Scheimpflug-Prinzip: Wie eine 100 Jahre alte Optik LiDAR den Rang abläuft
Forschende beleben das Scheimpflug-Prinzip wieder: Eine kostengünstige LiDAR-Alternative für präzise Distanzmessung auf bis zu 4 km Entfernung.
Beispiel für einen funktionsfähigen Dual-Laser-Prototypen aus 3D-gedruckten Materialien und handelsüblichen Komponenten, der das kompakte und kostengünstige Konzept der optischen Scheimpflug-Entfernungsmessung für breit gefächerte Anwendungsbereiche verdeutlicht.
Foto: Sean McNeil, GTRI
Ein optisches Prinzip aus der Frühzeit der Luftbildfotografie rückt plötzlich in den Fokus moderner Sensortechnik. Forschende am Georgia Tech Research Institute nutzen die sogenannte Scheimpflug-Technik, um Entfernungen neu zu messen – ohne klassische Laserlaufzeitmessung.
Ziel ist es, Distanzmessungen und die Überwachung der Atmosphäre einfacher und kostengünstiger zu gestalten. In ersten Tests konnte das System atmosphärische Effekte über Entfernungen von bis zu 4 Kilometern sichtbar machen und analysieren.
Geometrie statt Hochgeschwindigkeitselektronik
Das Herzstück der Entwicklung ist das Scheimpflug-Prinzip, benannt nach dem österreichischen Fotografen Theodor Scheimpflug. Er zeigte Anfang des 20. Jahrhunderts, dass sich der Schärfebereich einer Kamera gezielt beeinflussen lässt, wenn Objektiv- und Sensorebene nicht parallel zueinander stehen, sondern geneigt werden.
In der Messtechnik eröffnet das einen anderen Zugang. Klassische Time-of-Flight-Systeme (ToF) messen die Zeit, die ein Lichtimpuls für Hin- und Rückweg benötigt. Dafür braucht es sehr schnelle Detektoren und präzise Zeitmessung im Nanosekundenbereich.
Das GTRI-Team verfolgt einen anderen Ansatz: Die Kamera wird entlang der optischen Achse geneigt, auf der sich das Licht durch die Atmosphäre ausbreitet.
„Anstatt ein optisches Signal zeitlich zu messen, um zu bestimmen, wo es sich im Raum befindet, können wir diese einfache Konfiguration nutzen, um herauszufinden, wo sich das Signal befindet“, erklärt Joseph Greene, Forschungsingenieur am GTRI.
Die Technik im direkten Vergleich
| Merkmal | Klassisches ToF-LiDAR | Scheimpflug-System (GTRI) |
| Messmethode | Zeitmessung des Lichtimpulses | Geometrische Zuordnung im Bild |
| Hardware | Laser, Detektoren, schnelle Elektronik | Kamera, Optik, Algorithmen |
| Nahbereich | oft eingeschränkt | sehr gut aufgelöst |
| Daten | Punktwolken | zusätzliche Bildinformationen |
| Aufwand | hoch in der Hardware | verlagert in Datenverarbeitung |
Kein Ersatz, sondern ein anderer Ansatz
So klar die Unterschiede sind: Die Technik ersetzt LiDAR nicht.
Ihre Stärke liegt vor allem dort, wo klassische Systeme an Grenzen stoßen – etwa im Nahbereich oder bei der Analyse von Strukturen entlang eines Lichtstrahls. Gleichzeitig verschiebt sich der Aufwand: weniger komplexe Hardware, dafür höhere Anforderungen an Auswertung und Modellierung.
Ereignisbasierte Kameras für große Distanzen
Um das optische Prinzip für moderne Anwendungen nutzbar zu machen, kombinieren die Forschenden es mit sogenannten ereignisgesteuerten Kameras. Diese Sensoren arbeiten anders als klassische Kameras: Sie erfassen nicht feste Bildraten, sondern reagieren auf Helligkeitsänderungen einzelner Pixel.
Das bringt zwei Vorteile:
- sehr hohe zeitliche Auflösung im Mikrosekundenbereich
- reduzierte Datenmenge bei gleichzeitig hoher Dynamik
In Verbindung mit neuen Algorithmen entstand das System „SCHORTY“ (Scheimpflug Optical Ranging Technology). In Versuchen konnte es einen Laserstrahl über Distanzen von 6 Metern bis 4 Kilometern beobachten.
Dabei wurden Effekte wie Turbulenzen oder Lichtabschächung direkt im Live-Bild sichtbar.
Vorteile bei kurzen Distanzen
Ein Schwerpunkt der Entwicklung liegt im Nah- und Mitteldistanzbereich. Genau hier zeigen klassische atmosphärische LiDAR-Systeme häufig Schwächen. Megan Birch, Forschungswissenschaftlerin am GTRI, beschreibt das so: „[…] atmosphärische LiDARs [funktionieren] bei kurzen Entfernungen tendenziell nicht optimal.“
Die Scheimpflug-Technik kann diese Lücke schließen:
- keine ausgeprägten Blindzonen
- stabile Messung auf kurzer Distanz
- auch passiv nutzbar, ohne Laser
Das eröffnet Anwendungen etwa bei der Objektverfolgung in der Luft oder bei der Umweltüberwachung.
Mehr Informationen aus einem Sensor
Ein weiterer Unterschied liegt in der Art der Daten. Nathan Meraz, leitender Wissenschaftler am GTRI, sagt:
„Da es sich um einen Kamerasensor handelt, gibt es […] viel mehr Informationen zu verarbeiten.“
Neben der reinen Entfernung liefert das System zusätzliche Bildinformationen. Diese lassen sich mit anderen Sensordaten kombinieren. Meraz ergänzt: „Hinzu kommen Aspekte der Datenfusion.“
Vorteile bei Bauform und Energiebedarf
Für den industriellen Einsatz spielt das sogenannte SWaP-C-Konzept eine zentrale Rolle – also Größe, Gewicht, Energiebedarf und Kosten.
Hier kann der Ansatz punkten:
- weniger spezialisierte Hardware
- geringerer Energiebedarf
- kompaktere Bauform
Zudem ist das System flexibel bei den eingesetzten Wellenlängen. Es kann sowohl mit Dauerstrich- als auch mit gepulsten Lasern arbeiten.
Ein neuer Spielraum für die Messtechnik
Die Anwendungen stehen noch am Anfang. Standardisierte Verfahren oder Lehrbücher gibt es bislang kaum. Erste Tests bei Wellenlängen von 355 nm und 532 nm zeigen jedoch, dass das System empfindlich auf atmosphärische Effekte reagiert. Turbulenzen, Strahlabweichungen oder Szintillation lassen sich direkt beobachten.
„Zum jetzigen Zeitpunkt wissen wir, wie man es modelliert, wo die Nachteile liegen, wo die Vorteile liegen werden“, sagt Meraz. Der Ansatz verschiebt den Fokus: weg von immer komplexerer Hardware, hin zu einer anderen Nutzung optischer Geometrie und Datenanalyse. Ob sich daraus ein breiter Einsatz ergibt, hängt vor allem davon ab, wie stabil sich die gewonnenen Daten in der Praxis auswerten lassen.
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