Che cos'è la scansione 3D laser?

24 gen 2022
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RIEPILOGO

In questa guida diamo uno sguardo più approfondito a una delle tecnologie di scansione 3D più popolari: la scansione 3D laser. Dopo averla letta, avrai familiarità con tutti i tipi di scanner indicati come "laser", come funzionano, dove sono più utili e per cosa vengono utilizzati.

Tipi di scanner laser divisi per tecnologia
Tempo di volo, differenza di fase, triangolazione
Tipi di scanner laser divisi per prodotto
Portatile, montato su treppiede, desktop
Tipi di scanner laser divisi per distanza di scansione
Corto raggio (fino a 5 m), medio raggio (fino a 120 m), lungo raggio (fino a 2 km)

Al giorno d'oggi esistono diversi modi e tecnologie per portare un oggetto dal mondo reale allo spazio 3D digitale. Si può fare con vari tipi di scanner 3D: desktop, palmare o montato su treppiede, industriale o per privati; macchine fotografiche e software di fotogrammetria; sistemi di misurazione a contatto; smartphone o tablet con sensori LiDAR integrati; sistemi mobili, terrestri, aerei e altro ancora.

In questo articolo, ci concentreremo su una delle tecnologie di scansione più popolari, utilizzata ovunque, dall'edilizia e il rilevamento del territorio alla medicina legale e alla conservazione del patrimonio: la scansione laser 3D. Vedremo quali tipi di scanner sono indicati come "laser", come funziona ciascuno di essi e dove e per cosa vengono utilizzati questi dispositivi.

Che cos'è uno scanner laser 3D?

Quando le persone sentono il termine "scanner 3D laser", potrebbero immaginare diversi tipi di dispositivi di scansione, a seconda del loro background e area di competenza. Un designer industriale, ad esempio, potrebbe immaginare un'unità portatile operata a mano in grado di catturare oggetti di piccole e medie dimensioni a breve distanza, mentre per un operaio edile sarebbe uno scanner terrestre montato su treppiede adatto a rilevare e misurare oggetti più grandi come edifici o intere aree esterne. Un tecnico di rilevamento e mappatura, d'altra parte, immaginerebbe probabilmente un'auto o un drone con un sistema di scansione a bordo utilizzato per mappare il terreno mentre si muove. E tutti avrebbero ragione, perché ciascuno dei dispositivi sopra elencati può essere correttamente definito uno scanner laser 3D.

Quindi, cos'è la scansione laser e quali dispositivi possono essere chiamati scanner laser?

Per farla semplice, la scansione laser è un processo di acquisizione di informazioni tridimensionali precise a partire da un oggetto del mondo reale, un gruppo di oggetti o un ambiente, utilizzando un laser come fonte di luce. Proiettando la luce laser sull'oggetto, lo scanner crea nuvole di punti, milioni di punti XYZ misurati con precisione che definiscono la posizione dell'oggetto nello spazio. Alcuni scanner laser consentono la possibilità di scaricare il modello come nuvola di punti, mentre altri lo convertono automaticamente in una mesh triangolata, che può quindi essere trasformata in un modello CAD o in un modello 3D a colori se è supportata la registrazione della texture.

Uno scanner laser a lungo raggio che viene preparato per l'uso su una nave al largo (Foto per gentile concessione di ASOM)

A differenza dei sistemi di misurazione basati su contatto che abbiamo recensito in precedenza, gli scanner laser 3D sono dispositivi attivi al 100% senza contatto e non distruttivi in grado di catturare oggetti realizzati con materiali solidi e fragili. Possono funzionare al chiuso, ma alcuni possono funzionare anche all'aperto. Possono essere utilizzati alla luce del giorno o di notte e possono essere sia fissi che portatili. Possono essere utilizzati a un'ampia gamma di distanze per scansionare un'ampia gamma di oggetti e luoghi, da molto piccoli a molto grandi.

PUNTO CHIAVE

Dispositivi senza contatto e non distruttivi, gli scanner laser catturano le coordinate XYZ di miriadi di punti sulla superficie di un oggetto per calcolarne le dimensioni, ricostruirne la forma in un ambiente 3D e definirne la posizione nello spazio, il tutto con una precisione sorprendente.

A seconda dell'applicazione, gli scanner laser 3D possono essere forniti come dispositivi autonomi, portatili, fissi o montati su treppiede, o come parte di una soluzione più complessa come bracci robotici, sistemi di scansione laser mobili o aerei e altro ancora. Dal punto di vista tecnologico, ci sono scanner laser basati sul tempo di volo, sulla differenza di fase e sulla triangolazione.

