Auf Lasertriangulation basierende optische Scanner sind seit vielen Jahren auf portablen Messarmen oder ortsfesten Koordinatenmessmaschinen im Einsatz. Angesichts der wachsenden Bedeutung von 3D-Scanlösungen für das Reverse Engineering sowie der rasanten Weiterentwicklung von 3D-Druckverfahren sind sie häufig dann das Messmittel der Wahl, wenn große oder komplexe Bauteile mit hoher Genauigkeit berührungslos erfasst werden sollen.

Der Einzug neuer Materialien und Bearbeitungsprozesse führt Laserscanner jedoch an ihre Grenzen: Hoch reflektierende Materialien wie maschinell bearbeitetes Aluminium oder Carbonfaser-Verbundstoffe stellen eine besondere technische Herausforderung für diese Messsysteme dar, ebenso wie Oberflächen mit verschiedenen Farben oder mit Bereichen unterschiedlicher Reflexion. Bestimmt wird die Qualität einer optischen Messung durch drei wesentliche Komponenten. Dies sind – vereinfacht ausgedrückt– die physikalischen bzw. optischen Eigenschaften der Beleuchtung, die technischen Eigenschaften der bildgebenden Komponenten und die optischen Eigenschaften der zu messenden Oberfläche. Höchste Bedeutung haben dabei Parameter wie die Apertur, also der Öffnungswinkel der Optik, die Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle und der Triangulationswinkel des Systems. Sie spielen bei Messungen mit Laserscannern eine dominante Rolle, denn über diese Parameter lassen sich die optische Auflösung des Systems und die Genauigkeiten bestimmen und auch variieren. Ein weiteres Kriterium ist die Größe des Laserpunkts, die so gewählt werden muss, dass sie zur optischen Auflösung und zur Pixelauflösung des Systems passt. Betrachtet werden soll zunächst die Beleuchtung mit der Laserlichtquelle. Eine kürzere Wellenlänge, also z. B. die Verwendung eines blauen anstelle eines roten Lasers, verbessert die optische Auflösung des Systems, und das sogar proportional zur Wellenlänge. Der Weg, den viele Anbieter von Laserscannern in den letzten Jahren durch den Wechsel hin zu blauen Lasern beschritten haben, ist also im ersten Moment durchaus nachvollziehbar. Berücksichtigt man nun auch die physikalischen bzw. optischen Eigenschaften des Messobjekts, z. B. das Reflexionsvermögen und die Farbe, und zieht weiterhin die technischen Spezifikationen des optischen Empfängers in Betracht, ergeben sich jedoch zusätzliche Aspekte. Je nach Material, Oberflächenqualität und Neigung der Oberfläche des Objekts wird mehr oder weniger Licht in den Empfänger – die Kamera – gelangen und zur Auswertung zur Verfügung stehen. Die Kamera wiederum besitzt ihre eigenen optischen Eigenschaften wie Empfindlichkeit und Signal-Rausch-Abstand (Signal- to-Noise Ratio, SNR). CCDKamerachips weisen in der Regel zum roten oder sogar infraroten Bereich des Spektrums hin eine höhere Empfindlichkeit auf, CMOSChips eher im sichtbaren Bereich zwischen 550 nm und 750 nm. Im blauen Bereich des Spektrums zeigen die meisten Kamerachips hingegen eine geringe bis sehr geringe Empfindlichkeit. Die geringe Lichtausbeute bei dieser Wellenlänge ist dann prinzipiell nur mit einer höheren digitalen Verstärkung auszugleichen, was aber eine gleichzeitige Verschlechterung des Signal-Rausch-Abstands bedeutet. Durch das daraus resultierende erhöhte Rauschen in den Messdaten gehen alle Vorteile der kürzeren Wellenlänge wieder verloren.

Beleuchtung und Beobachtung in Einklang bringen
Will man mit ein und demselben Laserscanner den unterschiedlichen messtechnischen Anforderungen Genüge tun, so gilt es, die oben beschriebenen Vor- und Nachteile zu kennen und gegeneinander abzuwägen, um eine möglichst gute Lösung zu konzipieren. Die Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge im grünen Bereich des Farbspektrums ermöglicht es, die Genauigkeit im Vergleich zur roten Laserlichtquelle zu steigern, und bietet Vorteile bei hoch reflektierenden Flächen oder auf Carbonfaser. Die Kombination mit einer Kamera, welche in diesem Bereich ihre maximale Empfindlichkeit zeigt, führt zu einer optimalen Ausbeute der in den Empfänger gelangenden Lichtmenge. Es ist nahezu keine digitale Verstärkung nötig, das Signal-Rausch-Verhältnis wird nicht verschlechtert, also kann der typische Qualitätsverlust durch SNR-Verringerung vermieden werden. Die drei für die Qualität der optischen Messung relevanten Komponenten sind damit optimal aufeinander abgestimmt, man könnte also im übertragenen Sinne sagen: sie liegen „auf einer Wellenlänge“.

Anforderungen aus der Praxis
Um einen hohen praktischen Nutzwert in der Fertigung zu erreichen, spielen konkrete Applikationsanforderungen eine wichtige Rolle, die der Messtechnik-Hersteller Perceptron bei der Entwicklung seines ScanR-Laserscanners –des weltweit ersten Scanners mit grünem Laserlicht– zu berücksichtigen hatte. Eine hohe Messgenauigkeit ist für viele Applikationen unabdingbar, Leistungsmerkmale wie mittlere Punktauflösung, Punktdichte, Messfrequenz und Scanrate sind für die Performance des optischen Scanners entscheidend. Die hohe Scanrate von bis zu 280.000 Punkten pro Sekunde und die extrem dünne Laserlinie sind in Verbindung mit dem grünen Laserlicht maßgebliche Faktoren für ein hervorragendes Scanergebnis des optischen Systems. Die präzise Erkennung der Objekt-Kanten ist eine weitere Problemstellung, die sich durch Sub-Pixel- Optimierung erfolgreich lösen lässt. Zeit ist Geld – um die für die Erfassung eines Bauteils erforderlichen Scanbewegungen der Messmaschine bzw. des Messarms zu minimieren, muss der Scanner über eine hohe Sichtfeldgröße und -tiefe verfügen. Außerdem wollen viele Anwender über die variable Einstellung der Datenerfassungsrate bedarfsbezogen entscheiden können, ob der Fokus bei einer Messaufgabe jeweils auf einer hohen Scanqualität oder auf einer hohen Scangeschwindigkeit liegt. Vor allem aber lässt sich das bei vielen anderen Verfahren erforderliche Aufsprühen einer Pulverschicht auf das Bauteil für die Messung und die anschließende Reinigung mit den Erfordernissen industrieller Produktionsprozesse kaum vereinbaren. Darüber hinaus kommt es in der Praxis häufig vor, dass an einem Bauteil verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Farben und Reflexionseigenschaften verbaut sind, was die optische Messung zusätzlich erschwert. Die zuverlässige Messung ohne Hilfsmittel löst eine ganze Reihe gängiger Applikationsprobleme und eröffnet zahlreiche neue praktische Einsatzmöglichkeiten für optische KMG-Scansysteme.