Laserscanning

Laserscanning basiert auf der LiDAR- Technologie und ist definiert als die kontrollierte Ablenkung von Laserstrahlen , sichtbar oder unsichtbar. ^{[ 1 ]} Gescannte Laserstrahlen werden in einigen 3D-Druckern , im Rapid Prototyping , in Maschinen zur Materialbearbeitung, in Lasergravurmaschinen , in ophthalmologischen Lasersystemen zur Behandlung von Presbyopie , in der Konfokalmikroskopie , in Laserdruckern , in Lasershows , im Laserfernsehen und in Barcodescannern eingesetzt . Anwendungen speziell für die Kartierung und die 3D-Objektrekonstruktion werden als 3D-Laserscanner bezeichnet .

Die meisten Laserscanner verwenden bewegliche Spiegel zur Steuerung des Laserstrahls. Diese Steuerung kann eindimensional erfolgen , wie in einem Laserdrucker, oder zweidimensional , wie in einem Lasershow-System. Die Spiegel können zudem periodische Bewegungen ausführen – wie der rotierende Polygonspiegel in einem Barcode-Scanner oder sogenannte Resonanzgalvanometer -Scanner – oder frei ansteuerbare Bewegungen, wie in servogesteuerten Galvanometer - Scannern. Zur Unterscheidung dieser beiden Verfahren werden auch die Begriffe Raster- und Vektorscanning verwendet . Zur Steuerung der Scanbewegung benötigen Scanner einen Drehgeber und eine Steuerelektronik, die für einen gewünschten Winkel oder eine gewünschte Phase den passenden Strom für den Motor (bei einem Polygonspiegel) oder das Galvanometer (auch Galvos genannt) liefert . Ein Softwaresystem steuert üblicherweise die Scanbewegung und, falls 3D-Scanning eingesetzt wird, auch die Erfassung der Messdaten.

Um einen Laserstrahl zweidimensional zu positionieren , kann man entweder einen Spiegel um zwei Achsen drehen – was hauptsächlich bei langsamen Scansystemen Anwendung findet – oder den Laserstrahl auf zwei eng beieinander liegende, orthogonal zueinander angeordnete Spiegel reflektieren. Jeder der beiden flachen oder polygonalen Spiegel wird dann von einem Galvanometer bzw. einem Elektromotor angetrieben. Zweidimensionale Systeme sind für die meisten Anwendungen in der Materialbearbeitung, der konfokalen Mikroskopie und der Medizin unerlässlich. Einige Anwendungen erfordern die Fokussierung eines Laserstrahls in drei Dimensionen . Dies wird durch ein servogesteuertes Linsensystem, üblicherweise als Fokusversteller oder Z-Versteller bezeichnet, erreicht. Viele Laserscanner ermöglichen zudem die Änderung der Laserintensität.

Bei Laserprojektoren für Laserfernsehen oder Laserdisplays werden die drei Grundfarben - Rot, Blau und Grün - in einem einzigen Strahl kombiniert und dann mit zwei Spiegeln zusammen reflektiert.

Die gängigste Methode zur Spiegelbewegung ist, wie bereits erwähnt, der Einsatz eines Elektromotors oder eines Galvanometers . Alternativ bieten sich piezoelektrische oder magnetostriktive Aktuatoren an. Sie ermöglichen höhere Winkelgeschwindigkeiten, jedoch oft auf Kosten kleinerer maximal erreichbarer Winkel. Darüber hinaus gibt es Mikroscanner , MEMS-Bauelemente mit einem kleinen (Millimeter-)Spiegel, dessen Neigung in einer oder zwei Dimensionen kontrolliert werden kann; diese werden in Picoprojektoren verwendet .

Werden zwei Risley-Prismen gegeneinander gedreht, lässt sich ein Lichtstrahl innerhalb eines Kegels beliebig abtasten. Solche Abtaster werden zur Verfolgung von Raketen eingesetzt.

Werden zwei optische Linsen gegeneinander bewegt oder gedreht, kann ein Laserstrahl ähnlich wie bei Spiegelscannern abgetastet werden.

Einige spezielle Laserscanner verwenden anstelle von beweglichen Spiegeln akustooptische oder elektrooptische Ablenker . Diese Mechanismen ermöglichen die bisher höchsten Abtastfrequenzen. Sie kommen beispielsweise in Laserfernsehsystemen zum Einsatz . Allerdings sind diese Systeme auch deutlich teurer als Spiegelabtastsysteme.

Es wird an der Abtastung von Laserstrahlen mittels Phased-Array-Antennen geforscht . Dieses Verfahren wird zur Abtastung von Radarstrahlen ohne bewegliche Teile eingesetzt . Mit Hilfe von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSELs) könnten in absehbarer Zeit schnelle Laserscanner realisiert werden.

