WO2004068211A1 - 3d-scanner - Google Patents

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WO2004068211A1
WO2004068211A1 PCT/EP2004/000475 EP2004000475W WO2004068211A1 WO 2004068211 A1 WO2004068211 A1 WO 2004068211A1 EP 2004000475 W EP2004000475 W EP 2004000475W WO 2004068211 A1 WO2004068211 A1 WO 2004068211A1
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WO
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rotor
scanner according
axis
light source
scanner
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PCT/EP2004/000475
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English (en)
French (fr)
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Reinhard Becker
Bernd-Dietmar Becker
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Faro Technologies Inc
Original Assignee
Faro Technologies Inc
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Publication date
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems

Definitions

  • the invention relates to a 3D scanner with a light source for generating a transmission beam, with means that can be rotated about at least a first axis, for transmitting the transmission beam to an object to be measured, from which the transmission beam is reflected as reception beams, and with a synchronous to the means rotatable about the first axis for receiving the received beams, the mirror being inclined at an angle of preferably 45 ° to the first axis.
  • a 3D scanner of the type mentioned above is known, for example as the product "iQsun laser scanner" from the applicant (www.iQsun.com).
  • Scanners of the aforementioned type are used to record spaces around the scanner over a circumferential angle of 360 °, a shadow cone with an opening angle of, for example, 30 ° or less usually being left out around a tripod of the scanner.
  • Such scanners are typically used to measure interiors in factories in connection with digital factory planning.
  • Other areas of application are the measurement of all types of premises in civil engineering, e.g. tunnels, measurement of caves, historical buildings and the like.
  • large objects can be scanned in this way, e.g. Motor vehicles, airplanes and ships.
  • Scanners of the type mentioned at the outset generate a usually horizontally directed laser beam which is directed onto a mirror which is inclined at 45 ° to the horizontal.
  • the mirror in turn rotates at a high speed of, for example, 2,000 revolutions per minute about a first axis coaxial with the direction of the laser beam.
  • the entire scanner is additionally rotated about a second, usually vertical, axis, so that the fan scans the entire surroundings of the scanner over 360 °.
  • the rotation about the vertical axis is significantly slower, for example with 0.4 revolutions per minute.
  • the scanner with the rotating mirror is not rotated about a second axis, but is moved along a predetermined path, for example along a tunnel.
  • a general problem with scanners of the type described above is that the measurement result of the scanner deteriorates when the transmission beam is scattered on its way from the light source to the object to be measured. Such a scattering occurs with every density jump, ie every time the transmission beam passes from an optically thinner to an optically denser medium or vice versa. Then the transmission beam can be partially reflected at the location of the density jump, which leads to uncontrolled scattering. This applies in particular if deposits of dust or other particles are present at the location mentioned. are those that also lead to a scattering of the transmission beam.
  • the rotating mirror is located in a housing that is closed to the outside to protect the mirror from contamination.
  • the entry and exit of transmission and reception beams takes place via windows, which each represent a jump in density and can also be a cause of scattering of the transmission beam with regard to soiling of these windows.
  • the transmission beam is generated by a light source fixed to the housing, usually a laser diode.
  • the transmission beam is then radiated into the interior of the housing via collimation optics, falls there on the rotating mirror and emerges from the housing through a window.
  • a light source fixed to the housing usually a laser diode.
  • the transmission beam is then radiated into the interior of the housing via collimation optics, falls there on the rotating mirror and emerges from the housing through a window.
  • collimation optics falls there on the rotating mirror and emerges from the housing through a window.
  • an optoelectronic device for detecting objects in a surveillance area is known.
  • a deflection device rotating about a horizontal axis of rotation is provided, which is located within a lying cylindrical housing.
  • the deflection device has a motor and an attachment which is driven by the motor about the horizontal axis and on which there is an elliptical mirror.
  • the mirror is inclined at 45 ° to the axis of rotation.
  • a tube with two legs is attached to the mirror, one of which is coaxial to the axis of rotation and the other is lower extends quite to it.
  • the leg running parallel to the axis of rotation surrounds at its free end in a form-fitting manner, but not non-rotatably, a spatially fixed sleeve in which a transmitter is located.
  • the light emitted by the transmitter is parallelized in a transmitter optics, falls on the rotating mirror and is deflected on this in the other leg of the tube, which extends radially to the axis of rotation.
  • the transmitted light beams then exit through an exit window of the housing.
  • a hybrid laser scanner system for distance measurement is finally known.
  • this known system there is e.g. 16-channel laser transmitter and associated imaging optics in radial alignment in one rotor.
  • the light beams emitted by the multi-channel laser generate a plurality of points on a measurement object and thus determine the measured elevation angle.
  • the light reflected by the measuring points is received by an inclined mirror which is also arranged in the rotor and is fed in the direction of the axis of rotation to a receiver optics. From there, the received light passes through a diaphragm in a radial plane of the rotor to a spatially fixed receiving diode.
  • the invention is therefore based on the object of developing a scanner of the type mentioned at the outset in such a way that the problems mentioned above are avoided.
  • the aim is to reduce the scatter of the transmission beam as much as possible.
  • this object is achieved according to the invention in that the light source and the Mirrors are attached in a common rotor which is rotatable about the first axis.
  • the transmitted beam is decoupled from the received beam to a far greater extent than with known scanners, i.e. crosstalk between the transmission channel and reception channel is considerably reduced.
  • crosstalk between the transmission channel and reception channel is considerably reduced.
  • the number of optical jumps on the way of the transmission beam is significantly reduced and the risk of scattering on the exit surface of the rotor is minimized, which would lead to crosstalk.
  • This increases the quality of the measurement, because the accuracy increases to a corresponding extent as the scatter of the transmission beam and thus the crosstalk decrease.
  • the rotor can also be rotated about a second axis running at a substantially right angle to the first axis.
  • This measure which is known per se, has the advantage that all-round measurements with a nearly 360 ° solid angle can be carried out from a fixed measuring location.
  • the transmission beam runs along the second axis.
  • This measure has the advantage that the transmission beam is emitted from a position of the rotor that does not rotate about the second axis. is blasted. A fan is therefore created in the vertical plane, which rotates about an axis lying in the vertical plane, so that each point on the object to be measured is scanned only once. This also contributes to the unambiguity of the measurement and thus to an increase in accuracy.
  • the rotor has a substantially cylindrical shape and the first axis is the longitudinal axis of the rotor.
  • This measure has the advantage that a particularly simple design is available for the rotor, which can be implemented using technically manageable means.
  • the rotor is provided on its circumference with a first cylinder jacket section forming a flat window, and the light source opens into the cylinder jacket section.
  • This measure has the advantage that a flat window is available for the exit of the transmission beam, which window also serves as a reception window for the reception beams.
  • the rotor is provided with an unbalance compensation.
  • This measure has the advantage that the rotor runs smoothly even at high speeds of 3,000 or 4,000 revolutions per minute.
  • the unbalance compensation is primarily achieved by appropriate spatial arrangement of the masses present in the rotor, including the electronic components.
  • the rotor is provided on one side with a cylinder jacket section forming a window, in a preferred further development an additional unbalance compensation can be achieved if this is designed as a second cylinder jacket section forming a flat surface.
  • This measure has the advantage that the required unbalance can be achieved in a structurally simple manner.
  • the light source has a light guide which ends flush in the window.
  • This measure has the advantage that the light source itself can be arranged at almost any point in the rotor and the connection to the exit surface in the window is established via a light guide, which can be straight or curved.
  • the measure that the light guide ends flush in the window has the advantage that a flat overall surface is created which can be easily cleaned from the outside.
  • the light guide is straight, it can also be designed as a tube, which works in the manner of an aperture and helps to reduce crosstalk in the receiving channel.
  • the light source can also have a light guide which projects beyond the window or is alternatively reset.
  • This measure has the advantage that the optical properties of the transmission path can be set even more individually.
  • the rotor has an electronic control unit for the light source.
  • This measure has the advantage that all the necessary control signals for the light source are already generated in the rotor itself, so that interference sources which could result from the transmission of signals from the housing to the rotor are therefore minimized as far as possible.
  • control unit processes a phase signal for the light source, which e.g. can be an amplitude modulation signal or a key signal.
  • This measure has the advantage that the influencing of the transmission beam in the rotor itself, which is necessary for the distance measurement, is set, so that the sources of interference are also minimized in this regard.
  • the transmission beam is amplitude modulated, for example with a sinusoidal signal
  • the distance from the phase difference of the modulation signal in the transmission beam can be determined relative to the reception beam.
  • the time difference of the occurrence of a pulse edge is measured.
  • the rotor has an electronic supply unit for supplying the light source with electrical energy.
  • This measure has the advantage that the operation of the light source itself is also shown and controlled on board the rotor, so that here, too, possible interference effects are minimized.
  • the supply unit contains an energy store.
  • This measure has the essential advantage that the scanner can work completely independently during a scanning process, because during this, in practice relatively short intervals, it is not dependent on an external energy supply, but rather can obtain its energy from the energy store.
  • the energy store can then be recharged after the completion of a scanning process during the subsequent pause, which in practice is considerably longer than the scanning process, while the rotor is stationary.
  • the rotor has a transmission section for connecting the control unit and / or the supply unit to unit-fixed units.
  • the transmission section has contact tracks which interact with sliding contacts which are fixed to the device.
  • a particularly good effect is achieved in the aforementioned embodiment if the sliding contacts can be lifted off the contact tracks when the rotor rotates and the control unit can be connected to the energy store when the sliding contacts are lifted off.
  • the rotor is supplied autonomously from the energy store in the rotor during its rotation, that is to say during a scanning process, while after the scanning process has been completed and the rotor has been braked to a standstill, the sliding contacts are recharged be put back on the contact tracks.
