用於對環境進行光學掃描和測量的設備的製作方法
2023-11-04 02:41:22 1
專利名稱：用於對環境進行光學掃描和測量的設備的製作方法
用於對環境進行光學掃描和測量的設備本發明涉及一種具有權利要求1的上位術語的特徵的設備。藉助於例如像從DE 202006005643U1已知的且被設計成雷射掃描儀的設備，可以對雷射掃描儀的環境進行光學掃描和測量。旋轉的並且被設計成金屬轉子的拋光板的旋轉鏡使發射光束和接收光束兩者偏轉。光發射器的準直器位於接收器透鏡的中心。接收器透鏡在光接收器上再現接收光束，在接收器透鏡後面在光軸上布置該光接收器。為了獲得另外的信息，在雷射掃描儀上安裝獲取RGB信號的行掃描攝像機，使得掃描的測量點可以通過顏色信息來完成。本發明基於以下目的創建引言中提到的類型的設備的替代。此目的是根據本發明藉助於包括權利要求1的特徵的方法而實現的。從屬權利要求涉及有利的配置。由於在接收器透鏡後面在光軸上設置有後鏡的事實，該後鏡朝向接收器透鏡反射已被接收器透鏡折射的接收光束，所以可以更好地利用可用空間。為了完成「摺疊式光學系統」，優選地，在接收器透鏡與後鏡之間設置中心鏡，該中心鏡朝向後鏡反射接收光束。鏡的適合形式支持聚焦，其中，仍然可以增大展開的光學系統的焦距。中心鏡可以用於通過減小相比遠場的近場的強度來進行近場校正，正如另外的遮蔽件一樣。空間的進一步節省是由光接收器的關於接收器透鏡的光軸徑向的布置(在由光軸限定的圓柱坐標系中)引起的。彩色攝像機關於旋轉鏡在同一側在接收器透鏡的光軸上的布置具有幾乎完全避免視差的優點，這是由於光接收器和彩色攝像機在旋轉鏡的同一側且從相同的視角拍攝環境。此外，可以對旋轉鏡使用相同的機制。旋轉鏡的使用側也是相同的。被旋轉鏡反射的接收光束平行於接收器透鏡的光軸行進並且連續地照射在所述接收器透鏡上。優選地，接收器透鏡代替光接收器，使得不存在遮蔽效應的變化。為了能夠再次饋送發射光束，優選地提供了彩色攝像機的前面的發射鏡，該發射鏡對於發射光束是反射的，而對於彩色攝像機是透明的。作為混合結構(S卩，作為不同材料的多元件結構)的轉子的設計允許以下短設計該短設計與旋轉鏡的傾斜無關地保持平衡。金屬支架、塗覆玻璃的旋轉鏡和塑性外殼的組合是優選的，然而，其他組合也是可以的。關於質量佔支配地位的支架使得平衡成為可能，同時外殼用作意外接觸保護。轉子部件之間的膠在不削弱動態行為的情況下使得膨脹的不同溫度係數的平衡成為可能。下面，基於附圖中示出的示例性實施例更詳細地說明本發明，其中
圖1示出了雷射掃描儀的局部截面視圖，圖2示出了雷射掃描儀的示意圖，以及圖3示出了轉子支架的透視圖。提供了一種雷射掃描儀10，作為用於對雷射掃描儀10的環境進行光學掃描和測量的設備。雷射掃描儀10具有測量頭12和底座14。測量頭12安裝在底座14上，作為可以關於豎直軸線旋轉的元件。測量頭12具有可以關於水平軸線旋轉的旋轉鏡16。把兩條旋轉軸線的交點指定為雷射掃描儀10的中心C1(l。測量頭12還設置有用於射出發射光束18的光發射器17。優選地，發射光束18是在大約340nm到1600nm的波長範圍內的雷射束，例如790nm、905nm或小於400nm，然而原則
