專利名稱：激光掃描器以及用于光學掃描和測量激光掃描器的環境的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于光學掃描和測量激光掃描器的環境的激光掃描器，其包括測量頭，其中該測量頭包括具有預定傳輸功率的光發射器用于發射光束、并且可圍繞至少一個軸旋轉，發射光束在對環境中的目標的測量點被反射，并且反射光束由測量頭內包含的接收器接收其強度。
本發明還涉及一種用于通過激光掃描器光學掃描和測量環境的方法，其中發射具有預定傳輸功率的光束，并且在這種情況下，光束圍繞至少一個軸旋轉，在環境的目標處反射發射光束，并接收所述反射光束。
背景技術：
上述類型的設備和方法是已知的。例如，本申請人已經制造出這類設備并出售。上述的方法可以在這些設備上實施。
在前言中所述的上述類型的激光掃描器被用來掃描并測量多種內部和外部空間。例如，這些可以是建造的已經設計好具體設施的建筑物等等。在這種情況下，激光掃描器位于將被測量的空間中的臺子上，并且測量頭圍繞垂直軸緩慢旋轉，同時位于測量頭中的具有光發射器的轉子以高得多的旋轉速度繞水平軸旋轉。通過這種方式，快速的旋轉導致在垂直平面中產生光扇，并且所述光扇較慢地旋轉通過例如360°，因此最終掃描整個環境。發射光束從環境中的點反射，反射光束又由測量頭接收。在這種情況下，環境中的各個被測點的距離與所述點的反射率被確定，因此最終產生具有理想上360°立體角的真實圖像。
在根據本發明的設備的另一種應用中，測量在特定通道中的長形室。在這種情況下，僅有圍繞水平軸旋轉的光發射器位于測量頭上，并且這種情況中的所述光發射器不另外圍繞垂直軸較慢的旋轉，而是沿著將被測量的通道移動。通過這種方式，例如，可以監視通道的狀態以確定通道中的任意點處的距離等。
上述類型的激光掃描器通常指定特定的距離范圍。這說明仍然可以根據所使用的元件的質量等級，在較大或較小的距離檢測和測量目標。在這種情況下，反射光束的強度取決于測量點的距離，當然還取決于其反射率，即通常所說的灰度級值。
在具有大距離范圍的激光掃描器的應用中，其中即使位于較大距離處的目標仍然被可靠地識別和測量，并且在具有大灰度級值范圍的應用中，其中即使具有較低的反射率的測量點仍然被可靠地區分，但是受到接收器的動態范圍的限制。在這種情況下必須考慮的是，相比于與距離成比例，反射光束的強度減小地更多。因此，從50m距離處的目標反射的光的數量僅僅接近于從0.1m距離處的目標反射的光的數量的4×10-6。不同灰度級值的范圍是另一個因素。根據當前的現有技術，還沒有可用于覆蓋這種寬的動態范圍的接收器。
德國2216765C3公開了一種用于距離測量的方法和設備。這包括，首先確定到特定測量點的距離，以及可選地確定該測量點的反射率。在這種情況中，從發射光脈沖和由測量點反射的光脈沖之間的傳播時間測量來確定距離。在這種情況下，如果傳播時間測量結束，并且接收的信號，即從反射光脈沖產生的信號脈沖，達到特定的觸發電平，但是該信號脈沖具有不確定的最大幅值，則會產生誤差。為了消除所述誤差，則執行如下的調節，即將信號脈沖從較低的初始值增加直到它達到限定電平。通過在產生信號脈沖之前調節傳輸功率或者接收增益來進行調節。通過在信號脈沖增加到限定電平之前檢測信號脈沖的幅值并且將其與預定的傳輸功率比較，從而來確定反射率。進而，在這種情況下，從測量距離另外進行加權，以計算在測量點的距離上的反射光脈沖的幅值相關性。
因此，已知的設備和已知的方法僅僅適于在單個測量點測量，這是因為在每一種情況中，必須通過調節傳輸功率和/或接收增益來內在優化測量點。這妨礙了對環境的掃描2D或者3D測量。
