DE60132066T2

DE60132066T2 - Messinstrument für 3D-Form mit Laserscanner

Info

Publication number: DE60132066T2
Application number: DE60132066T
Authority: DE
Inventors: Auguste D'aligny; Olivier Guittard; Francois Huard; Michel Paramythioti
Original assignee: Mensi
Current assignee: Trimble AB
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2021-11-24
Also published as: US7030968B2; JP2002257526A; EP1209441A1; DE60132066D1; US20020143506A1; ES2296721T3; EP1209441B1; JP4065681B2; FR2817339B1; FR2817339A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen einer Szene.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen, umfassend einen Lasersender, Mittel zum Abtasten gemäß einer ersten und einer zweiten Drehachse, um die Szene mit Hilfe eines von dem Lasersender gesendeten Laserstrahls abzutasten, einen fotosensiblen Empfänger für ein Bild eines durch den Laserstrahl auf der Szene erzeugten Spots, Mittel zum Fokussieren des von der Szene zu dem fotosensiblen Empfänger zurückgestreuten Laserstrahls, erste Mittel zum Messen der Ausrichtung des Strahls am Austritt der Abtastmittel und zweite Mittel zum Messen des Abstandes zwischen der Vorrichtung und dem Spot durch Lasertelemetrie, umfassend eine Teilerplatte zum Teilen des gesendeten und des durch die Szene zurückgestreuten Strahls.
Eine solche Vorrichtung ist in der Schrift US 5 988 862 A beschrieben. Sie umfasst einen Laserimpulse sendenden Sender, Abtastmittel, die zwei galvanometrische Spiegel umfassen, die um zwei zueinander rechtwinklige Achsen frei drehbar sind, und Codierer, um den Laserstrahl zu lenken und dessen Ausrichtung in Abhängigkeit von den Stellungen der beiden galvanometrischen Spiegel zu bestimmen. Außerdem umfasst sie einen optischen Teiler zum Teilen des von dem Impulssender gesendeten Strahls und des von der Szene zurückgestreuten Strahls, was die Durchführung einer Messung des Abstands zwischen der Vorrichtung und des von dem Laserstrahl auf der Szene erzeugten Spots durch Messung der "Flugzeit" des Laserimpulses gestattet. Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung ferner Mittel zum Messen des Zeitpunkts des Empfangs des durch die Szene zurückgestreuten Strahls durch einen fotosensiblen Empfänger.
Auf diese Weise wird ein von dem Lasersender gesendeter Impuls durch den Teiler teilweise zu den beiden galvanometrischen Spiegeln reflektiert, um einen Spot auf der Szene zu erzeugen. Der von der Szene empfangene Teil des Impulses wird dann zu den beiden galvanometrischen Spiegeln zurückgestreut und durchquert dann den Teiler, um von einem Teleskop empfangen zu werden, das seine Energie auf den fotosensiblen Empfänger fokussiert.
Wenn die Vorrichtung für Messungen verwendet wird, die sich über einen großen Bereich von Entfernungen erstrecken, und zwar klassischerweise 1 bis 100 Meter, wobei die Energie des zurückgestreuten Strahls zum Quadrat des Abstands zwischen dem Spot und der Vorrichtung umgekehrt proportional ist, kann die von dem fotosensiblen Empfänger vorgenommene Messung einer großen Dynamik der Energie der von ihr empfangenen Strahlen unterliegen.
Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil durch Schaffung einer Vorrichtung zu beseitigen, die in der Lage ist, die Dynamik der Energie der von dem fotosensiblen Empfänger empfangenen zurückgestreuten Strahlen zu begrenzen und dann zu berücksichtigen.
Zu diesem Zweck ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen einer Szene nach Anspruch 1.
Auf diese Weise gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung die Kompensierung der Energie des von dem fotosensiblen Empfänger empfangenen zurückgestreuten Strahls, indem Fokussierungsmittel geliefert werden, die eine große Brennweite und kleine Abmessungen besitzen.
Die Vergrößerung der Brennweite der Fokussierungsmittel gestattet nämlich eine Vergrößerung des auf dem fotosensiblen Empfänger erzeugten Bilds des Spots, so dass dieses ihn vollständig bedeckt, selbst wenn der Spot von der Vorrichtung sehr weit entfernt ist. Wenn der Spot sich annähert, nimmt die Größe seines Bilds auf Höhe des fotosensiblen Empfängers wie die Energie des Strahls umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands des Spots von der Vorrichtung zu.
