DE4445464A1 - Abtastvorrichtung - Google Patents
AbtastvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zum Ver
messen der Raumkoordinaten eines Objektes mit einer
Lichtquelle zum Aussenden eines Sendestrahls, mit einer
Ablenkeinrichtung, mit der der Sendestrahl auf das Ob
jekt lenkbar ist, und mit einem Detektor, mit dem ein
von dem Objekt zurückgeworfener Empfangsstrahl erfaßbar
ist, sowie mit einer Auswerteeinheit.
Derartige Abtastvorrichtungen sind vielfach, zum Bei
spiel aus der Offenlegungsschrift DE 33 15 576 A1, be
kannt. Bei dieser Abtastvorrichtung wird der von einem
Laser erzeugte Sendestrahl durch einen ersten ver
schwenkbaren Ablenkspiegel auf das zu vermessende Objekt
gelenkt. Ein zweiter verschwenkbarer Ablenkspiegel lenkt
einen Teil des vom zu vermessenden Objekt zurückgewor
fenen Sendestrahls auf einen Detektor, der an einer Aus
werteeinheit angeschlossen ist.
Derartige Abtastvorrichtungen werden allgemein zur Ent
fernungsmessung sowie insbesondere zur Vermessung von
dreidimensionalen Raumprofilen verwendet. In der Ver
kehrstechnik werden derartige Abtastvorrichtungen zur
Vermessung des Raumprofiles des freien, passierbaren
Raumes über einem Verkehrsweg wie beispielsweise einer
Straße oder einer Schienenstrecke benutzt. Im allge
meinen ist es von Vorteil, wenn diese Vermessung mit
hoher Geschwindigkeit erfolgt, so daß der Verkehrsweg
nicht über einen langen Zeitraum gesperrt bleiben muß.
Bei der Vermessung ist eine hohe räumliche Auflösung
erforderlich, um auch einzelne vorstehende, spitz zulau
fende Gegenstände, die in den freien, passierbaren Raum
über dem Verkehrsweg hineinragen, wie beispielsweise
einzelne Stangen oder Äste, zu erfassen. Um derartige
Gegenstände erfassen zu können, muß die Vermessung mit
einem Meßpunktraster, dessen Meßpunkte in einem Abstand
von wenigen Zentimetern zueinander liegen, durchgeführt
werden, selbst wenn die zu vermessenden Gegenstände von
der Mitte der Fahrbahn mehrere Meter entfernt sind.
Gleichzeitig ist die Entfernung auf wenige Zentimeter
genau zu bestimmen.
Gattungsgemäße Abtastvorrichtungen sind für eine derar
tige Vermessung nur bedingt geeignet, da sie aufgrund
der räumlichen Begrenzung des Strahlengangs durch die
mechanische Aufhängung der Ablenkspiegel nur das Ab
tasten in einem eingeschränkten Raumwinkelbereich
gestatten. Deshalb muß die zu vermessende Strecke bei
einer derartigen Abtastvorrichtung mehrmals durchfahren
werden, oder die Aufhängung der Spiegel muß bewegt
werden. Letzteres ist jedoch nur schwerlich mit der
erforderlichen Geschwindigkeit zu bewerkstelligen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er
findung die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung der
eingangs genannten Art zu schaffen, mit der es möglich
ist, Raumprofile rasch und mit hoher räumlicher
Auflösung zu vermessen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Abtastvorrichtung an einem Fortbewegungsmittel ange
bracht ist, mit dem eine Bewegung in eine Translations
richtung ausführbar ist, und daß ein sich außerhalb
eines Gehäuses der Abtastvorrichtung angeordneter Spie
gelrotor, der über einen rohrartigen Spiegelrotoransatz
in einer Paßöffnung in einer Wand des Gehäuses der Ab
tastvorrichtung drehbar gelagert und über eine Antriebs
einrichtung um eine Rotationsachse in Rotation versetz
bar ist, über ein Spiegelelement verfügt, mit dem der
entlang der Rotationsachse durch den Spiegelrotoransatz
in den Spiegelrotor eintretende Sendestrahl winklig zur
Rotationsachse zu einer Drehung um die Translationsrich
tung ablenkbar ist und mit dem der Empfangsstrahl im
Bereich des Spiegelrotoransatzes auf die Rotationsachse
ablenkbar ist.
