EP1766435A1 - Abtastvorrichtung zum vermessen der konturen eines objektes - Google Patents

Abtastvorrichtung zum vermessen der konturen eines objektes

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EP1766435A1
EP1766435A1 EP05759928A EP05759928A EP1766435A1 EP 1766435 A1 EP1766435 A1 EP 1766435A1 EP 05759928 A EP05759928 A EP 05759928A EP 05759928 A EP05759928 A EP 05759928A EP 1766435 A1 EP1766435 A1 EP 1766435A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
scanning
scanning device
beams
mirror
sided
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05759928A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich HÖFLER
Claudia Baulig
Harald WÖLFELSCHNEIDER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1766435A1 publication Critical patent/EP1766435A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G01C15/002—Active optical surveying means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Definitions

  • the invention relates to a scanning device for measuring the contours of an object by means of a light source for Erzeu ⁇ gen a scanning beam, with a deflection unit through which the scanning beam is steerable to the object to be measured, with a detector through which one of the object to be measured reflected back to the received beam and can be calculated with a control and evaluation unit, through which the coordinates of the surface segments of the object to be measured due to the scanning direction of the scanning beam and the distance traveled by the scanning and receiving beam We ⁇ ges.
  • Such a scanning device is known from DE 44 45 464 A1 and serves to measure spatial profiles rapidly and with high spatial resolution.
  • the transmission beam generated by a laser is deflected at an angle to the axis of rotation by means of a rotating mirror rotor, so that the transmission beam scans the object in an angular range of 360 °.
  • a helical scanning line is formed in the interior of a cylinder-like object.
  • the mirror rotor housing is mounted on one side and has a deflecting mirror which is acted upon by a laser beam along its axis of rotation. To scan the environment it is necessary Rotate the known mirror rotor housing by 360 ° to produce a complete 360 ° scan circle.
  • the present invention seeks to provide a scanning device of the genann ⁇ th kind, which allows to carry out a scan at a higher sampling rate with unchanged Rotations ⁇ speed and thus without additional Auswuchtungs- problems.
  • This object is achieved with a scanning device of the type mentioned above in that a plurality of scanning beams extending in different directions can be generated simultaneously by the deflection unit and a plurality of reflected beams reflected from different directions can be simultaneously detected and evaluated.
  • an angle of 360 ° is already completely scanned when the deflection unit executes only half a revolution and not one complete revolution.
  • the scanning unit can simultaneously generate two scanning beams which extend in opposite directions and simultaneously detect two receiving beams reflected from opposite directions.
  • the deflection unit has a two-sided reflective Body on, by the first side of the first scanning beam and the first receiving beam, and through the second side of the second scanning beam and the second receiving beam are deflected.
  • the two-sided reflective body consists of a mirror mirrored on both sides. It is more advantageous, however, to use a mirror with an inner mirror layer instead of a mirror mirrored on both sides, because in this way the lateral offset between the two scanning beams can be reduced.
  • the lateral offset between the two scanning beams is minimized by the fact that a verkitte ⁇ tes prism pair is used as two-sided reflective body.
  • Bearings with a small diameter can, in an advantageous embodiment of the invention, be used in that a lens is arranged in each case in the beam path of the receiving beams deflected by reflection, by means of which an intermediate focus can be generated in the region of the bearing carrying the scanning beams.
  • the bilaterally reflecting body is designed on both sides as an optically reproduced paraboloid such that the receiving beams deflected by the reflection have an intermediate focus in the region of the bearings supporting the scanning device.
  • the scanning device in such a way that the two-sidedly reflecting body is arranged in a rotating housing such that two light beams incident on the body in the opposite direction along the axis of rotation of the housing transversely to the axis of rotation in FIG opposite directions of the rotating housing sen leave, and from the opposite directions zu ⁇ reflected thrown receiving beams can be deflected by the two-sided reflektie ⁇ -generating body in opposite directions along the axis of rotation of the housing.
  • a single light source in particular a laser light source, is used to generate the scanning beams, and the transmission of the light signals by means of a free-jet transmission bridges the area which is traversed by the scanning beams. In this way, shading of the scanning beams can be prevented in a simple manner.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a measuring vehicle with a scanning device
  • FIG. 3 the scanning device of FIG. 2 together with the surrounding mounting tube with a
  • FIG. 4 shows the scanning device according to FIG. 3 with an arrangement for the free-beam transmission between the optical arrangement on the right and the left
  • 5 shows a further exemplary embodiment of the deflecting mirror of the scanning device
  • 6 shows a particularly advantageous exemplary embodiment of a deflecting mirror formed from a prism pair for use in the scanning device according to the invention
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of the invention with an optical arrangement which permits a reduction of the bearing diameter of the housing of the scanning device and
  • Fig. 8 shows an expedient development of the Umlenkspie ⁇ gel, which is acted upon on both sides and without additional lenses in each case an intermediate focus in Be ⁇ rich the bearing of the housing of the scanning allowed.