Auf diese Weise wird die durch den großen Bereich der gemessenen Entfernungen verursachte Dynamikwirkung durch die Vergrößerung der Größe des Bilds des Spots kompensiert, wenn dieser sich annähert, so dass die von dem fotosensiblen Empfänger empfangene Energieflächendichte konstant bleibt, ohne dadurch dem Platzbedarf der Vorrichtung zu schaden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen kann außerdem eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:

– das konvergierende optische System umfasst einen sphärischen Spiegel zum Kompensieren von durch die Teilerplatte erzeugten Verformungen der Wellenfläche des Strahls, wobei dieser optische Spiegel bezüglich des gesendeten und des zurückgestreuten Laserstrahls außerhalb der Achse angeordnet ist;
– die zweiten Messmittel umfassen außerdem eine zwischen dem Lasersender und der Teilerplatte angeordnete prismenförmige Platte zur Kompensierung der durch den sphärischen Spiegel außerachsig erzeugten Verformungen der Wellenfläche des gesendeten Strahls;
– die zweiten Messmittel umfassen außerdem Mittel zum Messen des Zeitpunkts der Sendung des Laserstrahls und Mittel zum Messen des Zeitpunkts des Empfangs des von der Szene zurückgestreuten Strahls durch den fotosensiblen Empfänger, wobei die Mittel zum Messen des Zeitpunkts der Sendung des Laserstrahls eine optische Faser umfassen, die einen Teil des durch die prismenförmige Platte außerhalb der Achse reflektierten Laserstrahls empfängt und sie zu einem fotosensiblen Empfänger überträgt;
– das divergierende optische System umfasst eine Divergenzlinse, die auf dem Weg des zurückgestreuten Strahls zwischen der Teilerplatte und dem fotosensiblen Empfänger angeordnet ist;
– die Teilerplatte umfasst ein halbreflektierendes Plättchen zur Reduzierung der Dynamik der Energie des von der Szene zurückgestreuten und von dem fotosensiblen Empfänger empfangenen Laserstrahls;
– der fotosensible Empfänger umfasst eine Lawinenfotodiode, der Mittel zum Temperaturausgleich zugeordnet sind;
– die Mittel zum Temperaturausgleich umfassen eine Temperatursonde und sind Mittel zur Regelung der Polarisierungsspannung des fotosensiblen Empfängers in Abhängigkeit von der von dieser Sonde gemessenen Temperatur;
– die Abtastmittel umfassen einen Planspiegel und Mittel zur Regelung der Stellung dieses Spiegels um jede der ersten und der zweiten Drehachse der Abtastmittel herum;
– die Vorrichtung umfasst einen optomechanischen Teil und einen elektronischen Teil, die erste Drehachse ist eine Seitendrehachse und die Mittel zur Regelung um diese Achse umfassen eine Plattform, die um diese Achse durch einen Schrittmotor in Drehung versetzt wird und mit einer axialen Öffnung für den Durchgang von elektrischen Verbindungsmitteln zwischen Elementen des optomechanischen Teils und Elementen des elektronischen Teils versehen ist;
– die Plattform ist auf einem feststehenden Kranz über Ringkugellagermittel angeordnet, die zwischen der Plattform und dem feststehenden Kranz angeordnet sind;
– der Schrittmotor ist unter dem feststehenden Kranz an dessen Umfang angeordnet und ist einem Ritzel zum Drehantrieb der Plattform um die erste Achse über einen von der Plattform getragenen Zahnriemen zugeordnet;
– die zweite Drehachse ist eine Höhendrehachse und die Mittel zur Regelung um diese Achse umfassen einen Übertragungsarm, dessen Achse bezüglich der Plattform fixiert ist und der den Spiegel mit einem galvanometrischen Scanner zum Drehantrieb des Spiegels um die zweite Achse verbindet;
– die ersten Messmittel umfassen einen von der Plattform getragenen ringförmigen optischen Inkrementalcodierer zum Messen der Seitenrichtung des Strahls;
– der optische Codierer ist mit einem feststehenden Kranz fest verbunden und ist mit einem mit der Plattform fest verbundenen beweglichen Teil versehen;
– die Vorrichtung umfasst außerdem eine Einheit zur automatischen Fokussierung des von dem Lasersender gesendeten Laserstrahls und Mittel zur Befestigung des Lasersenders an der Einheit;
– die Befestigungsmittel umfassen eine Grundplatte, die den Lasersender trägt und an der Einheit zur automatischen Fokussierung mit Hilfe von Schrauben befestigt ist, die in in der Grundplatte vorgesehene axiale Löcher mit größerem Durchmesser eingeführt sind, sowie Schrauben zur radialen Einstellung des Lasersenders auf der automatischen Fokussierungseinheit;
– die Einheit zur automatischen Fokussierung des Laserstrahls umfasst mindestens eine auf der Sendeachse des Laserstrahls angeordnete Divergenzlinse, eine ebenfalls auf der Sendeachse angeordnete Konvergenzlinse und Mittel zur Relativbewegung der Konvergenzlinse und der Divergenzlinse längs der Sendeachse;
– die Mittel zur Relativbewegung umfassen eine die Konvergenzlinse tragende Buchse, um die herum eine biegsame Membran befestigt ist, und Mittel zur Betätigung der Membran zum Zweck der Bewegung dieser Buchse längs der Achse;
– die Mittel zur Betätigung der biegsamen Membran umfassen einen Stromgenerator und eine durch den Stromgenerator mit Strom versorgte Spule, die an der biegsamen Membran befestigt ist und in dem Luftspalt eines Magnetkerns um die Sendeachse herum angeordnet ist;
– die Mittel zur Betätigung der biegsamen Membran umfassen Mittel zum Vergleich zwischen der erfassten Stellung der Konvergenzlinse und der gewünschten Stellung der Konvergenzlinse längs der Achse, die Mittel zur Aktivierung des Stromgenerators in Abhängigkeit von dieser Differenz umfassen;
– die Einheit zur automatischen Fokussierung umfasst optische Mittel zur Erfassung der Stellung der Konvergenzlinse auf der Sendeachse;
