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Stand der Technik
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Sowohl
Laserscanner als auch Digitalkameras sind als photogrammetrische
Messwerkzeuge zur Bestimmung von dreidimensionalen Objektmodellen
im weitesten Sinne etabliert. Dreidimensionale Modelle realer Objekte
spielen in verschiedenen Bereichen eine zunehmende Rolle. Die Anwendungen reichen
dabei von Planungs- und Dokumentationsaufgaben bei Bauaufnahme,
Facility Management, Erstellung von Planungsgrundlagen und im Kulturgut-
und Denkmalschutz bis hin zu Aufgabenstellungen der virtuellen Realität.
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Während die
photogrammetrische Stereoauswertung in ihren Grundzügen schon
bereits über 100
Jahre alt ist, wurden Laserscanning und digitale Photogrammetrie
als computerbasierte Messverfahren erst im Laufe der letzten 15-20
Jahre weitgehend unabhängig
voneinander entwickelt./[1]
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Bei
der photogrammetrischen Stereoauswertung ist es auf Grund der unterschiedlichen
Lage äquivalenter
Bildpunkte von mindestens zwei fotografischen Aufnahmen möglich (allgemein
als stereoskopische Parallaxe bezeichnet), die Entfernung zu bestimmen./[1][5]
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Digitale
Rotationszeilenpanoramakameras werden deshalb immer häufiger für anspruchsvolle photogrammetrische
Anwendungen eingesetzt. Sie können
in einem Bild die gesamte 360°-Umgebung festhalten.
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Mit
derzeit ca. 3-fach höherem
Auflösungspotential
als Kameras mit Matrix-Sensoren, generieren sie hochauflösende zweidimensionale
Bilddaten mit hoher visueller Qualität und hohem Interpretationsgehalt./[2][3][4]
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Um
aus Panoramabildern in der photogrammetrischen Stereoauswertung
dreidimensionale Objektinformationen gewinnen zu können, sind
jedoch mindestens zwei, besser drei, Aufnahmen von unterschiedlichen
Standpunkten notwendig.
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Dadurch
wird bei komplexen Objekten die Flexibilität und die Effektivität stark
eingeschränkt.
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Laserscanner
sind zeitlich und örtlich
versetzte abtastende Polarmesssysteme, welche dreidimensionale Koordinaten
von Punkten auf Objektoberflächen
durch die Messung von zwei Richtungen und einer Distanz bestimmen
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Laserscanner
wurden ursprünglich
für den Einsatz
in Flugzeugen zur digitalen Erfassung des Höhenmodells des Geländes entwickelt.
In den letzten Jahren wurden sie auch verstärkt für den Nahbereich weiterentwickelt.
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Laserscanner
haben sich wegen ihrer rationellen Arbeitsweise bei der Aufnahme
der 3D-Objektinformation
zur Erstellung von 3D-Modellen vor Allem bei Industrieanwendungen
mit geringerer Genauigkeitsanforderung und ohne notwendige Farbinformation
durchgesetzt. Ein Laserscanner generiert direkt dreidimensionale
Daten mit hoher Zuverlässigkeit
und bietet damit die Basis für
einen hohen Automatisierungsgrad in der Auswertung.
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Ein
Laserscanner kann heute mit etwa 12.000 Punkten pro Sekunde dreidimensionale
Objektmodelle in Form dichter Punktwolken generieren. Die gemessenen
Punkte stellen eine zufällige
Repräsentation
der Oberfläche
dar, wodurch speziell Ecken und Kanten schlecht zu detektieren sind.
Diese Punktwolken entsprechen außerdem nicht dem menschlichen
Wahrnehmungsvermögen
und können nur
eingeschränkt
durch interaktive Bewegung am Rechner interpretiert werden.