上也可以使用具有例如更大波長的其它電磁波。發射光束18例如通過正弦波形或矩形波形調製信號進行幅度調製。發射光束18由光發射器17發射到旋轉鏡16上，其中發射光束18在旋轉鏡16被偏轉並發射到環境中。在環境中被物體0反射或被散射的接收光束20再次被旋轉鏡16捕獲，被偏轉和導向到光接收器21上。發射光束18和接收光束20的方向是由旋轉鏡16和測量頭12的角位置造成的，旋轉鏡16和測量頭12的角位置取決於它們的對應旋轉驅動器的位置，旋轉驅動器的位置進而均由一個編碼器來配準。控制與評估單元22具有到測量頭12中的光發射器17和光接收器21的數據連接，由此控制與評估單元22的部件還可以布置在測量頭12的外部，例如連接到底座14的計算機。控制與評估單元22針對多個測量點X，根據發射光束18和接收光束20的傳播時間確定雷射掃描儀10與物體0(物體0處的照射點)之間的距離d。為此目的，確定和評估兩個光束18和20之間的相移。藉助於鏡16的(快速)旋轉沿著圓周進行掃描。藉助於測量頭12相對於底座14的(緩慢)旋轉，通過上述圓周逐步地掃描整個空間。這種測量的測量點X的實體被指定為掃描。對於這種掃描，雷射掃描儀10的中心Cltl限定了局部靜止參考系的原點。底座14安置在此局部靜止參考系中。除了到雷射掃描儀10的中心Cltl的距離d之外，每個測量點X包括同樣由控制與評估單元22確定的亮度信息。亮度值是例如通過光接收器21的帶通濾波和放大的信號在歸屬於測量點X的測量時段上的積分而確定的灰階(gray-tone)值。對於特定應用，希望具有除了灰階值之外的顏色信息。因此，雷射掃描儀10還設置有也連接到控制與評估單元22的彩色攝像機23。彩色攝像機23例如被設計為CCD攝像機或CMOS攝像機，並且為實空間中的二維圖片提供在顏色空間中是三維的信號，優選地是RGB信號。控制與評估單元22將雷射掃描儀10的掃描(在實空間中是三維的)與彩色攝像機23的彩色圖片(在實空間中是二維的)關聯，這樣的處理被稱作「映射」。對於已經拍攝的彩色圖片中的任何圖片，逐個圖片地進行關聯，以便對掃描的每個測量點X給出顏色(按RGB份額)，即對掃描進行著色，作為最終結果。以下詳細描述測量頭12。被旋轉鏡16反射的接收光束16照射在優選為平凸的球面接收器透鏡30上，在本發明中，接收器透鏡30具有幾乎半球形的形狀。接收器透鏡30的光軸A朝向雷射掃描儀的中心Cltl高折射接收器透鏡30的凸側朝向旋轉鏡16。在旋轉鏡16的與接收器透鏡30的相同側上並且在其光軸A上布置彩色攝像機23 ；在本發明中，彩色攝像機23被布置在接收器透鏡30的與旋轉鏡16最靠近的點上。彩色攝像機23可以固定在接收器透鏡30的(未處理的)表面上，例如，可以膠合在該表面上，或放置在接收器透鏡30的適當的凹入部分中。在彩色攝像機23的前面，即更靠近旋轉鏡16，布置二色性的發射鏡32，即，在本發明中發射鏡32透射可見光並且反射(紅色)雷射。因此，發射鏡32對於彩色攝像機23是透明的，即，發射鏡32提供了到旋轉鏡16上的清晰視界。發射鏡32與接收器透鏡30的光軸A成一個角度，使得光發射器17可以布置在接收器透鏡30的所述側。包括雷射二極體和準直器的光發射器17將發射光束18發射到發射鏡32上，發射光束18然後從發射鏡32投射到旋轉鏡16上。為了拍攝彩色圖片，旋轉鏡16緩慢且逐步地旋轉，為了進行掃描，旋轉鏡16快速(lOOcps)且連續地旋轉。旋轉鏡16的機制保持相同。由於彩色攝像機23在接收器透鏡30的光軸A上的布置，掃描與彩色圖片之間實際上不存在視差。由於在已知的雷射掃描儀中光發射器17 (及其連接)被布置來替代彩色攝像機23(以及其連接，例如柔性印刷電路板)，因此由於彩色攝像機23(以及發射鏡32)而產生的接收器透鏡30的遮蔽效應沒有改變或僅不明顯地改變。一方面，為了也以大焦距配準遠處的測量點X，另一方面，為了需要小空間，雷射掃描儀10具有「摺疊式光學系統」。為此目的，在接收器透鏡30後面在光軸A上布置遮蔽件42，該遮蔽件被定向成與光軸A同軸。遮蔽件42 (參考光軸A)徑向向內地具有(大的)自由區域，以使被遠處物體0反射的接收光束20無阻礙地通過，而遮蔽件42徑向向外地具有(較小的)遮蔽區域，以減小被近處物體0反射的接收光束20的強度，使得能夠得到可比較的強度。