-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufnehmen von überlagerten Distanz- und Intensitätsbildern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
-
Eine derartige Vorrichtung ist aus
US 6,989,890 B2 bekannt. Die vorbekannte Vorrichtung verfügt über eine Distanzbildmessanordnung, die eine Distanzstrahlungsquelle zum Erzeugen von Distanzmessstrahlung und eine Distanzdetektionseinheit aufweist. Weiterhin ist eine mit der Distanzbildmessanordnung in einer festen räumlichen Beziehung stehende Intensitätsbildmessanordnung vorhanden, die zum Aufnehmen eines Intensitätsbildes über eine Intensitätsdetektionseinheit in Gestalt einer Kamera verfügt. Weiterhin ist eine mit der Distanzdetektionseinheit und mit der Intensitätsdetektionseinheit verbundene Auswerteanordnung vorhanden, mit der zum Erzeugen eines kombinierten Gesamtbildes aus von einem Messobjekt auf die Distanzdetektionseinheit und auf die Intensitätsdetektionseinheit rückgeworfener Strahlung ein kombiniertes Gesamtbild erzeugbar ist, das nach Kalibrieren der Relativanordnung der Distanzbildmessanordnung und der Intensitätsbildmessanordnung über einen Rechenalgorithmus Distanzdaten und Intensitätsdaten ortstreu überlagert.
-
Eine derartige Vorrichtung ist auch aus dem Artikel ”Untersuchungen zur Genauigkeit eines integrierten terrestrischen Laserscanner-Kamera-Systems” von Christian Mulsow, Danilo Schneider, Andreas Ullrich et al., erschienen in Beiträge der Oldenburger 3D-Tage 2004, Seiten 108 bis 113, Hermann Wichmann Verlag, Heidelberg, bekannt.
-
Aus
DE 101 11 826 A1 ist bekannt, dass bei einer Vorrichtung zum Aufnehmen von überlagerten Distanz- und Intensitätsbildern eine Leuchte vorhanden ist, die dazu dient, auch unter ungünstigen Lichtverhältnissen ein einwandfreies Farbbild zu erhalten. Zum Ausrichten von Intensitätsmessstrahlung sind zwei synchron angetriebene Prismen vorgesehen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich bei weitgehender Unabhängigkeit von Umgebungsverhältnissen durch eine schnelle Aufnahme qualitativ hochwertiger überlagerter Distanz- und Intensitätsbilder in Echtzeit auszeichnet.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
-
Dadurch, dass die Intensitätsbildmessanordnung ebenfalls über eine Intensitätsstrahlungsquelle zum Erzeugen von zweckmäßigerweise in ihren Eigenschaften wie Wellenlänge und Strahlform für Intensitätsbildaufnahmen optimierten Intensitätsstrahlung verfügt, lassen sich aufgrund der nunmehr gegebenen Optimierbarkeit der Intensitätsdatengewinnung von der Distanzdatengewinnung verhältnismäßig rauscharme Intensitätsdaten insbesondere auch bei verhältnismäßig wenig reflektiven Oberflächen eines Messobjektes schnell gewinnen. Durch das Vorsehen einer durch die Distanzbildmessanordnung und die Intensitätsbildmessanordnung sowohl zum Aussenden als auch zum Empfangen von Strahlung gemeinsam genutzten Strahlungsablenkeinheit in Gestalt eines Polygonspiegels sowie Anordnen der Distanzstrahlungsquelle sowie der Distanzdetektionseinheit einerseits und der Intensitätsstrahlungsquelle sowie der Intensitätsdetektionseinheit andererseits auf verschiedenen Seiten des Polygonspiegels ergibt sich nach einer einmaligen Kalibrierung auch unter verhältnismäßig rauen, beispielsweise Erschütterungen aufweisenden Messumgebungen eine langzeitstabil verlässliche räumliche Beziehung der ausgesendeten und einfallenden Strahlung für Distanzdaten und Intensitätsdaten, die frei von verhältnismäßig zeitaufwändigen Umrechnungen ein direktes Überlagern zu einem Gesamtbild in Echtzeit gestatten.
-
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung.
