Laserové skenování Prof. Ing. Jiří Pospíšil, CSc. 154LSK Prof. Ing. Jiří Pospíšil, CSc. Katedra speciální geodézie Fakulta stavební ČVUT v Praze Místnost: B902a E-mail: pospisil@fsv.cvut.cz WWW: k154.fsv.cvut.cz Doporučená literatura: [1] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laserové skenovací systémy ve stavebnictví. Vega, 2003. 112 s. [2] Kašpar, M.- Pospíšil, J.- Štroner, M.- Křemen, T.- Tejkal, M.: Laser Scanning in Civil Engineering and Land Surveying. Vega, 2004. 103 s.

Program přednášek: Sudé úterý, 9:00 – 10:30, B971 Č. Datum Přednáška 1. 4.3.2008 Úvod. Fyzikální principy laserových skenovacích systémů. Bezpečnost práce.Souřadnicové výpočty 2. 18.3.2008 Teorie fungování terestrických skenovacích systémů. 3. 1.4.2008 Letecké laserové skenování. 4. 15.4.2008 Zpracování dat a dostupné softwary. Úvod do rekonstrukce povrchů – 1. 5. 29.4.2008 Úvod do rekonstrukce povrchů – 2. Přehled terestrických laserových skenovacích systémů. 6. 13.5.2008 Aplikace terestrických systémů. Ekonomické přínosy. 7. 27.5.2008 Rezerva.

Úvod. Fyzikální principy laserových skenovacích systémů. Bezpečnost práce. Osnova: 1. Skenování, základní pojmy. 2. Stručně o skenerech. 3. Lasery. 4. Principy měření délek. 5. Metody rozmítání svazku. 6. Bezpečnost práce s lasery.

1. Skenování, základní pojmy - neselektivní určování prostorových souřadnic objektu a jejich ukládání do paměti, - provádí se pomocí skeneru, automaticky podle nastavených parametrů, velkou rychlostí – stovky až tisíce bodů za sekundu. - je řízeno počítačem, - výsledkem je tzv. mračno bodů, které může mít až miliony bodů.

1. Skenování, základní pojmy Neselektivní:

2. Stručně o skenerech Skenery: - přístroje, které určují prostorovou polohu diskrétních bodů, obvykle na principu prostorové polární metody

3. Lasery Nejpoužívanější zdroj záření u skenerů; laser je z fyzikálního hlediska kvantově elektronický zesilovač elektromagnetického záření nejčastěji v oblasti viditelného světelného spektra a přilehlých vlnových délek; laser je založen na stimulované emisi fotonů v aktivním prostředí. Za normálních podmínek se většina atomů, iontů nebo molekul, které tvoří aktivní prostředí laseru, nachází v nejnižším energetickém stavu. Jsou-li však tyto částice excitovány do vyšších energetických stavů vnějším zdrojem energie (intenzivní světelné záblesky, elektrický výboj), budou při přechodu do původního energetického stavu vyzařovat nekoherentní světelné záření.

3. Lasery Stimulovaná emise:

3. Lasery Základní prvky laseru: aktivní zesilovací prostředí (obsahuje atomy, ionty nebo molekuly schopné excitace na emisní energetické hladiny a které je schopné zajistit inverzi populace), zdroje energie (vyvolává excitaci), - optického rezonátoru (zajišťuje odraz fotonů na zrcadlech optického rezonátoru, a tím zesilování laserového záření).

3. Lasery Děje v laserovém optickém rezonátoru a) Nevybuzený stav b) Vybuzený stav - nejprve spontání emise - pak srážka emitovaného fotonu s vybuzenou částicí – stimulovaná emise fotonu c) d) odraz fotonů od zrcadel e) průchod některých fotonů částečně propustným zrcadlem – koherentní svazek

- pevnolátkové, plynové (He-Ne), kapalinové, chemické, - polovodičové. 3. Lasery Dělení laserů: - pevnolátkové, plynové (He-Ne), kapalinové, chemické, - polovodičové. Polovodičové lasery: - pracují v neviditelném spektru (780 až 815 nm, blízká infračervená oblast) i ve viditelné oblasti spektra (632 až 635 nm a 650 nm = červená, 532 nm = zelená).

3. Lasery Polovodičové lasery: ++ kompaktnost, ++ možnost přeladění v širokém spektrálním pásmu a pomocí výběru aktivního prostředí generace záření vlnových délek v širokém spektru, ++ nízká spotřeba elektrického proudu, ++ vysoká účinnost, ++ nízká citlivost na zacházení, -- rozbíhavost generovaného záření (dáno velikostí), -- velká závislost parametrů generovaného záření na teplotě aktivního polovodičového materiálu.

