DE102013110585A1

DE102013110585A1 - Device for optically scanning and measuring an environment

Info

Publication number: DE102013110585A1
Application number: DE201310110585
Authority: DE
Inventors: Martin Ossig; Alexander Greiner
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2015-03-26

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung, die als Laserscanner (10) ausgebildet ist, mit einem Lichtsender (17), der 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) empfängt, und einer Steuer- und Auswertevorrichtung (22), die für eine Vielzahl von Messpunkten (X) jeweils wenigstens die Distanz (d) zum Objekt (O) ermittelt, weist der Lichtsender (17) eine Lichterzeugungskomponente, eine von einem Modulationssignal gesteuerte Modulationskomponente und eine Verstärkerkomponente auf, wobei wenigstens zwei der Komponenten kombiniert und als ein Bauteil verwirklicht sind.In an apparatus for optically scanning and measuring an environment formed as a laser scanner (10) with a light emitter (17) emitting a transmitted light beam (18), a light receiver (21) receiving one of an object (O) in the area of the laser scanner (10) receives reflected or otherwise scattered received light beam (20), and a control and evaluation device (22) for each of a plurality of measuring points (X) each determined at least the distance (d) to the object (O) , the light emitter (17) comprises a light generation component, a modulation component controlled modulation component and an amplifier component, at least two of the components being combined and realized as one component.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.The invention relates to a device having the features of the preamble of claim 1.

In der DE 10 2009 055 988 B3 ist eine als Laserscanner ausgebildete Vorrichtung dieser Art beschrieben. Um die Scans einzufärben, ist eine Farbkamera vorgesehen, die vor der Empfangsoptik angeordnet ist. Der Lichtsender ist parallel versetzt zur Empfangsoptik angeordnet.In the DE 10 2009 055 988 B3 is a trained as a laser scanner device of this type described. To color the scans, a color camera is provided, which is arranged in front of the receiving optics. The light transmitter is arranged offset parallel to the receiving optics.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere hinsichtlich des Signal-Rausch-Verhältnisses. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The invention is based on the object to improve a device of the type mentioned, in particular with regard to the signal-to-noise ratio. This object is achieved by a device with the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße vorgesehenen Maßnahmen minimieren den Beitrag, mit dem die Erzeugung und Aussendung des Sendelichtstrahls das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtern könnte.The proposed measures according to the invention minimize the contribution that the generation and emission of the transmitted light beam could impair the signal-to-noise ratio.

Mittels des optischen Verstärkers kann gezielt moduliertes Laserlicht bei konstantem Pumpstrom linear verstärkt werden. Damit werden unerwünschte spektrale Komponenten im Signal minimiert. Gleichzeitg lässt sich das elektrische Modulkationssignal für die Laserdiode klein halten und somit auch ein unvermeidliches Übersprechen des gesendeten Signals auf die Elektronik des Lichtempfängers minimieren. Mittels eines Schirmes für den Sendelichtstrahl wird das optische Übersprechen von Streulicht innerhalb des Laserscanners vermieden.By means of the optical amplifier, specifically modulated laser light can be linearly amplified at a constant pumping current. This minimizes unwanted spectral components in the signal. At the same time, the electric modulating cation signal for the laser diode can be kept small, thus minimizing unavoidable crosstalk of the transmitted signal to the electronics of the light receiver. By means of a screen for the transmitted light beam, the optical crosstalk of stray light within the laser scanner is avoided.

Die Verbindung zwischen dem Laserscanner, gegebenenfalls außerhalb des Messkopfes angeordneter Teile der Steuer- und Auswertevorrichtung, gegebenenfalls einer Anzeigevorrichtung auf einem an den Laserscanner angeschlossenen Computer und weiterer in das System eingebundener Computer kann drahtgebunden oder drahtlos, beispielsweise mittels WLAN, erfolgen.The connection between the laser scanner, possibly arranged outside of the measuring head parts of the control and evaluation device, optionally a display device on a computer connected to the laser scanner computer and other integrated into the system computer can be wired or wireless, for example by means of WLAN done.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigenIn the following the invention with reference to an embodiment shown in the drawing is explained in more detail. Show it

1 eine teilweise geschnittene Darstellung von Teilen des Laserscanners, 1 a partially cutaway view of parts of the laser scanner,

2 eine teilweise geschnittene Darstellung des Laserscanners im Betrieb, und 2 a partially sectioned view of the laser scanner in operation, and

3 eine pespektivische Ansicht des Laserscanners. 3 a perspective view of the laser scanner.

