DE112011102995B4

DE112011102995B4 - Laserscanner oder Lasernachführungsgerät mit einem Projektor

Info

Publication number: DE112011102995B4
Application number: DE112011102995.0T
Authority: DE
Inventors: Clark H. Briggs
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2031-09-09
Also published as: US8638446B2; GB2501390A; CN103003713B; WO2012033892A1; CN103003713A; US20120057174A1; GB2501390B; DE112011102995T5; JP2013539541A; GB201305955D0

Abstract

Koordinatenmessvorrichtung (12, 30) mit einem dreidimensionalen Koordinatensystem, aufweisend: eine Lichtquelle (18, 80), die dafür konfiguriert ist, einen Lichtstrahl (46, 82) auf einen ersten Punkt zu strahlen; einen optischen Detektor (88), der dafür konfiguriert ist, einen Teil des von dem ersten Punkt reflektierten Lichtstrahls (86) in ein erstes elektrisches Signal umzuwandeln; einen ersten Prozessor, der dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand von der Koordinatenmessvorrichtung (12, 30) zu dem ersten Punkt zu berechnen, wobei die Berechnung zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal und einer Lichtgeschwindigkeit in Luft basiert; einen Projektor (14, 94), der in einem Gehäuse der Koordinatenmessvorrichtung (12, 30) integriert ist, wobei der Projektor (14, 94) dafür konfiguriert ist, ein zweidimensionales Muster (24, 70, 410) von sichtbarem Licht auf einen Gegenstand zu projizieren, wobei das projizierte sichtbare Licht Bilder, Daten oder Informationen anzeigt, wobei der Projektor (94) eine Anordnung von programmierbaren Pixeln umfasst, die dafür konfiguriert sind, das zweidimensionale Muster (24, 70, 410) in Abhängigkeit von von einem zweiten Prozessor empfangenen Befehlen zu erzeugen; einen Strahlenteiler (84, 92), wobei entweder der Lichtstrahl (82) oder das zweidimensionale Lichtmuster (24, 70, 410) von dem Strahlenteiler (84, 92) reflektiert wird und der/das andere von Lichtstrahl (82) und zweidimensionalem Lichtmuster (24, 70, 410) durch den Strahlenteiler (84, 92) übertragen wird; einen Strahlführungsmechanismus (32), der dafür konfiguriert ist, den Lichtstrahl (82) und das zweidimensionale Lichtmuster (24, 70, 410) um einen ersten Winkel um eine erste Achse (38) zu drehen, wobei der Strahlführungsmechanismus (32) ferner dafür konfiguriert ist, den Lichtstrahl (82) um einen zweiten Winkel um eine zweite Achse (42) zu drehen; einen ersten Winkelwandler, der dafür konfiguriert ist, den ersten Winkel zu messen; und einen zweiten Winkelwandler, der dafür konfiguriert ist, den zweiten Winkel zu messen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Koordinatenmessvorrichtungen, zum Beispiel Laserscanner, Lasernachführungsgeräte und Totalstationen, und insbesondere Laserscanner und Lasernachführungsgeräte, bei denen ein oder mehrere relativ kleine Projektoren zum Projizieren von sichtbaren Informationen in Form von Bildern und/oder Daten (z. B. CAD-Daten oder abgetastete Punktwolkendaten) auf verschiedene Oberflächen in diese integriert sind. Die projizierten sichtbaren Informationen können zum Beispiel von der Art sein, dass sie einem Bediener eine Führung bieten, wie schriftliche Anweisungen, hervorgehobene zu messende Stellen, angezeigte Bereiche, in denen Daten zu erfassen sind, und Rückmeldungen über die Qualität der Daten in Echtzeit.
HINTERGRUND
Ein Laserscanner ist eine Art von Koordinatenmessvorrichtung, die typischerweise für ein berührungsloses optisches Scannen von vielen verschiedenen Arten von relativ großen geschlossenen oder offenen Räumen oder Gegenständen, zum Beispiel Innenräumen von Gebäuden, industriellen Anlagen und Tunneln oder Außenformen von Flugzeugen, Kraftfahrzeugen oder Booten verwendet wird. Laserscanner können für viele verschiedene Zwecke verwendet werden, einschließlich industrieller Anwendungen und der Rekonstruktion von Unfällen. Ein Laserscanner tastet die Umgebung um den Laserscanner optisch ab und misst diese durch Ausstrahlen eines sich drehenden Laserstrahls und Erfassen des Laserstrahls, wenn er von den verschiedenen Gegenständen in seinem Weg reflektiert wird. Laserscanner erfassen typischerweise eine Vielfalt von Datenpunkten in Bezug auf die Umgebung, einschließlich Distanzinformationen für jeden Gegenstand in seiner Umgebung, eines Grauwertes (d. h. eines Wertes für die Lichtintensität) für jeden Distanzmesswert, und Koordinaten (z. B. x, y und z) für jeden Distanzmesswert. Diese Abtastdaten werden erfasst, gespeichert und an einen Prozessor gesendet, der typischerweise von dem Laserscanner entfernt ist, wobei die Daten verarbeitet werden, um ein dreidimensionales (3D) Abtastbild von der abgetasteten Umgebung mit Messungen zu erhalten. Um das 3D-Abtastbild zu erzeugen, werden mindestens vier Werte (x, y, z-Koordinaten und der Grauwert) für jeden Abtastdatenpunkt erfasst.
Viele heutige Laserscanner umfassen auch eine Kamera, die auf dem Laserscanner montiert ist, um digitale Bilder der Umgebung zu erfassen und die digitalen Bilder einem Bediener des Laserscanners zu präsentieren. Die Bilder können zusammen mit den Abtastdaten ausgerichtet werden, um ein realistischeres Bild von dem abgetasteten Gegenstand zur Verfügung zu stellen. Durch Ansehen der Bilder kann der Bediener des Scanners das Gesichtsfeld der Abtastdaten bestimmen und die Einstellungen an dem Laserscanner vornehmen, wenn das Gesichtsfeld verstellt werden muss. Außerdem können die digitalen Bilder an den Prozessor übertragen werden, um dem 3D-Abtastbild Farbe hinzuzufügen. Um ein farbiges 3D-Abtastbild zu erzeugen, werden mindestens sechs Werte (x-, y-, z-Koordinaten und ein Rot-, Grün- oder Blauwert oder "RGB-Wert") für jeden Datenpunkt erfasst. Beispiele für Laserscanner sind in US 7,193,690 B2 , US 7,430,068 B2 und US 2010/0 134 596 A1 offenbart.
Eine weitere Art von Koordinatenmessvorrichtung ist ein Lasernachführungsgerät, das die 3D-Koordinaten eines bestimmten Punktes misst, indem es einen Laserstrahl an den Punkt sendet, an dem der Laserstrahl typischerweise durch ein Rückstrahlerziel abgefangen wird. Das Lasernachführungsgerät findet die Koordinaten des Punktes durch Messen des Abstands und der zwei Winkel zum Ziel. Der Abstand wird mit einer Distanzmessvorrichtung gemessen, wie einem Absolutdistanzmesser (ADM) oder einem Interferometer. Die Winkel werden mit einer Winkelmessvorrichtung, wie einem Winkelschrittgeber, gemessen. Ein kardanisch aufgehängter Strahlführungsmechanismus innerhalb des Instruments lenkt den Laserstrahl auf den entsprechenden Punkt. Der Rückstrahler kann manuell von Hand oder automatisch über die Oberfläche des Gegenstands bewegt werden. Das Lasernachführungsgerät folgt der Bewegung des Rückstrahlers, um die Koordinaten des Gegenstands zu messen. Beispielhafte Lasernachführungsgeräte sind in US 4,790,651 A und in US 4,714,339 A offenbart. Die Totalstation, die am häufigsten in Überwachungsanwendungen verwendet wird, kann verwendet werden, um die Koordinaten von diffus streuenden oder retroreflektierenden Zielen zu messen. Die Totalstation ist eng auf das Lasernachführungsgerät und den Scanner bezogen.
Eine übliche Art von Rückstrahlerziel ist der sphärisch montierte Rückstrahler (SMR), der einen würfeleckigen Rückstrahler aufweist, der in einer Metallkugel eingebettet ist. Der würfeleckige Rückstrahler weist drei zueinander senkrechte Spiegel auf. Die Spitze des Winkels, welche der übliche Schnittpunkt der drei Spiegel ist, befindet sich in der Mitte der Kugel. Es ist übliche Praxis, die sphärische Oberfläche des SMR in Kontakt mit einem zu testenden Gegenstand anzuordnen und dann den SMR über die Oberfläche des zu messenden Gegenstands zu bewegen. Auf Grund dieser Anordnung des Winkels innerhalb der Kugel bleibt der senkrechte Abstand von dem Scheitelpunkt des Winkels zur Oberfläche des zu testenden Gegenstands trotz der Drehung des SMR konstant. Folglich findet man die 3D-Koordinaten der Oberfläche des Gegenstands, indem man ein Nachführungsgerät den 3D-Koordinaten eines über die Oberfläche bewegten SMR folgen lässt. Es ist möglich, ein Glasfenster auf dem SMR zu platzieren, um zu verhindern, dass Staub oder Schmutz die Glasflächen verunreinigt. Ein Beispiel für eine derartige Glasfläche ist in US 7,388,654 B2 gezeigt.