Bei der Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung wird der
von einem Laser erzeugte Sendestrahl mit Hilfe des sich
drehenden Spiegelrotors winklig zur Rotationsachse abge
lenkt, so daß der Sendestrahl das Objekt in einem Win
kelbereich von 360 Grad abtastet. Durch gleichzeitiges
Bewegen der ganzen Abtastvorrichtung in Richtung der Ro
tationsachse mit Hilfe des Fortbewegungsmittels wird
beispielsweise im Inneren eines zylinderartigen Objektes
eine schraubenlinienförmige Abtastlinie gebildet. Bei
richtiger Wahl der Geschwindigkeit der Bewegung in
Translationsrichtung und der Drehzahl ergibt sich ein
Meßpunktraster, dessen Meßpunkte einen Abstand zuein
ander von wenigen Zentimetern aufweisen, und das Objekt
ist rasch und mit hoher räumlicher Auflösung abtastbar.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die Anordnung der op
tischen Bauelemente zueinander bei jeder Winkelstellung
erhalten bleibt. Die Abbildungseigenschaften der Abtast
vorrichtung sind dadurch unabhängig von der Winkelstel
lung des Spiegelrotors.
Bei Anwendungen, die eine Spiegelrotordrehzahl von
mehreren hundert Umdrehungen pro Sekunde erfordern, ist
es zweckmäßig, daß der Spiegelrotor über ein Spiegel
rotorgehäuse mit einer Gehäusestrahlöffnung verfügt,
durch die der Sendestrahl und der Empfangsstrahl hin
durchtreten und in die ein lichtdurchlässiger Glaskörper
eingebracht ist, und daß der lichtdurchlässige Glaskör
per und das Spiegelelement den Empfangsstrahl auf einen
Fokus auf der Rotationsachse im Bereich des Spiegelro
toransatzes fokussiert.
Mit dem Spiegelrotorgehäuse und dem die Gehäusestrahl
öffnung verschließenden Glaskörper erhält der Spiegel
rotor eine luftwiderstandsarme Verkleidung, so daß hohe
Rotationsgeschwindigkeiten erreichbar sind. Ferner ist
es durch die Fokussierung des Empfangsstrahls möglich,
sowohl den Sendestrahl als auch den Empfangsstrahl durch
einen schmalen Spiegelrotoransatz mit kleinem Durchmes
ser zu führen, so daß aufgrund der kleinen im Lager auf
tretenden Reibleistung eine hohe Drehzahl erzielbar ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine an einem Schienenfahrzeug angebrachte Ab
tastvorrichtung in einem Tunnel,
Fig. 2 eine Schnittansicht des mechanischen und op
tischen Aufbaus der Abtastvorrichtung und
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinheit.
Fig. 1 zeigt einen Tunnel 1, durch den ein Schienenfahr
zeug 2 auf Schienen 3 in Richtung eines die Transla
tionsrichtung anzeigenden Pfeils 4 hindurchfährt. Auf
dem Schienenfahrzeug 2 ist eine Abtastvorrichtung 5 an
gebracht, die mit Hilfe eines Lasers sowie einer Ablenk
einrichtung einen in einer Ebene quer zur Translations
richtung verlaufenden rotierenden Sendestrahl 6 erzeugt,
so daß der Sendestrahl 6 die Wand des Tunnels 1 mit
einer schraubenlinienförmigen Abtastlinie 7 abtastet.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht des mechanischen und op
tischen Aufbaus der Abtastvorrichtung 5. Die Abtastvor
richtung 5 weist einen drehbaren Spiegelrotor 8 mit
einem rohrartigen Spiegelrotoransatz 9 auf, der an einen
seitlichen Abschnitt eines Spiegelrotorgehäuses 10 ange
bracht ist. Der Spiegelrotoransatz 9 ist in einer mit
zwei Kugellagern 11 und 12 versehenen Paßöffnung 13
einer Wand 14 eines Gehäuses 15 der Abtastvorrichtung 5
gelagert. An dem Spiegelrotoransatz 9 sind Zahnradzähne
16 ausgebildet, die mit einem Treibriemen 17 in Eingriff
stehen, wobei der Treibriemen 17 in ein Zahnrad 18 ein
greift, das an einer Welle 19 eines als Antriebsmittel
dienenden drehzahlgeregelten Elektromotors 20 angebracht
ist, so daß der drehbare Spiegelrotor 8 um eine durch
den rohrartigen Spiegelrotoransatz 9 verlaufende Rota
tionsachse 21 drehbar ist.
