Laserdioden von Ushio für Entfernungs- und 3D-Form-Messung

Zunehmende Verbreitung

Die berührungslose Entfernungsmessung ist aus vielen Bereichen unseres Lebens nicht mehr wegzudenken. Unsere Smartphones messen die Entfernung zu einem Motiv, so dass wir beim Fotografieren nicht mehr manuell fokussieren müssen. Berührungslose Entfernungsmesser, wie man sie mittlerweile in fast jedem Baumarkt findet, ermöglichen jedem Heimwerker die genaue Vermessung von Wand- oder Bodenflächen. Geräte zur Messung größerer Entfernungen kommen im Bauwesen oder in der Landwirtschaft zum Einsatz.

Für die berührungslose Entfernungsmessung stehen verschiedene Werkzeuge zur Verfügung. Es gibt handtellergroße Höhenmessgeräte, die den Zeitraum zwischen der Emission und der Reflexion eines Schallimpulses messen. Früher nutzten Kameras den Winkelunterschied (Parallaxe) zwischen den Linien, die zwei voneinander entfernte Objektive mit dem Motiv verbinden, wohingegen heute die Messung von Entfernungen oder dreidimensionalen Formen mittels Laserlicht die gängigste Methode ist.

Wie funktioniert die Laserstrahlmessung?

Bei der Entfernungsmessung im Millimeter- (mm) bis Meterbereich (m) wird ein Laserstrahl auf das zu messende Objekt projiziert. Das Laserbild auf dem Objekt wird dann von einer Position abseits der optischen Achse des Lasers gemessen. Dieses Verfahren basiert auf dem gleichen Prinzip wie die Triangulation, die zum Zeichnen topografischer Karten verwendet wird. Ein Beispiel ist das optische Schneiden, bei dem eine Linie aus Laserlicht auf das Messobjekt projiziert wird. Die Verschiebung des Linienlaserbildes wird von einem Bildsensor erfasst und anschließend in 3D-Formdaten umgewandelt. Das gleiche Prinzip wird bei der Projektion von Zufallspunktmustern, die mit diffraktiven optischen Elementen (DOE) erzeugt werden, und der Erfassung ihrer Verschiebung angewandt, was z. B. von Smartphones zur Gesichtserkennung genutzt wird.

Um Entfernungen im Bereich von Metern bis Kilometern (km) zu messen, wird häufig ein Verfahren verwendet, das auf der Lichtlaufzeit (Time of Flight, ToF) basiert, also der Zeit, die das Licht braucht, um von einem Objekt reflektiert zu werden und wieder zurückzukehren. Die ToF-Messung wird unterschieden in die direkte ToF (dToF), bei der die Zeit zwischen der Aussendung und der Rückkehr des Laserstrahls gemessen wird, und die indirekte ToF (iToF), bei der die Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten und dem zurückgekehrten Licht erfasst wird. In beiden Fällen wird ein gepulster Hochleistungslaserstrahl verwendet, um das von einem weit entfernten Objekt zurückgeworfene Licht mit ausreichender Intensität zu erfassen. Darüber hinaus wird die ToF-Messung häufig beim automatisierten Fahren, im Bauwesen und beim Infrastrukturmanagement mittels Light Detection and Ranging (LIDAR) eingesetzt, wobei die Entfernung durch dreidimensionales Laserscanning gemessen wird.

Konfokale Optik und Interferometrie werden eingesetzt, um mikroskopische Abstände und 3D-Formen im Mikrometerbereich und kleiner zu messen. Die konfokale Mikroskopie findet breite Anwendung in der Industrie, aber auch bei der Vermessung der 3D-Form von Zellen, was sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug der heutigen Biowissenschaften macht.

Auswahl eines Lasers

Für diese Arten von Triangulations- und ToF-Messungen wird in der Regel ein transversaler Single-Mode-Laser verwendet, da der zu projizierende Punktdurchmesser (oder die Linienbreite) klein genug sein muss, um eine hohe räumliche Auflösung zu erhalten.