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 Spiegel 16 auf. Der Schnittpunkt der beiden Drehachsen sei als Zentrum C₁₀ des Laserscanners 10 bezeichnet.A laser scanner 10 is as a device for optically scanning and measuring an environment of the laser scanner 10 intended. The laser scanner 10 has a measuring head 12 and a foot 14 on. The measuring head 12 is as a rotatable about a vertical axis unit on the foot 14 assembled. The measuring head 12 has a mirror rotatable about a horizontal axis 16 on. The intersection of the two axes of rotation is the center C _{10 of} the laser scanner 10 designated.

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 1550 nm, 905 nm, 790 nm oder weniger als 400 nm, jedoch sind prinzipiell auch andere elektromagnetische Wellen mit beispielsweise größerer Wellenlänge verwendbar. Der Sendelichtstrahl 18 ist mit einem Modulationssignal amplitudenmoduliert. Der Sendelichtstrahl 18 wird vom Lichtsender 17 auf den Spiegel 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 Spiegel 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 Spiegels 16 und des Messkopfes 12, welche von den Stellungen ihrer jeweiligen Drehantriebe abhängen, die wiederum von jeweils einem Encoder erfasst werden.The measuring head 12 also has a light emitter 17 for emitting a transmitted light beam 18 on. The transmitted light beam 18 is preferably a laser beam in the range of about 300 to 1600 nm wavelength, for example, 1550 nm, 905 nm, 790 nm or less than 400 nm, but in principle other electromagnetic waves with, for example, longer wavelength can be used. The transmitted light beam 18 is amplitude modulated with a modulation signal. The transmitted light beam 18 is from the light emitter 17 on the mirror 16 given, deflected there and sent out into the environment. A received light beam reflected from an object O in the environment or otherwise scattered 20 is from the mirror 16 caught again, deflected and onto a light receiver 21 given. The direction of the transmitted light beam 18 and the receiving light beam 20 results from the angular positions of the mirror 16 and the measuring head 12 , which depend on the positions of their respective rotary actuators, which in turn are detected by a respective encoder.

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.A control and evaluation device 22 stands with the light transmitter 17 and the light receiver 21 in the measuring head 12 in data connection, whereby parts of it also outside of the measuring head 12 can be arranged, for example as a foot 14 connected computer. The control and evaluation device 22 is designed for a plurality of measuring points X, the distance d of the laser scanner 10 to the (illuminated point at) object O from the transit time of the transmitted light beam 18 and the receiving light beam 20 to investigate. For this purpose, for example, the phase shift between the two light beams 18 . 20 be determined and evaluated.

An die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 ist eine Anzeigevorrichtung 24 angeschlossen. Die Anzeigevorrichtung 24 ist vorliegend ein Display am Laserscanner 10, sie kann aber alternativ auch das Display eines am Fuß 14 angeschlossenen Computers sein.To the control and evaluation device 22 is a display device 24 connected. The display device 24 is presently a display on the laser scanner 10 , but you can alternatively also the display of a foot 14 connected computer.