An dem dem Inneren des Gehäuses 15 zugewandten Ende des
Spiegelrotoransatzes 9 ist eine Strichscheibe 22 ange
bracht, mit der zusammen mit einem Winkelmeßwertgeber 23
die Winkelstellung des Spiegelrotors 8 meßbar ist. Im
Inneren des Spiegelrotorgehäuses 10 befindet sich ein
Rotorspiegel 24, der in diesem Ausführungsbeispiel unter
einem Winkel von 45 Grad bezüglich der Rotationsachse 21
angeordnet ist, wobei mit dem Rotorspiegel 24 der Sende
strahl 6 und der von der Wand des Tunnels 1 zurücklau
fende Empfangsstrahl 25 um einen Winkel von 90 Grad ab
lenkbar sind. Im Spiegelrotorgehäuses 10 ist eine
Strahlöffnung 26 vorgesehen, in die eine Sammellinse 27
mit einer zentrischen Ausnehmung 28 eingesetzt ist. Die
Sammellinse 27 schließt die Strahlöffnung 26 ab und
minimiert den infolge der Rotation des Spiegelrotors 8
auftretenden Luftwiderstand.
Auf der Rotationsachse 21 des Spiegelrotors 8 ist in dem
Gehäuse 15 der Abtastvorrichtung 5 gemäß Fig. 2 ein als
Lichtquelle dienender Laser 29 vorgesehen, der den Sen
destrahl 6 in Richtung des oben genannten Rotorspiegels
24 auf der Rotationsachse 21 aussendet. Zwischen dem
Laser 29 und dem Spiegelrotor 8 ist ein unter einem
Winkel von. 45 Grad bezüglich der Rotationsachse 21
angeordneter Trennspiegel 30 und eine Trennspiegellinse
31 angeordnet. Sowohl der Trennspiegel 30 als auch die
Trennspiegellinse 31 weisen auf der Rotationsachse 21
angeordnete Ausnehmungen 32 und 33 auf. Durch die dem
Empfangsstrahl 25 zugewandte Trennspiegelfläche des
Trennspiegels 30 ist der Empfangsstrahl 25 von der
Rotationsachse 21 auf eine Detektorstrahlachse 34
umlenkbar. Die Detektorstrahlachse 34 führt zu einem
Detektor 35, mit dem über eine Detektorlinse 36 der
Empfangsstrahl 25 detektierbar ist.
Bei der Abtastvorrichtung 5 gemäß Fig. 2 dreht der
Elektromotor 20 den Spiegelrotor 8 gleichmäßig um die
Rotationsachse 21. Der Sendestrahl 6 tritt durch die
jeweiligen Ausnehmungen 32 und 33 des feststehenden
Trennspiegels 30 und der Trennspiegellinse 31 hindurch
und tritt durch den Spiegelrotoransatz 9 in den Spiegel
rotor 8 ein, in dem er durch den Rotorspiegel 24 um 90
Grad abgelenkt ist und über die Ausnehmung 28 der Sam
mellinse 27 auf das zu vermessende Objekt gelenkt ist.
