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Vorliegende
Erfindung betrifft eine Sende-/Empfangsvorrichtung für einen
Laserscanner zum dreidimensionalen Scannen eines Objekts bzw. einer
Umgebung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, einen Laserscanner nach dem Oberbegriff von Anspruch
12 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 14.
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Aus
der aus dem Stand der Technik bekannten Druckschrift
EP 1001251 A1 ist ein Laserpositioniersystem
bekannt, das zum einen beliebige Raumpunkte, lineare und nicht-lineare
Kurvenformen oder Flächen
mit einem sichtbaren Laserstrahl beleuchtet, zum anderen aber auch
eine Vermessung des Raums vornimmt.
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Nachteilig
an diesem System ist jedoch, dass sowohl zur Vermessung als auch
zur Projektion der Muster dieselbe Laserlichtquelle zur Anwendung kommt,
wobei diese zudem sichtbares Licht aussenden muss, damit das in
der Umgebung projizierte Muster mit bloßen Auge erkennbar ist. Dadurch
sind die erzielten Messergebnisse jedoch nicht optimal, da Störgrößen wie
beispielsweise das Sonnenlicht die Messergebnisse verschlechtern.
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Zudem
weist dieses System das Problem auf, dass die Intensität des Laserstrahls
derart angepasst werden muss, dass das menschliche Auge nicht geschädigt wird.
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Aufgabe
vorliegender Erfindung ist es deshalb, einen Laserscanner bereitzustellen,
der sowohl für
Vermessungsaufgaben als auch für
Markieraufgaben gleichermaßen
gut eingesetzt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Sende-/Empfangsvorrichtung gemäß Anspruch 1, einen Laserscanner
nach Anspruch 12 und ein Verfahren nach Anspruch 14.
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Erfindungsgemäß ist der
Laserscanner mit einer Zwei-Strahl-Technik ausgestattet. Das bedeutet,
dass der Laserscanner nicht nur eine Lichtquelle zum Aussenden eines
Messstrahls hat, sondern, dass der Laserscanner mit einer weiteren
Lichtquelle ausgestattet ist, die einen zweiten Lichtstrahl aussendet,
der als Markierungsstrahl verwendet werden kann.
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Vorteilhafterweise
sollte der Messstrahl in einem für
die Vermessung günstigen
Wellenlängenbereich
und der sichtbarer Markierungsstrahl in einem für das Auge gut erkennbaren
Spektralbereich zur Anwendung kommen. Für Messtrahlen ist beispielsweise
das nahe Inffrarot günstig,
wohingegen für
die visuelle Betrachtung der sichtbare Spektralbereich (zwischen
400nm und 700nm) zu nutzen ist. Mit zwei Laserlichtquellen kann
zusätzlich
die Lichtleistung an die jeweiligen Forderungen für den Mess-
und Markierungsstrahl angepasst werden, um bestmögliche Vermessungs- und Markierungsresultate
bei möglichst
geringer Augengefährdung
zu erreichen.
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Dadurch
kann beispielsweise die erste Lichtquelle einen infraroten, zum
Vermessen eines Objekts bzw. einer Umgebung sehr gut geeigneten
Laserstrahl aussenden, während
die zweite Lichtquelle einen, eventuell zusätzlich in der Intensität verringerten,
sichtbaren Markierungsstrahl aussendet, der für eine Person ungefährlich ist
und Raumpunkte, Flächen
oder Kurven auf einem Objekt bzw. in einer Umgebung sichtbar anzeigt.
Diese vom Markierungsstrahl anzuzeigenden Messpunkte werden beispielsweise
als Datensatz in einen Speicher eingelesen.
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Damit
während
des Vermessens mit dem infraroten Messstrahl nicht eine sich zufällig in
dem Raum befindliche Person geschädigt wird, kann, wie ein weiteres
besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zeigt, der zweite sichtbare Markierungsstrahl auch dazu verwendet
werden, einen Lidschlussreflex bei einer Person auszulösen, indem
er zusätzlich zum
eigentlichen Messstrahl ausgesandt wird.
