DE10215333A1

DE10215333A1 - Vorrichtung zur räumlichen Vermessung eines Objektes bei gleichzeitiger Bildaufnahme des Objektes

Info

Publication number: DE10215333A1
Application number: DE2002115333
Authority: DE
Inventors: Berndt Apel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-31
Filing date: 2002-03-31
Publication date: 2003-10-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur räumlichen Vermessung eines Objektes mittels eines Laserscanners. Gleichzeitig mit der räumlichen Vermessung erfolgt eine Bildaufnahme des Objektes durch eine CCD-Kamera. Dabei stimmt das Bild des Objektes mit den Messwerten des Laserscanners überein, ohne dass vom Anwender Justiervorgänge durchgeführt werden müssen.

Description

Mit dem Patent DE 00199 22 321 A1 ist ein Verfahren und eine Anordnung bekannt, die das Zusammenspiel von Tachymeter als Entfernungsmesser und CCD-Kamera als Bildaufnahmegerät ermöglicht. Tachymeter und CCD-Kamera sind hierbei getrennte Aufbauten. Vor jeder räumlichen Vermessung eines Objektes erfolgt über eine gemeinsame, eigens für diesen Zweck optimierte Zieltafel eine Synchronisierung der Daten des Tachymeters mit denen der CCD-Kamera.

Patent DE 36 22 421 A1 beschreibt eine Vorrichtung, die eine Übereinstimmung der Daten eines Laserentfernungsmessers mit einer CCD-Matrix oder Zeile herstellt. Die angegebene erfindungsgemäße Vorrichtung kann hochfrequente Signale nicht detektieren und hat damit einen eingeschränkten Anwendungsbereich.

DE 198 55 296 C1 beschreibt einen Laserentfernungsmesser im sichtbaren Bereich, der nach dem Laufzeitverfahren arbeitet. Es werden mit 2 feste Laserfrequenzen verwendet. Eine Stabilisierung der herabgemischten Frequenzen erfolgt nicht, wodurch Messgenauigkeiten < 1 mm nicht erreichbar sind.

Weiterhin sind verschiedene Laserentfernungsmesser und Laserscanner bekannt. Der Einsatz von CCD-Kameras zur Vermessung gehört zum Stand der Technik.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass das von einem Laserscanner räumlich vermessene Messobjekt mit dem von einer CCD-Kamera gleichzeitig aufgenommenen Bild genau übereinstimmt, ohne dass vom Anwender Justiervorgänge durchgeführt werden müssen.

Dazu wird als erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung der Übereinstimmung von Laserscanner und CCD-Kamera ein hochfrequenzempfindlicher Detektor bis in den Gigahertz-Bereich verwendet.

Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein interaktiver Monitor zur Beobachtung des zu vermessenden Objektes und Eingriff in den Messablauf vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass der Anwender das abzuscannende Objekt im Monitor, der das Bild der CCD-Kamera wiedergibt, vor sich sieht. Die Eckpunkte des Monitorbildes sind die Eckpunkte des Bereichs, der vom Laserscanner räumlich vermessen wird. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung hat die CCD-Kamera die gleiche optische Achse wie der Entfernungsmesser.

Die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung ist so konstruiert, dass sie hermetisch nach aussen abgeschlossen ist. Damit kann diese Vorrichtung auch unter rauhen Umgebungsbedingungen zum Einsatz kommen.

Der optische und elektronische Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist so ausgeführt, dass Objekte bis zu einer Entfernung von mindestens 10 km präzise vermessen werden können.

Der Laserentfernungsmesser kann sowohl mit sichtbarem Licht als auch mit infraroter Strahlung arbeiten.

Der Anwender wird vorzugsweise im kurzen Entfernungsbereich mit sichtbaren Licht arbeiten, um die Vorteile eines sichtbaren Laserfleckes am Messobjekt zu nutzen, und wird im langen Entfernungsbereich bis > = 10 km die infrarote Strahlung nutzen, um durch die höhere zulässige Strahlungsleistung der Laserdiode im IR-Bereich und die höhere Durchlässigkeit der Atmosphäre Messungen hoher Genauigkeit auch bei Entfernungen > = 10 km zu erzielen.