-
Es zeigen:
-
1 in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Aufnehmen von überlagerten Distanz- und Intensitätsbildern mit einem dichroitischen Strahlteiler und mit einem Schwenkspiegel,
-
2 in einer schematischen Ansicht einen Ausschnitt aus einer Beleuchtungsspur des Ausführungsbeispieles gemäß 1,
-
3 in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem drehbaren Polygonspiegel und auf einander gegenüberliegenden Seiten des Polygonspiegels angeordneten Distanzbildmessanordnung und Intensitätsbildmessanordnung,
-
4 in einer schematischen Ansicht einen Ausschnitt aus zwei Beleuchtungsspuren des Ausführungsbeispiels gemäß 3 und
-
5 in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Aufnehmen von überlagerten Distanz- und Intensitätsbildern mit einem drehbaren Polygonspiegel und auf jeweils einander gegenüberliegenden Seiten des Polygonspiegels angeordneten Strahlungsquellen und Detektionseinheiten der Distanzbildmessanordnung und der Intensitätsbildmessanordnung.
-
1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Aufnehmen von überlagerten Distanz- und Intensitätsbildern, die eine Distanzbildmessanordnung 1 und eine Intensitätsbildmessanordnung 2 aufweist. Die Distanzbildmessanordnung 1 und die Intensitätsbildmessanordnung 2 sind wenigstens mit ihren weiter unten näher erläuterten optischen Komponenten an einer auch unter rauen Umgebungsbedingungen formstabilen gemeinsamen Trägerstruktur 3 in einer festen räumlichen Beziehung zueinander angeordnet.
-
Die Distanzbildmessanordnung 1 weist eine bei diesem Ausführungsbeispiel als Distanzstrahlungsquelle zum Emittieren von intensitätsmodulierter Distanzmessstrahlung einen Distanzlaser 4 mit einer Distanzwellenlänge λD auf. Die Distanzbildmessanordnung 1 ist mit einer eine Distanzempfangsoptik 5 und einen einzelligen Distanzdetektor 6 aufweisenden Distanzdetektionseinheit 7 ausgebildet, mit der, wie weiter unten näher erläutert, von einer Oberfläche 8 eines Messobjektes 9 rückgeworfene Distanzmessstrahlung detektierbar ist. Weiterhin ist die Distanzbildmessanordnung 1 mit einer Distanzauswerteeinheit 10 ausgestattet, die mit dem Distanzlaser 4 und dem Distanzdetektor 6 in Verbindung steht. Mit dem Distanzlaser 4 ist in an sich bekannter Art und Weise über Modulieren der Distanzmessstrahlung und Detektieren der von einem von Distanzmessstrahlung beaufschlagten Bereich der Oberfläche 8 des Messobjektes 9 rückgeworfenen Distanzmessstrahlung für jeden mit Distanzmessstrahlung beaufschlagten sowie auszuwertenden Bereich ein Distanzdatenwert erzeugbar und ortsbezogen abspeicherbar.
-
Die Intensitätsbildmessanordnung 2 verfügt als Intensitätsstrahlungsquelle zum Emittieren von Intensitätsmessstrahlung im wesentlichen konstanter Intensität über einen Intensitätslaser 11 mit einer von der Distanzwellenlänge λD verschiedenen Intensitätswellenlänge λI sowie mit einem gegenüber dem Strahlquerschnitt der Distanzmessstrahlung verschiedenen Strahlquerschnitt auf der Oberfläche 8 des Messobjekts 9 und ist mit einer eine Intensitätsempfangsoptik 12 sowie mit einem einzelligen Intensitätsdetektor 13 aufweisenden Intensitätsdetektionseinheit 14 ausgestattet. Der Intensitätsdetektor 13 ist an eine Intensitätsauswerteeinheit 15 der Intensitätsbildmessanordnung 2 angeschlossen und dient zum Messen der Intensitäten von von der Oberfläche 8 des Messobjektes 9 rückgeworfener Intensitätsmessstrahlung als Intensitätsdatenwerte.