Es kann ein Kardanmechanismus innerhalb des Lasernachführungsgeräts verwendet werden, um einen Laserstrahl von dem Nachführungsgerät auf den SMR zu lenken. Ein Teil des von dem SMR zurückgestrahlten Lichts tritt in das Lasernachführungsgerät ein und führt weiter auf einen Positionsdetektor. Die Position des Lichts, das auf den Positionsdetektor trifft, wird von einem Nachführungssteuerungssystem verwendet, um die Drehwinkel der mechanischen Azimut- und Zenitachse des Lasernachführungsgeräts einzustellen, um den Laserstrahl auf dem SMR zentriert zu halten. Auf diese Weise kann das Nachführungsgerät dem SMR folgen (nachgeführt werden), während dieser bewegt wird.
An die mechanische Azimut- und Zenitachse des Nachführungsgeräts angebrachte Winkelschrittgeber messen die Azimut- und Zenitwinkel des Laserstrahls (in Bezug auf den Bezugsrahmen des Nachführungsgeräts). Die eine Distanzmessung und die zwei Winkelmessungen, die das Lasernachführungsgerät vornimmt, reichen aus, um die dreidimensionale Position des SMR komplett zu bestimmen.
Wie erwähnt wurde, finden sich zwei Arten von Distanzmessern in Lasernachführungsgeräten: Interferometer und Absolutdistanzmesser (ADMs). In dem Lasernachführungsgerät kann ein Interferometer (wenn vorhanden) den Abstand von einem Ausgangspunkt zu einem Endpunkt bestimmen, indem es die Anzahl an Zunahmen bekannter Länge (normalerweise die halbe Wellenlänge des Laserlichts) zählt, die zurückgelegt werden, wenn ein Rückstrahlerziel zwischen den beiden Punkten bewegt wird. Wenn der Strahl bei der Messung unterbrochen wird, kann die Anzahl der Zählungen nicht genau bekannt sein, wodurch die Distanzinformationen verloren gehen. Zum Vergleich bestimmt der ADM in einem Lasernachführungsgerät die absolute Distanz zu einem Rückstrahlerziel ohne Berücksichtigung von Strahlunterbrechungen, wodurch auch ein Hin- und Herschalten zwischen Zielen ermöglicht wird. Daher sagt man, dass der ADM eine Messung durch Anvisieren und Aufnehmen ("point-and-shoot") vornehmen kann. Anfangs konnten Absolutdistanzmesser nur feststehende Ziele messen und wurden aus diesem Grund stets zusammen mit einem Interferometer verwendet. Einige moderne Absolutdistanzmesser können jedoch schnelle Messungen vornehmen, wodurch auf ein Interferometer verzichtet werden kann. Ein solcher ADM ist in US 7,352,446 B2 beschrieben. Die von Interferometern und Absolutdistanzmessern gemessenen Abstände hängen von der Lichtgeschwindigkeit durch Luft ab. Da sich die Lichtgeschwindigkeit mit der Lufttemperatur, dem Luftdruck und der Luftfeuchtigkeit ändert, ist es übliche Praxis, diese Größen mit Sensoren zu messen und die Lichtgeschwindigkeit in Luft zu korrigieren, um genauere Distanzablesungen zu erhalten. Die von Totalstationen und Scannern gemessenen Abstände hängen auch von der Lichtgeschwindigkeit in Luft ab.
Im Nachführungsmodus folgt das Lasernachführungsgerät automatisch den Bewegungen des SMR, wenn sich der SMR im Erfassungsbereich des Nachführungsgerätes befindet. Wenn der Laserstrahl unterbrochen wird, wird die Nachführung angehalten. Der Strahl kann durch eine der folgenden Mittel unterbrochen werden: (1) ein Hindernis zwischen dem Instrument und dem SMR; (2) schnelle Bewegungen des SMR, die für das Instrument zu schnell zum Verfolgen sind; oder (3) ein Umlenken der Richtung des SMR über den Öffnungswinkel des SMR hinaus. Standardmäßig kann der Strahl, der Strahlunterbrechung folgend, auf dem Punkt der Strahlunterbrechung an der zuletzt angewiesenen Position fixiert bleiben, oder er kann zu einer Bezugsposition (Ausgangsstellung) gehen. Es kann erforderlich sein, dass ein Bediener visuell nach dem nachführenden Strahl sucht und den SMR in den Strahl platziert, um das Instrument auf den SMR festzustellen und das Nachführen fortzuführen.
Manche Lasernachführungsgeräte umfassen eine oder mehrere Kameras. Eine Kameraachse kann koaxial mit dem Messstrahl oder um einen festen Abstand oder Winkel zum Messstrahl versetzt sein. Eine Kamera kann verwendet werden, um ein breites Gesichtsfeld zur Verfügung zu stellen, um Rückstrahler zu orten. Eine modulierte Lichtquelle, die nahe der optischen Achse der Kamera platziert wird, kann Rückstrahler beleuchten, wodurch diese leichter zu erkennen sind. In diesem Fall leuchten die Rückstrahler in Phase mit der Beleuchtung auf, was bei Gegenständen im Hintergrund nicht der Fall ist. Eine Anwendung für eine solche Kamera besteht darin, mehrere Rückstrahler in dem Gesichtsfeld zu erkennen und jeden Rückstrahler in einer automatisierten Reihenfolge zu messen. Beispielhafte Systeme sind in US 6,166,809 A und in US 7,800,758 B1 beschrieben.
Manche Lasernachführungsgeräte sind in der Lage, mit sechs Freiheitsgraden zu messen (DOF), welche drei Koordinaten, wie x, y und z, und drei Drehungen, wie die Längsneigung, Querneigung und Seitenbewegung, einschließen können. Es sind mehrere auf Lasernachführungsgeräten basierende Systeme zur Messung von sechs Freiheitsgraden erhältlich oder wurden vorgeschlagen. Beispielhafte Systeme werden in US 7,800,758 B1 , US 5,973,788 A und US 7,230,689 B2 beschrieben.
Die DE 10 2008 039 838 A1 zeigt ein Verfahren zum Vermessen einer dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts, sowie eine Vorrichtung hierfür. Die Vorrichtung umfasst einen feststehenden Teil und einen beweglichen Teil, der um eine erste Achse gedreht werden kann. Ein Laser erzeugt einen Strahl, der auf eine Ablenkeinheit projiziert wird, welche um eine zweite Achse drehbar ist. Durch eine schnelle Rotation um die zweite Achse und eine langsame Rotation um die erste Achse tastet der Lichtstrahl die Oberfläche ab. Der diffus reflektierte Strahl wird auf einem eindimensionalen Detektor detektiert. Da die relative Position auf dem Detektor, der Neigungswinkel um die zweite Achse und der Abstand zur Ablenkeinheit bekannt sind, lässt sich die Position des reflektierenden Punkts auf der Oberfläche bestimmen. Der Laser und die Ablenkeinheit können darüber hinaus in einem Anzeigemodus betrieben werden, um Daten der vermessenen Punkte auf einer Oberfläche anzuzeigen, bspw. auf der Oberfläche des abgetasteten Objekts.
Die US 7,312,862 B2 beschreibt ein Messsystem zum Bestimmen von 6 Freiheitsgraden eines Reflektors, der eine Öffnung im Scheitelpunkt aufweist. Neben einer Winkel-und-Abstandsmessvorrichtung, wie einem Lasertracker, umfasst das System eine lichtempfindliche Oberfläche, die hinter der Öffnung angeordnet ist, und ein optisch detektierbares zusätzliches Element, welches eine Richtung definiert, die nicht parallel zur Reflektorachse oder dem Messstrahl verläuft. Gemäß einer Ausgestaltung ist das zusätzliche Element eine Lichtquelle, die ein linienförmiges Lichtmuster auf einen ringförmigen Sensor projiziert.
