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Die Erfindung betrifft einen Laserscanner mit Sende- und Empfangseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 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, da Störgrößen wie zum Beispiel Sonnenlicht einen geringeren bis keinen Einfluss auf die Messergebnisse haben.
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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 und leitet. Da jedoch die empfangenen Strahlen nicht nur infrarote Laserstrahlen sind, die für den Messvorgang verwendet werden, sondern auch Streustrahlen im sichtbaren Bereich, ist vor dem Detektor ein Filter angeordnet, das unerwünschte Komponenten des Spektralbereiches, in dem der Detektor empfindlich ist herausfiltert.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass das Filter im konvergenten Strahlengang angeordnet ist, wodurch sich die effektive Filterkurve in Abhängigkeit des Inzidenzwinkels der Strahlung verschiebt. Dies resultiert in einer abgeflachten Filterkurve, die keine klar definierten Filterkanten mehr aufweist. Dadurch wird die Filterwirkung signifikant verschlechtert.
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Aus der Firmenschrift von Melles Griot: Optics Guide 3 (1985, S. 278) ist es bekannt, dass die Transmissionseigenschaften schmalbandiger optischer Interferenzfilter winkelabhängig sind und dass deswegen ein solches Filter im parallelen Strahlengang anzuordnen ist.
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In der Druckschrift
DE 43 40 756 A1 ist ein Laserscanner offenbart, bei dem ein Sender und ein Empfänger in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei innerhalb des Gehäuses vor der Empfangseinrichtung ein Interferenzfilter angeordnet ist und das Gehäuse eine Frontscheibe hat, durch die hindurch der Messstrahl und der Empfangsstrahl austritt bzw. eintritt.
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Die
DE 24 45 966 A1 beschreibt einen optischen Entfernungsmesser, bei dem mittels einer Hilfslichtquelle ein Pilotstrahl in die Strahlachse des optischen Senders eingekoppelt wird, wobei diese Einkopplung zwischen der Sendevorrichtung und einer Sendeoptik erfolgt.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Laserscanner mit einer Empfangsvorrichtung bereitzustellen, die bei einfachen Aufbau exakt definierte Filterkanten aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Laserscanner gemäß Patentanspruch 1.
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Erfindungsgemäß hat der Laserscanner zum Scannen einer Umgebung oder eines Gegenstands für eine dreidimensionale Umgebungmessung eine Sendevorrichtung zum Aussenden eines Lasermessstrahls und eine Empfangsvorrichtung wobei die Sendevorrichtung zwei Lichtquellen zum Aussenden eines nicht sichtbaren Lasermessstrahls und zum Aussenden eines sichtbaren Pilotstrahls aufweist. Die optische Empfangsvorrichtung hat einen Detektor zum Empfangen der Laserstrahlen, eine Optik zum Leiten der empfangenen Laserstrahlen zu dem Detektor und einen Filter zum Herausfiltern unerwünschter Komponenten in dem zu empfangenen Licht auf. Erfindungsgemäß ist das Filter in dem parallelen Strahlengang vor der bündelnden Optik angeordnet ist und hat eine Austrittsöffnung für die auszusendenen Laserstrahlen, die keine optische Filterwirkung hat.
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Aufgrund der Anordnung der Optik im parallelen Strahlengang wird vermieden, dass die Filterkurvenkanten abgeflacht bzw. verschliffen sind. Diese Abflachung entsteht durch unterschiedliche Inzidenzwinkel der Laserstrahlen auf das Filter. Liegt das Fuilter vor dem bündelnden optischen Element, so sind die Laserstrahlen im Wesentlichen parallel ausgerichtet und die Inzidentzwinkel liegen im Wesentlichen bei 0°. Dadurch weist die Filterkurve eine klar definierte Filterkante auf, die dafür sorgt, dass die unerwünschten Komponenten zuverlässig heraus gefiltert werden, bei gleichzeitig hoher Transmission im spezifizierten Transmissiondsbereich des Filters.
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Dadurch ist zudem vorteilhafterweise die prozentuale Transmission von infraroter Strahlung auf den Detektor erhöht, was wiederum ermöglicht, die Laserleistung zu reduzieren, ohne einen Intensitätsverlust am Detektor zu erleiden.
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Besonders vorteilhaft in ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Filter ein Rotglasfilter ist, oder mindestens über eine dielektrische Beschichtung verfügt, die die Filterwirkung bereitstellt.
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Ebenfalls vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Filter aus einem Schichtstapel mit hoch- und niederbrechenden Schichten besteht.
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Für die nach dem Filter angeordnete Optik können, wie weitere besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen, eine Linse bzw. ein Linsensystem oder auch ein Parabolspiegel verwendet werden.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen definiert.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Vergleichs zwischen der Filterkurve eines erfindungsgemäßen Filters und der Filterkurve eines Filters aus dem Stand der Technik;
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2 zeigt eine schematische Prinzip-Darstellung der erfindungsgemäßen Empfangsvorrichtung; und
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3: ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Laserscanners mit einer erfindungsgemäßen Empfangsvorrichtung.