  • FIG. 1 shows a perspective schematic view of a measuring carriage 1 in the form of a rail vehicle which, while driving along a track system 2 with the aid of a recording unit 3, scans the surroundings, and in particular of three-dimensional objects, such as the outer contours of a building 4 or the three-dimensional shape of interiors, in particular of tunnels.
  • the recording unit 3 also makes it possible to detect the outer contours of any other DUTs.
  • Typical measurement objects are on the order of a few centimeters to tens of meters.
  • the recording unit 3 measures a two-dimensional contour with the aid of two scanning beams, of which only the scanning beam 5 is shown in FIG. 1, and both of which rotate clockwise in the direction of the arrow 6.
  • the building 4 as an object to be measured scatters the light of the scanning beam 5, a portion of the scattered light 7 being detected as receiving beam by the receiving unit 3 in order to obtain a two-dimensional contour. expected.
  • the third dimension for complete 3D measurement can be obtained by rotating the recording unit 3 about its own vertical axis or, as in the case of the arrangement shown in FIG. 1, by means of the linear movement of the measuring carriage 1.
  • the recording unit 3 is based on the measuring principle of a laser-based distance measurement and has a scanning device 8 described with reference to the following figures, with which preferably a laser beam is scanned as a scanning beam over the object to be measured.
  • a laser beam is scanned as a scanning beam over the object to be measured.
  • Fig. 1 can be seen in part the light tracing path 9 generated thereby, which extends in a helical overall movement of the measuring carriage 1 in a linear movement.
  • a control and evaluation unit connected to the recording unit 3 controls the pointwise measurement of the distance.
  • the time from the emission of the scanning beams to the measurement on a pair of detectors in the recording unit is measured and converted into a distance using the known speed of light.
  • the distances, together with the knowledge of the respective emission directions, provide the three-dimensional position of the respectively illuminated surface segments 15 in polar or spherical coordinates with the origin in the acquisition unit 3.
  • the coordinates can be transformed into any other coordinate system as required.
  • the light of a light source used to generate the scanning beams 5, 5 ' preferably originates from a laser, which, for example, is used in a laser distance measuring system. conventional manner for the use of a Pulslaufzeitverfah ⁇ rens or phase delay method is modulated.
  • the laser or laser pair acts on a first optical transmission fiber 10 and a second optical transmission fiber 11 on a rotating deflection mirror 12 on its axis of rotation 21 in the manner illustrated in FIG.
  • the first transmitted laser beam 14 coupled out via a fiber collimator 13 acts on the deflecting mirror 12 in the manner shown in FIG. 2 at an angle of incidence of 45 °, so that a deflection of 90 ° takes place and the laser light fed into the first transmitting fiber 10 is the scanning device tion 8 as in Fig. 2 downwardly propagating scanning beam 5, the scanning device 8 leaves.
  • the scanning beam 5 is scattered or reflected by the surface segment 15 of an object shown diagrammatically in FIG. 2, a part of the returned laser light impinging on the deflection mirror 12 of elliptical shape as the first receiving beam 16 and parallel to the first transmitting laser beam 14 and in opposite directions Direction to this is deflected by 90 ° in Fig. 2 to the left.
  • the deflected first received beam 16 ' is focused by means of a first receiving lens 18 onto the input of a first receiving fiber 19.
  • the receiving lens 18 and the first receiving fiber 19 are optically matched to one another with the aid of a conical housing part 20 shown schematically in FIG. 2.
  • the light leaving the first receiving fiber 19 passes to a photodetector and is evaluated in a manner not known in the drawing in the manner known from the laser-based distance measurement, in order for each angle of rotation of the deflection mirror 12 its rotation about the rotational axis 21 shown schematically in Fig. 2 to determine a coordinate for the surface segment 15.
  • the deflecting mirror 12 is fastened tilted in a tubular housing 22 by 45 ° with respect to the axis of rotation and the longitudinal axis of the tubular housing 22.
  • the tubular housing 22 is preferably mounted on both sides.
  • air bearings or ball bearings 23 can be used.
  • the tubular housing 22 is rotated, wherein the respective angle of rotation during rotation by means of an encoder 25 is detected.
  • the adjustment of the beam path takes place such that the first transmitting laser beam 14 is exactly aligned with the axis of rotation 21 of the tubular housing 22 and the center of the deflecting mirror 12. The same applies to the light input opening of the first receiving fiber 19th
  • the tubular housing 22 has on its peripheral surface via a first opening 26 for the light of the first Abtaststrah ⁇ les 5 and the light of the first receiving beam 16th
  • tubular housing 22 on the diametrically opposite the first opening 26 has
  • the second scanning beam 5 1 comes from that on the second side or
  • Deflection mirror 12 used on both sides to simultaneously generate two oppositely emitted scanning beams 5 and 5 '.
  • a second reception beam 31, 31 ' can be used via a second reception lens 18' and the second reception fiber 29 for rapid evaluation.
  • the deflecting upper sides of the deflecting mirror 12 are spaced apart so that it lies between the scanning beam 5 and the scanning beam 5 'comes to a lateral beam offset V.
