CN104567668B - 用于空间测量的扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于空间测量的扫描装置。以该扫描装置的形式而具有光束偏转单元的测量设备包括：辐射源，以用于产生测量辐射；以及探测器，以用于接收在所关注的对象上反射的测量辐射(简称为反射辐射)，所述测量辐射和反射辐射基本上具有相同的光路。以可围绕旋转轴线旋转的方式安装的光束偏转单元位于该光路中，以便能调整测量辐射的方位，并且能接收反射辐射。此外，测量设备还具有用来拍摄图像的测量摄像头，测量摄像头如此整合在光束偏转单元的旋转体中，使得该测量摄像头在光束偏转单元绕旋转轴线旋转时与该光束偏转单元一起旋转，并且使该测量摄像头的视野范围指向发射到周围环境中的测量光束的方向。

Description

用于空间测量的扫描装置

技术领域

本发明涉及一种测量设备，尤其是实现为扫描装置形式的测量设备，以便按照比例生成所关注的测量对象的三维图像。

背景技术

开头所述类型的测量设备或扫描装置被实施为用于对空间区域和/或者对象进行三维测量。典型的应用示例在于测量教堂和车间之类的内部空间，测量例如建筑物或飞机之类的大型对象，或者对事发现场的进行的司法鉴定测量。

测量这些对象时可利用激光扫描装置的激光束对某个预定的空间体积进行扫描，并且检测由对象所反射的激光，其中，采集每一时刻所发射的激光束和检测到的激光的方向的角度信息。可以通过所检测的激光，经由三角测量和/或测定传播时间以及相位移动来测定空间体积中的某个表面点与测量设备之间的距离。结合属于该表面点的角度信息，即可算出该表面点的空间位置。可根据一系列这样采集到的测量点或由此算出的空间位置，利用适当的软件生成扫描表面、对象或扫描环境的三维模型，例如三维点云形式的三维模型。

在很多情况下，除了这种纯粹以几何方式采集空间体积中的表面之外，也可以利用摄像头进行摄像采集。为此首先采用了便于安装在测量设备上的全景摄像头。专利文献DE 20 2006 005 643 U1中即对这种具有摄像头的扫描测量设备的基本原理进行了阐述。

此类比较现代化的测量设备通常具有测量摄像头，该测量摄像头在辐射源和反射辐射探测器旁边被布置在测量设备或扫描装置的壳体中(轴上测量摄像头)。例如通过相应的光学偏转装置可使摄像头的视野范围与测量光束镜头同轴或者与其平行地对准。可以在测量设备的显示控制单元的显示器上，并且/或者在用于遥控的***设备(例如数据记录仪)的显示器上显示所采集的图像。但是必须首先对所拍摄的图像因摄像头的视野范围在光束偏转单元上发生偏转而发生的旋转进行计算修正，因而无法实现实时显示。

若要拍摄较大的空间体积，通常要由整合摄像头拍摄多个图像，然后通过相应的软件将其拼接成“全景图像”形式的单个图像。这些与扫描同步拍摄的摄影图像至少能用来鉴别扫描表面的不同亮度或者色度。除了可视的全视角之外，在某些情况下也能够从中获取其它信息，例如获取与表面纹理相关的信息。

这些测量设备的缺点在于，由于摄像头与测量辐射/反射辐射的光路部分是相同的，测量辐射/反射辐射的光路会受到摄像头光学部件的影响，或者反过来测量摄像头的光路会受到测量辐射/反射辐射的影响或者受到其光路的光学组件的影响。这些测量设备的光学构造复杂而且昂贵，需要从共同的光路分离出限定的光分量。此外对于使用这些测量设备拍摄的全景摄像而言，还必须另外通过相应的软件处理全景摄像拼接成的单个图像，因为摄像头的位置固定的光敏传感器(CMOS，CCD)与围绕两个轴线旋转的视野范围相互作用，所拍摄的各个图像均以不同的角度旋转。

在专利文献EP 2 620 746 A1中描述了一种具有激光扫描单元的测量设备，该测量设备用于以点云形式测量和显示对象或者环境，所述测量设备除了具有一个轴上测量摄像头之外，还有一个全景摄像头。该全景摄像头具有比轴上测量摄像头的视野范围更大的全景视野范围，因此使用全景摄像头能够比测量摄像头检测更大的场地范围。全景摄像头能够实现更好的定位，并且能更为迅速地对准期望捕捉的点。因此主要将该全景摄像头用于空间定位。全景摄像头可以安置在测头中，并且可以与专利文献DE 20 2006 005 643 U1中所述的全景摄像头相类似地具有固定取向的视野范围，但是也可以将全景摄像头布置在光束偏转单元外侧，并且与轴上测量摄像头的视野范围一样，同样可利用光束偏转单元对准全景视野范围。其优点在于，不仅是视野范围而且光敏传感器也可围绕两个轴线转动。在此为光束偏转单元配设了一个光学通道，该通道能够通过相应的光学元件将布置在光束偏转单元上的全景摄像头与起到反射作用的偏转元件的背面相连，使得该全景摄像头朝向轴上测量摄像头的视野范围旋转180°视角，从而可以定位测量辐射。将全景摄像头布置在光束偏转单元外侧的构造具有多种不同的缺点：一方面必须提供两个摄像头和两个光路以用于摄像头的视野范围，另一方面将全景摄像头定位在光束偏转单元外侧会在光束偏转单元上引起严重的不平衡和弯曲力矩，对此必须采取相应的应对措施，这就会产生额外的费用，并且会使得***在野外工作时易受干扰。

专利文献DE 10 2010 105027 A1公开了一种具有摄像头的激光扫描装置，其并非将摄像头布置在光束偏转单元外侧，而是取而代之地在光束偏转单元中将其布置在偏转镜后方的空间中。此外在偏转镜后方的空间中还布置了一个光学偏转元件，该光学偏转元件可如下偏转摄像头的视野范围，使其从摄像头物镜经由偏转单元壳壁中的窗口旋转180°，以使所发射的测量光束指向周围环境。也就是摄像头始终指向与所发射的测量光束恰好相反的方向。专利文献DE 10 2010 105027 A1并未公开如何设计光束偏转单元和摄像头、是否作为有较大视野范围的全景摄像头或者作为有较小视野范围的测量摄像头，并且没有公开如何将摄像头和光学偏转元件固定在光束偏转单元中。

尽管可以如专利文献DE 10 2010 105027 A1和专利文献EP 2 620 746 A1所公开的那样，通过与光束偏转单元共同旋转的摄像头解决在迄今为止的轴上摄像头中由于摄像头视野范围相对于位置固定的摄像头传感器旋转而出现的旋转图像问题，但是用户仍然无法进行实时摄像。校准这种设备也很耗费时间并且必须让制造商进行校准。几乎无法当场再次校准。在确定空间坐标时考虑到存在例如倾斜轴斜度等等的***内在误差，仍然必须采用复杂的算法，在确定空间坐标时可以利用这些算法来考虑测量摄像头和测量辐射彼此旋转180°的视角方向。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一种开头所述类型的、具有摄像头的测量设备，所述测量设备能实现更大/更灵活的使用范围，并且能避免上述缺点。

这些任务中的至少一个任务将通过根据本发明第一方面所述的测量设备来解决。本发明以可选或者有利的方式加以改进的特征皆包含在本发明的其他方面中。

根据本发明的测量设备，尤其是扫描装置，具有安装在基座上可以围绕基座轴线旋转的壳体，以便通过扫描发射测量辐射对周围环境进行光学测量，其中在所述壳体中安置有用于产生测量辐射的辐射源和用于从壳体中输出测量辐射的光束光学件。所述光束光学件也可用来将从扫描对象的周围环境作为反射辐射返回的反射测量辐射传输到壳体中的探测器，所述测量辐射和反射辐射至少部分具有共同的光路。在共同的光路中提供一个光束偏转单元，该光束偏转单元安装在壳体中可以围绕旋转轴线旋转，可用来调整测量辐射(目标轴)将其定向发射到周围环境中，并且可用来接收来自周围环境的反射辐射(扫描方向)。此外测量设备还具有用于拍摄将要扫描或者已扫描的周围环境的摄影图像的测量摄像头，将该测量摄像头整合到光束偏转单元中，并且尤其将其整合到光束偏转单元的旋转体中，使其可在光束偏转单元围绕其旋转轴线旋转运动时与光束偏转单元一起旋转。测量摄像头具有视野范围并且被布置在旋转单元中，使其视野范围的指向与经由光束偏转单元的光束偏转元件发射到周围环境中的测量辐射的指向相同。此外，还提供了用于处理数据和图像并且用于控制测量设备的处理和控制单元。

