Was ist 3D-Laserscanning?
In diesem Leitfaden werfen wir einen tieferen Blick auf eine der beliebtesten 3D-Scantechnologien: das 3D-Laserscannen. Nach der Lektüre werden Sie wissen, welche Arten von Scannern als „Laser“ bezeichnet werden, wie sie funktionieren, wo sie am nützlichsten sind und wofür sie verwendet werden.
Heutzutage gibt es zahlreiche Möglichkeiten und Technologien, um ein Objekt aus der realen Welt in den digitalen 3D-Raum zu übertragen. Sie können dies mit verschiedenen Arten von 3D-Scannern tun: Mit Desktop-basierten, handgeführten oder Stativ-Scannern, professionellen oder Amateur-Scannern, Fotokameras und Photogrammetrie-Software, berührungsbasierten Messsystemen, Smartphones oder Tablets mit eingebauten LiDAR-Sensoren, mobilen, terrestrischen oder luftgestützten Systemen und noch vielem mehr.
In diesem Artikel befassen wir uns mit einer der beliebtesten Scantechnologien, die fast überall eingesetzt wird, vom Bauwesen und der Landvermessung bis hin zur Forensik und Denkmalpflege: dem 3D-Laserscannen. Wir werden erfahren, welche Arten von Scannern als „Laser“ bezeichnet werden, wie sie jeweils funktionieren und wo und wofür diese Geräte eingesetzt werden.
Was ist ein 3D-Laserscanner?
Wenn Menschen den Begriff „3D-Laserscanner“hören,stellen sie sich je nach Hintergrund und Fachgebiet vielleicht unterschiedliche Scan-Geräte vor. Ein Industriedesigner könnte beispielsweise an ein tragbares Handgerät denken, das kleine bis mittlere Objekte aus kurzer Entfernung erfassen kann, während ein Bauarbeiter einen auf einem Stativ montierten terrestrischen Scanner für die Vermessung größerer Objekte wie Gebäude oder ganze Außenbereiche vom Boden vor Augen hat. Ein Vermessungs- und Kartierungstechniker hingegen würde sich wahrscheinlich ein Auto oder eine Drohne mit einem an Bord intallierten Scannersystem, das für die Vermessung von Gelände unterwegs eingesetzt wird, vorstellen. Und sie alle hätten Recht – denn jedes der oben genannten Geräte kann korrekt als 3D-Laserscanner bezeichnet werden.
Was also ist Laserscanning und welche Geräte können als Laserscanner bezeichnet werden?
Laserscanning ist, vereinfacht gesagt, ist ein Verfahren zur Erfassung präziser dreidimensionaler Informationen von einem realen Objekt, einer Gruppe von Objekten oder einer Umgebung mit einem Laser als Lichtquelle. Durch die Projektion von Laserlicht auf das Objekt erstellt der Scanner Punktwolken – Millionen von präzise gemessenen XYZ-Punkten, welche die Position des Objekts im Raum definieren. Einige Laserscanner bieten die Möglichkeit, das Modell als Punktwolken herunterzuladen, während andere es automatisch in ein Polygonnetz umwandeln, das dann in ein CAD-Modell oder ein vollfarbiges 3D-Modell umgewandelt werden kann, sofern die Aufnahme von Texturen unterstützt wird.
Ein Langstrecken-Laserscanner wird für den Einsatz auf einem Hochseeschiff vorbereitet (Foto mit freundlicher Genehmigung von ASOM)
Im Gegensatz zu den berührungsbasierten Messsystemen, die wirschon einmal geschrieben haben, sind Laser-3D-Scanner zu 100 % berührungslose und zerstörungsfreie aktive Geräte, die Objekte aus festen und zerbrechlichen Materialien erfassen können. Diese Scanner können in Innenräumen und einige auch im Freien eingesetzt werden. Sie funktionieren bei Tageslicht oder auch in der Nacht eingesetzt und sind sowohl stationär als auch tragbar verfügbar. Sie können für die Erfassung eines breiten Spektrums von Objekten und Standorten verwendet werden – von sehr klein bis sehr groß.
SCHLÜSSELPUNKT
Berührungslos und zerstörungsfrei erfassen Laserscanner XYZ-Koordinaten von Myriaden von Punkten auf der Oberfläche eines Objekts, um seine Maße zu berechnen, seine Form in einer 3D-Umgebung zu rekonstruieren und seine Position im Raum zu bestimmen – und das alles mit erstaunlicher Genauigkeit.