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Einige
Hersteller terrestrischer Laserscanner bieten daher eine am Scanner
ansetzbare oder schon im Gehäuse
eingebaute digitale Matrixkamera mit geringer bis mittlerer Auflösung an, welche
zur Kolorierung der Punktwolke und damit zur erleichterten Interpretation
dienen kann./[6]
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Nach
einer Phase der Unsicherheit in der Beurteilung der Perspektiven
passiver abbildender Kamerasysteme und einer überzogenen Erwartungshaltung
bezüglich
der Möglichkeiten
moderner Lasertechnologie für
die Generierung qualitativ hochwertiger 3D-Modelle Ende der neunziger
Jahre ist man sich international in Fachkreisen inzwischen wieder einig,
dass ein vollständiger
Ersatz der passiven Farbbildaufnahmesysteme durch aktive Lasersysteme
weder technisch- physikalisch möglich
noch wünschenswert
und sinnvoll ist, sondern zukünftig
die optimale Lösung
in der Kombination beider Verfahren liegen wird.
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Durch
eine kombinierte Auswertung der deutlich zeitlich nacheinander erfolgenden
Aufnahmen der seperaten Messsysteme Kamera und Laserscanner von
einem Standpunkt aus versucht man derzeit die Vorteile beider Verfahren,
d.h. hochauflösende
Farbbildinformation einerseits und zuverlässige, direkte und schnelle
3D-Information andererseits teilweise zu vereinen. Dies ist hierbei
jedoch wegen der erheblichen Zeitparallaxe nur bei absolut statischen
Objekten sinnvoll und mit genügender
Genauigkeit möglich.
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Hierzu
wurden verschiedene Arbeiten bezüglich
Algorithmen und Software zur gemeinsamen automatischen Auswertung
von Panoramabilddaten und Laserscannerdaten und zur sich unterstützenden
gemeinsamen Kalibrierung der unterschiedlichen Messgeräte bekannt./[7][8]
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Als
Laserstrahl-Ablenkeinrichtungen sind derzeit Rotationsspiegel oder
rotierende Polygonspiegel als üblicher
Stand der Technik zu betrachten.
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Si-Mikroscannerspiegel
werden dagegen als Einzelelemente oder Displays hauptsächlich zur
digitalen Projektion, in Barcode-Scannern und in Spektrometern eingesetzt./[9]
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In
den letzten Jahren wurden auch Untersuchungen zur Eignung von mikrosystemtechnischen Aktor-Einheiten
(hier Dünnfilmaktor)
zur Laserstrahlablenkung für
miniaturisierte schnelle und niedrig auflösende Laserscanner zur Unterstützung von
bildgebenden Fahrerassistenzsystemen (LIDAR) bekannt./[10]
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In
[11] werden die Randbedingungen für die Konstruktion einer Optischen
Pinzette beschrieben, u.a. die zur Einkopplung des Laserstrahles
in das Mikroskopobjektiv notwendig sind. Der in der Ebene des zu
untersuchenden Objektes fokussierte Laserstrahl soll dabei außerdem in
x- und y-Richtung bewegt werden. Die geringen Winkel erlauben hier
die Benutzung von gewöhnlichen
Linsen und Planspiegel zur Ablenkung. Alle ausgelenkten Strahlen
sollen einen gemeinsamen Schnittpunkt in der Eintrittspuppille des
Mikroskopobjektives haben.
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Die
Einkopplung des Messstrahles eines nichtscannenden Entfernungsmessers
in den Strahlengang einer Kamera mittels einer speziell geformten
Strahlteilerplatte wird in [12] beschrieben.
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Weiterhin
wurde in einer inzwischen gelöschten
Patentanmeldung als Ideenskizze eine Integration von digitaler Kamera
und Barcodescanner bekannt./[13]
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Die
prinzipielle Ideen, eine Rotationszeilenpanoramakamera für Stereoaufnahmen
mit einem zusätzlichen
separaten Laserentfernungsmesssystem auf einem gemeinsamen Drehtisch
zu verwenden, wurde schon vor einigen Jahren erstmals veröffentlicht/[5]
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Eine
Vereinigung der Optiksysteme eines bildgebenden Kamerasystems mit
dem eines Laserscanners entsprechend der hier im Folgenden beschriebenen
erfindungsgemäßen Lösung konnte nicht
recherchiert werden.