Mittels der (schnellen) Drehung des Spiegels 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.By means of the (fast) rotation of the mirror 16 is scanned along a circular line. By means of the (slow) rotation of the measuring head 12 relative to the foot 14 is scanned with the circular lines gradually the entire space. The totality of Measurement points X of such a measurement is called a scan. The center C _{10 of} the laser scanner 10 defines for such a scan the origin of the local stationary reference system. The foot rests in this local stationary frame of reference 14 ,

Jeder Messpunkt X umfasst außer der Distanz d zum Zentrums C₁₀ des Laserscanners 10 als Wert 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. Optional können mittels einer Farbkamera noch Bilder erzeugt werden, mittels derer den Messpunkten noch Farben (R,G,B) als Wert zugeordnet werden können.Each measurement point X includes except the distance d to the center C _{10 of} the laser scanner 10 as a value still a brightness, which also from the control and evaluation device 22 is determined. The brightness is a greyscale value, which can be achieved, for example, by integrating the bandpass-filtered and amplified signal of the light receiver 21 is determined via a measuring period X associated measuring period. Optionally, images can still be generated by means of a color camera, by means of which the measurement points can still be assigned colors (R, G, B) as a value.

Der Laserscanner 10 weist eine derartige Farbkamera 25 auf, die ebenfalls an die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 angeschlossen ist. Die Farbkamera 25 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) Bildern der Farbkamera 25, was als "Mapping" bezeichnet wird. Die Verknüpfung erfolgt bildweise für jedes der aufgenommenen farbigen Bilder, um im Endergebnis jedem Messpunkt X des Scans eine Farbe (in RGB-Anteilen) zuzuordnen, d.h. den Scan einzufärben.The laser scanner 10 has such a color camera 25 on, which also to the control and evaluation device 22 connected. The color camera 25 For example, it is designed as a CCD camera or CMOS camera and delivers a three-dimensional signal in the color space, preferably an RGB signal, for a two-dimensional image in spatial space. The control and evaluation device 22 combines the (in spatial space three-dimensional) scan of the laser scanner 10 with the (in space space two-dimensional) images of the color camera 25 , which is called "mapping". The linking is done imagewise for each of the recorded color images, in the final result to each measurement point X of the scan to assign a color (in RGB proportions), ie to color the scan.

Der Lichtempfänger 21 ist in der Regel so ausgebildet, dass er nicht direkt den vom Spiegel 16 kommende Empfangslichtstrahl 20 empfängt, sondern dass der Spiegel 16 den Empfangslichtstrahl 20 auf eine Empfangsoptik 30 lenkt. Die Empfangsoptik 30 bildet den vom Spiegel 16 kommenden Empfangslichtstrahl 20 mittels optischer Bauelemente, insbesondere Linsen und/oder Spiegel, auf den Lichtempfänger 21 ab. Der Spiegel 16 weist als 45°-Schnittfläche eines Zylinders eine kleine Halbachse auf, die den Durchmesser des Empfangslichtstrahls 20 definiert. Die Empfangsoptik 30 weist eine Empfangslinse 32 auf, deren Durchmesser wenigstens so groß wie die kleine Halbachse des Spiegels 16 ist, so dass sie den Empfangslichtstrahl 20 vollständig empfangen und auf das nächste optische Bauelement projizieren kann. Die optische Achse der Empfangslinse 32 ist auf den Spiegel 16 ausgerichtet. Die Empfangsoptik 30 reduziert den Durchmesser des Empfangslichtstrahls 20 bis auf Abmessung des Lichtempfängers.The light receiver 21 is usually designed so that it is not directly from the mirror 16 incoming receiving light beam 20 receives, but that the mirror 16 the received light beam 20 on a receiving optics 30 directs. The receiving optics 30 make that from the mirror 16 incoming received light beam 20 by means of optical components, in particular lenses and / or mirrors, on the light receiver 21 from. The mirror 16 has as a 45 ° cut surface of a cylinder on a small half-axis, which is the diameter of the received light beam 20 Are defined. The receiving optics 30 has a reception lens 32 on, whose diameter is at least as large as the small half-axis of the mirror 16 is, so that they receive the received light beam 20 completely received and can project onto the next optical device. The optical axis of the receiving lens 32 is on the mirror 16 aligned. The receiving optics 30 reduces the diameter of the received light beam 20 except for dimension of the light receiver.

