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Die
Erfindung betrifft eine Empfangsvorrichtung für einen Laserscanner gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruch 1, sowie einen Laserscanner für eine dreidimensionale Umgebungsvermessung
mit einer solchen Empfangsvorrichtung nach Patentanspruch 12.
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Bei
3D-Scannern wird der von einem optischen Sender abgegebene Lasermessstrahl
durch ein mechanisches Strahlablenksystem derart abgelenkt, dass
u.a. eine raumfüllende,
dreidimensionale Umgebungsvermessung ermöglicht ist. Die digitalisierten
Messdaten werden auf einem Rechnersystem abgelegt und stehen dort
zur weiteren Bearbeitung und zur Visualisierung des vermessenen
Objekts und/oder der Umgebung zur Verfügung.
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Eine
3D-Vermessung erfolgt bspw. durch Führen des Laserlichtes über die
zu vermessende Umgebung, wobei für
unterschiedliche Raumrichtungen sowohl der Entfernungs- als auch
der Reflexionswert punktuell vermessen werden kann. Aus der Anordnung
aller vermessenen Raumpunkte resultieren Entfernungs- und Reflexionsbilder.
Die Entfernungsbilder geben die Geometrie der Umgebung wieder und
die Reflexionsbilder deren visuelle Abbildung, analog zu den Grauwertbildern
einer Schwarzweiß – Fotografie.
Beide Bilder korrespondieren pixelweise und sind aufgrund der eigenständigen,
aktiven Beleuchtung mit Laserlicht weitgehend unabhängig von
Umwelteinflüssen.
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Im
Allgemeinen hat sich gezeigt, dass mit Laserscannern, die einen
Messstrahl im infraroten Wellenlängenbereich
aussenden, genauere Messergebnisse zu erzielen sind als mit Laserscannern,
die einen Messstrahl im sichtbaren Wellenlängenbereich aussenden.
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Für den Empfang
der reflektierten Laserstrahlen ist im Stand der Technik eine Empfangsvorrichtung
vorgesehen, die mittels einer Linse bzw. eines Linsensystems die
reflektierten Laserstrahlen in Richtung eines Detektors bündelt. Der
Detektor selbst wertet die empfangenen Strahlen aus und stellt einem
Benutzer die Messergebnisse zur Verfügung.
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Dabei
muss bei Verwendung einer Linse bzw. eines Linsensystems der Detektor
linear zum Lichteinfall angeordnet sein oder durch einen zusätzlichen Spiegel
umgelenkt werden. Dadurch sind die Abmessungen des Laserscanners
relativ groß.
Zudem weist der Laserscanner aufgrund der Dicke der meist aus Glas
gefertigten Linsen ein sehr hohes Gewicht auf.
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Aufgabe
vorliegender Erfindung ist es deshalb, eine Empfangsvorrichtung
bzw. einen Laserscanner bereitzustellen, der kompakt und leicht
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine optische Empfangsvorrichtung für einen
Laserscanner gemäß Patentanspruch
1, sowie einen Laserscanner mit einer solchen Empfangsvorrichtung
gemäß Patentanspruch
12 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein
Detektor verwendet, der die Fokussierungsfunktion der Linse und
die Strahlumlenkfunktion des Spiegels in einem kompakten Bauteil
vereint. Dazu wird statt des schweren Linsensystems mit zusätzlichem
Umlenkspiegel ein Parabolspiegel verwendet, der zum einen die Eigenschaften
der Strahlbündelung
aufweist, zum anderen aber auch aus einem sehr leichten Material
gefertigt werden kann bzw. aus einem dünnen Glas. Des weiteren erfolgt
die Strahlbündelung
durch einen Parabolspiegel ausschließlich über Reflektion der Laserstrahlen
die dann im Brennpunkt gebündelt
werden.
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Darüber hinaus
kann ein Parabolspiegel aus sehr leichtem Material gefertigt werden.
