CN104567813B - 用于光学地扫描环境的测量设备及校准测量设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学地扫描环境的测量设备。测量设备(1)，尤其激光扫描器，用于光学地扫描以及测量环境。测量设备(1)包括以可旋转的方式安装的测量头(2)和旋转单元(10)，旋转单元(10)安装在测量头(2)中并且具有以可旋转的方式安装的旋转主体(20)，其中用于观察目标点的瞄准元件(70)集成至旋转主体(20)中，所述瞄准元件包括贯穿旋转主体(20)的开口(70’)。

Description

用于光学地扫描环境的测量设备及校准测量设备的方法

技术领域

本发明涉及测量设备，尤其激光扫描器，用于光学地扫描或者测量环境。测量设备包括旋转单元，旋转单元具有偏转元件以及旋转主体，偏转元件用于偏转传输光束以及接收光束。

背景技术

前序中提到类型的测量设备或者扫描器设计成三维地测量空间区域和/或对象。典型应用包括例如测量内部(诸如教堂以及工厂建筑物)、大的对象(诸如建筑物或者飞机)，或者事故地点的公开测量。

为了测量这些对象，依靠激光扫描器，用激光束扫描预定的空间体积，并且检测从对象所反射的激光，其中，对于每个点时时获取用于所发射的激光束的方向以及所检测到的激光的方向的角度信息。依靠检测到的激光，通过三角测量和/或飞行时间测量或者相移，能够确定位于空间体积中的表面点和测量设备之间的距离。连同与所述表面点关联的角度信息，能够计算所述表面点的空间位置。根据以该方式记录的测量点的序列或者从其计算出的空间位置，通过对应软件可生成对象的所扫描表面的三维模型或者所扫描环境的三维模型，例如呈三维点云的形式。

用于光学地扫描环境的设备实施为激光扫描器，根据现有技术的扫描器之一作为例子在图1中示出，通常包括：测量头2；测量头2的壳体5在一侧收纳用于产生传输光束13的辐射源6以及检测器8，检测器8用于接收从环境中的对象反射的传输光束13，从环境中的对象反射的传输光束13简称为接收光束17或者反射辐射。在该情况下，“反射辐射”还理解为指的是，从环境中的对象沿测量设备的方向发散的传输光辐射，这例如尤其发生在对象具有非常粗表面的情形下或者例如在落叶树的情形下。

此外，壳体5收纳光学部件7，光学部件7用于校准和转移传输光束13和反射辐射17。测量头2或者壳体5绕基座轴线4可旋转地安装在基座3上，所述基座一般具有用于固定在支架19或者其他滑架上的适配器。测量头2或者壳体5绕基座轴线4以人工和/或电动机驱动方式以及被控制单元9监控的方式是大致可旋转的。在壳体5的相对于束源6、检测器8和光学部件7的相反侧，具有偏转元件22的旋转单元10支撑在壳体5中，依靠该旋转单元，传输光束13以受监控方式及对准方式被发射到环境中，并且反射辐射17被捕获。对于该目的，具有偏转元件22的旋转单元10安装在壳体5中，以由电动机15驱动的方式绕旋转轴线11可旋转。旋转轴线11垂直于基座轴线4，并且偏转元件22大致以相对于旋转轴线11倾斜45°倾斜角的方式布置。基座轴线4和旋转轴线11的交叉点大致对应于在偏转元件22上聚集的传输光束13的照射点，该点还表示为偏转点23。通过测量头2绕基座轴线4旋转和旋转单元10绕旋转轴线11旋转，能够实施三维扫描。

考虑到激光束元件复杂的内部光机械构造和布置，根据现有技术对扫描器进行校准是非常需要的。扫描器的与仪器链接的本地坐标系统由参数规定，诸如旋转轴线以及瞄准轴线的角度偏差以及偏移。重要的校准参数包括：倾斜轴线的偏斜、激光器瞄准方向的水平以及竖直误差角度、偏转元件或者旋转镜的角度误差和位置、旋转轴线(此处通常指代为转动轴线)相对于竖直轴线(此处通常指代为基座轴线)等的偏斜。此处，因此，在输送设备之前就已经通过工厂校准明确了对这些参数的确定，这可以是基于两位置测量，例如，在EP2523017A1中描述的。

允许设备的用户确定当地参数的快速有效的场校准截止目前尚不是可行的。首先，快速有效的场校准以精确的设定单元为条件，该设定单元并不是每个扫描器都有的；其次，文献中已知的用于校准的指令以及数学模型仅具有从单次仪器安装(校准的快速和有效)的两位置测量的一个数据组，主要提供用于设备构造，该构造并不对应于现有扫描器已实现的光机械构造，使得它们不能用来精确地确定给定扫描器的坐标系统。如果提前不已知参考点的坐标并且如果仅存在从单次仪器安装的两位置测量的一个数据组，那么就不能够依靠文献中提供的模型来确定期望参数。这是因为如果参考或者目标点的位置信息不已知的话，在两位置测量中的数据组估计中的补偿问题就变得突出，并且不能够完全确定校准参数。

