Laserscanning
Der Begriff Laserabtastung oder englisch Laserscanning bezeichnet die Abtastung von Oberflächen oder Körpern mittels Lasertechnologie. Hierbei existieren verschiedene Vorgehensweisen und Anwendungsgebiete.
Verfahren und Anwendungsgebiete
Laseraltimetrie
Laseraltimetrie ist eine Methode der Geodäsie, bei der Objekte mit Hilfe von punktweisen Entfernungsmessungen erfasst werden. Es gibt terrestrisches Laserscanning, bei dem ein Messgerät z.B. vor einem Gebäude installiert und das Objekt damit punktweise abgetastet wird. Daneben gibt es das luftgestützte Laserscanning, bei dem die Sensoren in einem Flugzeug oder Hubschrauber installiert werden. Dieses Verfahren dient im allgemeinen zur Erfassung von Geländehöhen und Objekten auf dem Gelände und ersetzt zunehmend die klassische Photogrammetrie.
Bei der Ermittlung der Entfernung zum zu erfassenden Objekt können je nach verwendetem System zwei verschiedene Messverfahren zum Einsatz kommen. Dabei handelt sich entweder um das Impulsverfahren oder das Phasenverfahren. Bei der Messung nach dem Impulsverfahren wird ein kurzer Laser-Lichtimpuls ausgesendet und die vom Objekt reflektierte Strahlung am Sensor registriert. Die Zeit, welche bei der Ausbreitung des Signals durch die Atmosphäre verstreicht, ist ein Maß für die doppelte Entfernung zwischen der Sende- und Empfangseinheit.
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 luftgestützten 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 luftgestützten 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 30–50 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.
Ein Laserscanner, der neben der dreidimensionalen Position (Koordinaten) auch die Intensität des reflektierten Signals erfasst, wird abbildender Laserscanner genannt. Die Aufnahme der Intensitätswerte des von den aufgenommenen Oberflächen reflektierten Laserlichtes erfolgt bei heutigen Lasermessystemen in 16-bit-Graustufen. Im Ergebnis erhält man ein Abbild der Oberflächen ähnlich dem eines Schwarzweißfotos.
3D-Laserscanning
Beim 3D-Laserscanning werden die Konturen (Oberflächen) von Körpern (Menschen, Gegenstände) und Räumen mittels Impuls-, Phasenlaufzeit oder Lichtschnitttriangulation digital erfasst. Dabei entsteht eine diskrete Menge von dreidimensionalen Abtastpunkten, die als Punktwolke bezeichnet wird. Die Koordinaten der gemessenen Punkte werden aus den Winkeln und der Entfernung in Bezug zum Ursprung (Gerätestandort) ermittelt. 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) und z.B. in der 3D-Computergrafik zur Visualisierung verwendet. Das Scannen des menschlichen Körpers oder von Körperteilen ist auch unter dem Begriff Bodyscanning bekannt.
Der Einsatz des Laserscanning findet zunehmend in der Architekturvermessung mit Schwerpunkten in der Bauforschung und Denkmalpflege Anwendung. Insbesondere verformte und beschädigte Bauwerke mit räumlich komplizierten Strukturen können schnell und vollständig erfasst werden. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise der Rohrleitungs- und Anlagenbau, die Archäologie, der Denkmalschutz, Re-Engineering und Qualitätssicherung sowie der Tunnelbau und die Forensik.
Moderne Lasermessysteme erreichen eine Punktegenauigkeit von bis zu 1 mm am Objekt. Ein Laserscanner, dessen Entfernungsbestimmung nach dem Impuls- oder Phasenmessverfahren funktioniert, speichert zusätzlich die Intensität des reflektierten Laserlichtes ab. In Kombination mit einer Digitalkamera können die Punktwolken 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 deutlich über 100.000 3D-Messpunkten pro Sekunde. Dabei wird, im Gegensatz zum Impuls- oder Laufzeitmessverfahren, ein kontinuierlicher Laserstrahl ausgesandt. Die Intensität des ausgesandten Laserstrahls wird mit mehreren sinusförmigen Wellen unterschiedlicher Wellenlänge moduliert. Der Aufgrund des Abstandes eines erfassten Objektes vom Sensor entstehende zeitliche Versatz des empfangenen Signals gegenüber dem gesendeten Signal kann durch Berechnung der Phasendifferenz zur Bestimmung des Objektabstandes verwendet werden.
Konfokales Laserscanning
Ist ein spezielles dreidimensionales Laserscanning-Verfahren, das in der Mikroskopie (Laser-Scanning Mikroskope) und der Augenheilkunde (Laser-Scanning Ophthalmoskope) eingesetzt wird. Das Prinzip des konfokalen Laserscanninges 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
Bei der Abtastung von Oberflächen mit Lasern hängt es lediglich von der Leistung des Lasers ab, was dabei geschieht. So ist die Laserleistung in den oben genannten Bereichen so klein, dass die gescannte Oberfläche nicht verändert wird. Werden Laser mit größerer Leistung verwendet, so kann man mit diesen gravieren, trennen, schweißen und anderes mehr, der Vorgang selbst fällt aber immer noch unter den gleichen Begriff. Auch beim Rapid Prototyping kann ein Laserscanningverfahren zum Einsatz kommen, so beispielsweise, wenn ein Protoyp mittels Laserscanner im sog. Lasersinterverfahren erzeugt wird.
Der prinzipielle Aufbau eines Laserscanningsystems sieht dabei so aus, dass zum einen eine auf einem PC- oder eingebetteten System laufende Scannersoftware eine Scannerkarte anspricht. Diese wiederum steuert den Scankopf an, der aus zwei Spiegeln besteht, die den Laser ablenken, um so den gewünschten Bereich abzutasten. Was das Ergebnis eines Scanvorganges ist, wird dabei von der Scannersoftware gesteuert, die die angeschlossenen Komponenten anspricht und kontrolliert.
Des weiteren existieren Scanköpfe zum 3D-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 dann möglich, den auf einen bestimmten Punkt focussierten Laser auch in der dritten Dimension anzusteuern. Mögliche Anwendungsgebiete dafür sind das Rapid Prototyping oder In-Glass-Marking.
Barcodelesegerät
siehe Hauptartikel Barcodelesegerät#Laserscanner