另外，在該已知的過程中，僅僅當已知未被調節的系統中的絕對傳輸功率時，才可以確定測量點的反射率。最終，包含最終確定的距離以及用該距離加權反射值，將獲得測量點的位置上的反射率的絕對值，而不是獲得在測量裝置的位置接收到的灰度級值。這是因為所述灰度級值與距離無關。具體來說，在環境以照片的方式表示的情況下，對于觀測員而言，每個點都具有與點和觀測員的距離無關的灰度級值。因此，不能由已知的過程得到環境的圖像記錄發明內容因此，本發明基于提供在引言中提到的類型的激光掃描器和方法而避免上述缺陷的目的。尤其是，本發明將提供一種激光掃描器和方法，利用該激光掃描器和方法，可以在寬的距離和灰度級值范圍上進行測量。
在引言中提到的類型的激光掃描器的情況中，根據本發明通過提供用于根據反射光束的強度設置傳輸功率的第一裝置，將用于確定測量點的灰度級值的第二裝置分配給接收器，以及第二裝置可以根據傳輸功率被調節，從而實現所述目的。
在引言中提到的類型的方法的情況中，根據本發明通過根據反射光束的強度設置傳輸功率、從該強度確定測量點的灰度級值，以及根據傳輸功率校正灰度級值的測定結果，來實現本發明的目的。
本發明的目的通過這種方式完全實現。
本發明不僅能實現通常的減小傳輸功率，而且能夠以半色調表現形式高質量地再現激光掃描器的環境。在這種情況下，如果在變化的測量點的距離和/或變化的反射率的情況下，以所述方式增加或者減小傳輸功率，則可以避免成像誤差。這是因為，由于在形成灰度級值中考慮了傳輸功率，通過調節傳輸功率而系統地產生的測量誤差被再次精確地計算出，因此將環境的不變的真實圖像形成為半色調表現形式。
根據本發明，對于更遠的和/或更弱反射的測量點，傳輸功率相應的增加，以使得反射信號仍然具有足夠的幅值，從而不超出接收器的動態范圍。相反，傳輸功率還可以在非常接近和/或強反射的測量點的情況下相應地減小。因此，即使在遠距離和/或大灰度級值范圍的情況下，本發明也可以以相對簡單的方式成功的進行可靠的測量，而不會產生必須用來實現接收器或者實際上超出可市場獲得的接收器的可能性的額外費用。而且，通過限制傳輸功率，可以降低能量損耗，并且可以可靠地保護在掃描器附近的人免受傷害，尤其是免受眼傷。
在根據本發明的激光掃描器的一個優選的改進中，可這樣調節傳輸功率，使得將反射光束的強度保持為至少近似為常數。
這種測量具有的優點是，可以使用即使具有非常小的動態范圍以及因此具有非常低的成本的接收器。
在本發明的一個實際應用的示例性實施例中，將可調的電源單元分配給光源，其中接收器通過第一特征曲線級(characteristic curve stage)連接到電源單元。
這種測量具有的優點是，利用簡單的電路配置，可以對于反射測量光束的變化強度設置傳輸功率，在這種情況下，可以根據物理條件指定特征曲線級的特征曲線，使得發射光束的功率或者強度隨反射測量光束的強度的變化近似于線性、甚至近似為常數。
在示例性實施例的一個實際應用的實施例中，將第二裝置形成為可調放大器，該可調放大器的控制輸入通過第二特征曲線級連接到電源單元。
本發明還提供的優點是，可以利用相對簡單的電路裝置來實現所述示例性實施例，其中第二特征曲線級使得可以再次根據物理條件實現對傳輸功率的調節的完全補償，所述調節根據反射光束的強度而進行。
在說明書和附圖中示出了其它優點。
顯然，在不脫離本發明的范圍下，上述和下面還將解釋的特征不僅可以用在各個特定組合中，還可以用在其他組合中或者它們自身上。
將在附圖中示出并在下面的描述中更加詳細的說明本發明的一個示例性實施例。在所述附圖中圖1示出了實際中使用根據本發明的設備的示意性透視圖；圖2示出了根據本發明的一種設備的示例性實施例的示意性方塊圖。
具體實施例方式
