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Die Erfindung betrifft einen Scanner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein derartiger Scanner ist beispielsweise aus der
DE 202 08 077 U1 bekannt und wird beispielsweise zur Vermessung von Objekten verwendet. Bei einem derartigen Scanner wird der von einem optischen Sender abgegebene Laser-Messstrahl durch ein mechanisches Strahlablenkungssystem derart abgelenkt, dass eine flächendeckende, dreidimensionale räumliche Umgebungsvermessung ermöglicht ist. Die digitalisierten Messdaten werden auf einem Rechnersystem abgelegt und stehen dort zur weiteren Bearbeitung und Visualisierung des vermessenen Objektes zur Verfügung.
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Die 3D-Vermessung erfolgt durch Führen des modulierten Laserlichtes über die zu vermessende Umgebung, wobei für unterschiedliche Raumrichtungen sowohl der Entfernungs- als auch der Reflektivitätswert punktuell vermessen werden kann. Aus der Anordnung aller vermessenen Raumrichtungen resultieren Entfernungs- und Reflektivitätsbilder. Die Entfernungsbilder geben die Geometrie der Umgebung wieder und die Reflektivitätsbilder deren visuelle Abbildung, analog zu den Grauwertbildern einer Videokamera. Beide Bilder korrespondieren pixelweise und sind aufgrund der eigenständigen, aktiven Beleuchtung mit Laserlicht weitgehend unabhängig von Umwelteinflüssen. Bei der 2-D-Vermessung folgt beispielsweise eine 360°Profilmessung durch Rotation eines Umlenkspiegels um die optische Achse des Scanners. Die Drehzahl des Umlenkspiegels bestimmt die Anzahl der vermessenen Profile pro Sekunde, wobei jedes dieser 360°-Profile aus einzelnen Messpunkten entsprechend der Abtastrate des Scanners besteht. Eine flächendeckende Erfassung, beispielsweise bei der Vermessung von Tunneln oder Straßen erfolgt durch eine Profilmessung während der Fahrt durch die Umgebung, wobei das Profil senkrecht zur Fahrtrichtung erfasst wird. Die dabei örtlich aufeinanderfolgenden Profile (Helix) werden zu einem Bild angeordnet, wobei sich je nach Geschwindigkeit des Trägerfahrzeugs der laterale Abstand zwischen zwei Profilen variieren lässt.
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Bei dem aus der vorgenannten
DE 202 08 077 U1 bekannten Scanner hat das Strahlablenksystem einen Ablenk-Spiegel gebildet, der in einen Messkopf gelagert ist. Dieser ist umlaufend rotierend um eine erste Achse, vorzugsweise eine Horizontalachse drehbar in einem Messkopf gelagert, der seinerseits um zumindest 180° um eine Achse verschwenkbar ist, die rechtwinklig zur Drehachse, beispielsweise in Vertikalrichtung verläuft. Bei der bekannten Lösung ist der Messkopf durch ein zylinderförmiges Gehäuse gebildet, das zwischen zwei Stützschenkeln des Messkopfes gelagert ist, wobei in einem dieser Schenkel der Antrieb des Messkopfes und in dem anderen Schenkel ein weiterer halbdurchlässiger Spiegel, der Sender und der Empfänger zur Messdatenverwertung angeordnet sind.
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In dem rotierenden Messkopf ist ein Aus- bzw. Eintrittsfenster - im Folgenden der Einfachheit halber Austrittsfenster genannt - ausgebildet, das vorzugsweise durch eine entspiegelte Scheibe abgedeckt ist. Insbesondere beim Einsatz des Scanners im Freien kann es vorkommen, dass sich auf dem Austrittsfenster Schmutz ablagert. In diesem Fall wird der vom Sender ausgestrahlte Messstrahl aufgrund der Verschmutzung des Austrittsfensters diffus zum Empfänger hin reflektiert. Dieser Streulichtanteil kann dominanter als der vom zu vermessenden Objekt reflektierte Empfangsstrahl sein, sodass das Messergebnis aufgrund dieses Streulichts erheblich verfälscht wird.