Es ist wünschenswert, einen Laserscanner oder ein Lasernachführungsgerät mit einem oder mehreren Projektoren zu versehen, wobei jeder Projektor sichtbare Informationen in Form von Bildern und/oder Daten (z. B. CAD-Daten oder abgetastete Punktwolkendaten) auf verschiedene Oberflächen projiziert. Die projizierten sichtbaren Informationen können zum Beispiel von einer solchen Art sein, dass sie einem Bediener eine Führung zur Verfügung stellen, wie schriftliche Anweisungen, hervorgehobene zu messende Stellen, angezeigte Bereiche, in denen Daten zu erfassen sind, sowie Rückmeldungen über die Qualität der Daten in Echtzeit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Koordinatenmessvorrichtung mit einem dreidimensionalen Koordinatensystem Folgendes auf: eine Lichtquelle, die dafür konfiguriert ist, einen Lichtstrahl auf einen ersten Punkt zu strahlen; einen optischen Detektor, der dafür konfiguriert ist, einen Teil des von dem ersten Punkt reflektierten Lichtstrahls in ein erstes elektrisches Signal umzuwandeln; einen ersten Prozessor, der dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand von der Koordinatenmessvorrichtung zu dem ersten Punkt zu berechnen, wobei die Berechnung zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal und einer Lichtgeschwindigkeit in Luft basiert; einen Projektor, der in einem Gehäuse der Koordinatenmessvorrichtung integriert ist, wobei der Projektor dafür konfiguriert ist, ein zweidimensionales Muster von sichtbarem Licht auf einen Gegenstand zu projizieren, wobei das projizierte sichtbare Licht Bilder, Daten oder Informationen anzeigt, wobei der Projektor eine Anordnung von programmierbaren Pixeln umfasst, die dafür konfiguriert sind, das zweidimensionale Muster in Abhängigkeit von von einem zweiten Prozessor empfangenen Befehlen zu erzeugen; einen Strahlenteiler, wobei entweder der Lichtstrahl oder das zweidimensionale Lichtmuster von dem Strahlenteiler reflektiert wird und der/das andere von Lichtstrahl und zweidimensionalem Lichtmuster durch den Strahlenteiler übertragen wird; einen Strahlführungsmechanismus, der dafür konfiguriert ist, den Lichtstrahl und das zweidimensionale Lichtmuster, um einen ersten Winkel um eine erste Achse zu drehen, wobei der Strahlführungsmechanismus ferner dafür konfiguriert ist, den Lichtstrahl um einen zweiten Winkel um eine zweite Achse zu drehen; einen ersten Winkelwandler, der dafür konfiguriert ist, den ersten Winkel zu messen; und einen zweiten Winkelwandler, der dafür konfiguriert ist, den zweiten Winkel zu messen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen sind beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt, welche nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen sind und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind:
1 ist eine Querschnittsansicht eines Kopfabschnitts eines Laserscanners mit einem darin integrierten Projektor von vorne gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine optische schematische Ansicht des Kopfabschnitts eines Laserscanners aus 1 mit einem darin integrierten Projektor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Kopfabschnitts eines Laserscanners mit einem außen an dem Kopfabschnitt angebrachten Projektor von vorne;
4 zeigt zwei Ansichten, die die Sichtbarmachung der Bewegung des Schiefen Turms von Pisa im Laufe der Zeit unter Verwendung eines projizierten Bildes des Schiefen Turms von Pisa aus früheren Zeiten unter Nutzung des Laserscanners mit dem Projektor gemäß den Ausführungsformen der 1–3 zeigen;
5 zeigt einen Laserscanner mit einem Projektor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, der "verdeckte Merkmale" auf eine Oberfläche, wie eine Wand, projiziert;
6 ist eine Perspektivansicht eines Lasernachführungsgerätes mit einem darin integrierten Projektor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Perspektivansicht des Lasernachführungsgerätes nach 6 mit daran angebrachten Computer- und Stromversorgungselementen;
8 ist eine Perspektivansicht des Lasernachführungsgerätes aus 6 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, das ein Muster auf eine Oberfläche eines Gegenstandes oder Werkstücks projiziert;
9 ist ein Blockdiagramm von verschiedenen Komponenten einschließlich eines Projektors innerhalb eines Abschnitts des Lasernachführungsgerätes von 6 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
10 ist ein Blockdiagramm von verschiedenen Komponenten einschließlich eines Projektors innerhalb eines Abschnitts des Lasernachführungsgerätes von 6 gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
11 ist eine Perspektivansicht von anderen Ausführungsformen des Lasernachführungsgerätes nach 6 mit einem externen Projektor, der ein Muster auf eine Oberfläche eines Gegenstands oder Werkstücks projiziert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezugnehmend auf 1 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist dort ein sich drehender Abtastkopfabschnitt 10 eines Laserscanners 12 mit einem handelsüblichen, relativ kleinen oder "Miniatur-", "Ultraminiatur-" oder "Pico-"Projektor 14 veranschaulicht, der direkt innerhalb der optischen Komponenten ("der Optik") innerhalb des Abtastkopfes 10 integriert ist. Der Projektor 14 kann bekanntermaßen einen gewissen Grad an Verarbeitungskapazität enthalten. Der Projektor 14 kann mit einem Computer oder Prozessor des Laserscanners 12 verbunden sein oder mit diesem kommunizieren, wobei der Computer oder der Prozessor einstückig mit dem Scanner 12 sein kann (sich z. B. innerhalb des Abtastkopfes 10 befinden kann), oder von diesem getrennt sein kann (z. B. ein Laptopcomputer). Der Abtastkopf 10 ist typischerweise auf einem Haltestativ (nicht gezeigt) angebracht, das auf dem Boden oder auf einer anderen Oberfläche ruht, während der Laserscanner in Gebrauch ist. Wie mit Bezug auf 2 genauer beschrieben wird, schickt der Projektor 14 verschiedene Bilder, Daten oder andere Informationen durch die Optik in dem Abtastkopf 10 und auf einen sich drehenden Abtastspiegel 16, der sich typischerweise relativ schnell um 360 Grad um eine horizontale Achse durch den Kopf 10 dreht, wobei der Spiegel 16 die Bilder, Daten oder anderen Informationen zur Ansicht auf eine Oberfläche (nicht gezeigt) projiziert. Der Abtastkopf 10 selber kann sich relativ langsamer um 360 Grad um eine vertikale Achse durch den Kopf 10 drehen.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen die Einbringung eines derartigen relativ kleinen Bild- oder Datenprojektors in eine Ausrüstung, die im Allgemeinen für 3D-Messungen oder in der Messtechnik verwendet wird, einschließlich unter anderem eines Laserscanners, eines Lasernachführungsgerätes, eines Weißlicht-Scanners oder einer technologischen Vorrichtung oder eines technologischen Instruments von ähnlicher Art. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Projektor in dem Laserscanner 12 oder in dem Lasernachführungsgerät integriert sein, und die projizierten Bilder, Daten oder anderen Informationen werden unter Verwendung von Daten oder Informationen aus der Messausrüstung 12 selber, Daten oder Informationen, die zuvor von der Messausrüstung 12 erfasst wurden, oder Daten oder Informationen aus einer anderen Quelle gesteuert. Wie nachstehend genau beschrieben wird, bieten die projizierten Bilder oder Daten eine Sichtbarmachung von verschiedenen Arten von Informationen, die bei einer Messsitzung nützlich sind, oder die projizierten Bilder oder Daten können bei der Sichtbarmachung von Daten helfen, die zuvor von der Ausrüstung 12 gewonnen wurden. Die projizierten sichtbaren Informationen können zum Beispiel von einer solchen Art sein, dass sie einem Bediener eine Führung zur Verfügung stellen, wie schriftliche Anweisungen, hervorgehobene zu messende Stellen, angezeigte Bereiche, in denen Daten zu erfassen sind, und Rückmeldungen über die Qualität der Daten in Echtzeit. Diese sichtbaren Informationen, die dem Bediener zur Verfügung gestellt werden, können zum Beispiel in Form von sichtbaren Unterprogrammen, Text oder einer anderen sichtbaren Form von Informationen vorliegen.