Diamo un'occhiata più da vicino ai tipi più popolari di scanner laser e al loro funzionamento.

Tipi di scanner laser

#1. Tempo di volo

Il primo tipo di scanner laser tipicamente utilizzato per l'acquisizione di dati a lungo raggio è detto a Tempo di Volo (Time of flight, o TOF). Tali scanner 3D funzionano secondo lo stesso principio dei telemetri laser: un impulso laser viene inviato su un oggetto, e una parte dell'impulso viene riflessa dalla superficie dell'oggetto e ritorna allo scanner. La distanza dall'oggetto è calcolata dal tempo di volo dell'impulso, utilizzando questa formula: Distanza = (Velocità della luce x Tempo di volo) / 2). Questa distanza viene quindi utilizzata per calcolare una coordinata per la minuscola sezione della superficie colpita dal raggio laser.

Come funziona il principio di misurazione del tempo di volo

Gli scanner 3D a tempo di volo possono catturare oggetti fino a 1.000 metri di distanza. Tuttavia, il loro raggio d'azione tipico è di 5-300 metri. Sebbene i sistemi TOF possano misurare su lunghe distanze, hanno le velocità di cattura dei dati più basse, tra centinaia e migliaia di punti al secondo.

L'accuratezza della tecnologia TOF è determinata dalla capacità del sistema di misurare accuratamente il tempo del segnale di ritorno. Sebbene le specifiche di precisione varino tra i diversi sistemi, la precisione tipica per uno scanner TOF è di 4-10 mm. I sistemi TOF più recenti includono anche un'opzione di didascalia RGB aggiuntiva, tramite una telecamera interna o un set di telecamere esterne.

#2. Differenza di fase

Gli scanner 3D a differenza di fase (detti anche a sfasamento) emettono luce laser a frequenze alternate e determinano la distanza di un oggetto misurando la differenza di fase tra i segnali emessi e riflessi. A differenza degli scanner a tempo di volo, gli scanner a differenza di fase funzionano a distanze più brevi, da 80 a 120 metri al massimo, con un raggio operativo tipico da 1 a 50 metri.

Come funziona il principio di misurazione dello sfasamento

Gli scanner 3D basati su sfasamento sono spesso classificati come gli scanner laser più veloci, con alcuni sistemi che vantano un tasso di cattura fino a un milione di punti/secondo. Hanno anche una maggiore precisione e risoluzione rispetto agli scanner TOF. E, come gli scanner TOF, includono opzioni di acquisizione del colore interne o esterne.

PUNTO CHIAVE

Tutti gli scanner laser emettono luce laser ma utilizzano tecnologie diverse per interpretare i segnali in ingresso. Gli scanner a tempo di volo registrano il tempo impiegato dalla luce emessa per tornare una volta che rimbalza sulla superficie di un oggetto, gli scanner a differenza di fase misurano la differenza di fase tra i segnali emessi e riflessi e gli scanner a triangolazione calcolano l'angolo al quale ritorna un raggio in uscita al sensore.

Grazie alla loro elevata precisione, gli scanner a differenza di fase funzionano al meglio per esigenze di scansione a medio raggio come grandi pompe, automobili e apparecchiature industriali. Sia i sistemi a differenza di fase che quelli a tempo di volo possono essere utilizzati anche in applicazioni di scansione terrestre in cui è possibile rilevare oggetti o strutture più grandi di un paio di metri fino a diversi chilometri.

I sistemi di scansione TOF terrestri e basati su sfasamento possono essere forniti come apparecchiature fisse montate su treppiede, che possono essere utilizzate così come sono o montate su veicoli terrestri o aerei per progetti che richiedono informazioni su vasti paesaggi o aree inaccessibili.

#3. Triangolazione

Il terzo tipo di scanner laser funziona secondo il principio della triangolazione, in cui la luce laser viene emessa e riportata in una posizione specifica su un array di sensori di immagine di una fotocamera interna. Per calcolare la distanza tra l'oggetto e lo scanner 3D, il sistema utilizza la triangolazione trigonometrica dato che la sorgente laser, il sensore e il marcatore lasciato sull'oggetto formano un triangolo. La distanza tra la sorgente laser e il sensore è nota in modo molto preciso, così come l'angolo tra il laser e il sensore. Quando la luce laser rimbalza sull'oggetto scansionato, il sistema può misurare l'angolo con cui ritorna al sensore e quindi la distanza dalla sorgente laser alla superficie dell'oggetto.

