Разбираемся в разных источниках света в 3D-сканерах

1. Метод 3D-измерения: структурированный свет

Суть метода в том, что световой узор проецируется на поверхность и деформируется по всей площади. Камеры фиксируют эти искажения. Анализируя их, система вычисляет трехмерную геометрию объекта и генерирует облако точек — цифровую карту поверхности. Таким образом, можно измерять даже очень мелкие детали.

Сканеры со структурированным светом (еще их называют оптическими) отличаются высокой точностью измерений и высокой скоростью получения данных. Безопасны для человека. Эффективны на близких и средних дистанциях и для объектов малого и среднего размера. В то же время такие сканеры чувствительны к яркому внешнему освещению.

Источники структурированного света

Белые светодиоды

Традиционно в 3D-сканерах использовался именно белый свет, представляющий собой комбинацию излучений различных длин волн. Во многих случаях белые LED применяются в тех же классах задач, что и синие (реверс-инжиниринг, контроль качества). Выбор между двумя типами светодиодов зависит от требований к точности, типа поверхности и условий освещения.

Особенности

• Широкий спектр белого света позволяет лучше захватывать естественные цвета объекта и текстуры при использовании цветных камер.
• По сравнению с синим LED белые хуже работают с блестящими, темными и полупрозрачными поверхностями.
• Меньше потенциальная точность и разрешение по сравнению с синим цветом.
• Белые светодиоды хорошо работают в помещении со стабильным, контролируемым и не слишком ярким освещением.
• Главный недостаток белых LED: они хуже, чем синие, фильтруют помехи от окружающего освещения, что снижает качество данных.

Модели сканеров с белыми LED

RangeVision Spectrum >>

RangeVision NEO >>

Creaform Go!SCAN Spark >>

Синие светодиоды

Большинство современных сканеров метрологического уровня оснащено синими светодиодами. Это более современная технология, подходящая для решения сложных измерительных задач.

Особенности

• Синий светодиод работает в узком спектральном диапазоне, что позволяет лучше фильтровать помехи от окружающего освещения при 3D-сканировании. Преимущество дает комбинация со встроенным в сканер фильтром, пропускающим только определенный диапазон света. Белому LED сложнее создать узкополосный сигнал, который можно легко отделить от фона.

• Синий свет создает более контрастный рисунок на объекте. Это помогает камерам точнее считывать искажения, что приводит к снижению шума и повышению детализации.

• В ряде случаев синий свет лучше справляется со сканированием темных и блестящих поверхностей. Однако результат зависит от материала, его отражательной способности и конкретной оптической системы.

• В целом, 3D-сканеры, использующие синий свет, обеспечивают более высокую точность и качество данных.

ИК-структурированный свет

Этот источник подразумевает использование невидимого глазу света. Он встречается как в сканерах со структурированным светом, когда на объект проецируется ИК-паттерн, так и в лазерных, речь о которых ниже. Разница в типах устройств на основе ИК-подсветки заключается в сценариях применения.

Особенности

• Инфракрасный свет не воспринимается глазом и не вызывает дискомфорта в отличие от яркого белого или синего света, что важно при сканировании людей.
• Устройства с ИК-подсветкой обеспечивают высокую скорость, но могут уступать в точности системам с синими светодиодами.
• ИК-подсветка эффективна в условиях низкой освещенности.

VCSEL

Для подачи инфракрасной подсветки используются разные типы излучателей, например VCSEL — вертикально-излучающий лазер, позволяющий регулировать интенсивность подсветки для качественной передачи данных о поверхности.

По сравнению с LED, VCSEL имеют более высокую спектральную точность, большую скорость отклика, дольше служат и позволяют работать на больших расстояниях.

VCSEL используется и для ИК в лазерном сканировании.

Ручной 3D-сканер Artec Leo оснащен VCSEL в качестве подсветки для струтктурированного света

Метод измерения: лазерное сканирование

Суть метода в том, что сканер проецирует лазерный луч на поверхность, регистрирует отраженный свет и вычисляет расстояние до множества точек объекта. Полученные пространственные координаты образуют облако точек, которое затем используют для анализа, измерений и построения 3D-модели.