Des Weiteren kann der Projektor an Stelle von einem der vorstehend genannten Arten von Projektoren, zum Beispiel einem Miniatur-, Ultraminiatur- oder Pico-Projektor, ein oder mehrere handelsübliche Galvanometer oder Polygonscanner aufweisen, die zum Beispiel auf der Technologie von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), Flüssigkristallanzeige (LCD) oder LCoS-Technologie (Liquid Crystal on Silicon) beruhen. Zum Beispiel werden typischerweise zwei Galvanometer oder zwei Polygonscanner mit zugeordneten Spiegeln verwendet, um das gewünschte Bild, die Daten oder Informationen in einem gewünschten Muster in zwei Dimensionen auf die betreffende Oberfläche zu projizieren. Bei einem Laserscanner 12 projizieren die Galvanometerspiegel die Bilder oder anderen Informationen auf den sich drehenden Spiegel, von dem aus sie zu dem betreffenden Gegenstand reflektiert werden. Die Drehung des Hauptspiegels in dem Laserscanner 12 und die Drehung des Galvanometerspiegels auch in dem Laserscanner 12, die das Bild oder andere projizierte Informationen erstellen, würden synchronisiert werden. Als solcher erstellt der Laserscanner die Bilder auf die gleiche Weise wie Bilder für Laserlichtshows erzeugt werden. Im Fall eines Lasernachführungsgerätes (was nachstehend genauer besprochen wird) würden die Galvanometerspiegel die Bilder oder anderen Informationen direkt auf das betreffende Ziel projizieren. Die Größe des von einem auf dem Nachführungsgerät angeordneten Projektor projizierten Musters kann erweitert werden, indem der Nachführungskopf bewegt wird, um einen relativ großen Bereich abzudecken, während gleichzeitig das Muster von dem Projektor dynamisch geändert wird, um das gewünschte Bild über einen relativ großen Raumbereich zu ändern. Auf diese Weise wirkt der Kopf des Lasernachführungsgeräts wie ein Galvanometerspiegel. Im Gebrauch können die Galvanometer- oder Polygonscanner einen relativ stärkeren, helleren und wirksameren Laserstrahl zu Zwecken der Bild- oder Datenprojektion liefern, als das Licht von einem Pico-Projektor.
In vielen Fällen ist es vorteilhaft, einen Fokussiermechanismus zur Verfügung zu stellen, um die projizierten Bilder möglichst scharf auf der Oberfläche des Gegenstands abzubilden, auf der das zweidimensionale Muster projiziert wird. Der Fokussiermechanismus umfasst im Allgemeinen ein mechanisches Stellglied zum Bewegen einer oder mehrerer Linsen.
Bei MEMS, LCD, LCoS und anderen Arten von Pico-Projektoren ist es heutzutage üblich, Farbprojektionsmuster zur Verfügung zu stellen. Farbe kann vorteilhafterweise verwendet werden, um Informationen über einen Gegenstand zur Verfügung zu stellen.
Laserscanner und Lasernachführungsgeräte nutzen häufig eine Optik, Sensoren, Spiegel und/oder Laserquellen, die an Motoren und/oder kardanischen Rahmen angebracht sind, so dass der Scanner oder das Nachführungsinstrument oder die Vorrichtung 12 innerhalb des Arbeitsvolumens der Vorrichtung 12 automatisch einen großen Bereich oder Gegenstand scannen oder ein bewegliches Ziel verfolgen kann (z. B. einen Rückstrahler), ohne dass die Sensormodule der Vorrichtung 12 manuell anvisiert oder bewegt werden müssen.
Bezugnehmend auf 2 kann in manchen Ausführungsformen eines Laserscanners 10 das von einer Laserlichtquelle 18 ausgestrahlte Laserlicht durch Verwendung eines Spiegels 20 gelenkt werden. Es sind Techniken bekannt, die das Beschichten der Reflexionsfläche eines Spiegels 20 (z. B. eine "dichroitische" Beschichtung) derart ermöglichen, dass Licht mit der Wellenlänge des Quellenlasers 18 reflektiert wird, während Licht anderer Wellenlängen hindurchgeht. Solche Ausführungsformen erlauben das Anbringen eines Miniatur-Projektors 14 hinter einem schrägen Spiegel 20, der den von dem Laser 18 ausgestrahlten Laserstrahl auf den sich drehenden Abtastspiegel 16 reflektiert (1). In der in 2 gezeigten Ausführungsform lenken die Motoren, Codierer und die Treiberschaltung, die verwendet werden, um den Laserstrahl einzustellen, gleichzeitig auch den Strahl des Projektors 14 über den Abtastspiegel 16 (1).
Somit kann es bei manchen Ausführungsformen nötig sein, dass der dem Laserscanner 12 zugeordnete Computer oder Prozessor einige mathematische Berechnungen anstellt, um das Bild oder die Daten von dem Projektor 14 korrekt auf dem sich drehenden Spiegel 16 zu positionieren. Diese Berechnungen sollten für einen durchschnittlichen Fachmann offensichtlich sein. Das heißt, das projizierte Bild oder die projizierten Daten werden angepasst, um die Drehung des Spiegels 16 zu berücksichtigen, so dass das Bild oder die Daten nicht verzerrt oder diffus werden. Zum Beispiel kann das von dem Projektor 14 auf den Spiegel 16 projizierte Bild dynamisch verändert werden, um ein Bild zur Verfügung zu stellen, das auf einer Projektionsfläche (z. B. einer Wand) feststeht. Der Spiegel 16 wird, zum Teil aus Gründen der Lasersicherheit, typischerweise in Drehung versetzt. In anderen Ausführungsformen kann der Laser, der dem sich drehenden Abtastspiegel 16 den Laserstrahl für Messzwecke zuführt, ausgeschaltet werden, der Spiegel 16 kann in einer feststehenden Position gehalten werden, und der Projektor 14 kann dann dem Spiegel 16 das relativ schwächere Licht zur Verfügung stellen, das das Bild oder die Daten aufweist. In diesen Ausführungsformen sind typischerweise keine mathematischen Korrekturen für den nun feststehenden Spiegel 16 notwendig. In manchen Fällen wird die Größe des Bildes, das auf die Reflexionsfläche des Spiegels 16 projiziert wird, gemäß dem Abstand von dem Scanner zur Projektionsfläche eingestellt. Dies wäre zum Beispiel der Fall, wenn der Projektor ein divergierendes Lichtmuster ausstrahlen sollte und wenn das Bild auf der Projektionsfläche eine feste Größe haben sollte. In diesem Fall kann die Distanzmessfähigkeit des Scanners die Informationen zur Verfügung stellen, die benötigt werden, um es dem Projektor 14 zu ermöglichen, das projizierte Bild korrekt zu bemessen.
Die von dem Projektor 14 auf die betreffende Oberfläche projizierten Bilder, Daten oder anderen Informationen können zeitlich so gesteuert werden, dass das Bild, die Daten oder anderen Informationen mechanisch oder elektronisch so eingetaktet werden, dass sie mit bestimmten Winkeln des sich drehenden Abtastspiegels 16 zusammenfallen. Der von dem Scanner 12 für Messzwecke verwendete Laserstrahl kann auch auf sich gegenseitig ausschließende Weise in Bezug auf das Bild, die Daten oder andere von dem Projektor 14 zur Verfügung gestellte Informationen vorgesehen werden (z. B. im Multiplexverfahren). Das heißt, der Laserstrahl und das projizierte Lichtmuster oder die projizierten Daten sind möglicherweise nicht gleichzeitig "an" (d.h. projiziert), da diese Bedingung möglicherweise nicht notwendig ist. Alternativ können der Laserstrahl und das projizierte Lichtmuster gleichzeitig an sein.
Typischerweise ist der Projektionsmodus des Laserscanners 12 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht an den Abtastmodus des Scanners 12 gebunden
Bezugnehmend auf 3 kann der Projektor 14 auf vielachsige, motorisierte kardanische Rahmen 22 montiert sein, zum Beispiel auf dem Laserscannerkopf 10, anstatt mit der Messoptik des Laserscanners 12 in Reihe eingebaut zu werden, wie in den Ausführungsformen der 1 und 2. Dadurch kann das Projektionssystem 14 an eine bestehende Laserscannerausrüstung 12 angebaut werden, die die Ausführungsformen der 1 und 2 mit der kompletten Integration vielleicht nicht unterstützen. Die Ausführungsform aus 3 kann in manchen Situationen einfacher und kostengünstiger umzusetzen sein. Bei einer solchen Ausführungsform können die kardanischen Rahmen 22, an denen der Projektor 14 angebracht ist, synchron mit der Optik der 3D-Messvorrichtung 12 angetrieben und ausgerichtet werden, wodurch sichergestellt wird, dass das Projektorbild auf den gleichen Bereich projiziert wird, der bei den Messungen durch den Laserscanner 12 von Interesse ist. Dies bietet Vorteile bei der Verwendung des Projektors 12 zur Führung oder zur Datenpräsentation. Alternativ kann der unabhängig angebrachte Projektor 14 angewiesen werden, Bilder in einem anderen Bereich zu projizieren als die primäre Vorrichtungsoptik.