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In den Druckschriften
DE 103 04 187 A1 und
DE 10 2005 043 931 A1 sind Weiterbildungen des vorbeschriebenen Scannerkonzepts offenbart, bei denen der Messstrahl abschnittsweise mittels einer Messstrahlführungseinrichtungen gekapselt ist.
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Eine derartige Messstrahlführungsinrichtung ist auch bei einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß der
DE 44 12 044 A1 vorgesehen.
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All diese Messstralführungseinrichtungen kapseln nur einen Teilbereich des Messtrahl zwischem dem Sender und dem Austrittsfenster ab, so dass auch bei diesen Konzepten die Gefahr einer Verfälschung des Messergebnisses besteht.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Scanner zu schaffen, bei dem die Messgenauigkeit nicht durch oben genanntes Streulicht beeinflusst wird.
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Diese Aufgabe wird durch einen Scanner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß hat der Scanner einen Sender zum Aussenden eines Messstrahls, der über einen Umlenkspiegel durch ein Durchtrittsfenster hindurch in Richtung auf das zu vermessende Objekt umgelenkt wird. Ein vom Objekt reflektierter Empfangsstrahl wird über den Umlenkspiegel in Richtung auf einen Empfänger umgelenkt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Messstrahl vom Sender zum Austrittsfenster entlang einer weitestgehend gekapselten Messstrahlführungseinrichtung zu führen, so dass Wechselwirkungen zwischen dem Empfangsstrahl und dem Messstrahl im Bereich zwischen dem Austrittsfenster und dem Sender nahezu ausgeschlossen sind.
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Dabei hat die Messstrahlführungseinrichtung ein Strahlführungsrohr, das sich zwischen dem Sender und einer im Messkopf aufgenommenen Strahlführung erstreckt, die einerseits an das Strahlführungsrohr und andererseits an das Durchtrittsfenster optisch gekoppelt ist.
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Die Strahlführung ist erfindungsgemäß mit einem L-Kanal ausgeführt, dessen Eckbereich zum Umlenkspiegel hin offen ist, wobei keine feste Verbindung zwischen diesem und der Strahlführung besteht.
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Die Messgenauigkeit ist weiter verbessert, da die Strahlführung optisch an eine Großfläche des Durchtrittsfensters angekoppelt ist. Dabei ist erfindungsgemäß im Übergangsbereich zwischen der Strahlführung und dem Durchtrittsfenster einerseits und dem Umlenkspiegel andererseits zur Vermeidung von Streulicht jeweils eine optisch wirksame Dichtung angeordnet.
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Der Aufbau des Scanners ist besonders kompakt, wenn das Strahlführungsrohr in einer Hohlwelle eines Elektromotors des Messkopfs angeordnet ist, wobei der Elektromotor dann die Hohlwelle umgreifen kann.
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Diese Dichtung kann beispielsweise ein O-Ring sein, wie er üblicherweise zur Abdichtung von Gas- oder Fluidräumen verwendet wird.
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Eine Reflektion des Mess- oder des Empfangsstrahls kann durch eine Schrägstellung des Durchtrittsfensters minimiert werden.
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Das Durchtrittsfenster kann mit einem Durchbruch versehen sein, der sich in Fortsetzung der Strahlführung erstreckt und in den eine Austrittsoptik eingesetzt ist.
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Diese Austrittsoptik kann beispielsweise eine, ein Austrittsglas tragende Hülse haben, das dann praktisch in das Durchtrittsfenster eingesetzt ist.
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Zur Vermeidung von Reflektionen des Messstrahls kann dieses Austrittsglas wiederum gegenüber der Messstrahlachse angestellt sein.
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Die vorbeschriebene Strahlführung wird bei einem Ausführungsbeispiel stirnseitig an einen Haltering der Hohlwelle angesetzt, der auch das Strahlführungsrohr zentriert.
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Erfindungsgemäß ist ein den Umlenkspiegel aufnehmender Messkopf ausgewuchtet, wobei das Auswuchten besonders einfach ist, wenn diametral zum Durchtrittsfenster ein weiteres Bauelement etwa gleichem Gewicht und gleicher Geometrie an den Messkopf angesetzt wird.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Teildarstellung für die Erfindung wesentlicher Bauelemente eines 2-D-Scanners;
- 2 eine Teildarstellung eines Messkopfs des Scanner aus 1; und
- 3 den Messkopf aus 1 in vergrößerter Darstellung.