在遮蔽件42後面在光軸A上布置後鏡43，該後鏡是平面的並且垂直於光軸A。該後鏡43將被接收器透鏡30折射且照射在中心鏡44上的接收光束20反射。在光軸A上在遮蔽件42的中心布置中心鏡44，彩色攝像機23 (以及發射鏡3 遮蔽中心鏡44。中心鏡44是非球面鏡，其用作負透鏡(即，增大焦距)並且用作近場校正透鏡(即，使被近處物體0反射的接收光束20的焦點位移)。此外，僅由接收光束20中的通過布置在中心鏡44上的遮蔽件42的該部分來提供反射。中心鏡44將通過中心孔口照射在後鏡43的後面的接收光束20反射。在後鏡43的後面布置光接收器21，光接收器21包括入口光圈、帶有濾波器的準直器、聚光透鏡和檢測器。為了節省空間，優選地，提供了使接收光束20偏轉了 90°的接收鏡45，使得可以關於光軸A徑向地布置光接收器21。利用摺疊式光學系統，焦距相對於已知的雷射掃描儀可以是大約兩倍。作為二維結構的旋轉鏡16是轉子61的部分，轉子61可以作為三維結構由相應的旋轉驅動器來轉動，並且轉子61的角位置由指定的編碼器測量。為了還節省關於旋轉鏡16的空間(歸因於轉子61的短設計)並且保持轉子61平衡，轉子61被設計成混合結構，包括支架63、安裝在支架63處的旋轉鏡16、以及由塑性材料製成的外殼65，該外殼另外保持旋轉鏡16。金屬支架63具有帶有45°表面和各種凹入部分的圓柱體的基本形狀。材料的部分(例如葉片、軸肩和突出部)保持在這些凹入部分之間，其中每個部分均用來平衡轉子61。中心孔用於安裝指定的旋轉驅動器的電機軸。旋轉鏡16由被塗覆的且在相關波長範圍內反射的玻璃製成。旋轉鏡16通過膠固定在支架63的45°表面處，為此目的，優選地，支架63處設置有特定的附著表面63b。由塑性材料製成的外殼65具有中空圓柱體的形狀，該中空圓柱體被切割成45°以下並且至少包圍支架63。外殼65可以膠著到旋轉鏡16或者被固定到旋轉鏡16。若需要的話，通過橡膠密封等的介入，外殼65可以(優選地以形狀鎖定的方式)在其外周處扣住旋轉鏡16。外殼65還可以膠著至支架63或直接固定至支架63，或者通過轉子61的安裝，外殼65可以優選地藉助於端板67連接至支架63，例如螺紋緊固至支架63。所使用的膠一方面必須補償所使用的材料的膨脹的不同溫度係數，另一方面使得動態行為不受影響，例如表現出不太大的彈性，以避免速度相關的不平衡。
轉子61關於光軸A旋轉。旋轉鏡16在支架63的一個面(S卩，在45°表面上)上覆蓋支架63。外殼65(關於光軸A)在外部徑向地覆蓋支架63。因此，可以覆蓋支架63的銳利邊緣以防止損傷。支架63使轉子61平衡。支架63可以由其它支配慣性矩的重質材料製成，來替代金屬。外殼65還可以由對慣性矩具有很小的影響的其它輕質材料製成，來替代塑性材料。旋轉鏡16另外可以是反射的(和透明的)，來替代被塗覆的玻璃。被設計成混合結構的旋轉鏡16、支架63以及外殼65是被固定在一起的分開形成的部件。附圖標記列表
10雷射掃描儀
12測量頭
14底座
16旋轉鏡
17光發射器
18發射光束
20接收光束
21光接收器
22控制與評估單元
23彩色攝像機
30接收器透鏡
32發射鏡
42遮蔽件
43後鏡
44中心鏡
45接收鏡
61轉子
63支架
63b附著表面
65外殼
67端板
A(接收器透鏡的)
ClO雷射掃描儀的中心
d距離
0物體
X測量點
權利要求