Die Position und Ausrichtung einer 3D-Messvorrichtung, wie ein 3D-Laserscanner 12 oder ein Lasernachführungsgerät, relativ zu einem zu messenden Gegenstand, Teil oder einer zu messenden Struktur kann unter Verwendung bekannter Techniken durch Erkennung von Bezugspunkten oder Merkmalen von Teilen oder Gegenständen erfolgen. Sobald das Koordinatensystem erstellt wurde, können die 3D-Messvorrichtung (z. B. der Laserscanner) 12 und der Projektor 14 synchronisiert und mit einem relativ hohen Präzisionsgrad von einem externen Computer, der als Teil der Vorrichtung 12 an die Vorrichtung 12 angeschlossen ist, oder einem als Teil der Vorrichtung 12 ausgebildeten internen Computer gesteuert werden, der die Position der Vorrichtung verarbeiten und die Ausrichtung der Optik der Vorrichtung steuern kann. Dadurch kann das projizierte Bild geformt, skaliert und gesteuert werden, so dass es zu der Oberfläche passt, auf die es projiziert wird, und das Bild kann aktualisiert werden, wenn sich die Richtung des Projektors 14 ändert, so dass es stets synchronisiert und auf die Umgebung festgestellt ist.
Verschiedene Umsetzungen oder Verwendungen eines Projektors 14, der in eine computergesteuerte 3D-Messvorrichtung, wie einen Laserscanner 12 nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, integriert ist, umfassen unter anderem das Projizieren von Daten, Text, Anweisungen, Bildern oder einer Führung zum Beispiel in Form von sichtbaren Unterprogrammen oder Text oder anderen Formen der Informationen auf der Oberfläche eines zu messenden Teils. Sie können auch das Vorsehen einer projizierten Überlagerung von zuvor gescannten/gemessenen Daten oder CAD-Daten umfassen, die einen Entwurfsplan für die Sichtbarmachung von Änderungen an einem Teil oder Parametern zeigen. Dies kann für 3D-Abtastdaten folgendes umfassen: (1) Vergleich einer Autokarosserie vor und nach einem Unfall oder vor und nach einer Reparatur; (2) Vergleich des CAD-Entwurfs einer geplanten Installation einer Ausrüstung verglichen mit der tatsächlichen abgeschlossenen Installation; (3) Sichtbarmachung einer vorgeschlagenen Änderung an einem Teil, einem Ausrüstungsaufbau, einem Montageband, einer Wand oder einem Gebäude; (4) Sichtbarmachung einer Formteilgestaltung im Vergleich zu einer Zeichnung als ein Inspektionsverfahren; (5) Sichtbarmachung von verdeckten Merkmalen (5), wie Nägeln, Rohrleitungen, einer elektrischen Verkabelung sowie Leitungsarbeiten hinter einer Wand, einer Decke oder einem Fußboden durch Projizieren von CAD-Entwurfsdaten oder während des Baus erfolgter Abtastungen auf die sichtbare Oberfläche; (6) Sichtbarmachung von Elementen unter der Haut eines menschlichen oder tierischen Körpers durch Projizieren eines Bildes einer 3D-CAT-Abtastung, 3D-Röntgendaten oder anderer 3D-Diagnosedaten auf den Körper, die der sichtbaren Unterstützung bei der Ortung von Organen, Tumoren, Blutgefäßen, Knochen oder anderen physiologischen Merkmalen als Teil eines chirurgischen Verfahrens dienen kann; (7) Sichtbarmachung von Tatorten vorher und nachher; (8) Projektion von Schichtlinienplänen auf ein Teil, wodurch Bereiche des Teils angezeigt werden, die entfernt werden müssen, zum Beispiel durch Feilen, Schleifen oder Läppen, oder die gefüllt werden müssen, zum Beispiel mit einem Epoxidharzfüller; (9) Projektion von Markierungen, die Bereiche anzeigen, in denen an dem Gegenstand zum Beispiel mit Bolzen, Schrauben oder Klebstoff Unterkomponenten angebracht werden sollen; (10) Projektion von Linien, Kurven, Markierungen oder Vergleichsmerkmalen zur Unterstützung der Ausrichtung von Komponenten; und (11) Sichtbarmachung der Abtragung oder Bewegung im Laufe der Zeit (über sequentielle Abtastungen) von Ausgrabungsstätten, historischen Gebäuden, Brücken, Eisenbahnlinien, Straßen und anderen Anlagen, die Abnutzung, einem Absacken, einer Zersetzung, einer Verwitterung oder einer allgemeinen Verschlechterung im Laufe der Zeit unterliegen, wie zum Beispiel in 4 veranschaulicht ist, was auf die Untersuchung und Sichtbarmachung von Abnutzung und Schäden an großen Fahrzeugen, wie Schiffen, Flugzeugen, Raumfahrzeugen (z. B. Kacheln von Raumfähren) erweitert werden kann. Insbesondere zeigt die alleinige Ansicht 400 in 4A und die rechte schiefe Ansicht 400 in 4 den Schiefen Turm von Pisa, der nach rechts gekippt ist, wie es in den 4A und 4B zu sehen ist, wobei auch ein aufrechtes vertikales Bild 410 des Turms (in 4B in gestrichelter Linie gezeigt) veranschaulicht ist, das von dem Laserscanner 12 mit dem Projektor 14 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (teilweise) auf die Ansicht 400 des schiefen Turms in 4B projiziert ist. Dies veranschaulicht den Betrag der Bewegung oder "Neigung" des Schiefen Turms von Pisa nach rechts im Laufe der Zeit. Es sei anzumerken, dass man den linken (gestrichelten) Teil des aufrechten vertikalen Bildes 410 des Turms normalerweise nicht sehen würde, da dieser nicht auf den geneigten Turm und auch nicht auf eine andere Oberfläche projiziert werden würde. Das heißt, dieser linke gestrichelte Abschnitt des aufrechten vertikalen Bildes 410 des Turms würde im freien Raum projiziert. Stattdessen würde man normalerweise nur den schattierten oder gefüllten rechten Abschnitt des aufrechten vertikalen Bildes 410, das auf den Turm 400 projiziert ist, sehen. In 4B ist das gesamte aufrechte vertikale Bild 410 des Turms nur beispielhaft gezeigt.
Um die Nützlichkeit des gesteuerten projizierten Bildes noch zu verstärken, können mehrere Projektoren 14 in eine einzelne Vorrichtung, wie einen Laserscanner 12, eingebracht werden. Dies erlaubt eine mögliche Vergrößerung des Bilderfassungsbereichs bis zu 360 Grad um die Abtastvorrichtung mit der möglichen Ausnahme von relativ kleinen Bereichen, die von dem Laserscanner selber blockiert werden (z. B. an der Stelle, an der der Abtastkopf 10 an dem Stativ angebracht ist).
In anderen Ausführungsformen können synchronisierte Bilder durch mehrere Projektoren 14 erzeugt werden, die unabhängig von dem Laserscanner 12 oder dem Lasernachführungsgerät zum Beispiel auf computergesteuerten kardanisch aufgehängten Halterungen oder an festen Positionen, die von dem Laserscanner 12 oder Nachführungsgerät gemessen und diesem bekannt sind, montiert sind. In diesen Ausführungsformen kann jeder Projektor 14 von dem Laserscanner 12 oder Nachführungsgerät oder von einem an dem Laserscanner 12 oder Nachführungsgerät angebrachten Computer gesteuert und verwendet werden, um das Koordinatensystem des Bereichs zu erstellen. Diese Ausführungsformen können eine relativ breitere gleichzeitige Erfassung durch die projizierten Bilder schaffen, während gleichzeitig eine Bildprojektion in Bereichen unterstützt wird, die ansonsten durch Ausrüstung oder Merkmale blockiert sind, einschließlich durch den Laserscanner 12 selber. Bilder, die durch diese Anordnung von Projektoren 14 projiziert werden, können dann durch den Zentralcomputer oder den Laserscanner 12 oder eine andere Messvorrichtung derart verwaltet und gesteuert werden, dass die projizierten Bilder oder Daten oder anderen Informationen skaliert, bemessen und richtig mit den Gegenständen in der Umgebung ausgerichtet werden. Zum Beispiel projiziert der Projektor 14 Bilder, Daten oder andere Informationen, die sich auf die Richtung und/oder Ausrichtung beziehen, auf die der Laserscanner 14 aktuell zeigt. Als Beispiel kann die Bewegung einer Person oder eines anderen Objekts von dem Laserscanner 14 nachgeführt werden, und dann können Bilder oder Daten von dem Laserscanner 12 mit dem Projektor 14 gemäß der Position und/oder Ausrichtung dieser Person oder dieses Objekts projiziert werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf jedes computergesteuerte Zielsystem angewendet werden, das ein Basislinien-Koordinatensystem auf einem Teil oder in einer Umgebung derart erstellen kann, dass projizierte Bilder mit der Oberfläche, auf die sie projiziert werden, ausgerichtet werden können. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zu Unterhaltungszwecken verwendet werden und zum Beispiel das Projizieren eines Spielfilms auf die umgebenden Wände eines Raums umfassen. Zum Beispiel können, wenn ein sich bewegendes Objekt (z. B. eine Person) innerhalb einer feststehenden Umgebung verfolgt wird, die projizierten Bilder innerhalb der Umgebung automatisch in Abhängigkeit zum Beispiel der Bewegung, Handlungen oder der Kopfausrichtung der Person angepasst werden. Dies betrifft auch Spielkonsolen und Technologien mit virtueller Realität. Jedoch unterscheidet sich die 3D-Raumrekonstruktion von der 2D-Spieltechnologie. Als Beispiel kann in einem System ein Laserscanner oder Nachführungsgerät eine Person erkennen und verfolgen, die um ein Gebäude läuft, während die ganze Zeit über Informationen auf die Wand projiziert werden, auf die eine Person schaut. Der Projektor kann nicht 360 Grad im Raum abdecken, aber er kann selektiv dorthin projizieren, wo jemand hinschaut, was die Wahrnehmung einer Projektion über einen 3D-Raum vermittelt.
