeburger Schriften zur Visualisierung. Shaker Verlag, 2007. ISBN 978-3-8322-6775-9