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Im Folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. analoge Bauelemente.
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1 zeigt einen schematischen Vergleich zweier Filterkurven, wobei auf der x-Achse die Wellenlänge und auf der y-Achse die durch das Filter bereitgestellte Transmission in Prozent angegeben ist.
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Der mit A bezeichnete Graph zeigt eine typische Filterkurve für einen nach einer Linse bzw. einer Optik angeordnetes Filter. Wie unschwer zu erkennen ist, sind die Kanten aufgrund der unterschiedlichen Inzidenzwinkel stark abgeflacht und die Gesamttransmission verringert.
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Im Gegensatz dazu zeigt 1 im Graph B eine Filterkurve, die charakteristisch ist für ein Filter, das vor der Optik im parallelen Strahlengang unter 0° Inzidenzwinkelangeordnet ist. Deutlich zu sehen ist, dass diese Filterkurve eine klar definierte Filterkante und einen deutlich höheren Transmissionsprozentsatz aufweist.
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Aufgrund dieser klar definierten Filterkante und der höheren Transmission im Durchlassbereich können zum einen die Laserleistung reduziert werden, und zum anderen genauere Messungen durchgeführt werden.
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2 zeigt die Prinzip-Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Empfangsvorrichtung. Die aus einem Detektor D, einer Optik O und einem Filter F bestehenden Empfangsvorrichtung weist in dem 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als Optik O eine Linse bzw. ein Linsensystem auf, das Laserstrahlen bündelt und dem Detektor D zuführt. Aufgrund der Sammelwirkung der Optik entsteht nach der Optik O aus einem parallelen Strahlengang IP ein konvergenter Strahlengang IK. Würde das Filter F in dem konvergenten Strahlengang IK angeordnet sein, würde der Inzidenzwinkel von 0° abweichen, was wiederum zu besagter Abflachung der Filterkurve führt.
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Aus diesem Grund ist, wie 2 zeigt, das Filter F in dem parallelen Strahlengang IP vor der Optik O angeordnet. Dadurch werden unerwünschte Komponenten mit Hilfe einer genau definierten Filterfunktiion herausgefiltert und nur noch Strahlen im verbleibenden Transmissionsbereich dem Detektor D zugeführt.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scanner mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Empfangsvorrichtung zum Scannen einer Umgebung bzw. eines Messobjekts.
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Der Scanner 2 hat ein Gehäuse 4, das einen Innenraum 6 begrenzt, in dem ein Umlenkspiegel 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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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 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 in einen Winkel δ = 45° zur optischen Achse der Sende-/Empfangsvorrichtung des Scanners 2 angestellt. Zwischen der Einkoppelfläche 34 und dem Umlenkspiegel 36 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 Gehäuse 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.
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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 aufweist.
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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 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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Zudem ist die Einkoppelfläche 34 des Kanals 32 angestellt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schrägstellung durch einen hier nicht dargestellten Innenwinkel γ verdeutlicht, 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 des Sendeteils 36 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 teilweise 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 die Filterscheibe transmittiert, der reflektierte Pilotstrahl und sonstiges Restlicht aber werden ausgefiltert. Somit dringt lediglich der reflektierte Anteil des Infrarot-Messstrahls 46 in den Innenraum 6 ein, wo er vom Umlenkspiegel 52 in Richtung des Detektors 54 zur Erfassung und Auswertung umgelenkt wird.
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Offenbart ist eine Empfangsvorrichtung für einen Laserscanner, sowie ein Laserscanner mit einer solchen Empfangsvorrichtung, die einen Detektor, eine Optik und ein Filter aufweist, wobei das Filter im parallelen Strahlengang vor der Optik angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Filterkurve-Filter vor Detektor
- B
- Filterkurve-Filter vor Optik
- F
- Filter
- L
- Linse
- D
- Detektor
- IP
- paralleler Strahlengang des reflektierten Lasermessstrahls
- IK
- konvergenter Strahlengang des reflektierten Lasermessstrahls
- 2
- Sende-/Empfangsvorrichtung
- 4
- Gehäuse
- 6
- Innenraum
- 8
- Schacht des Sendeteils
- 10
- Außenfläche
- 12
- erste Lichtquelle
- 14
- Messstrahl
- 16
- zweite Lichtquelle
- 18
- Pilotstrahl
- 20
- Öffnung
- 22
- Öffnung
- 24
- Hohlraum
- 26
- dichroitischer Spiegel
- 28
- Spiegel
- 30
- Durchbruch
- 32
- Kanal
- 34
- Einkoppelfläche
- 36
- Umlenkspiegel des Sendeteils
- 40
- Längsfläche
- 42
- Filter
- 44
- Eintrittsöffnung
- 46
- reflektierter Messstrahl
- 48
- Innenstirnfläche
- 50
- Austrittsöffnung
- 52
- Umlenkspiegel des Empfangsteils
- 54
- Detektor
- 56
- Durchbruch
- 58
- Längsfläche
- 60
- Längsfläche
- 62
- Längsfläche
- 64
- Außenstirnfläche
