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Die
Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zur Konturvermessung von
Objekten, insbesondere von Lichtraumprofilen, mit mindestens einer
Lichtquelle und mindestens einer Ablenkeinrichtung, welche Ablenkeinrichtung
in einem um eine Rotationsachse drehbaren Gehäuseteil angeordnet ist und welche
einen von der Lichtquelle kommenden Abtaststrahl als Sendestrahl
auf ein zu vermessendes Objekt lenkt und von dem Objekt reflektierte
Lichtanteile als Empfangsstrahl in Richtung eines Detektors einer
Aufnahmeeinrichtung lenkt.
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Vermessungen
von Konturen, insbesondere von Profilen von lichten Räumen, beispielsweise
von Tunnels gleisgebundener Fahrzeuge werden heutzutage vermehrt
mit Hilfe sogenannter Profilometer durchgeführt, bei welchen eine Abtastvorrichtung
auf einem der betreffenden Fahrzeuge oder einem speziell dafür vorgesehen
Fortbewegungsmittel angebracht ist. Dabei werden die Konturen des
den Schienenweg umgebenden Hohlraums kontinuierlich dadurch vermessen,
dass das betreffende Fahrzeug sich beispielsweise auf dem Schienenweg
vorwärts und
so im wesentlichen senkrecht zur Orientierung des Sendestrahls der
Abtastvorrichtung bewegt. Aufgrund der translatorischen Bewegung
des Fortbewegungsmittels und der im Vollkreis erfolgenden Abtastung
des Hohlraums mit den Sendestrahlen ergibt sich eine schraubenlinienförmige Abtastung
des Gesamtprofils mit Messpunkten, deren räumliche Auflösung unter
anderem von der Geschwindigkeit des Fortbewegungsmittels und der
Rotationsgeschwindigkeit der Abtastvorrichtung abhängt. Eine
solche Abtastvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 033 928 A1 bekannt.
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Die
bekannte Abtastvorrichtung beschreibt dabei eine Anordnung mit einer
in einem drehbaren Gehäuseteil
untergebrachten Ablenkeinrichtung in Form eines Spiegels, bei welcher
die ausgesandten Sendestrahlen durch beidseitige Nutzung der Ablenkeinrichtung
verdoppelt wurde, wodurch bei gleicher Messzeit und Rotationsgeschwindigkeit
eine doppelte Anzahl von Messpunkten erfasst werden kann.
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Die
derart vorbekannte Abtastvorrichtung ist allerdings auch mit gewissen
Nachteilen behaftet. So erfordert die Rotation des Gehäuseteils
eine relativ große
und damit teure Lagerung, da diese größer als die Apertur der Optik
des Abtastvorrichtung ausgelegt sein muß, um nicht wesentliche Teile
des aufzufangenden Streulichtes abzuschatten. Die erwähnte Lagerung
ist zudem durch die hohen Umfangsgeschwindigkeiten des Gehäuseteils
einem starken Verschleiß unterworfen,
was zu einer kurzen Lebensdauer führt, außerdem verursachen diese Lagerung eine
hohe Verlustleitung und stellen gewisse Anforderungen an den einzusetzenden
Antrieb. Ein weiteres Problem wird durch die in dem Gehäuseteil
angeordnete, relativ dicke Ablenkeinrichtung verursacht, bei welcher
sich der eingesetzte Spiegel bei hohen Drehzahlen verbiegen kann
und außerdem
einen Strahlversatz des Sendestrahls verursacht. Diese wiederum macht
einen hohen Aufwand zur sogenannten Keilkorrektur über einen
zu berechnenden und einzustellenden Vorhaltewinkel des Sendestrahls
notwendig, überdies
besteht durch die gemeinsamen Lichtwege von Sende- und Empfangsstrahlen
innerhalb des Gehäuseteils
das Risiko eines optischen Übersprechens
an der Empfangsoptik des Detektors durch Störsignale aus Streulicht, was
insbesondere bei den häufig
zum Einsatz kommenden Phasenmessungen zu stark verfälschten
Messergebnissen führen
kann.