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Literaturverzeichnis
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- [1] Luhmann, T: Nahbereichsphotogrammetrie-Grundlagen, Methoden
und Anwendungen. Wichmann Verlag, Heidelberg; 2000
- [2] Schneider, Danilo: Geometrische Modellierung einer digitalen
Rotationszeilenkamera für
die Nutzung als photogrammetrisches Messsystem; Diplomarbeit an
der TU Dresden, Institut für
Photogrammetrie und Fernerkundung; Dresden; 2002
- [3] KST GmbH Kamera & Systemtechnik,
Pirna, EYESCAN M3Dmetric Produktinformationen 2002-2004
- [4] Schneider, D.; Maas, H.-G. (2004b): Application and accuracy
potential of a strict geometric model for rotating line cameras.
Paper präsentiert
zum Panoramic Photogrammetry Workshop der ISPRS 2004, Dresden. International
archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information
Sciences, Vol. XXXIV, Part 5/W16
- [5] Schönherr,
Hans-Jörg,
Dresden: Patentanmeldung DE
100 08 520 A1
- [6] Mulso, Ch.; Schneider, D.; Ullrich, A.; Studnicka, N.: Untersuchungen
zur Genauigkeit eines integrierten terrestrischen Laserscanner-Kamera
Systems
- [7] ] Klette, R., Aukland, NZ; Scheibe, K., DLR e.V. Berlin: „Combinations
of range data and panoramic images" – new
opportunities in 3d scene modeling"; Computer Graphics Image Vision: New
Trends, pages 3-10, 2005
- [8] Hirzinger, G., DLR e.V. Oberpfaffenhofen: "From Robot Vision
to Multi-Sensor 3D-World
Modelling"; XXth
ISPRS Congress International Society for Photogrammetry and Remote
Sensing, Istanbul, Turkey, 12.-13. July 2004
- [9] Patent WO
03032046A1 : "Device
for projection of an image bades an two-dimensiona resonant scanner"; Fraunhofer IPMS
Dresden; 2003
- [10] Kapp, A.; Brugger, D.; Karlsruhe: „Miniaturisierte Laserscanner
zur Umfelderfassung im Fahrzeugbereich"; VDI-Berichte; 1864-249, 2004
- [11] Fällmann,
E.; Axner, O.: „Design
for fully steerable dual-trap optical tweezers"; Umeå University, Dep. of Experimental
Physics, Umeå 1997
- [12] Patentanmeldung DE 423
881 : „Kamerasystem mit
integrierter Entfernungsmesseinrichtung"; Optimess Gesellschaft für optoelektronische
Inspektions- und Messtechnik mbH; Gera; 1992
- [13] Patentanmeldung DE
101 58 351 : „Digitale
Photo- und Scannerkamera";
Schultheis, J.-P.; Ramsbach-Baumbach; 2003
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Ziel und Gegenstand der Erfindung
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Das
Potential einer Integration von Kamera und Laserscanner wird mit
einer im Stand der Technik beschriebenen Fusion von Laserscanner-
und Kameradaten bei Weitem nicht ausgeschöpft.
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Sowohl
Laserscanner als auch Rotationszeilenkamera eignen sich zur Aufnahme
von 360°-Panoramen, sind aber
in ihren Eigenschaften weitgehend komplementär und somit in der Lage, sich
gegenseitig zu ergänzen:
Das liegt vor allem an der hohen Arbeitsgeschwindigkeit der direkten
Entfernungsmessung des aktiven Lasermesssystems und dem schnellen,
einfachen Arbeitsablauf dieses „Einbildverfahrens" gegenüber der
relativ aufwendigen und zeitintensiven prinzipbedingten Mehrbildaufnahme und
3D-Mehrbildauswertung bei der klassischen Photogrammetrie.
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Diese
Komplementarität
soll deshalb in einem neuartigen integrierten Messsystem genutzt werden.
Es sollen nicht nur aus Laserscannerdaten weitgehend automatisiert
3-D Objektgeometrien generiert werden können, welche dann durch Bilddaten einer
Kamera überlagert
werden. Die Daten der unabhängig
arbeitenden Messverfahren, d.h. hochauflösende Farbbildinformation und
3D-Information räumlicher
Objekte sollen mittels eines in seinen wesentlichen Komponenten
gemeinsamen optomechanischen Systems nahezu pixelsynchron rationell
in einem Arbeitsschritt und von einem Standpunkt aus aufgenommen
werden können.
