Laserdioden zur Distanz- und 3D-Formmessung

Zunehmende Verbreitung

Berührungslose Distanzmessung wird in vielen Bereichen unseres Lebens zu einer unverzichtbaren Technologie. Unsere Smartphones messen die Entfernung zu einem Motiv, um beim Fotografieren zu fokussieren. Berührungslose Distanzmesser, die mittlerweile in Baumärkten erhältlich sind, ermöglichen die Messung der Entfernung von einer Wand zu einer Säule bei Heimwerkerprojekten. Geräte zur Messung größerer Distanzen werden auf Baustellen und in der landwirtschaftlichen Flächenverwaltung eingesetzt.

Für die berührungslose Distanzmessung stehen verschiedene Werkzeuge zur Verfügung. Es gibt handflächengroße Höhenmesser, die die Zeit messen, die Schall benötigt, um zu seinem Zielort zurückzureflektieren. Früher nutzten Kameras den Winkelunterschied (Parallaxe) zwischen den Linien, die zwei weit entfernte Objektive mit dem Motiv verbinden. Heute hingegen wird Laserlicht am häufigsten zur Messung von Distanzen oder ihrer erweiterten 3D-Form verwendet.

Definition von Laserstrahlmessverfahren

Für die Distanzmessung im Bereich von Millimetern (mm) bis Metern (m) wird ein Laserstrahl auf das zu messende Objekt gerichtet. Anschließend wird das Laserbild auf dem Objekt von einer Position außerhalb der optischen Achse des Lasers aus gemessen. Dieses Verfahren ähnelt im Prinzip der Triangulation, die zum Zeichnen topografischer Karten verwendet wird. Ein Beispiel ist das optische Schneiden, bei dem eine Laserlichtlinie auf das Messobjekt gerichtet wird. Die Verschiebung des Linienlaserbildes wird von einem Bildsensor erfasst und anschließend in 3D-Forminformationen umgewandelt. Das gleiche Prinzip wird angewendet, wenn zufällige Punkte, die von diffraktiven optischen Elementen erzeugt werden, beleuchtet und ihre Verschiebung erfasst werden. Smartphones nutzen diese Methode zur Gesichtserkennung.

Zur Messung von Entfernungen im Meter- bis Kilometerbereich (km) wird häufig ein Verfahren verwendet, das auf der Laufzeitmessung (ToF) basiert (die Zeit, die Licht benötigt, um von einem Objekt reflektiert und wieder zurück zu strahlen). Die ToF-Messung wird in die direkte ToF (dToF), die die Zeit zwischen Aussendung und Rückkehr des Laserstrahls misst, und die indirekte ToF (iToF), die die Phasendifferenz zwischen dem ausgesandten und dem zurückgestrahlten Licht erfasst, unterteilt. In beiden Fällen wird ein gepulster Hochleistungslaserstrahl verwendet, um das von einem weit entfernten Objekt zurückgestrahlte Licht mit ausreichender Intensität zu erfassen. Darüber hinaus wird die ToF-Messung häufig für autonomes Fahren, auf Baustellen und im Infrastrukturmanagement mittels Light Detection and Ranging (LIDAR) eingesetzt, das die Entfernung durch dreidimensionales Scannen des Laserstrahls misst.

Konfokale Optik und Interferometrie werden zur Messung mikroskopischer Entfernungen und dreidimensionaler Formen im Mikrometerbereich und kleiner eingesetzt. Die konfokale Mikroskopie wird häufig in industriellen Anwendungen, aber auch zur Messung der dreidimensionalen Form von Zellen eingesetzt und ist damit ein unverzichtbares Werkzeug in den modernen Biowissenschaften.

Die perfekte Laserdiode auswählen

Für diese Arten von Triangulations- und ToF-Messungen wird in der Regel ein transversaler Singlemode-Laser verwendet, da der zu bestrahlende Punktdurchmesser (bzw. die Linienbreite) klein genug sein muss, um eine hohe räumliche Auflösung zu erzielen.

