專利名稱：用于對(duì)環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的設(shè)備的制作方法
用于對(duì)環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的設(shè)備本發(fā)明涉及一種具有權(quán)利要求1的上位術(shù)語的特征的設(shè)備。借助于例如像從DE 202006005643U1已知的且被設(shè)計(jì)成激光掃描儀的設(shè)備，可以對(duì)激光掃描儀的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量。旋轉(zhuǎn)的并且被設(shè)計(jì)成金屬轉(zhuǎn)子的拋光板的旋轉(zhuǎn)鏡使發(fā)射光束和接收光束兩者偏轉(zhuǎn)。光發(fā)射器的準(zhǔn)直器位于接收器透鏡的中心。接收器透鏡在光接收器上再現(xiàn)接收光束，在接收器透鏡后面在光軸上布置該光接收器。為了獲得另外的信息，在激光掃描儀上安裝獲取RGB信號(hào)的行掃描攝像機(jī)，使得掃描的測(cè)量點(diǎn)可以通過顏色信息來完成。本發(fā)明基于以下目的創(chuàng)建引言中提到的類型的設(shè)備的替代。此目的是根據(jù)本發(fā)明借助于包括權(quán)利要求1的特征的方法而實(shí)現(xiàn)的。從屬權(quán)利要求涉及有利的配置。由于在接收器透鏡后面在光軸上設(shè)置有后鏡的事實(shí)，該后鏡朝向接收器透鏡反射已被接收器透鏡折射的接收光束，所以可以更好地利用可用空間。為了完成“折疊式光學(xué)系統(tǒng)”，優(yōu)選地，在接收器透鏡與后鏡之間設(shè)置中心鏡，該中心鏡朝向后鏡反射接收光束。鏡的適合形式支持聚焦，其中，仍然可以增大展開的光學(xué)系統(tǒng)的焦距。中心鏡可以用于通過減小相比遠(yuǎn)場(chǎng)的近場(chǎng)的強(qiáng)度來進(jìn)行近場(chǎng)校正，正如另外的遮蔽件一樣?？臻g的進(jìn)一步節(jié)省是由光接收器的關(guān)于接收器透鏡的光軸徑向的布置(在由光軸限定的圓柱坐標(biāo)系中)引起的。彩色攝像機(jī)關(guān)于旋轉(zhuǎn)鏡在同一側(cè)在接收器透鏡的光軸上的布置具有幾乎完全避免視差的優(yōu)點(diǎn)，這是由于光接收器和彩色攝像機(jī)在旋轉(zhuǎn)鏡的同一側(cè)且從相同的視角拍攝環(huán)境。此外，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)鏡使用相同的機(jī)制。旋轉(zhuǎn)鏡的使用側(cè)也是相同的。被旋轉(zhuǎn)鏡反射的接收光束平行于接收器透鏡的光軸行進(jìn)并且連續(xù)地照射在所述接收器透鏡上。優(yōu)選地，接收器透鏡代替光接收器，使得不存在遮蔽效應(yīng)的變化。為了能夠再次饋送發(fā)射光束，優(yōu)選地提供了彩色攝像機(jī)的前面的發(fā)射鏡，該發(fā)射鏡對(duì)于發(fā)射光束是反射的，而對(duì)于彩色攝像機(jī)是透明的。作為混合結(jié)構(gòu)(S卩，作為不同材料的多元件結(jié)構(gòu))的轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)允許以下短設(shè)計(jì)該短設(shè)計(jì)與旋轉(zhuǎn)鏡的傾斜無關(guān)地保持平衡。金屬支架、涂覆玻璃的旋轉(zhuǎn)鏡和塑性外殼的組合是優(yōu)選的，然而，其他組合也是可以的。關(guān)于質(zhì)量占支配地位的支架使得平衡成為可能，同時(shí)外殼用作意外接觸保護(hù)。轉(zhuǎn)子部件之間的膠在不削弱動(dòng)態(tài)行為的情況下使得膨脹的不同溫度系數(shù)的平衡成為可能。下面，基于附圖中示出的示例性實(shí)施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中