在圖1中，10表示用于對激光掃描器10的環境進行光學掃描和測量的激光掃描器。在圖1所示的示例性實施例的情況中，將從靜態點產生具有理想的360°立體角的環境的圖像。
為此，激光掃描器10包含位于空間固定臺上的測量頭12。在這種情況中，測量頭12整體可以較慢地圍繞垂直軸16旋轉，如箭頭18所示。
測量頭12包含轉子20作為它的一部分，該轉子可以圍繞水平軸22顯著更快地旋轉，也就是說以顯著更高的旋轉速度圍繞水平軸22旋轉，如箭頭24所示。
轉子20發射光束26。在圖1中，將由轉子20發射的光束表示為Ls，而將從環境中的目標30反射的光束表示為Lr。
在圖1所示的情況中，目標30與測量頭12距離為d，在該目標上，測量點32正被光束26照明。使得測量點32的灰度級值為GW。
圖2示出了位于測量頭12內的電路配置40。
電路配置40包含與轉子20一起旋轉的光源42，例如激光器二極管，該激光器二極管發射傳輸功率為Ps的光束Ls。通過可調電源單元44將電源電壓Uv供給光源42。可以以這種方式設置光源42的傳輸功率Ps。
為了影響傳輸功率Ps，電源單元44一方面連接到具有調制電壓UMod的調制振蕩器46，另一方面連接到具有輸出調節電壓UR的第一特征曲線級48，其功能將在下面說明。
在輸入側，電路配置40包含由50表示的接收器，該接收器接收反射光束Lr的強度Ir。接收器50優選緊鄰于光源42，因為，發射光束Ls同樣緊鄰于反射光束Lr或者甚至與后者重合。在后面提到的情況中，可以使用半透鏡等來隔離光束Ls和Lr。這些問題對于激光掃描器領域的技術人員來說是公知的，因此這里不需要進一步解釋。
接收器50在它的輸出側提供信號，該信號對應于表觀灰度級值GWs。在輸出側，接收器50連接到可調放大器52。放大器52具有輸出端54，在該輸出端，可以分接對應于實際灰度級值GWe的信號。
可調放大器52的增益因數通過第二特征曲線級56來控制，所述第二特征曲線級56的輸入側連接到例如第一特征曲線級48的輸出側。在這種情況下，將再現傳輸功率Ps的信號提供到第二特征曲線級56的輸入側是很重要的。在該示例性實施例中，該信號可以是第一特征曲線級48的輸出信號，但是不必一定是所述的信號。
電路配置40如下所述地工作通過調制振蕩器46，利用調制電壓UMod以其公知的方式調制發射光束Ls的幅值，即傳輸功率Ps。該調制信號之后還出現在反射光束Lr中，并且由接收器50估算為距離信號(未示出)。
接收器50的輸出信號是對反射光束Lr的強度Ir的測量值。將該信號提供給第一特征曲線級48，該第一特征曲線級具有遞減分布。該遞減分布根據距離d和灰度級值GW來考慮強度Ir的變化。因此，在第一特征曲線級48的輸出側，當強度Ir由于距離d或灰度級值GW越大而變得越小，則出現越高的調節電壓UR。調節電壓UR影響電源單元44，使得電源電壓UV隨著強度Ir相反地增加，這有利地比按比例或者按指數地增長更加精確。結果，傳輸功率Ps也增加，從而，當距離d或者灰度級值GW增大時，相比于沒有所述調節的情況，所以反射光束Lr的強度Ir減小得少得多。在極限情況中，其保持至少近似為常數。為此，可以另外將希望的預定值加到所述電路42、44、48和50中(未示出)。
該測量對距離d的估算沒有影響，因為距離d通過調制得到，也就是說通過調制電壓UMod與反射光束Lr的調制分量之間的相移得到。
以取決于反射光束Lr的強度Ir的方式調節傳輸功率Ps，這會導致灰度級值信號的系統惡化，這是因為灰度級值信號直接取決于反射光束Lr的強度Ir。因此將接收器50的輸出信號稱為“表觀”灰度級值GWs。