Ein Teil des von dem zu vermessenden Objekt zurückgewor
fenen Sendestrahls 6 tritt durch die in der Strahl
öffnung 26 angeordnete Sammellinse 27 in den Spie
gelrotor 8 ein und bildet den Empfangsstrahl 25. Dabei
ist der Querschnitt des Empfangsstrahls 25 durch die
Abmessungen der Strahlöffnung 26 bestimmt. Die Sammel
linse 27 fokussiert den Empfangsstrahl 25 auf einen
Fokus 37. Durch den Rotorspiegel 24 ist der Empfangs
strahl 25 um 90 Grad abgelenkt, so daß der Fokus 37 des
Empfangsstrahls 25 auf der Rotationsachse 21 im Bereich
des Spiegelrotoransatzes 9 zu liegen kommt. In Richtung
des Inneren des Gehäuses 15 der Abtastvorrichtung 5 wei
tet sich der Empfangsstrahl 25 bis zu der den Empfangs
strahl 25 kollimierenden Trennspiegellinse 31 zu seinem
bei der Strahlöffnung 26 vorhandenen Querschnitt auf,
woraufhin der feststehende Trennspiegel 30 den Empfangs
strahl 25 um 90 Grad in Richtung der Detektorstrahl
achse 34 umlenkt. Die Detektorlinse 36 fokussiert
schließlich den Empfangsstrahl 25 auf die Detektions
fläche des Detektors 35.
Da die Abtastvorrichtung 5 im Spiegelrotor 8 mit einem
Rotorspiegel 24 ausgestattet ist, der den Sendestrahl 6
und den Empfangsstrahl 25 parallel zueinander rechtwink
lig bezüglich der Rotationsachse 21 ablenkt, gestattet
eine Rotation des Spiegelrotors 8 um die Rotationsachse
21 um 360 Grad ein Aussenden des von dem Spiegelrotor 8
ausgesendeten Sendestrahls 6 über die gesamte Umfangs
fläche des zu vermessenden Objektes. Bei dieser Ausge
staltung der Erfindung gestattet das Einstellen der
Fahrgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs 2 ein Über
streichen der gesamten Wandoberfläche des Tunnels 1 mit
einem Raster, dessen Rasterpunkte im Abstand von wenigen
Zentimetern nebeneinander liegen.
Die Vermessung kann dabei mit einer Fahrgeschwindigkeit
in Translationsrichtung von 5 bis 15 Kilometern erfol
gen, da mit der Abtastvorrichtung 5 gemäß der Erfindung
hohe Drehzahlen des Spiegelrotors 8 im Bereich von 100
bis 200 Umdrehungen pro Sekunde möglich sind. Die Sam
mellinse 27 schließt die Strahlöffnung 26 nach außen ab
und schafft dadurch eine Oberfläche mit geringem Luft
widerstand. Weiterhin verkleinert die Sammellinse 27
durch die Fokussierung des Empfangsstrahls 25 auf den
Fokus 37 den für den Strahldurchgang des Empfangsstrahls
25 erforderlichen Innendurchmesser des Spiegelrotoran
satzes 9. Damit lassen sich für die Lagerung des Spie
gelrotoransatzes 9 in der Paßöffnung 13 die für hohe
Drehzahlen geeigneten Lager 11 und 12 mit geringen
Durchmessern verwenden.
Gleichzeitig ist es durch die Fokussierung des Empfangs
strahls 25 möglich, die Abmessungen der Strahlöffnung 26
verhältnismäßig groß zu halten und damit eine hohe
Strahlungsleistung des Empfangsstrahls 25 zu erzielen.
Da bei manchen Anwendungen, wie beispielsweise der Un
tersuchung von Tunneln 1, die Reflektivität durch den
auf der Wand des Tunnels 1 abgelagerten Schmutz unter
fünf Prozent liegt, ist eine große Strahlöffnung 26 und
damit eine hohe Strahleistung im Empfangsstrahl 25
Voraussetzung für ein ausreichendes Signal-zu-Rausch-
Verhältnis auch bei hohen Drehzahlen. Die häufig anzu
treffende niedrige Reflektivität des zu vermessenden
Objektes setzt andererseits auch eine genügend hohe
Strahleistung im Sendestrahl 6 voraus, damit sich auch
bei hohen Drehzahlen eine genügend große Meßgenauigkeit
ergibt. Aus diesem Grunde sind der Trennspiegel 30, die
Trennspiegellinse 31 und die Sammellinse 27 jeweils mit
Ausnehmungen 28, 32 und 33 versehen, um Transmissions-
und Reflexionsverluste zu vermeiden und um so einerseits
einen kompakten Laser 29 mit geringer Leistungsaufnahme
verwenden zu können und um andererseits eine ausreichend
große Strahlungsleistung im Sendestrahl 6 zu erzielen.