-
Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 verfügt weiterhin über eine Strahlungsablenkeinheit 16, die zum einen einen feststehenden dichroitischen Strahlteiler 17 und zum anderen einen um eine Schwenkachse 18 zwischen zwei Randlagen hin- und herschwenkbaren Schwenkspiegel 19 aufweist. Die Schwenkstellung des Schwenkspiegels 19 ist über einen Schwenkstellungsgeber 20 erfassbar. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind der Distanzlaser 4, der Intensitätslaser 11 und der Strahlteiler 17 so angeordnet, dass die von dem Distanzlaser 4 abgegebene modulierte Distanzmessstrahlung mit Distanzwellenlänge λD von dem Strahlteiler 17 zweckmäßigerweise um 90 Grad abgelenkt wird, während die von dem Intensitätslaser 11 abgegebene Intensitätsmessstrahlung mit Intensitätswellenlänge λI den Strahlteiler 17 im wesentlichen ablenkungsfrei durchtritt und sich mit der Distanzmessstrahlung kollinear überlagert. Die Distanzmessstrahlung und Intensitätsmessstrahlung treffen in der kollinearen Überlagerung auf den periodisch zwischen den Randlagen hin- und schwenkenden Schwenkspiegel 19, wodurch sich eine streifenartige Beleuchtung der Oberfläche 8 des Messobjektes 9 ergibt.
-
Zusammen mit einer in Richtung der Schwenkachse 8 erfolgenden Translation der Trägerstruktur 3 und damit der Vorrichtung als Ganzes, wie durch ein durch einen Kreis mit einem mittigen Punkt dargestelltes Bewegungssymbol angedeutet, wird die Oberfläche 8 des Messobjektes 9 insgesamt zickzackartig mit Distanzmessstrahlung und Intensitätsmessstrahlung beaufschlagt. Zum Erfassen der translatorischen Bewegungsdaten der Trägerstruktur 3 ist eine Bewegungsdetektionseinheit 21 vorhanden, die zusammen mit der Distanzauswerteeinheit 10 der Intensitätsauswerteeinheit 15 und dem Schwenkstellungsgeber 20 an eine Überlagerungsbildgeneriereinheit 22 einer Auswerteanordnung angeschlossen ist.
-
Ein Teil der von der Oberfläche 8 des Messobjektes 9 rückgeworfenen Strahlung mit Distanzwellenlänge λD und Intensitätswellenlänge λI beaufschlagt den Schwenkspiegel 19 und wird von diesem auf den dichroitischen Strahlteiler 17 geworfen. Der Anteil der von der Oberfläche 8 des Messobjektes 9 rückgeworfenen Distanzmessstrahlung mit Distanzwellenlängen λD wird von dem dichroitischen Strahlteiler 17 in Richtung der Distanzempfangsoptik 5 gelenkt, während der Anteil der von der Oberfläche 8 des Messobjektes 9 rückgeworfenen Intensitätsmessstrahlung mit Intensitätswellenlänge λI den dichroitischen Strahlteiler 17 durchtritt und auf die Intensitätsempfangsoptik 12 fällt.
-
2 zeigt in einer schematischen Ansicht die Oberfläche 8 des Messobjektes 9, die wie im Zusammenhang mit 1 erläutert, mit fokussierter Distanzmessstrahlung mit Distanzwellenlänge λD und mit relativ großflächiger Intensitätsmessstrahlung mit Intensitätswellenlänge λI beaufschlagt wird. Weiterhin ist in 2 eine äquidistante Abfolge von Intensitätsmesspunkten 23 und von gegenüber den Intensitätsmesspunkten 23 großflächigeren Distanzmessflecken 24 als Ausschnitt einer Beleuchtungsspur dargestellt, wie sie sich aufgrund von unterschiedlichen Aufnahmeraten zum Erfassen von Distanzdatenwerten und Intensitätsdatenwerten bei Schwenken des Schwenkspiegels 19 in einer in der Darstellung gemäß 2 von links nach rechts durch einen Pfeil dargestellten Schwenkrichtung und Bewegen der Trägerstruktur 3 in einer durch einen von unten nach oben gerichteten Pfeil dargestellten Drehrichtung auf der Oberfläche 8 des Messobjektes 9 beispielhaft ergibt.
