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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Aufnahme eines Objektraumes mit einem Messkopf, der einen optoelektronischen Entfernungsmesser nach einem Signal-Laufzeitverfahren umfasst, mit einer Sendeeinrichtung zum Aussenden von optischen, insbes. von Laser-Signalen und einer Empfangseinrichtung zum Empfangen von optischen Signalen, insbes. von Laserstrahlung, die von im Zielraum befindlichen Objekten reflektiert wird.
Die Einrichtung umfasst ferner eine Scan-Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung, welche zur Ablenkung der Strahlen in einer Richtung einen Schwingspiegel, ein rotierendes Prisma od. dgl. aufweist, während zur Ablenkung der Strahlen in die andere Richtung der gesamte Messkopf verschwenkbar ist, wobei die Einrichtung mit einer Auswerteeinrichtung ausgestattet ist, die aus der Laufzeit bzw. der Phasenlage des ausgesandten optischen Signals Entfernungswerte ermittelt. In der neuen Einrichtung wird aus dem Bereich zwischen Schwingspiegel, rotierendem Prisma od. dgl. und Sende- und / oder Empfangseinrichtung bzw. aus letzterer ein Heiligkeitsund / oder Farbsignal abgeleitet, wobei jedem Bildelement ein Entfernungswert und Raumwinkel zugeordnet ist.
Durch die neue Einrichtung werden auf der einen Seite sogenannte Entfernungsbilder erzeugt, bei welchen die jedem Bildpunkt zugeordnete Entfernung beispielsweise in Grauwertstufen bzw. in Falschfarben codiert angezeigt wird. Auf der anderen Seite werden durch die neue Einrichtung Helligkeits- oder Farbbilder erzeugt, die mit den Entfernungsbilder deckungsgleich sind und daher diesen direkt überlagert werden können. Dies ist Insoferne von Bedeutung als Entfernungsbilder für sich vielfach schwierig zu interpretieren sind Das Entfernungsbild veranschaulicht nur in der Tiefe gestaffelte Strukturen, kann aber farbliche Strukturen in einer Fläche nicht auflösen, so dass manchmal wichtige Informationen, wie Aufschriften, Bremsspuren etc. verloren gehen können.
Durch Überlagerung eines Entfernungs- und eines deckungsgleichen Helligkeits- oder Farbbildes ist einerseits auch bei geringstem Kontrast eine Auflösung der räumlichen Struktur sichergestellt, andererseits ist gewährleistet, dass auch farbliche Strukturen in Flächen erkannt und dargestellt werden.
Es ist in diesem Zusammenhang vorgeschlagen worden, ein Helligkeitssignal aus den Amplituden der Empfangssignale des Entfernungsmessers abzuleiten Da in diesem Fall das Objekt punktuell mit dem Sendestrahl, im allgemeinen einem Laserstrahl, abgetastet und damit auch punktweise beleuchtet wird, erübrigt sich eine besondere Beleuchtung und die Einrichtung kann damit auch in völliger Dunkelheit arbeiten. Typischer Weise arbeiten solche Entfernungsmesssysteme mit Infra-Rot Sendern, so dass nach diesem Verfahren Infra-Rot Bilder erzeugt werden.
Für eine Reihe von Anwendungen, wie z.B. für Überwachungszwecke ist dies erwünscht, bei anderen Anwendungen, z. B bei der Dokumentation von Natur- und Kunstdenkmälern kann dies aber von Nachteil sein Vielfach wird fur solche Applikationen ein Farbbild zur Ergänzung des Entfernungsbildes gefordert.
Da die natürliche Beleuchtung speziell bei der Aufnahme von Innenräumen im allgemeinen nicht ausreichend ist, muss die Szene mit Scheinwerfern möglichst gleichmässig ausgeleuchtet werden. Da die Scan-Einrichtungen ein relativ grosses Aufnahmefeld in der Grössenordnung von bis zu 1,4 x 5,8 rad (80 x 330 ) aufweisen ist dies ausserordentlich aufwendig, sowohl was die Geräte anlangt als auch hinsichtlich der Energieversorgung
Dieses Problem wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in den schwenkbaren Messkopf der Scan-Einrichtung eine Leuchte integriert oder auf diesen aufgesetzt ist, die in Schwenkrichtung des Messkopfes ein Feld ausleuchtet, dessen Breite im wesentlichen der eines Raster-Elementes der Scan-Einrichtung entspricht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung leuchtet die Leuchte den abzutastenden Objektraum mit einem Lichtfächer aus, dessen Abmessung in Schwenkrichtung des Messkopfes im wesentlichen der Breite eines Raster-Elementes, in der anderen Richtung dem des maximalen Scan-Winkels des Schwingspiegels oder des rotierenden Prismas entspricht.
Bei einer typischen Grösse eines Rasterelementes von 3 mrad x 3 mrad entsprechend 10x10 Bogenminuten und einem Aufnahmefeld von 1,4 rad x 1,4 rad reduziert sich der Energiebedarf zur Ausleuchtung des Objektes auf weniger als 1 %.