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Ziel
der Erfindung ist die prinzipielle Beseitigung der im Stand der
Technik dargestellten Nachteile der Einzelgeräte bzw. -Verfahren. Erreicht
werden soll dies durch die Schaffung einer integrierten Optik für einen
Messkopf eines kompakten Kombinationsmesssystems aus digitaler Kamera
und Laserscanner, vorzugsweise auf Basis eines Rotationszeilenpanoramascanners.
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Die
technische Herausforderung besteht dabei darin, dass die opto-mechanischen
Bauelemente der bekannten Einzelgeräte Kamera und Laserscanner,
die einerseits für
die Bildaufnahme auf dem digitalen Zeilensensor und andererseits
für das
Aussenden und Empfangen des vertikal scannenden Laserstrahles notwendig
sind, sich bei einer Integration gegenseitig im Wege stehen würden.
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Im
Wesentlichen ist also das Problem zu lösen, den Strahlengang des senkrecht
in einem möglichst
weiten Winkelbereich auszulenkenden Laserstrahls eines Laserscanners
so weit wie möglich
mit dem Abbildungsstrahlengang der Kamera, vorzugsweise einer Rotationszeilenpanoramakamera,
zu vereinigen, ohne dass sich die Strahlengänge der beiden bei der Datenaufnahme
prinzipiell unabhängig
voneinander arbeitenden Messeinrichtungen gegenseitig behindern
oder negativ beeinflussen.
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Ein
in Hard- und Software integriertes Panoramakamera- Laserscanner
-System käme
den Bedürfnissen
vieler Anwender entgegen und würde
daher völlig
neue und lukrative Marktsegmente bei Planungs- und Dokumentationsaufgaben
(Bauaufnahme; Facility Management, Erstellung von Planungsgrundlagen,
Denkmalschutz) bis hin zu Aufgaben der virtuellen Realität (Internetpräsentationen,
Visualisierung komplexer Planungsvorhaben, Generierung animierter
Spielfilme) erschließen.
Durch eine Effizienzsteigerung wird es möglich sein hochwertige 3D-Objektmodelle
in Anwendungsgebieten zu erstellen, in denen dies bislang als zu
kostenintensiv galt.
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Beschreibung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird das
Ziel dadurch erreicht, dass der Scannerstrahl mittels eines Hohlspiegels
mit Bildfeldlinsenfunktion in den Abbildungsstrahlengang der Kamera
eingespiegelt wird.
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Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
wird sowohl der vorzugsweise von einem Mikroscannerspiegel in mindestens
einer Achse ausgelenkte und in Richtung Messobjekt ausgesendete
als auch der wieder vom Objekt reflektierte und zum Sensor des Entfernungsmesssystems
einlaufende Laserscannerstrahl in den Abbildundstrahlengang der
Kamera durch das Bildaufnahmeobjektiv hindurch eingespiegelt und
zusätzlich
vom Abbildungsstrahlengang separiert.
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Um
den Laserstrahl für
einen maximalen Scannbereich durch das Aufnahmeobjektiv zu führen, sollte
dabei der Schnittpunkt der Laserstrahlen im Mittelpunkt der Blendenebene
bzw. der Austrittspupille (AP) des Bildaufnahmeobjektives liegen (1).
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Um
außerdem
einen konstanten Strahlquerschnitt unabhängig von der Entfernung zwischen Aufnahmegerät und Objekt
zu erreichen, sollte der Laserstrahl kollimiert aus der Aufnahmeoptik
austreten.
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Zum
Zwecke der geometrischen und/oder spektralen Separation des sender-
bzw. empfängerseitigen
Laserstrahlenganges vom Bildstrahlengang in einem minimalen Bauvolumen
wird das Hohlspiegelelement in Kombination mit mindestens einem weiteren
optischen spiegelnden bzw. filternden Element eingesetzt.
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Weiterhin
können
die verwendeten optischen Elemente, besonders die Spiegel, zum Zwecke
der Korrektur von Abbildungsfehlern des optischen Gesamtsystems
speziell ausgeführt
sein, wie z.B. als asphärischer
Spiegel oder als Meniskus mit Rückflächenverspiegelung.