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Der im Folgenden beschriebene Scanner 1 ist zur 2-D-Vermessung von Objekten vorgesehen, und kann beispielsweise auf ein schienengebundenes Messfahrzeug aufgesetzt werden, um beispielsweise Tunnelprofile etc. zu vermessen. Ein derartiger Scanner 1 hat einen Laserkopf 2, der an ein nur teilweise dargestelltes Gehäuse 4 angeflanscht ist und in dem - ähnlich wie beim eingangs geschriebenen Stand der Technik - ein Sender zum aussenden eines Laser- Messstrahls und ein Empfänger zum Empfangen des vom Objekt reflektierten Empfangsstrahls aufgenommen ist.
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Der vom Sender ausgestrahlte Messstrahl wird - wie im Folgenden noch näher erläutert - über eine Strahlführung zu einem rotierenden Messkopf 6 geführt, über den der Messstrahl umgelenkt und auf das zu vermessende Objekt gerichtet wird. Der reflektierte Empfangsstrahl wird innerhalb des Messkopfs 6 in Richtung auf den Empfänger in dem Laserkopf 2 umgelenkt.
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In der Darstellung gemäß 1 ist das Gehäuse des Messkopfs 6 zur Verdeutlichung weg gelassen. Dieser drehbar gelagerte Messkopf 6 hat einen um 45° zur optischen Achse 8 angestellten Umlenkspiegel 10, durch den der Messstrahl und der Empfangsstrahl um 90° umgelenkt werden und dann durch ein in das Gehäuse des Messkopfs 6 eingesetztes Durchtrittsfenster 12 ein- bzw. austreten kann. Dieses Durchtrittsfenster 12 ist gegenüber der Strahlachse um einen vorbestimmten Winkel, beispielsweise um 5° angestellt, um Reflektionen zu minimieren. Der Antrieb des Messkopfs 6 erfolgt über eine Hohlwelle 14 eines Elektromotors, dessen Stator und dessen Wicklung in der Darstellung gemäß 1 mit dem Bezugszeichen 16 angedeutet sind. Der Aufbau derartiger kompakter Elektromotoren ist bekannt, sodass weitere Erläuterungen entbehrlich sind. Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass der vom Sender ausgestrahlte Messstrahl gegenüber dem vom Messobjekt reflektierten Empfangsstrahl weitestgehend abgekapselt ist, sodass Wechselwirkungen und somit eine Verfälschung des Messsignals ausgeschlossen sind. Erfindungsgemäß erfolgt diese Abkapslung durch eine Messstrahlführungseinrichtung 18, durch die der Messstrahl vom Empfänger zum Durchtrittsfenster 12 geführt ist. Diese Messstrahlführungseinrichtung 18 hat beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein Strahlführungsrohr 8, das sich vom Laserkopf 2 durch die Hohlwelle 14 hindurch bis zum Messkopf 6 erstreckt. Im Anschluss an das Strahlführungsrohr 20 ist im Messkopf 6 eine Strahlführung 22 angeordnet, über die der Messstrahl vom Strahlführungsrohr 20 zum Umlenkspiegel 10 und von dort zum Durchtrittsfenster 12 geführt ist.
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Gemäß der Darstellung in 1 ist das Strahlführungsrohr über eine Rohrzentrierung 24 und einen Haltering 26 mit Bezug zum Hohlrohr 14 zentriert. Der Haltering 26 dient ferner dazu, den Messkopf 6 an einen Flansch 28 der Hohlwelle 14 zu befestigen.
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Gemäß der Darstellung in 1 taucht der linke Endabschnitt des Strahlführungsrohrs 20 aus der Hohlwelle 14 heraus in den Laserkopf 2 hinein und ist dabei mit Bezug zu dem nicht dargestelltem Sender so ausgerichtet, dass der ausgestrahlte Messstrahl exakt in der optischen Achse 8 positioniert ist, sodass er ohne Verluste in den Innenraum des Strahlführungsrohrs 20 eintreten kann. Dessen Innenumfangswandung kann zur Minimierung von Reflektionen matt schwarz beschichtet sein - dies ist jedoch lediglich eine Option und für die Funktion der Erfindung unwesentlich.