Je nach Anwendung können 3D-Laserscanner als eigenständige Geräte – tragbar, handgeführt oder stationär und auf einem Stativ montiert – oder als Teil einer komplexeren Lösung, etwa geführt durch Roboterarme oder als Teil von mobilen oder luftgestützten Laserscansystemen, angeboten werden. Auf der technologischen Seite gibt es TOF-, Phasenverschiebungs- und Triangulations-basierte Laserscanner.
Aber sehen wir uns die gängigsten Arten von Laserscannern und ihre Funktionsweise einmal genauer an.
Arten von Laserscannern
#1. TOF (Time of Flight)
Die erste Art von Laserscannern, die in der Regel für die Erfassung von Daten über große Entfernungen verwendet wird, ist dasTime-of-Flight-Verfahren(TOF). Solche 3D-Scanner funktionieren nach demselben Prinzip wie Laser-Entfernungsmesser: Ein Laserimpuls wird auf ein Objekt gesendet, so dass ein Teil des Impulses von der Oberfläche des Objekts reflektiert wird und zum Scanner zurückkehrt. Die Entfernung zum Objekt wird anhand der Flugzeit des Pulses nach folgender Formel berechnet: Entfernung = (Lichtgeschwindigkeit x Flugzeit) / 2). Aus dieser Entfernung wird dann eine Koordinate für den winzigen Ausschnitt der vom Laserstrahl getroffenen Oberfläche berechnet.
So funktioniert das Prinzip der TOF-Verfahrens
Time-of-Flight-3D-Scanner können Objekte über große Entfernungen von bis zu 1.000 Metern erfassen – ihr typischer Arbeitsbereich liegt jedoch bei 5-300 Metern. Während TOF-Systeme über große Entfernungen messen können, haben sie die langsamsten Datenerfassungsraten: zwischen Hunderten und Tausenden von Punkten pro Sekunde.
Die Genauigkeit der TOF-Technologie wird durch die Fähigkeit des Systems bestimmt, die Zeit des zurückkehrenden Signals genau zu messen. Die Spezifikationen für die Genauigkeit variieren zwar von System zu System, die typische Genauigkeit eines TOF-Scanners liegt jedoch bei 4-10 mm. Neuere TOF-Systeme umfassen auch eine zusätzliche RGB-Erfassungsoption, entweder durch eine interne Kamera oder ein externes Kameraset.
#2. Phasenverschiebung
3D-Phasenverschiebungs-Scanner senden Laserlicht mit wechselnden Frequenzen aus und bestimmen die Entfernung zu einem Objekt durch Messung der Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten und dem reflektierten Signal. Im Gegensatz zu TOF-Scannern arbeiten Phasenverschiebungsscanner bei kürzeren Entfernungen von 80 bis maximal 120 Meternund und mit einer typischen Reichweite von 1 bis 50 Metern.
So funktioniert das Prinzip der Phasenverschiebungsmessung
Phasenbasierte 3D-Scanner werden häufig als die schnellsten Laserscanner eingestuft, wobei einige Systeme eine Erfassungsrate von bis zu einer Million Punkten/Sekunde erreichen. Sie haben auch eine höhere Genauigkeit und Auflösung als TOF-Scanner. Und wie TOF-Scanner bieten sie Optionen für die interne oder externe Farberfassung.
SCHLÜSSELPUNKT
Alle Laserscanner senden Laserlicht aus, verwenden aber unterschiedliche Technologien, um eingehende Signale zu interpretieren. FOT-Scanner protokollieren die Zeit, die das ausgesendete Licht braucht, um zurückzukehren, nachdem es von der Oberfläche eines Objekts abgeprallt ist, Phasenverschiebungsscanner messen die Phasendifferenz zwischen ausgesendeten und reflektierten Signalen, und Triangulationsscanner berechnen den Winkel, in dem ein ausgesendeter Strahl zum Sensor zurückkehrt.
Dank ihrer hohen Genauigkeit eignen sich Phasenverschiebungsscanner am besten für die Erfassung von mittelgroßen Objekten, etwa für große Pumpen, Autos und Industrieanlagen. Sowohl Phasenverschiebungs- als auch TOP-systeme können zudem bei terrestrischen Scananwendungen, bei denen größere Objekte oder mehrere Meter große Strukturen aus Kilometern Entfernung erfasst werden, eingesetzt werden.