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Es
besteht daher die Aufgabe, eine Abtastvorrichtung zur Verfügung zu
stellen, bei welcher mit einfachen Mitteln eine preisgünstige,
verlustleistungs- und verschleißarme
Lagerung mit erhöhter Laufzeit
sichergestellt ist und bei welcher der Einfluss von Störsignalen
reduziert ist.
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Diese
zunächst
an sich widersprüchlich
erscheinende Aufgabe wird gelöst
durch eine Abtastvorrichtung der eingangs genannten Art, bei welcher das
Gehäuseteil
an einem dieses entlang der Rotationsachse durchgreifenden, außerhalb
des Gehäuseteils
gelagerten Stützorgan
drehfest angeordnet ist und bei welcher das Stützorgan mit einer separaten Ablenkeinrichtung
für den
Sendestrahl versehen ist. Durch die drehfeste Anordnung des Gehäuseteils
an dem Stützorgan
werden bei Beaufschlagung mit einer Antriebskraft zumindest des
einen dieser Teile beide Teile gemeinsam bewegt, wobei durch die
Lagerung des Stützorgans
die Dimension des Gehäuseteils
keinen Einfluss auf die Größe der Lagerung hat
und demnach auch kostengünstige,
kleine Lager mit hoher Lebensdauer und geringer Verlustleistung eingesetzt
werden können.
Die gleichzeitig gegebenenfalls auch noch höheren Umdrehungszahlen erlauben
entweder eine verbesserte Ortsauflösung des Messvorgangs oder
eine schnellere Durchführung der
Messung bei gleichbleibender Auflösung. Die Anordnung einer separaten
Ablenkeinrichtung für
den Sendestrahl erlaubt es, die Lichtwege der Sende- und Empfangsstrahlen
der Abtastvorrichtung zu trennen und damit den Einfluss von Störsignalen
auf die Empfangsoptik zu reduzieren. Darüber hinaus kann eine separaten
Ablenkeinrichtung mit geringerem Strahlversatz eingesetzt werden,
die zudem, da die insbesondere durch Fliehkräfte verursachte Verbiegung
der mindestens einen Ablenkeinrichtung keinen Einfluss mehr hat,
auch eine geringere Strahlablenkung aufweist. Überdies wird der Aufwand für die Keilkorrektur
verringert. Schließlich
ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung, die
sich besonders vorteilhaft mit zwei in unterschiedliche, insbesondere
entgegensetzte Richtungen von der Abtastvorrichtung weg ausgesandte
Sendestrahlen, die gegebenenfalls von einer oder mehreren Lichtquellen
erzeugt werden, als sogenannter Doppelscanner betreiben lässt, weitere
Möglichkeiten
der Antriebsgestaltung.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Abtastvorrichtung kann darin bestehen,
dass das Stützorgan
als Welle mit einer im wesentlichen entlang der Längsachse
der Welle verlaufenden Öffnung,
insbesondere als Hohlwelle, ausgebildet ist, da dies eine besonders
effektive Entkopplung der Lichtwege von Sende- und Empfangsstrahl gestattet. Der Sendestrahl
verläuft
hierbei in der Öffnung
des Stützorgans
und trifft dort auf die separate Ablenkeinrichtung, so dass von
dem Sendestrahl im wesentlichen keine oder nur geringe Störanteile
in Richtung des Detektors als Streulicht gelenkt werden.
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Eine
besonders effektive, weil verschleiß- und verlustleistungsarme
Lagerung wird bei einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung
erreicht, bei der das Stützorgan
einen geringeren Querschnitt als das, bevorzugt zylindrische, Gehäuseteil
aufweist, weil hierdurch sehr kleine und robuste Lager zum Einsatz
kommen können.
