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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Triangulationsscanner zur Erfassung
einer Höhenlinie
eines Objektes.
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Triangulationsscanner
dienen der berührungslosen
Digitalisierung einer oder mehrerer Höhenlinien von dreidimensionalen
Objekten. Hierzu wird für
jeden Messpunkt der Höhenlinien
der Abstand des betreffenden Objektpunktes zu dem Triangulationsscanner
ermittelt. Die Entfernungsbestimmung erfolgt nach dem Prinzip der
Triangulation, die, im Kontrast zur dynamischen Fokussierung, praktisch
ohne jede Verzögerung
vorgenommen werden kann. Bei der optischen Triangulation wird ein
von einer Lichtquelle kommender Lichtstrahl auf das Objekt gerichtet,
und der auf dem Objekt erzeugte Lichtpunkt von einer Empfangsoptik
auf einem optischen Empfänger
abgebildet. Die optischen Achsen des auf das Objekt auftreffenden
Lichtstrahles und der Empfangsoptik liegen nicht übereinander,
sondern möglichst
weit auseinander, so dass sie zwei Schenkel eines Dreieckes bilden.
Der von den beiden Schenkeln eingeschlossene Winkel kann von dem
Empfänger, der
beispielsweise in Form einer Zeilenkamera realisiert ist, erfasst
werden, woraus durch eine einfache Kreisfunktion der Abstand vom
Objekt-Lichtpunkt zum Triangulationsscanner, also die Erhabenheit
des Objektes an diesem Punkt bestimmt werden kann.
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Zur
dreidimensionalen Erfassung des gesamten Objektes muss das Objekt
in zwei Raumachsen gescannt werden. Um eine gewisse Scanrate realisieren
zu können,
weisen Geräte
aus dem Stand der Technik schnell rotierende Scanrotoren auf, die die
Lichtquelle, die Empfangsoptik, sowie den optischen Empfänger enthalten.
Da der Scanrotor in Form der Lichtquelle und des optischen Empfängers elektrische
Bauteile aufweist, die mit elektrischer Energie versorgt werden
und mit denen Informationen ausgetauscht werden müssen, sind
hierfür
bewegliche bzw. berührungslose Übertragungselemente
erforderlich. Derartige Übertragungselemente
sind aufwendig, relativ ungenau und störanfällig.
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In
der Druckschrift
DE
38 01 626 C1 wird ein Zirkularscanner beschrieben, bei
dem die Lichtquelle und der Empfänger
ortsfest angeordnet sind. Der Lichtstrahl wird axial in den Scanrotor
eingekoppelt. Der Lichtstrahl tritt annähernd axial bzw. parallel zur Scanrotor-Rotationsachse
aus dem Scanrotor aus. Mit dem Zirkularscanner kann naturgemäß ein schmaler
Streifen erfasst werden, wenn der Scanner in Streifenlängsrichtung
bewegt wird.
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Aus
der Druckschrift
DE
10 308 085 A1 ist ein Triangulationsscanner bekannt, bei
dem ebenfalls die Lichtquelle und die Empfangsoptik ortsfest angeordnet
sind. Der Lichtstrahl wird radial in einen Scanrotor eingekoppelt,
so dass sich eine Kreisscheibe von weniger 180° erfassen lässt. Allerdings ist die Erfassungsqualität außerhalb
der Winkelhalbierenden des erfassten Kreissegmentes zum Rand hin
stark verschlechtert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es dem gegenüber,
einen elektrisch zuverlässigen
Triangulationsscanner mit einem großen Gesichtsfeld zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Triangulationsscanner
sind die elektrischen Bauteile, nämlich die Lichtquelle und der
optische Empfänger,
nicht mehr an oder in dem Scanrotor angeordnet, sondern sind feststehend
angeordnet. Der Scanrotor enthält
keine elektrischen Bauteile mehr, sondern ausschließlich optische
Bauelemente, nämlich
mindestens die Empfangsoptik und eine Mimik, die den von der Lichtquelle
kommenden Lichtstrahl auf das Objekt umlenkt und dort einen auf
einer Höhenlinie
bzw. einer Scanlinie wandernden Lichtpunkt erzeugt. Da der Scanrotor
keine elektrischen Bauteile mehr aufweist, entfallen bewegliche
und berührungslose Übertragungsglieder,
wie Schleifringe, optische Datenkoppler, Spulen etc.. Der elektrische
Aufwand für
diese Konstruktion ist erheblich reduziert. Die Messgenauigkeit wird
erhöht
und die Störanfälligkeit
erheblich vermindert.
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Die
Axiale der Lichtquelle, also der von der Lichtquelle kommende Lichtstrahl,
liegt in der Drehachse des Scanrotors. Der Lichtstrahl wird in seiner Richtung
durch das Rotieren des Scanrotors beim Eintritt in den Scanrotor
unabhängig
von der Drehposition des Scanrotors vor dem Auftreffen auf die Umlenk-Mimik
nicht abgelenkt oder verändert.