  • FIG. 3 illustrates how the rotating tubular housing 22 is centered by means of ball bearings 23 and fasteners 36 in a mounting tube 37 and secured securely protected.
  • the mounting tube 37 has a glass window 38 in the form of a transparent tube piece. In this way, the penetration of dirt and environmental influences is suppressed without hindering the light of the scanning beams 5, 5 'and the returning scattered light.
  • FIG. 4 shows the scanning device 8 already explained with reference to FIGS. 2 and 3 for illustrating how the light for the second transmitting fiber 11 and the light emerging from the second receiving fiber 29 are transmitted by means of a free-jet transmission 30 from the one side of the tubular housing 22 other side of the tubular housing 22 can be transmitted without causing a restriction of the scanning angle for the scanning beams 5 and 5 1 by light-blocking elements.
  • the arrangement shown in FIG. 4 with a free-jet transmission 30 for bridging the area swept by the scanning beams 5, 5 ' makes it possible to arrange, in particular, the light-emitting components and the light-receiving components of the scanning device 8 such that no components, and in particular no electrical lines must cross the path of the scanning beams 5 and 5 '.
  • FIGS. 2, 3 and 4 With a deflecting mirror 12 of elliptical shape, which is mirrored on its flat outer sides, leads to the beam displacement V discussed in connection with FIG. 2.
  • This beam offset V in the case of double-sided external reflection is shown in FIG. 5 illustrates dashed lines below a deflecting mirror 42, in order to contrast this large beam offset V with a substantially smaller beam offset v, which can be achieved if the deflecting mirror 42 is not mirrored on both sides, but has an interior mirror layer 43.
  • the mecanicflä ⁇ surfaces of the deflection mirror 42 are usually coated. Due to an unavoidable refraction of the light rays in the mirror glass, however, even in the case of the arrangement shown in FIG. 5, a small radiation offset v can not be entirely avoided.
  • a beam is formed on the outside of the prisms 53, 54 due to the perpendicular impact of the transmitted laser beams 14, 34 misalignment leading refraction avoided.
  • a cemented surface 55 with a mirroring layer 56 is provided between the first prism 53 and the second prism 54.
  • a prism holder 57 permits optimum positioning of the deflecting mirror 52 consisting of a pair of prisms in the tubular housing 22.
  • an imaging optics having the largest possible aperture and simultaneously a small diameter of the ball bearings 23 are achieved by means of lenses 60, 61 in that, with the aid of the optical arrangement and the lenses 60, 61 in each case an intermediate focus 62, 63 in the ball bearings 23 is realized.
  • the reduction of the bearing size results in special a more compact design and a lesser me ⁇ chanischer wear.
  • the lenses 60, 61 each have a central bore 64, so that the outgoing transmission laser beams 13, 14 are not affected on the way to the deflection mirror 12.
  • a deflecting mirror 82 which images on both sides, is used to reduce the rotating mass instead of the two lenses 60 and 61 in conjunction with a plane mirror.
  • the imaging Umlenk ⁇ mirror 82 forms an imaging optical element that can be configured as an off-axis paraboloid.
  • the beam path of the receiving beam bundles 16 and 31, similar to the exemplary embodiment shown in FIG. 7, in each case has an intermediate focus in the area of the ball bearing 23 supporting the tubular housing 22 8, a plane mirror insert 72, which can be designed according to the deflecting mirrors 12, 42, 52 discussed above.

Abstract

Eine Abtastvorrichtung zum Vermessen der Konturen eines Objektes verfügt über eine Laserlichtquelle (10, 11) zum Erzeugen zweier Abtaststrahlen (5, 5'). Die Abtaststrahlen (5, 5') werden an einer Spiegelanordnung in der Abtastvorrichtung in entgegengesetzte Richtungen umgelenkt, so dass durch die Ablenkeinheit (8) zwei sich in unterschiedliche Richtungen ausbreitende Abtaststrahlen (5, 5') sowie zwei aus unterschiedlichen Richtungen zurückgeworfene Empfangsstrahlen (16, 31) in einer Steuer- und Auswerteeinheit zur Berechnung der Koordinaten der von den Abtaststrahlen (5, 5') bestrahlten Oberflächensegmente (15) zu erhalten sind.

Description

Abtastvorrichtung zum Vermessen der Konturen eines Objektes
Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zum Vermessen der Konturen eines Objektes mit Hilfe einer Lichtquelle zum Erzeu¬ gen eines Abtaststrahles, mit einer Ablenkeinheit, durch die der Abtaststrahl auf das zu vermessende Objekt lenkbar ist, mit einem Detektor, durch den ein von dem zu vermessenden Objekt zurückgeworfener Empfangsstrahl erfassbar ist und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit, durch die die Koordinaten der Oberflächensegmente des zu vermessenden Objektes aufgrund der Abtastrichtung des Abtaststrahles und der Entfernung des von dem Abtaststrahl und Empfangsstrahl zurückgelegten We¬ ges berechenbar sind.