-
Aus 2 ist ersichtlich, dass die Intensitätsmesspunkte 23 und die Distanzmessflecken 24 flächenmäßig unterschiedlich sein können und zum Beispiel die Intensitätsmesspunkte 23 aufgrund Optimierung für die Intensitätsmessung eine vielfach höhere Ortsauflösung als die flächenmäßig größeren Distanzmessflecken 24 haben, wodurch die aus den Intensitätsmesspunkten 23 gewonnenen Intensitätsdatenwerte die durch die Distanzmessflecken 24 bereit gestellten Distanzdatenwerte verfeinern und beispielsweise Feinstrukturen mit unterschiedlichen Reflektivitäten detektierbar machen lassen.
-
3 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und im weiteren zum Teil nicht näher erläutert sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 als Intensitätsstrahlungsquelle eine breitbandige Intensitätslichtquelle 25 vorhanden, deren Intensitätsmessstrahlung in einen breitbandigen Intensitätswellenlängenbereich Δλ über eine Strahlformoptik 26 und eine Kollimationsoptik 27 einer Strahlformeinheit in einen Parallelstrahl mit geeignetem, beispielsweise relativ großem und beispielsweise linienförmigen Querschnitt formbar ist. Die Intensitätsdetektionseinheit 14 des Ausführungsbeispiels gemäß 3 verfügt über ein Intensitätsdetektorarray 28 als Detektorarray mit einer in zwei Dimensionen flächig angeordneten Anzahl von Detektorzellen 29, die über Signalverstärker 30 an die Intensitätsauswerteeinheit 15 angeschlossen sind.
-
Die Strahlungsablenkeinheit 16 des Ausführungsbeispiels gemäß 3 ist mit einem um eine Drehachse 31 drehbaren Polygonspiegel 32 ausgestattet, der über eine Anzahl von planen, breitbandig reflektierenden Spiegelflächen 33 verfügt. Mit einem Drehstellungsgeber 34 ist die Drehstellung des Polygonspiegels 32 detektierbar und der Überlagerungsbildgeneriereinheit 22 einspeisbar.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind sämtliche optischen Komponenten der Distanzbildmessanordnung 1 und der Intensitätsbildmessanordnung 2 so angeordnet, dass sowohl für die ausgesendete Distanzmessstrahlung mit Distanzwellenlänge λD und für die ausgesendete breitbandige Intensitätsmessstrahlung im Intensitätswellenlängenbereich Δλ sowie entsprechend für die von der Oberfläche 8 des Messobjektes 9 rückgeworfene Strahlung, die dem Distanzdetektor 6 beziehungsweise dem Intensitätsdetektorarray 28 zuzuführen ist, verschiedene, zweckmäßigerweise in Drehrichtung übernächste Spiegelflächen 33 zum Einsatz kommen.
-
Die Anordnung der optischen Komponenten der Distanzbildmessanordnung 1 und der Intensitätsbildmessanordnung 2 sowie des Polygonspiegels 32 ist dabei so eingerichtet, dass bei jeder Drehstellung des Polygonspiegels 32 ein Bereich der Oberfläche 8 des Messobjektes 9 gemeinsam von Distanzmessstrahlung mit Distanzwellenlänge λD und von breitbandiger Intensitätsmessstrahlung in dem Intensitätswellenlängenbereich Δλ beaufschlagt ist. Durch die flächige Anordnung der Detektorzellen 29 des Intensitätsdetektorarrays 28 lässt sich somit bei jeder Drehstellung des Polygonspiegels 32 eine Vielzahl von Intensitätsmesspunkten 23 detektieren.
-
4 zeigt in einer schematischen Ansicht entsprechend 2 einen Ausschnitt von zwei sich bei Beaufschlagen eines Bereiches einer Oberfläche 8 eines Messobjektes 9 mit Distanzmessstrahlung mit Distanzwellenlänge λD und mit breitbandiger Intensitätsmessstrahlung im Intensitätswellenlängenbereich Δλ ergebende Beleuchtungsspuren. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist, wie aus 4 ersichtlich, bei großflächiger Bestrahlung durch die Intensitätsmessstrahlung die Ortsauflösung für die Intensitätsdatenwerte aufgrund der gegenüber der Größe der Distanzmessflecken 24 verhältnismäßig kleinen Intensitätsmesspunkte 23 deutlich höher, wobei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 aufgrund des Vorsehens eines Intensitätsdetektorarrays 28 mit flächig angeordneten Detektorzellen 29 bei jeder Beleuchtungsspur auch in Querrichtung zu einer Beleuchtungsspur Intensitätsmesspunkte 23 vorhanden sind.