Durch die in weiteren Ansprüchen niedergelegten erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist eine höhere Messgenauigkeit und ein grösserer Entfernungsbereich als bei herkömmlichen Entfernungsmessern möglich.

Erfindungsgemäß wird mit drei Messfrequenzen gearbeitet, die so gegeneinander abgestuft sind, dass auch bei stark verrauschten Signalen keine Mehrfachergebnisse entstehen können.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch die optische Anordnung und die wesentlichen Teile der erfindungsgemässen Vorrichtung bei Verwendung einer Fresnel-Linse als Lichtbündelungs-Vorrichtung,
Fig. 1A u. Fig. 1B die detaillierte Ausführung der erfindungsgemäßen Gestaltung der CCD- Kamera,
Fig. 2 den schematischen Funktionsplan der Elektronik des Laserscanners

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Fig. 1 sind schematisch die optische Anordnung und die wesentlichen Teile der erfindungsgemäß gestalteten Vorrichtung bei Verwendung einer Linse als Lichtbündelungseinrichtung dargestellt.
Die gegenüber der Umwelt abgeschlossene Anordnung besteht aus einer Glasscheibe 149, einer Fresnel-Linse 148, der in x, y-Richtung winkelverstellbaren Laserdiode mit Kollimatoroptik 150, einer CCD-Kamera 147 mit eingebauter Vorrichtung zur Erkennung des hochfrequenten reflektierten Laserstrahles, einer in x, y, z-Richtung verschiebbaren Optik 145 für den Empfangsteil des Laserscanners, einem teildurchlässigen Spiegel 146, dem optischen Empfänger 144, dem Steuerrechner 142 und dem interaktivem Bildschirm 143 und dem elektronischen Teil 141 für die Sende/Empfangselektronik.
Der Teil 141 enthält den elektronischen Teil, der in Fig. 2 näher beschrieben ist.
Der erfindungsgemäße wesentliche Teil der CCD-Kamera wird in Fig. 1A und Fig. 1 B gezeigt. Über den teildurchlässigen Spiegel 152 gelangt ein Teil des reflektierten hochfrequenten Laserlichtes auf die Hochfrequenzdetektoren 155. Diese Hochfrequenzdetektoren sind erforderlich, da der Chip der CCD-Kamera selbst keine hochfrequenten Signale erkennen kann. Über die durch den Spiegel 152 geometrisch eindeutige Zuordnung der Hochfrequenzdetektoren 155 zu Pixelpunkten der Kamera wird an mehreren (im vorliegenden Beispiel 4) Punkten signalisiert, an welchen Pixelpunkten der Laserstrahl des Scanners aktiv ist. Die eindeutige Zuordnung von Hochfrequenzdetektoren 155 und Pixelpunkten 153 wird durch die Zoomoptik 151 der CCD-Kamera nicht beeinflusst. Durch Interpolation zwischen den durch die Hochfrequenzdetektoren 155 festglegten Fixpunkten kann der Zusammenhang zwischen abgescannten Messpunkten des Laserscanners und Pixelpunkten der CCD-Kamera im gesamten Bildbereich der CCD-Kamera 147 ermittelt werden.
Der vordere Teil (in Richtung des abzuscannenden Objekts) wird durch eine Glasscheibe 149 abgeschlossen, da die mechanische Stabilität der Fresnel-Linse für rauhen Aussenbetrieb nicht ausreicht.
Die Laserdiode mit Kollimatoroptik + mechanische Auslenkeinheit 150 kann in der Weise durch eine Manschette abgeschlossen sein, dass auch an diesem Punkt der abgeschlossene Aufbau gewährleistet wird.