如果光束偏转单元在其旋转体中具有可将摄像头***其中的凹进部分，或者如果将旋转体设计成空心体，就能特别方便地将测量摄像头整合到光束偏转单元中。这样就能将可能出现的不平衡和弯曲现象以及复杂的光学视野范围偏转减小到最低程度或者甚至可以完全予以避免。这就允许以更加简单并且更低成本的方式设计测量设备。使摄像头及其视野范围指向测量辐射，就能拍摄被测对象或者被测周围环境的摄影图像，同时使得测量辐射指向该对象或者周围环境。这样就能实时拍摄当前测量的对象。这种测量装置定位并且采集用于确定某个目标点空间坐标的数据，也就是采集两个角坐标和该目标点的距离所需的时间比较少，因为现在可以同时定位和采集包括距离在内的所有数据。由于定位用于拍摄图像的设备(定位摄像头)与采集角坐标和距离(定位测量辐射)是相同的过程，因此也可简化用于考虑***误差(如倾斜轴斜度、视准轴中的误差等等)的算法。能以比较简便的方式将利用摄像头拍摄的图像的像素正确对应于某个目标点的三个空间坐标，并且所需的运算费工比较少，同时出错率较小。

总之可以利用比较简单的软件进行操作，并且所需的运算性能较少。也能使用所推荐的测量摄像头执行迄今为止的轴上测量摄像头(也就是迄今为止常常安装在扫描测量设备中的测量摄像头)的所有功能。

不仅可以利用整合到光束偏转单元中的测量摄像头(其视野范围被侧向偏置并且其指向与经由光束偏转单元的光束偏转元件发射到周围环境中的测量辐射的指向相同)，而且也可利用其视野范围的指向与发射测量辐射的指向同轴的测量摄像头(这样更好)产生所述的优点。

为了使视野范围的指向与测量辐射的指向同轴，最好将测量摄像头布置在旋转体中光束偏转元件的背面上，将所述光束偏转元件设计成二向色分束器，尤其将其设计成基本上仅仅偏转测量辐射波长并且可让其它波长透过的二向色镜。然后，最好将摄像头的物镜布置在与发射测量辐射相同的方向，并且在分束器后面与其同轴。

可以想到的是，当然同样也可以使得摄像头的物镜指向测量辐射，但是与其略微偏置，例如当空间条件或者不平衡度不允许同轴布置的时候。但也可以在旋转体中略微偏置摄像头与物镜，将其在测量辐射方向固定在旋转壳体壁中或者固定在旋转壳体壁上，将其固定在光束侧壳壁中/壳壁上，或者将其固定在相对的壳壁中，并且视野范围通过旋转壳体壁中的开口延伸。

可通过角偏差和旋转轴线与目标轴的偏置量之类的参数描述局部仪器相关的扫描装置坐标系。重要的校准参数是：俯仰轴斜度，激光目标方向的水平和垂直偏斜角，偏转元件或旋转镜的角误差和位置，旋转轴线(这里通常称作转动轴)相对于竖轴(这里通常称作(基座轴线)的斜度等等。现有技术所述扫描装置的内部光学机械构造和激光束元件的布置很复杂，因此对其进行校准的要求相当高。在设备交付之前首先要通过工厂校准确定这些参数，例如根据专利文献EP 2 523 017 A1中所描述的二位测量。

无法根据二位测量对迄今为止的扫描装置进行快速高效的现场校准，因此设备用户无法现场确定当前的参数。虽然在文献中能找到关于校准的说明和数学模型，但这些并非针对设备结构，通常与所实现的扫描装置光学机械机构不一致，因此无法将其用于精准确定该扫描装置的坐标系。如果事先不知道参考点的坐标，并且唯一的仪器安装清单中只有一条二位测量数据记录，那么就无法利用文献中给出的模型确定所需的参数。没有参考点或目标点的位置信息，分析二位测量数据记录时的拟合问题就是奇异的，并且无法完整确定校准参数。

利用安置于扫描装置旋转单元中的光学摄像头，现在也可以根据任意选择的固定点，以二位测量为基础进行校准，不必知道其绝对坐标或相对坐标。这就是说，可以选择任意参考点以用于二位测量。用于确定校准参数的相应拟合问题是有规律的，因此能够解决。根据本发明的设备的用户现在能够自己以充分精度确定所有需要的参数，而且随时可以在现场确定。如果在现场使用时由于气候影响(温度变化，湿度变化等等)或者长时间使用设备时(设备变热)出现参数变化，则用户也可以检查参数，必要时可重新确定参数。

由于整合在光束偏转单元中的测量摄像头与其一起转动，不仅可以自动确定测量摄像头的水平视准误差和垂直分度误差，而且也可以自动确定俯仰轴斜度，并且可以相对于测量仪器的轴系自动校准测量摄像头(这里俯仰轴和旋转轴线是同义词)。其中，可以自动确定误差，并且手动瞄准、尤其第二次瞄准某个参考点，或者也可以自动第二次瞄准参考点，也就是说通过马达使得壳体和旋转体转动。

为此可利用测量摄像头按照已知的角位置第一次拍摄目标对象；使壳体围绕基座轴线转动180°，并且使摄像头在旋转单元中围绕旋转轴线转动180°，然后测量摄像头再次拍摄目标对象。将如此获得的图像重合，将拍摄图像中的显著像素偏差用来确定旋转轴线和基座轴线与水平线或垂线的偏差，然后相应地校准设备或测量摄像头。由于没有必须借助某种算法加以计算的图像旋转，迄今为止的轴上摄像头中就有这种情况，因此可避免***误差和算法引起的误差。

然后就能利用校准后的测量摄像头相对于轴系校准扫描单元激光束的位置：如果已借助二位测量知道了摄像头相对于旋转轴线4和基座轴线11的误差，就可以扫描相同的对象来校准激光器。然后将扫描产生的点云中的显著对象特征的位置与摄像头拍摄的相同显著特征的位置进行比较，就可以根据所确定的偏差来校准激光器。

对于特殊的精度要求，还可以利用激光器从至少两个位置扫描目标对象，然后将其中一个点云中的显著点与另一个点云的显著点进行比较，并且使其与摄像头的拍摄图像中相应的点形成关系。

除了对具有显著特征的某个对象进行一次或多次二位测量之外，也可以代之以对某个反射器进行一次或多次二位测量，然后对反射器进行单点测量而不是进行扫描，以便校准摄像头和激光器。在维修情况下可以利用测地学领域现有的校准工具来调校测量设备。可以不依赖所使用的摄像头及其光学***或者拍摄技术进行校准(见下)。

采用整合到光束偏转单元中并且可以与其一起旋转的测量摄像头，此外还使其视野范围的指向与测量辐射的指向相同，则利用唯一的可以任意选择的参考点就足以确定水平视准误差和垂直分度误差。如果也要确定俯仰轴的误差，那么就需要第二个斜视参考点，也就是相对于测量设备的初始位置处在大约30°～160°水平角和垂直角范围内的某个参考点(测量设备的正常配置：0°相当于测量辐射方向垂直向上；90°相当于水平测量辐射方向)。