Fig. 3 zeigt neben einem Blockschaltbild einer Auswerte
einheit eine weitere, abgewandelte Ausgestaltung des
mechanischen und optischen Aufbaus der Abtastvorrichtung
5. In Fig. 3 erkennt man neben dem Rotorspiegel 24 und
der Detektorlinse 36 die schematisch angedeuteten Lager
11 und 12 sowie den Elektromotor 20 und den Winkelmeß
wertgeber 23. Im Unterschied zu dem in Fig. 2 gezeigten
optischen und mechanischen Aufbau ist der Detektor 35
auf der Rotationsachse 21 angeordnet, während der von
dem Laser 29 erzeugte Sendestrahl 6 durch einen Ein
blendspiegel 38, dessen Spiegelflächenabmessungen we
sentlich kleiner als der Durchmesser des Empfangsstrahls
25 am Ort des Einblendspiegels 38 sind, auf die Rota
tionsachse 21 ausgerichtet ist.
Die in Fig. 3 dargestellte Auswerteeinheit arbeitet nach
dem Prinzip des Laserradars, bei dem die Intensität des
Sendestrahls 6 moduliert wird und die Entfernung eines
den Sendestrahl 6 zurückwerfenden Objektes über die
Phasenverschiebung der Modulationsphase des Empfangs
strahls 25 gegenüber der Modulationsphase des Sende
strahls 6 bestimmt wird.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausgestaltung der Aus
werteeinheit wird die Intensität des Sendestrahls 6 mit
Hilfe einer Laserregelung 39 mit einer Frequenz im Be
reich von einigen Megahertz moduliert. Gleichzeitig er
zeugt die Laserregelung 39 ein Referenzsignal, dessen
Frequenz mit der Modulationsfrequenz übereinstimmt und
das einem Synchrongleichrichter 40 zugeführt ist. Wei
terhin ist dem Synchrongleichrichter 40 das von einem
Detektorverstärker 41 erzeugte Detektorsignal des Detek
tors 35 zugeführt. Der Synchrongleichrichter 40 erzeugt
Ausgangssignale, die den Produkten der Modulationsampli
tude der Intensität des Detektorsignals mit dem Sinus
und Kosinus der Phasenverschiebung der Modulationsphase
des Detektorsignals gegenüber der Modulationsphase des
Referenzsignals proportional sind. Die Ausgangssignale
dem Synchrongleichrichters 40 sind über einen Analog-
Digital-Wandler 42 einem Signalprozessor 43 zugeführt,
der aus diesen Signalen einen der Modulationsamplituden
des Empfangsstrahls 25 proportionalen Modulationsampli
tudenwert sowie aus der Phasenverschiebung die Entfer
nung eines den Sendestrahl 6 zurückwerfenden Punktes des
Tunnels 1 von der Rotationsachse 21 berechnet.
Daneben empfängt der Signalprozessor 43 von einem Win
kelmeßwertwandler 44, der den Analog-Digital-Wandler 42
taktet, einen Winkelwert. Weiterhin erhält der Signal
prozessor 43 über einen Wegmeßwertwandler 45 einen von
einem in der Nähe eines Rades 46 des Schienenfahrzeuges
2 angebrachten Wegmeßwertgeber 47 einen Wegewert, der
für die Länge der von dem Schienenfahrzeug 2 zurückge
legten Strecke kennzeichnend ist. Ein Entfernung, Mo
dulationsamplitudenwert des Empfangsstrahls 25, Winkel
stellung und Wegwert umfassender Datensatz wird vom Sig
nalprozessor 43 in einem Speichermedium 48 gespeichert.
Der Signalprozessor 43 selbst ist mit einem Rechner 49
verbunden, der den Signalprozessor 43 initialisiert und
seinen Betriebszustand überwacht. Daneben übernimmt der
Rechner 49 auch die Steuerung der Laseregelung 29 sowie
einer Motorregelung 50 für den Elektromotor 20.