Zur Erzeugung eines solchen Lichtfächers wird vorteilhaft eine Lichtquelle mit einer sich längs erstreckenden Wendel oder Gasentladungsstrecke eingesetzt, deren Achse im wesentlichen parallel zur Schwenkachse des Messkopfes verläuft.
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Vorzugsweise ist der Lichtquelle der Leuchte eine asphärische Optik vorgeschaltet, welche in Schwenkrichtung des Messkopfes eine wesentlich längere Brennweite aufweist wie in der ScanRichtung des Schwingspiegels bzw. Prismas.
Alternativ zu der oben beschriebenen Lösung ist der Lichtquelle der Leuchte eine Reihe, sich in Scan-Richtung des Schwingspiegels bzw. Prismas erstreckender Optiken vorgeschaltet.
Im Interesse einer kostengünstigen Herstellung sind die der Lichtquelle der Leuchte vorgeschalteten Optiken in an sich bekannter Weise aus Kunststoff hergestellt.
Der Leistungsbedarf der Leuchte kann dadurch weiter drastisch reduziert werden, dass der Lichtquelle der Leuchte eine gleichartige Ablenk-Einrichtung, wie Schwingspiegel bzw. rotierendes Prisma vorgeschaltet ist, wie es die Scan-Einrichtung aufweist, wobei die Ablenkeinrichtung der Leuchte mit der der Scan-Einrichtung, mechanisch, beispielsweise mit einem Zahnriemen gekoppelt ist oder vorzugsweise durch elektronische Massnahmen synchronisiert wird.
Um auch bei mittleren Entfernungen sowie im Nahbereich eine einwandfreie Ausleuchtung des Objektfeldes zu gewährleisten, ist erfindungsgemäss eine elektronische Steuereinheit vorgesehen, die Synchron-Sensor-Signale der Ablenkeinheit und Entfernungswerte aus dem Datenspeicher empfängt und aus diesen ein Synchron-Steuer-Signal errechnet, mit welchem die Ablenkeinheit der Leuchte steuerbar ist, wobei zum Ausgleich der Parallaxe zwischen Mess- und Beleuchtungsstrahl in Abhängigkeit vom aktuellen Ablenkwinkel und von der Zielentfernung durch Anwendung eines Korrekturwinkels Messstrahl und Beleuchtungsstrahl auf der Zielfläche zur Deckung bringbar sind.
Typische Scan-Einrichtung, wie rotierende Prismen oder Schwingspiegel weisen eine sogen.
Abtastlücke auf : aus geometrischen Gründen kann nur ein Teil des Ablenkzyklusses genutzt werden Bei Prismen beträgt die Abtastlücke bei einer konkreten Auslegung etwa 60 %. Bei Schwingspiegel ist die Abtastlücke in der gleichen Grössenordnung In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Synchronisiereinheit vorgeschlagen, die von der Scaneinrichtung (8) ansteuerbar ist und die Lichtquelle (21) der Leuchte (10) pulsartig ansteuert und die Lichtquelle (21) während der Abtastlücken der Scaneinrichtung (8) ab- bzw. auf ein reduziertes Leistungsniveau schaltet.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Fig. 1 zeigt den Messkopf einer ScanEinrichtung mit aufgesetzter Leuchte. Die Fig. 2 zeigt den Leuchtenkopf gemäss Fig. 1 im Achsialschnitt, die Fig. 3 stellt einen Schnitt gemäss der Ebene AA in Fig. 2 dar. Die Fig. 4 zeigt ebenfalls im Achsialschnitt eine Variante der erfindungsgemässen Leuchte. Die Fig. 5 veranschaulicht die von der Leuchte ausgeleuchteten Bereiche zusammen mit den Mess- und Aufnahmefeldern. Die Fig 6 zeigt eine weitere Variante zu der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung. In Fig. 7 ist ein Blockschaltbild der Einrichtung gemäss Fig. 4 bzw. 6 dargestellt.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Messkopf eines Laser-Scanners bezeichnet, der auf einem Stativ 2 befestigt ist. Der Messkopf 1 besteht aus einem ersten Teil 1a, der gegenüber dem Stativ 2 fix angeordnet ist. Der obere Teil 1b des Messkopfes 1 ist um eine Achse 9 gegenüber dem Unterteil 1a schwenkbar. Der Messkopfoberteil 1 b umfasst ein Spiegelprisma 8, das um eine Achse 7 drehbar angeordnet ist, die normal in Bezug auf die Achse 9 des Messkopfes 1 ist. Das Spiegelprisma 8 ist im Strahlengang des Laser-Entfernungsmessers angeordnet und wird durch einen nicht dargestellten Motor mit hoher Geschwindigkeit angetrieben Dadurch werden die Messstrahlen in vertikaler Richtung abgelenkt (Pfeile a in Fig. 1).
Gleichzeitig führt der Messkopfoberteil 1a durch einen weiteren ebenfalls nicht dargestellten Motor angetrieben, eine, vergleichsweise langsame hin- und hergehende Schwenkbewegung (Pfeile 6 in Fig. 1) um die Achse 9 aus. Dadurch wird das Objektfeld durch die Messstrahlen in Richtung der Pfeile # abgetastet. Durch die beiden orthogonalen Abtastsysteme wird das Objektfeld zeilenweise abgelastet, wobei jedem Rasterelement ein Entfernungswert zugeordnet ist. Aus der Summe dieser Entfernungswerte wird in einer Auswerteeinrich- tung ein an sich bekanntes Entfernungsbild erzeugt.