Come funziona il principio di misurazione della triangolazione

Gli scanner laser basati sulla triangolazione funzionano a distanze molto più corte (meno di 5 metri) rispetto agli scanner a tempo di volo o a differenza di fase a causa della ridotta gamma dinamica dei sensori di immagine e della ridotta precisione sulla portata. La maggior parte dei sistemi di triangolazione è inoltre dotata di un'opzione di acquisizione RGB interna.

Comunemente, gli scanner basati sulla triangolazione sono più adatti per la scansione di oggetti più piccoli di dimensioni comprese tra 1 cm e 2-3 metri, a seconda del produttore. Per quanto riguarda il fattore di forma, ci sono scanner di triangolazione sia fissi che montati su treppiede. Tuttavia, questa tecnologia incontra il maggior successo quando viene utilizzata in scanner 3D portatili operati a mano.

Applicazioni per scanner laser

Gli scanner laser sono utilizzati in un'ampia varietà di campi e per un'ampia varietà di applicazioni: dall'edilizia e l'ingegneria civile alla medicina legale e l'archeologia. Man mano che la tecnologia diventa più economica, più leggera e più piccola, sempre più industrie si stanno avvicinando alla scansione laser. Di seguito sono elencate alcune applicazioni di questi dispositivi.

Reverse engineering

Scansione del telaio di un'auto con scanner 3D a triangolazione laser a corto raggio

Dai piccoli componenti meccanici agli enormi oggetti industriali, gli scanner laser sono diventati una tecnologia essenziale nei kit di strumenti dei professionisti coinvolti nella progettazione e nello sviluppo del prodotto. Un tempo un processo complicato che poteva richiedere giorni di smontaggio, misurazioni manuali dettagliate e il meticoloso processo di esame di ogni parte di un prodotto, grazie alla scansione laser il reverse engineering ora richiede solo pochi minuti per un modello di superficie CAD e poche ore per un modello CAD parametrico. Gli scanner vengono utilizzati per creare progetti digitali accurati di parti che sono state danneggiate o deformate e che necessitano di una riprogettazione ma non dispongono dei propri dati CAD. Gli scanner laser portatili con processori incorporati sono perfetti per esaminare oggetti di piccole e medie dimensioni, mentre i dispositivi a medio e lungo raggio funzionano meglio per oggetti più grandi. La creazione istantanea di modelli CAD libera ore se non giorni di lavoro, che i team di ricerca e sviluppo possono dedicare all'effettivo miglioramento del prodotto.

Ispezione della qualità

Ispezione di tubature con uno scanner laser

Un'altra fase importante del processo di produzione, nonché un'altra area rivoluzionata dagli scanner laser, è l'ispezione di qualità. Un settore tradizionalmente dominato da tecniche di misurazione manuali basate sul contatto, grazie alla scansione laser i flussi di lavoro di ispezione della qualità possono ora essere eseguiti in modo molto più veloce, più accurato e con dati molto più misurabili. Ciò a sua volta si traduce in un minor numero di cicli di iterazione e una consegna più rapida dei prodotti al cliente. A differenza delle CMM che in genere possono acquisire solo dozzine di misurazioni di punti, una alla volta, devono essere a contatto fisico con la superficie e richiedono la programmazione per ogni nuova parte da esaminare, gli scanner laser possono acquisire milioni di misurazioni per vari tipi di oggetti con un un'ampia gamma di complessità geometriche in una frazione del tempo e completamente senza contatto.

PUNTO CHIAVE

Gli scanner laser si sono dimostrati strumenti di misurazione efficaci sia per la produzione industriale che per le applicazioni a livello del consumatore: dal reverse engineering al controllo qualità, alla medicina legale e alle auto a guida autonoma.

Gli scanner a triangolazione laser a corto raggio che si presentano sotto forma di dispositivi palmari portatili offrono un'estrema flessibilità sui tipi di oggetti da ispezionare, nonché sulla loro posizione. Sono ottimi per catturare parti molto complesse che sarebbero impossibili da misurare a mano o con un tastatore in movimento. Grazie al loro design leggero, tali dispositivi consentono ai responsabili del controllo qualità di essere più mobili, non vincolati a un luogo o a un'area particolari.

Gli scanner laser a lungo raggio sono perfetti per esaminare e raccogliere dati accurati e misurabili da oggetti di grandi dimensioni e possono anche essere abbinati a una soluzione di scansione portatile per acquisire elementi più piccoli con dettagli elevati. Il modello 3D risultante acquisito con uno scanner laser può essere elaborato in un software di elaborazione della scansione, quindi convertito in un file CAD. In questa fase, può essere confrontato con il modello CAD originale e possono essere identificate le parti fuori tolleranza.