为了能够依靠通用类型的测量设备观察目标，现有技术公开了各种观察单元，诸如例如，在激光源一侧集成至测量头的壳体中的照相机。所述照相机所获取的图像能够用于观察目的而示出在显示器上，尤其作为活动图像。以这种方式实施的测量设备的不利之处在于它们操作通常复杂。而且，这种测量设备的构造(尤其对所使用的光学器件来说)是昂贵的。而且，照相机所记录的必要图像必须由对应软件处理，照相机需要额外功率源。此外，瞄准处理还需要控制单元以及估计单元。

作为提供活动图像的替换形式，申请人的尚未先公开的欧洲专利申请EP12153163.6公开了目镜，其同样在照相机和激光源一侧布置在测量头的壳体中，并且尤其装备有指示发射方向的瞄准标记，例如呈刻线的形式。该申请还公开了成像系统，其包括成像光学单元以及显示器，显示器用于以图形的方式提供成像作为活动图像。根据对应于现有技术的方法选择扫描区域，这涉及产生概览扫描以及对应的概览图像。在借助概览扫描所生成的图像的辅助下，用户然后选择要扫描的区域，然后依靠精细扫描以具体细节的方式扫描以及测量该区域。

发明内容

本发明基于的目的是提供上述提到的测量设备的替换方案。

该替换测量设备旨在其构造以及操作基本不复杂、成本更有效以及更具鲁棒性(robust)。

为此，其旨在更灵活地使用，也即，以更好地适应相应测量要求的方式使用，以及能够进行例如原地快速校准。

这些目的中的至少一个是依靠以下测量设备实现的。

根据本发明的测量设备，其尤其实施为激光扫描器，用于光学地测量环境，包括：以可旋转的方式安装的测量头；辐射源，该辐射源集成在测量头中并且用于产生传输光束；接收传感器，该接收传感器集成在测量头中并且用于检测反射回的传输光辐射作为接收辐射；以及旋转单元，该旋转单元安装在测量头中。旋转单元包括旋转主体，旋转主体绕其旋转轴线可旋转地安装在至少一侧，具有偏转元件用于将传输光束对准偏转至环境以及对接收光束进行捕获以及偏转。根据本发明，瞄准元件集成至旋转主体，所述瞄准元件包括贯穿旋转主体的开口。该贯通开口允许使用旋转主体用作瞄准元件的支撑结构。

在本发明的上下文中，旋转主体被理解为这样的主体：在其基本实施方式中，其具有对应于由曲线围绕旋转轴线旋转而形成的边界面的表面，或者换言之，该主体的上述表面是相对于主体的旋转轴线以旋转对称的方式而对准的边界面。旋转主体的实例为螺旋柱形，圆柱形，锥形以及截头锥形。根据本发明使用的这种旋转主体的旋转轴线与测量设备的旋转轴线(也称为倾斜轴线(tipping axis))重合，测量设备的旋转轴线大体垂直于设备的基座轴线。在这种情况下，对于在根据本发明的上述测量设备中使用旋转主体而言，还可以修改旋转主体，例如在一个轴向端部或两个轴向端部处形成锥形或者布置一个或多个孔，使得这一最终部件不再对应于理想的旋转主体的定义。然而，旋转主体的基本改造保持不变，使得其除了最终部件以外还具有相对于其旋转轴线而旋转对称的边界面。

能够看穿旋转主体中的贯通开口并且观察目标。旋转主体绕旋转轴线的可旋转性以及承载有旋转主体的测量头绕基座轴线的可旋转性允许容易地将瞄准元件对准期望目标。依靠公知方式存在的角度编码器，可精确地知道贯通开口的布置或者瞄准元件相对于传输光束(在偏转元件处被偏转并且以对准方式被发射)的布置。因此，也能够精确地知道瞄准元件的视场的对准相对于从偏转点发射的传输光束的对准，并且如果用户在依靠瞄准元件观察目标之后想要将测量设备的激光束设定到所述目标的话，这能被用户考虑。

在一个有利构造中，光学单元和/或目标标记能够集成至瞄准元件中。

光学单元能够以如下方式构造：其允许10倍或者30倍或者更高放大率，或者可变地放大，例如高达30倍放大，并且以该方式简化目标的精确观察。换句话说，瞄准元件于是实施为呈望远镜的形式，其中，这能够实施为呈伽利略望远镜的形式或者呈开普勒望远镜的形式。

目标标记以公知的方式辅助精确观察目标，并且能够构造为影像，也即作为投影到对象空间的虚拟投影，或者能够以公知方式真实地实施为呈颜色标记、拉线(tensionedthread)等的形式。在这两种情况下，以适应相应要求的方式，来自传统类型的刻线乃至比例线标记这样的目标标记是可以的。其例子图示于图8。

集成至瞄准元件的放大光学单元和目标标记的组合形成了集成至旋转滑架中的望远镜影像。

因为瞄准元件位于传输光束的束路径的外部，所以设备的构造是非常简单的且坚固的。不需要特殊光学单元来将传输光束和/或接收光束联接以离开和/或进入瞄准元件的束路径，或者反过来将瞄准元件的视场与光束的束路径融合。不需要软件、硬件、电能或者计算时间来观察目标。而且，整个测量设备能够更紧凑地构建，因为在壳体中不需要用于照相机或者显示器的空间。