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Die
eingesetzten optischen Elemente können erfindungsgemäß auch als „Diffraktive
Optische Elemente" ausgeführt sein.
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Zur
Minimierung der Baugröße erfolgt
in der vorzugsweisen Ausführung
die Laserstrahlauslenkung mittels eines Mikroaktors in Form eines
Mikroscannerspiegels. Der Scannerspiegel kann prinzipiell auch als
in zwei Achsrichtungen schwingender 2D-Microscannerspiegel ausgeführt sein.
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Anhand
der Zeichnungen zum prinzipiellen optischen Aufbau (2 bis 5)
der folgenden vier Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Kombinationsmessgerätes mit
integrierter Optik auf Basis einer Rotationszeilenpanoramakamera
und mit Laserstrahlauslenkung durch einen Mikroscannerspiegel soll
die Erfindung näher
beschrieben werden
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In
allen beschriebenen Ausführungsbeispielen
dreht sich das gesamte im Messkopf integrierte erfindungsgemäße opto-mechanische
System auf dem Drehtisch des Rotationspanoramascanners um dessen
vertikale Achse (12), die vorzugsweise ebenfalls durch
die Austrittspupille (AP) des Aufnahmeobjektives (13) verläuft.
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Die
Synchronisation der Scannerstrahlauslenkung kann entweder vom gemeinsamen
Rotationsantrieb des Drehtisches oder vom Zeilenauslesetakt der
Bildsensor-Zeile erfolgen.
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Beispiel 1 (2):
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Der
Laserstrahl (––––––) tritt
aus dem Laser (1) aus und wird von der Laserfokussieroptik
(2) so fokussiert, dass er nach dem Durchgang durch das Aufnahmeobjektiv
(13) die geringste Divergenz über den gesamten Scannbereich
hat. Dazu ist der Laser bei einem mittleren Scannwinkel in der Bildebene
des Aufnahmeobjektives (13) fokussiert. Nach der Laserfokussieroptik
(2) ist ein Strahlteiler (3) angeordnet, der zur
Vermeidung von störenden
Rückreflexionen hier
als teilreflektierende planparallele Spiegelplatte ausgeführt ist.
Anschließend
wird der Laserstrahl durch eine Ablenkeinrichtung in Form eines
Mikroscannerspiegels (4) ausgelenkt.
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Diese
Ablenkeinrichtung zur Strahlauslenkung kann aber auch ein Rotationsspiegel,
Polygonspiegel, ein einzelner Microaktor, ein Microspiegelarray
oder ähnliches
sein.
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Die
Spiegelplatte des MOEMS (micro-opto-electro-mechanical system) schwingt
um seine horizontale Achse hin und zurück, wodurch der Laserstrahl
im Objektraum vertikal ausgelenkt wird (14).
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Zwischen
Aufnahmeobjektiv (13) und Brennebene, d.h. hier CCD-Zeile
(11) ist ein quaderförmiger
Strahlteiler (5), der polarisierend ausgeführt ist, angeordnet.
Die Strahlen vom Scannerspiegel durchlaufen den Quader und treffen
rückseitig
auf eine λ/4-Verzögerungsplatte
(18), um anschließend
am sphärischen
Hohlspiegel (8) reflektiert zu werden. Da der Scannerspiegel
genau im Mittelpunkt der Hohlspiegelsphäre liegt, nehmen die Strahlen
denselben Weg durch die λ/4-Platte
zurück,
wo nun die Polarisationsrichtung des Lichtes um 90° in Bezug
auf die vom Laser ausgesendete Strahlung gedreht wird. Damit werden
die Strahlen am polarisierenden Strahlteiler (5) jetzt
in Richtung Objekt (15) durch das Aufnahmeobjektiv (13)
gelenkt, wo die Strahlen am Objekt (15) diffus reflektiert
werden, um auf dem gleichen Weg (-------) bis zur Strahlteilerplatte
(3) zurückzukehren.
Der größte Teil
der zurückkehrenden Strahlung
(-------) durchdringt die Teilerplatte (3), wird von der
Detektoroptik (16) gesammelt und vom Detektor (17)
erfasst.