Bezugnehmend auf 5 ist ein Laserscanner 12 mit einem Projektor 14 nach den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei der Projektor 14 "verdeckte Merkmale" 24 auf eine Oberfläche, wie eine Wand 26, projiziert. Die verdeckten Merkmale können Gegenstände umfassen, wie zum Beispiel Nägel, Rohrleitungen, eine elektrische Verkabelung und Leitungsarbeiten, die sich hinter der Wand 26, der Decke, dem Fußboden oder einer anderen sichtbaren Oberfläche befinden. Es kann sein, dass ein Arbeiter nicht weiß, was sich genau hinter der Wandfläche 26 befindet, und/oder er kennt nicht die genaue Position dieser Gegenstände hinter der Wandfläche 26. Es wäre vorteilhaft, dem Arbeiter ein Bild der sich hinter der Wandfläche 22 befindenden Gegenstände sowie die genaue Position dieser Gegenstände an die Hand zu geben. Im Allgemeinen sind diese Informationen über die verdeckten Merkmale z. B. als CAD-Entwurfsdaten verfügbar.
Die Projektion von verdeckten Merkmalen nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel zunächst durch Abtasten eines Gebäudes, wie eines Eigenheims, unter Verwendung eines Laserscanners 12 während verschiedener Bauphasen zustande kommen (z. B. Rahmenwerk, Verkabelung, Sanitärinstallationen, Heizung, Lüftung, Klima, etc.), um abgetastete Punktwolkendaten von verschiedenen strukturellen Einzelheiten des Gebäudes zu erhalten. Nach Fertigstellung bestimmter Abtastphasen zur Erfassung von Bildern und Daten kann der Laserscanner 12 mit dem Projektor 14 dann verwendet werden, um verschiedene "echte" Bilder und/oder Daten, die aus dem Abtastverfahren erhalten wurden, auf die Wände, Decke, Fußböden etc. zu projizieren. Alternativ können CAD-Entwurfsplandaten der verschiedenen Oberflächen des Gebäudes auf die Oberflächen projiziert werden. Unabhängig davon, ob echte oder geplante Bilder und/oder Daten projiziert werden, kann die Projektion der verdeckten Merkmale auf diese Oberflächen jemanden dabei unterstützen, Aufgaben durchzuführen, wie zum Beispiel das Bohren eines Lochs in eine genaue Position eines Nagels hinter einer Wand. Diese Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben es einem Benutzer des Laserscanners 12 mit dem Projektor 14 die genaue Stelle dieser Gegenstände oder Merkmale zu erkennen, so dass bei dem Versuch, diese verdeckten Gegenstände oder Merkmale zu orten, anderen Gegenständen kein Schaden zugefügt oder keine Zeit verschwendet wird.
Ähnlich den in 5 veranschaulichten Ausführungsformen können die verdeckten Merkmale diejenigen in einem menschlichen Körper umfassen, die von Haut bedeckt sind. Zum Beispiel kann der Projektor 14 Daten auf die Haut eines Patienten projizieren, um einem Arzt oder Chirurg dabei zu helfen, innere menschliche Körperteile, auf die zugegriffen werden muss und/oder die operiert werden müssen, genau zu orten. In einem OP-Saal kann zum Beispiel ein Arzt einen Laserscanner 12 mit einem Projektor 14 verwenden, um eine genaue Stelle für einen Einschnitt oder zum Auffinden eines Tumors zu bestimmen, wobei er diese Stelle mit 3D-Daten aus einer axialen Computertomographie korreliert. In diesem Fall kann der Projektor 14 ein Bild auf den Patienten projizieren, wobei Marker oder eine wirkliche Replikation von CAT-Scan-Bildmaterial zur Verfügung gestellt werden, um den Chirurgen anzuleiten. Bei durch Fernsteuerung durch manuell bediente Roboter ausgeführter Chirurgie können Projektionssysteme 14 auf die gleiche Weise verwendet werden, wie vorstehend beschrieben wurde.
Neben dem Anzeigen von verdeckten Komponenten zum Beispiel in einem Konstruktionsbereich oder in einer Konstruktionsvorrichtung kann der Projektor Bereiche anzeigen, wie sie nach der Anbringung aussehen würden. Zum Beispiel könnte ein Scanner, bevor sich die Wandfläche 26 in 5 an ihrer Position befindet und bevor die Rohre und andere Konstruktionselemente hinter der Wandfläche 26 installiert werden, die gewünschte Erscheinung des Bereichs anzeigen, wodurch dem Bauarbeiter eine Führung angeboten wird.
Nun bezugnehmend auf die 6 bis 11 sind Ausführungsformen eines Lasernachführungsgerätes 30 mit einem darin integrierten oder daran angebrachten Projektor nach einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In 6 umfasst das Lasernachführungsgerät 30 einen kardanisch aufgehängten Strahlführungsmechanismus 32, der einen Zenitwagen 34 aufweist, der auf einer Azimutbasis 36 angebracht ist und um eine Azimutachse 38 gedreht wird. Eine Nutzlast 40 ist auf dem Zenitwagen 34 angebracht und wird um eine Zenitachse 42 gedreht. Die mechanische Zenitrotationsachse 42 und die mechanische Azimutrotationsachse 38 schneiden sich orthogonal innerhalb des Nachführungsgerätes 30 an einem Kardanpunkt 44, der typischerweise der Ausgangspunkt für Distanzmessungen ist. Ein Laserstrahl 46 geht virtuell durch den Kardanpunkt 44 hindurch und weist orthogonal auf die Zenitachse 42. Mit anderen Worten befindet sich der Laserstrahl 46 in der Ebene, die zu der Zenitachse 42 senkrecht ist. Der Laserstrahl 46 wird durch sich innerhalb des Nachführungsgerätes 30 befindliche Motoren (nicht gezeigt) in die gewünschte Richtung gerichtet, welche Motoren die Nutzlast 40 um die Zenitachse 42 und die Azimutachse 38 drehen. Die Zenit- und Azimut-Winkelschrittgeber (nicht gezeigt), die sich innerhalb des Nachführungsgerätes 30 befinden, sind an der mechanischen Zenitachse 42 und der mechanischen Azimutachse 38 angebracht und zeigen mit einem relativ hohen Genauigkeitsgrad die Drehwinkel an. Der Laserstrahl 46 wandert zu einem äußeren Rückstrahler 48, wie einem sphärisch montierten Rückstrahler (SMR). Durch Messen des radialen Abstands zwischen dem Kardanpunkt 44 und dem Rückstrahler 48 und den Drehwinkeln um die Zenit- und Azimutachsen 42, 38 befindet sich die Position des Rückstrahlers 48 innerhalb des sphärischen Koordinatensystems des Nachführungsgeräts 30.
Der Laserstrahl 46 kann eine oder mehrere Laserwellenlängen umfassen. Zur Verdeutlichung und Vereinfachung wird in der folgenden Besprechung von einem Führungsmechanismus der in 6 gezeigten Art ausgegangen. Andere Arten von Führungsmechanismen sind jedoch auch möglich. Zum Beispiel kann ein Laserstrahl von einem Spiegel reflektiert werden, der um die Azimut- und Zenitachsen 38, 42 gedreht wird. Ein Beispiel für die Verwendung eines Spiegels auf diese Weise ist in US 4,714,339 A offenbart. Die hier beschriebenen Techniken sind unabhängig von der verwendeten Art von Führungsmechanismus anwendbar.