為了再次校正系統惡化，通過第二特征曲線級56，從第一特征曲線級48的輸出信號UR或者再現傳輸功率Ps的其他信號形成校正信號，該校正信號調節可調放大器52以得到所述校正。從而在所述放大器的輸出端54獲得“實際”灰度級值GWe。
在這種情況中，第二特征曲線級56的特征曲線同樣遞減，因為，由于相對于大距離d和高灰度級值GW調節傳輸功率Ps，從而相比于不以依賴于傳輸功率Ps的方式調節傳輸功率Ps的情況，測量的強度Ir更大。
權利要求
1.一種用于光學掃描和測量激光掃描器(10)的環境的激光掃描器，其包括測量頭(12)，該測量頭包括具有預定傳輸功率(Ps)的光發射器(48)用于發射光束(Ls)、并且可以圍繞至少一個軸(16，22)旋轉，其中所述發射光束(Ls)在對所述環境中的目標(30)的測量點(32)被反射，并且所述反射光束(Lr)由所述測量頭(12)中包含的接收器(50)接收其強度(Ir)，所述激光掃描器的特征在于，包括第一裝置(44，48)，該第一裝置用于將所述傳輸功率(Ps)設置為隨著所述反射光束(Lr)的強度(Ir)變化，還包括第二裝置(52)，該第二裝置用于確定被分配給所述接收器(50)的所述測量點(32)的灰度級值(GWe)，并且所述第二裝置(52)可根據所述傳輸功率(Ps)被調節。
2.如權利要求1的激光掃描器，其特征在于，所述傳輸功率(Ps)通過如下的方法而可調節，所述方法為將所述反射光束(Lr)的強度(Ir)保持為至少近似為常數。
3.如權利要求1或2的激光掃描器，其特征在于，可調電源單元(44)被分配給所述光源(42)，以及所述接收器(50)通過第一特征曲線級(48)連接到所述電源單元(44)。
4.如權利要求1至3中一項或多項的激光掃描器，其特征在于，所述第二裝置被形成為可調放大器(52)，該可調放大器的控制輸入通過第二特征曲線級(56)連接到所述電源單元(44)。
5.一種通過激光掃描器(10)光學掃描和測量環境的方法，在所述激光掃描器(10)中發射具有預定傳輸功率(Ps)的光束(Ls)，并且在該情況中所述光束圍繞至少一個軸(16，22)旋轉，將所述發射光束(Ls)在所述環境中的目標(30)處反射，并且接收所述反射光束(Lr)的強度(Ir)，其特征在于，將所述傳輸功率(Ps)設置為隨著所述反射光束(Lr)的強度(Ir)變化，并且，從所述強度(Ir)確定測量點(32)的灰度級值(GWe)，以及，根據所述傳輸功率(Ps)校正所述灰度級值的確定值。
6.如權利要求5的方法，其特征在于，這樣增加傳輸功率(Ps)，使得將所述反射光束(Lr)的強度(Ir)保持為至少近似為常數。
全文摘要
一種用于光學掃描和測量激光掃描器(10)的環境的激光掃描器。該激光掃描器包括測量頭，該測量頭包括具有預定傳輸功率(Ps)的光發射器(48)用于發射光束(Ls)、并且圍繞至少一個軸旋轉。發射光束(Ls)在對環境中的目標的測量點被反射。反射光束(Lr)通過測量頭(12)中包含的接收器(50)接收其強度(Ir)。用于設置傳輸功率(Ps)的第一裝置(44，48)被分配給接收器(50)。傳輸功率(Ps)可根據反射光束(Lr)的強度(Ir)調節。另外，用于確定測量點(32)的灰度級值(GWe)的第二裝置(52)被分配給接收器(50)。第二裝置(52)可根據傳輸功率(Ps)調節。
文檔編號G01S7/489GK1926400SQ200480039426
公開日2007年3月7日 申請日期2004年12月22日 優先權日2003年12月29日
發明者M·奧西, R·貝克爾, B-D·貝克爾 申請人:法羅技術公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