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Durch
diese bevorzugten Ausführungsbeispiele
ist zum einen sicher-gestellt, dass die Vermessung des Raumes aufgrund
des verwendeten infraroten Laserstrahls sehr exakt ist, zum anderen,
dass sich in der Umgebung befindliche Personen lediglich einem stark
reduziertem Schädingungsrisiko
aussetzen.
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Die
Markierung kann ohne den im Ausführungsbeispiel
wesentlich leiustungsstärkeren
Messlaser erfolgen, so dass in der Umgebung angezeigte Punkte, Linien
und Flächen
gefahrlos betrachtet werden können.
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Weiterhin
ist ein Ausführungsbeispiel
vorteilhaft, bei dem der Markierungsstrahl im roten oder grünen Spektralbereich
liegt, da sich gezeigt hat, dass rot oder grün angezeigte Laserpunkte vom menschlichen
Auge besonders gut wahrgenommen werden können.
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Besonders
vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel,
bei dem der Laserscanner ein optisches Element aufweist, das ermöglicht,
dass der erste und der zweite Strahl kollinear aus dem Laserscanner
austreten. Dieser Aufbau ermöglicht
eine besonders kompakte Bauweise und stellt den Lidschlussreflex
sicher.
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Vorzugsweise
ist dieses optische Element als dichroitischer Spiegel oder polarisierender Strahlteiler
ausgebildet.
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Weiterhin
kann vorteilhafterweise ein Ausführungsbeispiel
des Laserscanners eine Schnittstelle für eine Eingabe von Daten aufweisen.
Darüber
hinaus kann, wie in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
gezeigt, eine Speichereinheit, zum Speichern von Messwerten, Messpunkten
und/oder Daten vorgesehen sein.
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Weitere
Vorteile und bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind in den Unteransprüchen
und in der Figurenbeschreibung angegeben.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen verdeutlicht
werden. Dabei sollen die Zeichnungen nicht dafür geeignet sein, die Erfindung auf
die gezeigten Ausführungsbeispiele
einzuschränken.
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Es
zeigen:
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1:
einen Längsschnitt
durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer Sende-/Empfangsvorrichtung des erfindungsgemäßen Scanners;
und
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2:
ein zweites Ausführungsbeispiel
für die
Anordnung der ersten und der zweiten Lichtquelle.
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Im
Folgenden sind gleiche oder analoge Elemente durch identische Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Sende-/Empfangsvorrichtung
eines Laserscanners, wobei der Laserscanner sowohl zur Entfernungsbestimmung
und zum Scannen einer Umgebung als auch zum Anzeigen von bestimmten
Punkten, Linien oder Flächen
in der Umgebung bzw. auf dem Objekt verwendet werden kann.
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Die
Sende-/Empfangsvorrichtung 2 hat ein Gehäuse 4,
das einen Innenraum 6 begrenzt, in dem ein Umlenkspiegel 52 aufgenommen
ist.
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Das
Gehäuse 4 hat
einen Schacht 8 mit einem Hohlraum 24, an dessen
einer Außenfläche 10 eine
erste Lichtquelle 12 zum Aussenden eines Messstrahls 14 und
eine zweite Lichtquelle 16 zum Aussenden eines zweiten
Strahls 18 angeordnet sind. Die Lichtquellen 12, 16 umfassen
handelsübliche
kollimierte Laserdioden, wobei die erste Lichtquelle 12 zum
Beispiel Licht im nicht sichtbaren infraroten Wellenlängenbereich
und die zweite Lichtquelle 16 Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich
aussendet. Der Messstrahl 14 und der zweite Strahl 18 werden
jeweils durch eine Öffnung 20, 22 der
Außenfläche 10 in
den Hohlraum 24 geführt.
Im Bereich der Öffnungen 20, 22 sind
in dem Hohlraum 24 ein schräg angestellter Spiegel 28 und
ein dichroitischer Spiegel 26 angeordnet.