Im Bereich des 3D-Objektscannings kombiniert Laserscanning (auch bekannt als Lidar ) die präzise Steuerung von Laserstrahlen mit einem Laser-Entfernungsmesser . Durch die Messung der Entfernung in alle Richtungen erfasst der Scanner schnell die Oberflächenform von Objekten, Gebäuden und Landschaften. Die Erstellung eines vollständigen 3D-Modells beinhaltet die Kombination mehrerer Oberflächenmodelle aus verschiedenen Blickwinkeln oder die Einbeziehung weiterer bekannter Randbedingungen. Kleine Objekte können, ähnlich wie bei der Photogrammetrie , auf einem Drehteller platziert werden . ^{[ 2 ]}

Das Scannen von 3D-Objekten optimiert den Designprozess , beschleunigt ihn, reduziert Datenerfassungsfehler und spart Zeit und Kosten. Dadurch stellt es eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Datenerfassungsmethoden dar. 3D-Scanning wird außerdem für mobile Kartierung , Vermessung , das Scannen von Gebäuden und Gebäudeinnenräumen [ 3 ^{] sowie} in ^der Archäologie eingesetzt .

Je nach Laserleistung variiert der Einfluss auf das Werkstück: Niedrigere Leistungsstufen werden für die Lasergravur und Laserablation eingesetzt , bei der das Material teilweise abgetragen wird. Bei höheren Leistungen wird das Material flüssig, und Laserschweißen ist möglich. Ist die Leistung hoch genug, um das Material vollständig zu entfernen, kann Laserschneiden durchgeführt werden. Moderne Laser können Stahlblöcke mit einer Dicke von 10 cm und mehr schneiden oder eine nur wenige Mikrometer dicke Hornhautschicht abtragen.

Die Fähigkeit von Lasern, flüssige Polymere zu härten, wird zusammen mit Laserscannern beim Rapid Prototyping genutzt ; die Fähigkeit, Polymere und Metalle zu schmelzen, wird zusammen mit Laserscannern genutzt, um Teile durch Lasersintern oder Laserschmelzen herzustellen .

Das Prinzip ist für alle diese Anwendungen dasselbe: Eine Software , die auf einem PC oder einem eingebetteten System läuft und den gesamten Prozess steuert, ist mit einer Scannerkarte verbunden. Diese Karte wandelt die empfangenen Vektordaten in Bewegungsinformationen um, die an den Scankopf gesendet werden. Der Scankopf besteht aus zwei Spiegeln, die den Laserstrahl in einer Ebene (X- und Y-Koordinate) ablenken können. Die dritte Dimension wird – falls erforderlich – durch eine spezielle Optik realisiert, die den Brennpunkt des Lasers in Tiefenrichtung (Z-Achse) verschieben kann.

Für spezielle Anwendungen wie das Laserritzen gekrümmter Oberflächen oder das Markieren von Glas, bei dem der Laser an bestimmten Stellen im Material wirken muss, ist das Scannen des Laserfokus in der dritten Raumdimension erforderlich. In diesen Fällen ist ein möglichst kleiner Fokuspunkt des Lasers wichtig.

Für optimierte Laserscanning-Anwendungen und/oder einen hohen Materialdurchsatz in der Produktion werden Scansysteme mit mehreren Scanköpfen eingesetzt. Die Software muss hierbei die einzelnen Arbeitsschritte innerhalb einer solchen Mehrkopf-Anwendung präzise steuern: Es ist möglich, dass alle verfügbaren Köpfe dasselbe Objekt markieren, um die Bearbeitung zu beschleunigen, oder dass die Köpfe einen einzelnen Auftrag parallel bearbeiten, wobei jeder Scankopf bei großen Arbeitsbereichen einen Teil der Aufgabe übernimmt.

Viele Barcode-Lesegeräte , insbesondere solche, die Barcodes aus mehreren Metern Entfernung lesen können, verwenden gescannte Laserstrahlen. In diesen Geräten wird ein Halbleiterlaserstrahl üblicherweise mithilfe eines Resonanzspiegelscanners abgetastet. Der Spiegel wird elektromagnetisch angesteuert und besteht aus einem metallbeschichteten Polymer.

Beim Andocken eines Raumtransporters an die Raumstation muss dieser präzise manövriert werden. Um seine relative Position zur Raumstation zu bestimmen, scannen Laserscanner an der Vorderseite des Transporters die Form der Raumstation und berechnen anschließend mithilfe eines Computers die Manöverbefehle. Für diese Anwendung werden Resonanzgalvanometer-Scanner eingesetzt.

Bei Laserlichtshows werden typischerweise zwei Galvanometerscanner in XY-Anordnung verwendet, um Muster oder Bilder auf Wände, Decken oder andere Oberflächen zu zeichnen, einschließlich Theaterrauch und Nebel für Unterhaltungs- oder Werbezwecke.