Eine derartige Abtastvorrichtung ist aus der DE 44 45 464 A1 bekannt und dient dazu, Raumprofile rasch und mit hoher räum¬ licher Auflösung zu vermessen. Bei der bekannten Abtastvor¬ richtung wird der von einem Laser erzeugte Sendestrahl mit Hilfe eines sich drehenden Spiegelrotors winklig zur Rotationsachse abgelenkt, so dass der Sendestrahl das Objekt in einem Winkel¬ bereich von 360° abtastet. Durch gleichzeitiges Bewegen der ganzen Abtastvorrichtung in Richtung der Rotationsachse mit Hilfe eines Fortbewegungsmittels wird im Inneren eines zylinder- artigen Objektes eine schraubenlinienförmige Abtastlinie ge¬ bildet. Bei richtiger Geschwindigkeit der Bewegung in Trans¬ aktionsrichtung und der Drehzahl ergibt sich ein Messpunkt- raster, dessen Messpunkte einen Abstand zueinander von wenigen Zentimetern aufweisen, wobei das Objekt rasch und mit hoher räumlicher Auflösung abtastbar ist.
Bei der bekannten Anordnung ist das Spiegelrotorgehäuse einseitig gelagert und verfügt über einen Umlenkspiegel, der entlang seiner Rotationsachse mit einem Laserstrahl beauf- schlagt wird. Zum Abtasten der Umgebung ist es erforderlich, das bekannte Spiegelrotorgehäuse um 360° zu verdrehen, um einen vollständigen Abtastkreis von 360° zu erzeugen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung der eingangs genann¬ ten Art zu schaffen, die es gestattet, bei unveränderter Rotations¬ geschwindigkeit und damit ohne zusätzliche Auswuchtungs- probleme eine Abtastung mit höherer Abtastrate durchzuführen.
Diese Aufgabe wird bei einer Abtastvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass durch die Ablenkeinheit gleichzeitig mehrere sich in unterschiedliche Richtungen aus¬ breitende Abtaststrahlen erzeugbar und mehrere aus unter¬ schiedlichen Richtungen zurückgeworfene Empfangsstrahlen gleichzeitig erfassbar und auswertbar sind.
Infolge der Nutzung wenigstens eines zusätzlichen Abtaststrah¬ les wird ein Winkel von 360° bereits dann vollständig abgetastet, wenn die Ablenkeinheit lediglich eine halbe Umdrehung und nicht eine vollständige Umdrehung ausführt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind durch die Ablenkeinheit zwei sich in entgegengesetzte Richtungen aus¬ breitende Abtaststrahlen gleichzeitig erzeugbar und zwei aus entgegengesetzten Richtungen zurückgeworfene Empfangs¬ strahlen gleichzeitig erfassbar .
Der Fachmann erkennt, dass eine weitere Erhöhung der Mess¬ geschwindigkeit dann möglich ist, wenn statt zwei beispielsweise drei oder noch mehr Abtaststrahlen erzeugt werden und eine entsprechende Zahl von Empfangsstrahlen gleichzeitig erfassbar ist.
Bei einem besonders einfachen Ausführungsbeispiel der Erfin- düng weist die Ablenkeinheit einen zweiseitig reflektierenden Körper auf, durch dessen erste Seite der erste Abtaststrahl sowie der erste Empfangsstrahl, und durch dessen zweite Seite der zweite Abtaststrahl sowie der zweite Empfangsstrahl ablenkbar sind.
Bei einer besonders einfachen Anordnung besteht der zweiseitig reflektierende Körper aus einem beidseitig verspiegelten Spiegel. Vorteilhafter ist es jedoch, statt eines beidseitig verspiegelten Spiegels einen Spiegel mit einer innenliegenden Spiegelschicht zu verwenden, weil auf diese Weise der seitliche Versatz zwi¬ schen den beiden Abtaststrahlen verringert werden kann.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der seitliche Versatz zwischen den beiden Abtaststrahlen dadurch minimiert, dass als zweiseitig reflektierender Körper ein verkitte¬ tes Prismenpaar eingesetzt wird.
Lager mit einem kleinen Durchmesser können bei einer vorteil¬ haften Ausgestaltung der Erfindung dadurch verwendet werden, dass im Strahlengang der durch Spiegelung abgelenkten Emp¬ fangsstrahlen jeweils eine Linse angeordnet ist, durch die ein Zwischenfokus im Bereich der die Abtaststrahlen tragenden Lager erzeugbar ist.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn statt zweier Linsen der zweiseitig reflektierende Körper beidseitig als optisch abbilden¬ der Paraboloid so ausgebildet ist, dass die durch die Spiegelung abgelenkten Empfangsstrahlen im Bereich der die Abtastvor¬ richtung tragenden Lager einen Zwischenfokus aufweisen.
