DE102009055989A1

DE102009055989A1 - Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung

Info

Publication number: DE102009055989A1
Application number: DE102009055989A
Authority: DE
Inventors: Philipp Dr. Schumann; Martin Dr. Ossig; Joachim Zeller
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-11-21
Also published as: GB2487518A; CN102597802A; US20120262700A1; JP5462371B2; US8896819B2; CN102597802B; GB2487518B; DE102009055989B4; GB201208444D0; JP2013508693A; WO2011060898A1

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 Umgebung 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, und einer Steuer- und Auswertevorrichtung (22), die für eine Vielzahl von Messpunkten (X) jeweils wenigstens die Distanz zum Objekt (O) ermittelt, ist auf der optischen Achse (A) hinter der Empfangslinse (30) ein hinterer Spiegel (43) vorgesehen, welcher den von der Empfangslinse (30) gebrochenen Empfangslichtstrahl (20) zur Empfangslinse (30) hin reflektiert.

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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Alternative zur Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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).
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.
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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202006005643 U1 [0002]

Claims

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, einen 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 einer eine optische Achse (A) aufweisenden Empfangslinse (30) empfängt, und einer Steuer- und Auswertevorrichtung (22), die für eine Vielzahl von Messpunkten (X) jeweils wenigstens die Distanz zum Objekt (O) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass auf der optischen Achse (A) hinter der Empfangslinse (30) ein hinterer Spiegel (43) vorgesehen ist, welcher den von der Empfangslinse (30) gebrochenen Empfangslichtstrahl (20) zur Empfangslinse (30) hin reflektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere Spiegel (43) plan ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der optischen Achse (A) zwischen der Empfangslinse (30) und dem hinteren Spiegel (43) eine Maske (42) vorgesehen ist, welche den – bezüglich der optischen Achse (A) – radial äußeren Teil des Empfangslichtstrahls (20) teilweise abschattet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der optischen Achse (A) zwischen der Empfangslinse (30) und dem hinteren Spiegel (43) ein mittlerer Spiegel (44) vorgesehen ist, welcher den vom hinteren Spiegel (43) reflektierten Empfangslichtstrahl (20) zum hinteren Spiegel (43) hin reflektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Spiegel (44) im Zentrum der Maske (42) angeordnet ist, welches insbesondere von einer Farbkamera (23) und/oder einem Sendespiegel (32) und/oder dem Lichtsender (17) vor oder in der Empfangslinse (30) abgeschattet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Spiegel (44) asphärisch ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vom mittleren Spiegel (44) reflektierte Empfangslichtstrahl (20) durch eine zentrale Öffnung des hinteren Spiegels (43) fällt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der optischen Achse (A) hinter dem hinteren Spiegel (44) ein Empfangsspiegel (45) vorgesehen ist, welcher den Empfangslichtstrahl (20) umlenkt und auf den Lichtempfänger (21) gibt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (21) radial zur optischen Achse (A) angeordnet ist.
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), den hinteren Spiegel (43), den Lichtempfänger (21) und den Rotorspiegel (16) lagert, wobei der Rotorspiegel (16) um die horizontal angeordnete optische Achse (A) rotiert.