Bei dem Lasernachführungsgerät 30 befinden sich eine oder mehrere Kameras 50 und Lichtquellen 52 auf der Nutzlast 40. Die Lichtquellen 52 beleuchten das eine oder die mehreren Rückstrahlerziele 48. Die Lichtquellen 52 können LEDs sein, die elektrisch angetrieben werden, um gepulstes Licht wiederholt auszustrahlen. Jede Kamera 50 kann eine lichtempfindliche Anordnung und eine vor der lichtempfindlichen Anordnung platzierte Linse aufweisen. Die lichtempfindliche Anordnung kann eine CMOS- oder eine CCD-Anordnung sein. Die Linse kann ein relativ breites Gesichtsfeld aufweisen, zum Beispiel von dreißig oder vierzig Grad. Der Zweck der Linse besteht darin, ein Bild auf der lichtempfindlichen Anordnung von Gegenständen innerhalb des Gesichtsfelds der Linse zu bilden. Jede Lichtquelle 52 wird nahe einer Kamera 50 angeordnet, so dass Licht aus der Lichtquelle 52 von jedem Rückstrahlerziel 48 auf die Kamera 50 reflektiert wird. Auf diese Weise werden Rückstrahlerbilder ohne weiteres von dem Hintergrund auf der lichtempfindlichen Anordnung unterschieden, da ihre Bildpunkte heller als Gegenstände im Hintergrund sind und sie gepulst sind. In einer Ausführungsform gibt es zwei Kameras 50 und zwei Lichtquellen 52, die symmetrisch um die Linie des Laserstrahls 46 angeordnet sind. Durch Verwendung von zwei Kameras 50 auf diese Weise kann das Prinzip der Dreiecksvermessung angewandt werden, um die dreidimensionalen Koordinaten jedes SMR 48 innerhalb des Gesichtsfelds der Kamera 50 zu finden. Außerdem können die dreidimensionalen Koordinaten des SMR 48 überwacht werden, wenn der SMR 48 von Punkt zu Punkt bewegt wird. Eine Verwendung von zwei Kameras zu diesem Zweck ist in der US 2010/0 128 259 A1 beschrieben.
Andere Anordnungen von einer oder mehreren Kameras 50 und Lichtquellen 52 sind möglich. Zum Beispiel können eine Lichtquelle 52 und eine Kamera 50 koaxial oder nahezu koaxial mit den von dem Nachführungsgerät 30 ausgestrahlten Laserstrahlen 46 angeordnet werden. In diesem Fall kann es notwendig sein, eine optische Filterung oder ähnliche Verfahren zu verwenden, um eine Sättigung der lichtempfindlichen Anordnung der Kamera 50 mit dem Laserstrahl 46 von dem Nachführungsgerät 30 zu vermeiden.
Eine weitere mögliche Anordnung besteht darin, eine einzelne Kamera 50 zu verwenden, die sich auf der Nutzlast oder der Basis 40 des Nachführungsgerätes 30 befindet. Eine einzelne Kamera 50 liefert, wenn sie sich abseits der optischen Achse des Lasernachführungsgerätes 30 befindet, Informationen über die zwei Winkel, die die Richtung zum Rückstrahler 48, aber nicht den Abstand zum Rückstrahler 48 definieren. In vielen Fällen würden diese Informationen ausreichen. Wenn die 3D-Koordinaten des Rückstrahlers 48 bei Verwendung einer einzelnen Kamera 50 benötigt werden, besteht eine Möglichkeit darin, das Nachführungsgerät 30 in azimutaler Richtung um 180 Grad zu drehen und dann die Zenitachse 42 zu kippen, so dass sie zurück zum Rückstrahler 48 weist. Auf diese Weise kann das Ziel 48 von zwei unterschiedlichen Richtungen betrachtet werden, und die 3D-Position des Rückstrahlers 48 kann unter Verwendung von Dreiecksvermessung gefunden werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwischen dem Messen und Abbilden des Ziels 48 hin- und herzuschalten. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist in der WO 2003/062 744 A1 beschrieben. Andere Kameraanordnungen sind möglich und können mit den hier beschriebenen Verfahren verwendet werden.
Wie in 7 gezeigt ist, ist eine Hilfseinheit 60 normalerweise Teil des Lasernachführungsgerätes 30. Der Zweck der Hilfseinheit 60 besteht darin, dem Gehäuse des Lasernachführungsgerätes elektrischen Strom zuzuführen und in manchen Fällen auch das System mit einer Computer- und Taktfähigkeit zu versorgen. Es ist möglich, insgesamt auf die Hilfseinheit 60 zu verzichten, indem die Funktionalität der Hilfseinheit 60 in das Gehäuse des Nachführungsgerätes übertragen wird. In den meisten Fällen ist die Hilfseinheit 60 an einem Universalrechner 62 angebracht. Anwendungssoftware, die auf den Universalrechner 62 geladen wird, kann Anwendungsmöglichkeiten wie das Reverse Engineering ermöglichen. Es ist auch möglich, auf den Universalrechner 62 zu verzichten, indem dessen Rechnerfähigkeit direkt in das Lasernachführungsgerät 30 integriert wird. In diesem Fall wird eine Benutzerschnittstelle, die vorzugsweise eine Tastatur- und Mausfunktionalität bietet, in das Lasernachführungsgerät 30 integriert. Die Verbindung zwischen der Hilfseinheit 60 und dem Computer 62 kann drahtlos oder über ein elektrisches Drahtkabel erfolgen. Der Computer 62 kann an ein Netzwerk angeschlossen werden, und die Hilfseinheit 60 kann auch an ein Netzwerk angeschlossen werden. Mehrere Instrumente, zum Beispiel mehrfache Messinstrumente oder Stellglieder, können miteinander verbunden werden, und zwar entweder durch den Computer 62 oder durch die Hilfseinheit 60.
Bezugnehmend auf 8 ist ein Lasernachführungsgerät 30 mit einem internen Projektor 94 (nicht gezeigt) veranschaulicht, der innerhalb des Nachführungsgerätes 30 (9–10) integriert ist und ein Muster 70 auf eine Oberfläche 72 eines Gegenstands 74, wie eines Werkstücks, projiziert. Ein solches Muster 70 kann zum Beispiel verwendet werden, um die Merkmale 76 hervorzuheben, an denen durch Verwendung eines Kreises 78 Messungen mit dem Nachführungsgerät 30 vorzunehmen sind, wobei auch Anzeiger 80 überlagert sind, bei denen die Messvorrichtung 30 die Messpunkte erfassen würde.
Bezugnehmend auf 9 sind verschiedene interne Komponenten innerhalb des Lasernachführungsgerätes 30 von 6 gezeigt. Die Komponenten umfassen einen oder mehrere Distanzmesser 80, die ein Interferometer (IFM), einen Absolutdistanzmesser (ADM) oder beides aufweisen können. Von dem Distanzmesser 80 wird/werden einer oder mehrere Laserstrahlen 82 ausgestrahlt, die sichtbar, im Infrarotbereich oder beides sein können. Der ausgehende Laserstrahl 82 geht durch einen ersten Strahlenteiler 84 hindurch. Wenn der ausgehende Laserstrahl 82 auf einen Rückstrahler 48 gerichtet wird (6), prallt auf dem Rückweg dieser retroreflektierte Laserstrahl 86 von diesem ersten Strahlenteiler 84 zurück und wandert zu einem Positionsdetektor 88. Die Position des Lichts auf dem Positionsdetektor 88 wird von dem Steuerungssystem des Lasernachführungsgerätes 30 verwendet, um den ausgehenden Laserstrahl 82 auf dem Rückstrahler 48 zentriert zu halten, wodurch die Nachführungsfunktion aktiviert wird. Wenn der ausgehende Laserstrahl 82 auf das Werkstück 74 (8) und nicht auf einen Rückstrahler 48 gerichtet wird, ist die Position des zurückgeworfenen Laserstrahls 86 auf dem Positionsdetektor 88 nicht wichtig. Nach Passieren des ersten Strahlenteilers 84 passiert der ausgehende Laserstrahl 82 einen Strahlerweiterer 90, der bewirkt, dass der Durchmesser des ausgehenden Laserstrahls 82 zunimmt, wenn der Strahl in Vorwärtsrichtung (raus zu dem Rückstrahler 48) wandert. Der ausgehende Laserstrahl 82 passiert dann einen zweiten Strahlenteiler 92. Licht von einem Projektor 94 (ähnlich dem Projektor 14 in den Ausführungsformen aus den 1–5) sendet ein Muster von Laserlicht 96 auf den zweiten Strahlenteiler 92 aus. Das von dem zweiten Strahlenteiler 92 reflektierte Licht 96 wird mit dem ausgehenden Laserstrahl 82 aus den Distanzmessern 80 kombiniert, und das kombinierte Licht 98 wandert entweder zu dem Rückstrahler 48 oder zu dem Werkstück 74. In dem Fall, in dem der Laserstrahl 98 auf das Werkstück 74 gerichtet wird, kann es möglich sein, jedes in dem Strahl 82 enthaltene sichtbare Licht abzuschalten. Dadurch kann der projizierte Strahl 98 klarer gesehen werden.