Bei der Wahl der Wellenlänge sind viele Faktoren zu berücksichtigen. Obwohl die Emissionseffizienz von Laserdioden derzeit im nahen Infrarotbereich (700–1000 nm) am höchsten ist, weisen viele Siliziumsensoren (die am häufigsten verwendeten Fotodetektoren) die höchste Empfindlichkeit im Bereich von 500–700 nm auf. Daher werden unter Berücksichtigung der Gesamteffizienz des Systems auch Laserdioden im roten Bereich (630–700 nm) häufig eingesetzt. Rote Laserdioden werden insbesondere dann eingesetzt, wenn der bestrahlte Punkt auf dem Messobjekt sichtbar sein muss (z. B. in Entfernungsmessern für den Heimwerkerbereich).

Die geeignete Wellenlänge kann auch je nach zu messendem Material variieren. Bei der Messung der Form von transparentem Kunststoff oder Glas kann eine blau-violette Laserdiode verwendet werden, da diese eine höhere Oberflächenreflexion als rotes Licht aufweist. Blau-violettes Licht kann auch bei metallisch glänzenden Objekten eingesetzt werden, da das die Messung störende Streulicht geringer ist als im roten Bereich.

Insgesamt wird der Ausgangswert der Laserdiode je nach Messart aus verschiedenen Bereichen ausgewählt. Für Messungen über große Entfernungen oder Messungen, die ein schnelles Scannen erfordern, ist eine hohe Leistung erforderlich. Aus Gründen der Lasersicherheit kann jedoch auch ein Laser mit geringerer Leistung erforderlich sein. Hinsichtlich der Ausgangsleistung (insbesondere für ToF-Messungen) muss der Laser möglicherweise gepulst werden. Der hohe Wirkungsgrad und die hohe zulässige Betriebstemperatur von Laserdioden sind bei dieser Auswahl hilfreiche Überlegungen.

Produktempfehlungen für Ushio Laserdioden

• Mit einer Wellenlänge von 660 nm und einer optischen Ausgangsleistung von 110/210 mW (CW/Puls) sind die Laserdioden HL65241DG, HL65242DG und HL65243DG durch optimierte LD-Kristallwachstumsbedingungen einen Hochtemperaturbetrieb (max. 90 °C) möglich. Diese Produkte eignen sich ideal für Geräte, die bei hohen Temperaturen betrieben werden müssen, wie z. B. Messgeräte im Außenbereich.
• HL63391DG und HL63392DG erreichen als Singlemode-Laser bei einer Wellenlänge von 639 nm eine Leistung von 200 mW mit hoher Leuchtkraft. HL63391DG und HL63392DG eignen sich für Anwendungen, bei denen das Laserbild auf dem Messobjekt sichtbar sein muss, sowie für Messungen über große Distanzen und große Objekte, die hohe Leistungen erfordern.
• HL65221DG, HL65222DG und HL65223DG erreichen eine hohe Ausgangsleistung von 210/420 mW (CW/Puls, -10–+60 °C) bei 660 nm und eignen sich ebenfalls für Messungen über große Distanzen und große Objekte, die hohe Leistungen erfordern (insbesondere im Pulsbetrieb). Die Betriebstemperatur von bis zu 75 °C macht sie zudem zu einer idealen Wahl für die Instrumentenmontage.
• Der kürzere 405-nm-Laser (blau-violett) wird häufig für Messungen auf transparenten Glas-, Kunststoff- und Metalloberflächen eingesetzt (wie im vorherigen Abschnitt beschrieben). HL40071MG verfügt über eine hohe Leistung von 300 mW (CW) bei 405 nm und eignet sich für 3D-Messungen mit großer Reichweite und hoher Scangeschwindigkeit.

Alle hier vorgestellten Laserdioden sind transversale Singlemode-Produkte in einem kleinen TO-CAN-Gehäuse (5,6 mm Durchmesser). Zusätzlich ist im CAN-Gehäuse eine Überwachungs-Fotodiode integriert, die eine einfache Steuerung der optischen Leistung ermöglicht.

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