Der Messkopf 1benthält neben dem Entfernungs-Messsystem ein passives optisches Empfangssystem, beispielsweise für die drei Grundfarben RGB, dessen Strahlen durch das gleiche Spiegelprisma 8 parallel zu den Entfernungs-Messstrahlen abgelenkt werden. Dadurch wird neben dem Entfernungsbild ein deckungsgleiches Farbbild erzeugt
Um auch unter ungünstigen Lichtverhältnissen ein einwandfreies Farbbild erzielen zu können,
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ist auf dem Messkopf 1 eine Leuchte 10 aufgesetzt, die zum Oberteil 1b des Messkopfes ausgerichtet ist und einen Lichtfächer 11 erzeugt, in welchem der Messstrahl 12 des Messkopfes liegt.
Die Leuchte 10 wird durch den Messkopfoberteil 1bverschwenkt, so der Lichtfächer über das Objektfeld streicht und jeweils ein schmales Band beleuchtet, das durch das rotierende Prisma abgetastet wird. Dadurch, dass nur jeweils das Band ausgeleuchtet wird, das gerade abgetastet wird, kann verglichen mit einer Ausleuchtung des gesamten Objektfeldes die erforderliche Energie auf unter 1 % reduziert werden. Dieser geringe Energiebedarf macht einen Betrieb durch Batterien möglich, wodurch sich eine besondere Mobilität der Anlage ergibt. Ein weiterer Vorteil bei bestimmten Anwendungen ist, dass durch den Lichtfächer die Zone angezeigt wird, die momentan abgetastet wird. Personen, die sich im Aufnahmefeld befinden können sich entsprechend darauf einstellen, vorzugsweise während der Aufnahme bewegungslos verharren.
In den Figuren 2 und 3 ist der Leuchtenkopf im Detail dargestellt. Das Gehäuse der Leuchte 10 ist 2-teilig und besteht aus 2 Schalen 10a und 10b, die in nicht dargestellter Weise miteinander verbunden sind. In das Leuchtengehäuse ist eine asphärische Kunststofflinse 13 eingesetzt. Die Brennweite dieser Linse ist in achsialer Richtung (Fig. 2) wesentlich grösser als die Brennweite in einer normal hierzu verlaufenden Ebene (Fig. 3). Die Optik 13 hat daher keinen Brennpunkt sondern verfügt über eine "Brennlinie". In dieser ist eine Glühlampe 15 mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden Glühwendel vorgesehen. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wird das nach hinten und seitlich abgestrahlte Licht durch einen zylindrischen Spiegel 16 wieder auf die Wendel konzentriert.
Das von der Wendel nach vorne abgestrahlte Licht wird durch die Optik 13 in horizontaler Richtung stark gebündelt, während in vertikaler Richtung nur eine geringe Bündelung erfolgt. Um einen autarken Betrieb der Anlage zu ermöglichen verrügt die Leuchte über eine Batterie 17, die Steuerung der Leuchte 10 erfolgt durch den Messkopf 1, die Leuchte ist mit diesem durch eine Steckverbindung elektrisch verbunden. Bei der Montage der Leuchte 10 wird diese oben auf den Messkopf aufgesetzt, ein Passstift 18 gewährleistet die exakte Ausrichtung der Leuchte 10 zum Messkopf 1. Mit einer Rändelschraube 14 wird die Leuchte 10 am Messkopf 1 befestigt.
Die Fig. 4 zeigt eine Variante zu der oben beschriebenen Einrichtung Der Aufbau der Leuchte entspricht weitgehend der in Fig. 2 gezeigten Lösung Anstelle einer Glühlampe verfügt die Leuchte über ein Array von Hochleistungs-LEDs. Auf einer Leiterplatte 20 ist eine Vielzahl von LEDs 21 angeordnet. Die LEDs 21 werden so angesteuert, dass sie jeweils den Bereich des Aufnahmefeldes ausleuchten, welcher gerade von der Scan-Einrichtung abgetastet wird. In diesem Fall kann es zweckmässig sein, eine Bündelung auch in vertikaler Richtung zu erzielen. Anstelle der asphänschen Linse 13 aus Fig. 2 kann in diesem Fall eine Optik günstiger sein, die aus einer Vielzahl von Segmenten sphärischer Linsen besteht. Auch in diesem Fall wird diese Optik bevorzugt aus glasklarem Kunststoff hergestellt.
