DE102012020922A1

DE102012020922A1 - Laserscanner

Info

Publication number: DE102012020922A1
Application number: DE201210020922
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-04-30

Abstract

Es wird eine Aufnahmeanordnung zur Panorama-Farbbildaufnahme ohne Fremdbeleuchtung angegeben, das gleichzeitig zur Bestimmung von Raumkoordinaten geeignet ist. In der erfindungsgemäßen Anordnung kommt als Laserlichtquelle eine Laserquelle zum Einsatz, die multispektrales gebündeltes Licht aussendet. Das optische Empfangsteil besteht aus Einzelkanälen, deren spektrale Einzel-Empfindlichkeiten selektiv an die Einzelspektren der Laserlichtquelle angeglichen sind. Die Erfindung eignet sich für alle Aufgabenstellungen der fotografischen und geometrischen Objektaufnahme.

Description

Einsatzgebiet und technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft die fotografische Aufnahme von Objekten im Raum, insbesondere die Aufnahme so genannter Kugelpanoramen und im erweiterten Sinne die Messung von Raumkoordinaten von Flächenpunkten in den abgebildeten Objekten. Für die fotografische Aufnahme zeigt die Erfindung eine Lösung auf, die ohne jede Fremdbeleuchtung der Objekte auskommt.
Stand der Technik
Für die elektronische fotografische Panorama-Aufnahme sind im Wesentlichen drei Verfahren bekannt:

– Panorama-Kamera nach dem Prinzip der rotierenden Zeilenkamera gemäß DE 44 28 055 A1 ,
– Segmentierte Bildaufnahme mit planar abbildender Kamera in aufeinander folgenden Einzelaufnahmen aus unterschiedlichen Winkeln und anschließender Montage der transformierten Einzelbilder, z. B. gemäß DE 103 41 822 A1 ,
– Punktscanner nach DE 197 46 319 A1 .