Dies resultiert in einer Gewichtsersparnis von bis zu 50% im Vergleich
zu herkömmlichen
Laserscannern mit einer Linse bzw. einem Linsensystem.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
beinhaltet eine Paraboloidfläche,
die ausserhalb des Zentrums der Symmetrie liegt. Parabolspiegel
dieser Art heisen „Off-Axis-Parabolic
mirrors". Der große Vorteil
dieser Off-Axis-Parabolic mirrors liegt darin, dass mit ihnen sowohl
eine Strahlumlenkung als auch eine Strahlfokussierung erreicht wird. Dadurch
kann der bei einer herkömmlichen
Linsenoptik aus dem Stand der Technik nötige zusätzliche Umlenkspiegel entfallen,
wodurch der Laserscanner eine sehr kompakte und leichte Bauweise
aufweist.
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Ein
weiteres besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt einen
Parabolspiegel, der eine sehr kurze Brennweite insbesondere von
etwa 20–50 mm
aufweist. Dadurch kann die Gesamtdimension des Laserscanners deutlich
verringert werden, da aufgrund der Umlenkwirkung des Parabolspiegels und
der kurzen Brennweite der Detektor sehr platzsparend angeordnet
werden kann.
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Des
weiteren kann, wie ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, im Strahlengang vor
dem Parabolspiegel ein Filter angeordnet sein, das nur die Wellenlängen transmittiert,
die für
eine Messung relevant sind. Dies sind vorzugsweise Wellenlängen aus
dem infraroten Spektralbereich.
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Des
weiteren kann der erfindungsgemäße Laserscanner,
der mit einer oben beschriebenen erfindungsgemäßen Empfangsvorrichtung ausgestattet
ist, eine Sendeeinheit aufweisen, die neben dem unsichtbaren infraroten
Messstrahl, einen sichtbaren Pilotstrahl aussendet.
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Weitere
Vorteile und bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind in den Unteransprüchen
definiert.
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Im
Folgenden soll die Erfindung durch Zeichnungen näher dargestellt werden, wobei
die Zeichnungen nicht dazu dienen sollen, den Erfindungsgegenstand
auf die von ihnen gezeigten Ausführungsbeispiele
einzuschränken.
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Es
zeigen:
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1:
eine schematische Prinzip-Darstellung der erfindungsgemäßen optischen
Empfangsvorrichtung, und
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2:
ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Laserscanners
mit einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Empfangsvorrichtung.
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1 zeigt
eine Prinzip-Darstellung der erfindungsgemäßen Empfangsvorrichtung mit
einem Detektor und einer Optik. Wie 1 zeigt,
ist die Optik statt, wie aus dem Stand der Technik bekannt durch
ein Linsensystem und einem zusätzlichen
Umlenkspiegel jetzt durch einen Parabolspiegel P realisiert. Dabei
ist der Parabolspiegel so angeordnet und ausgerichtet, dass er Strahlen
I, die auf ihn einfallen, zu einem in seinem Brennpunkt angeordneten
Detektor D umlenkt und fokussiert.
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Vorteilhafterweise
ist der Parabolspiegel nur ein Parabolspiegelabschnitt, der das
Zentrum der Parabelsymmetrie nicht enthält.
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2 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein Ausführungsbeispiel
einer Sende-/Empfangsvorrichtung
eines Laserscanners.
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Die
Sende-/Empfangsvorrichtung 2 hat ein Gehäuse 4,
das einen Innenraum 6 begrenzt, in dem eine Umlenkoptik,
in Form eines Parabolspiegels 52 aufgenommen ist.