Die Fig. 5 zeigt den Leuchtfleck, der das Objektfeld abtastet, und innerhalb des Leuchtflecks das Rasterelement innerhalb welchem jeweils die Entfernungsmessung und die Aufnahme eines Bildelementes erfolgt. Die Synchronisierung der Leuchte 10 mit dem Messkopf erfolgt über die Steckverbindung 19. Durch diese Anordnung ergibt sich ein mehrfacher Nutzen bezüglich der Energie-Einsparung : wird nur der Bereich ausgeleuchtet, in wel- chem die Aufnahme erfolgt. Gegenüber einer Ausführung mit einem Lichtfächer, wie er im Zusammenhang mit den Figuren 1-3 beschrieben worden ist ergibt sich damit eine weitere beträchtliche Energieeinsparung. Eine weitere Energieeinsparung e wird dadurch erzielt, dass die LEDs der Leuchte während der Abtastlücke der Scan-Einrichtung nicht angesteuert werden.
Bei typischen Scan-Einrichtungen mit rotierenden Prismen oder auch Schwingspiegeln übertrifft die Abtastlücke die Abtastphase zeitlich etwa um den Faktor 2 Anstelle eines Arrays von LEDs kann die Leuchte 10 auch mit einer Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Blitzlampen ausgestattet werden, welche das Objektfeld sequentiell ausleuchten.
Die Fig 6 zeigt eine weitere Vanante der Erfindung: Die auf dem Messkopf 1 fixierte Leuchte 10 weist eine im wesentlichen punktförmige Lichtquelle 25 auf, deren Licht durch eine KollimatorOptik 26 gebündelt wird, wobei die Lichtquelle im wesentlichen ins Unendliche abgebildet wird. Der Optik nachgeschaltet ist ein Spiegel-Prisma 27, das analog zu dem Prisma 8 des Messkopfes ausgebildet ist. Die optische Qualität dieses Prismas kann jedoch verglichen mit der des Prismas 8 wesentlich bescheidener sein: In vielen Fällen wird auch ein Kunststoff-Prisma ausreichen Die Pnsmen 8 und 27 werden synchron angetrieben, beispielsweise mit einem Zahnriemen 28, der die
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beiden Systeme verbindet.
Durch die Parallaxen-Korrektur wird sichergestellt, dass sich der Beleuchtungsstrahl und der Mess- und Aufnahmestrahl jeweils am Ziel treffen, so dass trotz stark wechselnder Objektentfernungen eine optimale Ausleuchtung erzielt wird.
Anstelle der mechanischen Kopplung kann auch eine elektrische Synchronisierung vorgesehen sein. Wird die Scan-Einrichtung nicht nur zur Aufzeichnung weit entfernter Objekte eingesetzt sondern auch in einem mittleren Entfernungsbereich oder überhaupt in einem Nahbereich, so ergibt sich ein Parallaxenfehler, wenn Beleuchtungsstrahl und Aufnahmestrahl parallel ausgerichtet sind. Zur Vermeidung dieses Fehlers kann bei einer elektrischen Synchronisation eine Phasenkorrektur im Antrieb des leuchtenseitigen Spiegelprismas eingebaut werden. Diese Phasenkorrektur kann automatisch in Abhängigkeit von der bezüglich des jeweiligen Bereiches des Aufnahmefeldes gemessenen Entfernung erfolgen.
In analoger Weise kann auch bei der Einrichtung nach Fig. 4 eine automatische Parallaxenkorrektur durchgeführt werden.
Die Figur 7 zeigt in Form eines Blockdiagramms schematisch den Aufbau des Steuergerätes des Laser-Scanners, wobei in diesem Diagramm nur die den Ablenkeinheiten nachgeschalteten Systeme dargestellt sind. Mit 50 ist ein Laser-Transmitter bezeichnet, der die Laserdiode 51 ansteuert, welcher die Optik 52 vorgeschaltet ist, die die Emitterzone des Lasers vorzugsweise ins Unendliche abbildet. Neben der Sendeoptik 52 ist eine Empfängeroptik 53 vorgesehen, deren optische Achse parallel zu der der Sendeoptik 52 ausgerichtet ist. Im Strahlengang der Empfängeroptik 53 ist ein Strahlenteilungsprisma 54 vorgesehen. Die Empfängeroptik 53 konzentriert einerseits die von einem im Strahlengang der Sendeoptik befindlichem Ziel im allgemeinen diffus reflektierte Strahlung auf die Empfangsdiode 55. Mit Vorteil wird als Empfangsdiode 55 eine Avalanche-Diode eingesetzt.
Vorzugsweise sind Sende- und Empfangsdioden in ihrer spektralen Charakteristik aufeinander abgestimmt, wobei die Empfangsdiode ihre maximale spektrale Empfindlichkeit in dem Bereich aufweist, in welchem die Sendediode maximal emittiert. Da die Empfangsdiode 55 aber neben der von der Sendediode emittierten und vom Ziel reflektierten Strahlung viel Störstrahlung in Form von Tageslicht oder Licht von den verschiedensten Kunstlichtquellen empfängt, kann es vorteilhaft sein, der Empfangsdiode ein möglichst schmalbandiges, optisches Filter vorzusetzen, welches seine maximale Transmission in dem Spektralband aufweist, in welchem der Laser emittiert.