圖1示出了激光掃描儀的局部截面視圖，圖2示出了激光掃描儀的示意圖，以及圖3示出了轉(zhuǎn)子支架的透視圖。提供了一種激光掃描儀10，作為用于對(duì)激光掃描儀10的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的設(shè)備。激光掃描儀10具有測(cè)量頭12和底座14。測(cè)量頭12安裝在底座14上，作為可以關(guān)于豎直軸線旋轉(zhuǎn)的元件。測(cè)量頭12具有可以關(guān)于水平軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)鏡16。把兩條旋轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)指定為激光掃描儀10的中心C1(l。測(cè)量頭12還設(shè)置有用于射出發(fā)射光束18的光發(fā)射器17。優(yōu)選地，發(fā)射光束18是在大約340nm到1600nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的激光束，例如790nm、905nm或小于400nm，然而原則
上也可以使用具有例如更大波長(zhǎng)的其它電磁波。發(fā)射光束18例如通過正弦波形或矩形波形調(diào)制信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制。發(fā)射光束18由光發(fā)射器17發(fā)射到旋轉(zhuǎn)鏡16上，其中發(fā)射光束18在旋轉(zhuǎn)鏡16被偏轉(zhuǎn)并發(fā)射到環(huán)境中。在環(huán)境中被物體0反射或被散射的接收光束20再次被旋轉(zhuǎn)鏡16捕獲，被偏轉(zhuǎn)和導(dǎo)向到光接收器21上。發(fā)射光束18和接收光束20的方向是由旋轉(zhuǎn)鏡16和測(cè)量頭12的角位置造成的，旋轉(zhuǎn)鏡16和測(cè)量頭12的角位置取決于它們的對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的位置，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的位置進(jìn)而均由一個(gè)編碼器來配準(zhǔn)。控制與評(píng)估單元22具有到測(cè)量頭12中的光發(fā)射器17和光接收器21的數(shù)據(jù)連接，由此控制與評(píng)估單元22的部件還可以布置在測(cè)量頭12的外部，例如連接到底座14的計(jì)算機(jī)?？刂婆c評(píng)估單元22針對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)X，根據(jù)發(fā)射光束18和接收光束20的傳播時(shí)間確定激光掃描儀10與物體0(物體0處的照射點(diǎn))之間的距離d。為此目的，確定和評(píng)估兩個(gè)光束18和20之間的相移。借助于鏡16的(快速)旋轉(zhuǎn)沿著圓周進(jìn)行掃描。借助于測(cè)量頭12相對(duì)于底座14的(緩慢)旋轉(zhuǎn)，通過上述圓周逐步地掃描整個(gè)空間。這種測(cè)量的測(cè)量點(diǎn)X的實(shí)體被指定為掃描。對(duì)于這種掃描，激光掃描儀10的中心Cltl限定了局部靜止參考系的原點(diǎn)。底座14安置在此局部靜止參考系中。除了到激光掃描儀10的中心Cltl的距離d之外，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)X包括同樣由控制與評(píng)估單元22確定的亮度信息。亮度值是例如通過光接收器21的帶通濾波和放大的信號(hào)在歸屬于測(cè)量點(diǎn)X的測(cè)量時(shí)段上的積分而確定的灰階(gray-tone)值。對(duì)于特定應(yīng)用，希望具有除了灰階值之外的顏色信息。因此，激光掃描儀10還設(shè)置有也連接到控制與評(píng)估單元22的彩色攝像機(jī)23。彩色攝像機(jī)23例如被設(shè)計(jì)為CCD攝像機(jī)或CMOS攝像機(jī)，并且為實(shí)空間中的二維圖片提供在顏色空間中是三維的信號(hào)，優(yōu)選地是RGB信號(hào)?？刂婆c評(píng)估單元22將激光掃描儀10的掃描(在實(shí)空間中是三維的)與彩色攝像機(jī)23的彩色圖片(在實(shí)空間中是二維的)關(guān)聯(lián)，這樣的處理被稱作“映射”。