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.