– sie umfasst Mittel zur Einstellung der Mittel zur Stellungsregelung des galvanometrischen Spiegels um die Höhendrehachse und Mittel zur Einstellung der Empfangsachse des Laserstrahls um die Seitendrehachse;
– die Mittel zur Einstellung der Mittel zur Stellungsregelung des galvanometrischen Spiegels und die Mittel zur Einstellung der Empfangsachse des Strahls umfassen jeweils eine Wiege, die von einem Kranzteil gebildet ist, und jeweils einen entsprechenden Wiegenhalter, in dem die Wiege bei Drehung um die Achse dieses Kranzes gleitet;
– die Drehachse der Wiege der Mittel zur Einstellung der Mittel zur Stellungsregelung des galvanometrischen Spiegels ist zur Höhendrehachse und zur Seitendrehachse senkrecht und die Drehachse der Wiege der Mittel zur Einstellung der Empfangsachse ist zur Höhendrehachse senkrecht und in einer vertikalen Ebene, die die Seitendrehachse enthält, wobei diese Drehachsen der Wiegen sich im Mittelpunkt des Spiegels schneiden;
– sie umfasst außerdem Mittel zur Reduzierung der Dynamik des am fotosensiblen Empfängers gelieferten Signals;
– die Mittel zur Reduzierung der Dynamik des Signals umfassen einen Spannungsdämpfer mit programmierbarem Gewinn und eine Verstärkungseinheit mit feststehendem Gewinn am Austritt dieses Dämpfers; und
– die zweiten Mittel zur Messung des Abstands zwischen der Vorrichtung und dem Spot umfassen eine integrierte Schaltung zur Messung der "Flugzeit" des Laserstrahls.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Bezeichnung einer Zone von Interesse auf einer Szene, das in einer Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen vom vorstehenden Typ durchgeführt wird, umfassend die folgenden Schritte:

– die dreidimensionale Messung einer Menge von Punkten der Szene;
– die Speicherung der Koordinaten der Menge von gemessenen Punkten;
– die Modellisierung und/oder Visualisierung dieser Menge von Punkten, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem die folgenden Schritte umfasst:
– die Wahl einer Untermenge von mindestens einem Punkt dieser Menge, die die Zone von Interesse definiert; und
– die Steuerung der Abtastmittel und des Senders so, dass der auf der Szene durch den Laserstrahl erzeugte Spot nacheinander mindestens einen Teil der Punkte der dieser Zone von Interesse entsprechenden gewählten Untermenge bezeichnet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt eine nur als Beispiel dienende Beschreibung, in der auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser zeigen:
1 eine schematische Ansicht des allgemeinen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine schematische Darstellung der Projektion, in der Bewegungsrichtung eines Laserstrahls, dessen Wellenfläche während seines Hinwegs in der Vorrichtung von 1,
3 eine schematische Darstellung der Projektion, in der Bewegungsrichtung des Laserstrahls, dessen Wellenfläche während seines Rückwegs in der Vorrichtung von 1,
4 eine schematische Ansicht einer automatischen Fokussiereinheit für die Vorrichtung von 1,
5 eine schematische Teilansicht der Abtastmittel der Vorrichtung von 1,
6 eine schematische Seitenansicht der ersten Mittel zur Regelung der Abtastmittel von 1,
7 eine schematische Draufsicht der zweiten Mittel zur Regelung der Abtastmittel in der Richtung I von 3,
8 ein Schaltbild von elektronischen Mitteln zur Reduzierung der Dynamik eines Signals für die Vorrichtung von 1, und
9 ein Schaltbild von Mitteln zur Temperaturregelung eines fotosensiblen Empfängers für die Vorrichtung von 1.
Wie in 1 dargestellt, umfasst eine Vorrichtung 2 zum dreidimensionalen Messen einer Szene, die beispielsweise von einer Vase gebildet wird, ein Gehäuse 6, in dem ein für Lichtstrahlen transparentes Fenster 8 vorgesehen ist.
Dieses Gehäuses 6 umfasst zwei Teile.
Ein erster Teil, in dem sich das Fenster 8 befindet, umfasst optische Systeme und bildet den optomechanischen Teil 10 der Vorrichtung 2.
Ein zweiter Teil, der unter dem ersten Teil gelegen ist, umfasst elektronische Systeme, deren wesentliche Elemente unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben werden, und bildet den elektronischen Teil 12 der Vorrichtung 2.
Dieser elektronische Teil umfasst Rechen- und Datenspeicherkapazitäten, die ausreichen, um darin klassische Verfahren zum Messen, Darstellen, Ändern oder Aktivieren des optomechanischen Teils 10 auszuführen.
Der elektronische Teil 12 umfasst insbesondere eine Bordmikrorechnerarchitektur, die eine Hauptplatine umfasst, die elektronische Karten aufnehmen kann, die verschiedene Datenübertragungsbusformate übertragen, wie PCI-Bus, ISA-Bus.
Er umfasst ferner eine mit einer statischen Festplatte versehene Mikrorechnerkompaktkarte und Karten zur Steuerung der einzelnen Elemente des optomechanischen Teils 10 und des elektronischen Teils 12, die im Nachstehenden beschrieben werden.
Außerdem ist der elektronische Teil 12 mit einem äußeren Steuerorgan (nicht dargestellt), wie einem tragbaren Rechner oder einem elektronischen Personal Organizer, mit Hilfe einer Ethernet-Verbindung verbunden.
Zwischen diesen beiden Teilen ist eine kreisförmige und horizontale Plattform 14 angeordnet, die einen Halter der optischen Systeme der Vorrichtung 2 über Platten, wie die Platte 15, bildet. Diese Plattform 14 wird in ihrer Winkelstellung um eine sie in ihrem Mittelpunkt schneidende vertikale Achse 16 durch eine Regelungsvorrichtung gesteuert, die unter Bezugnahme auf die 3 beschrieben wird, wodurch eine Seitenabtastung der Szene 4 durch die Vorrichtung 2 gestattet wird.