  • the transmission section has a first induction coil which interacts with a stationary, second induction coil. This measure has the advantage that the transmission of energy and signals can take place without contact.
  • the rotor has a lens for focusing the received beams onto a focal point.
  • This measure has the advantage that the number of density jumps on the reception path is reduced.
  • the receiving beams emerging from the rotor are collected in a lens or a concave mirror fixed to the device and focused on a corresponding detector. This means that the receiving beams must first pass through the rotor exit window and then through the lens.
  • the optical functions of the window and the lens are combined, so that the number of density jumps is halved.
  • this is done in that the lens is arranged behind the mirror in the direction of propagation of the received beams.
  • a further preferred variant of the above-mentioned exemplary embodiments is characterized in that the rotor consists at least partially of an optically transparent material and that the lens is formed in one piece with a part of the rotor.
  • the rotor consists at least partially of an optically transparent material and is multi-part, and that the mirror is designed as a mirror on a surface of one of the parts of the rotor.
  • the transmission beam is guided in the rotor along an optical path, the path being surrounded by a lining made of optically absorbing material.
  • This measure has the advantage that the spread of scattered light in the transmission path is suppressed as much as possible. This leads to the highest possible decoupling between the transmission and reception path and thus to a further improvement in the resolution and thus the measurement result.
  • the rotor is provided with a marking which runs around the first and / or the second axis and which interacts with a sensor which is fixed to the device.
  • This measure has the advantage that the respective rotational position of the rotor can be recognized and processed with high resolution.
  • FIG. 1 shows an extremely schematic, perspective view of an exemplary embodiment of a rotor, as can be used in a 3D scanner of the type according to the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the rotor according to FIG. 1 with further details
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a rotor in a representation similar to FIG. 2;
  • FIGS. 2 and 3 shows a third exemplary embodiment of a rotor in a representation similar to FIGS. 2 and 3;
  • FIG. 5A shows a fourth exemplary embodiment of a rotor, on a somewhat enlarged scale and partially broken off, but otherwise similar to the representations according to FIGS. 2 to 4;
  • FIG. 5B a section of a variant of FIG. 5A; 6 shows a schematic side view of an exemplary embodiment of a 3D scanner according to the invention to explain further details of the invention;
  • FIG. 7 shows, on a greatly enlarged scale, a detail from the scanner according to FIG. 6 in an extremely schematic and sectional representation
  • FIG. 8 shows a variant for the representation according to FIG. 7;
  • FIG. 9 shows a further illustration, similar to FIG. 6, to explain further details of the invention.
  • FIG. 10 shows a further illustration, similar to FIG. 6, to explain further details of the invention.
  • a first axis 12 is defined in the scanner 10, which is generally a horizontal axis, but can also be inclined to the horizontal.
  • a second axis 14, which is usually a vertical axis, runs at an essentially right angle.
  • a first arrow 16 shows a rotary movement about the first axis and a second arrow 18 shows a rotary movement about the second axis.
  • the rotary movement about the first axis 12 is significantly faster at 1,000 to 4,000 revolutions per minute than the rotation about the second axis 14, which runs, for example, at 0.3 to 0.6 revolutions per minute.
  • the core of the scanner 10 is a rotor 20.
  • the rotor 20 is divided into a measuring section 22 and a transmission section 24. Furthermore, a flange 26 is provided in order to connect the rotor 20 to a drive unit (not shown). As will be explained further below in relation to FIG. 6, the rotor and the drive unit can be rotated together about the second axis 14.
  • the rotor 20 is of a substantially circular cylindrical shape. 1, the rotor 20 is provided with a flat window 28, which consequently forms a cylinder jacket section. A light source 30 opens in the window 28. A transmission beam 32 emerges from the light source 30.
  • the transmission beam 32 runs in the second axis 14, that is, it assumes a position of the rotor 20 that does not rotate about the second axis 14.
  • the transmission beam 32 rotates about the first axis 12, whereby a fan of light is created in a vertical plane.
  • the second axis 14 lies in this vertical plane, so that the transmission beam 32 scans the surroundings without gaps.
  • the transmission beam 32 strikes an object to be measured at a certain distance from the scanner 10, is diffusely reflected there and thus returns in the form of reception beams 34 to the rotor 20, where the reception beams 34 fall into the window 28. You then get to a mirror 36, from which they are deflected from the vertical to a horizontal direction parallel to the first axis 12.
  • the receiving beams 34 are then focused by a converging lens 38 on the front side of the rotor 20 on the left in FIG. 1, specifically in a focal point 40.
  • a suitable detector (not shown) is located in the focal point 40.
  • a fan of the transmission beam 32 is generated which rotates through 360 ° around the first axis 12, as indicated by an arrow 42 in FIG. 1 indicated.
  • the rotation of this fan about the second axis 14 causes a rotation in a horizontal plane, as indicated by a further arrow 44.
  • the transmission beam 32 thus illuminates the entire environment of the scanner 10, only a small, conical area being shadowed by the mechanical mounting of the scanner 10. In practice, this area corresponds to a shading cone of, for example, an opening angle of 30 ° or less about the second axis 14 below the rotor 20.
  • the light source 30 contains a laser diode 50.
  • the laser diode 50 is connected to the window 28 via a straight or (not shown) curved light guide 52.
  • the light guide 52 opens there either flush in a surface 54 of the window 28.
  • the light guide 52 can also protrude from the surface 54 with a certain protrusion 56 (shown in broken lines in FIG. 2).
  • arrangements are also conceivable in which the light guide ends below the surface (not shown).
  • the light guide 52 can also be designed as a tube through which the transmission beam 32 runs. This cannot then be scattered in the receiving channel, so that crosstalk is prevented.
  • the laser diode 50 is connected to an electronic control unit 58.
  • the electronic control unit 58 supplies the laser diode 50 with the necessary energy on the one hand, but also with the so-called coupling cycle, i.e. a phase signal that is used for distance measurement.
  • the phase signal can e.g. consist of an amplitude modulation signal in the form of at least one sine. If the amplitude-modulated transmission beam is now compared with the reception beam, there is a phase difference in the modulation signal which is dependent on the distance to be measured from the measuring point and which, for example, can be determined in a quadrature detector.
  • the phase signal can also consist of a key signal with which the transmission beam is pulsed. Then the distance Determine the voltage to the measuring point from the phase difference or transit time, ie from the time interval between the occurrence of the leading or trailing edge of the pulses in the transmitting and in the receiving beam.
  • FIG. 2 This is indicated in FIG. 2 by a first line 60, via which a corresponding signal u p is fed to the electronic control unit 58. This takes place via the transmission section 24, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 7 and 8 using two examples.
  • the rotor 20 also contains an electronic supply unit 62, which is connected to the electronic control unit 58 by a second line 64 in order to provide the supply energy for the laser diode 50.
  • the electronic supply unit 62 is supplied with a supply voltage U B via the transmission section 24, as will also be explained further below using two examples relating to FIGS. 7 and 8.
  • the electronic supply unit 62 contains a memory 68, for example in the form of an accumulator or a correspondingly dimensioned capacitor.
  • the memory 68 is able to provide the energy required for the operation and the control of the laser diode 50 for a certain period of time, for example for a complete scanning process.
  • FIG. 2 further shows that the mirror 36 contains a plate 70 which is at an angle ⁇ of preferably 45 ° to the first Axis 12 is employed.
  • the plate 70 is provided on its upper side in FIG. 2 with a mirror 72.
  • the window 28, as already mentioned in relation to FIG. 1, forms a first cylinder jacket section 74. Since this first cylinder jacket section 74 represents an imbalance of the rotor 20 and this imbalance would have a negative effect at the high speeds mentioned, a second cylinder jacket section 76 is provided on the radially opposite side, namely in FIG. 2 below, which essentially has a shape corresponds to the first cylinder jacket section 74. The exact design is dimensioned such that an unbalance compensation takes place, so that the rotor 20 can rotate about the first axis 12 without imbalance.
  • the light source 30 with the light guide 52 is located in the center of the mirror 36.
  • the light guide 52 is dimensioned as small as possible in terms of its diameter, for example with a diameter of 3 mm, compared to a mirror diameter of, for example, 50 mm.
  • the received rays 34 diffusely reflected by the measured object penetrate the window 28 over its entire surface and consequently also fall on the entire surface of the mirror 36, with the exception of the small area in which the light source 30 or the light guide 52 penetrates the mirror 36.
  • the arrangement of the light source 30 or the light guide 52 in the center of the mirror 36 is not mandatory. If this is expedient in individual cases, an eccentric positioning could also be selected (cf. also FIG. 10), without this being associated with considerable losses in measurement quality.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a 3D scanner 80 according to the invention, of basically the same type as that according to FIGS. 1 and 2.
  • a rotor 81 with a measuring section 82 is again provided in the scanner 80.
  • the measuring section 82 is divided into a first part 84 and a second part 86, which adjoin one another along a parting plane 88.
  • the parting plane 88 is set at the already mentioned angle ⁇ to the longitudinal axis, that is, it cuts the essentially circular cylindrical rotor 81 in a plane inclined by 45 °.
  • a surface 90 of the second part 86 of the rotor 81 lying in the parting plane 88 is provided with a mirror 91, which is represented by a mirror 92 of the surface 90.
  • the second part 86 of the rotor 81 consists of a transparent material 94, preferably glass.
  • the received beams can be deflected by the mirror 91 in the already described exit at a front 96 of the rotor 81, which in turn is curved to represent a converging lens.
  • the scanner 80 corresponds in its further details to the scanner 10 according to FIGS. 1 and 2, to which reference may be made in this regard.
  • FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of a 3D scanner 100 according to the invention. This exemplary embodiment differs from that of FIGS. 1 to 3 in that an external light source is used instead of a light source integrated in the rotor.
  • the scanner 100 contains a rotor 101, which - similar to the exemplary embodiment according to FIG. 3 - consists of a first part 104 and a second part 106.
  • the parts 104 and 106 are in turn adjacent to one another along a parting plane 108.
  • a mirror 111 in the form of a mirroring 112 is in turn attached to a surface 110 of the second part 106 lying in the parting plane 108.
  • the second part 106 consists of a transparent material 114, for example of glass.
  • a front side 116 of the second part 106 is likewise designed as a converging lens.
  • an external light source 120 is provided. This lies in the first axis 122, which in turn runs essentially at a right angle to a second axis 123.
  • the light source 120 generates a transmission beam 124, which enters the second part 106 of the rotor 101 through the front side 116.
  • the Transmitting beam 124 is deflected by 90 ° at mirror 111 and now propagates parallel to second axis 123.
  • receive beams 126 already enter the first part 106 of the rotor 101 parallel to the second axis 123 and are deflected at the mirror 111 in the preferably horizontal direction of the first axis 122.
  • the front side 116 which acts as a converging lens, then bundles the received beams 126 in a focal point 128, in which a detector 130 is located.
  • FIG. 5A shows a fourth exemplary embodiment of a 3D scanner 140 according to the invention.
  • an arrangement with an external light source is again selected, but it goes without saying that the exemplary embodiment according to FIG Rotor integrated light source is operable.
  • the 3D scanner 140 contains a rotor 141, which in turn consists of a first part 142 and a second part 144 which, in the exemplary embodiments according to FIGS. 3 and 4, abut one another in an inclined parting plane 146.
  • a surface 148 of the second part 144 lying in the parting plane 146 is provided with a mirror 149 in the form of a mirror coating 150.
  • the second part 144 again consists of transparent material 152, for example of glass.
  • a front side 154 of the second part 144 is also embodied here as a converging lens.
  • the second part 144 is provided with an axial bore 156 in the longitudinal axis of the rotor 141.
  • the axial bore 156 ends in a flat bottom 158 running radially to the direction of the bore 156 shortly before the mirror 150.
  • the axial Bore 156 is provided with a lining 160 made of light-absorbing material, that is to say preferably a matt black material.
  • a light source 162 is located outside the rotor 141 in a position on its longitudinal axis.
  • the light source 162 can e.g. can in turn be supplied with light 166 via a flexible glass fiber 164.
  • a transmission beam 168 is generated in the direction of the longitudinal axis of the rotor 141.
  • the transmission beam 168 passes through the axial bore 156. Any scattered light 170 which occurs and which extends at an angle to the longitudinal axis is absorbed in the lining 160.
  • the rotor 141 On the outlet side, the rotor 141 has the flat surface 172 which has already been explained several times in the other exemplary embodiments.
  • An annular bore 174 is made in the surface 172 along the second axis of the rotor 141 and also ends shortly before the mirror 149.
  • the ring bore 174 thus forms a window 176 which is flush with the surface 172.
  • the ring bore 174 is also provided with a lining 178 made of light-absorbing material.
  • the transmitted beam 168 deflected by the mirror 149 thus runs unhindered through the core made of the transparent material 152 surrounded by the ring bore 174. Scattered light 180 which may occur is also absorbed by the lining 178 here.
  • the transmission beam 168 has a diameter of 3 mm, for example, and the bores 156 and 174 have a diameter which is approximately twice as large, ie approximately 6 mm. Due to the absorption of the scattered light 170, 180 in in this case, an even better decoupling between the transmit beam 168 and the receive beams is achieved.
  • the bores 156 'and 174' are both designed as full bores and continuously up to the parting plane 146 '.
  • Both holes 156 'and 174' are lined in a light-absorbing manner on their inner wall in the manner already described.
  • a surface 182 of the first part 142 'in the transition to the bores 156' and 174 ' is provided with a mirror coating 184.
  • FIG. 6 shows a fifth exemplary embodiment of a 3D scanner according to the invention, this time in a more complete representation, compared to FIGS. 1 to 5.
  • the scanner 190 in turn contains a rotor 192 of essentially circular cylindrical shape.
  • the rotor 192 is rotatably supported at both ends in bearings 194, 196.
  • the bearings 194, 196 are supported in a device-fixed manner, the term “device-fixed” also being understood here in such a way that the “device-fixed” reference point can itself also be moved, for example in the form of the rotational movement about a vertical axis which has already been mentioned several times.
  • a flange At the right end of rotor 192 in FIG. 6 is a flange
  • the rotor 192 is connected to a drive motor 200 via the flange 198.
  • the drive motor 200 is preferably also "device-fixed" in the sense mentioned above.
  • the rotor 192 has a transmission section 202, from which transmission elements 204 lead to a device-fixed point. Further details are given in the description below of FIGS. 7 and 8.
  • the rotor 192 is also provided with a marking 206 which runs around its circumference and interacts with a device-fixed sensor 208.
  • the marking 206 can alternatively either be applied directly to the rotor 192 or attached to the rotor 192 as a ring.
  • designs are also possible in which the marking 206 and the sensor 208 form a separate unit which is driven by the rotor 192.
  • the relevant axes of the scanner 190 in FIG. 6 are designated 210 (horizontal axis) and 211 (vertical axis). It has already been pointed out that the overall arrangement shown in FIG. 6, with its reference point fixed to the device, is designed to be rotatable overall about the vertical axis 211.
  • FIGS. 7 and 8 also show two exemplary embodiments for the transmission section 202a and 202b.
  • the transmission section 202a according to FIG. 7 has contact tracks 212 which run around the circumference of the rotor 192. In the exemplary embodiment shown, three such contact tracks 212 are shown, one for the operating voltage U B , the other for the signal voltage of the coupling clock u p , and finally for ground.
  • Slip contacts 214 can be placed on the contact tracks 212. Movement units are indicated by arrows 216. The movement units 216 enable the sliding contacts 214 to be placed in a controlled manner on the contact tracks 212 or to be moved away therefrom. In this way, it is possible in the manner already described to contact the rotor 192 only when the rotor 192 is stationary, while the sliding contacts 214 are lifted off the contact tracks 212 when the rotor 192 rotates.
  • a first coil 218 on the rotor 192 and a second coil 220 in a device-fixed arrangement are used, which allow inductive transmission of supply energy and / or signals.
  • FIG. 9 shows a 3D scanner 230 with a rotor 232, which can rotate in the manner already described about a first, preferably horizontal axis 234, as indicated by an arrow 236.
  • a rotatability by a second, e.g. a vertical axis is not provided in this embodiment of the invention.
  • the rotor 232 is overhung in two axially spaced bearings 238 of a housing 240 and via a flange 242 drivable.
  • a light source 248 generates a transmission beam 250, and the received beams 252 reflected by the object fall on a mirror 246 inclined to the first axis 234 in the manner described. 5A - for example analogous to the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the entire scanner 230 can be moved along a linear path by means of drive means, not shown, and preferably in such a way that the first axis 234 is aligned parallel to the path. In this way e.g. Tunnel be measured. It can be seen from FIG. 9 that, due to the flying mounting of the rotor 232, there is no shading on a tripod or the like in this example.
  • FIG. 10 shows in the same representation a 3D scanner 260 with a rotor 262, which can rotate about a first, preferably horizontal axis 264, as indicated by an arrow 266.
  • a rotatability by a second, e.g. a vertical axis 268 is provided.
  • a light source 272 generates a transmission beam 274, and the reception beams 278 reflected by the object fall on a mirror 276 inclined to the first axis 264 in the manner described.
  • the special feature of this exemplary embodiment is that the light source 272 is located axially next to the mirror 276. It is important that the second axis 268 coincides with the transmission beam 274, that is, it does not rotate about the second axis 268.

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Abstract

Ein 3D-Scanner weist eine Lichtquelle (30) zum Erzeugen eines Sendestrahles (32) auf. Ferner sind Mittel vorgesehen, die um mindestens eine erste Achse (12) drehbar sind, zum Aussenden des Sendestrahles (32) zu einem zu vermessenden Objekt, von dem der Sendestrahl (32) als Empfangsstrahlen reflektiert wird, und mit einem synchron zu den Mitteln um die erste Achse (12) dreh­baren Spiegel (36) zum Empfangen der Empfangsstrahlen (34), wobei der Spiegel (36) um einen Winkel (α) von vorzugsweise 45° zu der ersten Achse (12) geneigt ist. Die Lichtquelle (30) und der Spiegel (36) sind in einem gemeinsamen Rotor (20) befes­tigt, der um die erste Achse (12) drehbar ist.

Description

3D-Scanner
Die Erfindung betrifft einen 3D-Scanner mit einer Lichtquelle zum Erzeugen eines Sendestrahles, mit Mitteln, die um mindestens eine erste Achse drehbar sind, zum Aussenden des Sendestrahles zu einem zu vermessenden Objekt, von dem der Sendestrahl als Empfangsstrahlen reflektiert wird, und mit einem synchron zu den Mitteln um die erste Achse drehbaren Spiegel zum Empfangen der Empfangsstrahlen, wobei der Spiegel um einen Winkel von vorzugsweise 45° zu der ersten Achse geneigt ist. Ein 3D-Scanner der vorstehend genannten Art ist bekannt, beispielsweise als Erzeugnis "iQsun Laserscanner" der Anmelderin (www.iQsun.com) .