Durch die rotierende Umlenk-Mimik beschreibt der Lichtstrahl dann
einen Kegel bzw., bei genau rechtwinkliger Umlenkung, eine Ebene.
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In
dem Scanrotor ist ein Umlenkspiegel vorgesehen, der den emittierten
Lichtstrahl zum Objekt umlenkt. Der Umlenkspiegel kann beispielsweise
ein 45°-Spiegel
sein, so dass der Lichtstrahl von dem Umlenkspiegel genau aus seiner
axialen Einfallsrichtung senkrecht zur Scanrotor-Axialen abgelenkt
wird. Auf diese Weise wird auf dem Objekt ein auf einer Scanlinie
liegender Lichtpunkt erzeugt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist der Empfänger ein zweidimensionaler
optischer Positionssensor. Hierfür
eignen sich beispielsweise zweidimensionale PSD-, CCD-, CMOS- oder
Photodioden-Arrays. Durch Nutzung eines zweidimensionalen optischen
Empfängers
kann dieser im feststehenden Bauteil untergebracht werden, da der
durch die Rotationsbewegung hervorgerufene Bewegungsanteil des Messpunktes
berücksichtigt
werden kann. Der auf dem zweidimensionalen optischen Positionssensor
abgebildete Objekt-Lichtpunkt enthält auf Grund seiner Lage auf
dem Positionssensor sowohl eine Information über den Drehwinkel des Scanrotors als
auch über
die Entfernung zwischen dem Scanrotor und dem Objekt-Lichtpunkt.
Auf eine Scanrotor-Drehwinkel-Bestimmung kann daher verzichtet werden.
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Vorzugsweise
weist der Scanrotor einen weiteren Umlenkspiegel auf, der das von
der Empfangsoptik kommende Licht auf den feststehenden, nicht rotierenden
Empfänger
umlenkt. Durch den Scanrotor-Umlenkspiegel kann das Licht dorthin
umgelenkt werden, wo der Empfänger
bzw. der Positionssensor aus konstruktiven Gründen angeordnet sein sollte oder
muss.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung weist die Empfangsoptik einen optischen
Hohlspiegel auf, der sowohl die projizierende Funktion einer Linsen-Empfangsoptik als
auch die reflektierende Funktion des vorgenannten ersten Umlenkspiegels
in sich vereint. Hierdurch werden das Gewicht und der Bauraum des
Scanrotors reduziert.
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Vorzugsweise
ist der Umlenkspiegel derart geformt, dass der Objekt-Lichtpunkt auf dem
Empfänger
entfernungslinear abgebildet wird. Durch den Umlenkspiegel wird
der im Wesentlichen einer Kreisfunktion gehorchende Zusammenhang
zwischen dem auf das Objekt auftreffenden Lichtstrahl und der optischen
Achse zwischen dem Objekt-Lichtpunkt und der Empfangsoptik linerarisiert.
Hierdurch wird zum einen die Auswertung erleichtert und beschleunigt
und zum anderen die Auflösung
insbesondere für größere Entfernungen
des Objekt-Lichtpunktes verbessert.
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Vorzugsweise
ist der den einfallenden Lichtstrahl umlenkende Umlenkspiegel drehbar
im Verhältnis
zum Scanrotor, und zwar um eine Achse, die senkrecht zur Scanrotor-Axialen
steht. Auf diese Weise können
eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Scanlinien erzeugt werden,
so dass ein Verschieben des Scanrotors oder des Objektes zur Erzeugung
mehrerer nebeneinanderliegender Scanlinien entfallen kann.
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Vorzugsweise
weist die Lichtquelle einen Laser oder eine Laserdiode auf. Laserlicht
ist prinzipbedingt monochromatisch und daher für Anwendungen, in denen ein
nicht divergierender und einen möglichst kleinen
Lichtpunkt erzeugender Lichtstrahl benötigt wird, besonders geeignet.
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Im
folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand
der Figuren näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Triangulationsscanners mit einem
Scanrotor,
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2 eine
Darstellung des als zweidimensionaler optischer Positionssensor
ausgebildeten optischen Empfängers
des Triangulationsscanners der 1, und
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3 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles eines Triangulationsscanners
mit einem Hohlspiegel als Empfangsoptik.
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In
der 1 ist ein Triangulationsscanner 10 in
schematischer Form dargestellt. Der Triangulationsscanner 10 dient
der dreidimensionalen Erfassung eines beliebigen dreidimensionalen
Objektes 12 bzw. der Objektoberfläche 14 eines dreidimensionalen
Objektes 12.
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Der
Triangulationsscanner 10 ist in einen feststehenden Stator 16 und
einen dem gegenüber rotierbar
befestigten Scanrotor 18 aufgeteilt. Alle elektrisch aktiven
Bauteile sind in oder an dem Stator 16 angebracht, bzw.
verbaut, während
in bzw. an dem Scanrotor 18 ausschließlich einige passive optische
Bauteile vorgesehen sind.
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Der
Stator 16 weist eine als Laserdiode ausgebildete Lichtquelle 22 auf,
deren optische Achse in der Rotations-Axialen 24 des Scanrotors 18 liegt.