Die Farbkamera 25 und der Lichtempfänger 21 können die gleiche Empfangsoptik 30 benutzt, d.h. die Farbkamera 25 wäre – bezüglich der Richtung des Empfangslichtstrahls 20 – hinter der Empfangsoptik 30 oder innerhalb der Empfangsoptik 30 angeordnet. Eine bevorzugte Anordnung der Farbkamera 25 ist jedoch in der DE 10 2009 055 988 B3 offenbart. Die Farbkamera 25 ist – bezüglich der Richtung des Empfangslichtstrahls 20 – vor der Empfangsoptik 30 angeordnet, d.h. der Lichtempfänger 21 einerseits und die Farbkamera 25 andererseits nutzen zwar gemeinsam den Spiegel 16, aber die Empfangsoptik 30 wird nur vom Lichtempfänger 21 genutzt.The color camera 25 and the light receiver 21 can have the same receiving optics 30 used, ie the color camera 25 would be - with respect to the direction of the received light beam 20 - behind the receiver optics 30 or within the receiving optics 30 arranged. A preferred arrangement of the color camera 25 is in the DE 10 2009 055 988 B3 disclosed. The color camera 25 is - with respect to the direction of the received light beam 20 - in front of the receiving optics 30 arranged, ie the light receiver 21 on the one hand and the color camera 25 On the other hand, they use the mirror together 16 but the receiving optics 30 is only from the light receiver 21 used.

Eine Anordnung der Farbkamera 25 auf der optischen Achse der Empfangslinse 32 hat den Vorteil, dass Abbildungsfehler gering gehalten werden, d.h. die Empfangsoptik 30 und die Farbkamera 25 sehen den gleichen Ausschnitt der Umgebung. Die Farbkamera 25 kann – bezüglich der Richtung des Empfangslichtstrahls 20 – direkt auf der Empfangslinse 32 angeordnet sein. An arrangement of the color camera 25 on the optical axis of the receiving lens 32 has the advantage that aberrations are kept low, ie the receiving optics 30 and the color camera 25 see the same part of the environment. The color camera 25 can - with respect to the direction of the received light beam 20 - directly on the receiving lens 32 be arranged.

Der Lichtsender 17 weist eine Laserdiode 41 und einen Kollimator 42 auf, welche mittels Lichtleiter 43, 44 miteinander verbunden sind. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 weist einen Signalgenerator 45 auf, der insbesondere als FPGA (field programmable gate array) ausgebildet ist. Der Signalgenerator 45 erzeugt ein binäres, rechteckwellenförmiges Modulationssignal. Mittels einer an den Signalgenerator 45 angeschlossenen Modulationselektronik 46 wird das besagte Modulationssignal auf den Pumpstrom der Laserdiode 41 gegeben, d.h. der Pumpstrom wird moduliert. Die Laserdiode 41 erzeugt somit moduliertes Laserlicht und gibt dieses in den an die Laserdiode 41 angeschlossenen.ersten Lichtleiter 43 ab.The light transmitter 17 has a laser diode 41 and a collimator 42 on, which by means of light guide 43 . 44 connected to each other. The control and evaluation device 22 has a signal generator 45 on, which is designed in particular as FPGA (field programmable gate array). The signal generator 45 generates a binary, square-wave modulation signal. By means of a to the signal generator 45 connected modulation electronics 46 the said modulation signal is applied to the pumping current of the laser diode 41 given, ie the pumping current is modulated. The laser diode 41 thus generates modulated laser light and outputs it to the laser diode 41 connected.first light guide 43 from.

Erfindungsgemäß weist der Lichtsender 17 zwischen der Laserdiode 41 und dem Kollimator 42 einen optischen Verstärker 48 auf, vorliegend ein Faserverstärker. Einerseits ist der optische Verstärker 48 mittels des ersten Lichtleiters 43 mit der Laserdiode 41 verbunden und empfängt von ihr das modulierte Laserlicht. Andererseits ist der optische Verstärker 48 mittels des zweiten Lichtleiters 44 an den Kollimator 42 angeschlossen.According to the invention, the light emitter 17 between the laser diode 41 and the collimator 42 an optical amplifier 48 on, in this case a fiber amplifier. On the one hand is the optical amplifier 48 by means of the first light guide 43 with the laser diode 41 connected and receives from her the modulated laser light. On the other hand, the optical amplifier 48 by means of the second light guide 44 to the collimator 42 connected.