Scanner der vorstehend genannten Art werden eingesetzt, um Räume um den Scanner herum über einen Umfangswinkel von 360° aufzunehmen, wobei meistens um ein Stativ des Scanners herum ein Abschattungskegel mit einem Öffnungswinkel von beispielsweise 30° oder weniger ausgespart bleibt. Derartige Scanner werden typischerweise zum Vermessen von Innenräumen in Fabrikanlagen im Zusammenhang mit digitalen Fabrikplanungen eingesetzt. Weitere Anwendungsgebiete sind das Ausmessen von Räumlichkeiten aller Art im Hoch- und im Tiefbau, wie z.B. von Tunneln, ferner das Ausmessen von Höhlen, von historischen Bauwerken und dergleichen mehr. Außerdem können auf diese Weise auch große Gegenstände gescannt werden, z.B. Kraftfahrzeuge, Flugzeuge und Schiffe.
Bei Scannern der eingangs genannten Art wird ein üblicherweise horizontal gerichteter Laserstrahl erzeugt, der auf einen um 45° zur Horizontalen geneigten Spiegel gelenkt wird. Der Spiegel rotiert seinerseits mit hoher Drehzahl von beispielsweise 2.000 Umdrehungen pro Minute um eine zur Richtung des Laserstrahls koaxiale erste Achse. Damit wird ein z.B. in einer Vertikalebene liegender Fächer erzeugt, der lediglich im Bereich des Scannerstativs den bereits erwähnten Abschattungskegel aufweist. Der gesamte Scanner wird in den meisten Fällen zusätzlich um eine zweite, üblicherweise vertikale Achse gedreht, so dass der Fächer die gesamte Umgebung des Scanners über 360° hinweg abtastet. Die Drehung um die Vertikalachse erfolgt dabei in der Praxis deutlich langsamer, beispielsweise mit 0,4 Umdrehungen pro Minute. Bei anderen Fällen wird hingegen der Scanner mit dem rotierenden Spiegel nicht um eine zweite Achse gedreht, sondern entlang einer vorgegebenen Bahn verfahren, beispielsweise entlang eines Tunnels.
Bei einem kommerziell erhältlichen Scanner mit zwei Achsen werden auf diese Weise während eines vollständigen Scans beispielsweise 29.000.000 Punkte abgetastet, was einer Auflösung von 0,045° entspricht.
In jedem der genannten Punkte wird dabei nicht nur die Entfernung zu dem genannten Punkt gemessen, sondern darüber hinaus auch der Reflektionsgrad, so dass schlussendlich ein SD-Gesamtbild der gesamten Umgebung mit hoher Auflösung der Entfernung und hoher Auflösung der Intensität entsteht.
Ein Scanner der eingangs genannten Art ist auch in der DE 202 08 077 Ul beschrieben.
Bei Scannern der vorstehend geschilderten Art besteht ein generelles Problem darin, dass eine Verschlechterung des Messergebnisses des Scanners eintritt, wenn der Sendestrahl auf seinem Weg von der Lichtquelle zu dem zu vermessenden Objekt gestreut wird. Eine derartige Streuung tritt bei jedem Dichtesprung ein, d.h. jedes Mal dann, wenn der Sendestrahl von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium übertritt oder umgekehrt. Dann kann der Sendestrahl am Ort des Dichtesprunges teilweise reflektiert werden, was zu unkontrollierten Streuungen führt. Dies gilt insbesondere dann, wenn an der erwähnten Stelle Ablagerungen von Staub oder sonstigen Partikeln vorhan- den sind, die ebenfalls zu einer Streuung des Sendestrahls führen.
Bei Scannern herkömmlicher Bauart befindet sich der rotierende Spiegel in einem Gehäuse, das nach außen verschlossen ist, um den Spiegel vor Verschmutzung zu schützen. Der Eintritt und der Austritt von Sende- und Empfangsstrahlen erfolgt in diesem Falle über Fenster, die jeweils einen Dichtesprung darstellen und auch im Hinblick auf eine Verschmutzung dieser Fenster eine Ursache für eine Streuung des Sendestrahles sein können.
Bei herkömmlichen Scannern wird der Sendestrahl von einer gehäusefesten Lichtquelle, üblicherweise einer Laserdiode, erzeugt. Der Sendestrahl wird dann über eine Kollimationsoptik in den Innenraum des Gehäuses eingestrahlt, fällt dort auf den rotierenden Spiegel und tritt aus dem Gehäuse durch ein Fenster wieder aus . All dies kann in der Praxis auf Grund der vorstehend beschriebenen Ursachen zu einer Streuung des Sendestrahles und damit zu einer Verschlechterung des Messergebnisses führen.
Aus der DE 94 21 457 Ul bzw. der zugehörigen DE 44 12 044 AI ist eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Gegenständen in einem Überwachungsbereich bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung ist eine um eine horizontale Drehachse rotierende Ablenkvorrichtung vorgesehen, die sich innerhalb eines liegendzylindrischen Gehäuses befindet. Die Ablenkvorrichtung weist einen Motor sowie einen um die Horizontalachse durch den Motor angetriebenen Aufsatz auf, auf dem sich ein elliptischer Spiegel befindet. Der Spiegel ist um 45° zur Drehachse geneigt. Auf dem Spiegel ist ein Tubus mit zwei Schenkeln befestigt, von denen sich der eine koaxial zur Drehachse und der andere senk- recht dazu erstreckt. Der parallel zur Drehachse verlaufende Schenkel umgibt an seinem freien Ende formschlüssig, jedoch nicht drehfest, eine raumfest gehaltene Hülse, in der sich ein Sender befindet. Das vom Sender ausgestrahlte Licht wird in einer Senderoptik parallelisiert, fällt auf den Drehspiegel und wird an diesem in den anderen Schenkel des Tubus umgelenkt, der sich radial zur Drehachse erstreckt. Die Sendelichtstrahlen treten dann durch ein Austrittsfenster des Gehäuses aus.
Aus der DE 101 14 362 AI ist schließlich ein hybrides Laserscanner-System für Entfernungsmessung bekannt. Bei diesem bekannten System befindet sich ein z.B. 16-kanaliger Lasersender sowie eine zugehörige Abbildungsoptik in radialer Ausrichtung in einem Rotor. Die von dem mehrkanaligen Laser ausgesandten Lichtstrahlen erzeugen eine Mehrzahl von Punkten an einem Messobjekt und bestimmen damit den ausgemessenen Elevationswinkel. Das von den Messpunkten reflektierte Licht wird von einem ebenfalls im Rotor angeordneten, schräg gestellten Spiegel empfangen und in Richtung der Drehachse einer Empfängeroptik zugeleitet. Von dort gelangt das empfangene Licht durch eine Blende in einer Radialebene des Rotors zu einer raumfesten Empfangsdiode.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Scanner der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Probleme vermieden werden. Insbesondere soll erreicht werden, dass die Streuung des Sendestrahles so weit wie möglich reduziert wird.
Bei einem Scanner der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lichtquelle und der Spiegel in einem gemeinsamen Rotor befestigt sind, der um die erste Achse drehbar ist.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Da nämlich die Lichtquelle zusammen mit dem Spiegel umläuft, wird der Sendestrahl in weit höherem Maße als bei bekannten Scannern vom Empfangsstrahl entkoppelt, d.h. ein Übersprechen zwischen Sendekanal und Empfangskanal erheblich reduziert. Hierzu wird die Zahl der optischen Sprünge auf dem Wege des Sendestrahles deutlich vermindert und die Gefahr einer Streuung an der Austrittsfläche des Rotors auf ein Mindestmaß reduziert, die zu einem Übersprechen führen würde . Dies erhöht die Qualität der Messung, weil die Genauigkeit in entsprechendem Maße steigt, wie die Streuung des Sendestrahles und damit das Übersprechen abnimmt .
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotor ferner um eine zur ersten Achse unter einem im Wesentlichen rechten Winkel verlaufende zweite Achse drehbar.
Diese an sich bekannte Maßnahme hat den Vorteil, dass von einem festen Messstandort aus Rundummessungen mit nahezu 360° Raumwinkel durchgeführt werden können.
In diesem Falle ist ferner bevorzugt, wenn der Sendestrahl entlang der zweiten Achse verläuft.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Sendestrahl von einer nicht um die zweite Achse rotierenden Position des Rotors aus- gestrahlt wird. Es entsteht daher ein Fächer in der Vertikalebene, der um eine in der Vertikalebene liegende Achse rotiert, so dass an dem zu messenden Objekt jeder Punkt nur ein Mal abgetastet wird. Auch dies trägt zur Eindeutigkeit der Messung und damit zu einer Erhöhung der Genauigkeit bei.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Scanners weist der Rotor eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt auf, und die erste Achse ist die Längsachse des Rotors.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine besonders einfache Bauform für den Rotor zur Verfügung steht, die mit technisch überschaubaren Mitteln realisiert werden kann.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels ist der Rotor an seinem Umfang mit einem ersten, ein ebenes Fenster bildenden Zylindermantelabschnitt versehen, und die Lichtquelle mündet in dem Zylindermantelabschnitt aus.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass für den Austritt des Sendestrahles ein ebenes Fenster zur Verfügung steht, das zugleich als Empfangsfenster für die Empfangsstrahlen dient.
In diesem Fall ist weiter bevorzugt, wenn der Rotor mit einer Unwuchtkompensation versehen ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Rotor auch bei hohen Drehzahlen von 3.000 oder 4.000 Umdrehungen pro Minute ruhig läuft. Die Unwuchtkompensation wird in erster Linie durch entsprechende räumliche Anordnung der im Rotor vorhandenen Massen erreicht, einschließlich der elektronischen Komponenten.
Wenn der Rotor in der beschriebenen Weise auf einer Seite mit einem ein Fenster bildenden Zylindermantelabschnitt versehen ist, kann in bevorzugter Weiterbildung eine gegebenenfalls zusätzliche Unwuchtkompensation dadurch erreicht werden, dass diese als zweiter, eine ebene Fläche bildender Zylindermantelabschnitt ausgebildet ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die erforderliche Unwucht auf konstruktiv einfache Weise erreicht werden kann.