这意味着现在也可以现场校准测量设备。利用二位测量进行现场校准，可借助两个参考点进行完全校准(水平视准、垂直分度和俯仰轴斜度误差)，可以任意选择一个参考点或者两个参考点。然后进行二位测量，才可确定其中一个任意所选参考点或者两个任意所选参考点的坐标。这样可以大大提高测量设备的灵活性和应用范围。

特别优选的是在测量设备中提供一个与测量摄像头和/或者与测量摄像头的图像存储器适当相连的显示器，从而能够在显示器上显示摄像头正在拍摄的(实时图像)和/或者已拍摄的图像。按照该设备的一个有益改进实施方式所述，可以将显示器上显示的图像与十字线叠加，从而能够使用测量摄像头以简单方式瞄准目标。

本申请书中将现有技术已公开的各种有助于准确瞄准某个目标的瞄准标记称作十字线，例如武器技术(不考虑)、大地测量学或者航海领域的辅助瞄准器。

特别优选的是将旋转体设计成空心体，并且将测量摄像头沿着旋转轴线布置在光束偏转单元的旋转体中。最好将其与旋转体固定相连，或者也与旋转轴线同心延伸的光束偏转单元旋转体的驱动轴固定相连，使其能与之一起转动。然后将光束偏转单元设计成二向色分束器，该分束器基本上仅仅偏转测量辐射的波长，并且可让其它波长透过，通过二向色分束器和相应的光学偏转元件将摄像头视野范围偏置，但是特别优选的是使其指向与测量辐射的指向同轴。由于旋转体被设计成空心体，因此在轴向有结构空间可供使用，可允许使用较大的摄像头镜组，这就允许将摄像头安装到空腔中，但是垂直于旋转轴线。因此可通过这种特殊的摄像头安装方式，使得测量摄像头和测量设备的应用范围更加灵活并且更大。在该位置也更容易将摄像头的电源和/或者数据传输线与旋转体之外的空间相连，例如通过滑动触头或者通过轴中的直通穿板接头。

可以想到的是，自然同样可利用偏转元件使得视野范围的指向与测量辐射的指向相同，但是通过旋转体壳壁中的窗口将其偏置。

最好使用耗电量很少的轻型摄像头作为测量摄像头。

为了能够在不同的距离拍摄图像，测量摄像头最好具有数字变焦***。可以想到的是，也可以采用例如手机摄像头中众所周知的微型化机械变焦***，或者可利用一个或多个可控变形的透镜来调整焦距。

但可以想到的是也可以将具有不同焦距的两个测量摄像头整合到光束偏转单元中：一个用于近距拍摄的测量摄像头和一个用于远距拍摄的测量摄像头。自然可以给这两个测量摄像头的每一个均配备适合其拍摄范围的变焦***。

视对测量设备的要求而定优先选择不同的摄像头方案，例如光场摄像头，也称作全光相机，例如"Reytrix"销售的产品，能够以固定镜组产生几乎可以任意对焦的图像。可以使用手动对焦和/或者自动对焦的摄像头。最好也可以使用透镜可以定向变形的摄像头作为测量摄像头，例如可通过执行器改变其焦距的聚合物透镜，或者可改变其楔角的液体透镜。

使用RIM摄像头(Range Imaging Camera/范围成像摄像头)可在使用扫描单元对某个范围或者对所选的局部范围进行精确扫描之前生成该范围的粗略3D点云摄像。

将热成像摄像头与房屋或者工业设备的3D照片相结合，就能明确、深度辨别热源或热漏，然后就可以例如将其与BIM或CAD中的给定值进行比较。

可以想到的是，也可以使用高分辨率的一维线阵摄像头，优选的是将其像素行平行于旋转轴线布置在旋转体中，因为这样能够将像素对应于空间坐标。将行记录拼合成整幅图像时，或者当曝光控制与旋转运动控制相互作用时，这种设备中可用的水平和垂直方向精密角测量就会起到主要作用。

优选的是以角分辨方式分辨所拍摄的图像。传统摄像头芯片的像素排列在一个平面中，而高分辨率线阵摄像头的像素则仅仅在一个维度中直线排列，因此能够以高得多的密度将其压缩。线阵摄像头的图像分辨率通常比CCD摄像头好很多，并且通常能够以快得多的速度读出和处理此类摄像头所拍摄的图像。如果转动所述的线阵摄像头(优选的是在基座轴线不变的情况下使其围绕旋转轴线转动)，就会产生周围空间的二维全景图像。例如使用20kpix摄像头能够在极短时间内产生分辨率为400Mpix的360°全景图像。例如拍摄这种图像需要持续大约4秒钟围绕旋转轴线转动360°，这时应考虑到摄像头传感器的光敏性；摄像头传感器的光敏性越好，则曝光时间越少，制作照片的速度越快。

如果曝光时间足够短，就能围绕旋转轴线旋转拍摄高分辨率的实时运动空间图像(小电影)，非常适合用来监视建筑物和/或者用来实时识别临界变形。

为了在帧频相同的情况下延长曝光时间，还可以使得旋转轴线围绕其旋转轴线旋转进入叠加旋转振动。分别在速度逆转时刻拍摄一个图像。将***的自振用于旋转振动。***通常包括光束偏转单元与承载摄像头的旋转体、至少一部分驱动旋转体的轴以及驱动轴的马达。

可在帧频相同的情况下改善曝光的另一方法是使用频闪灯。为了获得最佳照明，频闪灯相对于摄像头镜组同心排列并且一起旋转。为了使摄像头特性更加灵活，可以将摄像头支架整合到光束偏转单元中，所述摄像头座可用来固定可替换的摄像头，例如具有不同焦距、不同镜组、不同拍摄速度或拍摄技术的摄像头(RIM摄像头，线阵摄像头，热成像摄像头)。该摄像头座可以整合在光束偏转单元的旋转体中，该旋转体用于固定一个摄像头或者也可用于固定两个摄像头。无论是否将一个或多个摄像头固定安装在旋转体中或者以可更换的方式整合在旋转体中，最好采用以下类别的摄像头作为整合到光束偏转单元中的测量摄像头：远距摄像头，近距摄像头，数字变焦摄像头，微型化机械变焦摄像头，手动对焦摄像头，自动对焦摄像头，液体透镜摄像头，全光摄像头，HDR摄像头，RIM摄像头，高分辨率一维线阵摄像头，高速摄像头，热成像摄像头或者其它专用摄像头。

为了给测量摄像头供电，优选的是将一个电源尤其是可充电电源整合到光束偏转单元中。可充电电源特别优选的是同时起到光束偏转单元平衡元件的作用。

为了能够利用测量摄像头拍摄记录周围环境的各个部分，优选的是在测量设备的壳体中采用一个调整机构，可利用该调整机构电动控制和/或者手动控制、尤其利用旋钮控制光束偏转单元与内置的测量摄像头围绕旋转轴线旋转并且围绕基座轴线转动。最好能够使用显示器上的实时图像手动瞄准某个部分。

在测量设备中可以采用倾角传感器作为特殊类型的辅助工具，可用来检测测量设备相对于重力矢量的倾角。然后适当配置处理单元，从而可以根据测定的倾角修正测量值，以便定位测量辐射和/或者拍摄图像。当测量设备在测量或者图像拍摄过程中例如由于底座绵软而容易滑动或倾翻的时候，或者当从开始起就无法立稳，并且应使得测量值和相应的拍摄图像与某个外部坐标系建立关系的时候，那么这样就特别有所帮助。

在一个优选的实施方式中，测量设备具有单点测量模式，可在该模式下利用测量摄像头瞄准某个目标点，优选的是在显示器上显示摄像头采集的目标图像，尤其也可将十字线叠加在目标图像上；除此之外，在单点测量模式下还可以自动检测与目标点的距离和目标点的角坐标，并且据此确定目标点的空间坐标。在测量摄像头指向目标点的过程中可以根据旋转轴线和基座轴线的角编码器所记录的角度数据确定角坐标，为此当然特别优选的是使用那些内置测量摄像头的光轴与测量辐射的光轴同轴的所有实施方式。