Der optische Verstärker 48 verstärkt das modulierte Laserlicht und gibt das verstärkte modulierte Laserlicht in den zweiten Lichtleiter 44 ab. Der optische Verstärker 48 entspricht in seinem Aufbau einer Laserdiode, jedoch wird er mit einem konstanten (starken) Pumpstrom, also Gleichstrom, betrieben. Damit erhält das Laserlicht die notwendige Leistung, ohne dass ein starker Pumpstrom aufgrund seiner Modulation ständig an- und abgeschaltet werden muss, womit die daraus resultierenden Fehler einschließlich Übersprechen vermieden werden. Der (modulierte) Pumpstrom der Laserdiode 41 kann daher so gering sein, dass derartige Fehler vermieden werden und Distanzmessfehler minimiert werden.The optical amplifier 48 amplifies the modulated laser light and outputs the amplified modulated laser light into the second optical fiber 44 from. The optical amplifier 48 corresponds in its construction to a laser diode, but it is operated with a constant (strong) pumping current, ie direct current. Thus, the laser light receives the necessary power without a strong pumping current due to its modulation must be constantly switched on and off, thus avoiding the resulting errors including crosstalk. The (modulated) pumping current of the laser diode 41 can therefore be so low that such errors are avoided and distance measuring errors are minimized.

Der Kollimator 42 erzeugt aus dem verstärkten modulierten Laserlicht, welches er mittels des zweiten Lichtleiters 44 vom optischen Verstärker 48 erhält, ein paralleles Strahlenbündel, den Sendelichtstrahl 18. The collimator 42 generated from the amplified modulated laser light, which he by means of the second light guide 44 from the optical amplifier 48 receives, a parallel beam, the transmitted light beam 18 ,

Verallgemeinert betrachtet weist der Lichtsender 17 zur Erzeugung des Sendelichtstrahls 18 eine Lichterzeugungskomponente, eine Modulationskomponente, eine Verstärkerkomponente und den Kollimator 42 auf. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Lichterzeugungskomponente und die Modulationskomponente kombiniert und gemeinsam als – moduliert gepumpte – Laserdiode 41 verwirklicht, während die Verstärkerkomponente als nachgeschalteter optischer Verstärker 48 verwirklicht ist.Generalized, the light transmitter points 17 for generating the transmitted light beam 18 a light generation component, a modulation component, an amplifier component, and the collimator 42 on. In the described embodiment, the light generation component and the modulation component are combined and commonly referred to as - modulated pumped - laser diode 41 realized while the amplifier component as a downstream optical amplifier 48 is realized.

Die Komponenten können aber auch anders kombiniert sein. Beispielsweise kann die Lichterzeugungskomponente mit der Verstärkerkomponente kombiniert und gemeinsam als ein leistungsstarker, gleichmäßig gepumpter Laser (der dann in 1 die Position der Laserdiode 41 einnimmt) verwirklicht sein, und die Modulationskomponente (die dann in 1 die Position des optischen Verstärkers 48 einnimmt und abweichend von 1 von der Modulationselektronik 46 angesteuert wird) ist diesem Laser nachgeschaltet. Die Modulationskomponente ist dann vorzugsweise als ein optischer Modulator verwirklicht, bei dem ein Kristall aufgrund eines modulierten elektrischen Feldes seine Eigenschaften ändert und damit durchgehendes Laserlicht beeinflusst, beispielsweise hinsichtlich der Polarisation. Bei beiden genannten Kombinationsmöglichkeiten arbeitet der Lichtsender als Dauerstrichlaser (continuous wave laser).The components can also be combined differently. For example, the light generation component may be combined with the amplifier component and used collectively as a powerful, evenly pumped laser (which is then incorporated in FIG 1 the position of the laser diode 41 takes), and the modulation component (which then in 1 the position of the optical amplifier 48 takes and deviates from 1 from the modulation electronics 46 is controlled) is connected downstream of this laser. The modulation component is then preferably realized as an optical modulator, in which a crystal changes its properties due to a modulated electric field and thus influences continuous laser light, for example with regard to the polarization. In both of these combinations, the light transmitter operates as a continuous wave laser.

