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.
mini|hochkant=1.8|Reflexionsbild des 3D-Scans einer Flugzeughalle (Panorama)
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.
Scanmechanismen Das Abtasten einer 3D-Oberfläche mit einem Laserstrahl erfordert unterschiedliche Scanmechanismen, um den Laser über die Oberfläche zu bewegen. Dabei werden folgende Grundscanmodi unterschieden:
Der Scanvorgang wird durch zwei orthogonal angebrachte Spiegel durchgeführt, was typisch für terrestrische Scanner mit einem eingeschränkten Sichtfeld ist. Der Laserstrahl scannt in eine Richtung mit dem Scanspiegel, und dieser rotiert mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung. Das ist typisch für terrestrische Scanner mit einem panorama- oder hemisphärischen Sichtfeld. Der Laserstrahl scannt in eine Richtung und ist in einem Flugzeug angebracht. In diesem Fall ist eine zweite Scanrichtung durch die Bewegung des Flugzeugs gegeben, und es wird ein aus GPS und IMS kombiniertes System genutzt, um die Position und die Orientierung zu messen. Im Fall eines Triangulationsscanners wird eine Linie anstatt eines einzelnen Punktes projiziert. In diesem Fall ist der Scan auf eine Richtung beschränkt. Projektionen von mehreren Linien oder Streifenmustern erlauben es, ganze Felder aufzunehmen. Klassisches Scannen kann durch die Flash-Lidar-Technik vermieden werden. Genauer gesagt, durch die Fortschritte in der CMOS-Technologie. Diese Systeme basieren auf einem Flutlichtgerät, das Licht auf eine zu untersuchende Fläche projiziert und eine zweidimensionale Erfassung der TOF-Daten ermöglicht.
Spiegelscanner mini|hochkant=1.2|Laser-Scan-Modul mit 2 Galvanometern der Scanlab GmbH: Der rote Pfeil zeigt den Weg des Laserstrahls an.
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.
Zudem 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 Laserscanner 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.
Arten von Spiegelscannern Schwenkspiegel Viele kommerzielle Airborne-Laserscanning-Systeme nutzen die Technik des oszillierenden bzw. schwenkbaren Spiegels, in der der Laserstrahl durch diesen Schwenkspiegel gesteuert wird. Dabei werden Punktdaten in beide Richtungen des Scans erzeugt. Daraus resultiert ein Zick-Zack-Abtastmuster auf dem Grund. Der Punktabstand der Laserpunkte innerhalb der Scanlinie variiert dabei, weil der Spiegel ständig beschleunigt und verlangsamt wird. Dabei finden sich die größten Punktabstände in der Mitte der Scanlinie und die kleinsten Punkteabstände am Ende, da sich dort die Spiegelrichtung wieder ändert. Einer der Vorteile diese Scanner ist, dass der Abtastwinkel variabel ist (zwischen 0° und 75°) und dass auch die Abtastgeschwindigkeit variabel ist (von 0 bis 100 Hz). Scanwinkel, Abtastgeschwindigkeit, Flughöhe und Laserimpulsfrequenz bestimmen den maximalen Punktabstand. Dadurch kann der Scanner so gesteuert werden, dass er einen bevorzugten Abstand der Laserpunkte auf dem Grund beibehalten kann. Im Allgemeinen arbeiten solche Systeme von 100 m bis 6000 m über Grund. Auf Grund ihrer Flexibilität, können Airborne-Laserscanner mit einem Schwenkspiegel gut für unterschiedliche Einsatzanforderungen konfiguriert werden.
Rotierender Polygonspiegel In Rotationsspiegelsystemen wird ein rotierender Polygonspiegel zu Strahlenablenkung verwendet. Die Datenpunkte werden nur in einer Scanrichtung erzeugt. Die Scanlinien verlaufen parallel und, im Vergleich zum oszillierenden Spiegelsystem, zeigt sich hier ein gleichmäßig verteiltes Punktmuster auf dem Grund. Die Systeme mit rotierendem Polygonspiegel haben einen Scanwinkel zwischen etwa 30° und 60°.
Palmer-Scanner Die Spiegelvorrichtung, die den Laserstrahl ablenkt, ist so konstruiert, dass die Spiegelfläche und die Rotationsachse einen Winkel bilden, der ungleich 90° ist. Diese Scansysteme werde vorwiegend in terrestrischen Laserscannern verwendet. Im Falle von Airbournesystemen ergibt sich hier ein elliptisches Scanmuster auf dem Grund.