對(duì)于已經(jīng)拍攝的彩色圖片中的任何圖片，逐個(gè)圖片地進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便對(duì)掃描的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)X給出顏色(按RGB份額)，即對(duì)掃描進(jìn)行著色，作為最終結(jié)果。以下詳細(xì)描述測(cè)量頭12。被旋轉(zhuǎn)鏡16反射的接收光束16照射在優(yōu)選為平凸的球面接收器透鏡30上，在本發(fā)明中，接收器透鏡30具有幾乎半球形的形狀。接收器透鏡30的光軸A朝向激光掃描儀的中心Cltl高折射接收器透鏡30的凸側(cè)朝向旋轉(zhuǎn)鏡16。在旋轉(zhuǎn)鏡16的與接收器透鏡30的相同側(cè)上并且在其光軸A上布置彩色攝像機(jī)23 ；在本發(fā)明中，彩色攝像機(jī)23被布置在接收器透鏡30的與旋轉(zhuǎn)鏡16最靠近的點(diǎn)上。彩色攝像機(jī)23可以固定在接收器透鏡30的(未處理的)表面上，例如，可以膠合在該表面上，或放置在接收器透鏡30的適當(dāng)?shù)陌既氩糠种小Ｔ诓噬珨z像機(jī)23的前面，即更靠近旋轉(zhuǎn)鏡16，布置二色性的發(fā)射鏡32，即，在本發(fā)明中發(fā)射鏡32透射可見光并且反射(紅色)激光。因此，發(fā)射鏡32對(duì)于彩色攝像機(jī)23是透明的，即，發(fā)射鏡32提供了到旋轉(zhuǎn)鏡16上的清晰視界。發(fā)射鏡32與接收器透鏡30的光軸A成一個(gè)角度，使得光發(fā)射器17可以布置在接收器透鏡30的所述側(cè)。包括激光二極管和準(zhǔn)直器的光發(fā)射器17將發(fā)射光束18發(fā)射到發(fā)射鏡32上，發(fā)射光束18然后從發(fā)射鏡32投射到旋轉(zhuǎn)鏡16上。為了拍攝彩色圖片，旋轉(zhuǎn)鏡16緩慢且逐步地旋轉(zhuǎn)，為了進(jìn)行掃描，旋轉(zhuǎn)鏡16快速(lOOcps)且連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)鏡16的機(jī)制保持相同。由于彩色攝像機(jī)23在接收器透鏡30的光軸A上的布置，掃描與彩色圖片之間實(shí)際上不存在視差。由于在已知的激光掃描儀中光發(fā)射器17 (及其連接)被布置來替代彩色攝像機(jī)23(以及其連接，例如柔性印刷電路板)，因此由于彩色攝像機(jī)23(以及發(fā)射鏡32)而產(chǎn)生的接收器透鏡30的遮蔽效應(yīng)沒有改變或僅不明顯地改變。一方面，為了也以大焦距配準(zhǔn)遠(yuǎn)處的測(cè)量點(diǎn)X，另一方面，為了需要小空間，激光掃描儀10具有“折疊式光學(xué)系統(tǒng)”。為此目的，在接收器透鏡30后面在光軸A上布置遮蔽件42，該遮蔽件被定向成與光軸A同軸。遮蔽件42 (參考光軸A)徑向向內(nèi)地具有(大的)自由區(qū)域，以使被遠(yuǎn)處物體0反射的接收光束20無阻礙地通過，而遮蔽件42徑向向外地具有(較小的)遮蔽區(qū)域，以減小被近處物體0反射的接收光束20的強(qiáng)度，使得能夠得到可比較的強(qiáng)度。在遮蔽件42后面在光軸A上布置后鏡43，該后鏡是平面的并且垂直于光軸A。該后鏡43將被接收器透鏡30折射且照射在中心鏡44上的接收光束20反射。在光軸A上在遮蔽件42的中心布置中心鏡44，彩色攝像機(jī)23 (以及發(fā)射鏡3 遮蔽中心鏡44。中心鏡44是非球面鏡，其用作負(fù)透鏡(即，增大焦距)并且用作近場(chǎng)校正透鏡(即，使被近處物體0反射的接收光束20的焦點(diǎn)位移)。此外，僅由接收光束20中的通過布置在中心鏡44上的遮蔽件42的該部分來提供反射。中心鏡44將通過中心孔口照射在后鏡43的后面的接收光束20反射。在后鏡43的后面布置光接收器21，光接收器21包括入口光圈、帶有濾波器的準(zhǔn)直器、聚光透鏡和檢測(cè)器。為了節(jié)省空間，優(yōu)選地，提供了使接收光束20偏轉(zhuǎn)了 90°的接收鏡45，使得可以關(guān)于光軸A徑向地布置光接收器21。利用折疊式光學(xué)系統(tǒng)，焦距相對(duì)于已知的激光掃描儀可以是大約兩倍。