Positionieren auf den Mikrometer genau

Zweifellos lässt sich der Erfolgskurs der Digitalfotografie nicht mehr aufhalten. Doch gibt es noch immer spezielle Einsatzgebiete für die Fotografie, beispielsweise das Erstellen von Luftaufnahmen zu Vermessungszwecken, wo nach wie vor Kameras mit Filmen zum Einsatz kommen. Diese speziellen, oft zwei Zentner schweren Geräte sind viel zu wertvoll, als dass man sie von heute auf morgen einfach ersetzen könnte. Um in diesem Bereich trotzdem nicht auf digitales Bildmaterial verzichten zu müssen, digitalisieren hochwertige Scanner die Filme. Dabei werden Genauigkeiten und Auflösungen im Mikrometerbereich gefordert. Gleichzeitig müssen große Massen – die Filmrollen haben teilweise eine Länge von bis zu 150m und wiegen um die 5 kg – beschleunigt werden. Das stellt nicht nur hohe Ansprüche an die Optik; auch die eingesetzten Antriebe müssen hier Großes leisten.

Zum Erzeugen von Räumlichkeit aus zweidimensionalen Fotografien werden die einzelnen Bildausschnitte stark überlappend aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommen. Zur Bearbeitung werden die Bildreihen in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert.
Anschließend berechnet ein spezielles Programm die 3D-Koordinaten der gesuchten Geländepunkte. Damit bei der Überlagerung inhaltlich richtige Bilder entstehen können, müssen die einzelnen Fotos mit höchster geometrischer und radiometrischer Genauigkeit gescannt worden sein.
Das stellt hohe Anforderungen an die Scanner. Der PhotoScan aus dem Hause INTERGRAPH wurde speziell für das Scannen photogrammetrischer Aufnahmen entwickelt.
Er erreicht Auflösungen bis 7 µm. Die Bilder werden jeweils in der gewünschten Auflösung gescannt, Qualitätsverluste durch Resampling gehören somit der Vergangenheit an. Das Gerät eignet sich für das Scannen marktüblicher 236 x 236 mm² großer Filme bis hin zu Rollfilmen von 150 m Länge. Die Filmbühne steht fest; der bewegliche, 40 mm breite CCD-Sensor fährt das jeweilige Bild streifenweise ab. Dabei wird eine geometrische Genauigkeit von besser als 2 µm RMS pro Achse erreicht.

Antriebe für konstante Geschwindigkeiten

Klaus Neumann, Projektleiter bei INTERGRAPH, weiß, dass es mit einem hochauflösenden CCD-Sensor allein nicht getan ist: "Eine hohe radiometrische Genauigkeit des Sensors bringt gar nichts, wenn der Antrieb nicht in der Lage ist, mindestens die gleiche mechanische Auflösung zu liefern. Anforderung an den Antrieb war deshalb, auf einen Mikrometer genau aufzulösen." In diesem Scanner kommen gleich mehrere Antriebe vom Kleinmotorenspezialisten FAULHABER zum Einsatz. "Wir arbeiten schon sehr lange mit FAULHABER zusammen und haben durchweg positive Erfahrungen mit den Antrieben gemacht. Zudem erhielten wir bislang immer gute Betreuung bei der Entwicklung von neuen Produkten", so Neumann weiter.
In x-Richtung bewegt ein Antrieb den CCD-Sensor in kontinuierlichem Tempo. "Bei diesen Auflösungen macht sich jeder kleine Ruck bemerkbar. Es ist deshalb wichtig, dass der Antrieb mit hochkonstanter Geschwindigkeit läuft, sonst bekommen wir ein Signalrauschen ins Bild", betont Neumann. "Wir verwenden einen kupfergraphitkommutierten DC-Kleinmotor. Dieser ist auch bei niedrigen Drehzahlen extrem gleichlaufend und arbeitet sehr präzise". Der Motor hat aufgrund des eisenlosen Rotors mit der Glockenankerwicklung kein störendes Rastmoment, was die hohe Drehzahlkonstanz ohne einen "Drehmoment-Ripple" ermöglicht. Auf dieser Grundlage kann über den am Motor angebauten Tachogenerator, ergänzt durch einen Impulsgeber, die Drehzahl und die Lage exakt ausge­regelt werden. Der analoge Tachogenerator liefert extrem schnell Informationen zur Geschwindigkeit, der Impulsgeber die präzise Lageinformation.

Hohe Präzision

Hat der Sensor einen Streifen abgefahren, führt ihn der Antrieb in x-Richtung zurück. Gleichzeitig verschiebt ein weiterer Antrieb den Sensor in y-Richtung exakt um seine Breite. Die nächste gescannte Zeile setzt nahtlos an die vorherige an. Konstruktiv bedingt liegen die x- und die y-Achse des Scanners jedoch nie exakt im 90°-Winkel zueinander. Bei einer gewünschten Auflösung von 1 µm kann allerdings schon ein minimaler Winkelversatz verheerende Folgen haben. Aus diesem Grund muss der zweite Antrieb nicht nur den Sensor mikrometergenau neben der letzten gescannten Zeile positionieren. Während dem Verfahren in x-Richtung muss der Antrieb zudem immer wieder die Fehlstellung der Achse nachregeln, damit der gescannte Streifen exakt an den vorherigen anschließt. Auch für diese Anforderung eignet sich ein DC-Glocken­ankermotor mit einem angebauten Impuls­geber bzw. Encoder, der als aktives Glied eines Regelkreises mit Elektronik in kürzester Zeit sehr präzise und ohne Überschwingungen reagieren kann.

Klein, kompakt und leistungsstark

Der Photoscanner erreicht sehr hohe Scangeschwindigkeiten. Sieben Minuten für den Scan eines marktüblichen 236 x 236 mm² Films bei einer Pixelgröße von 14 µm sind überaus erstaunliche Werte. Soll aber ein ganzer Film mit bis zu 550 Bildern gescannt werden, ist es wichtig, dass dieser Vorgang selbstständig auch über Nacht laufen kann. Über einen Rollfilmzusatz werden die meterlangen Filme automatisch zugeführt. Auch hier sind DC-Glockenankermotoren im Spiel. Dabei kommt es darauf an, dass die Antriebe drehmomentstark, gleichzeitig aber platz- und energiesparend sind. Absolute Genauigkeit ist hier nicht unbedingt gefragt. Der Film muss lediglich auf einige Millimeter genau positioniert werden. Anhand eines Mustervergleichs mit einer auf dem Film vorhandenen Rahmenmaske ermittelt der Scanner selbst seinen exakten Startpunkt.
Das Zusammenspiel hochauflösender Optiken und leistungsstarker kompakter Antriebstechnik ermöglicht "Großes" mit hoher Präzision im "Kleinen" zu leisten.

Der Scanner wurde speziell für das Scannen photogrammetrischer Aufnahmen entwickelt; er erreicht Auflösungen bis 7 µm.