在一个特别优选的实施方式中，测量摄像头配有一个附加滤镜，可利用该滤镜防止光强度太大引起过载，使得利用摄像头瞄准的目标点也可以是例如与逆向反射棱镜一样的协同目标。

可以使用测量摄像头作为非常精准的辅助瞄准器，类似于经纬仪功能，从而也能非常精确地校准测量设备中类似于经纬仪的功能及其扫描功能，尤其可校准方位角方向和竖轴方向的目标轴误差、俯仰轴斜度、反射镜误差和激光束方向(参见以上二位测量)，这里也可以与已知的经纬仪一样使用辅助工具。

采用以上各种实施方式中所述的测量设备，能够以简单方式执行利用测量摄像头相对于被测环境或者被测对象定位测量设备的测量方法。

利用测量摄像头相对于被测环境或者被测对象精确定位测量设备之后，就能对该环境或者该对象进行全面测量扫描，或者也能对其中一部分区域进行扫描。利用测量摄像头定位测量设备有利于更加精确地放置测量设备。

作为替代方案，在利用测量摄像头相对于被测环境或者被测对象定位测量设备之后，用户可以瞄准环境/对象的单个点，所述单个点可以是被测环境/被测对象或者其投影面的角点，并且可以将其用来定义扫描空间的边界。可确定每个瞄准点的角坐标，或者(并非一定需要，因为并非一定需要距离数据)进行单点测量，也就是确定角位置和与目标点的距离，并且据此得出目标点的空间坐标，也就是其空间位置。接着利用测量扫描/精密扫描仅仅对单点测量的角坐标或者3D坐标所定义的空间进行测量。采用这种方法可不必为了实现这些目的而进行长达二十分钟的粗略扫描，并且能在短得多的准备时间之后测量所需的空间部分。为了确定被测对象或者其投影面，可以测量决定该投影面的至少三个点，或者可以在适当编程的情况下测量矩形投影面对角线上的两个点，或者也可以瞄准单个的点并且确定其坐标，然后从这一个点开始在用户所确定的圆中围绕该点进行精密扫描。

通过根据本发明的的测量设备构造，测量摄像头可以在测量扫描过程中拍摄图像，拍摄图像的时刻与测量摄像头的视野范围、光束偏转单元围绕旋转轴线的旋转速度和测头围绕基座轴线的转动速度相协调，从而可以拼合拍摄图像形成全景图像。这样即可获得扫描对象/扫描环境的实时全景图像，省下额外扫描拍摄图像的时间。为此特别优选的是使用高速或者高分辨率线阵摄像头作为测量摄像头，尤其是RIM线阵摄像头。

视所用摄像头的质量和拍摄图像的用途而定，扫描过程中拍摄的图像质量可能不够充分。然后可以在缓慢扫描过程中，或者对整合到光束偏转单元中的测量摄像头的视野范围进行手动定位的方式拍摄图像。

按照另一种有利的实施方式所述，测量设备具有一个激光源，该激光源能发射摄像头可见范围内的激光，并且优选的是将其从测量设备适当射出到周围环境中，从而能够利用测量摄像头观测照射位置。换句话说，优选的是在测量摄像头的视野范围的方向发射可见激光。为此可以将摄像头可见的激光例如与测量摄像头的光轴同轴注入其光路中，或者以比较简单而且低成本的方式，以一定的已知偏置量平行于摄像头光轴发射激光。该偏置量只能有适当的大小，使得所发射的激光束处在测量摄像头的视野范围中。如果可以利用测量摄像头跟踪或者看见激光束及其在某个对象上的照射点，例如也可以在显示器上与摄像头所拍摄的图像一起显示，那么就能更加简单并且更加精确地瞄准某个对象上的感兴趣点。如果可以将例如十字线之类的目标标记叠加在图像上，就能更加精确地进行瞄准。被瞄准的目标点可以是位置固定的，或者可以是活动的。

在一个特殊实施方式中，发射测量摄像头可见范围激光的激光源与发射用来测距的测量辐射的辐射源相同。例如辐射源可以发射红外激光作为测量辐射，通过纤维传播红外激光，使其与激光混合，并且使得最终发射的测量辐射包含红外光(约90％)和白光(约10％)。根据白光成分和红外成分划分对象反射回来的反射辐射，通过滤镜或者电子手段滤出红外成分传播给探测器进行测距，白光成分则被摄像头捕获。可以将电子测距单元(EDM)发射的测量辐射用于跟随转动的摄像头的曝光。如前所述，必须适当布置摄像头，使得所发射的测量辐射处在摄像头的视野范围中。

在该实施方式的一个改进方案中，可以将旋转体中跟随旋转用来观察测量辐射的摄像头用来检测摄像头与测量辐射之间的漂移。

在该实施方式的另一个改进方案中，摄像头在电子测距单元的每个测量点拍摄光点，该光点反映被测对象在该点中的颜色和亮度。这样就能实现色彩扫描，不必进行迄今为止的图像拍摄。由于测量摄像头观察的激光点在旋转速度很高时会在包括多个像素的摄像头CCD上形成拖尾，因此最好在整个传感器范围内对该光点的色度进行积分。

在该实施方式的一个变型中，可以将摄像头设计成HDR摄像头，从而能够实现亮度和/或者色彩的高动态分辨。

除了上述利用测量辐射中的白光成分测定颜色的方法之外，可以想到的是也能以相同的方式将例如专为微型投影机开发的RGB激光器用于对象的颜色测定。可以想到的是，还可以使用以下颜色测定原理：例如Pin二极管，通过棱镜或者线阵光栅分析光谱，CCD，C-Mos，光电二极管(阵列)等等。

在另一个实施方式中，考虑到每个颜色测量点严格来说仅需要一个像素信息。因此可将迄今为止所需的包括很多像素的2D摄像头传感器(面阵传感器)替换成仅仅包括很少像素或者仅仅包括一个像素的传感器，从而简化摄像头镜组并且节省成本。

在该实施方式的另一变型中，将用来发射含有白光成分的测量辐射的准直器布置在旋转体中的摄像头旁边，辐射源位于壳体中，通过纤维将激光传播给准直器。该纤维例如穿过利用相应通道形成的驱动轴，该驱动轴将旋转体与马达相连。为了抵消旋转，该纤维具有专业人士熟悉的相应旋转连接器。

通过偏转元件将入射的反射辐射朝向探测器偏转，该偏转元件特别优选的是在中央具有可让测量辐射透过的开口，将准直器布置在该开口后面。在旋转体中将摄像头适当布置在准直器旁边，使其视野范围指向利用准直器将测量辐射透过偏转元件的透明开口发射到周围环境中的方向，使得摄像头可以看见的测量辐射白光成分处在摄像头的视野范围中，并且摄像头可以观察到。

在上述实施方式中，通过偏转元件/旋转镜中很小的透明开口的反射辐射的接收光路最好仅仅受到很少的遮蔽。由于不再通过偏转元件使得测量辐射在其进入周围环境的路径上偏转，因此通常由于偏转元件/旋转镜变形而出现两次的误差仅仅出现一次(接收光路)，从而可减小该误差。旋转体变形对测量辐射或反射辐射的光束稳定性的不良影响也会减半，同样也可减少强度损失/激光损失。此外使用这种构造还可借助二位测量来校准激光误差。

如果旋转体被设计成直通形式，并且一端支承在旋转体驱动轴上，相对的一端则例如利用滚珠轴承支承在壳体中，就能进一步减小(不平衡和/或者旋转离心力引起的)旋转体变形的不良影响。旋转体中的光路可允许测量辐射和反射辐射通向偏转元件，然后从该偏转元件进入周围环境或者通向探测器，通向摄像头的入射光同样如此。最简单的方式是将旋转体设计成空心圆筒。

