DE102009055988B3 - Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung - Google Patents

Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung Download PDF

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung, die als Laserscanner (10) ausgebildet ist, mit einem Lichtsender (17), der mittels eines Rotorspiegels (16) einen Sendelichtstrahl (18) aussendet, einem Lichtempfänger (21), der einen von einem Objekt (O) in der Unmgebung des Laserscanners (10) reflektierten oder sonst irgendwie gestreuten Empfangslichtstrahl (20) nach dem Passieren des Rotorspiegels (16) und einer eine optische Achse (A) aufweisenden Empfangslinse (30) empfängt, einer Farbkamera (23), welche Farbbilder der Umgebung des Laserscanners (10) aufnimmt, und einer Steuer- und Auswertevorrichtung (22), die für eine Vielzahl von Messpunkten (X) jeweils wenigstens die Distanz zum Objekt (O) ermittelt und mit den Farbbildern verknüpft, ist die Farbkamera (23) auf der optischen Achse (A) der Empfangslinse (30) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
  • Mit einer aus der DE 20 2006 005 643 U1 bekannten Vorrichtung, die als Laserscanner ausgebildet ist, kann die Umgebung des Laserscanners optisch abgetastet und vermessen werden. Der sich drehende Rotorspiegel, welcher als eine polierte Platte eines metallischen Rotors ausgebildet ist, lenkt sowohl den Sendelichtstrahl als auch den Empfangslichtstrahl um. Der Kollimator des Lichtsenders sitzt im Zentrum der Empfangslinse. Die Empfangslinse bildet den Empfangslichtstrahl auf den auf der optischen Achse hinter der Empfangslinse angeordneten Lichtempfänger ab. Für zusätzliche Informationen ist auf dem Laserscanner eine Zeilen-Kamera montiert, die RGB-Signale aufnimmt, so dass die Messpunkte des Scans um eine Farbinformation ergänzt werden können.
  • In der EP 1 310 764 A2 ist eine Vorrichtung dieser Art beschreiben, bei welcher der vom Objekt in der Umgebung reflektierte Lichtstrahl nach dem Passieren des Rotorspiegels auf einen Strahlteiler trifft, welcher einerseits aus dem zur Distanzermittlung relevanten Wellenlängenbereich den Empfangslichtstrahl ablenkt und auf eine erste Empfangslinse gibt, von wo aus er auf den Lichtempfänger fällt, während der Strahlteiler andererseits den übrigen Wellenlängenbereich im wesentlichen ungeschwächt passieren lässt und auf eine zweite Empfangslinse gibt, von wo aus er auf eine Farbkamera trifft.
  • Auch in der DE 42 22 642 A1 sind ein Strahlteiler und verschiedenen Empfangslinsen für den Laserstrahl-Lichtempfänger und für die Farbkamera vorgesehen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Alternative zur Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Anordnung einer Farbkamera auf der optischen Achse der Empfangslinse, bezüglich des Rotorspiegels auf der gleichen Seite, hat den Vorteil, dass Parallaxenfehler praktisch vollständig vermieden werden, da Lichtempfänger und Farbkamera die Umgebung unter dem gleichen Blickwinkel aufnehmen, und zwar mit der gleichen Seite des Rotorspiegels. Zudem kann für den Rotorspiegel die gleiche Mechanik benutzt werden. Auch die genutzte Seite des Rotorspiegels ist die gleiche. Die Empfangslinse nimmt vorzugsweise den Platz des Lichtempfängers ein, so dass keine Änderung der Abschattung auftritt. Um den Sendelichtstrahl wieder einspeisen zu können, ist vorzugsweise ein Sendespiegel vor der Farbkamera vorgesehen, welcher für den Sendelichtstrahl reflektierend und für die Farbkamera durchsichtig ist.
  • Indem auf der optischen Achse hinter der Empfangslinse ein hinterer Spiegel vorgesehen ist, welcher den von der Empfangslinse gebrochenen Empfangslichtstrahl zur Empfangslinse hin reflektiert, kann der Bauraum besser ausgenützt werden. Zur Vervollständigung der ”gefalteten Optik” ist vorzugsweise ein mittlerer Spiegel zwischen Empfangslinse und hinterem Spiegel vorgesehen, welcher den Empfangslichtstrahl zum hinteren Spiegel reflektiert. Eine geeignete Form der Spiegel unterstützt die Fokussierung, wobei die Fokuslänge gegenüber der ungefalteten Optik noch vergrößert werden kann. Der mittlere Spiegel kann, ebenso wie eine zusätzliche Maske, auch zur Nahfeldkorrektur eingesetzt werden, indem die Intensität aus dem Nahfeld im Vergleich zum Fernfeld reduziert. Eine weitere Bauraumeinsparung ergibt sich durch eine Anordnung des Lichtempfängers radial zur optischen Achse der Empfangslinse (in einem durch die optische Achse definierten Zylinderkoordinatensystem).