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Das
Gehäuse 4 hat
einen Schacht 8 mit einem Hohlraum 24, an dessen
einer Außenfläche 10 eine
erste Lichtquelle 12 zum Aussenden eines Messstrahls 14 und
eine zweite Lichtquelle 16 zum Aussenden eines Pilotstrahls 18 angeordnet
sind. Die Lichtquellen 12, 16 umfassen handelsübliche kollimierte
Laserdioden, wobei die erste Lichtquelle 12 Licht im nicht
sichtbaren infraroten Wellenlängenbereich
und die zweite Lichtquelle 16 Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich
aussendet. D.h., das Licht des Messstrahls 14 ist für einen
Beobachter unsichtbar und das Licht des Pilotstrahls 18 ist
für den
Beobachter sichtbar. Der Messstrahl 14 und der Pilotstrahl 18 werden
jeweils durch eine Öffnung 20, 22 der
Außenfläche 10 in
den Hohlraum 24 geführt.
Im Bereich der Öffnungen 20, 22 sind
in dem Hohlraum 24 ein schräg angestellter Spiegel 28 und
ein dichroitischer Spiegel 26 angeordnet.
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Über den
Spiegel 28 wird der Pilotstrahl 18 in Richtung
einer als Kanal 32 ausgebildeten Optik umgeleitet. Der
dichroitische Spiegel transmittiert den Pilotstrahl 18 und
reflektiert den Messstrahl 14, so dass beide ab dem dichroitischen
Spiegel 26 kollinear verlaufen.
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Genauso
kann jedoch auch ein Laserscanner verwendet werden, der nur eine
einzige Lichtquelle 12 zum Aussenden eines Messstrahls 14 verwendet,
im Folgenden wird jedoch die besonders vorteilhafte Variante eines
Laserscanners mit Pilotstrahl besprochen.
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Der
Kanal 32 hat eine längliche
Gestalt mit einem rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Querschnitt.
Er ist transparent und besteht vorzugsweise aus Glas. Er ist in
einen Durchbruch 30 des Gehäuses 4 zwischen dem
Hohlraum 24 und dem Innenraum 6 eingesetzt und
ragt aufgrund seiner länglichen
Gestalt in den Innenraum 6 hinein. Er hat eine den Hohlraum 24 verschließende stirnseitige
Einkoppelfläche 34 für den Messstrahl 14 und
den Pilotstrahl 18 und eine von der Einkoppelfläche 34 entfernte
verspiegelte Umlenkfläche 36 des
Sendeteils zur Umlenkung des Messstrahls 14 und des Pilotstrahls 18 in
Richtung des scannenden Spiegels und über diesen in Richtung des
Messobjekts. Das Licht tritt durch eine Auskoppelfläche aus
der Optik aus. Vorzugsweise ist die Umlenkfläche 36 des Sendeteils in
einen Winkel δ =
45° zur
optischen Achse der Sende-/Empfangsvorrichtung
angestellt. Zwischen der Einkoppelfläche 34 und der Umlenkfläche 36 des Sendeteils
erstrecken sich vier Längsflächen 40, 58, 60, 62.
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Zur
Reduzierung von Reflexionen und Erhöhung der Effizienz sind die
Einkoppelfläche 34,
die Auskoppelfläche
und die Längsfläche 58 entspiegelt. Befindet
sich die Längsfläche 40 in
optischen Kontakt mit der Filterscheibe 42, so darf sie
nicht entspiegelt werden.
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Das
Gehäuse 4 hat
eine Eintrittsöffnung 44 zum
Eintritt eines von dem Messobjekt reflektierten Messstrahls 46,
die von einem Filter 42 verschlossen ist. Das Filter 42 ist
in das Gehäuses 4 eingesetzt
und lässt
nur die infraroten Wellenlängenanteile
des reflektierten Messstrahls 46 in den Innenraum 6 durch und
filtert andere Wellenlängenanteile
heraus, so dass von einem Detektor 54 nur die Wellenlängenanteile
des reflektierenden Messstrahls 46 erfasst werden, die
für eine
Messung relevant sind. Das Filter 42 besteht vorzugsweise
aus einem für
die zu transmittierenden Frequenzbereiche transparenten Material, wie
zum Beispiel Rotglas, wobei die Filterwirkung zumindest über eine
dielektrische Beschichtung an einer Stirnfläche 64 oder 48 erzielt
wird.