但是除了给测量辐射加上摄像头可以观测的白光成分之外，也可代之以采用独立于测量辐射的辐射源的激光源来发射测量摄像头可以看见的光，将其布置在光束偏转单元的旋转体中的摄像头旁边，以电容、感应、滑动触头等方式给激光源控制器以及整合在旋转体中的摄像头提供电能并且实现数据交换。或者按照另一个变型所述，仅仅将用于该激光的准直器布置在旋转体中的摄像头旁边，类似于以上所述用于测量辐射的布置结构，并且适当发射测量摄像头可以看见的激光，使其落在摄像头的视野范围中。与以上说明类似，通过光导纤维将准直器与例如位于壳体中的激光源相连。

在一个特殊的实施方式中，发射可供摄像头看见并且被目标反射的激光的激光源是测距装置的一部分，将测量摄像头用作测距装置的传感器，从而可在瞄准目标时利用测量摄像头直接测距。由于已经知道可供测量摄像头看见的激光束的激光源与扫描装置之内的测量摄像头的光敏传感器之间的距离，因此能够借助三角测量法以非常简单而且高效的方式进行测距。但也可以根据传播时间原理或者根据相位测量原理进行测距。

定位测量设备也可以包括“自由布点”。借助测量摄像头能够以简单方式瞄准上位坐标系的参考点，并且可利用单点测量、也就是利用测距和采集角坐标来确定其相对于测量设备的位置。然后可以将所采集的上位坐标系的参考点用来确定测量设备的位置和方位，如同经纬仪一样，从而能够进行“自由布点”、“前方与后方交会”以及“连接到旧点”。因此在上位***中可以从头开始参考测量设备所生成的点云。

由于光束偏转单元与内置摄像头的尺寸很小，因此也可使用测量摄像头作为“探寻器”。例如可将此用来从已知位置开始设置新点，或者用于“stack out”应用或者所谓的“Targetting”。

可以有利地为摄像头及其控制器配备交互式图像处理***，也特别优选的是给图像处理***整合图案或图像识别功能(feature extraction)。

例如使用测量摄像头作为探寻器的情形如下：例如在化工设备中应搜寻某一管道的某个管段，例如损坏的管段。测量设备配有图像处理软件，所述图像处理软件具有图案或图像识别功能。搜寻管段的坐标已知，并且可将其传输给测量设备，尤其可将该测量设备设计成扫描装置。向测量设备的摄像头“展示”用于跟踪目标的显著识别图案，例如可以是抽象图案、图像或者显著的物体，或者是物体的图像或抽象图案。该物体可以是例如逆向反射器、平板电脑、交互式智能手机或者其显著的角部，但也可以是这些设备的显示器上生成的、图像处理软件能够利用其图案或图像识别功能良好识别的特殊识别图案或图像。激活摄像头的内置图案或图像识别程序，并且将图案或图像保存为将要跟踪的目标对象。扫描装置可以利用其摄像头跟踪目标对象，并且将其发送到所需的地点，根据旋转轴线和基座轴线中的角编码器的数据得知所跟踪的目标对象的立体角，并且(连续或者以一定的时间间隔间歇)与目标坐标进行比较。如果所跟踪的目标是平板电脑或者交互式智能手机，则当摄像头所跟踪的目标(平板电脑/智能手机)到达目标位置的坐标时，最好能够将用于搜寻目标位置的方向指令传输给该外部设备。

除了将目标位置作为搜寻目标之外，可以想到的是也可以将运动轨迹作为图像识别功能所识别的目标对象(反射器或者智能手机等等)应在上面运动的目标。可以设定3D空间坐标形式的运动轨迹，每个3D坐标均对应于时刻t1～ti，从而通过连续时刻t1～ti确定3D坐标“变化”的顺序。

使用摄像头作为探寻器的另一个方法是将搜寻对象的识别图案传输给摄像头，所述识别图案可以是对象的抽象图案、对象的逼真图像或者拍摄图像。通过扫描摄像头的图像处理软件或者图案或图像识别功能采集图像作为参考图像并且保存起来。接着摄像头借助图像处理软件及其图案或图像识别功能根据搜寻对象搜寻周围环境，当发现该对象的时候，就在测定目标之后(距离和角坐标)将搜寻对象的坐标输出给用户。还有其它一些应用，例如在建筑领域利用可见激光标记墙上窗子的角点、在建筑手工业领域标记钻孔以及诸如此类的事。

如果在平板电脑和/或者智能手机之间提供通信接口，就能利用相应的软件适当配置测量设备和这些***设备，从而可以定位测量摄像头拍摄图像，并且/或者通过这些***设备控制扫描单元。

在此提供的测量设备可用于所有这些应用，因为内置摄像头的光束偏转单元比经纬仪尺寸小，其视野范围的指向与测量辐射的指向相同，能够比经纬仪更加迅速地进行跟踪，另一方面又比迄今为止用于标记钻孔的激光跟踪仪和类似仪器更加精准、耐用，因此在室外和建筑工地上的应用情况下不易出现故障。

附图说明

以下将根据附图所示的具体实施方式，对根据本发明的装置和根据本发明的方法进行详细说明，也会讨论本发明的其它优点。在附图中以相同的附图标记标识相同的元件。附图分别示意性地示出了：

图1是根据本发明的测量设备的第一实施方式，该测量设备不含三脚架；

图2是图1所示的根据本发明的测量设备中的根据本发明的光束偏转单元的剖面图；

图3是在与图2相同的示图中的根据本发明光束偏转单元的一个可选实施方式；

图4是根据本发明的光束偏转单元的另一个实施方式；

图5是根据本发明的光束偏转单元的又一个实施方式；

图6是根据本发明的光束偏转单元的再一个实施方式；

图7是根据本发明的光束偏转单元的再一个实施方式；

图8和图9是根据本发明的测量设备的再一个实施方式的两个变型的示图，其包括壳体部件；以及

图10是根据本发明的光束偏转单元的又再一个实施方式。

具体实施方式

图1所示为根据本发明的测量设备1的第一个实施方式，图2所示为根据本发明的设计的光束偏转单元10的细节图。通常来讲，测量设备1配有一个测头2，其壳体5以可以围绕基座轴线4旋转的方式安装在基座3上。可以利用适配器51将基座3固定在支架或三脚架上。基座3具有基座轴线4，壳体5可以围绕该基座轴线旋转(手动和/或者电动并且通过控制单元9进行控制)。用于产生测量辐射13的辐射源6、用于检测所接收的并且优选的是被目标对象反射的反射辐射17的探测器8、以及用于传播辐射和使得测量辐射13和反射辐射17准直的光学组件7被安置在壳体中。辐射源6和探测器8均为电子测距单元(简称为EDM)的组成部分。在壳体5的与辐射源6、探测器8和光学组件7相对的那一侧，具有光束偏转元件22(参见图2)的光束偏转单元10被支承在壳体5中，利用该光束偏转单元控制、对准测量辐射13以将其发射到周围环境中，并且接收反射辐射17。由马达15驱动的光束偏转单元10以可以围绕旋转轴线11旋转的方式安装。该马达15在测头2的壳体5内被安装在马达壳体14中。通过布置在轴上的角编码器来采集两个轴4、11上的当前旋转角并且将其传输给控制单元9。

基座轴线4与旋转轴线11的交点通常就是测量光束13在偏转单元22上的入射点。光束偏转单元10的偏转元件22相对于旋转轴线11以角度α倾斜，倾斜角通常为45°。由于测头2围绕基座轴线4转动，并且光束偏转单元10围绕旋转轴线11旋转，因此可以进行三维扫描。激光源6、探测器8、镜组7和光束偏转单元10与计算控制单元9的相应部件及其围绕基座轴线4和旋转轴线11的运动机构共同构成测量设备1的扫描单元。