Es ist zweckmäßig, die Abtastvorrichtung so auszugestalten, dass der zweiseitig reflektierende Körper in einem rotierenden Gehäuse so angeordnet ist, dass zwei in entgegengesetzter Richtung entlang der Rotationsachse des Gehäuses auf den Körper auftreffende Lichtstrahlen quer zur Rotationsachse in entgegengesetzte Richtungen das rotierende Gehäuse verlas¬ sen, und aus entgegengesetzten Richtungen eintreffende zu¬ rückgeworfene Empfangsstrahlen durch den zweiseitig reflektie¬ renden Körper in entgegengesetzte Richtungen entlang der Rotationsachse des Gehäuses umlenkbar sind.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn zum Erzeugen der Abtast¬ strahlen eine einzige Lichtquelle, insbesondere eine Laserlicht¬ quelle eingesetzt wird, und die Übertragung der Lichtsignale mit Hilfe einer Freistrahlübertragung den Bereich überbrückt, der von den Abtaststrahlen durchquert wird. Auf diese Weise läßt sich eine Abschattung der Abtaststrahlen auf einfache Weise verhin¬ dern.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an¬ hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig.1 eine perspektivische Ansicht eines Messfahrzeuges mit einer Abtastvorrichtung,
Fig. 2 eine Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung in einer Schnittansicht,
Fig. 3 die Abtastvorrichtung gemäß Fig. 2 zusammen mit dem diese umgebenden Montagerohr mit einem
Glasfenster,
Fig. 4 die Abtastvorrichtung gemäß Fig. 3 mit einer An¬ ordnung zur Freistrahlübertragung zwischen der optischen Anordnung auf der rechten und der linken
Seite der Abtastvorrichtung,
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Umlenk¬ spiegel der Abtastvorrichtung, Fig. 6 ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für einen aus einem Prismenpaar gebildeten Umlenk¬ spiegel zum Einsatz in der Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer optischen Anordnung, die eine Reduzierung der Lagerdurchmesser des Gehäuses der Abtast¬ vorrichtung gestattet und
Fig. 8 eine zweckmäßige Weiterbildung des Umlenkspie¬ gels, der beidseitig beaufschlagbar ist und ohne Zusatzlinsen jeweils einen Zwischenfokus im Be¬ reich der Lager des Gehäuses der Abtastvorrichtung zu erzeugen gestattet.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen schematischen Ansicht einen Meßwagen 1 in Gestalt eines Schienenfahrzeugs, das während seiner Fahrt entlang einer Gleisanlage 2 mit Hilfe einer Aufnahmeeinheit 3 das Abtasten der Umgebung, und insbeson¬ dere von dreidimensionalen Objekten, wie zum Beispiel die Außenkonturen eines Gebäudes 4 oder die dreidimensionale Form von Innenräumen insbesondere von Tunneln, gestattet. Die Aufnahmeeinheit 3 erlaubt es aber auch, die Außenkonturen von beliebigen anderen Messobjekten zu erfassen. Typische Messobjekte liegen dabei in der Größenordnung von einigen Zentimetern bis einige zehn Meter.
Die Aufnahmeeinheit 3 mißt eine zweidimensionale Kontur mit Hilfe von zwei Abtaststrahlen, von denen lediglich der Abtast¬ strahl 5 in Fig. 1 gezeigt ist, und die beide im Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeils 6 rotieren. Das Gebäude 4 als zu vermes¬ sendes Objekt streut das Licht des Abtaststrahles 5, wobei ein Teil des Streulichts 7 als Empfangsstrahl von der Aufnahme- einheit 3 erfaßt wird, um eine zweidimensionale Kontur zu be- rechnen. Die dritte Dimension zur vollständigen 3D-Vermessung kann durch eine Drehung der Aufnahmeeinheit 3 um ihre eigene vertikale Achse oder aber wie im Fall der in Fig. 1 dargestellten Anordnung mit Hilfe der linearen Bewegung des Messwagens 1 erhalten werden.
Die Aufnahmeeinheit 3 beruht auf dem Messprinzip einer laser¬ basierten Entfernungsmessung und verfügt über eine anhand der nachfolgenden Figuren beschriebene Abtastvorrichtung 8, mit der vorzugsweise ein Laserstrahl als Abtaststrahl über das zu messende Objekt gescannt wird. In Fig. 1 erkennt man zum Teil die dabei erzeugte Leuchtspur 9, die bei einer linearen Bewe¬ gung des Messwagens 1 insgesamt schraubenförmig verläuft.
Eine mit der mit der Aufnahmeeinheit 3 verbundene Steuer- und Auswerteeinheit steuert die punktweise Messung der Entfernung. Die Zeit von der Aussendung der Abtaststrahlen bis zur Messung an einem Detektorpaar in der Aufnahmeeinheit wird gemessen und unter Nutzung der bekannten Lichtgeschwindigkeit in eine Entfernung umgerechnet. Die Entfernungen zusammen mit der Kenntnis der jeweiligen Abstrahlrichtungen liefern die dreidi¬ mensionale Lage der jeweils beleuchteten Oberflächensegmente 15 in Polar- oder Kugelkoordinaten mit dem Ursprung in der Aufnahmeeinheit 3. Selbstverständlich können die Koordinaten bei Bedarf in jedes andere Koordinatensystem transformiert werden.