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Ebenfalls
ist es möglich,
das Filter 42 aus einem Schichtstapel mit hoch- und niederbrechenden Schichten
aufzubauen, wodurch ebenfalls eine Filterwirkung mit scharfer Filterkante
im infraroten Spektralbereich erzeugt werden kann.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Kanal 32 über
seine Längsfläche 40 in
Anlage mit einer dem Innenraum 6 zugewandten Innenstirnfläche 48 des
Filters 42, wobei der Kanal 32 fest mit dem Filter 42 verbunden
ist, beispielsweise mittels eines optischen Kitts. Zum Austritt
des Messstrahls 14 und des Pilotstrahls 18 in
Richtung des Messobjekts hat das Filter 42 eine Austrittsöffnung 50,
die von der Auskoppelfläche 35 abgedeckt
ist und keinerlei optische Filterwirkung aufweisen kann.
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Der
Umlenkspiegel 52 in dem Innenraum 6 wirkt als
Umlenk- und Bündeleinrichtung
und ist ein drehfest gelagerter Spiegel in paraboloider Form, über den
der am Umgebungsobjekt reflektierte Messstrahl 46 in Richtung
des Detektors 54 umlenkbar ist, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
außerhalb des
Gehäuses 4 angeordnet
ist. Zum Austritt des vom Umlenkspiegel 52 umgelenkten reflektierten Messstrahls 46 weist
das Gehäuse 4 einen
entsprechenden Durchbruch 56 auf, der vorzugsweise von einem
den Detektor 54 aufnehmenden nicht dargestellten Gehäuseabschnitt
dichtend umgriffen ist.
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Der
Parabolspiegel kann vorteilhafterweise durch einen ausserachsialen
Abschnitt der Parabelform realisiert sein, wodurch das Empfangslicht
eine Umlenkung und Fokussierung erfährt.
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Ebenfalls
zeigt 2 deutlich, die kompakte Bauweise der Sende- und
Empfangseinrichtung 2 eines Laserscanners. Aufgrund der
Umlenkoptik kann der Detektor 54 neben den Lichtquellen 12 und 16 angeordnet
werden statt um 90° dazu
versetzt sein – also
axial zum Messstrahl 14, 18. Dadurch können die
Ausmaße
des Laserscanners signifikant reduziert werden.
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Des
weiteren ermöglicht
die Verwendung des Parabolspiegels den Ersatz der gewichtsschweren
Linsenoptik, wodurch das Gewicht des Laserscanners stark reduziert
werden kann.
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Zudem
kann die Einkoppelfläche 34 des
Kanals 32 angestellt sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
kann die Schrägstellung
anhand des nicht dargestellten Innenwinkels γ definiert sein, der zwischen
der Längsfläche 62 und
der Einkoppelfläche 34 verläuft. Bei
nicht angestellter Einkoppelfläche 34 beträgt dieser
Innenwinkel γ =
90°. Die
Anstellung bewirkt, dass Anteile des Messstrahls 14 und des
Pilotstrahls 18, die insbesondere an der Einkoppelfläche 34 trotz
möglicher
Entspiegelung zurück
in Richtung der Lichtquellen 12, 16 reflektiert
werden, nicht in diese einfallen, was die Stabilität der Emission
der Laserdioden stören
würde.
Der Innenwinkel γ ist
in Abhängigkeit
des Materials des Kanals 32, der Lichtwellenlänge und
der Geometrie des Kopfes zu bestimmen.
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Über den
Inzidenzwinkel α lässt sich
die Richtung des unerwünschten,
reflektierten Strahles wählen.
Der gebrochene Winkel β lässt sich über das optische
Brechungsgesetz errechnen:
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Der
Innenwinkel γ des
Kanals ist somit: γ = 90° – β
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Die
Differenz der beiden Winkel α und β ist der
Ablenkwinkel ε,
um den der Kanal verdreht eingebaut werden muss, damit die Strahlen
innerhalb des Kanals parallel zu den Seiten 40, 58, 60 und 62 verlaufen. ε = α – β.