Insbesondere übergibt der Rechner 49 dem Signalprozessor
43 bei Beginn der Vermessung die vom Signalprozessor 43
für die Berechnung der Entfernung als additive Kompo
nente benutzte instrumentelle Phasenverschiebung, die
auf der Phasenverschiebung aufgrund des Strahlengangs
des Sendestrahls 6 und des Empfangsstrahls 25 innerhalb
der Abtastvorrichtung 5 und aufgrund der Phasenverschie
bungen in den elektronischen Bauteilen beruht. Bei einer
abgewandelten Ausgestaltung der Auswerteeinheit wird die
instrumentelle Phasenverschiebung durch eine entsprech
ende Phasenverschiebung der Modulationsphase des in der
Laserregelung 39 erzeugten Referenzsignals gegenüber der
Modulationsphase des Sendestrahls 6 kompensiert.
Der vom Signalprozessor 43 errechnete Modulationsampli
tudenwert der Intensität des Sendestrahls 6 läßt sich
zur Überprüfung der Winkelmessung verwenden. Falls der
Sendestrahl 6 auf eine der beiden im Vergleich zur Wand
des Tunnels 1 gut reflektierenden Schienen 3 trifft, ist
der gemessene Modulationsamplitudenwert des Empfangs
strahls 25 besonders groß. Da der Winkelbereich, den die
Schienen 3 vom Spiegelrotor 8 aus gesehen einnehmen, be
kannt ist, läßt sich mit Hilfe dieser Amplitudenspitzen,
der Winkelmeßwert überprüfen und gegebenenfalls korri
gieren.
Um eine Absolutmessung der Entfernung mit hoher Genauig
keit zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, die Intensität
des Sendestrahls 6 mit zwei Frequenzen zu modulieren.
Dabei wird die niederfrequente Modulation zu einer Grob
messung der Entfernung verwendet, und die hochfrequente
Modulation wird für eine Feinmessung benutzt. Für eine
eindeutige Absolutmessung wird die Frequenz der nieder
frequenten Modulation zweckmäßigerweise so gewählt, daß
die vom Licht in einer Modulationsperiode zurückgelegte
Entfernung der Länge des Weges von dem Laser 29 zu dem
am weitesten entfernten zu vermessenden Objektpunkt und
vom Objektpunkt zum Detektor 35 zurück entspricht. Im
beschriebenen Ausführungsbeispiel moduliert die Laser
regelung 39 die Intensität des Sendestrahls 6 mit 10
Megahertz und 80 Megahertz. Aus der niederfrequenten
Modulation ergibt sich damit bei einer Phasenmeßgenau
igkeit von 2 Grad über eine Entfernung von 15 Meter eine
Grobmessung mit einer Auflösung von 10 Zentimetern,
während sich aus der hochfrequenten Modulation bei der
gleiche Phasenmeßgenauigkeit eine Feinmessung mit einer
Genauigkeit 1 Zentimeter ergibt.
Da durch vorstehende Gegenstände innerhalb kürzester
Zeit große Phasensprünge auftreten können, hat die
Verwendung von zwei Modulationsfrequenzen den Vorteil,
daß bei Phasensprüngen innerhalb einer niederfrequenten
Modulationsperiode die Mehrdeutigkeit der Feinmessung
behebbar ist.
Eine derartige Abtastvorrichtung 5 ist auch dazu ver
wendbar, andere Raumprofile wie beispielsweise Raum
profile von Straßentunneln, Druckstollen, Rohrleitungen
oder Kanälen zu vermessen. Je nach Anwendungsfall ist
dabei die Abtastvorrichtung 5 an einem Schienenfahrzeug,
Straßenfahrzeug, Führungsarm oder anderem Fortbewegungs
mittel, das in der Lage ist, mit der Abtastvorrichtung 5
eine Translationsbewegung auszuführen, angebracht. Häu
fig ist jedoch bei derartigen Anwendungen die genaue
Bahn des Fortbewegungsmittels und damit die Bahn des
Spiegelrotors 8 nicht bis auf Zentimeter genau bekannt.