Terrestrische TOF- und phasenbasierte Scanningsysteme können als stationäre, auf einem Stativ montierte, Geräte geliefert werden. Diese können dann in dieser Form verwendet oder für Projekte, die Informationen über weite Landschaften oder unzugängliche Gebiete erfordern, auf ein Fahr- beziehungsweise ein Fluggerät montiert werden.
#3. Triangulation
Der dritte Typ von laserbasierten Scannern funktioniert nach dem Prinzip der Triangulation,bei dem Laserlicht ausgesendet und an eine bestimmte Stelle auf einer Bildsensoren-Anordnung einer integrierten Kamera zurückgeworfen wird. Um die Entfernung zwischen dem Objekt und dem 3D-Scanner zu berechnen, verwendet das System die trigonometrische Triangulation, da die Laserquelle, der Sensor und das auf dem Objekt bestimmte Ziel ein Dreieck bilden. Der Abstand zwischen der Laserquelle und dem Sensor ist sehr genau ermittelbar, ebenso wie der Winkel zwischen dem Laser und dem Sensor. Wenn das Laserlicht vom abgetasteten Objekt abprallt, kann das System den Winkel messen, in dem es zum Sensor zurückkehrt, und damit die Entfernung von der Laserquelle zur Objektoberfläche.
So funktioniert das Prinzip der Triangulationsmessung
Triangulations-Laserscanner funktionieren bei viel kürzeren Entfernungen (weniger als 5 Meter) als FOT- oder Phasenverschiebungsscanner, da der Dynamikbereich der Bildsensoren gering ist und die Genauigkeit mit der Entfernung abnimmt. Die meisten Triangulationssysteme sind auch mit einer internen RGB-Erfassungsoption ausgestattet.
Im Allgemeinen eignen sich Triangulationsscanner am besten für das Scannen kleinerer Objekte, die zwischen 1 cm und 2-3 Metern groß sind. Was die Ausstattung angeht, so gibt es stationäre, auf einem Stativ montierte Triangulationsscanner. Am erfolgreichsten ist diese Technologie jedoch bei tragbaren, handgeführten 3D-Scannern.
Anwendungen von Laserscannern
Laserscanner werden in einer Vielzahl von Bereichen und für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt: vom Hoch- und Tiefbau bis zur Forensik und Archäologie. Da diese Technologie immer billiger, leichter und kleiner wird, steigen auch immer mehr Branchen in das Laserscanning ein. Einige bekannte Anwendungen für diese Geräte werden wir hier vorstellen.
Reverse Engineering
Scannen des Unterbodens eines Autos mit einem 3D-Laser-Triangulationsscanner mit kurzer Reichweite
Von kleinen mechanischen Komponenten bis hin zu massiven Industrieobjekten: Laserscanner sind zu einer unverzichtbaren Technologie im Fundus von Fachleuten, die sich mit Produktdesign und -entwicklung beschäftigen, geworden. Einst ein komplizierter Prozess, der tagelange Demontage, detaillierte manuelle Messungen und die mühsame Untersuchung jedes einzelnen Teils eines Produkts erforderte, dauert Reverse Engineering dank Laserscanning heute nur noch einen Brcuhteil dieser Zeit: Wenige Minuten für ein CAD-Oberflächenmodell bis hin zu einigen Stunden für ein parametrisches CAD-Modell. Scanner werden eingesetzt, um genaue digitale Blaupausen von Teilen zu erstellen, wenn diese beschädigt oder verformt sind und neu konstruiert werden müssen, für sie aber keine CAD-Daten verfügbar sind. Tragbare Laserscanner mit integriertem Prozessor eignen sich perfekt für die Untersuchung kleiner und mittelgroßer Objekte, während Geräte mit mittlerer und großer Reichweite am besten für größere Gegenstände geeignet sind. Die umgehende Erstellung von CAD-Modellen spart Stunden, wenn nicht gar Tage, welche in Forschung und Entwicklung dann gezielt für die eigentliche Produktverbesserung verwenden können.