Durch das Strahlenteilerprisma 54 wird ein Teil des aus dem Objektraum abgestrahlten Lichtes auf eine Empfangsdiode 57 konzentriert. Vorzugsweise weist das Strahlenteilungsprisma 54 eine dichroitische Verspiegelung 56 auf, welche Strahlung der Wellenlänge der Laserdiode 51 im wesentlichen ungestört passieren lässt, während kurzwelligere Strahlung, insbes. sichtbares Licht zum überwiegenden Teil auf die Diode 57 reflektiert wird. Anstelle einer einzelnen Empfangsdiode 57 kann auch ein Dioden-Tripel vorgesehen sein, deren Dioden in ihrer spektralen Empfindlichkeit auf die 3 Grundfarben abgestimmt sind. Mit einer solchen Variante kann daher parallel zum Entfernungsbild (aktiver Kanal) über den zweiten, passiven Kanal ein Schwarz-Weiss- oder Farbbild des Objektfeldes aufgezeichnet werden.
Der Lasertransmitter 50 umfasst einen Impulsgenerator, der die Laserdiode 51 ansteuert. Der Lasertransmitter gibt, wenn er vom Prozessor 58 entsprechend angesteuert wird eine Folge von Laserimpulsen ab.
Die von der Diode 55 empfangenen Signale werden in einer Verstärker- und Analog-Signalprozessorstufe 59 verstärkt und bearbeitet. Die auf diese Weise bearbeiteten Signale werden in einem Analog-/ Digital-Konverter 60 digitalisiert und in einem Speicher 61 abgelegt.
In einer alternativen Ausführungsform wird mittels einer Zeitintervall-Digitalisierungseinrichtung 60 das Laufzeitintervall zwischen Sende- und Empfangsimpuls digitalisiert und die Ergebnisse in einem Speicher 61 abgelegt.
Getaktet wird die gesamte Einrichtung durch einen Clock-Generator 62. Der Prozessor 58 und der Datenspeicher 61 sind durch einen Datenbus miteinander verbunden, der schematisch angedeutet und mit 63 bezeichnet ist. An diesen Datenbus 63 sind ferner ein Programmspeicher 64 für den Prozessor 58 angeschlossen, sowie ein Datenzwischenspeicher 65, in welchen nach einer ersten Auswertung durch den Prozessor 58 Rohdaten abgelegt werden, die am Ende des Messzyklus ausgelesen werden. Aus diesen Rohdaten wird mit im Programmspeicher abgelegten Algorithmen ein Entfernungswert für jedes einzelne Rasterelement ermittelt
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Das von der Diode (bzw. dem Dioden-Tripel) 57 gelieferte Signal wird in der Videoprozessorstufe 66 verstärkt und weiter bearbeitet.
Dieser Videoprozessor ist über den Bus 63 mit dem Prozessor 58 und den anderen Blöcken des Systems insbes. mit dem digitalen Bildspeicher 67 und dem Video-Interface 68 in Verbindung. Die zu den einzelnen Rasterelementen gehörigen Bildkoordinaten werden von den beiden Ablenkelektronik-Einheiten 69 und 70 über den Datenbus 63 in das System eingespeist.
Mit 71 ist die Synchronisiereinheit für die Leuchte in einer Ausführung gemäss Fig. 4 oder 6 bezeichnet. Diese Einheit wird direkt von der Steuerung des Antriebes des Spiegelprismas 8 angesteuert. Diese Einheit kommuniziert über den Datenbus 63 mit den Messwertspeichern und dem Prozessor 58, so dass auch eine automatische Parallaxenkorrektur vorgenommen werden kann
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Einrichtung zur Aufnahme eines Objektraumes mit einem Messkopf, der einen opto- elektronischen Entfernungsmesser nach einem Signal-Laufzeitverfahren umfasst, mit einer
Sendeeinrichtung zum Aussenden von optischen, insbes. von Laser-Signalen und einer
Empfangseinrichtung zum Empfangen von optischen Signalen, insbes. von Laserstrah- lung, die von im Zielraum befindlichen Objekten reflektiert wird, ferner mit einer Scan-
Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung, welche zur Ablenkung der Strahlen in einer Richtung einen Schwingspiegel oder ein rotie- rendes Prisma aufweist, während zur Ablenkung der Strahlen in die andere Richtung der gesamte Messkopf verschwenkbar ist, ferner mit einer Auswerteeinrichtung, die aus der
Laufzeit bzw.
der Phasenlage des ausgesandten optischen Signals Entfernungswerte er- mittelt und nach der Scan-Einrichtung aus dem Strahlengang von Sende- und / oder Emp- fangseinrichtung ein Helligkeits- und/ oder Farbsignal abgeleitet wird, wobei jedem Bild- element ein Entfernungswert und Raumwinkel zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den schwenkbaren Messkopf (1) der Scan-Einrichtung eine Leuchte (10) integriert ist oder auf diesen aufgesetzt ist, die in Schwenkrichtung des Messkopfes (1) ein Feld (11) ausleuchtet, dessen Breite im wesentlichen der eines Raster-Elementes der Scan-Einnch- tung entspricht.
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The invention relates to a device for recording an object space with a measuring head, which comprises an optoelectronic range finder according to a signal transit time method, with a transmitting device for transmitting optical, in particular laser signals, and a receiving device for receiving optical signals, in particular laser radiation that is reflected by objects in the target area.