不过，当然，可以的是，测量设备装备有支持用户的软件。在该方面，在测量设备中，能够设置控制单元，其依靠软件以如下方式构造：利用瞄准元件观察的目标的空间坐标能够获得以及存储。此外，控制单元能够依靠软件以如下方式构造：用于旋转旋转主体和/或测量头的电动机能够控制，以使得传输光束能够对准所述目标。控制单元还能够依靠软件以如下方式构造：用于旋转测量头和/或旋转主体的电动机能够驱动以使得集成在旋转主体中的瞄准元件能够对准预定坐标。

将传输光束对准所观察的目标在以下情况下是尤其简单的：旋转主体中的瞄准元件或者贯通开口相对于传输光束布置在限定角度处，尤其相对于旋转轴线处于90°角度处，传输光束在偏转点处照射到偏转元件上。

如果偏转元件以角度45°对准旋转轴线以及基座轴线，以及如果传输光束在偏转元件的偏转点处偏转(偏转点对应于旋转轴线和基座轴线的交叉点)，那么特别有利的是，将旋转主体中的瞄准元件或者贯通开口布置为相对于旋转轴线和/或相对于基座轴线在90°角度处。传输光束对准所观察的目标在以下这种情况下甚至更简单：偏转元件实施为半透明元件，例如半透明镜，并且瞄准元件或者贯通开口在偏转点处与偏转元件相遇(meet)，其中，其相对于偏转方向共轴地布置在旋转主体中以及相对于旋转轴线处于90°角度处，测量辐射从偏转点沿偏转方向发射至环境。这使用户在观察目标时能够沿测量方向直接观察。

瞄准元件沿测量方向并入使得能够实现瞄准辅助，瞄准辅助使得用户能够无需功率源以及软件来进行瞄准处理，例如这是成本更有效的以及能实现更简单的操作。能够减少对待测目标点进行测角度所需的时间。用很少费用进行单点测量是可行的，通过从三个或者四个拐角点(如果需要的话可以稍微更多)进行测角度能够以简单的方式限定待测区域，然后能够依靠精扫描对其进行测量。

但是，利用根据本发明的测量设备，首次还能够实施实际的两位置测量以用于校准设备，例如诸如EP2523017A1描述的。因为集成至旋转单元中的瞄准元件随其一起旋转，所以能够以自动方式确定水平准直及竖直指数中的误差，以及确定对倾斜轴线的偏斜的确定，并且能够校准瞄准元件与测量仪器的轴向系统(此处，倾斜轴线以及旋转轴线彼此是同义的)的对准。为此，目标点(优选为诸如反射器的协作目标点)例如第一次借助瞄准元件观察，与该查找方向关联的旋转轴线以及基座轴线的角度被存储作为第一角度位置。壳体随后绕基座轴线旋转180°，并且旋转单元中的瞄准元件绕旋转轴线旋转约180°；目标点第二此借助瞄准元件观察，并且与该查找方向关联的第二角度位置被记录以及存储。如此获得的角度位置彼此对应地相关并且比较。该比较过程产生的偏差能够用于确定旋转轴线及基座轴线分别从水平方向及竖直方向的偏转，以及用于校准设备或者瞄准元件。利用校准的瞄准元件，然后能够通过对激光器实施相同的程序来校准扫描单元的激光束相对于轴向系统的位置，所述程序即：依靠激光器观察目标点以及存储第一激光器角度位置；使壳体绕基座轴线旋转180°以及使旋转单元绕旋转轴线旋转约180°；精确地对准激光束和目标点，记录以及存储第二激光器角度位置；将激光器角度位置相互比较，并且将激光器角度位置与瞄准元件的角度位置比较。由激光器角度位置与瞄准元件角度位置的比较所产生的偏差能够用于校准激光器。

利用收纳在扫描器的旋转单元中的光学瞄准元件，测量设备的光机械构造是非常简单的。因此以新的方式执行校准，甚至是基于两位置测量的单数据组以及基于自由选择的目标点的方式，而不需知道其绝对或者相对坐标。用于确定校准参数的补偿问题是规则的，因而是可解决的，所以根据本发明的设备的用户现在在本领域中以新的方式具有自己足够精确地确定所有所需参数的可能性，尤其在任何时间以及在原位。换句话说，所述用户还具有核查参数的可能性，如果适当的话，如果在场使用期间发生参数变化的话还具有重新确定参数的可能性，例如考虑天气影响(温度和/或湿度等改变)或者当设备使用了相对长时间段时(设备加热)。

结果，瞄准元件不仅能够用作非常精确的瞄准辅助而准备用于扫描，而且具有类似经纬仪的功能。该优势能够用于更简单更精确的2-位置测量，因而用于更快速更有效更精确地校准测量设备，尤其是方位角方向以及竖直轴线方向上的瞄准轴线误差、倾斜轴线的偏斜、镜面误差以及激光束对准，其中，此处还能够使用辅助器件，诸如公知的用于经纬仪的辅助器件。而且，这还能够进行连接测量，从而允许测量设备的自由部署。