Die mechanische Einheit aus Laserdiode mit Kollimatoroptik + Verstelleinrichtung in 2 Ebenen 150 bildet den vorderen Teil des Scanners. Über den Steuerrechner 142 wird die Empfangsoptik 145 so gesteuert, dass bei jeder Stellung der Laserdiode der gebündelte Lichtfleck auf den Photoempfänger 144 fällt.
In Fig. 2 ist schematisch der grösste Teil der Elektronik dargestellt. Als wesentliche Teile sind die Oszillatoren, die Phasenregelungen zur Erzeugung der extrem stabilen Endfrequenz von 1 kHz, die Mischstufen, die HF-Umschalter sowie die elektrische Ansteuerung der Laserdiode und die optische Ansteuerung der Avalanche-Photodiode durch das empfangene Laserlicht aufgezeichnet.
Die freischwingenden Quartz-Oszillatoren 126 (1 GHz), 127 (100 MHz), 128 (1 MHz) steuem abwechselnd die Laserdiode an. Der Baustein 130 enthält die HF-Umschalter für die Ansteuerelektronik für die Laserdiode sowie die HF-Umschalter zur Umschaltung der 1. Mischerfrequenz für die Umsetzung des Empfangssignales auf 120 kHz.
Die Frequenz von 120 kHz wird durch die schwebende Mischerfrequenz von 121 kHz auf 1 kHz herabgemischt. Zu jeder der 3 Sendefrequenzen gehört eine 1. Mischerfrequenz, die jeweils um 120 kHz höherliegt und in 120, 122, 124 erzeugt werden.
Die 3 Phasenregelungen 110, 111, 112 sind so ausgelegt, dass die 3 aus 1 Ghz, 100 Mhz und 1 Mhz abgeleiteten 1 kHz Endfrequenzen damit stabilisiert werden. Als Referenzfrequenz für 110, 111, 112 dient die in 113 von einer hochstabilen 10 MHz-Frequenz abgeleitete 1 kHz - Frequenz. Die Stabilisierung der 1 kHz Endfrequenzen erfolgt in der Weise, dass die jeweils zur 1.ZF-Frequenz gehörende 121 kHz schwebende Mischerfrequenz auf den Wert gezogen wird, der dann als Mischprodukt aus 120 kHz und 121 Khz genau die Endfrequenz von 1 kHz ergibt. Die drei Phasenregelungen 110, 111, 112 sind kontinuierlich aktiv. Die 31 kHz-Frequenzen werden durch die Paare 114-115, 116-117, 118-119 erzeugt. Der erhöhte elektronische Aufwand durch drei getrennte, kontinuierlich arbeitende Phasenregelungen ist durch die um Größenordnungen höhere Genauigkeit gegenüber geschalteten Phasenregelungen gerechtfertigt.
Die 1 kHz Frequenz wird durch die Phasenregelung so genau stabilisiert, dass im kurzen Entfernungsbereich eine stabile Auflösung des Messwertes von < = 0,1 mm erreicht wird. Die 2. Mischstufe und die HF-Schalter für die Anschaltung der jeweils relevanten herabgemischten Frequenz für den Sender sind in 132 enthalten, 129 enthält die HF-Schalter für die 1. Mischerfrequenz von 121 kHz.
Die Umsetzung auf 1 kHz für den Empfänger erfolgt in 131. Die Baugruppe 133 enthält die A/D-Wandler zur Digitalisierung der 1 kHz-Frequenz von Sender und Empfänger. Durch Fourier-Auswertung wird die Phasendifferenz zwischen Sender- und Empfänger-Signal ermittelt und daraus aus den Werten der drei Sendefrequenzen 1 Ghz, 100 MHz und 1 MHz die Entfernung bestimmt.