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Hauptvorteile
dieser Anordnung mit streng 90°-gefaltetem
Strahlengang sind die geringen geometrischen Abbildungsfehler, da
Form und Lage der den Objektraum abtastenden Laserlinie unabhängig vom
Ablenkwinkel des Laserstrahles nahezu mit der von der Bildaufnahmezeile
aufgenommenen Linie im Objektraum (2, (14)) übereinstimmt
und damit quasisynchron auswertbar ist. Des Weiteren bietet der
Quader die Möglichkeit,
die Fläche
vor der CCD-Zeile mit dem für
die CCD-Zeile notwendigen Infrarotsperrfilter (11) zu bedampfen.
Außerdem kann
an der Fläche
zum Hohlspiegel hin direkt die λ/4-Verzögerungsplatte
gekittet werden.
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Die
Nachteile dieser Lösung
liegen einerseits in der notwendige polarisierende dielektrische 45°-Teilerschicht
für den
vorzugsweise im nahen Infrarot (NIR) arbeitenden Laserstrahl zur
Vermeidung von störenden
Reflexen am Hohlspiegel und andererseits in der anzustrebenden nicht
polarisierenden nahezu vollständigen
Transmission im sichtbaren Spektralbereich für den Abbildungsstrahlengang.
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Ungünstig ist
außerdem
die Schnittweitenverlängerung
durch den Glaskörper
des Quaders (5) im Abbildungsstrahlengang.
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Der
relativ kostenintensive quaderförmige Strahlenteiler
(5) kann durch eine auch bezüglich störender Reflexe günstigere
Teilerplatte ersetzt werden, wobei der auftretende Parallelversatz
der Strahlen und ein erhöhter
mechanischer Aufwand zu berücksichtigen
sind.
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Beispiel 2 (3):
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Der
Laserstrahl tritt wie bei Beispiel 1 aus dem Laser (1)
aus und wird von der Linse (2) kollimiert. Im Weiteren
wird er an einer Strahlteilerplatte (3) zum Teil reflektiert
und auf die Ablenkeinrichtung gelenkt. Zur Minimierung der Baugröße der Anordnung
wird hier wieder ein Microscannerspiegel (4) verwendet.
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Auf
Grund des Platzbedarfes der CCD-Zeile ist ein Planspiegel (6)
notwendig. Dieser ist gegenüber
der optischen Achse um 45° gedreht.
Der Abstand zwischen Ablenkeinrichtung (4) und Hohlspiegel
(8) ist mit dem Krümmungsradius
des Hohlspiegels (8) identisch. Um die beschriebene Forderung des
gemeinsamen Schnittpunktes der Laserstrahlen bei jedem Ablenkwinkel
in der Austrittspupille der Aufnahmeoptik zu gewährleisten, muss der Abstand vom
Hohlspiegel (8) bis zur Austrittspupille des Aufnahmeobjektives
(13) wiederum dem Krümmungsradius
des Hohlspiegels (8) entsprechen.
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Vor
der CCD Zeile (11) befindet sich ein als Interferenzfilter
ausgeführter
IR-Sperrfilter (10). Dieser transmittiert nur Wellenlängen im
sichtbaren Spektralbereich. Wellenlängen im nahen Infrarotbereich
werden hingegen reflektiert. Die Laserwellenlänge und der IR-Sperrfilter sind
nun so aufeinander abgestimmt, dass die Laserwellenlänge vollständig reflektiert
wird.
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Damit
die Strahlengänge
ab dem Interferenzfilter (10) dieselbe optische Achse haben,
sich aber nicht gegenseitig negativ beeinflussen sind die optischen
Achsen des IR-Sperrfilters (10) und des Hohlspiegels (8)
gegenläufig
um einen gewissen Winkel (im Beispiel ca. 15°) um ihre senkrechte Achse gedreht.
Dabei muss beachtet werden, dass sich die Sperrkante der Kennlinie
des Interferenzfilters zu längeren
Wellenlängen
verschiebt.