  • Der Aufbau des Rotors als Hybridstruktur, d. h. als mehrteiliges Gebilde aus unterschiedlichen Materialien, erlaubt eine kurze Bauweise, die trotz der Schrägstellung des Rotorspiegels ausgewuchtet bleibt. Bevorzugt ist eine Kombination aus einem metallischen Halter, einem Rotorspiegel aus beschichtetem Glas und einem Gehäuse aus Kunststoff, jedoch ist auch eine andere Kombination möglich. Der hinsichtlich der Masse dominierende Halter ermöglicht das Auswuchten, während das Gehäuse als Berührungsschutz dient. Klebstoff zwischen den Bestandteile des Rotors ermöglicht einen Ausgleich der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten, ohne das dynamische Verhalten zu beeinträchtigen.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine teilweise geschnittene Teilansicht des Laserscanners,
  • 2 eine schematische Darstellung des Laserscanners, und
  • 3 eine perspektivische Ansicht des Halters des Rotors.
  • Ein Laserscanner 10 ist als Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung des Laserscanners 10 vorgesehen. Der Laserscanner 10 weist einen Messkopf 12 und einen Fuß 14 auf. Der Messkopf 12 ist als eine um eine vertikale Achse drehbare Einheit auf dem Fuß 14 montiert. Der Messkopf 12 weist einen um eine horizontale Achse drehbaren Rotorspiegel 16 auf. Der Schnittpunkt der beiden Drehachsen sei als Zentrum C10 des Laserscanners 10 bezeichnet.
  • Der Messkopf 12 weist ferner einen Lichtsender 17 zum Aussenden eines Sendelichtstrahls 18 auf. Der Sendelichtstrahl 18 ist vorzugsweise ein Laserstrahl im Bereich von ca. 300 bis 1600 nm Wellenlänge, beispielsweise 790 nm, 905 nm oder weniger als 400 nm, jedoch sind prinzipiell auch andere elektromagnetische Wellen mit beispielsweise größerer Wellenlänge verwendbar. Der Sendelichtstrahl 18 ist mit einem – beispielsweise sinusförmigen oder rechteckförmigen – Modulationssignal amplitudenmoduliert. Der Sendelichtstrahl 18 wird vom Lichtsender 17 auf den Rotorspiegel 16 gegeben, dort umgelenkt und in die Umgebung ausgesandt. Ein von einem Objekt O in der Umgebung reflektierter oder sonst irgendwie gestreuter Empfangslichtstrahl 20 wird vom Rotorspiegel 16 wieder eingefangen, umgelenkt und auf einen Lichtempfänger 21 gegeben. Die Richtung des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 20 ergibt sich aus den Winkelstellungen des Rotorspiegels 16 und des Messkopfes 12, welche von den Stellungen ihrer jeweiligen Drehantriebe abhängen, die wiederum von jeweils einem Encoder erfasst werden.
  • Eine Steuer- und Auswertevorrichtung 22 steht mit dem Lichtsender 17 und dem Lichtempfänger 21 im Messkopf 12 in Datenverbindung, wobei Teile derselben auch außerhalb des Messkopfes 12 angeordnet sein können, beispielsweise als ein am Fuß 14 angeschlossener Computer. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 ist dazu ausgebildet, für eine Vielzahl von Messpunkten X die Distanz d des Laserscanners 10 zu dem (beleuchteten Punkt am) Objekt O aus der Laufzeit des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 20 zu ermitteln. Hierzu kann beispielsweise die Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtstrahlen 18, 20 bestimmt und ausgewertet werden.
  • Mittels der (schnellen) Drehung des Rotorspiegels 16 wird entlang einer Kreislinie abgetastet. Mittels der (langsamen) Drehung des Messkopfes 12 relativ zum Fuß 14 wird mit den Kreislinien nach und nach der gesamte Raum abgetastet. Die Gesamtheit der Messpunkte X einer solchen Messung sei als Scan bezeichnet. Das Zentrum C10 des Laserscanners 10 definiert für einen solchen Scan den Ursprung des lokalen stationären Bezugssystems. In diesem lokalen stationären Bezugssystem ruht der Fuß 14.
