Fernblick in Echtzeit

Dresden, / 13.10.2014

Fraunhofer-Forscher haben einen 3D-Laserscanner mit Lichtlaufzeitmessverfahren entwickelt, der nach dem Vorbild des menschlichen Auges die Fähigkeit hat, sich auf wesentliche Bildausschnitte zu konzentrieren, um diese mit entsprechend höherer Auflösung zu erfassen. Das System ist von Umgebungslicht unabhängig und liefert in Echtzeit hochwertige 3D-Informationen auch über größere Entfernungen hinweg. Hardware-Schlüsselkomponente ist eine neuartige MEMS-Scantechnologie des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden. Auf der Vision in Stuttgart vom vierten bis sechsten November 2014 stellt das Institut die Mikrospiegelkomponenten der breiten Fachöffentlichkeit vor.

Optischer Scankopf mit integriertem MEMS-Scannerspiegelarray

Optischer Scankopf mit integriertem MEMS-Scannerspiegelarray.

Fraunhofer IPMS präsentiert MEMS-basierte 3D-Laserscantechnologie auf der Vision 2014
 

Immer höhere Pixelzahlen und Bildraten kennzeichnen die Entwicklung bildgebender Sensoren im zweidimensionalen Kamerabereich. Die Auflösung der Kameras ist meist nur noch durch die Optik begrenzt. Ganz anders stellt sich die Situation im Bereich der 3D-Sensoren dar. Obwohl die Tiefeninformation für viele Aufgaben wie Navigation, Identifikation oder Überwachung teurer oder gefährlicher Anlagen zur genaueren, schnelleren und vor allem zuverlässigeren Datenauswertung an Bedeutung gewinnt, ist gegenwärtig kein 3D-Sensor in Sicht, der in der Lage wäre, sicherheitsrelevante Objekte auch aus größerer Entfernung und bei stark unterschiedlichen Lichteinflüssen im Außenbereich hinreichend schnell und exakt zu identifizieren.

Genau für diesen Anwendungsfall haben nun drei Institute der Fraunhofer-Gesellschaft, das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg, das Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS in Sankt Augustin und das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden, eine Lösung gefunden. Gemeinsam haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Pulslaufzeit-Laserentfernungsmessung mit einer adaptiv arbeitenden Mikrospiegelkomponente (MEMS) zu einem neuartigen Laserscannersystem vereint. Adaptiv heißt, dass der Bildausschnitt dem jeweils interessierenden Bereich schnell angepasst werden kann, entsprechend der im menschlichen Auge befindlichen Fovea, die dafür sorgt, dass wir kleine Ausschnitte eines Übersichtsbildes scharf sehen. Effiziente Softwarealgorithmen analysieren ein schnell erfasstes 3D-Übersichtsbild und lenken den Scanner (die »Aufmerksamkeit« des Systems) auf interessante Bildausschnitte, so dass diese in hoher Auflösung abgetastet werden können. Damit wird es erstmalig möglich, in kurzer Zeit situationsbezogen hochwertige 3D-Information zu gewinnen.

Während das Fraunhofer IPM die TOF-Lasermesstechnik beisteuerte und das Fraunhofer IAIS Ihre Kompetenz zur Softwareentwicklung zur Aufmerksamkeitssteuerung in die Systementwicklung einbrachte, war das Fraunhofer IPMS für das Scansystemkonzept verantwortlich. Projektleiter Dr. Thilo Sandner erklärt die Funktionsweise so: »Bei unserem Laserscanner lenkt die Spiegelmechanik den zeitlich modulierten Sendestrahl über das zu messende Objekt. Das dort gestreute Licht des Sendestrahls wird über mehrere synchron zum Sender bewegte Empfangsspiegel auf einen Photodetektor mit hoher Bandbreite abgebildet und die Entfernung des Objektes anhand der gemessen Phasen- oder Pulslaufzeit des empfangenen Lichtes bestimmt«. Das Scansystemkonzept basiert auf einem in vertikaler Richtung resonant scannenden 1D-MEMS-Array, welches mittels eines konventionellen elektrodynamischen Antriebs geschwenkt beziehungsweise gedreht werden kann. Durch Einsatz von 22 Empfangsspiegeln mit Einzelaperturen von 8,4 × 2,3 mm² und integrierter Spiegelpositionssensorik konnte der optische Füllfaktor deutlich erhöht und so die technische Voraussetzung geschaffen werden, um Messungen auch aus Entfernungen bis ca. 30 m durchzuführen. Wie bei konventionellen Laserscannern und im Gegensatz zu kamerabasierten Techniken liegt die Stärke der Laserscantechnologie in ihrer Unabhängigkeit von strak unterschiedlichen Lichtverhältnissen, die sie für Anwendungen im Außenbereich prädestiniert. Die extrem hohe Scangeschwindigkeit des Fraunhofer-Scanners von 1,6 kHz erlaubt Aufnahmen quasi in Echtzeit und so auch die Erfassung sich bewegender Objekte wie zum Beispiel Flugzeuge auf Landebahnen oder Fahrzeuge auf Baustellen.

Der komplette Scankopf des Laserscansystems wird am Messestand des Fraunhofer IPMS Nummer 1H73 auf der Fachmesse Vision in Stuttgart vom vierten bis sechsten November 2014 neben weiteren MEMS-Entwicklungen und -systemen dem Fachpublikum vorgestellt.