Bei bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung weist die Lichtquelle einen Lichtleiter auf, der bündig in dem Fenster ausmündet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Lichtquelle selbst an nahezu beliebiger Stelle im Rotor angeordnet werden kann und die Verbindung zur Austrittsfläche in dem Fenster über einen Lichtleiter hergestellt wird, der gerade oder gebogen ausgebildet sein kann. Die Maßnahme, dass der Lichtleiter bündig in dem Fenster ausmündet, hat den Vorteil, dass eine ebene Gesamtfläche entsteht, die in einfacher Weise von außen gereinigt werden kann. Wenn der Lichtleiter gerade ist, kann er auch als Rohr ausgebildet sein, das nach Art einer Blende arbeitet und dazu beiträgt, das Übersprechen in dem Empfangskanal zu vermindern. Bei einer alternativen Ausführungsform kann jedoch die Lichtquelle auch einen Lichtleiter aufweisen, der über das Fenster vorsteht oder alternativ zurückgesetzt ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die optischen Eigenschaften des Sendepfades noch individueller eingestellt werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist weiterhin bevorzugt, wenn der Rotor eine elektronische Steuereinheit für die Lichtquelle aufweist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass bereits im Rotor selbst alle erforderlichen Steuersignale für die Lichtquelle erzeugt werden, so dass auch von daher Störquellen so weit wie möglich minimiert werden, die durch eine Übertragung von Signalen vom Gehäuse auf den Rotor entstehen könnten.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Steuereinheit ein Phasensignal für die Lichtquelle verarbeitet, das z.B. ein Amplitudenmodulations-Signal oder ein Tastsignal sein kann.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die für die Entfernungsmessung notwendige Beeinflussung des Sendestrahls im Rotor selbst eingestellt wird, so dass auch in dieser Hinsicht die Störquellen minimiert werden. Wird der Sendestrahl amplitudenmoduliert, z.B. mit einem Sinussignal, kann die Entfernung aus der Phasendifferenz des Modulationssignales beim Sendestrahl relativ zum Empfangsstrahl bestimmt werden. Bei Verwendung eines Tastsignales wird der Zeitunterschied des Auftretens einer Impulsflanke gemessen. Weiterhin wird eine gute Wirkung dann erzielt, wenn der Rotor eine elektronische Versorgungseinheit zum Versorgen der Lichtquelle mit elektrischer Energie aufweist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Betrieb der Lichtquelle selbst ebenfalls an Bord des Rotors dargestellt und geregelt wird, so dass auch hier eine Minimierung möglicher Störeffekte erreicht wird.
Besonders bevorzugt ist in diesem Fall, wenn die Versorgungseinheit einen Energiespeicher enthält.
Diese Maßnahme hat den wesentlichen Vorteil, dass der Scanner während eines Scanvorganges vollkommen autark arbeiten kann, weil er während dieser, in der Praxis relativ kurzen Intervalle nicht auf eine externe Energiezufuhr angewiesen ist sondern seine Energie aus dem Energiespeicher beziehen kann. Der Energiespeicher kann dann nach Abschluss eines Scanvorganges während der sich anschließenden Pause, die in der Praxis wesentlich länger als der Scanvorgang ist, wieder aufgeladen werden, während der Rotor steht.
In den vorgenannten Fällen sind Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt, bei denen der Rotor zum Anschluss der Steuereinheit und/oder der Versorgungseinheit an gerätefeste Einheiten einen Übertragungsabschnitt aufweist.
Mit dieser Maßnahme wird erreicht, dass die erforderliche Energiezufuhr, sei es kontinuierlich oder intervallweise, in geregelter Weise erfolgt. Bei einer ersten Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels weist der Übertragungsabschnitt Kontaktbahnen auf, die mit gerätefesten Schleifkontakten zusammenwirken.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass mit einfachen mechanischen Mitteln die erforderliche Übertragung von Energie und/oder von Signalen möglich ist. Der Begriff "gerätefest" ist in diesem Falle selbstverständlich so zu verstehen, dass die entsprechenden Einheiten an der Stelle angeordnet sind, die den Rotor lagern. Dies schließt nicht aus, dass diese Einheiten ihrerseits relativ zu ihrer Umgebung bewegbar sind, beispielsweise um die erwähnte vertikale Achse drehbar.
Eine besonders gute Wirkung wird bei dem vorgenannten Ausführungsbeispiel dann erzielt, wenn die Schleifkontakte bei Rotation des Rotors von den Kontaktbahnen abhebbar und die Steuereinheit bei abgehobenen Schleifkontakten mit dem Energiespeicher verbindbar sind.
Hierdurch wird der bereits erwähnte Vorteil erreicht, dass der Rotor während seiner Rotation, also während eines Scanvorganges, autark aus dem im Rotor vorhandenen Energiespeicher versorgt wird, während nach Abschluss des Scanvorganges und Ab- bremsung des Rotors zum Stillstand eine Nachladung stattfindet, indem die Schleifkontakte wieder an die Kontaktbahnen angelegt werden .
Bei einer alternativen Lösung weist der Übertragungsabschnitt hingegen eine erste Induktionsspule auf, die mit einer stationären, zweiten Induktionsspule zusammenwirkt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Übertragung von Energie und Signalen völlig berührungsfrei erfolgen kann.
Bei Ausführungsformen der Erfindung weist der Rotor eine Linse zum Bündeln der Empfangsstrahlen auf einen Brennpunkt auf.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Anzahl der Dichtesprünge auf dem Empfangswege reduziert wird. Bei herkömmlichen Scannern werden nämlich die aus dem Rotor austretenden Empfangsstrahlen in einer gerätefesten Linse bzw. einem Hohlspiegel gesammelt und auf einen entsprechenden Detektor fokussiert. Dies bedeutet, dass die Empfangsstrahlen zunächst das Austrittsfenster des Rotors und dann die Linse durchlaufen müssen. Gemäß dem vorstehend genannten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden demgegenüber die optischen Funktionen des Fensters und der Linse zusammengefasst, so dass die Zahl der Dichtesprünge halbiert wird.
Dies geschieht in weiterer bevorzugter Ausführungsweise dadurch, dass die Linse in Ausbreitungsrichtung der Empfangsstrahlen hinter dem Spiegel angeordnet ist.
Eine weiter bevorzugte Variante der vorstehend genannten Ausführungsbeispiele zeichnet sich dadurch aus, dass der Rotor mindestens teilweise aus einem optisch transparenten Werkstoff besteht, und dass die Linse einstückig mit einem Teil des Rotors ausgebildet ist.
Eine ähnlich gute Wirkung wird bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung dadurch erzielt, dass der Rotor mindestens teilweise aus einem optisch transparenten Werkstoff besteht und mehrteilig ist, und dass der Spiegel als Verspiegelung auf einer Oberfläche eines der Teile des Rotors ausgebildet ist.
< Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Zahl der Dichtesprünge auf dem Wege der Empfangsstrahlen so weit wie möglich reduziert wird.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird der Sendestrahl im Rotor entlang eines optischen Pfades geführt, wobei der Pfad von einer Auskleidung aus optisch absorbierendem Werkstoff umgeben ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Ausbreitung von Streulicht im Sendepfad so weit wie möglich unterdrückt wird. Dies führt zu einer höchstmöglichen Entkopplung zwischen Sende- und Empfangspfad und damit zu einer weiteren Verbesserung der Auflösung und damit des Messergebnisses.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor mit einer um die erste und/oder die zweite Achse verlaufenden Markierung versehen ist, die mit einem gerätefesten Sensor zusammenwirkt.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die jeweilige Drehstellung des Rotors mit hoher Auflösung erkannt und verarbeitet werden kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine äußerst schematisierte, perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Rotors, wie er in einem 3D-Scanner erfindungsgemäßer Art eingesetzt werden kann;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Rotor gemäß Fig. 1 mit weiteren Einzelheiten;
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Rotors in einer Darstellung ähnlich Fig. 2;
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Rotors in einer Darstellung ähnlich Fig. 2 und 3;
Fig. 5A ein viertes Ausführungsbeispiel eines Rotors, in etwas vergrößertem Maßstab und teilweise abgebrochen, im Übrigen aber ähnlich den Darstellungen gemäß den Fig. 2 bis 4;
Fig. 5B ausschnittsweise eine Variante zu Fig. 5A; Fig. 6 eine schematisierte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen 3D-Scanners zur Erläuterung weiterer Einzelheiten der Erfindung;
Fig. 7 in stark vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus dem Scanner gemäß Fig. 6 in äußerst schematisierter und geschnittener Darstellung;
Fig. 8 eine Variante zur Darstellung gemäß Fig. 7;
Fig. 9 eine weitere Darstellung, ähnlich Fig. 6, zur Erläuterung weiterer Einzelheiten der Erfindung;
Fig. 10 eine weitere Darstellung, ähnlich Fig. 6, zur Erläuterung weiterer Einzelheiten der Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer 3D-Scanner erläutert. Dabei wird jeweils auf die Besonderheiten des jeweiligen Ausführungsbeispiels hingewiesen, und es versteht sich, dass im Übrigen die gemeinsamen Merkmale der Ausführungsbeispiele nicht jeweils wiederholt werden, die Ausführungsbeispiele also insoweit übereinstimmen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind für die vorliegend beanspruchte Erfindung nur bestimmte Details maßgeblich, wie sich aus dem Zusammenhang ergibt.