Glasfaserscanner Im Fall des Glasfaserscanners werden einzelne Laserimpulse vom Spiegel in anschließende benachbarte Glasfasern geleitet. Ein Vorteil dieses Scanmechanismus ist, dass er äußerst stabil ist, weil die Glasfasern während der Herstellung verklebt werden. Auch der Abtastwinkel wird bereits bei der Herstellung endgültig festgelegt. So eine typische Konstruktion hat 128 Glasfasern und einen Winkel von 14°. Diese Konfiguration erzeugt auf der Oberfläche einen unterschiedlichen Punktabstand.
Prismenscanner Mittels zwei axial drehbarer Prismen, sogenannten Risley-Prismen, können ebenfalls Laserstrahlen zweidimensional 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.
Flash-LiDAR ist eine Erweiterung zum sequentiellen Scanning mit entweder einer Ansammlung von LEDs oder Laserdioden. Die Demodulation des zurückkehrenden Lichtes wird mit einer externen elektro-optischen Vorrichtung geregelt. Dies kann durch gesteuerte Mikrokanalplatten oder durch speziell designte CMOS-Chips geschehen. Im Gegensatz zu anderen Scannern wird hier sofort ein komplettes 3D-Bild erzeugt. Der Nachteil der Flash-LiDAR-Systeme im Vergleich zu anderen Scansystemen ist, dass Flash-LiDAR-Systeme nur über eine sehr begrenzte räumliche Auflösung und Reichweite verfügen, was mit der Ausbreitung der Impulsenergie über ein größeres Sichtfeld zusammenhängt.
Komponenten/Voraussetzungen für Laserscanning Lichtquellen In der 3D-Bildgebung werden zwei Arten von Lichtquellen verwendet: inkohärente Lichtquellen (Glühlampen, lumineszierendes- oder Sonnenlicht) und Laser (Gas, Festkörper oder Halbleiter), wobei das Licht, das durch den Laser erzeugt wird, monochromatischer, gerichteter, heller und räumlich zusammenhängender ist als das anderer Lichtquellen. Diese räumliche Kohärenz ermöglicht es dem Laser, konzentriert zu bleiben, wenn er auf eine Fläche projiziert wird. Diese hohe räumliche Kohärenz hat aber leider zur Folge, dass sogenannte Speckle erzeugt werden, wenn eine raue Oberfläche mit dieser Laserquelle beleuchtet wird. Kompakte Laser für 3D-Messsysteme sind zurzeit für eine Vielzahl von unterschiedlichen Wellenlängen erhältlich.
Laserstrahlausbreitung Für das Verständnis vieler optischer Systeme und deren Einschränkungen ist es wichtig, die Manipulation und die Verwendung von Laserstrahlen mittels der Gauß-Strahlen zu verstehen. Diese sind eine Lösung der Maxwell-Gleichungen. Wegen der Beugung kann auch, in den besten laseremittierenden Bedingungen, die Kollimation mit dem Abstand nicht aufrechterhalten werden. Geometrische Optik kann zur Analyse von Laserscannern verwendet werden, aber auch der Gauß-Strahl muss mit einbezogen werden. Die räumliche Auflösung ist abhängig von der Strahlenqualität und seinen Eigenschaften. Auch mit einer hohen Abtastrate, die durch optische Scanmechanismen gegeben ist, ist die Auflösung durch die Beugung begrenzt.
Photodetektoren Jede Implementierung eines Laser-Scanners erfordert einen spezifischen Sensor, um das reflektierte Laserlicht zu sammeln. Traditionelle Fotosensoren für TOF-Systeme sind Pin-Photodioden, Avalanche-Photodioden und Photomultiplier. Die ersten beiden Sensoren sind Photovoltaikdetektoren. Die Avalanche-Photodioden und die Pin-Photodioden benutzen innere photoelektrische Effekte, während die Photomultiplier äußere photoelektrische Effekte verwenden. Fortschritte in CMOS-(Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Architektur und der Gerätetechnik haben neue Sensoren hervorgebracht, die Photodioden-Arrays darstellen, um das Signal auf Pro-Pixel-Basis zu verarbeiten. Dies sind die Basissensoren für Flash-LiDAR, wo in einem Bereich die Bilder simultan erfasst werden.
Ausbreitungsmedium und Oberflächeneffekte