-
5 zeigt in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Aufnehmen von überlagerten Distanz- und Intensitätsbildern, wobei sich bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 3 so wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und im weiteren zum Teil nicht nochmals näher erläutert sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist als Intensitätsstrahlungsquelle ein Faserarray 35 vorhanden, das mit einer Anzahl von Lichtwellenleitern 36 bestückt ist. Die Lichtwellenleiter 36 sind mit Ausgangsstrahlung mit einer Intensitätswellenlänge λI aus jeweils einem Intensitätslaser 37 beaufschlagbar. Die Intensitätslaser 37 sind an eine Intensitätslaseransteuereinheit 38 angeschlossen, mit der die Intensitätslaser 37 mit einer Abfolge von zueinander zeitversetzten Ansteuerpulsen beaufschlagbar sind, so dass das Faserarray 35 eine definiert zeit- und ortsversetzte Serie von Pulsen an Intensitätsstrahlung aussendet.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 weist die Intensitätsdetektionseinheit 14 einen einzelligen Intensitätsdetektor 39 auf, dessen Ausgangssignal über einen Signalverstärker 40 einer Anzahl von Zeitdiskriminiergliedern 41 einspeisbar ist. Die Intensitätsbildmessanordnung 2 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 mit einer Synchronisationssteuereinheit 42 ausgestattet, an die zum einen die Intensitätslaseransteuereinheit 38 und die Intensitätsauswerteeinheit 15 angeschlossene und zum anderen mit der Überlagerungsbildgeneriereinheit 22 verbunden ist. Die Zeitdiskriminierglieder 41 selbst sind vom Empfang eines Zeittorsignals mit der Intensitätsauswerteeinheit 15 verbunden, so dass durch die Synchronisationssteuereinheit 42 synchronisiert jedes Zeitdiskriminationsglied 41 genau ein einem Intensitätslaser 37 zugeordnetes Intensitätssignal auf die Intensitätsauswerteeinheit 15 gibt, wodurch die Zeitversatzinformation in eine dem entsprechenden Intensitätslaser zugeordnete Ortsinformation umwandelbar ist.
-
Die Strahlungsablenkeinheit 16 des Ausführungsbeispiels gemäß 5 ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 mit einem drehbaren Polygonspiegel 32 ausgestattet, wobei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Distanzmessstrahlung mit Distanzwellenlänge λD durch einen dichroitischen Sendestrahlteiler 43 ablenkbar ist, während die Intensitätsmessstrahlung mit Intensitätswellenlänge λI den Sendestrahlteiler 43 nach Durchlaufen einer Kollimationsoptik 27 den Sendestrahlteiler 43 passiert und kollinear mit der Distanzmessstrahlung mit Distanzwellenlänge λD die Spiegelflächen 33 des Polygonspiegels 32 beaufschlagt. Von einer Oberfläche 8 eines Messobjekts 9 rückgeworfene Strahlung beaufschlagt eine Spiegelfläche 33 des Polygonspiegels 32 derart, dass sie auf einen dichroitischen Empfangsstrahlteiler 44 fällt. Mit dem Empfangsstrahlteiler 44 ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 Strahlung mit Distanzwellenlänge λD auf die Distanzempfangsoptik 5 ablenkbar, während Strahlung mit Intensitätswellenlänge λI den Empfangsstrahlteiler 44 durchtritt und die Intensitätsempfangsoptik 12 beaufschlagt, die diese Strahlung auf den Intensitätsdetektor 39 lenkt.
-
Es versteht sich, dass neben einem im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 erläuterten Zeitmultiplexverfahren eine Kanaltrennung zur Ortsauflösung auch durch ein Frequenzmultiplex oder ein Code-Division-Multiplex durchführbar ist.