在此处所示的示例中，光束偏转单元包括一个由金属构成的实心旋转体20，其端面20'有一个作为偏转元件22的二向色分束器。旋转体中有一个凹进部分46，将测量摄像头80固定在该凹进部分中(参见图2)。此处所示的测量摄像头80包括摄像头壳体84和摄像头镜组82，并且配有可充电的电源86。此外，根据本实施方式所述，还有一个用来传输图像数据、测量坐标、控制数据(例如，用于触发摄像头)的传输单元90或发射器/收发器，以便例如在壳体5中的内部处理和控制单元9与遥控器、计算机、数据记录仪、平板电脑或智能手机之类的外部设备之间传输这些数据。在此处所示的示例中，传输单元90涉及一种可以切换的红外和无线接口，但也可以涉及或者WiFi传输。可以通过充电器接口94(该情况下被设计成用来***充电电缆的插口)在光束偏转单元10停止时为摄像头80的电源86充电。整合在光束偏转单元10中的测量摄像头80可在光束偏转单元10围绕其旋转轴线11转动时跟随旋转，其中将凹进部分46适当布置在光束偏转单元10的旋转体20中，使得测量摄像头80的视野范围81的指向与测量光束或测量辐射13的指向同轴。即，所谓的同轴指向与扫描装置相同的方向。

可以将测量摄像头用来拍摄被测对象的图像，或者也可用来使得测量设备指向目标对象。为此，可在显示器52上实时反映摄像头“看见”的图像信息(实时图像)，其中可以选择叠加十字线。如果还有用来发射测量摄像头可见激光(参考图10)的激光源，其中优选在摄像头的视野范围内发射激光，则也可利用摄像头跟踪可见激光，以这种方式可以非常精确地瞄准目标。从该瞄准(测量摄像头的角位置)已得知被瞄准目标的角坐标。然后利用测量设备的扫描单元，或者，如果发射测量摄像头可见激光的激光源与测距单元或者与测量设备的经过相应配置的处理和控制单元相连，那么也可以选择直接借助可见激光测定目标位置的距离，其中特别优选的是使用测量摄像头80作为用于反射激光和测距的传感器或探测器。

可以用手使测头2围绕基座轴线4转动，或者利用调整旋钮54以手动方式将测量设备1在水平方向第一次指向目标对象，所述调整旋钮直接、或者借助相应的电动装置(图中没有绘出)作用于调整机构。以同样的方式可以利用第二个调整旋钮56以手动或者电动方式使得具有偏转元件22的光束偏转单元10围绕旋转轴线11转动，使其指向目标对象。因此不仅可以手动，而且也可以利用与驱动轴相连的马达自动控制测量辐射13非常精确地指向目标。本示例中在设备上采用了可进行手工输入的操作面板50，可以更改用于瞄准目标或定位测量设备1的设置，并且/或者可以输入或更改利用内置测量摄像头80进行拍摄的设置，并且/或者可以输入附加数据。

此外，测量设备1还具有例如用来方便运输设备1的把手58，该把手可从测头2上拆下。要测量或者拍摄图像的时候，可以取下把手58，以便能够采集尽可能大的扫描范围。

在根据图1的实施方式中，测量设备1的测头2还具有一个倾角传感器44，可用来检测测量设备1或测头2相对于重力矢量的倾角。

图3所示为类似于图2所示实施方式的根据本发明的光束偏转单元10的一个实施方式，旋转体20在该本示例中并非由实心金属构成，而是由比较轻并且有凹进部分的塑料结构(轻型结构)构成。在本示例中，将一个通过胶接24与旋转体20的端面20'固定相连的二向色玻璃或塑料镜作为偏转元件22(与两个轴4和11最好有45°的倾角)布置在旋转体20的斜面自由端上。塑料结构所形成的旋转体20的筒壁30的部件均通过支杆35与容纳轴12的旋转体20的内部中央部件相连，从而在旋转体20中产生凹进部分，可以通过与旋转体20的自由端20'相对的端部进入这些凹进部分。本示例中通过所述的入口将测量摄像头80***其中一个凹进部分46中。测量摄像头80的视野范围81经由径向开口83相对于扫描装置的测量辐射同轴并且在相同方向指向周围环境。这样计算和设计轻型结构，使得可通过轻型结构补偿摄像头所引起的不平衡。

图4所示实施方式的光束偏转单元10与图2和图3所示实施方式的区别尤其在于：旋转体20被设计成几乎完全空心的、一端被斜切的圆筒，并且优选的是由铝之类的轻金属构成。圆筒所包括的空腔46一直延伸到旋转体20的自由斜面端20'，其中在该实施方式中作为偏转元件22的二向色分束器通过胶接24仅仅在筒壁30的端面上与旋转体20相连。摄像头80及其物镜82在圆筒的空腔46中排列在二向色分束器22后面，而且物镜82以及由此的视野范围81在相同方向与通过分束器偏转到周围环境中的测量光束13又是同轴的。

图5所示的实施方式基本上相当于图4中的实施方式，只是除了二向色分束器后面的摄像头80a之外，还设有另一个摄像头80b，其视野范围81b被侧向偏置并且其指向与测量辐射13的指向方向相同。其中例如可以将测量摄像头80a设计成用于近距拍摄的摄像头，并且将测量摄像头80b设计成用于远距拍摄的摄像头。筒壁30包括一个用于容纳另一个摄像头80b和定位其视野范围81b的径向开口83(也称作窗口)。利用固定元件38将摄像头80a、80b精密配合固定在旋转体20的筒壁30上。利用固定元件38固定在筒壁30上的旋转体的空腔46中，通过电线88与测量摄像头80a8'相连的可充电电源86位于旋转体20中。电源/蓄电池86同时还可作为平衡元件36。除了电源86或者取而代之的是，同样还可以利用固定元件38'将更多平衡元件36固定在空腔46中。从旋转体20的自由端20'装配偏转元件22之前，优选的是由旋转体20的制造商装配摄像头80a、80b、电源86和平衡元件36等等。

除了平衡元件36和例如利用固定元件38'固定在筒壁30上的蓄电池86之外，根据该实施方式所述，偏转元件22、筒壁30和旋转体20的筒底都是空的，因此偏转单元10的重量非常小。

根据未示出的实施方式，在筒壁30中设置两个径向开口83，两个摄像头80a、80b的视野范围81a、81b通过这些开口偏置地指向与射入周围环境中的测量光束13相同的方向。这种情况下将开口83设计得适当大，从而能够通过这些开口83安装较小的摄像头。在该示例中通过固定夹37'形式的摄像头座37将两个测量摄像头80a、80b固定在筒壁30上。必要时，例如当摄像头损坏的时候，或者当需要使用另一个摄像头的时候，所公开的固定夹37'允许更换摄像头。为了能够改变拍摄距离，上述实施方式或者图5所示实施方式中的两个测量摄像头的至少其中一个具有(数字)变焦***。当然两个测量摄像头80a和80b中的每一个均可配有用于改变其拍摄距离范围的数字变焦或者微型化机械变焦***。所述的两个测量摄像头80a和80b也可以是具有不同拍摄速度的摄像头，例如平均拍摄速度的摄像头，另一个摄像头则为高速摄像头，例如每秒可拍摄500多个图像，或者其中一个测量摄像头80a是“普通的”CC摄像头，另一个测量摄像头80b则是热成像摄像头或者全光摄像头。

在图6所示的实施方式中，旋转体20又被设计成空心体。光束偏转元件22部分再次被实施为能部分反射，部分透射。原则上适合将射向光学偏转面的光以预定的比例分解成透射光和反射光的分束器，例如也尽可能与入射光的波长无关。但是对于本实施方式来说，优选将光束偏转元件设计成仅仅将测量辐射13波长的光偏转并且可让其它波长的光透射的二向色镜22。