In Fig. 1 und 2 bezeichnet 10 insgesamt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen 3D-Scanners, von dem jedoch nicht alle Elemente dargestellt sind. Im Scanner 10 ist eine erste Achse 12 definiert, die im Allgemeinen eine horizontal verlaufende Achse ist, aber auch zur Horizontalen geneigt verlaufen kann. Dazu unter einem im Wesentlichen rechten Winkel verläuft eine zweite Achse 14, die üblicherweise eine Vertikalachse ist. Mit einem ersten Pfeil 16 ist eine Drehbewegung um die erste Achse und mit einem zweiten Pfeil 18 eine Drehbewegung um die zweite Achse dargestellt. Die Drehbewegung um die erste Achse 12 ist dabei in der Praxis mit 1.000 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute deutlich schneller als die Drehung um die zweite Achse 14, die z.B. mit 0,3 bis 0,6 Umdrehungen pro Minute abläuft.
Kernstück des Scanners 10 ist ein Rotor 20. Der Rotor 20 unterteilt sich in einen Messabschnitt 22 und einen Übertragungsabschnitt 24. Ferner ist ein Flansch 26 vorgesehen, um den Rotor 20 mit einer (nicht dargestellten) Antriebseinheit zu verbinden. Wie weiter unten zu Fig. 6 noch erläutert werden wird, sind der Rotor und die Antriebseinheit gemeinsam um die zweite Achse 14 drehbar.
Der Rotor 20 ist von im Wesentlichen kreiszylindrischer Gestalt. In dem in Fig. 1 oben liegenden Mantelbereich ist der Rotor 20 mit einem ebenen Fenster 28 versehen, das folglich einen Zylindermantelabschnitt bildet. Im Fenster 28 mündet eine Lichtquelle 30. Aus der Lichtquelle 30 tritt ein Sendestrahl 32 aus.
Der Sendestrahl 32 verläuft in der zweiten Achse 14, geht also von einer nicht um die zweite Achse 14 rotierenden Position des Rotors 20 aus. Der Sendestrahl 32 rotiert um die erste Achse 12, wodurch ein Lichtfächer in einer Vertikalebene entsteht. Die zweite Achse 14 liegt in dieser Vertikalebene, so dass der Sendestrahl 32 die Umgebung lückenlos abtastet.
Der Sendestrahl 32 trifft in bestimmter Entfernung vom Scanner 10 auf ein zu vermessendes Objekt, wird dort diffus reflektiert und gelangt somit in Form von Empfangsstrahlen 34 zurück zum Rotor 20, wo die Empfangsstrahlen 34 in das Fenster 28 einfallen. Sie gelangen dann auf einen Spiegel 36, von dem sie aus der Vertikal- in eine Horizontalrichtung parallel zur ersten Achse 12 umgelenkt werden. Die Empfangsstrahlen 34 werden dann von einer Sammellinse 38 an der in Fig. 1 linken Stirnseite des Rotors 20 gebündelt, und zwar in einem Brennpunkt 40. Im Brennpunkt 40 befindet sich ein geeigneter Detektor (nicht dargestellt) .
Durch die Rotation des Rotors 20 um die erste Achse 12 und die weitere Rotation der Gesamtanordnung um die zweite Achse 14 wird folglich ein Fächer des Sendestrahls 32 generiert, der um 360° um die erste Achse 12 umläuft, wie mit einem Pfeil 42 in Fig. 1 angedeutet. Die Drehung dieses Fächers um die zweite Achse 14 bewirkt einen Umlauf in einer horizontalen Ebene, wie mit einem weiteren Pfeil 44 angedeutet.
Der Sendestrahl 32 leuchtet somit die Gesamtumgebung des Scanners 10 aus, wobei lediglich ein kleiner, kegelförmiger Bereich durch die mechanische Halterung des Scanners 10 abgeschattet wird. Dieser Bereich entspricht in der Praxis einem Abschat- tungskegel von beispielsweise 30° Ö fnungswinkel oder weniger um die zweite Achse 14 unterhalb des Rotors 20. Aus der detaillierteren Darstellung in Fig. 2 ist zu entnehmen, dass die Lichtquelle 30 eine Laserdiode 50 enthält. Die Laserdiode 50 ist über einen geraden oder (nicht dargestellt) gekrümmten Lichtleiter 52 mit dem Fenster 28 verbunden. Der Lichtleiter 52 mündet dort entweder bündig in einer Oberfläche 54 des Fensters 28 aus. Es kann aber (in Fig. 2 gestrichelt dargestellt) der Lichtleiter 52 auch mit einem gewissen Überstand 56 über die Oberfläche 54 vorstehen. Darüber hinaus sind auch Anordnungen denkbar, bei denen der Lichtleiter unterhalb der Oberfläche endet (nicht dargestellt) .
Wenn der Lichtleiter 52 gerade ist, kann er auch als Rohr ausgebildet sein, durch das hindurch der Sendestrahl 32 verläuft. Dieser kann dann nicht in dem Empfangskanal gestreut werden, so dass ein Übersprechen verhindert wird.
Die Laserdiode 50 ist an eine elektronische Steuereinheit 58 angeschlossen. Die elektronische Steuereinheit 58 versorgt die Laserdiode 50 einerseits mit der erforderlichen Energie, andererseits aber auch mit dem sogenannten Koppeltakt, d.h. einem Phasensignal, das zur Entfernungsmessung dient.
Das Phasensignal kann z.B. aus einem Amplitudenmodulations- Signal in Form mindestens eines Sinus bestehen. Wenn nun der amplitudenmodulierte Sendestrahl mit dem Empfangsstrahl verglichen wird, ergibt sich eine von der zu messenden Entfernung zum Messpunkt abhängige Phasendifferenz im Modulationssignal, die z.B. in einem Quadraturdetektor ermittelt werden kann.
Das Phasensignal kann auch aus einem Tastsignal bestehen, mit dem der Sendestrahl gepulst wird. Dann lässt sich die Entfer- nung zum Messpunkt aus der Phasendifferenz bzw. Laufzeit, d.h. aus dem zeitlichen Abstand des Auftretens der Vorder- oder der Rückflanke der Pulse beim Sende- und beim Empfangsstrahl ermitteln.
Dies ist in Fig. 2 durch eine erste Leitung 60 angedeutet, über die der elektronischen Steuereinheit 58 ein entsprechendes Signal up zugeleitet wird. Dies geschieht über den Übertragungsabschnitt 24, wie weiter unten zu den Fig. 7 und 8 noch im Einzelnen an Hand von zwei Beispielen erläutert werden wird.
Der Rotor 20 enthält ferner eine elektronische Versorgungseinheit 62, die mit einer zweiten Leitung 64 an die elektronische Steuereinheit 58 angeschlossen ist, um die Versorgungsenergie für die Laserdiode 50 bereitzustellen. Mittels einer dritten Leitung 66 wird die elektronische Versorgungseinheit 62 über den Übertragungsabschnitt 24 mit einer Versorgungsspannung UB versorgt, wie ebenfalls weiter unten an Hand von zwei Beispielen zu den Fig. 7 und 8 noch erläutert werden wird.
Die elektronische Versorgungseinheit 62 enthält einen Speicher 68, beispielsweise in Form eines Akkumulators oder eines entsprechend dimensionierten Kondensators. Der Speicher 68 ist in der Lage, die für den Betrieb und die Ansteuerung der Laserdiode 50 erforderliche Energie für einen bestimmten Zeitraum zur Verfügung zu stellen, beispielsweise für einen kompletten Scanvorgang.
Fig. 2 zeigt ferner, dass der Spiegel 36 eine Platte 70 enthält, die um einen Winkel α von vorzugsweise 45° zur ersten Achse 12 angestellt ist. Die Platte 70 ist auf ihrer in Fig. 2 oberen Seite mit einer Verspiegelung 72 versehen.
Man erkennt aus Fig. 2 ferner, dass das Fenster 28, wie bereits zu Fig. 1 erwähnt, einen ersten Zylindermantelabschnitt 74 bildet. Da dieser erste Zylindermantelabschnitt 74 eine Unwucht des Rotors 20 darstellt und sich diese Unwucht bei den erwähnten hohen Drehzahlen negativ auswirken würde, ist auf der radial gegenüberliegenden Seite, nämlich in Fig. 2 unten, ein zweiter Zylindermantelabschnitt 76 vorgesehen, der von seiner Formgebung im Wesentlichen dem ersten Zylindermantelabschnitt 74 entspricht. Die genaue Gestaltung ist so bemessen, dass eine Unwuchtkompensation stattfindet, so dass der Rotor 20 insoweit unwuchtfrei um die erste Achse 12 rotieren kann.
Es versteht sich dabei jedoch, dass dies in der Praxis meist ein Effekt zweiter Ordnung sein dürfte, weil die Unwucht des Rotors 20 im Wesentlichen durch die räumliche Anordnung der im Rotor 20 befindlichen Komponenten bestimmt ist. Hierzu zählen vor allem die elektronischen Komponenten 62, 64 und 68, die zur Minimierung der Unwucht entsprechend angeordnet werden müssen. Insoweit ist auch die Verwendung spezieller Auswuchtmassen denkbar .
Man erkennt aus den Fig. 1 und 2 weiterhin, dass die Lichtquelle 30 mit dem Lichtleiter 52 sich im Zentrum des Spiegels 36 befindet. Der Lichtleiter 52 wird dabei von seinem Durchmesser her so klein wie möglich dimensioniert, beispielsweise mit einem Durchmesser von 3 mm, verglichen mit einem Spiegeldurchmesser von z.B. 50 mm. Die von dem gemessenen Objekt diffus reflektierten Empfangsstrahlen 34 durchsetzen das Fenster 28 über dessen gesamte Fläche und fallen folglich auch auf die gesamte Fläche des Spiegels 36, mit Ausnahme des kleinen Bereiches, in dem die Lichtquelle 30 bzw. der Lichtleiter 52 den Spiegel 36 durchdringt.