The device further comprises a scanning device for deflecting the optical axes of the transmitting and receiving device, which has an oscillating mirror, a rotating prism or the like for deflecting the beams in one direction, while the entire one for deflecting the beams in the other direction Measuring head is pivotable, the device being equipped with an evaluation device which determines distance values from the transit time or the phase position of the emitted optical signal. In the new device, a sanctity and / or color signal is derived from the area between the oscillating mirror, rotating prism or the like and the transmitting and / or receiving device or from the latter, with each image element being assigned a distance value and solid angle.
The new device creates so-called distance images on one side, in which the distance assigned to each pixel is displayed, for example, coded in grayscale levels or in false colors. On the other hand, the new device creates brightness or color images that are congruent with the distance images and can therefore be directly superimposed on them. This is important insofar as distance images are often difficult to interpret in themselves.The distance image only illustrates structures that are staggered in depth, but cannot resolve colored structures in one area, so that important information such as labels, brake marks etc. can sometimes be lost.
By superimposing a distance and a congruent brightness or color image, a resolution of the spatial structure is ensured on the one hand even with the slightest contrast, on the other hand it is ensured that colored structures in areas are recognized and displayed.
In this context, it has been proposed to derive a brightness signal from the amplitudes of the received signals of the range finder, since in this case the object is scanned at points with the transmission beam, generally a laser beam, and thus also point-lit, special lighting and the equipment are unnecessary can work with it in complete darkness. Such distance measuring systems typically work with infra-red transmitters, so that infra-red images are generated using this method.
For a number of applications, e.g. this is desirable for monitoring purposes; in other applications, e.g. B when documenting natural and artistic monuments, however, this can be a disadvantage. In many cases, a color image is required for such applications to supplement the distance image.
Since natural lighting is generally not sufficient, especially when shooting indoors, the scene must be illuminated with spotlights as evenly as possible. Since the scanning devices have a relatively large recording field of the order of up to 1.4 x 5.8 rad (80 x 330), this is extremely complex, both in terms of the devices and in terms of energy supply
According to the invention, this problem is solved in that a light is integrated or placed on the swiveling measuring head of the scanning device and illuminates a field in the swiveling direction of the measuring head, the width of which essentially corresponds to that of a raster element of the scanning device.
In an advantageous embodiment of the invention, the luminaire illuminates the object space to be scanned with a light fan, the dimension of which in the pivoting direction of the measuring head essentially corresponds to the width of a raster element, in the other direction that of the maximum scan angle of the oscillating mirror or of the rotating prism.
With a typical size of a grid element of 3 mrad x 3 mrad corresponding to 10x10 arc minutes and a recording field of 1.4 rad x 1.4 rad, the energy requirement for illuminating the object is reduced to less than 1%.
To produce such a light fan, a light source with a longitudinally extending filament or gas discharge path is advantageously used, the axis of which runs essentially parallel to the pivot axis of the measuring head.
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Preferably, the light source of the luminaire is preceded by aspherical optics, which have a much longer focal length in the swivel direction of the measuring head than in the scanning direction of the oscillating mirror or prism.
As an alternative to the solution described above, the light source of the lamp is preceded by a series of optics which extend in the scanning direction of the oscillating mirror or prism.
In the interest of cost-effective production, the optics upstream of the light source of the luminaire are made of plastic in a manner known per se.
The power requirement of the luminaire can be further reduced drastically by the fact that the light source of the luminaire is preceded by a deflection device of the same type, such as an oscillating mirror or rotating prism, as the scan device has, the deflection device of the luminaire being the same as that of the scan device , mechanically, for example, is coupled to a toothed belt or is preferably synchronized by electronic measures.
In order to ensure perfect illumination of the object field even at medium distances and in the close range, an electronic control unit is provided according to the invention, which receives synchronous sensor signals from the deflection unit and distance values from the data memory and uses these to calculate a synchronous control signal with which the deflection unit of the luminaire is controllable, and to compensate for the parallax between the measurement beam and the illumination beam, depending on the current deflection angle and on the target distance, the measurement beam and the illumination beam can be made to coincide on the target surface by using a correction angle.
Typical scanning devices, such as rotating prisms or oscillating mirrors, have a so-called.
Scanning gap open: for geometric reasons, only a part of the deflection cycle can be used. With prisms, the scanning gap is approximately 60% with a specific design. In the case of oscillating mirrors, the scanning gap is of the same order of magnitude.In an advantageous development of the invention, a synchronization unit is proposed which can be controlled by the scanning device (8) and which controls the light source (21) of the lamp (10) in a pulsed manner and the light source (21) during the Switches scanning gaps of the scanning device (8) or switches to a reduced performance level.
Further features of the invention result from the following description of some exemplary embodiments and with reference to the drawing. 1 shows the measuring head of a scanning device with a light attached. FIG. 2 shows the lamp head according to FIG. 1 in axial section, FIG. 3 shows a section along plane AA in FIG. 2. FIG. 4 also shows a variant of the lamp according to the invention in axial section. 5 illustrates the areas illuminated by the lamp together with the measurement and recording fields. FIG. 6 shows a further variant of the device shown in FIG. 1. FIG. 7 shows a block diagram of the device according to FIGS. 4 and 6.