Fig. 2 zeigt die in der Aufnahmeeinheit 3 untergebrachte Abtast¬ vorrichtung 8 mit ihren wesentlichen Komponenten in einer nicht maßstabsgerechten Schnittansicht zur Verdeutlichung der Funk¬ tion eines Ausführungsbeispiels der Abtastvorrichtung 8 gemäß der Erfindung. Das zur Erzeugung der Abtaststrahlen 5, 5' ver¬ wendete Licht einer Lichtquelle stammt vorzugsweise von einem Laser, der beispielsweise in einer bei Laserentfernungsmess- geraten üblichen Weise für den Einsatz eines Pulslaufzeitverfah¬ rens oder Phasenlaufzeitverfahrens moduliert ist.
Das Licht des in Fig. 2 nicht dargestellten Lasers oder Laserpaa- res beaufschlagt über eine erste optische Sendefaser 10 und eine zweite optische Sendefaser 11 einen rotierenden Umlenk¬ spiegel 12 auf seiner Rotationsachse 21 in der in Fig. 1 dar¬ gestellten Weise. Der über einen Faserkollimator 13 ausgekop¬ pelte erste Sendelaserstrahl 14 beaufschlagt den Umlenkspiegel 12 in der in Fig. 2 dargestellten Weise mit einem Einfallswinkel von 45°, so dass eine Umlenkung um 90° erfolgt und das in die erste Sendefaser 10 eingespeiste Laserlicht die Abtastvorrich¬ tung 8 als in Fig. 2 nach unten sich ausbreitender Abtaststrahl 5 die Abtastvorrichtung 8 verläßt.
Der Abtaststrahl 5 wird von dem in Fig. 2 schematisch dargestell¬ ten Oberflächensegment 15 eines Objektes gestreut oder reflek¬ tiert, wobei ein Teil des zurückgeworfenen Laserlichtes als erstes Empfangsstrahlbündel 16 auf den Umlenkspiegel 12 elliptischer Form auftrifft und parallel zum ersten Sendelaserstrahl 14 und in entgegengesetzter Richtung zu diesem um 90° in Fig. 2 nach links umgelenkt wird.
Das umgelenkte erste Empfangsstrahlbündel 16' wird mit Hilfe einer ersten Empfangsiinse 18 auf den Eingang einer ersten Empfangsfaser 19 fokussiert. Die Empfangslinse 18 sowie die erste Empfangsfaser 19 sind mit Hilfe eines in Fig. 2 schema¬ tisch dargestellten konischen Gehäuseteils 20 optisch aufein¬ ander abgestimmt.
Das die erste Empfangsfaser 19 verlassende Licht gelangt zu einem Photodetektor und wird in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Steuer- und Auswerteeinheit in der aus der laser¬ basierten Entfernungsmessung bekannten Art und Weise aus- gewertet, um für jeden Drehwinkel des Umlenkspiegels 12 bei seiner Rotation um die in Fig. 2 schematisch dargestellte Rotationsachse 21 eine Koordinate für das Oberflächensegment 15 zu bestimmen.
Der Umlenkspiegel 12 ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Aus¬ führungsbeispiel in einem rohrförmigen Gehäuse 22 um 45° gegenüber der Rotationsachse und der Längsachse des rohrför¬ migen Gehäuses 22 gekippt befestigt. Das rohrförmige Gehäuse 22 ist vorzugsweise beidseitig gelagert. Dazu können Luftlager oder Kugellager 23 verwendet werden. Mit Hilfe eines in Fig. 2 schematisch dargestellten Elektromotors 24 wird das rohrförmige Gehäuse 22 in Drehung versetzt, wobei der jeweilige Drehwinkel bei der Rotation mit Hilfe eines Encoders 25 erfaßt wird. Die Justierung des Strahlengangs erfolgt so, dass der erste Sendela- serstrahl 14 genau mit der Rotationsachse 21 des rohrförmigen Gehäuses 22 und der Mitte des Umlenkspiegels 12 fluchtet. Entsprechendes gilt für die Lichteingangsöffnung der ersten Empfangsfaser 19.
Das rohrförmige Gehäuse 22 verfügt auf seiner Umfangsfläche über eine erste Öffnung 26 für das Licht des ersten Abtaststrah¬ les 5 sowie das Licht des ersten Empfangsstrahlbündels 16.
Wie man in Fig. 2 erkennt, verfügt das rohrförmige Gehäuse 22 auf der diametral der ersten Öffnung 26 gegenüberliegenden
Seite über eine zweite Öffnung 27. Über diese zweite Öffnung 27 verläßt ein zweiter Abtaststrahl 5' die Abtastvorrichtung 8. Der zweite Abtaststrahl 51 entstammt dem an der zweiten Seite oder
Rückseite des Umlenkspiegels 12 reflektierten Licht eines zwei- ten Sendelaserstrahles 34, das die zweite Sendefaser 11 über einen Faserkollimator 33 verläßt und in der in Fig. 2 dargestellten
Weise mit dem ersten Sendelaserstrahl 14 fluchtet, jedoch eine entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung hat. Somit wird der
Umlenkspiegel 12 beidseitig genutzt, um gleichzeitig zwei ent- gegengesetzt ausgesandte Abtaststrahlen 5 und 5' zu erzeugen. Außerdem kann ein zweites Empfangsstrahlbündel 31 , 31' über eine zweite Empfangslinse 18' und die zweite Empfangsfaser 29 zur schnellen Auswertung verwendet werden.