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Ein
möglichst
einfacher Aufbau der Vorrichtung und die möglichst ungehinderte Ablenkung
des von dem zu vermessenden Objekt rückgestreuten Lichts in Richtung
des Detektors wird bei einer Weiterbildung der Abtastvorrichtung
dadurch erreicht, dass das bevorzugt einstückig ausgebildete Stützorgan
eine an der mindestens einen Ablenkvorrichtung angeordnete Öffnung durchgreift.
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Eine
zweckmäßige Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung
mit einer von dem Querschnitt des Stützorgans und den Abmessungen der
separaten Ablenkeinrichtungen unabhängigen Lagerung kann dadurch
realisiert werden, dass das Stützorgan
mit geändertem,
vorzugsweise reduziertem Querschnitt versehene, Endbereiche aufweist, welche
von Lagerstellen aufgenommen sind. Die an den Lagerstellen befindlichen
Lager können
in im Grunde beliebiger, die Drehbewegung lagernder Art, beispielsweise
als Kugel- oder Rollenlager, ausgebildet sein.
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Eine
günstige
Lagerung der Abtastvorrichtung, beispielsweise an dem für die translatorische Bewegung
notwendigen Fortbewegungsmittel, kann erzielt werden, wenn die Lagerstellen
in diese tragenden, lichtdurchlässigen
Wandelementen angeordnet sind. Die Wandelemente dienen dabei wiederum
der Kapselung der Abtastvorrichtung als Schutz vor Umwelteinflüssen. Es
sind aber auch andere Ort zur Anordnung der Lagerstellen denkbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Abtastvorrichtung weist das Stützorgan an seinem innerhalb
des Gehäuseteils
befindlichen Bereich eine quer zur Längsachse angeordnete, bevorzugt
zylindrische, Durchtrittsöffnung
auf, in welcher die separate Ablenkeinrichtung für den Sendestrahl angeordnet ist,
da so der eine oder die mehreren Sendestrahlen zunächst ungestört zu der
separaten Ablenkeinrichtung hin und sodann optimal in Richtung auf
die zu vermessenden Objekte geleitet werden können. Besonders bevorzugt ist
die separate Ablenkeinrichtung dabei vollständig in der Durchtrittsöffnung aufgenommen,
so dass der Lichtweg der rückgestreuten
Empfangsstrahlen keine zusätzliche
Abschattung erfährt.
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Vorteilhafterweise
ist bei der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung
die Ablenkeinrichtung als Spiegel, Strahlteilerprisma oder dergleichen
den Sendestrahlweg ändernde
Einrichtung vorgesehen.
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Um
für die
Sende- und Empfangsstrahle als Abtaststrahle einen möglichst
einfachen, auch von den rechnerischen Korrekturen her gut beherrschbaren
Lichtweg zu erzeugen ist es von Vorteil, wenn bei einer Ausbildung
der Abtastvorrichtung die durch die mindestens eine Ablenkeinrichtung
und die separate Ablenkeinrichtung gebildeten Flächen parallel angeordnet sind.
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Um
den an dem zu vermessenden Objekt rückgestreuten Lichtanteile einen
möglichst
ungehinderten weg in Richtung auf einen außerhalb des Gehäuseteils
angeordneten Detektor zu erlauben ist es bei einer Weiterbildung
der Abtastvorrichtung von Vorteil, wenn lichtdurchlässige, zwischen
dem Stützorgan
und dem Gehäuseteil
angeordnete Verbindungselemente die Stirnwände des Gehäuseteils bilden, so dass die
erwähnten
Lichtanteile nach ihrer Umlenkung an der mindestens einen Ablenkeinrichtung
möglichst
ungehindert durch die Stirnwände
hindurchtreten können.
Hierzu können
die Verbindungselemente beispielsweise aus einem lichtdurchlässigen,
zum Beispiel transparenten Material wie Kunststoff oder Glas oder
auch durch Speichenartige Elemente gebildet sein, die nur ein Mindestmaß an Abschattung
der Lichtanteile verursachen.