1.一種用於對環境進行光學掃描和測量的設備，所述設備被設計為雷射掃描儀(10)，所述雷射掃描儀(10)具有光發射器(17)，所述光發射器(17)藉助於旋轉鏡(16)射出發射光束(18)；光接收器(21)，接收光束00)被所述光接收器接收，所述接收光束OO)在通過所述旋轉鏡(16)和具有光軸(A)的接收器透鏡(30)之後從所述雷射掃描儀(10)的環境中的物體(0)反射，或被散射；以及控制與評估單元(22)，所述控制與評估單元02)針對多個測量點(X)確定到所述物體(0)的距離，其特徵在於，在所述接收器透鏡(30)後面在所述光軸(A)上設置後鏡(43)，所述後鏡朝向所述接收器透鏡(30)反射已被所述接收器透鏡(30)折射的所述接收光束00)。
2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述後鏡具有平面設計。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其特徵在於，在所述接收器透鏡(30)與所述後鏡(43)之間在所述光軸(A)上設置遮蔽件(42)，所述遮蔽件將所述接收光束00)中的相對於所述光軸(A)徑向在外的部分遮蔽。
4.根據前述權利要求中任一項所述設備，其特徵在於，在接收器透鏡(30)與後鏡03)之間在所述光軸(A)上設置中心鏡(44)，所述中心鏡朝向所述後鏡反射已被所述後鏡(43)反射的所述接收光束00)。
5.根據權利要求3和4所述的設備，其特徵在於，所述中心鏡04)被布置在所述遮蔽件0 的中心，所述中心鏡具體地被所述接收器透鏡(30)前面或所述接收器透鏡(30)中的彩色攝像機和/或發射鏡(3 和/或所述光發射器(17)遮蔽。
6.根據權利要求4或5所述的設備，其特徵在於，所述中心鏡04)被非球面地設計。
7.根據權利要求4至6中任一項所述的設備，其特徵在於，被所述中心鏡04)反射的所述接收光束00)穿過所述後鏡的中心孔口。
8.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其特徵在於，在所述後鏡G4)後面在所述光軸(A)上設置接收鏡(45)，所述接收鏡0 使所述接收光束OO)偏轉並且將所述接收光束OO)發射至所述光接收器上。
9.根據權利要求8所述的設備，其特徵在於，關於所述光軸(A)徑向地布置所述光接收器 01)。
10.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其特徵在於，設置有測量頭(12)，所述測量頭(1 關於豎直軸線旋轉並且承載所述光發射器(17)、所述接收器透鏡(30)、所述後鏡(43)、所述光接收器(21)、以及所述旋轉鏡(16)，其中，所述旋轉鏡(16)關於水平布置的所述光軸㈧旋轉。
全文摘要
在一種用於對環境進行光學掃描和測量的設備中，所述設備被設計為雷射掃描儀(10)，所述雷射掃描儀(10)具有光發射器(17)，所述光發射器(17)藉助於旋轉鏡(16)射出發射光束(18)；光接收器(21)，接收光束(20)被所述光接收器(21)接收，接收光束(20)在通過旋轉鏡(16)和具有光軸(A)的接收器透鏡(30)之後從雷射掃描儀(10)的環境中的物體(O)反射，或被散射；以及控制與評估單元(22)，所述控制與評估單元(22)針對多個測量點(X)確定到物體(O)的距離，在接收器透鏡(30)後面在光軸(A)上設置後鏡(43)，所述後鏡朝向接收器透鏡(30)反射已被接收器透鏡(30)折射的接收光束(20)。
文檔編號G01S7/481GK102597802SQ201080047517
公開日2012年7月18日 申請日期2010年11月11日 優先權日2009年11月20日
發明者約阿希姆·策勒, 菲利普·舒曼, 馬丁·奧西格 申請人:法羅技術股份有限公司