Außerdem ist sie mit einer auf der Achse 16 zentrierten axialen Öffnung 18 versehen, die den Durchgang von elektrischen Verbindungsmitteln 18a zwischen Elementen des optomechanischen Teils 10 und Elementen des elektronischen Teils 12 gestattet. Eine detaillierte Ausführungsform dieser Plattform 14 wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Der optomechanische Teil 10 umfasst:

– einen trägerförmigen Rahmen 19, der auf der Plattform 14 durch Platten, wie die Platte 15, befestigt ist und dazu bestimmt ist, einen Teil der Elemente des optomechanischen Teils 10 zu tragen;
– einen Lasersender 20 klassischen Typs, wie einem Mikrolaser, der auf diesem Rahmen 19 befestigt ist;
– eine Einheit 22 zur automatischen Fokussierung eines von dem auf ihr befestigten Lasersender 20 gesendeten Laserstrahls;
– eine prismatische Platte 24, die in der Achse 26 der Sendung eines Laserstrahls durch den Sender 20 am Ausgang der automatischen Fokussierungseinheit 22 angeordnet ist und an dem Rahmen 19 befestigt ist;
– eine optische Faser zum Empfang eines durch die prismenförmige Platte 24 außerachsig reflektierten Teils des Laserstrahls;
– einen fotosensiblen Empfänger 29 klassischen Typs, der an die optische Faser 28 angeschlossen ist;
– eine Lichtfalle 30 klassischen Typs, die auf dem Rahmen 19 in einem vorbestimmten Abstand von der prismatischen Platte 24 befestigt ist, um die Reflexion eines Teils des Laserstrahls zu verhindern, der die prismatische Platte 24 durchquert hat und von dieser Falle aufgenommen wurde;
– eine transparente Teilerplatte 32, die an dem Rahmen 19 befestigt ist und zwischen der prismenförmigen Platte 24 und der Lichtfalle 30 in der Sendeachse 26 angeordnet und gegen diese Achse um etwa 45° geneigt ist;
– ein halbreflektierendes Plättchen 34, das auf der Oberfläche der Teilerplatte 32 gegenüber der prismatischen Platte 24 angeordnet ist und auf der Senderachse 26 zentriert ist, wobei dieses Plättchen einen Teil des von dem Sender 20 gesendeten Strahls reflektiert, der die prismatische Platte 24 durchquert hat, und einen Teil des von der Szene 4 zurückgestreuten Strahls längs einer optischen Achse 36, die zur Längsachse des Rahmens 19 parallel ist, zurücksendet;
– einen sphärischen Spiegel 38, der auf dem Rahmen 19 befestigt ist und bezüglich der optischen Achse 36 außerach sig angeordnet ist und der einen von dem Sender 20 gesendeten von der Teilerplatte 32 kommenden oder einen von der Szene 4 zurückgestreuten Strahl reflektiert; der sphärische Spiegel 38 ist Teil eines konvergierenden optischen Systems;
– einen galvanometrischen Spiegel 42, der in der Winkelstellung um eine Achse 44 gesteuert ist, die zur Achse 16 senkrecht ist, die letztere an einem Punkt 0 schneidet, dessen Stellung im Nachstehenden erläutert wird. Die Achse 44 ist bezüglich der Plattform 14 feststehend, um einen von dem sphärischen Spiegel 38 reflektierten Laserstrahl zur Szene 4 zu leiten und, umgekehrt, um einen von der Szene 4 zurückgestreuten Laserstrahl zum sphärischen Spiegel 38 zu leiten;
– einen fotosensiblen Empfänger 46, der in der optischen Achse 36 im Rückweg des von der Szene 4 zurückgestreuten und von der Teilerplatte 32 übertragenen Laserstrahls angeordnet ist;
– einen Interferenzfilter 38 klassischen Typs, der in der optischen Achse 36 zwischen der Teilerplatte 32 und dem fotosensiblen Empfänger 46 angeordnet ist, um den von der Szene 4 zurückgestreuten Strahl zu filtern, bevor er den fotosensiblen Empfänger 46 erreicht; und
– eine Divergenzlinse 50, die in der optischen Achse 36 zwischen der Teilerplatte 32 und dem fotosensiblen Empfänger 46 angeordnet ist, um in Kombination mit dem sphärischen Spiegel 38 ein Teleobjektiv zu bilden, um die Länge des Empfangswegs des zurückgestreuten Laserstrahls zu reduzieren und gleichzeitig eine große Brennweite beizubehalten. Die Divergenzlinse 50 bildet Teil eines optischen Divergenzsystems, das bezüglich des konvergenten optischen Systems und bezüglich des fotosensiblen Empfängers 46 und des Filters 48 feststehend ist. Das konvergierende optische System ist ferner bezüglich des fotosensiblen Empfängers 46 und des Filters 48 feststehend. Die Divergenzlinse 50 und der sphärische Spiegel 38 sind infolgedessen bezüglich des fotosensiblen Empfängers 46 und des Filters 48 feststehend.

Der Lasersender 20, das System 22 zum automatischen Scharfstellen, die prismatische Platte 24 und die aus der Teilerplatte 32 und dem halbreflektierenden Plättchen 34 bestehende Einheit sind so angeordnet, dass die Achsen 16, 26 und 36 absolut koplanar sind.