当瞄准元件沿测量方向并入时，即相对于基座轴线共轴并且具有半透明偏转元件时，为了安全保护目的(护眼)，瞄准元件能够设置有遮光器，遮光器联接至用于激光器的控制器。安全控制器操作以使得当激光从壳体沿偏转元件的方向发出时遮光器始终关闭，使得在激光器操作期间不可能看穿瞄准元件。但是，可替换地或者额外地，安全控制器还能够在激光束的束路径中装备有遮光器，并且操作以使得在每个情况下如果瞄准元件中的遮光器打开的话通过关闭遮光器来防止激光的发射。

当然，这种安全保护还能够设置在此处提出的根据本发明的测量设备的所有其他变型中，瞄准元件不仅共轴地对准基座轴线而且还垂直于旋转轴线。

如果测量辐射额外地具有肉眼可见的且由半透明镜面透射的光部分，同时接收辐射的对于测量而言所必需的其他辐射部分被转移至检测器上的壳体中，那么利用瞄准元件的瞄准变得更简单，该瞄准元件相对于光束方向共轴地布置。

在一个有利构造中，所述瞄准元件包括管，管能够集成至旋转主体中的贯通开口中。在望远镜或者望远观察的情况下，光学单元和/或目标标记能够有利地在安装至旋转主体之前集成至所述管中。在安装之前并入这些元件可简化生产。而且，测量设备能够被供给有不同的可更换的管，其中，为了不同的要求，管然后装备有目标标记和/或不同放大率的不同光学单元(不同类型的望远镜)。安全机构用于可释放地固定可更换的管，然后将安全机构有利地设置在旋转主体中或者旋转主体上。这些机构可以是夹紧机构、搭扣行为机构、螺栓连接件等。

在又一有利构造中，旋转主体和/或测量头是可手动旋转的以用于目标对准。

独立于旋转主体的构造以及其所使用的材料，始终可行的是，将瞄准元件并入旋转主体中，所述瞄准元件包括位于旋转主体中的贯通开口。

在该方面，旋转主体能够例如有利地由轻质材料制造，尤其是塑料、纤维增强塑料或者轻金属(诸如铝或者铝合金)，或者这些轻质物质的混合物。使用具有相对低密度的材料可降低扫描期间的能量消耗，并且降低测量误差，由于归因于旋转主体固有重量的弯折现象会产生误差。

旋转主体能够实施为实心主体。而且，如果，其由固体形式的光亮金属制造的话，通过旋转主体的斜面自由端的镜面精抛光(nm)，偏转元件能够与旋转主体一体形成。

作为其替换，可以将旋转主体制造成具有材料切口的轻质结构，这允许节约重量及材料，因而有助于降低成本。

但是，有利的是，旋转主体还能够实施为中空缸体。然后特别有利的是，瞄准元件包括可插入管或者多个可互换的管(望远镜类型)，这允许灵活地使用例如不同的光学单元和/或目标标记。

为了能够依靠测量设备以瞄准方式来瞄准环境的各个点，调节机构有利地设置在测量设备的壳体中，依靠该调节机构，旋转单元能够以机动的方式对准。具有对应软件的计算单元被设置用于机动对准。

在一个实施例中，旋转主体可旋转地安装在一侧，并且在与安装侧相反的一侧具有斜面自由端，其中，偏转元件设置在该斜面自由端处。

在又一特定实施例中，旋转主体以可旋转的方式安装在两侧，偏转元件集成在旋转主体中，并且旋转主体具有通过路径，传输光束以及接收光束能够在通过路径上被引导至偏转元件以及离开偏转元件。这具有的优势在于，可更好地安装旋转主体因而可更好地安装偏转元件，更小程度地发生弯折现象，结果，能够更精确地执行测量。

在一个特别优选的实施例中，偏转元件实施为半透明镜，并且以45°角度对准旋转轴线以及基座轴线。在该情况下，偏转元件布置成使得在操作期间，传输光束在偏转点处照射到偏转元件上并且被偏转，其中，偏转点对应于旋转轴线和基座轴线的交叉点。如果旋转主体中的瞄准元件或者贯通开口然后布置成相对于旋转轴线处于90°角度处并且与基座轴线共轴，那么在依靠瞄准元件进行设定期间，可沿传输光束发射至环境的方向准确地观察。

特别有利地，尤其对于安装在两侧上的旋转主体而言，偏转元件实施为三维光学部件，即尤其实施为棱镜。光学部件或者棱镜集成在旋转主体中，沿观察方向对可见光是透明的，其中，观察方向偏离于传输光束照射到偏转元件上时的入射方向，并且偏转元件以如下方式集成在旋转主体中：当看穿瞄准元件中的开口时沿观察方向看穿光学活性部件，所述开口贯穿旋转主体。

在该实施例的一个特定变型中，观察方向偏离于入射方向以及偏转方向，在该偏转方向，传输光束被从偏转元件发射至环境，其中，观察方向、入射方向以及偏转方向尤其是在每个情况下彼此垂直。

在该实施例的不同变型中，观察方向和传输光束发射至环境时所沿偏转方向是相同的。这具有的优势在于，在观察期间，可以沿传输光束被偏转的方向直接观看。

当然，独立于详细的构造，有利的是，光学部件或者棱镜沿观察方向设置有光学单元和/或目标标记。为此，例如，光学单元和/或目标标记在入口观察侧和/或出口观察侧能够粘着地结合在光学部件或者棱镜上，或者能够依靠可释放连接(诸如，夹紧机构或者螺栓连接)连接至光学部件或者棱镜。但是，目标标记能够例如以着色剂、细线或者细丝的形式施加。