Indagini forensi

Cattura di una scena del crimine con scanner 3D a triangolazione laser

Grazie alla loro capacità di catturare grandi spazi come interni di stanze, edifici e interi siti, gli scanner laser stanno diventando la nuova soluzione di riferimento per la documentazione e l'indagine accurata delle scene del crimine e la ricostruzione di incidenti. A differenza dei metodi tradizionali di raccolta delle prove come foto e videocamere e nastri di misurazione, gli scanner laser consentono agli investigatori di catturare intere scene del crimine nel loro stato originale, con dimensioni precise per ogni elemento di prova, sia esso un corpo, un'impronta o un foro di proiettile, il tutto in pochi minuti.

Gli scanner laser portatili operati a mano con processori incorporati sono perfetti per catturare velocemente oggetti autonomi in più posizioni, e possono essere portati quando sono necessari dati più accurati, ad esempio una scansione più ravvicinata di un cadavere, un pezzo danneggiato di mobili o la scansione ravvicinata di un'impronta lasciata dal criminale. Gli scanner a lungo raggio, invece, sono utili per catturare un intero spazio. Posizionandoli al centro della stanza dove si vuole eseguire la scansione, eseguita in modo completamente automatico, l'investigatore può impegnarsi in altre parti del proprio lavoro, come parlare con testimoni e vittime, senza bisogno di controllare lo scanner. I dati 3D consentono agli esperti forensi di avere un quadro più completo e molto più dettagliato di una scena del crimine e di costruire testimonianze più forti e decisive da presentare in aula.

Edilizia (BIM)

Scansione 3D di un magazzino con uno scanner laser a lungo raggio su treppiede

Un'altra applicazione popolare degli scanner laser terrestri a lungo e medio raggio, in particolare tra architetti e tecnici edili, è la cattura 3D di edifici e interi cantieri. Tali dispositivi consentono ai proprietari di strutture o ai responsabili dei progetti di costruzione di creare rapidamente una documentazione accurata e una visualizzazione 3D degli edifici esistenti e delle loro condizioni. Sono inoltre utilizzati per monitorare lo stato di avanzamento della costruzione e l'ispezione di qualità dei progetti di nuova costruzione e confrontarli con un modello del progetto originale. Gli scanner laser, se utilizzati per le misurazioni manuali, non solo fanno risparmiare tempo e denaro ma aumentano anche le condizioni di sicurezza quando si lavora in luoghi non sicuri. Gli scanner laser 3D possono essere utilizzati durante l'intero ciclo di vita dell'edificio e forniscono dati 3D permanenti e ricchi che possono essere utilizzati per progetti di ristrutturazione o nuovi edifici e accessibili in qualsiasi momento.

Archeologia

Catturare il cranio di un triceratopo con uno scanner laser portatile a corto raggio (Immagine di David Cano / 3D Printing Colorado)

L'archeologia è un'altra area in cui gli scanner laser sono diventati strumenti indispensabili per la documentazione 3D degli scavi archeologici, che si tratti di un singolo osso di un animale estinto o di un'antica città. Gli scanner laser portatili operati a mano con processori incorporati sono utili nel lavoro sul campo e consentono agli archeologi la completa autonomia nel catturare le loro scoperte. Grazie allo schermo integrato, possono mostrare i risultati di ciò che scansionano in tempo reale, senza doversi portare dietro un laptop o un tablet aggiuntivo. I sistemi di scansione laser terrestri e aerei a lungo raggio vengono applicati con successo per mappare la topografia, pianificare gli scavi e individuare siti archeologici che i ricercatori non sarebbero mai in grado di vedere ad occhio nudo, e rimarrebbero così nascosti per sempre.

Gli scanner laser consentono agli archeologi di raccogliere dati affidabili e ad alta risoluzione molto più rapidamente di quanto sarebbero in grado di fare con altri metodi come stazioni totali, dispositivi GPS o fotogrammetria, risparmiando loro centinaia di ore di lavoro durante uno scavo. Grazie alla loro natura non distruttiva e senza contatto, possono essere utilizzati per catturare pezzi storici fragili e vulnerabili nel loro stato originale. I dati raccolti possono essere utilizzati per la documentazione archeologica e per la creazione di modelli di realtà virtuale, restauro, conservazione e dimostrazione di scoperte archeologiche per il pubblico.