Infolge der Dicke des Umlenkspiegels 12, bei dem es sich um einen auf den beiden Außenseiten verspiegelten Planspiegel mit beispielsweise einer elliptischen Form handelt, haben die spie¬ gelnden Oberseiten des Umlenkspiegels 12 einen Abstand voneinander, so dass es zwischen dem Abtaststrahl 5 und dem Abtaststrahl 5' zu einem seitlichen Strahlenversatz V kommt.
In Fig. 3 ist veranschaulicht, wie das rotierende rohrförmige Gehäuse 22 mit Hilfe der Kugellager 23 und Befestigungen 36 in einem Montagerohr 37 zentriert und sicher geschützt befestigt ist. Das Montagerohr 37 verfügt über ein Glasfenster 38 in Ge¬ stalt eines transparenten Rohrstückes. Auf diese Weise wird das Eindringen von Schmutz und Umwelteinflüssen unterdrückt, ohne das Licht der Abtaststrahlen 5, 5' und des zurückkehrenden Streulichts zu behindern.
Fig. 4 zeigt die bereits anhand der Figuren 2 und 3 erläuterte Abtastvorrichtung 8 zur Veranschaulichung, wie das Licht für die zweite Sendefaser 11 und das aus der zweiten Empfangsfaser 29 austretende Licht mit Hilfe einer Freistrahlübertragung 30 von der einen Seite des rohrförmigen Gehäuses 22 auf die andere Seite des rohrförmigen Gehäuses 22 übertragen werden kann, ohne eine Einschränkung der Abtastwinkel für die Abtaststrahlen 5 und 51 durch lichtblockierende Elemente zu verursachen. Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung mit einer Freistrahlübertragung 30 zur Überbrückung des von den Abtaststrahlen 5, 5' überstriche- nen Bereichs gestattet es, insbesondere die Licht aussendenden Komponenten und die Licht empfangenden Komponenten der Abtastvorrichtung 8 so anzuordnen, dass keine Komponenten und insbesondere keine elektrischen Leitungen den Weg der Abtaststrahlen 5 und 5' durchkreuzen müssen. Die in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigte Anordnung mit einem Umlenkspiegel 12 elliptischer Form, der auf seinen ebenen Außenseiten verspiegelt ist, führt zu dem im Zusammenhang mit Fig. 2 erörterten Strahlenversatz V. Dieser Strahlenversatz V bei beidseitiger äußerer Verspiegelung ist in Fig. 5 unterhalb eines Umlenkspiegels 42 gestrichelt veranschaulicht, um diesem großen Strahlenversatz V einen wesentlich kleineren Strahlen¬ versatz v gegenüberzustellen, der erreichbar ist, wenn der Umlenkspiegel 42 nicht außen beidseitig verspiegelt ist, sondern über eine innenliegende Spiegelschicht 43 verfügt. Die Außenflä¬ chen des Umlenkspiegels 42 sind üblicherweise entspiegelt. Aufgrund einer nicht vermeidbaren Brechung der Lichtstrahlen im Spiegelglas läßt sich jedoch auch bei der in Fig. 5 dargestell¬ ten Anordnung ein kleiner Strahlenversatz v nicht ganz vermei-
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel für einen Umlenkspiegel 52 in Gestalt eines verkitteten Prismenpaares aus einem ersten Prisma 53 und einem zweiten Prisma 54 wird wegen des senkrechten Auftreffens der Sendelaserstrahlen 14, 34 auf die Außenseiten der Prismen 53, 54 eine zu einem Strah¬ lenversatz führende Brechung vermieden. Zwischen dem ersten Prisma 53 und dem zweiten Prisma 54 ist eine Kittfläche 55 mit einer Verspiegelungsschicht 56 vorgesehen. Ein Prismenhalter 57 gestattet eine optimale Positionierung des aus einem Pris¬ menpaar bestehenden Umlenkspiegels 52 im rohrförmigen Gehäuse 22.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Abtast- Vorrichtung 8 wird mit Hilfe von Linsen 60, 61 eine Abbildungs¬ optik mit möglichst großer Apertur und gleichzeitig kleinem Durchmesser der Kugellager 23 dadurch erreicht, dass mit Hilfe der optischen Anordnung und den Linsen 60, 61 jeweils ein Zwischenfokus 62, 63 im Bereich der Kugellager 23 verwirklicht wird. Durch die Reduzierung der Lagergröße ergibt sich ins- besondere eine kompaktere Bauweise und ein geringerer me¬ chanischer Verschleiß. Wie man in Fig. 7 erkennt, verfügen die Linsen 60, 61 jeweils über eine Mittenbohrung 64, damit die ausgehenden Sendelaserstrahlen 13, 14 auf dem Weg zum Umlenkspiegel 12 nicht beeinflußt werden.
Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Reduzierung der rotierenden Masse statt der beiden Linsen 60 und 61 in Verbindung mit einem Planspiegel ein beidseitig ab- bildender Umlenkspiegel 82 eingesetzt. Der abbildende Umlenk¬ spiegel 82 bildet ein abbildendes optisches Element, das als off- axis-Paraboloid ausgestaltet sein kann. Wie man in Fig. 8 er¬ kennt, verläuft der Strahiengang der Empfangsstrahlbündel 16 und 31 ähnlich wie bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungs- beispiel mit jeweils einem Zwischenfokus im Bereich der das rohrförmige Gehäuse 22 lagernden Kugellager 23. Man erkennt weiterhin in Fig. 8 einen Planspiegeleinsatz 72, der entspre¬ chend den oben erörterten Umlenkspiegeln 12, 42, 52 ausge¬ staltet sein kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Abtastvorrichtung zum Vermessen der Konturen eines Objektes mit Hilfe einer Lichtquelle zum Erzeugen eines
Abtaststrahles, mit einer Ablenkeinheit, durch die der Ab¬ taststrahl auf das zu vermessende Objekt lenkbar ist, mit einem Detektor, durch den ein von dem zu vermessenden Objekt zurückgeworfener Empfangsstrahl erfassbar ist und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit, durch die die Koor¬ dinaten der Oberflächensegmente des zu vermessenden Objektes aufgrund der Abtastrichtung des Abtaststrahles und der Entfernung des von dem Abtaststrahl und Emp¬ fangsstrahl zurückgelegten Weges berechenbar sind, äa^ durch gekennzeichnet, dass durch die Ablenkeinheit (8) gleichzeitig mehrere sich in unterschiedliche Richtungen ausbreitende Abtaststrahlen (5, 51) erzeugbar und mehrere aus unterschiedlichen Richtungen zurückgeworfene Empfangsstrahlen (16, 31) gleichzeitig erfassbar und aus- wertbar sind.
2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeich¬ net, dass durch die Ablenkeinheit (8) zwei sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreitende Abtaststrahlen (5, 5') gleichzeitig erzeugbar und zwei aus entgegengesetz¬ ten Richtungen zurückgeworfene Empfangsstrahlen (16, 31) gleichzeitig erfassbar sind.
3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- net, dass die Ablenkeinheit (8) einen zweiseitig reflektieren¬ den Körper (12, 42, 52, 82) aufweist, durch dessen erste Seite der erste Abtaststrahl (5) sowie der erste Empfangs¬ strahl (16) und durch dessen zweite Seite der zweite Ab¬ taststrahl (51) sowie der zweite Empfangsstrahl (31) ablenk- bar sind.
4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich¬ net, dass der zweiseitig reflektierende Körper (52) durch ein verkittetes Prismenpaar (53, 54) gebildet ist.
5. Abtastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich¬ net, dass der zweiseitig reflektierende Körper ein Spiegel (42) mit einer innenliegenden Spiegelschicht (43) ist.
6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich- net, dass der zweiseitig reflektierende Körper ein beidseitig verspiegelter Spiegel (12, 82) ist.
7. Abtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich¬ net, dass der zweiseitig reflektierende Körper ein Plan- spiegel (12) ist.
8. Abtastvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der durch Spiegelung abgelenkten Empfangsstrahlen (16\ 31') jeweils eine Linse (60, 61) angeordnet ist, durch die ein Zwischen¬ fokus (62, 63) im Bereich der die Abtastvorrichtung tragen¬ den Lager erzeugbar ist.
9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich- net, dass der zweiseitig reflektierende Körper beidseitig als optisch abbildender Paraboloid (82) so ausgebildet ist, dass die durch die Spiegelung abgelenkten Empfangsstrahlen (16\ 31') im Bereich der die Abtastvorrichtung tragenden Lager einen Zwischenfokus (62, 63) aufweisen.
10. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, da¬ durch gekennzeichnet, dass der zweiseitig reflektierende Körper in einem rotierenden Gehäuse (22) so angeordnet ist, dass zwei in entgegengesetzter Richtung entlang der Rotationsachse (21) des Gehäuses auf den Körper auf- treffende Lichtstrahlen (14, 34) quer zur Rotationsachse in entgegengesetzte Richtungen das rotierende Gehäuse (22) verlassen, und aus entgegengesetzten Richtungen ein¬ treffende zurückgeworfene Empfangsstrahlen (16, 31) durch den zweiseitig reflektierenden Körper (12, 42, 52, 82) in entgegengesetzte Richtungen entlang der Rotationsachse (21) des Gehäuses (22) umlenkbar sind.
11. Abtastvorrichtung nach- Anspruch 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass die zwei zum Erzeugen der Abtaststrahlen
(5, 5') eingespeisten Lichtstrahlen einer einzigen Licht¬ quelle, insbesondere einer Laserlichtquelle entstammen.
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