附图说明

基于附图示意图示的具体示范实施例，根据本发明的设备完全根据以下例子更详细地描述，还讨论本发明的进一步优势。附图中的相同元件提供有相同附图标记。具体地，完全示意地示于图中：

图1示出了根据现有技术的测量设备，其实施为激光扫描器，用于光学地测量扫描环境并且安装在支架上；

图2示出了根据本发明的测量设备的第一实施例，不具有支架；

图3示出了图2的根据本发明的测量设备中的根据本发明的旋转单元的纵向截面；

图4a、4b示出了根据本发明的旋转单元的两个可选实施例的纵向截面；

图5a示出了根据本发明的旋转单元的进一步实施例的纵向截面；

图5b示意地示出了图5a的旋转单元的端侧视图，不具有偏转元件；

图6a示出了根据本发明的旋转单元的另一实施例的纵向截面；

图6b以与图5b相同的视图示出了图6a的根据本发明的旋转单元；

图7以与图3类似的视图示出了具有根据本发明的旋转单元的进一步实施例的测量设备的节段；以及

图8是根据本发明的目标标记的示例。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的测量设备，如以上已经详细描述的。

图2示出了根据本发明的测量设备1的第一实施例，其具有根据本发明实施的旋转单元10，所述旋转单元详细示出于图3。测量设备1通常装备有测量头2，测量头2的壳体5以能够绕基座轴线4旋转的方式安装在基座3上。在壳体5中，提供了：用于产生传输光束13的光束源6以及用于检测所捕获的接收光束17的接收传感器8，接收光束17优选在目标对象处被反射；以及光学部件7，其用于对传输光辐射13以及接收光束17进行光束引导以及校准。旋转单元10具有用于以瞄准方式偏转传输光束13以及用于捕获接收光束17的偏转元件22，旋转单元10以由电动机15驱动的方式且以能够绕旋转轴线11旋转的方式安装。电动机15的部件安装在测量头2的壳体5内的电动机壳体14中。旋转单元10的偏转元件22相对于旋转轴线11倾斜一角度α，所述角度通常是45°。

在此处示出的例子中，旋转单元10包括由金属组成的实心旋转主体20，旋转主体20的端部侧20’被非常精细地打磨(μm)并且用作偏转元件22。

位于旋转主体20中的是贯通开口70’，其用作瞄准元件70，在其中固定有目标标记72(见图3)。集成至旋转主体20中的瞄准元件70在旋转主体20绕其旋转轴线11旋转期间随同旋转。

对目标对象进行测角度能够通过用手将测量头2绕基座轴线4旋转而手动进行，或者通过直接地或借助对应的机动装置(未图示)而作用于调节机构(未图示)的调节旋钮54来进行。为此目的，能够设置具有对应软件的控制单元9。以类似方式，为了对准目标对象，具有偏转元件22的旋转主体20能够借助第二调节旋钮56手动地绕旋转轴线11旋转。在该情况下，调节旋钮56与粗略驱动(coarse drive)协作，其中，此处还额外设置有电动机用于旋转单元10的可控机动旋转。此外，旋转主体20的高精确的人工对准能够借助于连接至精调机构的又一精调旋钮56a或者控制按钮来执行。当致动旋钮56a时，旋转主体20随同具体旋转传输装置一起旋转。依靠电子传感器，还能够以适应方式设计传输比，例如旋转移动进行得越慢，旋转传输变得越大。以该方式设置的旋转主体20的对准能力使得瞄准元件70能够以手动及自动可控(借助连接至相应驱动轴的电动机以及对应的软件)两种方式非常精确地对准目标。

在该例子中，设置操作面板50用于对设备进行手动输入，该输入能够在显示器52上显示并被核查，并且能够改变用于观察目标的设定。当然，在借助瞄准元件70对目标对象进行测角度之后-或者不用事先进行测角度，也能够使用相同的机构和设定，从而将测量设备1或者传输光束13对准目标对象，以及例如从而借助单点测量来确定距目标对象的距离或者开始扫描。此外，测量设备1具有例如手柄58用于简化测量设备1的运输。手柄58以模块化方式能够从测量头2拆卸。为了测量，手柄58能够拆卸以能够覆盖最大可能的扫描区域。

如根据图3的纵向截面图可见的，旋转主体20能够被驱动以实现借助轴12来绕旋转轴线11旋转，优选是借助于被布置在电动机壳体14中的电动机15(图3未图示)。为此，旋转主体20典型地连接至轴12用于相对于轴线11共轴地结合旋转。