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Vorteile
dieser Anordnung gegenüber
Beispiel 1 sind der relativ einfache, platzsparende und kostengünstige opto-mechanische
Aufbau, geringe Lichtverluste und keine notwendige Polarisierung.
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Auf
den ersten Blick nachteilig ist, dass auf Grund des gedrehten Hohlspiegels
die ausgelenkten Strahlen nicht mehr in der Mitte des Spiegels auftreffen,
wodurch ein vom Auslenkwinkel abhängiger horizontaler Strahlversatz
in x-Richtung verursacht wird. Das bedeutet, dass die ausgelenkten
Laserstrahlen nicht mehr in einer vertikalen Ebene mit der optischen
Achse des Abbildungsstrahlenganges aus dem Aufnahmeobjektiv (13)
austreten und im Objektraum auf einer gekrümmten Linie scannen (3, (14)).
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Das
hat zur Folge, dass die Entfernungsmessung und die Bildaufnahme
eines Objektpunktes in Abhängigkeit
vom vertikalen Scannwinkel nicht genau zur gleichen Zeit erfolgen.
Dieser Effekt kann jedoch durch eine Kalibration des Kombinationsmesssystems
und einer Korrekturrechnung der gewonnenen Messpunktkoordinaten
kompensiert werden.
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Beispiel 3 (4):
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Der
Laserstrahl tritt wie bei den vorherigen Beispielen aus dem Laser
(1) aus und wird von der Linse (2) kollimiert.
Im Weiteren wird er an einer Strahlteilerplatte (3) zum
Teil reflektiert und auf die Ablenkeinrichtung gelenkt. Zur Minimierung
der Baugröße der Anordnung
wird hier ebenfalls ein Microscannerspiegel (4) verwendet.
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Die
Funktion dieser Anordnung ist ähnlich der
in Beispiel 2.
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Zur
Korrektur der horizontalen Ablenkung der Laserscannlinie wird ein
zweiter Hohlspiegel in Kombination mit dem ersten eingesetzt. Mit
dem in entgegengesetzter Richtung verdrehten Hohlspiegel, der mit
einem Abstand des doppelten Krümmungsradius
zum ersten Hohlspiegel angeordnet ist, kann die horizontale Ablenkung
des Laserstrahls im Objektraum minimiert, bzw. ganz kompensiert
werden (4, (14)).
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Jedoch
verstärken
sich dadurch zusätzlich die
Abbildungsfehler des Systems, die Zahl der optischen Elemente wird
größer und
der Justageaufwand und damit auch die Kosten steigen. Die Korrektur
der gekrümmten
Laserlinie in der Objektebene könnte
alternativ zu dieser Lösung
auch mit einem synchron zur y-Richtung aber mit geringer Auslenkung
in x-Richtung schwingendem 2D-Mikroaktor erfolgen.
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Beispiel 4 (5):
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Der
Laserstrahl tritt wie bei den vorherigen Beispielen aus dem Laser
(1) aus und wird von der Linse (2) kollimiert.
Im Weiteren wird er an einer Strahlteilerplatte (3) zum
Teil reflektiert und auf die Ablenkeinrichtung gelenkt. Zur Minimierung
der Baugröße der Anordnung
wird hier ebenfalls ein Microscannerspiegel (4) verwendet.
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In
diesem Beispiel wird durch die Kombination von Hohlspiegel und IR-Sperrfilter
in einem Bauelement (9) vor der Sensorzeile eine deutlich
höhere Kompaktheit
des Kombinationsmessgerätes
erreicht. Dabei ist dieses Bauelement als Meniskus ausgebildet,
wobei die dem Objektiv zugewandte Seite den spezifischen Radius
zum Einkoppeln des Laserstrahls in das Objektiv besitzt und die
der CCD-Zeile zugewandte Sphäre
so gewählt
wird, dass zusätzliche
Abbildungsfehler im Aufnahmestrahlengang durch dieses Optikelement
minimal gehalten werden.
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Die
IR-Sperrfilterbeschichtung für
die CCD-Zeile, die gleichzeitig als Spiegel für den Laserstrahl verwendet
wird ist dabei vorzugsweise auf der dem Objektiv zugewandten Seite
dieses Bauelementes (9) angeordnet.