Bei der Auswahl der Wellenlänge sind viele Faktoren zu berücksichtigen. Obwohl die Emissionseffizienz von Laserdioden derzeit im Nahinfrarotbereich (700–1000 nm) am höchsten ist, zeigen viele Silizium (Si)-Sensoren (die am häufigsten verwendeten Photodetektoren) die höchste Empfindlichkeit im Bereich von 500–700 nm. In Anbetracht der Effizienz des Gesamtsystems werden daher auch häufig Laserdioden im roten Bereich (630–700 nm) eingesetzt. Rote Laserdioden werden insbesondere dann eingesetzt, wenn der auf das Messobjekt projizierte Punkt sichtbar sein soll (z. B. in Entfernungsmessern für den Heimwerkerbereich).

Welche Wellenlänge geeignet ist, richtet sich auch nach dem Material der Messobjekte. Für die Formvermessung von Objekten aus transparentem Kunststoff oder Glas kann eine blau-violette Laserdiode verwendet werden, da dieser Wellenlängenbereich von diesen Materialien besser reflektiert wird als rotes Licht. Bei Objekten mit Metallglanz kann ebenfalls blau-violettes Licht verwendet werden, da hier weniger störendes Streulicht anfällt als im roten Spektrum.

Die Auswahl der Laserdiodenleistung richtet sich grundsätzlich nach der Art der Messung. Für Messungen über große Entfernungen oder Messungen, die eine hohe Abtastgeschwindigkeit verlangen, ist eine hohe Leistung erforderlich. Aus Gründen der Lasersicherheit kann jedoch auch ein Laser mit geringer Leistung verwendet werden. Zudem muss der Laser möglicherweise gepulst werden. Dies ist insbesondere bei Lichtlaufzeitmessungen der Fall. Auch der hohe Wirkungsgrad und die hohe zulässige Betriebstemperatur von Laserdioden sind bei der Auswahl zu berücksichtigen.

Welche Laserdiode für welche Anwendung?

• Die Laserdioden HL65241DG, HL65242DG und HL65243DG mit einer Wellenlänge von 660 nm und einer optischen Ausgangsleistung von 110 mW (Dauerstrichbetrieb) bzw. 220 mW (Pulsbetrieb) wurden durch Optimierung der Kristallwachstumsbedingungen für den Hochtemperaturbetrieb (max. 90 °C) entwickelt. Diese Produkte sind ideal für Geräte, die bei hohen Temperaturen betrieben werden müssen, wie z. B. Messgeräte, die im Außenbereich eingesetzt werden.
• HL63391DG und HL63392DG erreichen als Single-Mode-Laser mit einer Wellenlänge von 639 nm und hoher Sichtbarkeit eine Ausgangsleistung von 200mW. HL63391DG und HL63392DG eignen sich für Anwendungen, bei denen das Laserbild auf dem Messobjekt sichtbar sein muss, sowie für Messungen über große Entfernungen und die Vermessung großer Objekte, wozu eine hohe Leistung benötigt wird.
• HL65221DG, HL65222DG und HL65223DG, die bei 660 nm eine hohe Ausgangsleistung von 210/420 mW (Dauerstrich-/Pulsbetrieb, -10 °C – +60 °C) erreichen, eignen sich ebenfalls für Messungen über große Entfernungen und die Vermessung großer Objekte, wozu eine hohe Leistung erforderlich ist (insbesondere im Pulsbetrieb). Da sie bei Temperaturen von bis zu 75 °C eingesetzt werden können, sind sie auch eine gute Wahl für den Einbau in Messgeräte.
• Der kürzere 405-nm-Laser (blau-violett) wird häufig für Messungen an Oberflächen aus transparentem Glas und Kunststoff oder glänzendem Metall verwendet (wie im vorherigen Abschnitt beschrieben). HL40071MG hat bei 405 nm eine hohe Ausgangsleistung von 300 mW (Dauerstrichbetrieb) und eignet sich für 3D-Messungen mit großer Reichweite und hoher Abtastgeschwindigkeit.

Alle hier vorgestellten Laserdioden sind transversale Single-Mode-Produkte, die in einem kleinen TO-Gehäuse (5,6 mm Durchmesser) untergebracht sind. Integriert in das TO-Gehäuse ist zudem eine Monitordiode, die für eine konstante optische Ausgangsleistung sorgt.

Weitere Produkte, die für die Entfernungsmessung und die 3D-Formvermessung geeignet sind:

Neben den hier vorgestellten Optionen bietet Ushio eine breite Auswahl weiterer Laserdioden für die unterschiedlichsten Anforderungen. Für weitere Informationen besuchen Sie bitte die Ushio Laserdioden-Webseite.

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