In Fig. 1, 1 denotes a measuring head of a laser scanner, which is attached to a tripod 2. The measuring head 1 consists of a first part 1 a, which is arranged fixedly opposite the stand 2. The upper part 1b of the measuring head 1 can be pivoted about an axis 9 relative to the lower part 1a. The upper part 1 b of the measuring head comprises a mirror prism 8, which is arranged rotatably about an axis 7, which is normal with respect to the axis 9 of the measuring head 1. The mirror prism 8 is arranged in the beam path of the laser rangefinder and is driven at high speed by a motor (not shown). The measuring beams are deflected in the vertical direction (arrows a in FIG. 1).
At the same time, the upper part of the measuring head 1a is driven by a further motor, also not shown, and carries out a comparatively slow reciprocating pivoting movement (arrows 6 in FIG. 1) about the axis 9. As a result, the object field is scanned by the measuring beams in the direction of the arrows #. The object field is scanned line by line by the two orthogonal scanning systems, a distance value being assigned to each raster element. A distance image known per se is generated from the sum of these distance values in an evaluation device.
In addition to the distance measuring system, the measuring head 1b contains a passive optical receiving system, for example for the three primary colors RGB, the beams of which are deflected parallel to the distance measuring beams by the same mirror prism 8. This creates a congruent color image in addition to the distance image
In order to be able to achieve a perfect color image even under unfavorable lighting conditions,
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a lamp 10 is placed on the measuring head 1, which is aligned with the upper part 1b of the measuring head and generates a light fan 11 in which the measuring beam 12 of the measuring head lies.
The lamp 10 is pivoted through the upper part 1b of the measuring head, so that the light fan sweeps over the object field and each illuminates a narrow band which is scanned by the rotating prism. By illuminating only the tape that is being scanned, the energy required can be reduced to less than 1% compared to illuminating the entire object field. This low energy requirement makes operation by batteries possible, which results in a special mobility of the system. Another advantage in certain applications is that the light fan shows the zone that is currently being scanned. Persons who are in the recording field can adjust accordingly, preferably remain motionless during the recording.
The lamp head is shown in detail in FIGS. 2 and 3. The housing of the lamp 10 is in two parts and consists of 2 shells 10a and 10b, which are connected to one another in a manner not shown. An aspherical plastic lens 13 is inserted into the lamp housing. The focal length of this lens is substantially larger in the axial direction (FIG. 2) than the focal length in a plane that is normal to this (FIG. 3). The optics 13 therefore has no focal point but has a "focal line". In this, an incandescent lamp 15 is provided with an incandescent filament extending in the axial direction. In order to achieve the highest possible efficiency, the light emitted to the rear and to the side is concentrated again on the coil by a cylindrical mirror 16.
The light radiated forwards by the coil is strongly bundled in the horizontal direction by the optics 13, while only a slight bundling takes place in the vertical direction. In order to enable autonomous operation of the system, the light fixes via a battery 17, the light 10 is controlled by the measuring head 1, the light is electrically connected to it by a plug connection. When the lamp 10 is installed, it is placed on top of the measuring head, a dowel pin 18 ensures the exact alignment of the lamp 10 with the measuring head 1. The lamp 10 is fastened to the measuring head 1 with a knurled screw 14.
FIG. 4 shows a variant of the device described above. The structure of the lamp largely corresponds to the solution shown in FIG. 2. Instead of an incandescent lamp, the lamp has an array of high-performance LEDs. A multiplicity of LEDs 21 are arranged on a printed circuit board 20. The LEDs 21 are controlled so that they illuminate the area of the recording field that is being scanned by the scanning device. In this case it can be useful to achieve bundling in the vertical direction. Instead of the aspheric lens 13 from FIG. 2, an optic that consists of a plurality of segments of spherical lenses can be more favorable in this case. In this case, too, this optic is preferably made of crystal-clear plastic.
5 shows the light spot that scans the object field, and within the light spot the raster element within which the distance measurement and the recording of a picture element take place. The luminaire 10 is synchronized with the measuring head via the plug-in connection 19. This arrangement results in multiple benefits in terms of energy saving: only the area in which the recording takes place is illuminated. Compared to an embodiment with a light fan, as has been described in connection with FIGS. 1-3, this results in a further considerable energy saving. A further energy saving e is achieved in that the LEDs of the luminaire are not activated during the scanning gap of the scanning device.
In typical scanning devices with rotating prisms or also oscillating mirrors, the scanning gap exceeds the scanning phase by a factor of about 2 in time. Instead of an array of LEDs, the luminaire 10 can also be equipped with a large number of flash lamps arranged in a row, which sequentially illuminate the object field.
FIG. 6 shows a further vanante of the invention: the lamp 10 fixed on the measuring head 1 has an essentially point-shaped light source 25, the light of which is focused by a collimator lens 26, the light source being imaged essentially to infinity. Downstream of the optics is a mirror prism 27, which is designed analogously to the prism 8 of the measuring head. However, the optical quality of this prism can be much more modest compared to that of prism 8: in many cases a plastic prism will also suffice. The pnsms 8 and 27 are driven synchronously, for example with a toothed belt 28, which
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connects both systems.
