DE4445464A1 - Abtastvorrichtung - Google Patents

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.