Allen Verfahren ist gemeinsam, dass, wie allgemein in der Fotografie üblich, eine Objektbeleuchtung erforderlich ist. Im einfachsten Fall wird die Beleuchtung vom Tageslicht oder von normaler Raumbeleuchtung bereitgestellt. Für die Panorama-Aufnahme mit ihren unbegrenzten Aufnahmewinkeln sind für die künstliche Objektausleuchtung besonders aufwändige Maßnahmen nötig. Beispielhaft sei auf das Gebrauchsmuster DE 202 08 555 verwiesen. Allen bekannten Lösungen ist gemeinsam, dass die Beleuchtungsstärke mit zunehmendem Objektabstand exponentiell sinkt und deshalb vorrangig nur im Nahbereich gearbeitet werden kann. Zwischen näheren und entfernteren Objekten im Bildbereich entsteht eine oft nicht beherrschbare Helligkeitsdynamik.
Für die Gewinnung von Raumkoordinaten-Tabellen, so genannten Punktwolken, sind Laserscanner bekannt, die mit modulierten, bzw. gepulsten Laserlichtquellen arbeiten und über die Phase oder Laufzeit des vom Objekt reflektierten Lichtes die Entfernung messen. Durch kontrolliertes Drehen des Messstrahls, meist mittels Spiegel oder Prisma in zwei zueinander rechtwinkligen Drehachsen, werden in schneller Folge Polarkoordinaten rund um den Beobachtungspunkt aufgezeichnet. Dabei bildet jeder aufgezeichnete Punkt einen Datensatz aus Horizontal- und Vertikalwinkel, sowie dessen Abstand zum Beobachtungspunkt. Jedem der so vermessenen Punkte werden also sofort die kompletten Koordinaten im Raum zugeordnet.
Zur praktischen Anwendung solcher Punktwolken gehört es inzwischen, den einzelnen Messpunkten ihre natürliche Farbe zuzuordnen, um sie beispielsweise für Visualisierungen einsetzen zu können. Das zusätzlich aufgezeichnete Reflexionsverhalten der Oberfläche für die Wellenlänge des Lasers ist dafür kaum geeignet, weil es nur eine orthochromatische Fotografie darstellt.
Deshalb werden parallel zu den Daten dieser Laserscanner Bilddaten nach den oben genannten Aufnahmeverfahren der Panorama-Fotografie angefertigt und koordinatenrichtig, jedoch mit endlicher Passgenauigkeit, den vermessenen Punkten überlagert. Mit dem verwendeten Aufnahmeverfahren besteht aber auch das gleiche Beleuchtungs-Problem, wie bereits oben beschrieben.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, Panorama-Bildaufnahmen unabhängig von jeder Fremdbeleuchtung zu fertigen. Gleichzeitig soll die Lösung prinzipiell auch zur Koordinatengewinnung der abgebildeten Objektpunkte geeignet sein.
Problemlösung, Beschreibung der Erfindung
Das Problem wird mit der im Hauptanspruch gekennzeichneten Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Im Unterschied zu allgemeinen Lichtquellen haben Laser nur eine sehr kleine Strahldivergenz. Hierdurch verlieren sie auch bei größeren Abständen zum Objekt vergleichsweise wenig an Intensität. Andererseits sind sie somit nicht zur flächigen, sondern nur zur punktuellen Objektbeleuchtung geeignet. Erfolgt die photoelektrische Bildaufnahme in zeitlicher Abfolge von Einzelpunkten, die mittels einer Ablenkvorrichtung örtlich synchron mit dem Laserstrahl auf der Objektoberfläche abgetastet werden, so kann der gesamte den Aufnahmestandort umgebende Objektbereich als gerastertes Abbild gescannt werden. Wie eingangs erwähnt ist das bei bekannten Laserscannern bereits für eine einzelne Lichtwellenlänge der Fall.
Erfindungsgemäß wird dieser Vorgang für mehrere Lichtwellenlängen, insbesondere für sichtbares Rot, Grün und Blau durchgeführt. Ähnlich wie bei anderen bekannten Farbbild-Aufnahmeverfahren werden die Einzelspektren anschließend zu einem natürlich erscheinenden Farbbild zusammengesetzt.
Für statische Objekte ist es dabei unwichtig, ob alle Spektralbereiche gleichzeitig oder zeitlich versetzt nacheinander aufgezeichnet werden. Ebenso können die Spektralbereiche zwar gleichzeitig aufgezeichnet werden, während sich aber die Abtastpunkte im Objekt in einem räumlichen Abstand zueinander befinden.
Um Störungen durch Fremdlicht, insbesondere die natürliche Objektbeleuchtung, auszuschließen erfolgt eine gepulste oder anderweitig modulierte Laserbeleuchtung, während die Sprungdifferenz aus Hell- und Dunkelsignal verarbeitet wird.
Gleichzeitg eignet sich das modulierte Laserlicht zur Laufzeit- oder Phasenmessung, so dass gemeinsam mit der Bildaufnahme auch die Entfernungsmessung zu den betreffenden Punkten erfolgt, womit die bereits von der Ablenkbewegung her definierten Winkelkoordinaten um den Objektabstand zur vollwertigen Raumkoordinate ergänzt wird. Dabei können entweder nur einer der Spektralbereiche oder auch mehrere Kanäle in die Abstandsmessung einbezogen werden.