Die Anordnung der Lichtquelle 30 bzw. des Lichtleiters 52 im Zentrum des Spiegels 36 ist jedoch nicht zwingend. Sollte dies im Einzelfall zweckmäßig sein, könnte auch eine exzentrische Positionierung gewählt werden (vgl. dazu auch Fig. 10), ohne dass damit erhebliche Einbußen an Messqualität einhergingen.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen 3D-Scanners 80, von prinzipiell gleicher Bauart wie derjenige gemäß den Fig. 1 und 2.
Bei dem Scanner 80 ist wiederum ein Rotor 81 mit einem Messabschnitt 82 vorgesehen. Das Besondere ist in diesem Falle, dass der Messabschnitt 82 in einen ersten Teil 84 sowie einen zweiten Teil 86 unterteilt ist, die entlang einer Trennebene 88 aneinander angrenzen. Die Trennebene 88 ist um den bereits erwähnten Winkel α zur Längsachse angestellt, schneidet also den im Wesentlichen kreiszylindrischen Rotor 81 in einer um 45° geneigten Ebene.
Eine in der Trennebene 88 liegende Oberfläche 90 des zweiten Teils 86 des Rotors 81 ist mit einem Spiegel 91 versehen, der durch eine Verspiegelung 92 der Oberfläche 90 dargestellt wird.
Der zweite Teil 86 des Rotors 81 besteht aus einem transparenten Werkstoff 94, vorzugsweise Glas. Folglich können die Empfangsstrahlen nach Umlenkung durch den Spiegel 91 in der be- reits beschriebenen Weise an einer Vorderseite 96 des Rotors 81 austreten, die ihrerseits gekrümmt ist, um eine Sammellinse darzustellen.
Im Übrigen entspricht der Scanner 80 in seinen weiteren Einzelheiten dem Scanner 10 gemäß den Fig. 1 und 2, auf den insoweit verwiesen werden darf.
Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen 3D-Scanners 100. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 1 bis 3 dadurch, dass eine externe Lichtquelle anstelle einer in den Rotor integrierten Lichtquelle verwendet wird.
Der Scanner 100 enthält einen Rotor- 101, der - ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 - aus einem ersten Teil 104 sowie einem zweiten Teil 106 besteht. Die Teile 104 und 106 liegen wiederum entlang einer Trennebene 108 aneinander. An einer in der Trennebene 108 liegenden Oberfläche 110 des zweiten Teils 106 ist wiederum ein Spiegel 111 in Form einer Verspiegelung 112 angebracht. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel besteht der zweite Teil 106 aus einem transparenten Werkstoff 114, beispielsweise aus Glas. Eine Vorderseite 116 des zweiten Teils 106 ist gleichermaßen als Sammellinse ausgebildet.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist, wie bereits erwähnt, eine externe Lichtquelle 120 vorgesehen. Diese liegt in der ersten Achse 122, die wiederum zu einer zweiten Achse 123 im Wesentlichen unter einem rechten Winkel verläuft. Die Lichtquelle 120 erzeugt einen Sendestrahl 124, der durch die Vorderseite 116 in den zweiten Teil 106 des Rotors 101 eintritt. Der Sendestrahl 124 wird am Spiegel 111 um 90° umgelenkt und breitet sich nun parallel zur zweiten Achse 123 aus. Empfangsstrahlen 126 treten demgegenüber bereits parallel zur zweiten Achse 123 in den ersten Teil 106 des Rotors 101 ein und werden am Spiegel 111 in die vorzugsweise horizontale Richtung der ersten Achse 122 umgelenkt. Die als Sammellinse wirkende Vorderseite 116 bündelt die Empfangsstrahlen 126 dann in einem Brennpunkt 128, in dem sich ein Detektor 130 befindet.
Fig. 5A zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen 3D-Scanners 140. Bei der Darstellung gemäß Fig. 5A ist wiederum eine Anordnung mit einer externen Lichtquelle gewählt, es versteht sich jedoch, dass das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5A auch im Zusammenhang mit einer in den Rotor integrierten Lichtquelle betreibbar ist.
Der 3D-Scanner 140 enthält einen Rotor 141, der wiederum aus einem ersten Teil 142 und einem zweiten Teil 144 besteht, die entsprechend in Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 3 und 4 in einer geneigten Trennebene 146 aneinander anliegen. Eine in der Trennebene 146 liegende Oberfläche 148 des zweiten Teils 144 ist mit einem Spiegel 149 in Form einer Verspiegelung 150 versehen. Der zweite Teil 144 besteht wiederum aus transparentem Werkstoff 152, beispielsweise aus Glas. Eine Vorderseite 154 des zweiten Teils 144 ist auch hier als Sammellinse ausgebildet.
Der zweite Teil 144 ist in der Längsachse des Rotors 141 mit einer axialen Bohrung 156 versehen. Die axiale Bohrung 156 endet in einem zur Richtung der Bohrung 156 radial verlaufenden ebenen Boden 158 kurz vor der Verspiegelung 150. Die axiale Bohrung 156 ist mit einer Auskleidung 160 aus lichtabsorbierendem Werkstoff versehen, also vorzugsweise einem matt schwarzen Werkstoff.
Eine Lichtquelle 162 befindet sich, wie bereits erwähnt, außerhalb des Rotors 141 in einer Position auf dessen Längsachse. Die Lichtquelle 162 kann z.B. über eine biegsame Glasfaser 164 ihrerseits mit Licht 166 versorgt werden. In jedem Falle wird ein Sendestrahl 168 in Richtung der Längsachse des Rotors 141 erzeugt. Der Sendestrahl 168 durchsetzt die axiale Bohrung 156. Eventuell auftretendes Streulicht 170, das sich unter einem Winkel zur Längsachse ausbreitet, wird in der Auskleidung 160 absorbiert.
Austrittsseitig weist der Rotor 141 die bereits bei den anderen Ausführungsbeispielen mehrfach erläuterte ebene Oberfläche 172 auf. In der Oberfläche 172 ist entlang der zweiten Achse des Rotors 141 eine Ringbohrung 174 angebracht, die ebenfalls kurz vor dem Spiegel 149 endet. Die Ringbohrung 174 bildet somit ein Fenster 176, das bündig zur Oberfläche 172 verläuft. Die Ringbohrung 174 ist ebenfalls mit einer Auskleidung 178 aus Licht absorbierendem Werkstoff versehen. Der vom Spiegel 149 umgelenkte Sendestrahl 168 verläuft somit ungehindert durch den von der Ringbohrung 174 umgebenen Kern aus dem transparenten Werkstoff 152. Eventuell auftretendes Streulicht 180 wird auch hier von der Auskleidung 178 absorbiert.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel hat der Sendestrahl 168 z.B. einen Durchmesser von 3 mm und die Bohrungen 156 sowie 174 einen etwa doppelt so großen Durchmesser, d.h. von etwa 6 mm. Durch die Absorption des Streulichtes 170, 180 wird in diesem Falle eine noch bessere Entkopplung zwischen dem Sendestrahl 168 und den Empfangsstrahlen erreicht.
Bei der Variante gemäß Fig. 5B sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch unter Hinzufügung eines Apostrophs .
Die Bohrungen 156' und 174' sind bei dieser Variante beide als Vollbohrungen und bis zur Trennebene 146' durchgehend ausgebildet. Dabei kann die radiale Bohrung 174' am äußeren Ende mit einem Fenster verschlossen sein. Beide Bohrungen 156' und 174' sind in der bereits beschriebenen Weise an ihrer Innenwand lichtabsorbierend ausgekleidet.
Um den Sendestrahl 168' in der Trennebene 146' umzulenken, ist eine Oberfläche 182 des ersten Teils 142' im Übergang zu den Bohrungen 156' und 174' mit einer Verspiegelung 184 versehen.
Fig. 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen 3D-Scanners, diesmal in vollständigerer Darstellung, verglichen mit den Fig. 1 bis 5.
Der Scanner 190 enthält wiederum einen Rotor 192 von im Wesentlichen kreiszylindrischer Gestalt. Der Rotor 192 ist beidendig in Lagern 194, 196 drehbar gelagert. Die Lager 194, 196 stützen sich gerätefest ab, wobei auch hier der Begriff "gerätefest" so zu verstehen ist, dass der "gerätefeste" Bezugspunkt seinerseits ebenfalls bewegbar ist, beispielsweise in Form der bereits mehrfach erwähnten Drehbewegung um eine Vertikalachse. An dem in Fig. 6 rechten Ende des Rotors 192 ist ein Flansch
198 zu erkennen. Über den Flansch 198 ist der Rotor 192 mit einem Antriebsmotor 200 verbunden. Der Antriebsmotor 200 ist dabei vorzugsweise im vorstehend genannten Sinne ebenfalls "gerätefest" .
Der Rotor 192 weist einen Übertragungsabschnitt 202 auf, von dem Übertragungselemente 204 zu einem gerätefesten Punkt führen. Weitere Einzelheiten dazu sind in der nachstehenden Beschreibung der Fig. 7 und 8 angegeben.
Der Rotor 192 ist ferner mit einer Markierung 206 versehen, die über seinen Umfang umläuft und mit einem gerätefesten Sensor 208 in Wechselwirkung steht. Die Markierung 206 kann alternativ entweder unmittelbar auf dem Rotor 192 aufgebracht oder als Ring auf den Rotor 192 aufgesteckt sein. Es sind aber auch Bauformen möglich, bei denen die Markierung 206 und der Sensor 208 eine separate Einheit bilden, die vom Rotor 192 angetrieben wird.