Eine Straßenfahrzeug kann beispielsweise nur schwer auf
einer bestimmten Spur gehalten werden. Ist jedoch ent
lang der Bahn des Fortbewegungsmittels eine gegenüber
der Umgebung besonders gut reflektierende Markierung wie
beispielsweise ein Mittenstreifen in der Straßenmitte
einer Straße vorhanden, dann ergibt sich jedesmal, wenn
der Sendestrahl 6 die Markierung überstreicht, ein An
stieg der gemessene Modulationsamplitude des Empfangs
strahls 25. Ist die Lage dieser Markierung bekannt, dann
ist aus der dann gemessenen Entfernung und Winkelstel
lung die Trajektorie des Fortbewegungsmittels bestimm
bar. Insofern bietet die Abtastvorrichtung 5 gemäß der
Erfindung nicht nur die Möglichkeit, die Entfernung des
Objektes bezüglich einer bekannten Bahn der Abtastvor
richtung zu bestimmen, sondern auch die Möglichkeit, die
genauen Koordinaten der Trajektorie in bezug auf das
Objekt zu bestimmen.
Abschließend sei angemerkt, daß mit der Abtastvorrich
tung 5 nicht nur Raumprofile vermessen lassen, sondern
daß durch eine Auswertung der errechneten Modulations
amplitudenwerte auch ein Bild des zu vermessenden
Objektes herstellbar ist.
Claims (16)
1. Abtastvorrichtung zum Vermessen der Raumkoordinaten
eines Objektes (1) mit einer Lichtquelle zum Aus
senden eines Sendestrahls (6), mit einer Ablenkein
richtung, mit der der Sendestrahl (6) auf das Objekt
(1) lenkbar ist, und mit einem Detektor (35), mit
dem ein von dem Objekt (1) zurückgeworfener Em
pfangsstrahl (25) erfaßbar ist, sowie mit einer Aus
werteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab
tastvorrichtung (5) an einem Fortbewegungsmittel (2)
angebracht ist, mit dem eine Bewegung in eine Trans
lationsrichtung (4) ausführbar ist, und daß ein sich
außerhalb eines Gehäuses (15) der Abtastvorrichtung
(5) angeordneter Spiegelrotor (8), der über einen
rohrartigen Spiegelrotoransatz (9) in einer Paßöf
fnung (13) in einer Wand (14) des Gehäuses der Ab
tastvorrichtung (5) drehbar gelagert und über eine
Antriebseinrichtung (20) um eine Rotationsachse (21)
in Rotation versetzbar ist, über ein Spiegelelement
(24) verfügt, mit dem der entlang der Rotationsachse
(21) durch den Spiegelrotoransatz (9) in den Spie
gelrotor (8) eintretende Sendestrahl (6) winklig zur
Rotationsachse (21) zu einer Drehung um die Transla
tionsrichtung (4) ablenkbar ist und mit dem der Em
pfangsstrahl (25) im Bereich des Spiegelrotoran
satzes (9) auf die Rotationsachse (21) ablenkbar
ist.
2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Rotationsachse (21) zur Transla
tionsrichtung (4) parallel ist und daß das Spiegel
element (24) den Sendestrahl (6) rechtwinklig zur
Rotationsachse (21) aussendet.
3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Spiegelrotor (8) über ein
Spiegelrotorgehäuse (10) mit einer Gehäusestrahl
öffnung (26) verfügt, durch die der Sendestrahl (6)
und der Empfangsstrahl (25) hindurchtreten und in
die ein lichtdurchlässiger Glaskörper (27) einge
bracht ist.
4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der lichtdurchlässige Glaskörper (27)
und das Spiegelelement (24) den Empfangsstrahl (25)
auf einen Fokus (37) auf der Rotationsachse (21) im
Bereich des Spiegelrotoransatzes (9) fokussieren.
5. Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Glaskörper (27) eine Sendestrahl
öffnung (28) aufweist, durch die der Sendestrahl (6)
hindurchtritt, wobei der Durchmesser des Sende
strahls (6) wesentlich kleiner als der Durchmesser
der Gehäusestrahlöffnung (28) ist.