Alternativ kann eine Lichtquelle 22' auch beispielsweise senkrecht
zur Rotations-Axialen 24 angeordnet sein, wobei dann der
von der Lichtquelle 22' ausgesandte
Lichtstrahl 23 durch einen entsprechend angeordneten Umlenkspiegel 25 in
die Rotations-Axiale 24 umgelenkt wird.
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Der
Lichtstrahl 23 tritt aus dem Stator 16 ungebrochen
aus und tritt axial in den Scanrotor 18 ungebrochen ein.
In dem Scanrotor 18 ist ein zweiter Umlenkspiegel 30 vorgesehen,
der den von der Lichtquelle 22 einfallenden Lichtstrahl 23 in
Richtung Objekt 12 umlenkt. Je nach Anwendung kann der
Austrittswinkel des zum Objekt 12 reflektierenden Lichtstrahls 23' im Verhältnis zur
Rotations-Axialen 24 senkrecht sein, jedoch auch von der
Senkrechten abweichen oder aber, wie weiter unten noch beschrieben,
durch einen drehbaren Umlenkspiegel in einer zweiten Scanbewegung
senkrecht zu der ersten Scanbewegung über das Objekt 12 bewegt
werden.
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Der
Scanrotor 18 weist eine Empfangsoptik 32 auf,
die das Bild des von dem auf das Objekt fallenden Lichtstrahl 23' auf der Objektoberfläche 14 erzeugten
Lichtpunktes 34 auf einem statorseitigen Empfänger 36 abbildet,
nachdem es von einem ersten Umlenkspiegel 38 in dem Scanrotor 18 seitlich umgelenkt
wurde, d. h. im Wesentlichen in Richtung der Rotations-Axialen 24 umgelenkt
und aus dem Scanrotor 18 in axialer Vorzugsrichtung ausgekoppelt wurde.
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Der
Empfänger 36 ist
als zweidimensionaler optischer Positionssensor ausgebildet, wie
in 2 dargestellt. Auf dem Empfänger 36 wird der Lichtpunkt 34 abgebildet.
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Fällt die
Abbildung des Lichtpunktes 34 auf den Empfänger 36 genau
in den Mittelpunkt des Positionssensors, so hat der Messpunkt den
minimalen Messabstand erreicht. Liegt die Abbildung des Lichtpunktes 34 außerhalb
der Messfläche
des Empfängers,
ist der maximale Messabstand überschritten. Eine
Variante mit vollem Scanbereich über
den 2-D-Positionssensor erlaubt einen größeren Messbereich bei gleichen
Abmessungen. Nachteilig ist dabei, dass die genaue Drehposition
des Scanrotors feststehen muss, um den Abstand h zu ermitteln. Dazu
wird ein zusätzlicher
Drehsensor oder ein Index benötigt,
der zu dem Lichtpunkt den Drehwinkel angibt.
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Die
Höhe h
des Punktes P wird anhand der Länge
h1 des Vektors von dem Empfänger-Mittelpunkt
zu dem abgebildeten Lichtpunkt 341 ermittelt. Der
Winkel des Vektors auf dem Positionssensor-Empfänger 36 gibt die Lage
auf der Scanlinie an. Auf diese Weise lässt sich die Lage des Lichtpunktes 34 auf
der Scanlinie ohne eine entsprechende Decodierung des Drehwinkels
des Scanrotors 18 ermitteln.
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Die
Linsen-Empfangsoptik 32 wird von einer Sammellinse und
einer Streulinse gebildet. Der Umlenkspiegel 38 kann derart
gekrümmt
ausgebildet sein, dass die Vektorlänge h1 des
projizierten Lichtpunktes 341 stets
ungefähr
proportional zur Höhe
h des Lichtpunktes 34 auf der Objektoberfläche 14 ist. Hierzu
folgt die Krümmung
des Umlenkspiegels 38 u. a. einer Kreisfunktion.
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Auf
dem in der 2 dargestellten Empfänger 36 ist
einer zweiter Lichtpunkt 342 dargestellt, dessen
Vektor-Betrag kleiner und dessen Vektor-Richtung verschieden von
dem Vektor des ersten projizierten Lichtpunktes 342 ist.
Ein dem zweiten Lichtpunkt 342 entsprechender
Objekt-Lichtpunkt weist eine geringere Höhe auf und liegt auf einem
anderen Punkt auf der Scanlinie als der Objekt-Lichtpunkt 34 zu
dem ersten Empfänger-Lichtpunkt 342 .
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Alternativ
zu einer Linsen-Empfangsoptik 32 und dem Umlenkspiegel 38 kann
auch ein entsprechender, beispielsweise als Parabolspiegel ausgebildeter
Hohlspiegel 52 vorgesehen sein, der die Funktion der Empfangsoptik 32 und
des Umlenkspiegels 38 in sich vereinigt, wie an dem Triangulationsscanner 50 der 3 dargestellt.
Hierdurch können
der Bauraum und die rotierende Masse reduziert werden.