  • Jeder Messpunkt X umfasst außer der Distanz d zum Zentrums C10 des Laserscanners 10 noch eine Helligkeit, welche ebenfalls von der Steuer- und Auswertevorrichtung 22 ermittelt wird. Die Helligkeit ist ein Graustufenwert, welcher beispielsweise durch Integration des bandpass-gefilterten und verstärkten Signals des Lichtempfängers 21 über eine dem Messpunkt X zugeordnete Messperiode ermittelt wird. Für bestimmte Anwendungsfälle ist es wünschenswert, wenn zusätzlich zum Graustufenwert noch Farbinformationen vorhanden sind. Daher weist der Laserscanner 10 noch eine Farbkamera 23 auf, die ebenfalls an die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 angeschlossen ist. Die Farbkamera 23 ist beispielsweise als eine CCD-Kamera oder CMOS-Kamera ausgebildet und liefert ein im Farbraum dreidimensionales Signal, vorzugsweise ein RGB-Signal, für ein im Ortsraum zweidimensionales Bild. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 verknüpft den (im Ortsraum dreidimensionalen) Scan des Laserscanners 10 mit den (im Ortsraum zweidimensionalen) Farbbildern der Farbkamera 23, was als ”Mapping” bezeichnet wird. Die Verknüpfung erfolgt bildweise für jedes der aufgenommenen Farbbilder, um im Endergebnis jedem Messpunkt X des Scans eine Farbe (in RGB-Anteilen) zu geben, d. h. den Scan einzufärben.
  • Im Folgenden wird auf Details des Messkopfes 12 eingegangen.
  • Der vom Rotorspiegel 16 reflektierte Empfangslichtstrahl 20 fällt auf eine vorzugsweise plankonvexe, sphärische Empfangslinse 30, welche vorliegend eine nahezu halbkugelförmige Gestalt hat. Die optische Achse A der Empfangslinse 30 ist auf das Zentrum C10 des Laserscanners ausgerichtet. Die Wölbung der stark brechenden Empfangslinse 30 ist dem Rotorspiegel 16 zugewandt. Die Farbkamera 23 ist auf der gleichen Seite des Rotorspiegels 16 wie die Empfangslinse 30 und auf deren optischer Achse A angeordnet, vorliegend an der zum Rotorspiegel 16 nächstgelegenen Stelle der Empfangslinse 30. Sie kann dabei an der (unbearbeiteten) Oberfläche der Empfangslinse 30 befestigt, beispielsweise aufgeklebt, oder in eine eigens ausgebildete Vertiefung der Empfangslinse 30 eingebracht sein.
  • Vor der Farbkamera 23, d. h. näher zum Rotorspiegel 16 hin, ist ein Sendespiegel 32 angeordnet, welcher dichroitisch ist, d. h. vorliegend sichtbares Licht durchlässt und (rotes) Laserlicht reflektiert. Der Sendespiegel 32 ist somit für die Farbkamera 23 durchsichtig, d. h. er bietet einen freien Blick auf den Rotorspiegel 16. Der Sendespiegel 32 steht in einem Winkel zur optischen Achse A der Empfangslinse 30, so dass der Lichtsender 17 seitlich der Empfangslinse 30 angeordnet sein kann. Der Lichtsender 17, bestehend aus einer Laserdiode und einem Kollimator, gibt den Sendelichtstrahl 18 auf den Sendespiegel 32, von dem aus der Sendelichtstrahl 18 dann auf den Rotorspiegel 16 geworfen wird. Um die Farbbilder aufzunehmen, dreht sich der Rotorspiegel 16 langsam und schrittweise, zur Aufnahme des Scans schnell (100 Hz) und kontinuierlich. Die Mechanik des Rotorspiegels 16 bleibt die gleiche.
  • Aufgrund der Anordnung der Farbkamera 23 auf der optischen Achse A der Empfangslinse 30 tritt praktisch keine Parallaxe zwischen dem Scan und den Farbbildern auf. Da bei bekannten Laserscannern der Lichtsender 17 (und sein Anschluss) anstelle der Farbkamera 23 (und ihrem Anschluss, beispielsweise einer Flexplatine) angeordnet ist, ändert sich die Abschattung der Empfangslinse 30 aufgrund der Farbkamera 23 (und des Sendespiegels 32) nicht oder allenfalls unwesentlich.