Eine weitere Kombinationsmöglichkeit der besagten drei Komponenten ist eine gemeinsame Kombination als ein gepulster Laser, d.h. die Lichterzeugungskomponente und die Verstärkerungskomponente sind zu einem gleichmäßig gepumpten Laser kombiniert, der beispielsweise mittels eines Güteschalters (Q-switch) getriggert ist, um leistungsstarke Pulse zu erzeugen. Vorliegend wäre dann die Modulationskomponente in diesem Trigger verwirklicht, indem der Laser mit dem von der Modulationselektronik 46 vorgegebenen (rechteckpulsförmigen) Modulationssignal getriggert wird. In 1 wären die Laserdiode 41 und der optische Verstärker 48 zu einem gemeinsamen Bauteil vereint. Der gepulste Laser könnte kürze Pulse mit höherer Leistung erzeugen als ein modulierte cw-Laserstrahl, sofern das Modulationssignal ein Rechteckpulssignal ist.Another possible combination of said three components is a common combination as a pulsed laser, ie, the light generation component and the amplification component are combined into a uniformly pumped laser triggered by, for example, a Q-switch to generate high-power pulses. In the present case, the modulation component in this trigger would then be realized by the laser with that of the modulation electronics 46 predetermined (rectangular pulse) modulation signal is triggered. In 1 would be the laser diode 41 and the optical amplifier 48 united to a common component. The pulsed laser could shortly generate higher power pulses than a modulated cw laser beam if the modulation signal is a rectangular pulse signal.

Die vorliegend von der Farbkamera 25 eingenommene Position vor der Empfangsoptik 30, d.h. auf der auf den Spiegel 16 ausgerichteten optischen Achse der Empfangslinse 32, würde der Kollimator 42 in einer abgewandelten Ausführung einnehmen. Vorliegend ist der Kollimator 42 parallel versetzt zur optischen Achse der Empfangslinse 32 angeordnet. Der Sendelichtstrahl 18 wird mittels eines Umlenkspiegels 51 radial zur optischen Achse hin umgelenkt, und mittels eines vor der Farbkamera 25 angeordneten, halbdurchlässigen Sendespiegels 52 auf die optische Achse der Empfangslinse 32 gelenkt, um weiter auf den Spiegel 16 zu treffen. Da die Lichtleiter 43, 44 vorzugsweise eine Länge von etwa einem Meter haben, sind die weiteren Bestandteile des Lichtsenders 17 innerhalb des Messkopfes 12 verteilt angeordnet.The present of the color camera 25 occupied position in front of the receiving optics 30 ie on the mirror 16 aligned optical axis of the receiving lens 32 , would the collimator 42 take in a modified version. The present is the collimator 42 parallel offset to the optical axis of the receiving lens 32 arranged. The transmitted light beam 18 is by means of a deflecting mirror 51 deflected radially to the optical axis, and by means of a front of the color camera 25 arranged, semitransparent transmission mirror 52 on the optical axis of the receiving lens 32 steered to continue on the mirror 16 hold true. As the light guides 43 . 44 preferably have a length of about one meter, are the other components of the light emitter 17 within the measuring head 12 arranged distributed.