Qualitätskontrolle
Inspektion von Rohren mit einem Laserscanner
Eine weitere wichtige Phase des Fertigungsprozesses und ein weiterer Bereich, der durch Laserscanner revolutioniert wurde, ist die Qualitätsprüfung. Traditionell dominieren hier manuelle, berührungsbasierte Messverfahren. Dank des Laserscannings können Qualitätsprüfungsabläufe nun viel schneller, genauer und mit weitaus mehr messbaren Daten durchgeführt werden. Dies wiederum führt zu weniger Iterationsschleifen und einer schnelleren Auslieferung der Produkte an den Kunden. Im Gegensatz zu KMG, die in der Regel Dutzende von Punktmessungen einzeln erfassen können, in physischem Kontakt mit der Oberfläche stehen müssen und für jedes einzelne zu prüfende Teil neu programmiert werden müssen, können Laserscanner in einem Bruchteil der Zeit und zudem völlig berührungslos Millionen von Messungen für verschiedene Arten von Objekten ganz verschiedener geometrischer Komplexität erfassen.
SCHLÜSSELPUNKT
Laserscanner haben sich als wirksame Messwerkzeuge sowohl für die industrielle Produktion als auch für Anwendungen auf Verbraucherebene erwiesen: von Reverse Engineering über Qualitätskontrolle und Forensik bis hin zu selbstfahrenden Autos.
Laser-Triangulationsscanner mit geringer Reichweite, die als tragbare Geräte erhältlich sind, bieten eine große Flexibilität bei der Auswahl und angesichts der Standorte zu prüfender Objekte. Sie eignen sich hervorragend zur Erfassung hochkomplexer Teile, die von Hand oder mit einem beweglichen Messtaster unmöglich zu messen wären. Dank ihrer leichten Bauweise ermöglichen solche Geräte den Qualitätsprüfern mehr Mobilität, da sie bequem transportiert werden können.
Langstrecken-Laserscanner eignen sich perfekt für die Untersuchung und Erfassung präziser Daten von großen Objekten. Sie können sogar mit einer handgeführten Geräten kombiniert werden, um kleinere Elemente in hoher Detailgenauigkeit zu erfassen. Das mit einem Laserscanner erfasste 3D-Modell kann in einer Scanverarbeitungs-Software bearbeitet und anschließend in eine CAD-Datei umgewandelt werden. In diesem Stadium kann es mit dem ursprünglichen CAD-Modell verglichen werden, und die Teile, die innerhalb oder außerhalb einer Toleranz liegen, können identifiziert werden.
Forensik
Erfassung eines Tatorts mit einem Triangulations-3D-Laserscanner
Dank ihrer Fähigkeit, große Flächen wie Innenräume, Gebäude und ganze Gelände zu erfassen, werden Laserscanner fortschreitend zur neuen Standardlösung für die genaue Dokumentation und Untersuchung von Tatorten und die Rekonstruktion von Unfällen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden der Spurensicherung mit Foto- und Videokameras sowie Messbändern können Ermittler mit Laserscannern ganze Tatorte in ihrem ursprünglichen Zustand erfassen – mit präzisen Abmessungen für jedes Beweisstück, sei es eine Leiche, ein Fußabdruck oder ein Einschussloch. Und das alles in wenigen Minuten.
Tragbare Laserscanner mit integriertem Prozessor eignen sich perfekt für die Erfassung jeweils einzelner Gegenstände an mehreren Orten und innerhalb eines Tages. Sie können hinzugezogen werden, wenn mehr und genauere Daten benötigt werden, etwa für eine Nahaufnahme einer Leiche, eines beschädigten Möbelstücks oder eines Fußabdrucks, den ein Krimineller hinterlassen hat. Langstreckenscanner hingegen sind nützlich, um einen ganzen Raum zu erfassen. Wenn der Scanner einmal in der Mitte des Raumes aufgestellt ist, kann er vollautomatisch scannen, während sich der Ermittler vollständig anderen Aufgaben widmen kann, etwa mit Zeugen und Opfern zu sprechen. Die 3D-Daten ermöglichen es Forensikern, sich ein umfassenderes und detaillierteres Bild von einem Tatort zu machen und vor Gericht stichhaltigere Beweise vorzubringen.