作為二維結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)鏡16是轉(zhuǎn)子61的部分，轉(zhuǎn)子61可以作為三維結(jié)構(gòu)由相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器來轉(zhuǎn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)子61的角位置由指定的編碼器測(cè)量。為了還節(jié)省關(guān)于旋轉(zhuǎn)鏡16的空間(歸因于轉(zhuǎn)子61的短設(shè)計(jì))并且保持轉(zhuǎn)子61平衡，轉(zhuǎn)子61被設(shè)計(jì)成混合結(jié)構(gòu)，包括支架63、安裝在支架63處的旋轉(zhuǎn)鏡16、以及由塑性材料制成的外殼65，該外殼另外保持旋轉(zhuǎn)鏡16。金屬支架63具有帶有45°表面和各種凹入部分的圓柱體的基本形狀。材料的部分(例如葉片、軸肩和突出部)保持在這些凹入部分之間，其中每個(gè)部分均用來平衡轉(zhuǎn)子61。中心孔用于安裝指定的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)軸。旋轉(zhuǎn)鏡16由被涂覆的且在相關(guān)波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射的玻璃制成。旋轉(zhuǎn)鏡16通過膠固定在支架63的45°表面處，為此目的，優(yōu)選地，支架63處設(shè)置有特定的附著表面63b。由塑性材料制成的外殼65具有中空?qǐng)A柱體的形狀，該中空?qǐng)A柱體被切割成45°以下并且至少包圍支架63。外殼65可以膠著到旋轉(zhuǎn)鏡16或者被固定到旋轉(zhuǎn)鏡16。若需要的話，通過橡膠密封等的介入，外殼65可以(優(yōu)選地以形狀鎖定的方式)在其外周處扣住旋轉(zhuǎn)鏡16。外殼65還可以膠著至支架63或直接固定至支架63，或者通過轉(zhuǎn)子61的安裝，外殼65可以優(yōu)選地借助于端板67連接至支架63，例如螺紋緊固至支架63。所使用的膠一方面必須補(bǔ)償所使用的材料的膨脹的不同溫度系數(shù)，另一方面使得動(dòng)態(tài)行為不受影響，例如表現(xiàn)出不太大的彈性，以避免速度相關(guān)的不平衡。
轉(zhuǎn)子61關(guān)于光軸A旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)鏡16在支架63的一個(gè)面(S卩，在45°表面上)上覆蓋支架63。外殼65(關(guān)于光軸A)在外部徑向地覆蓋支架63。因此，可以覆蓋支架63的銳利邊緣以防止損傷。支架63使轉(zhuǎn)子61平衡。支架63可以由其它支配慣性矩的重質(zhì)材料制成，來替代金屬。外殼65還可以由對(duì)慣性矩具有很小的影響的其它輕質(zhì)材料制成，來替代塑性材料。旋轉(zhuǎn)鏡16另外可以是反射的(和透明的)，來替代被涂覆的玻璃。被設(shè)計(jì)成混合結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)鏡16、支架63以及外殼65是被固定在一起的分開形成的部件。附圖標(biāo)記列表
10激光掃描儀
12測(cè)量頭
14底座
16旋轉(zhuǎn)鏡
17光發(fā)射器
18發(fā)射光束
20接收光束
21光接收器
22控制與評(píng)估單元
23彩色攝像機(jī)
30接收器透鏡
32發(fā)射鏡
42遮蔽件
43后鏡
44中心鏡
45接收鏡
61轉(zhuǎn)子
63支架
63b附著表面
65外殼
67端板
A(接收器透鏡的)
ClO激光掃描儀的中心
d距離
0物體
X測(cè)量點(diǎn)
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的設(shè)備，所述設(shè)備被設(shè)計(jì)為激光掃描儀(10)，所述激光掃描儀(10)具有光發(fā)射器(17)，所述光發(fā)射器(17)借助于旋轉(zhuǎn)鏡(16)射出發(fā)射光束(18)；光接收器(21)，接收光束00)被所述光接收器接收，所述接收光束OO)在通過所述旋轉(zhuǎn)鏡(16)和具有光軸(A)的接收器透鏡(30)之后從所述激光掃描儀(10)的環(huán)境中的物體(0)反射，或被散射；以及控制與評(píng)估單元(22)，所述控制與評(píng)估單元02)針對