4. Principy měření délek měření vzdálenosti založeno převážně na elektronickém způsobu měření a nebo na optickém (protínání ze známé základny), - elektronické měření fázový dálkoměr, impulsní, frekvenční. Nejpoužívanější: Impulsní dálkoměr, měří se tranzitní čas, který elektromagnetický impuls potřebuje k projití dvojnásobku měřené délky. (2∙10-8 s odpovídá vzdálenosti 3 m, pro 3 mm je to 2∙10-11 s, tj. 20 ns).

optický (protínání ze známé základny), 4. Principy měření délek optický (protínání ze známé základny), - je založeno na řešení obecného rovinného trojúhelníku, ve kterém je známa délka jedné strany (tzv. základny) a k ní přilehlé úhly jsou známy nebo měřeny (jeden měřen, druhý známý). Nevýhodou této metody je pokles přesnosti s rostoucí měřenou délkou, omezujícím faktorem je zde délka základny. Tato metoda je vhodná na velmi krátké vzdálenosti (skenování blízkých předmětů), kde dosahuje vysoké přesnosti.

5. Metody rozmítání svazku skenery určují souřadnice bodů v po sobě následujících profilech, profily se vytváří rozmítáním svazku paprsků (obvykle laserového záření). Metody: pomocí rotujícího (kmitajícího) zrcadla, pomocí rotujícího odrazného hranolu, rotací zdroje záření, pomocí optických vláken, pomocí statického optického elementu.

5. Metody rozmítání svazku pomocí zrcadla, odrazného hranolu, rotací zdroje, pomocí optických vláken, pomocí statického optického elementu. - Rotující (kmitající) zrcadlo

5. Metody rozmítání svazku - rotující odrazný hranol Výhody oproti zrcadlům: neslepne, vyšší rychlost pohybu svazku paprsků (v závislosti na počtu hran), nemusí se vracet, příp. nemá mrtvou zónu.

5. Metody rozmítání svazku - rotace zdroje záření

5. Metody rozmítání svazku - pomocí optických vláken Základem je rotující zrcadlo, které rozmítá záření do optických vláken, které pak určují konečný počátek a směr šíření svazku paprsků.

5. Metody rozmítání svazku - pomocí statického optického elementu Vytváří v prostoru výseč světelné roviny, oproti ostatním trvale. Používá se u skenerů s měřením délky pomocí optické základny.

podrobně zpracována v [1], zde pouze: 6. Bezpečnost práce podrobně zpracována v [1], zde pouze: Legislativa: Směrnice č. 61 ministerstva zdravotnictví ČSR z roku 1982. ČSN EN 60825 a nařízení vlády č. 480/2000 Sb. o ochraně zdraví před neionizujícím zářením. Upozornění: pozorně studovat návod, respektovat zacházení s přístrojem podle bezpečnostní třídy, i když svazek paprsků není vidět, může oko poškodit (infračervené záření apod.).

Riziko poškození sítnice oka 6. Bezpečnost práce Riziko poškození sítnice oka Komplikovanost předpisů pro práci s lasery souvisí především s tím, že riziko poškození zdraví nezávisí jen na intenzitě emitovaného laserového záření, ale i na vlnové délce, dále na době, po kterou laser záření emituje a na rozbíhavosti (divergenci) laserového svazku.Téměř dokonalá rovnoběžnost paprsků vystupujícího svazku je hlavním rozdílem laseru proti jiným přírodním i umělým zdrojům světla. Vždy se bere nejméně příznivá situace - plně otevřená pupila oka s průměrem 7 mm, Výkon přenášený zářením, dělený obsahem plochy, kterou záření prochází, což je veličina nazývaná hustota zářivého toku, může na sítnici oka být až miliónkrát větší než hustota zářivého toku dopadajícího na rohovku, proto i laser, jehož zářivý tok je jen několik miliwattů, může poškodit sítnici.

6. Bezpečnost práce -Důležitým bodem pro hodnocení rizika při práci s lasery emitujícími kontinuální záření ve viditelném oboru je hustota zářivého toku 25 W/m2 patřící k době 0,25 s mrkacího reflexu (což je zhruba doba zpoždění fyziologického reflexu člověka na oslnění, člověk přeruší jeho působení na oko mrknutím a případně odvrácením hlavy od zdroje). -Proti působení neviditelného záření nechrání oko člověka žádný reflex, a pokud má toto záření vlnovou délku která prochází oční čočkou a soustředí se na malou plošku na sítnici, je nutné dodržet přípustnou hustotu zářivého toku dopadajícího na rohovku oka patřící k předpokládané době působení, která v tomto případě může být podstatně delší než 0,25 s.

6. Bezpečnost práce

6. Bezpečnost práce bezpečnostní třídy: I. : možno trvalý pohled do svazku paprsků, II. : kontinuální a viditelné záření, přímý pohled do zdroje možný, oko ochrání mrkací reflex, III. a) : totéž jako II., ale oko již může být poškozeno za pohledu do zdroje pomocí optické soustavy (např. dalekohled), III. b) : nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky (i při pozorování odrazu), max. emise 0,5 W, IV. : totéž jako III. b), emise překračuje výkon 0,5 W. V geodézii se obvykle používají přístroje tříd II a III. a). (pro srovnání: běžně používaná laserová ukazovátka mají výkon 1 – 5 mW).

Konec