Auf diese Weise erreicht ein von dem Lasersender 20 in der Achse 26 gesendeter Laserstrahl die prismatische Platte 24, nachdem er die Einheit 22 zur automatischen Fokussierung durchquert hat. Er tritt in die prismatische Platte 24 über eine erste zur Achse 26 senkrechte ebene Trennfläche 24a ein.
Dann verlässt er die prismatische Platte 24, indem er eine zweite ebene Fläche 24b durchquert, die gegen die Achse 26 geneigt ist. Ein Teil des Laserstrahls wird auf diese Weise von der Fläche 24b aus der Achse 26 heraus reflektiert.
Dieser reflektierte Teil des Laserstrahls erreicht wieder die erste ebene Fläche 24a an einem Kontaktpunkt zwischen dieser ersten ebenen Fläche 24a der prismatischen Platte 24 und einem ersten Ende der optischen Faser 28.
Das andere Ende der optischen Faser 28 ist mit einem fotosensiblen Empfänger 29 verbunden, der einen Zeitpunkt T₁ des Empfangs des von der prismatischen Platte 24 reflektierten Teils des Laserstrahls bestimmt. Dieser Zeitpunkt T₁ wird im Nachstehenden als der Sendezeitpunkt des Laserstrahls betrachtet.
Nach Durchqueren der prismatischen Platte 24 erreicht der Laserstrahl das halbreflektierende Plättchen 34 in dessen Mitte.
Ein Teil des Laserstrahls wird nun in der optischen Achse 36 in Richtung des sphärischen Spiegels 38 reflektiert, während der andere Teil des Laserstrahls von der Lichtfalle 30 vollständig absorbiert wird, nachdem er die Teilerplatte 32 durchquert hat.
Der von der Teilerplatte 32 reflektierte Laserstrahl erreicht dann den sphärischen Spiegel 38 an einem Punkt J, der durch die außerachsige Positionierung des sphärischen Spiegels auf dem Rahmen 19 vorbestimmt ist.
Der sphärische Spiegel 38 ist bezüglich des Rahmens 19 und der Plattform 14 so positioniert, dass der Laserstrahl nach Reflexion an dem sphärischen Spiegel am Punkt J einem Weg folgt, der in der die Achsen 16, 26 und 36 enthaltenden Ebene liegt, und den galvanometrischen Spiegel 32 am Schnittpunkt 0 der Achsen 16 und 44 trifft, wobei die Achse 44 außerdem zu der Ebene rechtwinklig ist, in der sich der Laserstrahl bewegt. Der Punkt 0 ist vorzugsweise im Mittelpunkt der reflektierenden Oberfläche des galvanometrischen Spiegels 42 gelegen.
Der Laserstrahl wird dann durch den galvanometrischen Spiegel 42 reflektiert und erzeugt dann auf der Szene 4 einen Lichtspot 52, nachdem er das Fenster 8 durchquert hat.
Durch Rückstreuung des Laserstrahls auf der Szene 4 folgt ein Teil von diesem dann im Wesentlichen demselben Weg, wie er oben beschrieben wurde, in umgekehrter Richtung bis zu der aus der Teilerplatte 32 und dem halbreflektierenden Plättchen 34 bestehenden Einheit und durchquert diese Einheit längs der Achse 36 in Richtung des fotosensiblen Empfängers 46.
Vor Erreichen des fotosensiblen Empfängers 46 durchquert der Laserstrahl, der die Teilerplatte 32 durchquert hat, die Divergenzlinse 50 und dann den Interferenzfilter 48.
Der fotosensible Empfänger 46 bestimmt dann den Zeitpunkt T₂ des Empfangs des von der Szene zurückgestreuten Laserstrahls. Die Berechnung des Abstands des Spots 52 vom Punkt 0 in Abhängigkeit von den Zeitpunkten T₁ und T₂ wird als an sich bekannt betrachtet.
Das halbreflektierende Plättchen 34 hat die Aufgabe, einen Teil des gesendeten Laserstrahls in der optischen Achse 36 zum sphärischen Spiegel 38 zu lenken. Es hat aber auch die Aufgabe, die Dynamik der Energie eines Teils des von der Szene 4 zurückgestreuten und vom fotosensiblen Empfänger 46 empfangenen Laserstrahls zu ändern.
Wenn nämlich der Spot 52 nahe bei der Vorrichtung 2 ist, ist die Energie des von der Szene 4 zurückgestreuten Laserstrahls hoch, aber der Durchmesser des Laserstrahls, der die Teilerplatte 32 durchquert, ist kleiner als der des halbreflektierenden Plättchens 34.
Nun ist die Teilerplatte 32 bei den klassischen Vorrichtungen im Allgemeinen mit einem totalreflektierenden Zentralverschluss versehen, was bewirkt, dass die Messung des Abstands des Spots 52 in diesem Fall verhindert wird. Wenn dagegen die Teilerplatte mit einem Plättchen wie dem halbreflektierenden Plättchen 34 versehen ist, passiert der Teil des Strahls, der die Teilerplatte 32 durchquert, das halbreflektierende Plättchen 34 vollständig und ein gedämpfter Teil dieses Strahls gelangt zum fotosensiblen Empfänger 46.
Wenn dagegen der Spot von der Vorrichtung 2 entfernt ist, ist die Energie des von der Szene 4 zurückgestreuten Laserstrahls gering, da sie sich in einer umgekehrten Funktion vom Quadrat der Entfernung ändert, aber der Durchmesser dieses Laserstrahls, der die Teilerplatte 32 durchquert, ist größer und wird über einen vorbestimmten Abstand hinaus größer als derjenige des halbreflektierenden Plättchens 34.