在该示例中将测量摄像头80相对于旋转轴线11轴向布置在旋转体20中。利用布置在空腔46中的光学偏转元件96将摄像头80的轴向物镜82的视野范围81的光路97同轴布置在分束器22后面，并且使其经由该分束器转入到与通过分束器22偏转到周围环境中的测量辐射13相同的方向。其中测量摄像头80可以直接与轴12相连，或者与旋转体20固定相连，使其能与旋转轴线11共同转动。空心体形式的旋转体20可在轴向提供结构空间，从而可提高所需摄像头/摄像头镜组的灵活性，因为如果所需空间较大，则可在一定的范围内调整旋转体20的长度，反之调整旋转体20的直径则要难得多且比较费事。同样在该位置也更容易将摄像头的电源和/或者数据传输线与旋转体之外的空间相连，例如通过轴12中的直通穿板接头或者滑动触头。

图7、图8和图9所示为根据本发明的测量设备1的另一个有利实施方式的变型。在这些变型中，辐射源6发射红外激光，通过光导纤维72将红外激光传播给准直器70。通过纤维72传播红外激光时混合激光，使得所发射的测量辐射13最终除了包含红外激光之外，也包含一定的白光成分(5％～20％之间)。包括白光成分的测量辐射13被反射，并且被测量设备作为反射辐射17接收。在用来测距的测量设备中将所反射的红外激光成分17传播给壳体5中的探测器8，测量摄像头80采集所反射的白光成分17'，并且例如将其用来瞄准某个所需的目标点和/或者用来测定反射白光17'的表面的颜色。

图7、图8、图9的这些变型相互间的区别在于：在图7的变型中以常见的方式将辐射源6和相应的准直器70布置在测量设备1的测头2的壳体5中。类似于图4中的示例，测量摄像头80布置在旋转体20中，其视野范围81的指向与发射到周围环境中的测量辐射13的指向相同，没有发生偏置。

在图8和图9的两个变型中，将辐射源6布置在壳体5中，但是与图7的实施方式相比在图8和图9的变型中将准直器70布置在光束偏转单元10、10'的旋转体20、10'中。将辐射源6与准直器70相连的纤维72在此处所示的示例中穿过驱动旋转体10、10'旋转的轴12'的贯通开口，并且在旋转体20、20'中通向准直器70。旋转体20、20'具有(没有绘出的)相应通道，或者如这些示例中所示被设计成空心体。为了抵消旋转，纤维72配有一个或者多个(根据需要)旋转连接器(图中没有绘出)。准直器70布置在偏转元件22、22'的背面上，将偏转元件设计成二向色镜22(参考图7)，或者设计成在准直器70上方具有至少一个可供包括白光的测量辐射13透过的开口的反射镜22'(参考图8)，使得可以利用光束偏转单元10、10'指向周围环境发射测量辐射13，并且也可以如其它示例中一样通过偏转元件22'和相应的光学元件7将所接收的反射辐射17继续传播给测量设备1的壳体5中的探测器8。

相对于图7中的变型来说，在示例8和9的变型中将测量摄像头80适当布置在旋转体20、20'中，使其视野范围具有一定的已知侧向偏置量，但是同样不旋转或者相对于测量辐射13的旋转角为0°。

图8和图9的两种实施方式相互间的区别在于：在图8中与常见的方式一样由驱动旋转体20旋转的轴12'在一端支承光束偏转单元10的旋转体20，旋转体20相对的一侧构成自由端，该自由端通常是斜切的并且支承偏转元件22。与此相对的是，旋转体20'在图10的示例中则被设计成贯通的空心圆筒，由驱动轴12'在其中一侧支承空心圆筒，但在相对一侧则通过测量设备1的测头2的壳体5中的滚珠轴承74旋转支承空心圆筒。以这种方式能够在很大程度上避免旋转体的变形或弯曲力矩引起的测量误差。大致在旋转体20'的中间将开口78置于空心圆筒中，在其下方相对于旋转轴线的角位置中放入偏转元件22。开口78与偏转元件22可允许测量辐射13射出，并且允许接收反射辐射17(以点线表示)。在利用滚珠轴承74支承的一侧上的旋转体20'的空腔可作为反射辐射17从偏转元件22指向壳体5中的探测器8的光路。显而易见的是，壳体必须具有也优选能容纳轴承的相应开口。作为替代，以适当设计摄像头的光敏传感器，使其能够检测测量辐射，使得摄像头除了生成拍摄图像的任务之外，同时也能作为探测器是测距装置的组成部分。此后能够例如根据三角测量法进行测距(参考虚线17b)。

图10所示的实施方式同样具有贯通的旋转体20'，由驱动轴12在一侧支承旋转体，并且可以在相对一侧利用壳体5中的滚珠轴承74旋转安装旋转体。该实施方式的原理构造仍然与图9中的示例一样。但是与图9的实施方式相对比，这里发射测量辐射13的辐射源6以常见方式布置在测头的壳体5中，与针对图2至图8的示例所述的一样。除了壳体5中用于测量辐射13的辐射源6之外，该实施方式还在旋转体10'中采用了可发射测量摄像头80可见激光77的独立激光源76。类似于图9中的准直器布置该激光源76，同样类似于图9的实施方式将偏转元件22设计成二向色镜。测量摄像头80被适当布置在旋转体20'中，使其视野范围81被侧向偏置并且指向所发射的测量辐射13，从而使得激光源76的测量摄像头80可见激光77处在其视野范围81中。旋转体中的开口78可允许接收反射辐射17，并且允许偏转元件22所偏转的测量辐射13射出。在利用滚珠轴承74支承的一侧上的旋转体的空腔可作为测量辐射和反射辐射指向或离开偏转元件22的光路。

对于本领域技术人员而言很容易看出：并非仅仅图9和图10所示的实施方式可以具有贯通的旋转体20'，而是也可以将该结构形式用于很多其它的实施方式，例如也可用于图3至图8的实施方式。

从以上说明可以看出，根据本发明的测量设备的特殊优点在于结构比较简单而且比较牢固；现在可以进行点测量，逐点瞄准目标或者在测量摄像头可见光范围内发射可利用测量摄像头跟踪的标记激光束，从而能够便于瞄准和标记所需的点，同时可以进行测距；与经纬仪相比，由于配有测量摄像头的光束偏转单元的尺寸很小，测量摄像头可以快速进行跟踪，因此可以实现实时应用，并且可以使用测量摄像头作为电影/视频片段的拍摄设备，或者作为探寻器/***；便于跟踪和找到预定目标坐标的目标，或者可利用图像识别功能，并且可通过智能手机、平板电脑操纵杆等等进行控制；比较简单而且比较精确的二位测量，能够更加准确地校准测量摄像头和激光束以及能够将测量设备自由布点进行联测。

本领域技术人员已知的是，能够以何种方式将上述实施方式的细节与在本发明权利要求的保护范围内的应用相互组合，即使这里由于篇幅原因无法描绘所有组合。

Claims (18)

1.一种通过以扫描方式发射出测量辐射(13)对周围环境进行光学测量的测量设备(1，2)，该测量设备包括：

·壳体(5)，该壳体以能围绕基座轴线(4)旋转的方式安装在基座(3)上；

·辐射源(6)，该辐射源被安置在所述壳体(5)中，以用于产生测量辐射(13)；

·光束光学件(7)，该光束光学件(7)被安置在所述壳体(5)中，以用于将所述测量辐射(13)从所述壳体(5)导出并且将周围环境中被扫描对象反射的反射辐射(17)传播到位于所述壳体(5)中的探测器(8)上，其中，所述测量辐射(13)和所述反射辐射(17)至少部分地具有共同的光路；

·光束偏转单元(10)，该光束偏转单元被放置在所述共同的光路中并且以能围绕旋转轴线(11)旋转的方式安装在所述壳体(5)中，以便将所述测量辐射(13)以能调节的方式定向发射到周围环境中并且接收来自周围环境的所述反射辐射(17)；

·测量摄像头(80，80a，80b)，该测量摄像头被整合到所述光束偏转单元(10)的旋转体(20)中，并且在所述光束偏转单元(10)旋转运动时围绕所述光束偏转单元的旋转轴线(11)与所述光束偏转单元(10)一起转动，以用于拍摄待被扫描或者已被扫描的周围环境的图像；以及