图4a示出了根据本发明的旋转单元10的构造，其类似于根据图3的示例性实施方式，其中，在该例子中所述旋转单元的旋转主体20不是由实心金属构成，而是由塑料制成的轻质结构30构成，所述结构相对轻并且设置有切口。当然，在该情况下也可以想到，轻质构造由钢或者轻金属(诸如铝)构成，或者例如由一些其他材料构成。在旋转主体20的斜面自由端20’上，布置有磨光金属板或者镜面，在该例子中作为偏转元件22(优选45°)，其依靠粘结式连接件24固定地连接至旋转主体20的端面20’。在偏转元件22处，如先前例子中的，所发射的传输光束13在偏转点23处被偏转，偏转点23对应于旋转轴线11和基座轴线4的交叉点。旋转主体20的缸壁30作为塑料结构而呈现，部分缸壁经由支撑支柱35连接至旋转主体20的内中央部分34，该部分接收轴12。这引起旋转主体中的切口，该切口能够经由与旋转主体20的自由端20’相反的端部来接近。如果需要的话，此处能够使用平衡元件(未图示)。

瞄准元件70类似于图2和3的示例性实施方式中的瞄准元件，该瞄准元件70相对于旋转轴线11以及相对于基座轴线4以90°角度布置在旋转主体20中，其中，作为刻线(标线)的目标标记72中的交叉点与基座轴线交叉，但相对于旋转轴线11因而相对于偏转点23存在横向偏移。在该例子中，从望远镜的意义来讲，光学单元71和作为目标标记72的刻线被插入瞄准元件70。瞄准元件70能够再次以简单的方式实施为贯通开口-或者对于生产有利的是，其包括接收光学单元71和目标标记72的管。

图4b示出了根据本发明的旋转单元10的构造，其类似于根据图4a的示例性实施方式，其中，旋转主体20再次由轻质结构30组成，轻质结构30由塑料构成，所述结构相对轻并且设置有切口。

在旋转主体20的斜面自由端20’上，在该例子中布置有作为偏转元件22的半透明镜，其依靠粘结式连接件24固定地连接至旋转主体20的端面20’。但是，在该例子中，瞄准元件70布置成相对于基座轴线4共轴以及相对于旋转轴线11成90°角度，使得它们在偏转点23交叉。这允许用户当看穿瞄准元件70或者贯通开口70’时直接沿所发射的传输光束13的方向观看。

图示于图5a和5b中的旋转单元10的实施方式不同于根据图4a的实施方式尤其在于，旋转主体20实施为中空的斜面缸体，即优选由轻金属形成，诸如铝或者铝合金。但是，使用塑料尤其是纤维增强塑料也可以想到。缸体包围的腔室46在横向上由缸壁30”界定以及在面向电动机壳体14的一端由缸体基座32界定。腔室46延伸得像旋转主体10的自由斜面端20’一样远，其中，偏转元件22在该构造形式中通过位于缸壁30”的端面处的粘结式连接件24连接至旋转主体20。缸壁30”包含贯通开口70’(图5b)，贯通开口70’构造为使得在其中能够接收管74。管74能够短于旋转主体20的缸壁30”的横向表面之间的距离，所述距离由贯通开口70’限定，或者管74能够被倒圆而与缸壁30”的横向表面齐平。在该例子中，管74用于接收作为目标标记72的刻线以及放大光学单元71，使得管74或者瞄准元件70以望远镜71’的方式构造。除了固定在贯通开口70’中，管74可被支撑在支撑元件68上，支撑元件68以精确匹配的方式借助于至少一个保持元件38而固定在旋转主体20的缸壁30上。管74、支撑元件68以及可能所需的平衡元件36等的安装是在从旋转主体20的自由端20’安装偏转元件22之前执行的，优选由旋转主体20的制造商执行，但当然也可以随后执行。如果缸壁30’足够厚，在特定情形下能够省去支撑元件68。但是，这还取决于例如管74的壁厚和材料以及在扫描期间旋转主体20要旋转的期望速度。

如果设置平衡元件36，它们有利地包括这样的材料：该材料的相对密度例如大于制造旋转主体20的材料的相对密度，诸如黄铜。这能够实现旋转主体20的静态及动态平衡，从而可防止不平衡地安装轴12以及由不平衡引起的轴弯折，以及避免由不平衡引发的振动。使用具有不同质量和/或几何形状的可互换平衡元件进行的这种平衡化典型地由旋转单元10或者旋转主体20的制造商执行。使用不同材料用于旋转主体20或者旋转单元10的不同部件有利地使旋转主体20的长度制造得相对短，例如铝或者塑料作为轻质材料用于旋转主体20，黄铜作为重质材料用于平衡元件36。

图5b以旋转主体的前视图示出了图5a的旋转单元10，不具有偏转元件，也即，相对于旋转轴线11垂直地观看。

轴12位于中心，能够绕旋转轴线11旋转。可见到的同心围绕的部件，从内区域向外依次是：压配合件34，其接收轴12，位于缸体基座32中；位于其前方的缸体基座或者腔室46；以及缸壁30”的端侧20’；以及电动机壳体14。第一平衡元件36在该图示中以接合缸壁30”的方式布置在顶部，作为例子，其定形为横截面为完全的椭圆形。对于图5a、5b中的瞄准元件70以及还对应于图2、3和4a的实施方式而言，以下是确定的：瞄准元件70布置在旋转主体20中，其轴线或者其视场的轴线(其标线/刻线)以90°角度与基座轴线4交叉。其同样以相对于旋转轴线11旋转90°的方式布置，但相对于所述轴线11以及相对于偏转元件22上的传输光束13的偏转点23具有限定的横向偏移。