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Über den
Spiegel 28 wird der zweite Strahl in Richtung einer als
Kanal 32 ausgebildeten Optik umgeleitet. Der dichroitische
Spiegel transmittiert den zweite Strahl 18 und reflektiert
den Messstrahl 14, so dass beide ab dem dichroitischen
Spiegel 26 kollinear verlaufen.
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2 zeigt
eine andere Anordnungsmöglichkeit
bei der die Lichtquelle 16 um 90° verdreht zu der ersten Lichtquelle 12 angeordnet
ist.
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Im
Treffpunkt der Strahlen ist ein selektives Strahlumlenkungselement,
beispielsweise ein dichroitischer Spiegel S angeordnet, das um 45° gegen die
Strahlen geneigt ist. Ein dichroitischer Spiegel kann vorteilhafterweise
so spezifiziert sein, dass er das Licht von der Lichtquelle 12 mit
einem Transmissionsgrad τ für Licht
dieser Wellenlänge
nahe 1 transmittiert und das Licht der Lichtquelle 16 mit
einem Reflexionsgrad ρ für Licht
dieser Wellenlänge
nahe 1 reflektiert.
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Der
Lichtstrahl 14 von Quelle 12 durchtritt den dichroitischen
Spiegel S, ohne seine Richtung zu ändern, wohingegen der Lichtstrahl 18 von
Quelle 16 am Spiegel um 90° abgelenkt wird. Dadurch sind aber
beide Strahlen hinter dem Spiegel kollinear.
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Um
trotz Toleranzen im Aufbau sicherstellen zu können, dass beide Strahlen austrittsseitig
kollinear verlaufen, können
die Lichtquelle 12, die Lichtquelle 16 oder der
Spiegel S in mindestens zwei Achsen über hier nicht dargestellte
Justagevorrichtungen justierbar sein. Die kollinear verlaufenden
Strahlen wiederrum werden dann der als Kanal 32 ausgebildeten Optik
zugeführt.
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Der
Kanal 32 selbst hat vorzugsweise eine längliche Gestalt mit einem rechteckigen,
vorzugsweise quadratischen Querschnitt. Er ist transparent und kann
aus Glas bestehen. Er ist in einen Durchbruch 30 des Gehäuses 4 zwischen
dem Hohlraum 24 und dem Innenraum 6 eingesetzt
und ragt aufgrund seiner länglichen
Gestalt in den Innenraum 6 hinein. Er hat eine den Hohlraum 24 verschließende stirnseitige
Einkoppelfläche 34 für den Messstrahl 14 und
den zweiten Strahl 18 und eine von der Einkoppelfläche 34 entfernte
verspiegelte Umlenkfläche 36 des
Sendeteils zur Umlenkung des Messstrahls 14 und des zweiten
Strahls 18 in Richtung des nicht dargestellten scannenden
Spiegels und über
diesen in Richtung des Messobjekts. Das Licht tritt durch eine Auskoppelfläche aus
der Optik aus. Vorzugsweise ist die Umlenkfläche 36 des Sendeteils
in einen Winkel δ =
45° zur
optischen Achse der Sende-/Empfangsvorrichtung 2 angestellt.
Zwischen der Einkoppelfläche 34 und
dem Umlenkfläche 36 des
Sendeteils erstrecken sich vier Längsflächen 40, 58, 60, 62.
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Zur
Reduzierung von Reflexionen und Erhöhung der Effizienz können die
Einkoppelfläche 34, die
Auskoppelfläche
und die Längsfläche 58,
entspiegelt sein. Befindet sich die Längsfläche 40 in optischem
Kontakt mit einem Filter 42 oder einem anderen Glaskörper, so
darf sie nicht entspiegelt werden.
