3D- Laserscanning 3D- LASERSCANNING. 1. Allgemein Funktion Scankopf D-Laserscanning D-Laserscanning...3

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1 3D- LASERSCANNING Inhaltsverzeichnis 1. Allgemein Funktion Scankopf D-Laserscanning D-Laserscanning Weitere Anwendung Beispielbilder Allgemein Laserscanning (auch Laserabtastung) bezeichnet das zeilen- oder rasterartige Überstreichen on Oberflächen oder Körpern mit einem Laserstrahl, um diese zu vermessen oder zu bearbeiten oder um ein Bild zu erzeugen. Geräte, die den Laserstrahl entsprechend ablenken, heißen Laserscanner. Ein Laserscanner besteht aus einem Scankopf und einer Treiber- und Ansteuerelektronik. Bei Messanwendungen wird das Ergebnis des Scanvorganges von Sensoren über den gleichen oder einen getrennten optischen Weg empfangen und von der Scannersoftware erfasst, die auch die anderen Komponenten anspricht und kontrolliert. 2. Funktion Scankopf Zum Erzeugen einer einzelnen Zeile wird der Winkel eines Spiegels verändert, an dem der Laserstrahl reflektiert wird. Das kann durch einen Galvanometerantrieb oder ein sich drehendes Spiegelprisma (Polygon) erfolgen, je nachdem, ob eine periodische oder eine frei programmierbare Bewegung erforderlich ist. 1

2 Zur zweidimensionalen Ablenkung müsste ein Spiegel in zwei Richtungen ausgelenkt werden um die Mechanik zu vereinfachen, werden jedoch meist zwei jeweils orthogonal zueinander bewegte Spiegel nahe beieinander aufgestellt, über die der Laserstrahl reflektiert wird. Die beiden Plan- bzw. Polygonspiegel werden von je einem Galvanometerantrieb oder einem Elektromotor angetrieben. Es gibt auch Laserscanner, bei denen eine zusätzliche Feder und entsprechende Ansteuerung für eine resonante Drehschwingung sorgen. Es existieren auch Scanköpfe zum 3D- Lasermarkieren, die neben den zwei Spiegeln für X- und Y-Achse noch eine verstellbare Optik für die Tiefe, also die Z-Achse besitzen. Damit ist es möglich, den Laser auch in der dritten Dimension anzusteuern und auf einen bestimmten Punkt zu fokussieren. Scan einer Flugzeughalle 3. 2D-Laserscanning Beim 2D-Laserscanning wird die Kontur von Gegenständen auf einer Ebene digital erfasst. In Sicherheitssystemen wird 2D-Laserscanning benutzt um zu erkennen, ob Personen oder Gegenstände definierte Gefahrenbereiche überschreiten um dann entsprechende Maßnahmen einleiten zu können (z. B. Abschaltung von Maschinen). 2D-Laserscanner werden auch eingesetzt um Objekte automatisch zu erkennen, so zum Beispiel auf den Lkw- Maut-Kontrollbrücken auf deutschen Autobahnen. Weitere Anwendungsgebiete sind die 2

3 Erstellung von Karten in der Robotik sowie die Erkennung von Hindernissen bei autonomen mobilen Robotern. Lkw-Maut-Kontrollbrücke 4. 3D-Laserscanning Beim 3D-Laserscannen wird die Oberflächengeometrie von Gegenständen mittels Pulslaufzeit, Phasendifferenz im Vergleich zu einer Referenz oder durch Triangulation von Laserstrahlen digital erfasst. Dabei entsteht eine diskrete Menge von dreidimensionalen Abtastpunkten, die als Punktwolke bezeichnet wird. Die Koordinaten der gemessenen Punkte werden aus den Winkeln und der Entfernung in Bezug zum Ursprung (Gerätestandort) ermittelt. Anhand der Punktwolke werden entweder Einzelmaße wie z. B. Längen und Winkel bestimmt oder es wird aus ihr eine geschlossene Oberfläche aus Dreiecken konstruiert (Vermaschung oder Meshing) und z. B. in der 3D-Computergrafik zur Visualisierung verwendet. Das Scannen des menschlichen Körpers oder von Körperteilen ist auch unter dem Begriff Bodyscanning bekannt. 3

4 Der Einsatz des Laserscanning findet zunehmend in der Architekturvermessung mit Schwerpunkten in der Bauforschung und Denkmalpflege Anwendung. Insbesondere verformte und beschädigte Bauwerke mit räumlich komplizierten Strukturen können schnell und vollständig erfasst werden. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise der Rohrleitungs- und Anlagenbau, die Archäologie, der Denkmalschutz, Re-Engineering und Qualitätssicherung sowie der Tunnelbau, die Forensik und Unfallforschung. Moderne Lasermesssysteme erreichen eine Punktgenauigkeit von bis zu 1 mm. Ein Laserscanner, dessen Entfernungsbestimmung nach dem Impuls- oder Phasenmessverfahren funktioniert, speichert zusätzlich die Reflektanz des reflektierten Laserlichtes ab. In Kombination mit einer Digitalkamera können die Punktwolken mit photorealistischen Texturen versehen werden. Im Bereich der Laserscanner, die nach dem Phasendifferenzverfahren (Phasenmessverfahren) arbeiten, wurden in den letzten Jahren enorme Fortschritte insbesondere in Hinblick auf die Abtastrate erzielt. So erreichen aktuelle Geräte Messgeschwindigkeiten von deutlich über D-Messpunkten pro Sekunde. Dabei wird, im Gegensatz zum Impulslaufzeitmessverfahren, ein kontinuierlicher Laserstrahl ausgesandt. Die Amplitude des ausgesandten Laserstrahls wird mit mehreren sinusförmigen Wellen unterschiedlicher Wellenlänge moduliert. Der entstehende zeitliche Abstand des empfangenen Signals gegenüber dem gesendeten Signal ist eine Folge der Entfernung zum Objekt. Bei gleichzeitiger Betrachtung der Phasenlage des gesendeten und des empfangenen Signals ergibt sich eine Phasendifferenz, die die Bestimmung des Objektabstandes erlaubt. 5. Weitere Anwendung Ist die Laserleistung ausreichend groß, kann die gescannte Oberfläche bearbeitet werden. Laserscanner werden insbesondere zum Gravieren, Schweißen und Härten eingesetzt. Auch beim Rapid Prototyping können Laserscanningverfahren zum Einsatz kommen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das In-Glass-Marking, die Herstellung einer dreidimensionalen Struktur innerhalb eines Glaskörpers. Scanner COMET 5 4

5 6. Beispielbilder Scannen einer Figur und sofortige Übertragung auf den PC Bodyscanning 3D Scannbild eines Unfallwagens 5