In diesem Fall wird ein Teil der Energie des Strahls am Umfang des halbreflektierenden Plättchens 34 von der Teilerplatte 32 vollständig zum fotosensiblen Empfänger 46 übertragen. Dieser vollständig übertragene Teil ist umso größer, je weiter der Spot von der Vorrichtung entfernt ist, also je kleiner die Energie des zurückgestreuten Laserstrahls ist.
Bei einer besonderen Ausführungsform ist der Lasersender 20 ein Mikrolaser mit einer Spitzenleistung gleich 278 W. Der sphärische Spiegel 38 besitzt einen solchen Durchmesser, dass der optische Empfangsdurchmesser der Vorrichtung 40 mm beträgt. Das halbreflektierende Plättchen 34 hat einen Durchmesser von 6 mm und ein Reflexionsvermögen von 0,5. Die Albedo der Empfangsfläche des fotosensiblen Empfängers 46, die seinen Rückstreuungskoeffizient darstellt, beträgt 0,01.

In diesem besonderen Fall erhält man die folgende Resultatetabelle:

Entfernung (m)	Zurückgestreute Leistung an der Vorrichtung 2 (μW)	Vom fotosensiblen Empfänger 6 empfangene Leistung (μW)
		Umfang	Plättchen	Summe
1	712,7	0	0,16	0,16
1,5	316,7	0	0,15	0,15
2	178,2	0	0,14	0,14
3	79,2	0	0,13	0,13
5	28,5	0	0,13	0,13
7	14,5	0	0,13	0,13
10	7,1	0	0,13	0,13
15	3,17	0	0,13	0,13
20	1,78	0	0,13	0,13
30	0,79	0,11	0,07	0,18
40	0,45	0,17	0,04	0,21
50	0,29	0,2	0,03	0,23
60	0,2	0,16	0,02	0,18
70	0,15	0,12	0,01	0,13
80	0,111	0,09	0,01	0,1
90	0,088	0,07	0,01	0,08

In dieser Tabelle gibt die erste Spalte die Entfernung des Spots 52 von der Vorrichtung 2 an.
Die zweite Spalte gibt die Leistung des von der Szene 4 zurückgestreuten Laserstrahls auf Höhe der Vorrichtung 2 in der durch den optischen Durchmesser von 40 mm definierten Öffnung an: man bemerkt, dass diese Leistung zur Entfernung der ersten Spalte umgekehrt proportional ist.
Die dritte Spalte gibt die Leistung des Teils des Strahls an, der zum fotosensiblen Empfänger 46 zurückgestreut wird und von der Teilerplatte 32 am Umfang des halbreflektierenden Plättchens 34 vollständig übertragen wird.
Die vierte Spalte gibt die Leistung des Teils des Strahls an, der zum fotosensiblen Empfänger 46 zurückgestreut wird und von dem halbreflektierenden Plättchen 34 partiell übertragen wird.
Die fünfte Spalte der Resultate der Tabelle gibt schließlich die Summe der beiden vorhergehenden Spalten an, d. h. die von dem fotosensiblen Empfänger 46 empfangene Gesamtleistung.
Man sieht, dass, obwohl die zur Vorrichtung 2 zurückgestreute Leistung sich umgekehrt proportional zur Entfernung des Spots 52 ändert, die Dynamik des von dem fotosensiblen Empfänger 46 empfangenen Strahls kleiner als 3 ist: sie variiert von 0,08 μW bis 0,23 μW bei Entfernungen, die von 1 bis 90 Meter variieren.
Die Kombination der prismatischen Platte 24 mit dem außerachsigen sphärischen Spiegel 38 hat ihrerseits die Aufgabe, den Astigmatismus zu kompensieren, der von diesem auf dem Hinweg des von dem Lasersender 20 in Richtung der Szene 4 gesendeten Strahls eingeführt wird, wie in 2 dargestellt ist.
Wenn der Lasersender 20 nämlich einen Laserimpuls sendet, ist der Querschnitt 20p der Wellenfläche in einer zur Fortbewegungsrichtung dieses Impulses senkrechten Ebene kreisförmig. Da aber die prismatische Platte 24 eine Verformung der Wellenfläche des Impulses durch Astigmatismus einführt, wird ihr Querschnitt 24p zwischen der prismatischen Platte 24 und der Teilerplatte 32 elliptisch.
Da eine Reflexion auf der Teilerplatte 32 keinen Astigmatismus einführt, ist der Querschnitt 32pa der Wellenfläche des Laserimpulses zwischen dieser Teilerplatte 32 und dem sphärischen Spiegel 38 weiterhin elliptisch.
Der sphärische Spiegel 38, der bezüglich der Einfallsrichtung des Laserstrahls außerachsig angeordnet ist, führt bei der Reflexion des Laserimpulses auf den sphärischen Spiegel 38 ebenfalls eine Verformung der Wellenfläche des Laserimpulses durch Astigmatismus ein. Auf diese Weise wird der Querschnitt 38pa dieser Wellenfläche zwischen dem sphärischen Spiegel 38 und dem galvanometrischen Spiegel 42 wieder kreisförmig.
Da der galvanometrische Spiegel 42 keine Verformung der Wellenfläche der Laserimpulse durch Astigmatismus einführt, erreicht diese die Szene 4, indem der Spot 52 erzeugt wird, der kreisförmig ist.