Claims

1. Vorrichtung zur räumlichen Vermessung von Objekten bei gleichzeitiger Bildaufnahme desselben Objektes, wobei das Messobjekt mit einem Laserscanner abgescannt wird, der nach dem Verfahren der Messung der Laufzeit des Lichtes arbeitet, und die Werte des Laserscanners mit dem Bild einer CCD-Kamera in räumliche Übereinstimmung gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Übereinstimmung der Messwerte des Laserscanners 150,144 mit dem von der CCD-Kamera 147 aufgenommenen Bild in der Weise erfolgt, dass eine optoelektronische Empfangseinrichtung für hochfrequente Laserstrahlung 155 in die CCD-Kamera eingebaut ist, die in erfindungsgemäßer geometrischer Zuordnung über einen unter 45 Grad geneigten Spiegel 152 eine Erkennung liefert, wann bestimmte Punkte des Chips der CCD-Kamera vom gleichen hochfrequenten reflektierten Laserstrahl getroffen werden wie die optische Empfangseinrichtung für die hochfrequente Laserstrahlung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik des Laserscanners 150,144 so ausgeführt ist, dass der Laserscanner sowohl mit sichtbarem Licht als auch infraroter Strahlung arbeiten kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Scanvorgang nicht der gesamte Laserscanner in zwei Winkelauslenkungen gebracht werden muss, sondern nur eine Winkelauslenkung der Laserdiode mit Kollimatoroptik 150 und eine dazu synchrone Auslenkung in x-y-Richtung der Empfangsoptik 145 des Laserscanners erforderlich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System der Empfangseinrichtung 145 des Laserscanners in Richtung des einfallenden Laserstrahles verschoben werden kann und so die Nahfeldunterdrückung des Laserscanners den jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anordnung der Laserdiode 150 im Zentrum der Optik 148 eine gemeinsame optische Achse von Sende-und Empfangsoptik gewährleistet wird und so Abschattungen bei ungünstig geformten Messobjekten vermieden werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Empfangsteil des Laserscanners 144 zwei steile optische Oberflächenfilter enthält, die nur die Messwellenlänge hindurchlassen und das Umgebungslicht ausfiltern und damit bewirken, dass das Rauschen der Avalanchediode nicht durch Fremdlicht zunimmt.

7. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Empfangsteil des Laserscanners 144 auf einem Peltierelement angebracht ist, das durch einen ebenfalls auf dem Peltierelement befestigten Temperatursensor und durch eine elektronische Regelschaltung den gesamten elektronischen Teil des Empfängers auf konstanter Temperatur hält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtbündelungsvorrichtung eine Linse verwendet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtbündelungsvorrichtung ein Parabolspiegel verwendet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der gesamte Aufbau der Vorrichtung als gegenüber der Umwelt geschlossene Anordnung aufgebaut werden kann und damit ein Betrieb unter rauhen Umgebungsbedingungen möglich ist.

11. Vorrichtung nach Fig. 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner mit drei Messfrequenzen 126, 127, 128 arbeitet, die so gegeneinander versetzt sind, dass auch bei stark verrauschten Signalen keine Mehrfachergebnisse auftreten.

12. Vorrichtung nach Fig. 2, dadurch gekennzeichnet, das die Heruntermischung der Modulationsfrequenz der Laserdiode in 2 Stufen 120 . . . 125, 131, 132 erfolgt, wobei die erste Zwischenfrequenz als schwebende Frequenz für die Phasenregelung ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Fig. 2, gekennzeichnet dadurch, dass durch die schwebende 1. Zwischenfrequenz und die Temperaturkonstanthaltung der Empfangselektronik eine Messgenauigkeit von < = 0.1 mm erreicht wird

14. Vorrichtung nach Fig. 2, gekennzeichnet dadurch, dass jede Messfrequenz durch eine eigene Phasenregelung frequenzstabilisiert wird und diese Phasenregelung ständig in Betrieb ist

15. Vorrichtung nach Fig. 2, gekennzeichnet dadurch, dass jeder der HF-Oszillatoren eine eigene singuläre HF-Masse enthält und die HF-Massen aller Oszillatoren an einem einzigen Punkt zusammengeführt werden

16. Vorrichtung nach Fig. 2 gekennzeichnet dadurch, dass der Empfangsteil eine Kompensationsschaltung zur Kompensation des elektrischen hochfrequenten Übersprechens vom Sender auf den Empfänger enthält, die pegelunabhängig funktioniert.