6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Spiegelelement ein ebener Rotor
spiegel (24) ist und daß der lichtdurchlässige Glas
körper eine Sammellinse (27) ist.
7. Abtastvorrichtung nach einem der vorstehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Innern
des Gehäuses (10) der Abtastvorrichtung (5) im ge
meinsamen Strahlengang des Sendestrahls (6) und des
Empfangsstrahls (25) ein Trennspiegelelement (30,
38) befindet, das an einem Ort angeordnet ist, an
dem die Abmessungen des Querschnitts des Empfangs
strahls (25) wesentlich größer als die Abmessungen
des Querschnitts des Sendestrahls (6) sind, und das
auf die Spiegelfläche einfallendes Licht seitlich
bezüglich der Achse (21) des gemeinsamen Strahlen
gangs des Sendestrahls (6) und des Empfangsstrahls
(25) ablenkt.
8. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abmessungen der Spiegelfläche des
Trennspiegelelements (30) in etwa gleich den Abmes
sungen des auf die Trennspiegelfläche einfallenden
Empfangsstrahls (25) sind und daß das Trennspiegel
element (30) an dem Ort, an dem der Sendestrahl (6)
auf das Trennspiegelelement (30) trifft, eine Trenn
spiegelöffnung (32) aufweist, durch die der Sende
strahl (6) hindurchtritt.
9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abmessungen der Spiegelfläche des
Trennspiegelelements (38) in etwa gleich den Abmes
sungen des auf das Trennspiegelelement (38) einfal
lenden Sendestrahls (6) sind.
10. Abtastvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das Trennspiegelelement ein
flacher Trennspiegel (30, 38) ist.
11. Abtastvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine im Strahlengang des Empfangs
strahls (25) nach dem Trennspiegel (30) angeordnete
Detektorlinse (36) den Empfangsstrahl (25) auf den
Detektor (35) fokussiert.
12. Abtastvorrichtung nach einem der vorstehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle
ein Laser (29) ist, daß eine Laserregelung (39) die
Intensität des Sendestrahls (6) mit wenigstens einer
Frequenz moduliert und Referenzsignale erzeugt, und
daß ein von dem Detektor (35) erzeugtes Detektor
signal einer Synchrongleichrichtereinheit (40) zuge
führt ist, die mit Hilfe der von der Laserregelung
(39) erzeugten Referenzsignale analoge Ausgangssig
nale erzeugt, die proportional zu den Produkten der
Modulationsamplituden der Intensität des Empfangs
strahls (25) mit dem Sinus und Kosinus der Phasen
verschiebungen der Modulationsphasen des Detektor
signals gegenüber den Modulationsphasen der Refe
renzsignale sind, wobei die analogen Ausgangssignale
über einen Analog-Digital-Wandler (42) einem Signal
prozessor (43) zur Bestimmung von Modulationsampli
tudenwerten und zur Berechnung der Entfernung eines
den Sendestrahl (6) zurückwerfenden Punktes des Ob
jektes (1) bezüglich der Rotationsachse zugeführt
sind.
13. Abtastvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Intensität des Sendestrahls (6)
mit zwei Frequenzen moduliert ist.
14. Abtastvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Winkelmeßwertgeber (23) zu
sammen mit einem Winkelmeßwertwandler (44) einen
Wert des Rotationswinkels des Spiegelrotors (8) be
stimmt, wobei der Wert des Rotationswinkels dem Sig
nalprozessor (43) zugeführt ist.
15. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wegmeßwertgeber
(47) zusammen mit einem Wegmeßwertwandler (45) eine
Weglänge des von der Abtastvorrichtung (5) in Trans
lationsrichtung (4) zurückgelegten Weges mißt, wobei
ein Wert der Weglänge dem Signalprozessor (43) zuge
führt ist.
16. Abtastvorrichtung nach Anspruch 14 und 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (43) die
errechnete Entfernung und Modulationsamplitude des
Empfangsstrahls (25) zusammen mit dem Wert des Rota
tionswinkels und der Weglänge in einem Speicher
medium (48) speichert.
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