Mappatura mobile

Un esempio di un sistema di mappatura laser a bordo di un veicolo

Un'altra applicazione degli scanner laser a lungo raggio è la mappatura mobile, il processo di raccolta di dati geospaziali 3D, in altre parole, dove gli oggetti si trovano sulla Terra, da un veicolo mobile sia terrestre (auto, treni, barche) che aereo (droni, elicotteri o aerei). I sistemi di mappatura mobile sono generalmente dotati di varie tecnologie di navigazione e telerilevamento come GNSS, telecamere e LiDAR. La combinazione di tutte queste tecnologie consente ai professionisti di visualizzare, registrare, misurare e comprendere gli ambienti, che si tratti della gestione di reti stradali e ferroviarie, della pianificazione urbana, dell'analisi di strutture subacquee o sotterranee, del miglioramento della sicurezza nelle infrastrutture delle centrali elettriche, della progettazione di mappe digitali: e l'elenco va avanti.

Scanner laser 3D Artec

Mentre ci avviciniamo alla fine della nostra recensione, ha senso guardare alcuni esempi reali di diversi scanner laser. Noi di Artec 3D abbiamo due tipi di scanner laser. Uno è portatile e funziona al meglio per oggetti di medie e grandi dimensioni su brevi distanze (0,35 – 1,2 m) – Artec Leo, mentre l'altro è uno scanner a differenza di fase con un raggio operativo fino a 110 metri – Artec Ray.

Artec Leo

Artec Leo è perfetto per catturare oggetti di medie e grandi dimensioni con una risoluzione fino a 0,2 mm e una precisione di 0,1 mm

Artec Leo è uno scanner laser a luce strutturata basato sulla triangolazione portatile, operabile a mano e versatile, un campione nel suo campo. Tutto questo grazie alla sua unità di calcolo, display HD, Wi-Fi e batteria integrati che consentono la scansione e la revisione dei risultati in tempo reale senza bisogno di altri dispositivi (PC o tablet). Lo scanner può acquisire fino a 35 milioni di punti al secondo e creare nuvole di punti altamente dettagliate con precisione di 0,1 mm e risoluzione di 0,2 mm in pochi secondi. L'ampio campo visivo (838 × 488 mm per l'intervallo più lontano) consente a Leo di scansionare ed elaborare oggetti di dimensioni piuttosto diverse, da piccole parti di 20-50 cm a oggetti più grandi o persino scene, da 50 a 200 cm e oltre. Leo utilizza il laser VCSEL di classe 1 come sorgente luminosa, che è completamente sicuro per l'esposizione degli occhi e può essere utilizzato per la scansione sia di oggetti inanimati che di persone. Il design di Leo offre completa autonomia e flessibilità nel processo di scansione, motivo per cui le sue applicazioni sono innumerevoli: dal reverse engineering e la progettazione basata su CAD all'assistenza sanitaria, l'archeologia, la medicina legale e molto altro.

Artec Ray

Artec Ray può catturare oggetti di grandi dimensioni con una precisione submillimetrica fino a 110 metri di distanza

Artec Ray è uno scanner laser a lungo raggio a differenza di fase progettato per catturare oggetti grandi e molto grandi, come edifici, aeroplani, turbine eoliche e simili, con una precisione submillimetrica. Lo scanner ha un raggio di azione di 110 metri e può acquisire fino a 208.000 punti al secondo ruotando di 360 gradi su se stesso e verticalmente con un angolo di visione di 270 gradi. A differenza di molti scanner a lungo raggio, Ray acquisisce dati estremamente precisi e puliti, rendendoli utilizzabili per scopi di reverse engineering e ispezione della qualità. Viene fornito con un treppiede e può funzionare autonomamente sia all'interno che all'esterno, grazie a una batteria integrata, Wi-Fi integrato e un'app mobile che consente il controllo remoto dello scanner. I dati acquisiti con Artec Ray possono integrare dati di scansione più densi e ricchi di funzionalità acquisiti con gli scanner portatili di Artec.

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.

 How phase shift measurement principle works

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.

 How triangulation measurement principle works

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

 Scanning the undercarriage of a car with short-range laser triangulation 3D scanner

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

 Inspecting the pipes with a laser scanner

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

 Capturing a crime scene with laser triangulation 3D scanner

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)

 3D scanning a warehouse with a tripod-based long-range laser scanner

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

 Capturing the skull of a triceratops with a handheld short-range laser scanner (Image by David Cano / 3D Printing Colorado)

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

 An example of a vehicle-borne laser mapping system

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 perfect for capturing medium-sized to large objects with up to 0.2 mm resolution and 0.1 mm precision

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 can capture large objects with submillimeter accuracy from up to 110 meters away

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.

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SCRITTO DA:
svetlana_golubeva

Svetlana Golubeva

Giornalista tecnico