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Das
Gehäuse 4 hat
desweiteren eine Eintrittsöffnung 44 zum
Eintritt eines von dem Messobjekt reflektierten Messstrahls 46,
die von dem Filter 42 verschlossen ist. Das Filter 42 ist
in das Gehäuse 4 eingesetzt
und transmittiert lediglich die infraroten Wellenlängenanteile
des reflektierten Messstrahls 46 in den Innenraum 6 und
filtert andere Wellenlängenanteile,
auch die des Pilotlaserstrahls heraus, so dass von einem Detektor 54 nur
die Wellenlängenanteile
des reflektierenden Messstrahls 46 erfasst werden, die
für die
Ermittlung von Messdaten verwendet werden. Das Filter 42 besteht
vorzugsweise aus einem für
die zu transmittierenden Frequenzbereiche transparenten Material,
wie zum Beispiel Rotglas, wobei die Filterwirkung über zumindest
eine dielektrische Beschichtung an einer Stirnfläche 64 oder 48 erzielt
werden kann.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Kanal 32 über
seine Längsfläche 40 in
Anlage mit einer dem Innenraum 6 zugewandten Innenstirnfläche 48 des
Filters 42, wobei der Kanal fest mit dem Filter 42 verbunden
ist, beispielsweise mittels eines optischen Kitts. Zum Austritt
des Messstrahls 14 und des zweiten Strahls 18 in
Richtung des Messobjekts hat das Filter 42 eine Austrittsöffnung 50,
die von der Auskoppelfläche
abgedeckt ist. Die Austrittsöffnung besitzt
vorteilhafterweise keinerlei optische Filterwirkung.
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Der
Umlenkspiegel 52 in dem Innenraum 6 wirkt als
Umlenk- und Bündeleinrichtung
und kann ein drehfest gelagerter Spiegel in paraboloider Form sein, über den
der reflektierte Messstrahl 46 in Richtung des Detektors 54 umlenkbar ist,
der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
außerhalb
des Gehäuses 4 angeordnet
ist. Zum Austritt des vom Umlenkspiegel 52 umgelenkten
reflektierten Messstrahls 46 weist das Gehäuse 4 einen
entsprechenden Durchbruch 56 auf, der vorzugsweise von
einem den Detektor 54 aufnehmenden nicht dargestellten
Gehäuseabschnitt
dichtend umgriffen ist.
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Bei
Ansteuerung des Scanners zur dreidimensionalen Abtastung eines Messobjekts
bzw. einer Umgebung werden der nicht sichtbare Messstrahl 14 und
der sichtbare zweite Strahl 18 von den Lichtquellen 12, 16 emittiert
und über
die Spiegel 26, 28 in Richtung des Kanals 32 abgelenkt.
Der Messstrahl 14 und der zweite Strahl 18 treten
durch die Einkoppelfläche 34 in
den Kanal 32 ein, wobei sie aufgrund der Schrägstellung
der Einkoppelfläche 34 und
der verdrehten Einbaulage des Kanals 32 so gebrochen werden,
dass sie von der Einkoppelfläche 34 parallel
zu den Längsflächen 40, 58, 60, 62 in
Richtung des Umlenkspiegels des Sendeteils 36 verlaufen,
an der sie in Richtung des scannenden Spiegels und über diesen
in Richtung des Messobjekts umgelenkt werden. Der Messstrahl 14 und
der zweite Strahl 18 treten durch die Austrittsfläche aus
dem Kanal 32 aus und verlassen den Aufbau durch die Austrittsöffnung 50 des
Filters 42.
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Beim
Auftreffen der beiden Strahlen 14, 18 auf dem
Messobjekt werden diese von dem Messobjekt gestreut und fallen teilweise
in Richtung der Sende-/Empfangsvorrichtung 2 zurück. Der
reflektierte Messstrahl 46 trifft auf das Filter 42 auf,
wobei nur der infrarote Wellenlängenanteil
des Messstrahls 46 dieses durchdringt und in den Innenraum 6 eintritt,
in dem er von dem Umlenkspiegel 52 in Richtung des Detektors 54 zur
Erfassung und Auswertung des infraroten Wellenlängenanteils umgelenkt wird.
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Aufgrund
der oben beschriebenen kollinearen Aussendemöglichkeit des Messstrahls 14 und des
zweiten Strahls 18 wird der zweite Strahl 18 auch dazu
verwendet, und einen Lidschlussreflex bei einer sich in dem Raum
aufhaltenden Person auszulösen. Dadurch
kann eine Vemessung eines Objekts bzw. einer Umgebung mit einem
leistungsstarken infraroten Laserstrahl durchgeführt werden, wodurch die erhaltenen
Messwerte äußerst exakt
sind.