Один из методов вычисления - триангуляция: определение расстояний путем образования треугольника между источником лазерного излучения, объектом и датчиком сканера. Применения: измерения на малых расстояниях, объекты малого и среднего размера.

Источники света для лазерной триангуляции

Синий лазер

• Системы с синим лазером часто лучше справляются с шумом и деталями на сложных поверхностях.
• Сканирование синим лазером отлично подходит для контроля качества и высокоточных измерений.
• Для измерения в реальных производственных условиях мелких прецизионных деталей с жесткими допусками часто лучше подходят именно 3D-сканеры с синим лазером, особенно если есть темные/металлические поверхности и нужна высокая детализация краев и отверстий.

Как и всегда, выбор устройства зависит от конкретной задачи: иногда гибридные системы (например, синий лазер + LED) или специализированные КИМ могут быть предпочтительнее.

Красный лазер

Это зрелая, недорогая и хорошо отработанная технология.

• Сканеры с более длинной волной стабильно работают на матовых и низкоотражающих поверхностях (гипсовые модели, деревянные объекты, керамика и т.д.),
• Подходят для быстрых и универсальных задач, измерения крупных деталей и базового реверс-инжиниринга.
• Многие ручные сканеры оснащены безопасными для сканирования людей красными лазерами класса II.
• Используются как в промышленности, так и в исследовательских лабораториях.

ИК-подсветка для лазерной триангуляции

Как уже говорилось выше, этот источник подразумевает использование невидимого глазу света. ИК-триангуляция являетя рациональным выбором для задач, где важна стабильность в условиях внешней засветки и умеренная или высокая точность на матовых поверхностях. Для зеркальных, темных и полупрозрачных поверхностей ИК‑триангуляция, как и видимые лазеры, может потребовать подготовки.

Сценарии использования

1. Контроль геометрии и допусков деталей и сборок, оснастки, а также сварных швов, кромок, стыков в автомобилестроении, металлоконструкциях, трубопроводах и т.д.

2. Оцифровка сложных и крупных деталей для создания/обновления CAD‑моделей: автомобильные, аэрокосмические компоненты, инструмент, пресс‑формы.

3. Восстановление изношенных/утраченных деталей.

LiDAR

Работа лидаров основывается на не лазерной триангуляции, а на других технологиях измерения расстояния до объекта по отраженному лазеру. Это время пролета и фазовый сдвиг.

1. Время пролета: вычисление времени, необходимого для отражения лазерного импульса обратно к сканеру. Применение: крупные объекты, геодезия, архитектура, наружное сканирование.

2. Фазовый сдвиг: измерение расстояния путем сравнения фазы испущенной и отраженной непрерывной лазерной волны. Применение: здания, заводы, средние дистанции. Высокая скорость сканирования.

Особенности

• Лидар генерирует плотное облако точек с высокоточными координатами X, Y, Z, что позволяет создавать детализированные 3D-модели.
• Так как лидар сам генерирует свет, он эффективно работает в условиях низкой освещенности.
• Современные лидары могут испускать до 2 миллионов импульсов в секунду. Это позволяет быстро сканировать огромные территории с воздуха или с земли.
• Основной недостаток — сложности с темными и отражающими поверхностями, такими как стекло или вода, которые поглощают или рассеивают лазерный луч.

Сценарии применения

• Создание цифровых моделей рельефа, топографических карт, мониторинга береговой линии и оценки последствий стихийных бедствий.
• Создание цифровых двойников зданий, мостов, заводов и промышленных площадок.
• Точный подсчет объемов штабелей руды или угля на складах и карьерах.
• Лидар является ключевым сенсором для навигации и построения карт местности в реальном времени. Это позволяет роботам и беспилотным автомобилям видеть препятствия, избегать столкновений и передвигаться в условиях, опасных для человека.
• Оценка высоты деревьев, биомассы и структуры лесного полога.

Гибридные модели сканеров

Многие современные профессиональные сканеры являются гибридными и предлагают несколько режимов работы. Например, они могут использовать ИК-подсветку для быстрого сканирования людей и крупных объектов, и синий лазер для высокоточной оцифровки промышленных деталей с жесткими допусками.