  • Um einerseits mit einer großen Fokuslänge auch entfernte Messpunkte X aufzunehmen und andererseits wenig Bauraum zu beanspruchen, weist der Laserscanner 10 eine ”gefaltete Optik” auf. Hierzu ist auf der optischen Achse A hinter der Empfangslinse 30 eine Maske 42 angeordnet, welche koaxial zur optischen Achse A ausgerichtet ist. Die Maske 42 weist radial innen (bezogen auf die optische Achse A) einen (großen) freien Bereich auf, um den von entfernten Objekten O reflektierten Empfangslichtstrahl 20 ungehindert passieren zu lassen, während die Maske 42 radial außen (kleinere) abgeschattete Bereiche aufweist, um die Intensität des von nahe gelegenen Objekten O reflektierten Empfangslichtstrahls 20 zu reduzieren, so dass insgesamt vergleichbare Intensitäten vorliegen.
  • Auf der optischen Achse A hinter der Maske 42 ist ein hinterer Spiegel 43 angeordnet, der plan ausgebildet ist und senkrecht zur optischen Achse A steht. Dieser hintere Spiegel 43 reflektiert den von Empfangslinse 30 gebrochenen Empfangslichtstrahl 20, welcher auf einen mittleren Spiegel 44 fällt. Der mittlere Spiegel 44 ist in dem – von der Farbkamera 23 (und dem Sendespiegel 32) abgeschatteten – Zentrum der Maske 42 auf der optischen Achse A angeordnet. Der mittlere Spiegel 44 ist ein asphärischer Spiegel, welcher sowohl als Negativlinse wirkt, d. h. die Fokuslänge vergrößert, als auch als Nahfeldkorrekturlinse dient, d. h. den Fokus des von nahe gelegenen Objekten O reflektierten Empfangslichtstrahls 20 verschiebt. Zudem ist eine Reflexion nur von demjenigen Teil des Empfangslichtstrahls 20 vorgesehen, welcher die auf den mittleren Spiegel 44 aufgebrachte Maske 42 passiert. Der mittlere Spiegel 44 reflektiert den Empfangslichtstrahl 20, welcher durch eine zentrale Öffnung des hinteren Spiegels 43 auf dessen Rückseite fällt.
  • Auf der Rückseite des hinteren Spiegels 43 ist der Lichtempfänger 21 angeordnet, bestehend aus einer Eingangsblende, einem Kollimator mit Filter, einer Sammellinse und einem Detektor. Um Bauraum zu sparen, ist vorzugsweise ein Empfangsspiegel 45 vorgesehen, welcher den Empfangslichtstrahl 20 um 90° umlenkt, so dass der Lichtempfänger 21 radial zur optischen Achse A angeordnet sein kann. Mit der gefalteten Optik kann die Fokuslänge gegenüber bekannten Laserscannern etwa verdoppelt werden.
  • Der Rotorspiegel 16 als flächiges Gebilde ist Teil eines Rotors 61, welcher als körperliches Gebilde vom zugeordneten Drehantrieb gedreht und dessen Winkelstellung vom zugeordneten Encoder gemessen wird. Um auch Bauraum beim Rotorspiegel 16 durch einen kurzen Aufbau des Rotors 61 zu sparen und den Rotor 61 ausgewuchtet zu halten, ist der Rotor 61 als Hybridstruktur aufgebaut, bestehend aus einem Halter 63, dem am Halter 63 befestigten Rotorspiegel 16 und einem Gehäuse 65 aus Kunststoff, welches den Rotorspiegel 16 zusätzlich hält.
  • Der metallische Halter 63 weist eine zylindrische Grundform mit einer 45°-Fläche und verschiedenen Aussparungen auf. Zwischen diesen Aussparungen verbleiben Materialpartien, beispielsweise Flügel, Absätze und Vorsprünge, welche jeweils zum Auswuchten des Rotors 61 dienen. Eine zentrale Bohrung dient der Aufnahme der Motorwelle des zugeordneten Drehantriebs. Der Rotorspiegel 16 besteht aus Glas, welches beschichtet ist und im relevanten Wellenlängenbereich reflektiert. Die Befestigung des Rotorspiegels 16 an der 45°-Fläche des Halters 63 erfolgt vorliegend mittels Klebstoff, wofür vorzugsweise spezielle Befestigungsflächen 63b am Halter 63 vorgesehen sind.