·处理和控制单元(9)，该处理和控制单元被用于处理数据和图像并且用于控制所述测量设备(1，2)，

其特征在于，

·所述测量摄像头具有视野范围，并且所述测量摄像头被布置在旋转单元中，使得所述测量摄像头的视野范围的指向与经由所述光束偏转单元(10)的光束偏转元件(22)发射到周围环境中的所述测量辐射(13)的指向相同。

2.根据权利要求1所述的测量设备(1，2)，其特征在于，所述测量摄像头的视野范围(81c)被侧向偏置并且其指向与经由所述光束偏转单元(10)的光束偏转元件(22)发射到周围环境中的所述测量辐射(13)的指向相同。

3.根据权利要求1所述的测量设备(1，2)，其特征在于，所述测量摄像头在所述旋转体(20)中被布置在所述光束偏转元件(22)的背面上，并且所述光束偏转元件(22)被实施为二向色分束器，该二向色分束器仅仅使所述测量辐射(13)的波长偏转并且能让其它波长透过，其中所述测量摄像头的视野范围被略微侧向偏置并且其指向与经由所述光束偏转单元(10)的光束偏转元件(22)发射到周围环境中的所述测量辐射(13)的指向相同，或者所述测量摄像头的视野范围(81c)的指向与经由所述光束偏转单元(10)的光束偏转元件(22)发射到周围环境中的所述测量辐射(13)的指向是同轴的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的测量设备(1，2)，其特征在于，设置有生成所述测量摄像头(80，80a，80b)可见的可见激光的激光源，其中该激光源的可见激光能被发射成使该可见激光以指向所述测量摄像头(80，80a，80b)的视野范围(81，81a，81b)的方式指向周围环境，使得所述测量摄像头(80，80a，80b)能够跟踪所述可见激光。

5.根据权利要求4所述的测量设备(1，2)，其特征在于，生成对于所述测量摄像头(80，80a，80b)来说可见的可见激光的所述激光源是测距装置的一部分，所述测距装置允许测定所述测量设备(1，2)与反射所述可见激光的对象之间的距离，并且所述测量摄像头能够被用作利用对于所述测量摄像头(80，80a，80b)来说可见的激光进行激光测距的所述测距装置的传感器。

6.根据权利要求5所述的测量设备(1，2)，其特征在于，所述测距装置是基于三角测量原理的测距装置。

7.根据权利要求5所述的测量设备(1，2)，其特征在于，所述测距装置是基于传播时间原理或者基于相位差的测距装置。

8.根据权利要求1所述的测量设备(1，2)，其特征在于，所述测量设备(1，2)是扫描装置。

9.根据权利要求7所述的测量设备(1，2)，其特征在于，所述测量摄像头是EDM摄像头。

10.一种借助根据权利要求1至9中任一项所述的测量设备(1，2)来实现的测量方法，其中通过以扫描方式发射出测量辐射(13)来对周围环境进行光学测量，

其特征在于，

使用单点测量模式定位所述测量设备(1，2)，其中在单点测量模式下，

·利用所述测量摄像头(80，80a，80b)来瞄准目标点，

·自动采集所述目标点的角坐标，并且

·同时，利用指向与所述测量摄像头(80，80a，80b)的视野范围(81)的指向相同的所述测量辐射(13)来自动测定与目标点的距离，

·基于这些数据，即，根据所述角坐标和所述距离自动得出所述目标点的空间坐标。

11.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，对周围环境进行光学测量之前，利用朝向所发射的所述测量辐射的方向观察的所述测量摄像头(80，80a，80b)进行二位测量，并且利用所述二位测量自动测定所述测量摄像头的水平视准和垂直分度误差，也能选择自动测定旋转轴线斜度，并且相对于测量仪器的轴系校准所述测量摄像头(80，80a，80b)，此外还能选择利用经过校准的所述测量摄像头(80，80a，80b)来相对于轴系校准所述扫描单元的激光束的位置。

12.根据权利要求10或11所述的测量方法，其特征在于，对周围环境进行所述光学测量之前，在上位***中校准所述测量设备(1，2)，其中利用整合到所述测量设备(1，2)的旋转体(20)中且朝向与所发射的所述测量辐射相同的方向观察的所述测量摄像头(80，80a，80b)来瞄准所述上位***的一个或者多个参考目标点，同时测定所述一个或者多个参考目标点的空间坐标。

13.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，存在用于发射对于所述测量摄像头(80，80a，80b)来说可见的可见激光的激光源，并且朝向目标点发射激光，借助所反射的激光来识别所述目标点，其中所述目标点能够是位置固定的或者能够是活动的，并且

·所述测量摄像头(80，80a，80b)利用所述可见激光来瞄准和标记所述目标点，使得所述测量摄像头与通过所述激光标记的所述目标点重合；

·采集所述目标点的角坐标，并且/或者

·将发射对于所述测量摄像头来说可见的所述可见激光的激光源与测距单元如下相连，即，能够根据所述目标点所反射的并且被所述测距装置所采集的可见激光测定与目标点的距离，其中所述测量摄像头(80，80a，80b)被用作用于激光测距的所述测距装置的传感器。

14.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，在执行权利要求10所述的方法步骤之后，

·用户借助所述测量摄像头(80，80a，80b)来瞄准周围环境或者对象的足够多的单个点，并且采集所述点的角坐标，从而能通过这些点确定空间的投影面，并且

·随后通过测量扫描对对应于以这种方式确定的所述投影面的空间进行测量。

15.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，所述测量摄像头(80，80a，80b)在测量扫描过程中拍摄图像，其中拍摄所述图像的拍摄速度根据所述测量摄像头(80，80a，80b)的视野范围(81，81a，81b)、所述光束偏转单元(10)围绕所述旋转轴线(11)的旋转速度和/或者所述壳体(5)围绕所述基座轴线(4)的转动速度进行调整，使得拼接所述拍摄的图像即可产生全景图像。

16.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，所述测量设备(1，2)具有用于接收和传输数据的传输单元(90)以及带有图案或图像识别功能的图像处理软件，并且为了定位所述测量设备(1，2)，

·将搜寻对象的识别图案传输给所述测量摄像头(80，80a，80b)，通过所述图像处理软件采集该对象的识别图案作为参考并且保存起来，

·使得所述测量摄像头(80，80a，80b)围绕所述旋转轴线(11)旋转并且围绕所述基座轴线(4)转动，并且利用所述图像处理软件以及作为参考被所述图像处理软件保存的识别图案，根据所述搜寻对象搜寻周围环境，当找到所述搜寻对象时，采集所述距离和所述角坐标生成所述搜寻对象的空间坐标并且向用户输出。

17.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，所述测量设备(1，2)具有用来接收和传输数据的传输单元(90)以及图像处理软件，并且为了定位所述测量设备(1，2)，

·将搜寻目标的坐标传输给所述测量设备(1，2)，并且由所述测量设备保存，所述目标是目标位置，也就是位置固定的目标，或者是通过随着时间在时刻t1至ti依次出现的空间坐标所确定的运动轨迹；

·利用所述测量摄像头(80，80a，80b)瞄准作为目标点的待跟踪目标对象，对待跟踪目标对象进行拍摄，并且利用所述图像处理软件将拍摄图像保存为参考图像，以便利用测量摄像头识别和跟踪所述目标对象；

·测定待跟踪目标对象的实际坐标，将该实际坐标与所述搜寻目标的坐标进行比较，并且据此生成和输出运动指令，利用该运动指令使得待跟踪目标对象转向所述目标的方向，其中所述测量摄像头(80，80a，80b)利用所述图像处理软件和所述参考图像来识别待跟踪目标对象并且跟踪其运动，其中连续采集所述待跟踪目标对象的实际坐标并且将其与所述目标的坐标进行比较，并且相应调整运动指令，并且

当所述待跟踪目标对象的实际坐标与所述目标的坐标一致时输出成功消息。

18.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，使用RIM线阵摄像头作为测量摄像头(80，80a，80b)。