Auf dem Rückweg des von der Szene 4 in Richtung des fotosensiblen Empfängers 46 zurückgestreuten Laserimpulses besteht eine der Aufgaben des außerachsigen sphärischen Spiegels 38 darin, den von der Teilerplatte 32 eingeführten Astigmatismus zu kompensieren, wenn der Laserimpuls sie durchquert, wie in 3 dargestellt ist.
Der von der Szene 4 zurückgestreute Laserimpuls hat nämlich eine Wellenfläche, deren Schnitt 4p in einer zur Fortbewegungsrichtung des Impulses senkrechten Ebene zwischen der Szene 4 und dem galvanometrischen Spiegel 42 kreisförmig ist.
Nach Reflexion an dem galvanometrischen Spiegel 42 ist dieser Schnitt 42p weiterhin kreisförmig, bevor er den sphärischen Spiegel 38 erreicht.
Wie oben erwähnt wurde, führt der sphärische Spiegel 38, der bezüglich der Einfallsrichtung des Laserimpulses außerachsig angeordnet ist, einen Astigmatismus der Wellenfläche des Impulses ein, so dass nach Reflexion an diesem und vor Erreichen der Teilerplatte 32 der Querschnitt 38pr der Wellenfläche des Laserimpulses elliptisch wird.
Wieder führt die Teilerplatte 32, wenn der Laserimpuls sie durchquert, einen Astigmatismus ein, der durch den des sphärischen Spiegels 38 kompensiert wird, so dass der Querschnitt 32pr der Wellenfläche dieses Impulses vor Erreichen der Divergenzlinse 50 wieder kreisförmig wird.
Die Divergenzlinse 50 und der Interferenzfilter 48 führen keine Verformung der Wellenfläche des Impulses durch Astigmatismus ein, was zur Folge hat, dass das Bild des Spots 52 auf Höhe des fotosensiblen Empfängers 46 kreisförmig ist.
Die Einheit 22 zur automatischen Fokussierung der Vorrichtung 2 sowie Mittel zu ihrer Befestigung auf dem Lasersender 20 sind in 4 dargestellt.
Die Einheit 22 zur automatischen Fokussierung besitzt eine axiale Symmetrie um die vertikale Achse 16. Sie besitzt zwei feststehende Divergenzlinse 60 und 62, die auf der Achse 16 zentriert sind, und eine Konvergenzlinse 64, die ebenfalls auf der Achse 16 zentriert ist und sich längs dieser Achse in Translation bewegen kann.
Die beiden Divergenzlinsen 60 und 62 sind in einem ersten rohrförmigen Halter 66 angeordnet.
Ein erster Teil 68 mit kleinem Querschnitt dieses Halters 66 trägt an seinem freien Ende die Divergenzlinse 60.
Der erste zylindrische Teil 68 des Halters ist mit einem zweiten Teil 70 mit größerem Querschnitt durch eine kegelstumpfförmige Übergangszone 71 verbunden.
Die Divergenzlinse 62 ist in diesem zweiten Teil 70 montiert.
Ein dritter Teil 72, der einen Flansch bildet, ist mit dem zweiten zylindrischen Teil 70 an dessen Ende, das dem ersten Teil 68 entgegengesetzt ist, fest verbunden.
Der Halter 66 ist in einem Rohr 74 montiert, das eine Endbohrung 76 aufweist, die den ersten Teil 68 kleinen Querschnitts des Halters 66 umgibt und in dem eine Buchse 78, die die Konvergenzlinse 64 trägt, verschiebbar montiert ist.
Das Rohr 74 umfasst ferner eine Bohrung 80 größeren Durchmessers, deren Querschnitt dem des zweiten Teils 70 größeren Querschnitts des Halters 66 entspricht.
Es umfasst ferner einen radialen Kranz 82, der der Endbohrung 76 entgegengesetzt ist und ein Außengewinde 84 aufweist.
Mit dem Flansch 82 wirkt ein Kranz 86 zusammen, der ein Innengewinde 88 aufweist.
Der Kranz 86 ist zwischen den Flansch 82 und den Flansch 72 eingesetzt und gestattet die Einstellung der axialen Stellung des die Divergenzlinsen 60, 62 tragenden Halters 66.
Drei in 120° angeordnete Schrauben 90 zur Blockierung des Halters 66 sind in axialen Löchern 92, die in dem Flansch 72 vorgesehen sind, angeordnet, erstrecken sich im Inneren des Kranzes 86 und sind in Gewindebohrungen 94 eingeführt, die in dem Flansch 82 des Rohrs 74 vorgesehen sind.
In der Seite des Flansches 72 des Halters 66, die dem mit Gewinde versehenen Kranz 86 entgegengesetzt ist, ist eine axiale Aussparung 94 zur Befestigung des Lasersenders 20 vorgesehen.
In dieser zum Halter 66 koaxialen Aussparung ist eine Grundplatte 96 montiert, deren Durchmesser kleiner als der der Aussparung 94 ist und an der der Lasersender 20 durch drei in 120° angeordnete Schrauben 98 befestigt ist.
Die Grundplatte 96 ist ihrerseits im Boden der Aussparung 94 mit Hilfe von drei in 120° angeordneten Flachkopfschrauben 100 befestigt, die in axiale Bohrungen 102 größeren Durchmessers eingeführt sind, die in der Grundplatte 96 vorgesehen sind, und die radiale Einstellung der Stellung der Grundplatte und damit des Lasersenders 20 bezüglich der Sendeachse 16 der Vorrichtung 2 gestatten.