Während zwischen der Laserdiode 41 und dem Kollimator 42 das Licht geschützt in den Lichtleitern 43, 44 geführt ist, ist der Sendelichtstrahl 18 zwischen dem Kollimator 42 und dem Sendespiegel 52 frei und gegen Streulicht und optischem Übersprechen ungeschützt. Um Abhilfe zu schaffen, insbesondere um damit das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, verläuft der Sendelichtstrahl 18 zwischen dem Kollimator 42 und dem Sendespiegel 52 wenigstens abschnittsweise geschützt durch einen Schirm 55 (shield).While between the laser diode 41 and the collimator 42 the light is protected in the light guides 43 . 44 is guided, is the transmitted light beam 18 between the collimator 42 and the transmission mirror 52 free and unprotected against stray light and optical crosstalk. To remedy this, in particular in order to improve the signal-to-noise ratio, the transmitted light beam passes 18 between the collimator 42 and the transmission mirror 52 at least partially protected by a screen 55 (Shield).

Der Schirm 55 ist vorzugsweise ein länglicher Hohlkörper, insbesondere eine Röhre mit offenen Stirnseiten, innerhalb dessen der Sendelichtstrahl 18 verläuft, nachdem er an einer Stirnseite eintritt und bevor er an der anderen Stirnseite austritt. In abgewandelter Ausführung kann der Schirm 55 auch als offene Rinne oder als Platte ausgebildet sein, hinter welcher der Sendelichtstrahl 18 verläuft. Gegebenenfalls bildet das Gehäuse des Messkopfes 12 zusammen mit dem Schirm 55 den Hohlkörper. Der Schirm 55 ist vorliegend zwischen Umlenkspiegel 51 und Sendespiegel 52 angeordnet. Die Querschnittsfläche und damit der (mittlere) Durchmesser des Schirms 55 ist so gering, dass die Abschattung des Empfangslichtstrahls 20 vernachlässigbar ist oder durch die Vielzahl der Aufnahme herausgerechnet werden kann. Falls der Kollimator 42 vom Umlenkspiegel 51 etwas beabstandet ist, kann auch dazwischen ein (zusätzlicher) Schirm 55 angeordnet sein.The screen 55 is preferably an elongated hollow body, in particular a tube with open end faces, within which the transmitted light beam 18 runs after it enters at one end and before it exits at the other end. In a modified version, the screen 55 also be designed as an open channel or as a plate, behind which the transmitted light beam 18 runs. Optionally, the housing of the measuring head forms 12 together with the screen 55 the hollow body. The screen 55 is present between deflecting mirror 51 and transmission mirrors 52 arranged. The cross-sectional area and thus the (average) diameter of the screen 55 is so low that the shading of the received light beam 20 is negligible or can be excluded by the large number of recording. If the collimator 42 from the deflection mirror 51 is slightly spaced, can also in between an (additional) screen 55 be arranged.

Vorzugsweise weist der Laserscanner 10 verschiedene Sensoren auf, beispielsweise Thermometer, Neigungsmesser, Höhenmesser, Kompass, Kreiselkompass, GPS etc., die vorzugsweise an die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 angeschlossen sind. Mittels der besagten Sensoren werden die Betriebsbedingungen des Laserscanners 10 überwacht, welche durch bestimmte Parameter, beispielsweise geometrische Ausrichtung oder Temperatur, definiert werden. Weisen ein oder mehrerer Parameter einen Drift auf, wird dieser mit den zugeordneten Sensoren erkannt und kann von der Steuer- und Auswertevorrichtung 22 kompensiert werden. Mittels der besagten Sensoren kann auch eine plötzliche Änderung der Betriebsbedingungen erkannt werden, beispielsweise ein die Ausrichtung ändernder Schlag auf den Laserscanner 10 oder eine Verschiebung des Laserscanners 10. Preferably, the laser scanner 10 various sensors, such as thermometer, inclinometer, altimeter, compass, gyrocompass, GPS, etc., preferably to the control and evaluation device 22 are connected. By means of said sensors, the operating conditions of the laser scanner 10 monitored, which are defined by certain parameters, such as geometric orientation or temperature. If one or more parameters have a drift, this is detected with the assigned sensors and can be controlled by the control and evaluation device 22 be compensated. By means of said sensors can also be a sudden change operating conditions are detected, such as an alignment-changing impact on the laser scanner 10 or a shift of the laser scanner 10 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Laserscanner laser scanner
1212: Messkopf probe
1414: Fuß foot
1616: Spiegel mirror
1717: Lichtsender light source
1818: Sendelichtstrahl Transmitted light beam
2020: Empfangslichtstrahl Reception light beam
2121: Lichtempfänger light receiver
2222: Steuer- und Auswertevorrichtung Control and evaluation device
2424: Anzeigevorrichtung display device
2525: Farbkamera color camera
3030: Empfangsoptik receiving optics
3232: Empfangslinse receiving lens
4141: Laserdiode laser diode
4242: Kollimator collimator
4343: erster Lichtleiter first light guide
4444: zweiter Lichtleiter second light guide
4545: Signalgenerator signal generator
4646: Modulationselektronik modulation electronics
4848: optischer Verstärker optical amplifier
5151: Umlenkspiegel deflecting
5252: Sendespiegel transmitting mirror
5555: Schirm umbrella
C₁₀ C ₁₀: Zentrum des Laserscanners Center of the laser scanner
dd: Distanz distance
OO: Objekt object
XX: Messpunkt measuring point