Bauwesen (BIM)
3D-Scannen einer Lagerhalle mit einem dreibeinigen Laserscanner mit großer Reichweite
Eine weitere beliebte Anwendung von terrestrischen Laserscannern mit großer und mittlerer Reichweite, insbesondere unter Architekten und Bautechnikern, ist die 3D-Erfassung von Gebäuden und ganzen Baustellen. Mit den richtigen Geräten können Gebäudeeigentümer oder Bauprojektleiter schnell eine genaue Dokumentation und 3D-Visualisierung bestehender Gebäude und ihres Zustands erstellen. Die Scanner werden auch zur Verfolgung des Baufortschritts und zur Qualitätskontrolle von neu errichteten Projekten eingesetzt, um diese mit einem Entwurfsmodell zu vergleichen. Laserscanner sparen nicht nur Zeit und Kosten für nunmehr überflüssige manuelle Messungen, sondern erhöhen auch die Sicherheit bei Arbeiten an unsicheren Orten. 3D-Laserscanner können während des gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes eingesetzt werden und liefern umfangreiche 3D-Daten, die für Renovierungs- oder Neubauprojekte verwendet werden können und jederzeit abrufbar sind.
Archäologie
Erfassung des Schädels eines Triceratops mit einem handgeführten Kurzstrecken-Laserscanner (Bild von David Cano / 3D Printing Colorado)
Die Archäologie ist ein weiterer Bereich, in dem Laserscanner zu unverzichtbaren Werkzeugen für die 3D-Dokumentation archäologischer Ausgrabungen geworden sind, sei es für einzelne Knochen eines ausgestorbenen Tieres oder eine ganze antike Stadt. Tragbare Laserscanner mit integriertem Prozessor sind bei der Feldarbeit sehr nützlich und ermöglichen den Archäologen eine völlig autonome Erfassung ihrer Entdeckungen. Dank des eingebauten Bildschirms können sie die Ergebnisse ihrer Scans in Echtzeit sehen, ohne zusätzlich einen Laptop oder ein Tablet mit sich führen zu müssen. Umfassende terrestrische und luftgestützte Laserscanning-Systeme werden erfolgreich zur Kartierung der Topografie, zur Planung von Ausgrabungen und zum Aufspüren von archäologischen Stätten, die Forscher mit bloßem Auge nie sehen könnten und die daher lange Zeit verborgen bleiben, eingesetzt.
Mit Laserscannern können Archäologen zuverlässige und hochauflösende Daten viel schneller erfassen als mit anderen Methoden wie Totalstationen, GPS-Geräten oder Photogrammetrie, was ihnen während einer Ausgrabung Hunderte von Arbeitsstunden erspart. Dank ihrer zerstörungsfreien und berührungslosen Funktionsweise können sie auch zerbrechliche und von Zerfall bedrohte historische Stücke in ihrem ursprünglichen Zustand erfassen. Die gesammelten Daten können für die archäologische Dokumentation und die Erstellung von Virtual-Reality-Modellen, die Restaurierung, den Erhalt und die Vorstellung archäologischer Entdeckungen für die Öffentlichkeit verwendet werden.
Mobile Kartierung
Ein Beispiel für ein fahrzeuggestütztes Laserkartierungssystem
Eine weitere Anwendung von Laserscannern mit großer Reichweite ist die mobile Kartierung, das heißt die Erfassung von 3D-Geodaten, also der Position von Objekten auf der Erde, von einem mobilen Fahrzeug aus, das entweder an Land (Autos, Züge, Boote) oder in der Luft (Drohnen, Hubschrauber oder Flugzeuge) eingesetzt wird. Mobile Kartierungssysteme sind in der Regel mit verschiedenen Navigations- und Fernerkundungstechnologien wie GNSS, Kameras und LiDAR ausgestattet. Die Kombination all dieser Technologien ermöglicht es Fachleuten, Umgebungen zu visualisieren, zu erfassen, zu messen und zu verstehen, sei es für die Verwaltung von Straßen- und Schienennetzen, die Stadtplanung, die Analyse von Unterwasser- oder unterirdischen Strukturen, die Verbesserung der Sicherheit von Kraftwerksinfrastrukturen oder die Erstellung digitaler Karten – die Liste ließe sich beliebig fortsetzen.
Artec 3D-Laserscanner
Da wir uns dem Ende unserer Übersicht nähern, ist es sinnvoll, an dieser Stelle einige Beispiele für verschiedene Laserscanner zu betrachten. Hier bei Artec 3D haben wir zwei Arten von Laserscannern. Der eine, Artec Leo, ist handgeführt und eignet sich am besten für mittelgroße bis große Objekte über kurze Entfernungen (0,35 - 1,2 m), während der andere, Artec Ray, ein Phasenverschiebungsscanner mit einer Reichweite von bis zu 110 Metern ist.