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Für die Auswertung
der Messwerte kann eine Verarbeitungseinheit (hier nicht dargestellt)
bereitgestellt sein, die auf der Basis der abgetasteten Messwerte
und eingegebener oder eingelesener Messpunkte den zweiten Strahl
ansteuert. Dazu können
Daten aus einem, hier ebenfalls nicht dargestellten, auslesbaren
Schreiblesespeicher ausgelesen werden und mit den Messdaten kombiniert
werden. Als Messpunkte können
beispielsweise Bohrungskoordinaten an einem 3D-Objekt angezeigt werden
oder zuvor gescannte, vermessene und detektierte Fehlstellen oder
andere Stellen von Interesse.
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Zur
Ablenkung des zweiten Strahls 18 werden mittels einer nicht
dargestellten Steuereinheit die ebenfalls nicht dargestellten Ablenkspiegelvorrichtungen
derart angesteuert, dass der oder die Strahlen auf den gewünschten,
dem Messpunkt entsprechenden Raumpunkt gerichtet wird. Da der zweite Messstrahl
zum einen sichtbar, aber zum anderen auch für eine Person unschädlich ist,
können
beispielsweise Bohrlöcher
in einem zuvor vermessenen Raum konstant angezeigt werden, so dass
beispielsweise eine zusätzliche
Markierung an einer Wand in einem Raum unnötig wird. Aufgrund der niederen Leistung
des zweiten Strahls ist auch ein längerer Aufenthalt einer Person
in einer Umgebung, die mit Hilfe des zweiten Strahls markiert ist,
gefahrlos möglich.
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Desweiteren
kann die Ablenkeinheit für
den zweiten Strahl derart ausgebildet sein, dass nicht nur ein einzelner
Punkt, sondern eine Abfolge von Punkten oder auch beliebige Formen
wie Linien oder Flächen
darstellbar sind. Es ist jedoch auch möglich in der Speichereinheit
ein Programm abzulegen, das zeitlich nacheinander Punkte bzw. Muster
in der Umgebung anzeigt. Zu diesem Zweck kann eine Steuereinheit
das in dem Speicher gespeicherte Programm oder den entsprechenden
Datensatz auslesen, und die zweite Lichtquelle bzw. die Justiervorrichtungen der
Ablenkeinheit entsprechend ansteuern.
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Offenbart
wird ein Laserscanner zum dreidimensionalen Scannen eines Objekts
bzw. einer Umgebung mit einer ersten Lichtquelle zum Aussenden eines
ersten Strahls zum Vermessen eines Objekts und einer zweiten Lichtquelle
zum Aussenden eines zweiten Strahls, wobei der zweite Strahl dazu
ausgelegt ist, eingelesene Messpunkte an dem Objekt bzw. in der
Umgebung anzuzeigen.
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- 2
- Sende-/Empfangsvorrichtung
für einen
Scanner
- 4
- Gehäuse
- 6
- Innenraum
- 8
- Schacht
des Sendeteils
- 10
- Außenfläche
- 12
- erste
Lichtquelle
- 14
- Messstrahl
- 16
- zweite
Lichtquelle
- 18
- Pilotstrahl
- 20
- Öffnung
- 22
- Öffnung
- 24
- Hohlraum
- 26
- dichroitischer
Spiegel
- 28
- Spiegel
- 30
- Durchbruch
- 32
- Kanal
- 34
- Einkoppelfläche
- 35
- Auskoppelfläche
- 36
- Umlenkspiegel
des Sendeteils
- 40
- Längsfläche
- 42
- Filter
- 44
- Eintrittsöffnung
- 46
- reflektierter
Messstrahl
- 48
- Innenstirnfläche
- 50
- Austrittsöffnung
- 52
- Umlenkspiegel
des Empfangsteils
- 54
- Detektor
- 56
- Durchbruch
- 58
- Längsfläche
- 60
- Längsfläche
- 62
- Längsfläche
- 64
- Außenstirnfläche