Die maßgeblichen Achsen des Scanners 190 in Fig. 6 sind mit 210 (Horizontalachse) und 211 (Vertikalachse) bezeichnet. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die in Fig. 6 dargestellte Gesamtanordnung mit ihrem gerätefesten Bezugspunkt insgesamt um die Vertikalachse 211 verdrehbar ausgebildet ist.
In den Fig. 7 und 8 sind schließlich noch zwei Ausführungsbeispiele für den Übertragungsabschnitt 202a bzw. 202b dargestellt. Der Übertragungsabschnitt 202a gemäß Fig. 7 weist Kontaktbahnen 212 auf, die über den Umfang des Rotors 192 umlaufen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei derartige Kontaktbahnen 212 dargestellt, einmal für die Betriebsspannung UB, zum Anderen für die Signalspannung des Koppeltaktes up, und schließlich für Masse.
An die Kontaktbahnen 212 sind Schleifkontakte 214 anlegbar. Mit Pfeilen 216 sind Bewegungseinheiten angedeutet. Die Bewegungseinheiten 216 ermöglichen es, die Schleifkontakte 214 gesteuert an die Kontaktbahnen 212 anzulegen oder von diesen weg zu bewegen. Auf diese Weise ist es in der bereits beschriebenen Weise möglich, den Rotor 192 nur im Stillstand zu kontaktieren, während die Schleifkontakte 214 von den Kontaktbahnen 212 abgehoben sind, wenn der Rotor 192 rotiert.
Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel eines Übertragungsabschnittes 202b gemäß Fig. 8 werden eine erste Spule 218 am Rotor 192 sowie eine zweite Spule 220 in gerätefester Anordnung verwendet, die auf induktivem Wege eine Übertragung von Versorgungsenergie und/oder Signalen gestatten.
Fig. 9 zeigt einen 3D-Scanner 230 mit einem Rotor 232, der in der bereits beschriebenen Weise um eine erste, vorzugsweise horizontale Achse 234 rotieren kann, wie mit einem Pfeil 236 angedeutet. Eine Drehbarkeit um eine zweite, z.B. eine vertikale Achse, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung nicht vorgesehen.
Der Rotor 232 ist fliegend in zwei axial beabstandeten Lagern 238 eines Gehäuses 240 gelagert und über einen Flansch 242 antreibbar. Eine Lichtquelle 248 erzeugt einen Sendestrahl 250, und die vom Objekt reflektierten Empfangsstrahlen 252 fallen in der beschriebenen Weise auf einen zur ersten Achse 234 geneigten Spiegel 246. Der Spiegel 246 kann - z.B. analog zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 - als separates Bauelement, oder - z.B. analog zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5A - als Verspiegelung eines Teiles des Rotors 232 ausgebildet sein.
Der gesamte Scanner 230 kann mittels nicht dargestellter Antriebsmittel entlang eines linearen Weges verfahren werden, und zwar vorzugsweise derart, dass die erste Achse 234 parallel zu dem Weg ausgerichtet ist. Auf diese Weise können z.B. Tunnel vermessen werden. Man erkennt aus Fig. 9, dass infolge der fliegenden Lagerung des Rotors 232 bei diesem Beispiel keine Abschattung an einem Stativ oder dergleichen stattfindet.
Fig. 10 zeigt in gleicher Darstellung einen 3D-Scanner 260 mit einem Rotor 262, der um eine erste, vorzugsweise horizontale Achse 264 rotieren kann, wie mit einem Pfeil 266 angedeutet. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist wiederum eine Drehbarkeit um eine zweite, z.B. eine vertikale Achse 268 vorgesehen.
Eine Lichtquelle 272 erzeugt einen Sendestrahl 274, und die vom Objekt reflektierten Empfangsstrahlen 278 fallen in der beschriebenen Weise auf einen zur ersten Achse 264 geneigten Spiegel 276. Hinsichtlich des Spiegels 276 gilt sinngemäß das selbe, was weiter oben zum Spiegel 246 in Fig. 9 gesagt wurde. Das Besondere an diesem Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Lichtquelle 272 sich axial neben dem Spiegel 276 befindet. Wichtig ist dabei, dass die zweite Achse 268 mit dem Sendestrahl 274 zusammenfällt, dieser sich also nicht um die zweite Achse 268 dreht.

Claims

Patentansprüche
3D-Scanner mit einer Lichtquelle (30; 120; 162; 248; 272) zum Erzeugen eines Sendestrahles (32; 124; 168; 250; 274), mit Mitteln, die mindestens um eine erste Achse (12; 122; 210; 234; 264) drehbar sind, zum Aussenden des Sendestrahles (32; 124; 168; 250; 274) zu einem zu vermessenden Objekt, von dem der Sendestrahl (32; 124; 168; 250; 274) als Empfangsstrahlen (34; 126; 252; 278) reflektiert wird, und mit einem synchron zu den Mitteln um die erste Achse (12 122; 210; 234; 264) drehbaren Spiegel (36; 91; 111; 149 246; 276) zum Empfangen der Ξmpfangsstrahlen (34; 126 252; 278), wobei der Spiegel (36; 91; 111; 149; 246; 276) um einen Winkel (α) von vorzugsweise 45° zu der ersten Achse (12; 122; 210; 234; 264) geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (30; 248; 272) und der Spiegel (36; 91; 246; 276) in einem gemeinsamen Rotor (20; 81; 192; 232; 262) befestigt sind, der um die erste Achse (12; 210; 234; 264) drehbar ist.
Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20; 81; 192; 232; 262) ferner um eine zur ersten Achse (12; 122; 210; 234; 264) unter einem im Wesentlichen rechten Winkel verlaufende zweite Achse (14; 123; 211; 268) drehbar ist.
Scanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendestrahl (32; 124; 168; 250; 274) entlang der zweiten Achse (14; 123; 211; 268) verläuft.
4. Scanner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20; 81; 192; 232; 262) eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt aufweist, und dass die erste Achse (12; 210; 234; 264) die Längsachse des Rotors (20; 81; 192; 232; 262) ist.
5. Scanner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20; 81; 192) an seinem Umfang mit einem ersten, ein ebenes Fenster (28) bildenden Zylindermantelabschnitt (74) versehen ist, und dass die Lichtquelle (30) in dem Zylindermantelabschnitt (74) ausmündet.
6. Scanner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20; 81; 192) mit einer Unwuσhtkompensation versehen ist.
7. Scanner nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20; 81; 192) auf der dem ersten Zylindermantelabschnitt (74) gegenüberliegenden Seite mit der Unwuchtkompensation versehen ist.
8. Scanner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchtkompensation als zweiter, eine ebene Fläche bildender Zylindermantelabschnitt (76) ausgebildet ist.
9. Scanner nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (30) einen Lichtleiter (52) aufweist, und dass der Lichtleiter (52) bündig in dem Fenster (28) ausmündet.
10. Scanner nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (30) einen Lichtleiter (52) aufweist, und dass der Lichtleiter (52) über das Fenster (28) vorsteht (56).
11. Scanner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) eine elektronische Steuereinheit (58) für die Lichtquelle (30) aufweist.
12. Scanner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (58) ein Phasensignal (up) für die Lichtquelle (30) verarbeitet.
13. Scanner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasensignal (up) ein Amplitudenmodulations-Signal ist.
14. Scanner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasensignal (up) ein Tastsignal ist.
15. Scanner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20; 81; 192) eine elektronische Versorgungseinheit (62) zum Versorgen der Lichtquelle (30) mit elektrischer Energie aufweist.
16. Scanner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinheit (62) einen Energiespeicher (68) enthält.
17. Scanner nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20; 81; 192) zum Anschluss der Steuereinheit (58) und/oder der Versorgungseinheit (62) an gerätefeste Einheiten einen Ubertragungsabschnitt (24; 202) aufweist.
18. Scanner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ubertragungsabschnitt (202a) Kontaktbahnen (212) aufweist, die mit gerätefesten Schleifkontakten (214) zusammenwirken.
19. Scanner nach Anspruch 16 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifkontakte (214) bei Rotation des Rotors (192) von den Kontaktbahnen (212) abhebbar (216) sind, und dass die Steuereinheit (58) bei abgehobenen Schleifkontakten (214) mit dem Energiespeicher (68) verbindbar ist.
20. Scanner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ubertragungsabschnitt (202b) eine erste Induktionsspule (218) aufweist, die mit einer stationären, zweiten Induktionsspule (220) zusammenwirkt.
21. Scanner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20; 81; 192) eine Linse (38; 96) zum Bündeln der Empfangsstrahlen (34) auf einen Brennpunkt (40) aufweist.
22. Scanner nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (38; 96) in Ausbreitungsrichtung der Empfangsstrahlen (34) hinter dem Spiegel (36; 91) angeordnet ist.
23. Scanner nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (81) mindestens teilweise aus einem optisch transparenten Werkstoff (94) besteht, und dass die Linse (96) einstückig mit einem Teil (86) des Rotors (81) ausgebildet ist.
24. Scanner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (81) mindestens teilweise aus einem optisch transparenten Werkstoff (94) besteht und mehrteilig (84, 86) ist, und dass der Spiegel (91) als Verspiegelung (92) auf einer Oberfläche (90) eines der Teile (86) des Rotors (81) ausgebildet ist.
25. Scanner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendestrahl (168) im Rotor (141) entlang eines optischen Pfades (156, 174) geführt wird, und dass der Pfad (156, 174) von einer Auskleidung (160, 178) aus optisch absorbierendem Werkstoff umgeben ist.
26. Scanner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (192) mit einer um die erste (210) und/oder die zweite (211) Achse verlaufenden Markierung (206) versehen ist, die mit einem gerätefesten Sensor (208) zusammenwirkt.
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