Artec Leo
Artec Leo eignet sich mit einer Auflösung von bis zu 0,2 mm und einer Präzision von 0,1 mm perfekt für die Erfassung von mittelgroßen bis großen Objekten
Artec Leo ist ein tragbarer, handgeführter und vielseitiger Triangulations-Laserscanner mit strukturiertem Licht, der bislang in einer ganz eigenen Liga spielt. Dank eingebauter Recheneinheit, HD-Display, WLAN-Verbindung und eines Akkus können die gescannten Daten in Echtzeit angezeigt und überprüft werden, ohne dass weitere Geräte (PC oder Tablet) erforderlich sind. Der Scanner kann bis zu 35 Millionen Punkte pro Sekunde erfassen und in Sekundenschnelle hochdetaillierte Punktwolken mit einer Genauigkeit von 0,1 mm und einer Auflösung von 0,2 mm erstellen. Das große Sichtfeld (838 × 488 mm für den weitesten Bereich) ermöglicht es Leo, eine Vielzahl von Objektgrößen zu scannen und zu verarbeiten, – von kleinen 20-50 cm großen Teilen bis zu größeren Objekten oder sogar Szenen von 50 bis 200 cm und größer. Leo verwendet als Lichtquelle einen VCSEL-Laser der Klasse 1, der für die Augen völlig ungefährlich ist und sowohl zum Scannen von unbelebten Objekten als auch von Menschen verwendet werden kann. Leo bietet völlige Autonomie und Flexibilität beim Scannen, weshalb seine Anwendungsmöglichkeiten ziemlich weit gefächert sind: von Reverse Engineering und CAD-basiertem Design bis hin zu Gesundheitswesen, Archäologie, Forensik und vielem mehr.
Artec Ray
Artec Ray kann große Objekte mit Submillimeter-Genauigkeit aus einer Entfernung von bis zu 110 Metern erfassen
Artec Ray ist ein Phasenverschiebungs-Laserscanner mit großer Reichweite, der große und sehr große Objekte wie Gebäude, Flugzeuge oder Windturbinen mit Submillimeter-Genauigkeit erfassen kann. Der Scanner hat eine Reichweite von 110 Metern und kann bis zu 208.000 Punkte pro Sekunde erfassen, indem er sich um 360 Grad um sich selbst und vertikal mit einem Blickwinkel von 270 Grad dreht. Im Gegensatz zu vielen anderen Scannern mit großer Reichweite erfasst Ray hochpräzise und saubere Daten, was ihn für Reverse Engineering und Qualitätsprüfungen einsetzbar macht. Ray wird mit einem Stativ geliefert und kann dank eines eingebauten Akkus, integriertem WLAN und einer mobilen App, die eine Fernsteuerung des Scanners ermöglicht, sowohl in Innenräumen als auch im Freien autonom arbeiten. Die mit Artec Ray erfassten Daten können die dichteren und merkmalsreicheren Scandaten, die mit den Handscannern von Artec erfasst werden, ergänzen.
Phase shift
Phase shift 3D scanners emit laser light at alternating frequencies and determine the distance to an object by measuring the phase difference between the emitted and reflected signals. Unlike the time of flight scanners, phase shift scanners work at shorter ranges from 80 to 120 meters maximum, with a typical operating range of 1 to 50 meters.
Phase-based 3D scanners are often categorized as the fastest laser scanners, with some systems claiming a caption rate of up to a million points/second. They also have higher accuracy and resolution than TOF scanners. And, like TOF scanners, they include internal or external color capture options.
Key point
All laser scanners send out laser light but employ different technologies to interpret inbound signals. Time-of-flight scanners log the time emitted light takes to return once it’s bounced off the surface of an object, phase-shift scanners measure the phase difference between emitted and reflected signals, and triangulation scanners calculate the angle at which an outbound beam returns to the sensor.
Thanks to their high accuracy, phase shift scanners work best for medium-range scanning needs such as large pumps, automobiles, and industrial equipment. Both phase shift and time of flight systems can also be used in terrestrial scanning applications where larger objects or structures of a couple of meters up to multiple kilometers can be surveyed.
Terrestrial TOF and phase-based scanning systems can come as stationary, tripod-mounted equipment, which can be used as-is or mounted onto land-based or aerial vehicles for projects that require information from vast landscapes or inaccessible areas.