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Eine
besonders stabile, den Fliehkräften
der Drehbewegung gut entgegenwirkende Anordnung der Abtastvorrichtung
ergibt sich bei einer Ausführungsform
derselben, bei welcher die für
die Umlenkung des oder der Empfangsstrahlen vorgesehene, mindestens
eine Ablenkeinrichtung mit dem Gehäuseteil und dem Stützorgan
verbunden ist, beispielsweise durch Anlenkung der dem jeweiligen
Teil benachbarten Endbereiche. Die Verbindung der mindestens einen
Ablenkeinrichtung mit dem Gehäuseteil
ist dabei nicht zwingend notwendig, vielmehr sind auch Ausführungsformen
denkbar, bei welchen diese Ablenkeinrichtung mit zusätzlichen
Stützgliedern
versehen lediglich mit dem Stützorgan
verbunden ist, während
ihre dem Stützorgan
abgewandten Endbereich gewissermaßen frei rotieren. Diese Stützglieder müssen dann
jedoch wiederum einer möglichen
Abschattung des Lichtwegs des Empfangsstrahl durch Formgebung oder
Materialwahl Rechnung tragen.
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Zur
Erhöhung
der Messgenauigkeit des Abtastvorgangs und sowohl zur schnellen
Anpassung der Abtastvorrichtung als auch zur allgemeinen Justage
kann es bei einer anderen Ausführungsform
vorgesehen sein, die Ablenkeinrichtungen mit mindestens einer, vorzugsweise
mit jeweils mindestens einem Justierelement zu versehen, beispielsweise
in der Art von Stellschrauben, so dass die Ablenkeinrichtungen mit
geringem Aufwand auch an sich, etwa durch Temperatureinflüsse, verändernde
Umgebungsbedingungen gut anpassbar sind.
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Eine
zweckmäßige Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung
kann darin bestehen, dass das Stützorgan
und/oder das Gehäuseteil mit
einer Antriebseinrichtung versehen sind, welche eine Drehantriebskraft
direkt oder über
ein Übertragungsglied
vermittelt. So kann sowohl an dem Stützorgan als auch an dem Gehäuseteil
als Rotor ein Stator eine Direktan triebs angeordnet sein, es ist
jedoch auch ein Antrieb mittels eines an einem der drehbeweglichen
Teile angreifenden Riemens als Übertragungsglied
denkbar.
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Um
die durch den Detektor erfassten Empfangssignale eindeutig zuordnen
und aus den Messungen die erforderlichen Koordinateninformationen gewinnen
zu können
ist bei einer weiteren Ausführungsform
der Abtastvorrichtung die Aufnahmeeinrichtung mit einem Encoder
und/oder einer Steuer- und Auswerteeinheit versehen. Hierbei ist
der Encoder vorzugsweise mit einer Leseeinheit versehen, welche
Winkelinformationen eines der drehbeweglichen Teile der Anordnung
verarbeiten und gleichzeitig über
die Steuereinheit die Datenaufnahme triggern kann.
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Besonders
bevorzugt kann als eine, bevorzugt sogar einzige Lichtquelle der
Abtastvorrichtung bei einer Ausführungsform
diese Lichtquelle als Laserlichtquelle ausgebildet sein, die sich
zur Modulation bei Einsatz in Pulslaufzeit und/oder Phasenlaufzeitverfahren
besonders eignet.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in den Figuren
der Zeichnung näher
erläutert,
Dabei zeigen in teilweise stark schematisierter Darstellung die
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1 eine
geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung mit einem
an einem Stützorgan
angeordneten Gehäuseteil;
und die
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2 eine
geschnittene Stirnansicht der Abtastvorrichtung aus der 1.
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In
der 1 ist eine im Ganzen mit 1 bezeichnete
Abtastvorrichtung zur Konturvermessung von Objekten zu erkennen.