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Bei
Ansteuerung des Scanners zur dreidimensionalen Abtastung eines Messobjekts
bzw. einer Umgebung werden der nicht sichtbare Messstrahl 14 und
der sichtbare Pilotstrahl 18 von den Lichtquellen 12, 16 emittiert
und über
die Spiegel 26, 28 in Richtung des Kanals 32 abgelenkt.
Der Messstrahl 14 und der Pilotstrahl 18 treten
durch die Einkoppelfläche 34 in
den Kanal 32 ein, wobei sie aufgrund der Schrägstellung
der Einkoppelfläche 34 und der
verdrehten Einbaulage des Kanals 32 so gebrochen werden,
dass sie von der Einkoppelfläche 34 parallel
zu den Längsflächen 40, 58, 60, 62 in
Richtung des Umlenkspiegels 36 des Sendeteils verlaufen,
an der sie in Richtung des scannenden Spiegels und über diesen
in Richtung des Messobjekts umgelenkt werden. Der Messstrahl 14 und
der Pilotstrahl 18 treten durch die Austrittsfläche aus
dem Kanal 32 aus und verlassen den Aufbau durch die Austrittsöffnung 50 der
Filterscheibe 42.
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Beim
Auftreffen der beiden Strahlen 14, 18 auf dem
Messobjekt werden diese von dem Messobjekt gestreut und fallen in
Richtung des Scanners 2 zurück. Der reflektierte Messstrahl 46 trifft
auf das Filter 42 auf, wobei nur der infrarote Wellenlängenanteil des
Messstrahls 46 dieses durchdringt und in den Innenraum 6 eintritt,
in dem er von dem Umlenkspiegel 52 in Richtung des Detektors 54 zur
Erfassung und Auswertung des infraroten Wellenlängenanteils umgelenkt wird.
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Der
reflektierte Messstrahl 46 wird durch das Filter transmittiert,
der reflektierte Pilotstrahl und sonstiges Restlicht aber werden
ausgefiltert. Somit dringt lediglich der Infrarot-Messstrahl 46 in
den Innenraum 6 ein, wo er vom Parabolspiegel 52 in
Richtung des Detektors 54 zur Erfassung und Auswertung umgelenkt
und fokussiert wird.
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Offenbart
ist eine Empfangsvorrichtung für einen
Laserscanner, sowie ein Laserscanner mit einer solchen Empfangsvorrichtung,
die einen Detektor und eine Optik aufweist, wobei die Optik als
Parabolspiegel ausgebildet ist.
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- F
- Filter
- D
- Detektor
- P
- Parabolspiegel
- S
- Scheitelpunkt
des Parabolspiegels
- I
- Einfallende
Strahlung
- 2
- Scanner
- 4
- Gehäuse
- 6
- Innenraum
- 8
- Schacht
des Sendeteils
- 10
- Außenfläche
- 12
- erste
Lichtquelle
- 14
- Messstrahl
- 16
- zweite
Lichtquelle
- 18
- Pilotstrahl
- 20
- Offnung
- 22
- Öffnung
- 24
- Hohlraum
- 26
- dichroitischer
Spiegel
- 28
- Spiegel
- 30
- Durchbruch
- 32
- Kanal
- 34
- Einkoppelfläche
- 35
- Auskoppelfläche
- 36
- Umlenkspiegel
des Sendeteils
- 40
- Längsfläche
- 42
- Filter
- 44
- Eintrittsöffnung
- 46
- reflektierter
Messstrahl
- 48
- Innenstirnfläche
- 50
- Austrittsöffnung
- 52
- Umlenkoptik
= Parabolspiegel
- 54
- Detektor
- 56
- Durchbruch
- 58
- Längsfläche
- 60
- Längsfläche
- 62
- Längsfläche
- 64
- Außenstirnfläche