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)(X)確定到所述物體(0)的距離，其特征在于，在所述接收器透鏡(30)后面在所述光軸(A)上設(shè)置后鏡(43)，所述后鏡朝向所述接收器透鏡(30)反射已被所述接收器透鏡(30)折射的所述接收光束00)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述后鏡具有平面設(shè)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，在所述接收器透鏡(30)與所述后鏡(43)之間在所述光軸(A)上設(shè)置遮蔽件(42)，所述遮蔽件將所述接收光束00)中的相對(duì)于所述光軸(A)徑向在外的部分遮蔽。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述設(shè)備，其特征在于，在接收器透鏡(30)與后鏡03)之間在所述光軸(A)上設(shè)置中心鏡(44)，所述中心鏡朝向所述后鏡反射已被所述后鏡(43)反射的所述接收光束00)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3和4所述的設(shè)備，其特征在于，所述中心鏡04)被布置在所述遮蔽件0 的中心，所述中心鏡具體地被所述接收器透鏡(30)前面或所述接收器透鏡(30)中的彩色攝像機(jī)和/或發(fā)射鏡(3 和/或所述光發(fā)射器(17)遮蔽。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的設(shè)備，其特征在于，所述中心鏡04)被非球面地設(shè)計(jì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，被所述中心鏡04)反射的所述接收光束00)穿過所述后鏡的中心孔口。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，在所述后鏡G4)后面在所述光軸(A)上設(shè)置接收鏡(45)，所述接收鏡0 使所述接收光束OO)偏轉(zhuǎn)并且將所述接收光束OO)發(fā)射至所述光接收器上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，關(guān)于所述光軸(A)徑向地布置所述光接收器 01)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，設(shè)置有測(cè)量頭(12)，所述測(cè)量頭(1 關(guān)于豎直軸線旋轉(zhuǎn)并且承載所述光發(fā)射器(17)、所述接收器透鏡(30)、所述后鏡(43)、所述光接收器(21)、以及所述旋轉(zhuǎn)鏡(16)，其中，所述旋轉(zhuǎn)鏡(16)關(guān)于水平布置的所述光軸㈧旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
在一種用于對(duì)環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的設(shè)備中，所述設(shè)備被設(shè)計(jì)為激光掃描儀(10)，所述激光掃描儀(10)具有光發(fā)射器(17)，所述光發(fā)射器(17)借助于旋轉(zhuǎn)鏡(16)射出發(fā)射光束(18)；光接收器(21)，接收光束(20)被所述光接收器(21)接收，接收光束(20)在通過旋轉(zhuǎn)鏡(16)和具有光軸(A)的接收器透鏡(30)之后從激光掃描儀(10)的環(huán)境中的物體(O)反射，或被散射；以及控制與評(píng)估單元(22)，所述控制與評(píng)估單元(22)針對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)(X)確定到物體(O)的距離，在接收器透鏡(30)后面在光軸(A)上設(shè)置后鏡(43)，所述后鏡朝向接收器透鏡(30)反射已被接收器透鏡(30)折射的接收光束(20)。
文檔編號(hào)G01S7/481GK102597802SQ201080047517
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者約阿希姆·策勒, 菲利普·舒曼, 馬丁·奧西格 申請(qǐng)人:法羅技術(shù)股份有限公司