Triangulation
The third type of laser-based scanners operates on the principle of triangulation, where laser light is emitted and returned to a specific location on an image sensor array of an inboard camera. To calculate the distance between the object and the 3D scanner, the system uses trigonometric triangulation because the laser source, the sensor, and the target left on the object form a triangle. The distance between the laser source and the sensor is known very precisely, as is the angle between the laser and the sensor. As the laser light bounces off the scanned object, the system can measure the angle at which it is returning to the sensor, and therefore the distance from the laser source to the object’s surface.
Triangulation-based laser scanners work at much shorter ranges (less than 5 meters) than the time of flight or phase shift scanners due to the small dynamic range of the image sensors and decreased accuracy with range. Most triangulation systems also come with an internal RGB capture option.
Commonly, triangulation-based scanners are most suited for scanning smaller objects ranging in size from 1 cm up to 2-3 meters, depending on the manufacturer. As for the form factor, there are stationary, tripod-mounted triangulation scanners. However, this technology meets the most success when used in portable handheld 3D scanners.
Applications of laser scanners
Laser scanners are used in a wide variety of fields, and for a wide variety of applications: from construction and civil engineering to forensics and archeology. As the technology becomes cheaper, lighter, and smaller, more and more industries are getting into laser scanning. Some well-known applications of these devices are listed below.
Reverse engineering
From small mechanical components to massive industrial objects, laser scanners have become an essential technology in the toolkits of professionals involved in product design and development. Once a complicated process that could require days of disassembly, detailed manual measurements, and the painstaking process of examining each part of a product, thanks to laser scanning reverse engineering now takes anywhere from a few minutes for a CAD surface model, to a few hours for a parametric CAD model. The scanners are used to create accurate digital blueprints of parts that have been damaged or deformed, need a redesign but don’t have CAD data available for them. Portable laser scanners with embedded processors are perfect for examining small and medium-sized objects, while medium and long-range devices work best for larger items. Instant creation of CAD models frees up hours if not days of work, which R&D teams can spend on the actual product enhancement.
Quality inspection
Another important stage of the manufacturing process and one more area revolutionized by laser scanners is quality inspection. Traditionally dominated by manual, contact-based measuring techniques, thanks to laser scanning quality inspection workflows can now be done way faster, more accurately, and with far more measurable data. This in turn results in fewer iteration loops and faster delivery of products to the customer. Unlike CMMs that can typically acquire dozens of point measurements one at a time, need to be in physical contact with the surface, and require programming for every new part to be examined, laser scanners can capture millions of measurements for various types of objects with a wide range of geometrical complexities in a fraction of the time, and completely contact-free.
Key point
Laser scanners have proved to be effective measuring tools for both industrial production and consumer-level applications: from reverse engineering to quality control, forensics, and self-driving cars.
Short-range laser triangulation scanners that come in the form of portable handheld devices provide flexibility over the types of objects to be inspected, as well as their location. They are great at capturing complex parts that would be impossible to measure by hand or with a moving touch-probe. Thanks to their lightweight design, such devices allow QA managers to be more mobile without being tied to a particular place or area.
Long-range laser scanners are perfect for examining and collecting accurate and measurable data from large objects, and can even be paired with a handheld scanning solution for capturing smaller elements in high detail. The resulting 3D model captured with a laser scanner can be processed in a scan processing software, then converted into a CAD file. At this stage, it can be compared to the original CAD model, and the parts which are in or out of tolerance can be identified.
Forensics
Thanks to their capability of capturing large spaces such as room interiors, buildings, and entire sites, laser scanners are becoming the new go-to solution for the accurate documentation and investigation of crime scenes, and reconstruction of accidents. Unlike traditional evidence collection methods such as photo and video cameras, and measuring tapes, laser scanners allow investigators to capture entire crime scenes in their original state, with precise dimensions for every piece of evidence, be it a body, a footprint, or a bullet hole, and do it all in a matter of minutes.
Portable handheld laser scanners with embedded processors are perfect for capturing standalone items on the go at multiple locations within a day, and can be brought in when higher and more accurate data is needed, e.g. a closer scan of a dead body, a damaged piece of furniture, or close up scan of a footprint left by the criminal. Long-range scanners, on the other hand, are useful for capturing an entire space. By having it placed in the middle of the room where it scans fully automatically, the investigator can engage in other parts of their work, such as talking to witnesses and victims, without a need to control the scanner. The 3D data enables forensic experts to have a fuller and much more detailed picture of a crime scene and build stronger and more decisive cases to present in the courtroom.