The parallax correction ensures that the illuminating beam and the measuring and recording beam meet each other at the target, so that optimal illumination is achieved despite strongly changing object distances.
Instead of the mechanical coupling, electrical synchronization can also be provided. If the scanning device is not only used to record objects that are far away, but also in a medium range or at all in a close range, a parallax error results if the illumination beam and the recording beam are aligned in parallel. To avoid this error, a phase correction can be installed in the drive of the light-side mirror prism during electrical synchronization. This phase correction can be carried out automatically as a function of the distance measured with respect to the respective area of the recording field.
In an analogous manner, an automatic parallax correction can also be carried out in the device according to FIG. 4.
FIG. 7 schematically shows in the form of a block diagram the structure of the control unit of the laser scanner, only the systems downstream of the deflection units being shown in this diagram. With 50 a laser transmitter is designated, which controls the laser diode 51, which is connected upstream of the optics 52, which preferably images the emitter zone of the laser to infinity. In addition to the transmission optics 52, a receiver optics 53 is provided, the optical axis of which is aligned parallel to that of the transmission optics 52. A beam splitting prism 54 is provided in the beam path of the receiver optics 53. On the one hand, the receiver optics 53 concentrate the radiation, which is generally diffusely reflected from a target located in the beam path of the transmission optics, onto the reception diode 55. An avalanche diode is advantageously used as the reception diode 55.
Transmitting and receiving diodes are preferably matched to one another in terms of their spectral characteristics, the receiving diode having its maximum spectral sensitivity in the range in which the transmitting diode maximally emits. However, since the receiving diode 55 receives a lot of interference radiation in the form of daylight or light from a wide variety of artificial light sources in addition to the radiation emitted by the transmitting diode and reflected by the target, it can be advantageous to provide the receiving diode with an optical filter which is as narrow-band as possible and which has its maximum transmission in has the spectral band in which the laser emits.
Part of the light emitted from the object space is concentrated on a receiving diode 57 by the beam splitter prism 54. The beam splitting prism 54 preferably has a dichroic mirroring 56, which allows radiation of the wavelength of the laser diode 51 to pass essentially undisturbed, while shorter-wave radiation, in particular visible light, is predominantly reflected on the diode 57. Instead of a single receiving diode 57, a triple diode can also be provided, the diodes of which are matched in their spectral sensitivity to the 3 primary colors. With such a variant, a black and white or color image of the object field can therefore be recorded parallel to the distance image (active channel) via the second, passive channel.
The laser transmitter 50 comprises a pulse generator which drives the laser diode 51. The laser transmitter emits a sequence of laser pulses when it is controlled accordingly by the processor 58.
The signals received by the diode 55 are amplified and processed in an amplifier and analog signal processor stage 59. The signals processed in this way are digitized in an analog / digital converter 60 and stored in a memory 61.
In an alternative embodiment, the time interval between transmit and receive pulse is digitized by means of a time interval digitizing device 60 and the results are stored in a memory 61.
The entire device is clocked by a clock generator 62. The processor 58 and the data memory 61 are connected to one another by a data bus, which is indicated schematically and is designated by 63. A program memory 64 for the processor 58 is also connected to this data bus 63, as well as a data buffer 65, in which, after a first evaluation by the processor 58, raw data are stored which are read out at the end of the measurement cycle. A distance value for each individual raster element is determined from this raw data using algorithms stored in the program memory
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The signal supplied by the diode (or the diode triple) 57 is amplified in the video processor stage 66 and processed further.
This video processor is connected via bus 63 to processor 58 and the other blocks of the system, in particular to digital image memory 67 and video interface 68. The image coordinates belonging to the individual raster elements are fed into the system by the two deflection electronics units 69 and 70 via the data bus 63.
With 71 the synchronization unit for the lamp is designated in an embodiment according to FIG. 4 or 6. This unit is controlled directly by the control of the drive of the mirror prism 8. This unit communicates via the data bus 63 with the measured value memories and the processor 58, so that an automatic parallax correction can also be carried out
The invention is not restricted to the exemplary embodiments described above.
CLAIMS:
1. Device for recording an object space with a measuring head, which comprises an optoelectronic range finder according to a signal transit time method, with a
Transmitting device for transmitting optical, in particular laser signals and one
Receiving device for receiving optical signals, in particular laser radiation, which is reflected by objects located in the target area, furthermore with a scanning
Device for deflecting the optical axes of the transmitting and receiving device, which has an oscillating mirror or a rotating prism for deflecting the beams in one direction, while the entire measuring head can be pivoted for deflecting the beams in the other direction, furthermore with an evaluation device, the from the
Term or
distance values are determined based on the phase position of the emitted optical signal and a brightness and / or color signal is derived from the beam path of the transmitting and / or receiving device after the scanning device, a distance value and solid angle being assigned to each picture element, characterized in that a light (10) is integrated or placed on the swiveling measuring head (1) of the scanning device and illuminates a field (11) in the swiveling direction of the measuring head (1), the width of which is essentially that of a grid -Elementes corresponds to the scanning device.