Bezugnehmend auf 10 ist eine Ausführungsform der verschiedenen Komponenten des Lasernachführungsgeräts 30 ähnlich zu derjenigen aus 9 veranschaulicht, außer dass der zweite Strahlenteiler 92 und der Projektor 94 beide vor dem Strahlerweiterer 90 platziert sind. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass der zweite Strahlenteiler 92 kleiner ausgeführt werden kann als für die Ausführungsform aus 9. Der Nachteil besteht darin, dass es schwieriger sein kann, eine richtige Ausrichtung des Projektors 94 zu erhalten.
In den in den 6–10 veranschaulichten und hier beschriebenen Ausführungsformen ist bei dem Lasernachführungsgerät 30 der Projektor 94 innerhalb der internen Komponenten des Lasernachführungsgerätes 30 integriert. In anderen Ausführungsformen ist es jedoch möglich, dass der Projektor 94 auf dem Lasernachführungsgerät 30 montiert oder anderweitig an diesem angebracht ist. Zum Beispiel veranschaulicht 11 eine solche Ausführungsform, in der bei dem Lasernachführungsgerät 30 der Projektor 14 auf dem Gehäuse des Nachführungsgeräts montiert ist. Der Projektor 14 kann starr an dem Gehäuse des Nachführungsgerätes montiert sein, oder der Projektor 14 kann unter Verwendung eines Kardanmechanismus 22 ähnlich demjenigen der in 3 gezeigten Ausführungsform des Laserscanners 12 montiert sein.
In einer anderen Ausführungsform ist der Projektor in Bezug auf die optische Achse, die die Laserstrahlen 82 und 86 trägt, versetzt. Durch Bewegen des Projektors von der optischen Achse kann das optische System, das den Lichtstrahl 82 trägt, kompakter ausgeführt und der Abstand von dem Projektor zu dem Bereich außerhalb des Nachführungsgerätes kleiner gestaltet werden, wodurch die Schaffung von zweidimensionalen Mustern mit größeren Divergenzwinkeln ermöglicht wird. Bei dieser Ausführungsform ist es nicht notwendig, eine unabhängige Achse für die Zenitdrehung (horizontale Achse) vorzusehen.
In den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die hier vorstehend mit Bezug auf das Lasernachführungsgerät 30 der 6 bis 11 beschrieben sind, kann der Projektor 94 auf ähnliche Weise wie der Projektor 14 der hier vorstehend mit Bezug auf die 1–5 beschriebenen Laserscannerausführungen der vorliegenden Erfindung Bilder, Daten oder andere Informationen projizieren. Solche projizierten Informationen machen für einen Bediener verschiedene Arten von Informationen sichtbar, die bei einer Messsitzung unter Verwendung des Lasernachführungsgerätes 30 nützlich sind, oder die projizierten Bilder oder Daten können die Sichtbarmachung von Daten unterstützen, die zuvor von der Ausrüstung 12 erfasst wurden. Die projizierten sichtbaren Informationen können zum Beispiel von einer solchen Art sein, dass sie einem Bediener eine Führung zur Verfügung stellen, wie schriftliche Anweisungen, hervorgehobene zu messende Stellen, angezeigte Bereiche, in denen Daten zu erfassen sind und Rückmeldungen über die Qualität der Daten in Echtzeit. Diese sichtbaren Informationen, die dem Bediener zur Verfügung gestellt werden, können zum Beispiel in Form von sichtbaren Unterprogrammen, Text oder einer anderen sichtbaren Form von Informationen vorliegen. Die Verwendung, der die projizierten Bilder zugeführt werden können, sind im Allgemeinen die gleichen wie für einen Laserscanner. Besonders wichtig für Lasernachführungsgeräte sind (1) Projektionen, in denen Markierungen anzeigen, wo Material von einer Struktur abzutragen oder zu dieser hinzuzufügen ist, und (2) Projektionen, in denen Markierungen anzeigen, wo einer Struktur Komponenten hinzuzufügen sind.

Claims

Koordinatenmessvorrichtung (12, 30) mit einem dreidimensionalen Koordinatensystem, aufweisend: eine Lichtquelle (18, 80), die dafür konfiguriert ist, einen Lichtstrahl (46, 82) auf einen ersten Punkt zu strahlen; einen optischen Detektor (88), der dafür konfiguriert ist, einen Teil des von dem ersten Punkt reflektierten Lichtstrahls (86) in ein erstes elektrisches Signal umzuwandeln; einen ersten Prozessor, der dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand von der Koordinatenmessvorrichtung (12, 30) zu dem ersten Punkt zu berechnen, wobei die Berechnung zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal und einer Lichtgeschwindigkeit in Luft basiert; einen Projektor (14, 94), der in einem Gehäuse der Koordinatenmessvorrichtung (12, 30) integriert ist, wobei der Projektor (14, 94) dafür konfiguriert ist, ein zweidimensionales Muster (24, 70, 410) von sichtbarem Licht auf einen Gegenstand zu projizieren, wobei das projizierte sichtbare Licht Bilder, Daten oder Informationen anzeigt, wobei der Projektor (94) eine Anordnung von programmierbaren Pixeln umfasst, die dafür konfiguriert sind, das zweidimensionale Muster (24, 70, 410) in Abhängigkeit von von einem zweiten Prozessor empfangenen Befehlen zu erzeugen; einen Strahlenteiler (84, 92), wobei entweder der Lichtstrahl (82) oder das zweidimensionale Lichtmuster (24, 70, 410) von dem Strahlenteiler (84, 92) reflektiert wird und der/das andere von Lichtstrahl (82) und zweidimensionalem Lichtmuster (24, 70, 410) durch den Strahlenteiler (84, 92) übertragen wird; einen Strahlführungsmechanismus (32), der dafür konfiguriert ist, den Lichtstrahl (82) und das zweidimensionale Lichtmuster (24, 70, 410) um einen ersten Winkel um eine erste Achse (38) zu drehen, wobei der Strahlführungsmechanismus (32) ferner dafür konfiguriert ist, den Lichtstrahl (82) um einen zweiten Winkel um eine zweite Achse (42) zu drehen; einen ersten Winkelwandler, der dafür konfiguriert ist, den ersten Winkel zu messen; und einen zweiten Winkelwandler, der dafür konfiguriert ist, den zweiten Winkel zu messen.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der erste Punkt auf einem Ziel befindet, wobei ein Abschnitt des Ziels mit dem Gegenstand in Kontakt steht.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Ziel einen Rückstrahler (48) umfasst.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der erste Punkt auf dem Gegenstand befindet.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein erstes optisches System (84, 90, 92), das dafür konfiguriert ist, den Lichtstrahl zu projizieren, wobei das erste optische System eine erste optische Achse aufweist; und ein zweites optisches System (92), das dafür konfiguriert ist, das zweidimensionale Lichtmuster zu projizieren, wobei das zweite optische System (92) eine zweite optische Achse aufweist.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste optische Achse und die zweite optische Achse verschieden sind.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei sich das erste optische System (84, 90, 92) und das zweite optische System (92) ein gemeinsames optisches Element (92) teilen.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahlführungsmechanismus (32) dafür konfiguriert ist, mindestens einen von dem ersten Winkel (38) und dem zweiten Winkel (42) um 180 Grad oder mehr zu drehen.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Befehle von dem zweiten Prozessor zumindest teilweise auf dem ersten Abstand basieren.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Befehle von dem zweiten Prozessor zumindest teilweise auf einer Ausrichtung des Gegenstands in Bezug auf die Koordinatenmessvorrichtung basieren.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahlenteiler (84, 92) ein dichroitischer Strahlenteiler ist.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei dreidimensionale Koordinaten des Punktes erhalten werden, wobei die dreidimensionalen Koordinaten zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Winkel und dem zweiten Winkel basieren.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Prozessor ferner dafür konfiguriert ist, verdeckte Merkmale (24) auf eine Oberfläche des Gegenstands zu projizieren, wobei die verdeckten Merkmale (24) Elemente hinter der Oberfläche des Gegenstands darstellen.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Prozessor ferner dafür konfiguriert ist, bei der Bearbeitung des Gegenstands oder beim Anbringen einer Komponente an dem Gegenstand Führungsmuster zu projizieren.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Projektor (14, 94) dafür konfiguriert ist, farbiges Licht zu projizieren.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Prozessor ferner dafür konfiguriert ist, einen Schichtlinienplan zu projizieren, wobei der Schichtlinienplan Bereiche relativer Abweichung von einem Muster anzeigt.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Koordinatenmessvorrichtung entweder ein Lasernachführungsgerät (12), ein Laserscanner (30) oder eine Totalstation ist.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei alle Pixel des Projektors (14, 94) synchron Licht ausstrahlen.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Projektor (14, 94) entweder ein mikroelektromechanisches System (MEMS), eine Flüssigkristallanzeige (LCD) oder eine LCoS-Vorrichtung (Liquid Crystal on Silicon) ist.