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2 zeigt den Messkopf 6 in einer vergrößerten und leicht abgewandelten Darstellung aus 1. Hierbei taucht der radial zurückgesetzte Endabschnitt 32 des Strahlführungsrohrs 20 in eine den Haltering 26 durchsetzende Aufnahme 30 ein, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel nach rechts, zum Messkopf 6 hin zurück gestuft ist. An diesem Haltering 26 ist gemäß 2 die Strahlführung 22 angeflanscht, die beispielsweise als Frästeil ausgeführt ist und von einem L-förmigen Strahlführungskanal 34 durchsetzt ist, dessen Horizontalschenkel 36 in der optischen Achse 8 in Verlängerung des Strahlführungsrohrs 20 und der Aufnahme 30 verläuft. Dieser Horizontalschenkel 36 erstreckt sich von dem Haltering 26 bis zum Umlenkspiegel 10 und ist zu diesem hin offen. In diesen Bereich mündet ein Vertikalschenkel 38 in den Horizontalschenkel 36 des Strahlführungskanals 34, wobei der Eckbereich zum Umlenkspiegel 10 hin offen ist. Dieser Eckbereich wird gemäß 2 von einer Dichtung, beispielsweise einem O-Ring umgriffen, der in eine um 45° angestellte Anlagefläche 42 der Strahlführung 22 eingesetzt ist. Durch die dichtende Anlage des O-Rings 40 am Umlenkspiegel 10 ist somit der Strahlführungskanal 34 luft- und lichtdicht nach außen hin abgedichtet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Vertikalschenkel 38 vom Umlenkspiegel 10 weg bis zu einer durchtrittsfensterseitigen Dichtfläche 44, die im geringen Parallelabstand zur benachbarten Großfläche des Durchtrittsfensters 12 verläuft und in die ebenfalls ein O-Ring 46 eingesetzt ist, der plan an dem Durchtrittsfenster 12 anliegt. D.h., bei der in 2 dargestellten Variante, die sich etwas von dem in 1 dargestelltem Messkopf unterscheidet endet der Strahlführungskanal 34 somit bündig am Durchtrittsfenster 12, sodass an diesem keinerlei Veränderungen vorgenommen werden müssen. Durch den O-Ring 46 wird wiederum ein luft- und lichtdichter Abschluss des Strahlführungskanals 34 im Bereich des Durchtrittsfensters 12 gewährleistet.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Konstruktion bestehen keine festen Verbindungen zwischen dem Umlenkspiegel 10 und der Strahlführung, so dass während des Betriebs aufgrund der erheblichen Fliehkräfte keine Spannungen eingeleitet werden. Die Abdichtung über die O-Ringe 40, 46 ist hinreichend elastisch, um geringe Maßänderungen auszugleichen.
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Die in 2 sichtbare Bohrung 48 ist im Hinblick auf eine optimale Auswuchtung in der Strahlführung 22 vorgesehen. Unter dem gleichen Gesichtspunkt wird diametral zum Durchtrittsfenster 12 eine Auswuchtscheibe 49 mit einem entsprechenden Fenster im Messkopf 6 vorgesehen, sodass die in dem Bereich des Durchtrittsfensters 12 entstehende Umwucht ausgeglichen ist.
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Trotz der leichten Schrägstellung der Durchtrittsfenster 12 ist die bündige Ankopplung der Strahlführung 22 in optischer Hinsicht nicht optimal. Eine einfache Lösung könnte darin bestehen, eine in der Strahlachse liegende Durchtrittsbohrung im Durchtrittsfenster 12 vorzusehen. Durch diese Durchtrittsbohrung würden jedoch während des Betriebs des Scanners 1 Verunreinigungen angesaugt werden. Ein Verschließen einer derartigen Bohrung mit einem Glaspfropfen ist prinzipiell möglich, birgt jedoch die Gefahr in sich, dass bei den extrem hohen Drehzahlen, mit denen ein derartiger Scanner betrieben wird, der Pfropfen herausgeschleudert wird.