Construction (BIM)
Another popular application of long and medium-range terrestrial laser scanners, particularly among architects and construction technicians, is 3D capture of buildings and entire construction sites. Such devices allow facility owners or construction project managers to quickly create accurate documentation and 3D visualization of existing buildings and their conditions. They are also used to track the progress of construction and quality inspection of newly constructed projects and compare them with an as-designed model. Laser scanners not only save the time and cost used for manual measurements, they also increase safety conditions when working in unsafe locations. Laser 3D scanners can be used throughout the whole lifecycle of the building, and provide permanent and rich 3D data that can be used for renovation or new building projects, and be accessed anytime.
Archeology
Archeology is another area where laser scanners have become indispensable tools for 3D documentation of archaeological excavations, be it a single bone of an extinct animal or an entire ancient city. Portable handheld laser scanners with embedded processors come in handy in fieldwork, and allow archeologists complete autonomy in capturing their discoveries. Thanks to the built-in screen, they can see the results of what they scan in real-time, without carrying an additional laptop or tablet at the same time. Long-range terrestrial and airborne laser scanning systems are successfully applied to map topography, excavations planning, and spot archaeological sites that researchers would never be able to see with the naked eye, thus leaving them hidden.
Laser scanners allow archeologists to collect reliable and high-resolution data much quicker than they’d be able to with other methods such as total stations, GPS devices, or photogrammetry, saving them hundreds of hours of labor during an excavation. Thanks to their non-destructive, contactless nature, they can be used to capture fragile and vulnerable historical pieces in their original state. The data collected can be used for archaeological documentation and for creating virtual-reality models, restoration, preservation, and demonstration of archeological discoveries for the public.
Mobile mapping
One more application of long-range laser scanners is mobile mapping – the process of collecting 3D geospatial data, in other words, where objects are positioned on Earth, from a mobile vehicle either land-based (cars, trains, boats) or airborne (drones, helicopters, or planes). Mobile mapping systems are typically fitted with various navigation and remote sensing technologies such as GNSS, cameras, and LiDAR. The combination of all these technologies allows professionals to visualize, record, measure, and understand environments, whether it’s for road and rail networks management, urban planning, analyzing underwater or underground structures, improving safety in power plant infrastructure, designing digital maps – the list goes on and on.
Artec 3D laser scanners
As we approach the end of our review, it makes sense to at this point look at some real examples of different laser scanners. Here at Artec 3D, we have two types of laser scanners. One is handheld and works best for medium-sized to large objects over short distances (0.35 – 1.2 m) – Artec Leo, while the other one is a phase-shift scanner with an operating range up to 110 meters – Artec Ray.
Artec Leo
Artec Leo is a portable, handheld, and versatile triangulation-based structured light laser scanner that remains in a league of its own. All thanks to the built-in computing unit, HD display, Wi-Fi, and a battery that enables scanning and reviewing results in real-time with no other gear (PC or tablet) needed. The scanner can capture up to 35 million points per second and create highly detailed point clouds with 0.1 mm precision and 0.2 mm resolution in a matter of seconds. The large field of view (838 × 488 mm for the furthest range) allows Leo to scan and process quite a variety of object sizes, from small 20-50 cm parts to larger objects or even scenes, from 50 to 200 cm and bigger. Leo utilizes Class 1 VCSEL laser as a light source, which is completely safe for eye exposure, and can be used for scanning both inanimate objects and people. Leo’s design provides complete autonomy and flexibility over the scanning process, which is why its applications go far and wide: from reverse engineering and CAD-based design to healthcare, archeology, forensics, and many more.
Artec Ray
Artec Ray is a phase-shift long-range laser scanner designed to capture large and very large objects, such as buildings, airplanes, wind turbines, and the like, with submillimeter accuracy. The scanner has an operating range of 110 meters and can capture up to 208,000 points per second by rotating 360 degrees around itself and vertically with a 270-degrees viewing angle. Unlike many long-range scanners, Ray acquires highly accurate and clean data, which makes it usable for reverse engineering and quality inspection purposes. It comes with a tripod and can work autonomously both indoors and outdoors, thanks to a built-in battery, onboard Wi-Fi, and a mobile app that enables remote control of the scanner. The data captured with Artec Ray can complement more dense and feature-rich scan data acquired with Artec’s handheld scanners.