图6a、6b示出了根据本发明的旋转单元10的构造，其非常类似于根据图5a、5b的示例性实施方式。以与所示实施方式相同的方式，瞄准元件70此处以相对于旋转轴线11旋转90°角度的方式以及相对于基座轴线4旋转90°角度的方式布置在旋转主体20中。在该情况下，但是，瞄准元件70的轴线或者其视场轴线与基座轴线4不交叉，而是与旋转轴线11交叉，此处相对于旋转轴线11没有限定的偏移，而是相对于基座轴线4和相对于偏转点23具有限定的偏移。

图7示出了根据本发明的旋转单元10，其具有在两侧可旋转地安装的旋转主体20，使得旋转主体20还可以设计为实施成连续设计。在一侧，旋转主体20连接至第一轴12用于结合旋转，所述第一轴由电动机15驱动，在相反侧，旋转主体连接至第二轴86用于结合旋转，所述第二轴以自由旋转方式安装在壳体5中。

在该实施例的变型中，旋转主体实施为中空轴，并且在一侧以自由旋转方式直接安装在壳体5中，并且在另一侧直接连接至电动机的驱动单元，使得轴是不必要的，这简化了设计，使得其更成本有效。当然，这两个设计的混合形式也可以想到。

偏转元件22集成在旋转主体20中并且实施为具有光学偏转效应的三维的光学有效部件80，所述部件沿观察方向77对可见光是透明的，其中，观察方向77偏离于传输光束13照射到偏转元件22上时的入射方向78，并且偏转元件22以如下方式集成在旋转主体20中：当沿观察方向77看穿瞄准元件70中的开口时看穿三维的光学有效部件80，所述开口贯穿旋转主体20。在此处示出的例子中，观察方向77偏离于入射方向78以及偏离于偏转方向79，传输光束13从偏转元件22沿偏转方向79反射至环境，其中，在该例子中有利的是，观察方向77、入射方向78和偏转方向79在每个情况下都彼此垂直。毫无疑问，对于所反射的传输光束13，其作为接收光束17(此处未图示)到达偏转元件22，入射方向78和偏转方向79可以倒置(未图示)。

不用仅描绘和图示于图7的构造，同样可想到的是，观察方向和传输光束反射至环境的偏转方向可相同，使得当看穿装备有光学有效部件(optically active component)的瞄准元件时，可沿传输光束被发射或者接收光束被接收的方向观看。在这种情况下，有利的是，具有光学偏转效应的部件包括半透明镜，该镜其在入射或者偏转方向上反射传输光束或者接收光束的波长，并且沿观察方向传输具有不同波长的可见光。

在图7示出的例子中，具有光学偏转效应的三维的光学有效部件80实施为棱镜，即截面为典型三角形构造。但是，可以想到具有光学偏转效应的一些其他部件或者具有不同棱镜形状的棱镜，这取决于哪一个最适于相应的要求。

在图7示为节段的测量设备1的实施方式中，旋转主体20以及所有其它所需部件(在该例子中尤其是测量设备1的第二轴86)具有通过路径82，在该路径上，传输光束13以及接收光束17被引导至偏转元件22以及离开后者。在示出的例子中，旋转主体20由金属制成，并且制成为中空缸体，使得其腔室46同时形成一部分的通过路径82。通过路径的另一部分由中空缸体旋转主体20的缸壁中的开口75形成，其相对于偏转元件22沿偏转方向79使用于传输光束13以及接收光束17(未图示)的路径开放(free)。

在示出的例子中，三维的光学有效部件80沿观察方向设置有呈刻线形式的目标标记72。此外，还能够设置光学单元71，例如用于放大。光学单元71以及目标标记72能够沿观察方向77直接施加至三维的光学有效部件80。在该情况下，作为例子，沿观察方向77，光学透镜能够通过粘结而施加，或者依靠三维的光学有效部件80上的对应安装件来固定。目标标记72也沿观察方向77，能够被粘着地结合，或者涂覆至三维的光学有效部件80上，或者依靠其上的对应安装件来固定。

在以上给出的说明中，已经借助彼此组合的例子示出和/或描述了各种细节。但是，这不意味着它们仅能够以示出和/或描述的形式彼此结合。本领域的技术人员知道在本发明的范围内，以何种方式将示出和/或上述的实施例的细节彼此结合，但是由于空间原因此处并没有呈现所有组合。

Claims (20)

1.一种测量设备(1)，所述测量设备被构建为激光扫描器，用于光学地测量环境，该测量设备包括以可旋转的方式安装的测量头(2)，所述测量头具有壳体(5)，所述壳体围绕所述激光扫描器的基座轴线(4)以可旋转的方式安装在基座(3)上，所述激光扫描器包括

-光束源(6)，该光束源集成在所述测量头(2)的所述壳体(5)中并且用于产生传输光束(13)，

-接收传感器(8)，该接收传感器集成在所述测量头(2)的所述壳体(5)中并且用于检测经反射的传输光束(13)，所述经反射的传输光束(13)作为接收光束(17)而返回，以及