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In 3 ist eine alternative Variante dargestellt, bei der das Durchtrittsfenster 12 mit einer Durchgangsbohrung 50 ausgeführt ist, in die von unten, d.h. von Seiten der Strahlführung 22 her eine Hülse 52 eingesetzt ist. Diese liegt mit einem in Radialrichtung erweiterten Flansch an der unteren Großfläche des Durchtrittsfensters 12 an. In diese Hülse ist eine Fassung 54 eingesetzt, die ein zur optischen Achse 8 schräg angestelltes Austrittsglas 56 trägt. Die Hülse 52, die Fassung 54 und das Austrittsglas 56 sind beispielsweise durch Kleben mit dem Durchtrittsfenster 12 verbunden. Die Anstellung des Austrittsglases 56 zur Vermeidung von Reflektionen beträgt ebenfalls wieder einige Grade, beispielsweise 5°. Um zu vermeiden, dass ein am Austrittsglas 56 reflektierter Teil des Messstrahls zurück in den Strahlführungskanal 34 reflektiert wird, ist bei dieser Variante ein als Sackloch ausgeführter Totkanal 58 vorgesehen, der unterhalb der Dichtfläche 44 der Strahlführung 22 in den Vertikalschenkel 38 einmündet. Die Anstellung des Totkanals 58 ist so gewählt, dass der vom Austrittsglas 56 reflektierte Anteil des Messstrahls in den Totkanal 58 eintritt und sich dort „tot läuft“.
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Gemäß der Darstellung in 3 hat die Fassung 54 an ihrem unteren Endabschnitt einen Axialvorsprung 60, der zur Dichtfläche 44 der Strahlführung 22 hin vorsteht und an dem stirnseitig der in 3 nicht dargestellte O-Ring 46 anliegt (siehe 2).
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Gemäß den vorbeschriebenen Erläuterungen ist der gesamte Aufbau des Scanners so realisiert, dass keine optische Verbindung zwischen dem ausgesendeten Messstrahl und dem vom zu vermessenden Objekt reflektierten Empfangsstrahl steht, sodass gegenüber herkömmlichen Lösungen durch Streulicht bedingte Messungenauigkeiten wesentlich verringert sind.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines 2-D-Scanners erläutert. Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Konstruktion mit einem gegenüber einem Empfangsstrahl optisch abgekapselten Messstrahl auch bei 3-D-Scannern einsetzbar.
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Prinzipiell kann im Durchtrittsfenster 12 auch eine zur Strahlführung 22 hin offene Sacklochbohrung ausgebildet sein, die sich dann in Fortsetzung des Vertikalschenkels 3 erstreckt, wobei im Übergangsbereich wieder eine geeignete Dichtung angeordnet ist. Eine derartige Lösung könnte allerdings gegenüber den vorbeschriebenen Lösungen hinsichtlich der optischen Qualität verschlechtert sein.
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Offenbart ist ein Scanner mit einem Sender zum Aussenden eines Messstrahls und einen Empfänger für einen von einem zu vermessenden Objekt reflektierten Empfangsstrahl. Erfindungsgemäß ist der Messstrahl innerhalb des Scanners optisch mit Bezug zum Empfangsstrahl abgekapselt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Scanner
- 2
- Laserkopf
- 4
- Gehäuse
- 6
- Messkopf
- 8
- optische Achse
- 10
- Umlenkspiegel
- 12
- Durchtrittsfenster
- 14
- Hohlwelle
- 16
- Stator! Wicklung
- 18
- Messstrahlführungseinrichtung
- 20
- Strahlführungsrohr
- 22
- Strahlführung
- 24
- Rohrzentrierung
- 26
- Haltering
- 28
- Flansch
- 30
- Aufnahme
- 32
- Endabschnitt
- 34
- Strahlführungskanal
- 36
- Horizontalschenkel
- 38
- Vertikalschenkel
- 40
- O-Ring
- 42
- Anlagefläche
- 44
- Dichtfläche
- 46
- O-Ring
- 48
- Bohrung
- 49
- Auswuchtscheibe
- 50
- Durchgangsbohrung
- 52
- Hülse
- 54
- Fassung
- 56
- Austrittsglas
- 58
- Totkanal
- 60
- Axialvorsprung