Diese weist einen nicht dargestellten Laser als Lichtquelle auf,
mittels welchem zwei Sendestrahlen 6 erzeugt und in den Strahlweg
eingekoppelt werden. In einem um die in der Betrachtungsebene liegende
Rotationsachse drehbaren, zylindrischen Gehäuseteil 3 ist eine
Ablenkeinrichtung 2 in Form eines Spiegels angeordnet welche
von zu vermessenden Objekten rückgestreute
Lichtanteile als Empfangsstrahlen in Richtung eines nicht dargestellten
Detektors einer Aufnahmeeinrichtung lenkt. Der besseren Übersichtlichkeit
wegen sind lediglich die Empfangsstrahlen 10 einer der
beiden in entgegengesetzte Richtungen umgelenkten Sendestrahlen 6 in
der 1 zu sehen.
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Das
Gehäuseteil 3 ist
an einem dieses entlang der Rotationsachse durchgreifenden, außerhalb des
Gehäuseteils 3 gelagerten
Stützorgan 4 drehfest angeordnet.
Das Stützorgan 4 ist
außerdem
mit einem Strahlteilerprisma als separater Ablenkeinrichtung 5 für den Sendestrahl 6 versehen.
Das das zylindrische Gehäuseteil 3 mit
einem geringeren Querschnitt als dieses sowie den die Ablenkeinrichtung 2 bildenden
Spiegel an einer Ausnehmung 20 durchgreifende Stützorgan 4 ist
als Hohlwelle ausgebildet, die eine die Apertur des Sendestrahls
bildende Öffnung 7 aufweist,
welche entlang der Längsachse
der Stützorgans 4 verläuft. In
die Öffnung 7 sind
die Sendestrahlen 6 eingekoppelt und verlaufen in Richtung der
separaten Ablenkeinrichtung 5, wo sie in Richtung des nicht
dargestellten zu vermessenden Objekts umgelenkt werden, wodurch
eine vollständige Trennung
der Lichtwege von Sende- und Empfangsstrahlen erreicht wird, so
dass keine oder nur sehr geringe Streulichtanteile der Sendestrahlen 6 in Richtung
des Detektors gelenkt werden. Die Ablenkeinrichtung 2 ist
mit dem Gehäuseteil 3 und
dem Stützorgan 4 verbunden.
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An
der vollständig
in dem Stützorgan 4 aufgenommenen
separaten Ablenkeinrichtung 5 werden die Sendestrahlen 6 umgelenkt
und verlassen durch eine zylindrische, quer zur Längsachse
des Stützorgans 4 angeordnete
Durchtrittsöffnung 8 zunächst das
Stützorgan 4 und
sodann über
eine ebenfalls zylindrische Durchtrittsöffnung 9 das Gehäuseteil 3. Nach
Rückstreuung
an dem zu vermessenden Objekt treten die Empfangsstrahlen 10 über die
Durchtrittsöffnung 9 wieder
in das Gehäuseteil 3 ein,
wo sie von der Ablenkeinrichtung 2, in Richtung des Detektors
umgelenkt werden.
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Das
Stützorgan 4 weist
in seinen Endbereichen einen reduzierten Querschnitt auf und ist
in diesen Bereichen von außerhalb
des Gehäuseteils 3 befindlichen
Lagerstellen 11 aufgenommen, wodurch eine Rotation des
Verbundes aus Stützorgan 4 und Gehäuseteil 3,
der aufgrund der Ablenkeinrichtungen 2, 5 auch
Spiegelkopf genannt wird, möglich
ist. Die erwähnten
Lagerstellen 11 sind an sie tragenden, lichtdurchlässigen,
auch Lagerschilde genannten Wandelementen 12 angeordnet,
die einen Teil der Kapselung der Abtastvorrichtung 1 bilden,
die zu deren Schutz vor Umwelteinflüssen angebracht ist. Aufgrund
von deren Durchlässigkeit
für Licht
können
die Empfangsstrahlen 10 die Wandelemente 12 praktisch
ungehindert passieren, nachdem sie vorher die ebenfalls lichtdurchlässigen Verbindungselemente 13 passiert
haben, die zwischen dem Stützorgan 4 und
dem Gehäuseteil 3 angeordnet
sind und die Stirnwände
des Gehäuseteils 3 bilden.