  • Das aus Kunststoff bestehende Gehäuse 65 hat die Form eines unter 45° abgeschnittenen Hohlzylinders und umgibt wenigstens den Halter 63. Das Gehäuse 65 kann mit dem Rotorspiegel 16 verklebt oder anderweitig befestigt sein. Das Gehäuse 65 kann den Rotorspiegel 16 am Rand – vorzugsweise formschlüssig – übergreifen, gegebenenfalls unter Zwischenlage einer Dichtung aus Gummi oder dergleichen. Das Gehäuse 65 kann auch mit dem Halter 63 verklebt oder anderweitig direkt daran befestigt sein, oder es kann durch die Montage des Rotors 61 mit dem Halter 63 verbunden, beispielsweise verschraubt, sein, vorzugsweise mittels einer Endplatte 67. Der verwendete Klebstoff muss einerseits die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien ausgleichen und andererseits das dynamische Verhalten unbeeinflusst lassen, beispielsweise keine allzu große Elastizität aufweisen, um drehzahlabhängige Unwuchten zu vermeiden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Laserscanner
    12
    Messkopf
    14
    Fuß
    16
    Rotorspiegel
    17
    Lichtsender
    18
    Sendelichtstrahl
    20
    Empfangslichtstrahl
    21
    Lichtempfänger
    22
    Steuer- und Auswertevorrichtung
    23
    Farbkamera
    30
    Empfangslinse
    32
    Sendespiegel
    42
    Maske
    43
    hinterer Spiegel
    44
    mittlerer Spiegel
    45
    Empfangsspiegel
    61
    Rotor
    63
    Halter
    63b
    Befestigungssfläche
    65
    Gehäuse
    67
    Endplatte
    A
    optische Achse (der Empfangslinse)
    C10
    Zentrum des Laserscanners
    d
    Distanz
    O
    Objekt
    X
    Messpunkt

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung, die als Laserscanner (10) ausgebildet ist, mit einem Lichtsender (17), der mittels eines Rotorspiegels (16) einen Sendelichtstrahl (18) aussendet, einer Empfangslinse (30), welche eine optische Achse (A) aufweist, einem Lichtempfänger (21), der einen von einem Objekt (O) in der Umgebung des Laserscanners (10) reflektierten oder sonst irgendwie gestreuten Empfangslichtstrahl (20) nach dem Passieren des Rotorspiegels (16) und der Empfangslinse (30) empfängt, wobei der vom Rotorspiegel (16) reflektierte und vom Lichtempfänger (21) zu empfangende Empfangslichtstrahl (20) parallel zur optischen Achse (A) der Empfangslinse (30) laufend auf die Empfangslinse (30) fällt, einer Farbkamera (23), welche Farbbilder der Umgebung des Laserscanners (10) aufnimmt, und einer Steuer- und Auswertevorrichtung (22), die für eine Vielzahl von Messpunkten (X) jeweils wenigstens die Distanz zum Objekt (O) ermittelt und mit den Farbbildern verknüpft, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbkamera (23) auf der optischen Achse (A) der Empfangslinse (30) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbkamera (23) auf der dem Rotorspiegel (16) zugewandten Seite der Empfangslinse (30) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbkamera (23) an der Oberfläche der Empfangslinse (30) befestigt oder in eine Vertiefung der Empfangslinse 30 eingebracht ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangslinse (30) als plankonvexe, sphärische Linse ausgebildet ist, deren Wölbung dem Rotorspiegel (16) zugewandt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Farbkamera (23) und dem Rotorspiegel (16) ein Sendespiegel (32) angeordnet ist, welcher im Winkel zur optischen Achse (A) steht.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendespiegel (32) für den Sendelichtstrahl (18) reflektierend und für die Farbkamera (23) durchsichtig ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (17) den Sendelichtstrahl (18) auf den Sendespiegel (32) gibt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (17) seitlich der Empfangslinse (30) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorspiegel (16) sich zum Einfangen des Empfangslichtstrahls (20) schnell und kontinuierlich dreht, während er sich bei der Aufnahme der Farbbilder langsam und schrittweise dreht.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messkopf (12) vorgesehen ist, der um eine vertikale Achse rotiert und der den Lichtsender (17), die Empfangslinse (30) mit Farbkamera (23), den Lichtempfänger (21) und den Rotorspiegel (16) lagert, wobei der Rotorspiegel (16) um die horizontal angeordnete optische Achse (A) rotiert.
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