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009055988 B3 [0002, 0019]

Claims

Device for optically scanning and measuring an environment that can be used as a laser scanner ( 10 ), with a light emitter ( 17 ), which transmits a transmitted light beam ( 18 ), a light receiver ( 21 ), one of an object (O) in the vicinity of the laser scanner ( 10 ) reflected or otherwise scattered received light beam ( 20 ), and a control and evaluation device ( 22 ), which determines at least the distance (d) to the object (O) for a multiplicity of measuring points (X), characterized in that the light transmitter ( 17 ) comprises a light generation component, a modulation component controlled modulation component, and an amplifier component, wherein at least two of the components are combined and implemented as one component.

Device according to Claim 1, characterized in that the combined light generation and modulation component is in the form of a laser diode ( 41 ) is realized, on which by means of a first light guide ( 43 ) an optical amplifier ( 48 ), which is operated with a uniform, in particular constant, pumping current.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the combined light generation and amplifier component as a continuous wave laser diode ( 41 ), to which by means of a first light guide ( 43 ) connected as an optical modulator modulation component is connected.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the combined light generation, modulation and amplifier component is realized as a pulsed laser which is triggered by the modulation signal.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control and evaluation device ( 22 ) a signal generator ( 45 ) for generating the modulation signal, by means of which a signal generator ( 45 ) connected modulation electronics ( 46 ) the pumping current of the laser diode ( 41 ) or modulates the electric field of the optical modulator or drives the trigger of the pulsed laser.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the laser scanner ( 10 ) a rotatable measuring head ( 12 ) within which the light transmitter ( 17 ) and the light receiver ( 21 ) and a rotatable mirror ( 16 ), which transmits the transmitted light beam ( 18 ) emits into the environment, and which the received light beam ( 20 ) from the environment and on a receiving optics ( 30 ) which directs the received light beam ( 20 ) on the light receiver ( 21 ), wherein the receiving optics ( 30 ) a receiving lens ( 32 ) whose optical axis on the rotatable mirror ( 16 ).

Apparatus according to claim 6, characterized in that the light emitter ( 16 ) one by means of a second optical fiber ( 44 ) connected collimator ( 42 ), which offset parallel to the optical axis of the receiving lens ( 32 ) within the measuring head ( 12 ), wherein mirrors ( 51 . 52 ) the generated transmitted light beam ( 18 ) on the rotatable mirror ( 16 ), in particular by acting on the optical axis of the receiving lens ( 32 ) a semitransparent transmission mirror ( 52 ) is arranged, which from the collimator ( 42 ) coming transmitted light beam ( 18 ) on the rotatable mirror ( 16 ) steers.

Device according to the preamble of claim 1, in particular according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitted light beam ( 18 ) at least in sections within or behind a screen ( 55 ) runs.

Device according to claim 8, characterized in that the screen ( 55 ) between a collimator ( 42 ) and a transmission mirror ( 52 ) is arranged.

Device according to claim 8 or 9, characterized in that the screen ( 55 ) is formed as an elongated hollow body.