Hierzu kann es auch von Vorteil sein, weitere spektrale Kanäle, insbesondere im Infrarotbereich, zu ergänzen.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend erläutert werden. Hierzu zeigt 1 beispielhaft den schematisierten Gesamtaufbau einer Aufnahmeanordnung in erfindungsgemäßer Ausführung.
Drei Laserdioden 1a ... 1c mit rotem, grünem und blauem Laserlicht strahlen in Richtung eines Ablenkspiegels 2 und werden von diesem in eine Hauptrichtung abgelenkt. Dabei besitzt jeder der drei Strahlen einen bestimmten Winkel zur Mittellinie. Die Linie 6a deutet die Richtung für die Laserdiode 1a an. Drei optoelektronische Empfangskanäle 4a ... 4c, bestehend aus je einer Photodiode mit vorgelagertem optischem Bandfilter, sind nebeneinander in der Projektionsebene einer Abbildungsoptik 3 angeordnet, wobei die von der jeweiligen Wellenlänge abhängige Brennweite berücksichtigt ist. Der Mittelpunktstrahl eines jeden Empfangskanals durch die Optik – im Beispiel 7a für den Empfangskanal 4a – beschreibt dessen Abbildungsrichtung, zu der der Strahlengang der zugehörigen Laserdiode 6a parallel ausgerichtet wird. Im Ergebnis entstehen drei unterschiedliche Strahlrichtungen für ausgehendes Laserlicht und den dazu parallel ausgerichteten Empfänger-Strahlengang. Ein Spiegelantrieb 8 dreht den Ablenkspiegel 2 in der Hauptachse 5 mit kontrollierter Winkelbewegung, so dass sich die abgelenkte Hauptachse 11 drehend in einer Hauptebene bewegt. Da die drei Strahlrichtungen einen Winkel zur Hauptachse bilden, beschreiben diese eine Präzessionsbewegung zur Hauptebene, die bei der Winkelmessung berücksichtigt wird. Alle bisher beschriebenen Elemente sind auf einer Bussole 9 befestigt, die von einem Horizontalantrieb 10 mit kontrollierter Winkelbewegung gedreht wird. Erfolgt für den gesamten Drehbereich des Ablenkspiegels eine Aufnahme von Bildpunkten, so genügt bereits eine Drehung der Bussole um insgesamt 180°, um eine Vollsphäre aufzunehmen.
So wie die drei dargestellten Laserdioden und Empfangskanäle im gleichseitigen Dreieck angeordnet sind kann auch eine größere Anzahl von Kanälen rund um die Hauptachse angeordnet sein. In anderen Ausführungsbeispielen können die Kanäle auch linear zueinander liegen oder als Abbildungsoptik ein Hohlspiegel zum Einsatz kommen, der gleichzeitig die Ablenkung übernimmt. Schließlich ist es auch möglich, nicht den Strahlengang abzulenken, sondern die Laserdioden und Empfangskanäle selbst mitzudrehen.
Nicht speziell dargestellt sind die Ansteuerung der Laserdioden und der Antriebe, sowie die Signalverarbeitung der Empfangskanäle – einerseits zum Zwecke der Farbbilderzeugung, andererseits zum Zwecke der Entfernungsmessung, weil diese Details weitgehend bekannten Anordnungen bei Laserscannern und elektronischen Kameras entsprechen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4428055 A1 [0002]
DE 10341822 A1 [0002]
DE 19746319 A1 [0002]
DE 20208555 U [0003]

Claims

Laserscanner, bestehend wenigstens aus einer steuerbaren Laserlichtquelle, einem optoelektronischen Empfangsteil und einer rotierenden oder oszillierenden Bewegungs- oder Ablenkvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass als Laserlichtquelle eine Laserquelle zum Einsatz kommt, die multispektrales gebündeltes Licht aussendet und dass das optische Empfangsteil aus Einzelkanälen besteht, deren spektrale Einzel-Empfindlichkeiten selektiv an die Einzelspektren der Laserlichtquelle angeglichen sind.
Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle aus mehreren Einzelquellen, vorzugsweise im Spektralbereich roten, grünen und blauen sichtbaren, sowie infraroten Lichtes, besteht.
Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkanäle des Empfangsteils Spektralfilter enthalten, die jeweils auf die Spektren der Laserlichtquelle abgestimmt sind.
Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse jeder einzelnen Laserlichtquelle zur optischen Achse des ihr jeweils spektral zugeordneten Empfangskanals parallel ausgerichtet ist.
Laserscanner nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die optischen Achsen der verschiedenen Spektralbereiche in ihrem räumlichen Verlauf grundsätzlich unterscheiden, jedoch einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen.