-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Objekten mittels Lasertriangulation.
-
Bekannterweise werden Objekte mittels Lasertriangulation optisch erfasst. Hierbei wird ein Objekt mittels eines Lasers beleuchtet. Aufgrund der Topologie des Objekts wird die Beleuchtung des Lasers verzerrt. Durch eine Kamera wird ein Bild des beleuchteten Objekts aufgenommen und aus der Verzerrung der Beleuchtung eine Höheninformation über das Objekt extrahiert.
-
Eine solche Vorrichtung soll dabei robust ausgebildet sein und eine zuverlässige Messung liefern, die nicht nur unter Laborbedingungen sondern auch bei widrigen Bedingungen außerhalb von Gebäuden oder Schutzräumen nutzbar ist. Hierbei stellt sich insbesondere das Problem, dass bei intensiver Sonneneinstrahlung die Messung gestört wird. Einerseits ist bei intensiver Sonneneinstrahlung eine erhöhte Intensität des verwendeten Lasers erforderlich, wobei die maximale Intensität jedoch durch die Vorgabe von Laserschutzklassen beschränkt ist. Andererseits führt die intensive Sonneneinstrahlung zu einer Erwärmung der Vorrichtung, sodass optische Komponenten oder elektronische Komponenten der Vorrichtung durch den Wärmeeintrag der Sonnenstrahlung gestört werden können. Insbesondere führt eine Erwärmung zu einer Erhöhung des Rauschlevels des verwendeten Sensors. Sowie ein Abweichen des Sensors von seiner exakten Position auf Grund von thermischer Ausdehnung, was zu einer Störung des Sensors führt. Diese Störungen werden zusätzlich verstärkt durch beispielsweise erhöhte Außentemperaturen, welche üblicherweise mit einer intensiven Sonneneinstrahlung einhergehen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Vorrichtung zur Lasertriangulation zu schaffen, welche zuverlässiger arbeitet, insbesondere unter intensiver Sonneneinstrahlung und erhöhter Außentemperatur.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung des Anspruch 1.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Erfassung von Objekten mittels Lasertriangulation weist eine Grundplatte auf mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite. Auf der ersten Seite der Grundplatte ist ein Laser angeordnet zur Erzeugung von Laserlicht, um das zu erfassende Objekt zu beleuchten. Die Grundplatte ist dabei von einem Gehäuse umgeben. Insbesondere wird durch das Gehäuse ein abgeschlossener Innenraum geschaffen. Weiter ist innerhalb des Gehäuses ein Sensor angeordnet zur Erfassung des beleuchteten Objekts. Mit dem Sensor ist eine Auswerteeinrichtung verbunden zur Ermittlung eines Höhenprofils des erfassten Objekts auf Grundlage der vom Sensor erfassten Sensordaten. Durch den Laser wird das zu erfassende Objekt beleuchtet. Durch die Topologie des Objekts erfolgt eine Verzerrung der Beleuchtung, welche sodann vom Sensor erfasst wird und von der Auswerteeinrichtung in eine Höheninformation bzw. ein Höhenprofil umgewandelt wird. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau befinden sich die wesentlichen Elemente der Vorrichtung innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses, um diese vor Umwelteinflüssen zu schützen. Insbesondere wird die Grundplatte, auf der die optischen Elemente der Vorrichtung angeordnet sind, vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt.
-
Vorzugsweise wird vom Laser das Laserlicht in eine erste Richtung ausgesendet. Sodann wird das Laserlicht im Gehäuse umgelenkt in eine zweite Richtung, wobei die erste Richtung von der zweiten Richtung verschieden ist. Für die Beurteilung der Laserschutzklasse gemäß DIN EN 60825-1 erfolgt die Messung einer Leistung des ausgestrahlten Laserlichts in einem vorgegebenen Abstand vom Gehäuse innerhalb eines Bereichs eines vorgegebenen Durchmessers. Insbesondere bei Vorliegen eines divergenten Laserlichts wird durch das Umlenken des Laserlichts im Gehäuse ein längerer optischer Weg innerhalb des Gehäuses zurückgelegt. Das Laserlicht weitet sich somit weiter auf, wodurch die Intensität am Ort der Messung gemäß DIN EN 60825-1 vor dem Gehäuse reduziert wird ohne, dass die Gesamtleistung des Lasers der Vorrichtung reduziert werden müsste. Somit kann die für die Verwendung von Lasern außerhalb spezieller Schutzräume erlaubte Laserklasse 1M eingehalten werden bei gleichzeitig ausreichender Leistung des Lasers, um einen hohen Kontrast auch bei intensiver Sonneneinstrahlung zu gewährleisten.
-
Vorzugsweise erfolgt die Umlenkung des Laserlichts durch eine Spiegel, wobei der Spiegel auf der ersten Seite der Grundplatte angeordnet ist. Hierdurch wird ein einfacher Aufbau gewährleistet mit möglichst wenigen optischen Komponenten, sodass auch die Anzahl möglicher Fehlerquellen möglichst klein gehalten wird.
-
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Laser um einen Linienlaser. Dieser erzeugt eine Beleuchtung in Linienform, welche stark divergent vom Laser ausgeht. Insbesondere durch das Umlenken des Laserlichts innerhalb des Gehäuses wird ein längerer optischer Weg im Gehäuse gewährleistet, sodass die erforderliche Laserschutzklasse eingehalten werden kann, da sich die relevante Intensität zur Bestimmung der Laserschutzklasse entsprechend vermindert. Gleichzeitig wird durch die Divergenz des Laserlichts sichergestellt, dass durch die linienförmige Beleuchtung des Lasers das zu erfassende Objekt in seiner vollständigen Breite erfassbar ist. Ebenso reduziert sich durch die erfolgte Aufweitung durch den verlängerten optischen Weg innerhalb des Gehäuses der Mindestabstand zwischen der Vorrichtung und dem zu erfassenden Objekt. Hierdurch kann der Gesamtaufbau vereinfacht werden, da kein so großer Mindestabstand zwischen Vorrichtung und zu erfassendem Objekt berücksichtigt werden muss. Auch ist es auf einfache Weise möglich Abschattungselemente mit der Vorrichtung zu kombinieren, durch welche das zu erfassende Objekt abgeschattet wird, um so weiter intensiver Sonneneinstrahlung entgegen zu wirken.
-
Vorzugsweise ist der optische Weg vom Laser zum erfassenden Objekt länger als der Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Objekt und insbesondere der Abstand zwischen Laser und dem Objekt.
-
Vorzugsweise ist der Sensor neben dem Laser auf der ersten Seite der Grundplatte angeordnet. Insbesondere ist dabei der Sensor ausgerichtet in eine Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung des Lasers bzw. der Richtung in die der Laser das Laserlicht aussendet. Somit können die für die Lasertriangulation erforderlichen Komponenten von Laser und Sensor dicht beieinander angeordnet werden, sodass ein kompakter Aufbau entsteht. Hierdurch kann das gemeinsame Gehäuse klein gehalten werden. Hierdurch wird der erforderliche Aufwand, das Gehäuse gegen Umwelteinflüsse abzuschirmen, ebenfalls verringert im Gegensatz zu einem größeren Gehäuse.
-
Vorzugsweise liegt die Wellenlänge des Lasers im Bereich einer Bandlücke im Sonnenspektrum. Bandlücken entstehen durch Absorption von Sonnenlicht in der Atmosphäre. In den Bereichen dieser Bandlücken gelangt kein Sonnenlicht oder nur wenig Sonnenlicht auf die Erdoberfläche. Da im Bereich der Bandlücken kein oder nur wenig Sonnenlicht existiert, wirkt sich dieses nicht oder nur geringfügig störend auf die Objekterfassung aus. Insbesondere wird hierdurch ein hoher Kontrast durch die Beleuchtung des zu erfassenden Objekts durch den Laser gewährleistet, auch bei intensiver Sonneneinstrahlung, da gerade im Bereich der Bandlücke auch bei intensiver Sonneinstrahlung kein oder nur wenig Sonnenlicht existiert.
-
Vorzugsweise beträgt die Wellenlänge des Lasers 900nm bis 1000nm und liegt besonders bevorzugt im Bereich zwischen 920nm bis 960nm. Insbesondere beträgt die erste Wellenlänge 940nm.
-
Vorzugsweise ist das Gehäuse der Vorrichtung vollständig geschlossen. Hierzu weist das Gehäuse optische Fenster auf, einerseits zum Durchtritt des Laserlichts aus dem Gehäuse zu dem zu erfassenden Objekt, sowie andererseits ein optisches Fenster durch das der Sensor das beleuchtete Objekt erfasst. Insbesondere handelt es sich bei den optischen Fenstern um Filterelemente wie beispielsweise Bandpässe, wobei die transmittierte Wellenlänge abgestimmt wird auf die Wellenlänge des Lasers. Durch das vollständig geschlossene Gehäuse wird verhindert, dass optische Komponenten oder elektronische Komponenten der Vorrichtung durch Umwelteinflüsse in Mitleidenschaft gezogen, also beschädigt oder zerstört, werden. Durch das Vorsehen von Filtern als optische Fenster wird eine Störung der Lasertriangulation durch Sonnenlicht, welches zum Sensor gelangt, verhindert, da nur die Wellenlänge des Lasers durch den Filter transmittiert wird. Bei Vorsehen eines Bandpasses werden alle anderen, größeren oder kleineren Wellenlängen absorbiert oder reflektiert.
-
Vorzugsweise ist auf der zweiten Seite der Grundplatte mindestens ein Peltier-Element angeordnet, um die Temperatur der Grundplatte konstant zu halten. Insbesondere ist das mindestens eine Peltier-Element mit einer Temperatursteuerung verbunden, welche einen Sensor aufweist, sodass in Abhängigkeit der durch den Sensor erfassten Temperatur das Peltier-Element gesteuert wird, um die Temperatur der Grundplatte konstant zu halten, auch bei intensiver Sonneneinstrahlung oder einer erhöhten Außentemperatur.
-
Vorzugsweise ist mindestens ein Heizelement vorgesehen, welches mit der Grundplatte verbunden ist. Besonders bevorzugt sind mehrere Heizelemente vorgesehen. Hierbei handelt es sich insbesondere um einen Heizwiderstand. Das Heizelement ist dabei insbesondere verbunden mit der Temperatursteuerung. Durch das Heizelement ist eine besonders präzise Steuerung der Temperatur der Grundplatte möglich, wodurch die Temperatur der Grundplatte innerhalb eines kleinen Bereichs um die Soll-Temperatur gehalten werden kann.
-
Vorzugsweise weist die Vorrichtung mindestens drei Peltier-Elemente auf, welche alle auf der zweiten Seite der Grundplatte angeordnet sind, um gemeinsam die Temperatur der Grundplatte konstant zu halten. Insbesondere im Bereich der optischen Komponenten, wie Laser, Spiegel, Linsen und dergleichen, ist eine möglichst konstante Temperatur auch bei starker Sonneneinstrahlung oder hohen Außentemperaturen erforderlich, um eine Störung des optischen Systems zu vermeiden. Insbesondere führen hohe Temperaturen auch beim Sensor zu einem erhöhten Rauschlevel. Eine erhöhte Temperatur verändert darüber hinaus die exakte Lage von Laser und Sensor zueinander, so dass die Höhenmessung verfälscht wird. Durch das Vorsehen mehrerer Peltier-Elemente kann die Temperatur der Grundplatte zuverlässig konstant gehalten werden und der Einfluss der Sonneneinstrahlung und/oder der erhöhten Temperatur reduziert werden.
-
Vorzugsweise ist mindestens ein Peltier-Element und bevorzugt alle Peltier-Elemente jeweils mit einem Kühlelement verbunden, wobei das Kühlelement an der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist. Somit ist das Peltier-Element zwischen Grundplatte und Gehäuse angeordnet, sodass auftretende Wärme durch das Peltier-Element von der Grundplatte an die Außenseite des Gehäuses geleitet werden kann. Somit wird ein Wärmestau im Innenraum des Gehäuses auch bei intensiver Sonneneinstrahlung oder bei erhöhten Außentemperaturen verhindert.
-
Vorzugsweise ist das Kühlelement im Luftstrom eines Lüfters angeordnet. Hierdurch wird die aus dem Gehäuse herausgeleitete Wärme durch die bewegte Luft des Luftstroms konvektiv abgeführt.
-
Vorzugsweise wird das Kühlelement gebildet durch einen Kanal entlang dem der Luftstrom geführt wird. Dabei wird mindestens eine Seite des Kanals durch das Kühlelement gebildet. Der durch den Lüfter erzeugte Luftstrom wird entlang dieses Kanals geführt und nimmt hierbei die Wärme vom Kühlelement auf und führt diese ab. Insbesondere durch das Vorsehen von Kühlrippen kann dieser Prozess effektiver ausgestaltet werden.
-
Vorzugsweise sind mehrere Peltier-Elemente mit einem gemeinsamen Kühlelement verbunden, welches dabei insbesondere als Kanal ausgebildet ist. So wird hierbei durch den Luftstrom zunächst Wärme eines ersten Peltier-Elements und nachfolgend die Wärme eines zweiten Peltier-Elements aufgenommen usw. und nachfolgend konvektiv abgetragen.
-
Vorzugsweise erstreckt sich der Kanal im Wesentlichen über die gesamte Länge der Grundplatte und insbesondere im Wesentlichen über die gesamte Länge des Gehäuses. Hierdurch kann ein besonders effektiver Wärmeübertrag vom Kühlelement auf den Luftstrom erfolgen.
-
Vorzugsweise weist die Grundplatte Aluminium oder Kupfer auf, oder ein anderes Material mit guter Wärmeleitfähigkeit. Hierdurch wird die auftretende Wärme möglichst gleichmäßig verteilt. Ebenfalls erfolgt eine Homogenisierung der durch die Peltier-Elemente erzeugten Kühlung.
-
Vorzugsweise weist das Gehäuse zumindest teilweise, insbesondere im Bereich der Peltier-Elemente, Aluminium oder Kupfer oder ein anderes Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit auf. Hierdurch wird die durch die Peltier-Elemente abgeführte Wärme effektiv an die Außenseite des Gehäuses geleitet und insbesondere zu den Kühlelementen. Hierdurch erfolgt eine effektive Kühlung der Vorrichtung, auch bei intensiver Sonneneinstrahlung und erhöhter Außentemperatur.
-
Vorzugsweise ist die Vorrichtung bewegbar relativ zum Objekt. Dabei kann die Vorrichtung und/oder das Objekt bewegt werden. Durch eine Bewegung der Vorrichtung relativ zum Objekt ist es möglich das vollständige Objekt bzw. die Topologie des zu erfassenden Objekts vollständig zu erfassen.
-
Vorzugsweise sind innerhalb des Gehäuses, also im Innenraum des Gehäuses, keine bewegten Teile angeordnet. Diese würden zu Störungen des optischen Systems führen, welche gerade vermieden werden sollen.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu Lasertriangulation und
- 2 eine Schemadarstellung des Laserlichts.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lasertriangulation weist ein Gehäuse 10 auf, durch welches ein Innenraum 12 definiert wird. Im Innenraum 12 ist eine Grundplatte 14 angeordnet mit einer ersten Seite 16 und einer zweiten Seite 18. Auf der ersten Seite 16 der Grundplatte 14 ist ein Laser 20 angeordnet. Durch den Laser 20 wird ein Objekt 22 beleuchtet. Ebenfalls auf der ersten Seite 16 der Grundplatte 14 ist ein Sensor 24 angeordnet, welcher über einen Spiegel 26 das beleuchtete Objekt 22 beobachtet. Mit dem Sensor 24 ist eine Auswerteeinrichtung verbunden (nicht dargestellt), die aus den erfassten Sensordaten des Sensors 24 eine Höheninformation über das Objekt 22 ermittelt.
-
In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem Laser 20 um einen Linienlaser, welcher linienförmig Laserlicht aussendet. Das Laserlicht ist dabei divergent, wie aus der 2 ersichtlich. Ausgehend vom Laser 20 folgt das Laserlicht einem optischen Weg über eine erste Strecke 28 innerhalb des Gehäuses und weitet sich hierbei auf. Außerhalb des Gehäuses 10 folgt das divergente Laserlicht des Lasers 20 dem optischen Weg über eine zweite Strecke 30 bis zum Objekt 22. Die zweite Strecke 30 entspricht bei einer senkrechten Beleuchtung des Objekts 22 gerade dem Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Objekt 22. Die Laserschutzklasse der Vorrichtung wird bestimmt durch die Leistung des Lasers in einem vorgegebenen Abstand vom Gehäuse, bei einer Blende mit einem vorgegebenen Durchmesser gemäß der DIN EN 60825-1. Durch die bereits im Gehäuse 10 erfolgte Aufweitung des Laserlichts erfolgt eine Reduzierung der Intensität außerhalb des Gehäuses 10. Somit kann eine hohe Leistung des Lasers 20 gewählt werden ohne, dass die Laserstrahlung gefährlich wäre für Passanten gemäß beispielsweise der Laserschutzklasse 1M. Hierdurch ist eine ausreichende Intensität zur Beleuchtung des Objekts 22 gewährleistet, sodass eine zuverlässige Erfassung des Objekts 22 auch bei intensiver Sonneneinstrahlung sicher gestellt ist. Auch kann durch die bereits erfolgte Aufweitung des Laserlichts der Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Objekt 22, also der Abstand 30, klein gehalten werden, wobei immer noch das gesamte Objekt 22 in seiner gesamten Breite erfassbar bleibt. Somit ist es vorteilhaft einen langen optischen Weg 28 innerhalb des Gehäuses 10 vorzusehen. Um jedoch weiterhin ein kompaktes System als Vorrichtung zur Lasertriangulation zu erhalten, wird gemäß 1 das Laserlicht des Lasers 20 über einen Spiegel 32 umgelenkt. Hierdurch wird ein möglichst langer optischer Weg innerhalb des Gehäuses 10 gewährleistet. Insbesondere kann der Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Objekt 22 und insbesondere zwischen dem Laser und dem Objekt 22 klein sein, also kürzer als der optische Weg des Laserlichts.
-
Das Gehäuse 10 ist dabei vollständig geschlossen, sodass die optischen und elektronischen Komponenten im Innenraum 12 des Gehäuses 10 vor Umwelteinflüssen geschützt werden können. Hierzu weist das Gehäuse optische Fenster ausgebildet als Filter 34, 36 auf, durch die das Laserlicht vom Laser 20 zum Objekt 22 gelangen kann und durch die der Sensor 24 das beleuchtete Objekt 22 erfassen kann. Dabei sind die Filter 34, 36 abgestimmt auf die Wellenlänge des Lasers 20. Die Wellenlänge ist wiederum abgestimmt auf eine Bandlücke des Sonnenlichts und beträgt beispielsweise 925nm - 955nm.
-
Da im Bereich der Bandlücke nur wenig Sonnenlicht existiert und durch die Filter 34, 36 Sonnenlicht außerhalb des Bereichs der Bandlücke reflektiert und/oder absorbiert wird und dieses somit nicht in den Innenraum 12 des Gehäuses 10 gelangen kann, wird die Erfassung des beleuchteten Objekts durch den Sensor 24 auch bei intensiver Sonneneinstrahlung nicht gestört. Es kann bei der Erfassung des Objekts ein hoher Kontrast erzielt werden, wodurch eine zuverlässigere Messung der Höheninformation erfolgen kann.
-
Mit der zweiten Seite 18 der Grundplatte 14 ist ein erstes Peltier-Element 38 sowie ein zweites Peltier-Element 40 verbunden. Die Peltier-Elemente 38, 40 sind dabei wiederum mit einem Kühlelement 42, ausgebildet als Kühlkanal 44, verbunden, wobei das Kühlelement 42 an der Außenseite des Gehäuses 10 angeordnet ist. Somit sind die Peltier-Elemente 38, 40 zwischen der Grundplatte 14 und dem Gehäuse 10 angeordnet. Die beiden Peltier-Elemente 38, 40 weisen im dargestellten Beispiel ein gemeinsames Kühlelement 42, ausgebildet durch den Kanal 44, auf, wobei sich der Kanal 44 sowohl entlang des ersten Peltier-Elements 38 als auch entlang des zweiten Peltier-Elements 40 erstreckt. Durch die Peltier-Elemente 38, 40 erfolgt eine Kühlung der Grundplatte 14, welche die optischen Komponenten der Vorrichtung zumindest teilweise trägt. Hierdurch kann die Temperatur der Grundplatte 14 konstant gehalten werden. Durch einen Lüfter 46 wird ein Luftstrom entlang des Kanals 44 erzeugt, sodass die durch die Peltier-Elemente 38, 40 abgeführte Wärme konvektiv gekühlt werden kann. Durch den Lüfter 46 wird ein Luftstrom entlang des Pfeils 48 erzeugt, welcher an einem Auslass 50 die Vorrichtung verlässt und dabei die von den Peltier-Elementen 38, 40 aufgenommene Wärme mit abführt.
-
Somit weist das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel Maßnahmen auf, um auch bei intensiver Sonneneinstrahlung oder erhöhten Außentemperaturen einwandfrei funktionieren zu können. Dabei werden sowohl die Helligkeit der intensiven Sonneneinstrahlung und deren Einfluss auf eine zuverlässige Messung berücksichtigt, als auch die Temperaturbelastung der Vorrichtung durch den Wärmeeintrag der intensiven Sonneinstrahlung.
-
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 Nicht-Patentliteratur
-
- DIN EN 60825-1 [0007, 0030]