-包括旋转单元(10)，该旋转单元安装在所述测量头(2)中且位于所述壳体(5)中的所述接收传感器(8)和另外的光学部件(7)的相反侧，并且所述旋转单元(10)具有旋转主体(20)，该旋转主体(20)以能够绕其旋转轴线(11)旋转的方式安装在至少一侧，所述旋转单元具有偏转元件(22)，该偏转元件用于将所述传输光束(13)对准地偏转至所述环境以及对所述接收光束(17)进行捕获及偏转，其中

所述基座轴线(4)与所述旋转轴线(11)被布置为彼此大体垂直，

所述旋转主体(20)大体为圆柱的形状，并且所述旋转轴线(11)是该圆柱的旋转轴线；并且其中

-一瞄准元件(70)集成在所述旋转主体(20)中，所述瞄准元件包括直线地贯穿所述旋转主体(20)的贯通开口(70’)，因此能够看穿所述贯通开口(70’)并观察目标，

其特征在于

分别穿过所述瞄准元件(70)和所述贯通开口(70’)的观察方向(77)、所述传输光束(13)入射到所述偏转元件(22)上时的入射方向(78)、以及所述偏转元件(22)将所述传输光束(13)偏转至所述环境时的偏转方向(79)，这个三个方向彼此垂直。

2.根据权利要求1所述的测量设备(1)，其特征在于，

设置有控制单元(9)，该控制单元借助于软件以如下方式构造：

-利用所述瞄准元件(70)观察到的目标的空间坐标能够被获取以及存储，并且用于旋转所述旋转主体(20)和/或测量头(2)的电动机能够被控制，以使得所述传输光束(13)能够对准所述目标，和/或，

-用于旋转测量头(2)和/或旋转主体(20)的电动机能够被驱动，以使得集成在所述旋转主体(20)中的所述瞄准元件(70)能够对准预定坐标。

3.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述瞄准元件(70)包括能够插入所述旋转主体(20)中的管(74)，或者包括望远镜(71’)。

4.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述瞄准元件(70)装备有光学单元(71)和/或目标标记(72)。

5.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述旋转主体(20)由具有低相对密度的轻质材料制造，其中，所述材料包括以下物质中的一种或多种：塑料、轻金属。

6.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述旋转主体(20)以实心方式来实施。

7.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述旋转主体(20)以轻质构造的形式制造，所述轻质构造具有节约重量及节约材料的材料切口。

8.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述旋转主体(20)被实施为中空缸体，并且所述瞄准元件(70)包括可插入管(74)和/或三维的光学有效部件(80)。

9.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，

-所述旋转主体(20)以可旋转的方式安装在一侧，并且具有斜面自由端(20’)，

-其中，所述偏转元件(22)设置在所述斜面自由端(20’)处。

10.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，

-所述旋转主体(20)以可旋转的方式安装在两侧，

-所述偏转元件(22)集成在旋转主体中，并且所述测量设备(1)的所述旋转主体(20)及其所有进一步所需的部件均具有通过路径(82)，所述传输光束(13)和接收光束(17)能够在所述通过路径(82)上被引导至所述偏转元件(22)以及被引导离开偏转元件(22)。

11.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，

-所述偏转元件(22)实施为相对于所述旋转轴线(11)且相对于基座轴线(4)以45°角度对准，使得

-所述传输光束(13)在操作期间在偏转点(23)处照射到所述偏转元件(22)上并且在该偏转点(23)处被偏转，其中，所述偏转点(23)对应于所述旋转轴线(11)和所述基座轴线(4)的交叉点，并且

-所述旋转主体(20)中的所述瞄准元件(70)及其贯通开口(70’)相对于所述旋转轴线(11)以90°角度分别与所述偏转元件(22)交会。

12.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述偏转元件(22)是平面镜。

13.根据权利要求10所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述偏转元件(22)是具有光学偏转效应的三维的光学有效部件(80)，并且所述偏转元件在观察方向(77)上对可见光是透明的，其中，所述偏转元件(22)如此集成在所述旋转主体(20)中，使得当看穿所述瞄准元件(70)的所述开口(70’)时也就看穿了三维的光学有效部件(80)，所述开口沿所述观察方向(77)贯穿所述旋转主体(20)。

14.根据权利要求1所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述瞄准元件(70)相对于所述旋转轴线(11)成90°角度而布置在所述旋转主体(20)中。

15.根据权利要求13所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述偏转元件(22)是棱镜。

16.根据权利要求13所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述三维的光学有效部件(80)沿所述观察方向(77)设置有光学单元(71)和/或目标标记(72)。

17.根据权利要求5所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述塑料是纤维增强塑料。

18.根据权利要求5所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述轻金属是铝或铝合金。

19.根据权利要求12所述的测量设备(1)，其特征在于，

所述平面镜是具有镜面精抛光的光亮金属面。

20.一种用于校准根据权利要求9所述的测量设备(1)的方法，其特征在于，

借助于集成至旋转单元并且随其一起旋转的瞄准元件(70)来进行两位置测量，基于所述两位置测量以自动方式确定在水平校准和竖直指数中的误差以及旋转轴线偏斜，并且所述瞄准元件(70)相对于所述测量设备(1)的轴向系统被校准，并且测量光束的位置相对于所述轴向系统利用以由此校准的所述瞄准元件(70)被可选地校准。