Die Verbindungselemente 13, durch welche die Empfangsstrahlen 10 das
Gehäuseteil
in Richtung des Detektors verlassen bilden damit die Apertur der
Empfangsstrahlen 10.
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An
der Außenwand
des Gehäuseteils 3 ist über dessen
Umfang ein Rotor 14 angeordnet, der zusammen mit dem Stator 15 den
die Antriebseinrichtung 21 zur Erzeugung der Drehantriebs kraft
der Abtastvorrichtung 1 bildet. Ebenfalls an der Außenwand
des Gehäuseteils 3 ist
ein Encoder 16 mit Leseeinheit als Drehgeber angeordnet,
der äquidistante Impulse
zur Triggerung der Datenaufnahme liefert. Die Abtastvorrichtung 1 ist
an einer Bodenplatte 17 montiert, die ihrerseits zu einem
die Abtastvorrichtung translatorisch bewegenden, nicht näher dargestellten
Fortbewegungsmittel gehört.
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In
der 2 ist eine schematische Stirnansicht der Abtastvorrichtung 1 mit
einem Außengehäuse 18 als
Kapselung der Abtastvorrichtung zu erkennen, in welcher der Betrachter
in Strahlrichtung des nicht dargestellten Sendestrahls 6 blickt.
Man erkennt die Stirnflächen
des als Hohlwelle ausgebildeten Stützorgans 4, dessen
Endbereich von einem Lager an der Lagerstelle 11 aufgenommen
ist und dessen Öffnung 7 den
Lichtweg des nicht dargestellten Sendestrahls 6 bildet.
Darüber
hinaus ist das zylindrische Gehäuseteil 3 dargestellt,
welches über
die lichtdurchlässigen
Verbindungselemente 13 mit dem Stützorgan 4 verbunden
ist. Der schraffierte Bereich in der 2 stellt
schematisch die durch das Stützorgan
verursachte Abschattung 19 des Empfangsstrahls 10 dar,
also denjenigen Bereich der Ablenkeinrichtung 2, in dem
durch die Schattenbildung des Stützorgans 4 der
Empfangsstrahl 10 nicht auf die Ablenkeinrichtung 2 fällt und
von dort nicht weiter in Richtung des Detektors umgelenkt werden
kann.
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Demnach
betrifft die vorstehend beschriebene Erfindung also eine Abtastvorrichtung 1 zur
Konturvermessung von Objekten, insbesondere von Lichtraumprofilen,
mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einer Ablenkeinrichtung 2,
welche Ablenkeinrichtung 2 in einem um eine Rotationsachse
drehbaren Gehäuseteil 3 angeordnet
ist und welche einen .von der Lichtquelle kommenden Abtaststrahl
als Sendestrahl 6 auf ein zu vermessendes Objekt lenkt
und von dem Objekt reflektierte Lichtanteile als Empfangsstrahl 10 in
Richtung eines Detektors einer Aufnahmeeinrichtung lenkt. Um mit
einfachen Mitteln eine preisgünstige,
verlustleistungs- und verschleißarme
Lagerung mit erhöhter
Laufzeit sicherzustellen und eine Abtastvorrichtung mit geringem Einfluss
von Störsignalen
zur Verfügung
zu haben, ist an der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung 1 das Gehäuseteil 3 an
einem dieses entlang der Rotationsachse durchgreifenden, außerhalb
des Gehäuseteils 3 gelagerten
Stützorgan 4 drehfest
angeordnet und das Stützorgan 4 mit
einer separaten Ablenkeinrichtung 5 für den Sendestrahl 6 versehen.