Die Schrauben 100 sind in den Flansch 72 eingeschraubt.
Die Aussparung 94 ist von einem Umfangsrand 104 begrenzt, in dem drei Schrauben 106 zur radialen Einstellung des Lasersenders 20 angeordnet sind.
Die in 120° angeordneten Schrauben 106 weisen jeweils beispielsweise einen gerändelten Kopf 108 und ein mit der Seitenfläche 110 der Grundplatte 96 in Kontakt befindliches Ende auf.
Das Rohr 74 ist von einem Magnetkern 112 umgeben, in den es beispielsweise eingepresst ist.
Der Magnetkern 112 ist allgemein zylindrisch und ist zu dem Rohr 74 und den Haltern 66 und 78, die die Divergenzlinsen 60 und 62 bzw. die Konvergenzlinse 60 tragen, koaxial.
Der Magnetkern 112 ist über eine seiner Seiten mit dem Flansch 82 des Rohrs 74 in Kontakt.
In der dem Flansch 82 entgegengesetzten Seite des Magnetkerns 112 ist eine ringförmige Nut 114 vorgesehen, die einen zentralen Vorsprung 116 begrenzt, um welchen herum eine Spule 118 zur Betätigung einer Membran 120 über einen Mantel 122 angeordnet ist, der mit einem seiner Enden an der Membran 120 befestigt ist.
Die biegsame Membran 120 ist an ihrem Umfang an dem Magnetkern 112 auf gebräuchliche Weise befestigt. Sie ist in ihrer Mitte mit einem kreisförmigen Loch versehen, in das die Buchse 78 eingeführt und befestigt ist.
Auf diese Weise induziert ein die Spule 118 durchquerender Strom ihre Bewegung längs der Achse 16, wobei sie über die biegsame Membran 120 die Buchse 78 mitnimmt, die sich nun längs der Achse 16 bewegt.
Die Spule 118 wird durch einen Stromgenerator 124 gespeist, dessen Eingang an den Ausgang eines Vergleichers 126 ange schlossen ist, der ein Signal, das von einer PSD-Fotodiode 128 erzeugt wird, die von einem Lichtstrahl beleuchtet wird, der von einer Elektrolumineszenzdiode 130 kommt, in dessen Weg das freie Ende der die Konvergenzlinse 64 tragenden Buchse 78 angeordnet ist, mit einem Signal vergleicht, das der Entfernung des die Szene 4 beleuchtenden Spots 52 entspricht.
Die in 5 dargestellten Abtastmittel umfassen den galvanometrischen Spiegel 42, dem Mittel zur Steuerung der Stellung um orthogonale Achsen 16 und 44, die sich am Punkt 0 schneiden, zugeordnet sind.
Die Stellungssteuermittel des Spiegels 42 um die vertikale Achse 16 gestatten eine Seitenabtastung der Szene 4 und umfassen einen Schrittmotor 200 und ein ihm zugeordnetes Untersetzungsgetriebe 202, die unter einem feststehenden Kranz 204 an dessen Umfang angeordnet sind. Das Untersetzungsgetriebe 202 steuert die Drehung eines Ritzels 206 um eine vertikale Achse, die den feststehenden Kranz 204 durchquert.
Das Ritzel 206 versetzt einen beweglichen Kranz 208 um die vertikale Achse 16 in Drehung, und zwar über einen Zahnriemen 210, der am beweglichen Kranz 208 angeklebt ist.
Die Drehung des beweglichen Kranzes 208 bezüglich des feststehenden Kranzes 204 wird durch ein dünnes Ringkugellager 212 gewährleistet, das in einer am Umfang des beweglichen Kranzes 208 vorgesehenen Nut 213 angeordnet ist.
Auf dem beweglichen Kranz 208 sind zwei vertikale Platten wie die Platte 15 angeordnet, sowie eine an diesen vertikalen Platten befestigte Scheibe 223.
Die unter Bezugnahme auf die 1 beschriebene Plattform 14 umfasst diese Scheibe 223 und den beweglichen Kranz 208.
Die Messung der Drehbewegung der Plattform 14 um die Achse 16 wird mit Hilfe eines optischen Codierers 214 erhalten, der mit dem feststehenden Kranz 204 mit Hilfe eines Befestigungskranzes 216 fest verbunden ist. Der Codierer 214 ist ein ringförmiger Inkrementalcodierer klassischen Typs.
In den axialen Durchgang 218 des optischen Codierers 214 tritt ein zylindrischer Rand 220 ein, der die axiale Öffnung 18 der mit dem beweglichen Kranz 208 fest verbundenen Scheibe 223 begrenzt.
Auf bekannte Weise ist der optische Codierer 214 mit einem beweglichen Teil 222 versehen, der an dem Rand 220 der Scheibe 223 durch Befestigungsschrauben (nicht dargestellt) blockiert ist. Dies gestattet die inkrementale Messung der Seitendrehung der Plattform 14.
Die Mittel zur Stellungssteuerung des Spiegels 42 um die horizontale Achse 44 gestatten eine Seitenabtastung der Szene 4 und umfassen einen Übertragungsarm 224, der dem galvanometrischen Spiegel 42 mit einem galvanometrischen Scanner 226 klassischen Typs verbindet. Der Übertragungsarm 224 ist an der Platte 15 über erste Mittel 228 zur Verstellung der Drehachse an der Platte 15 befestigt und gestattet die Übertragung der durch den galvanometrischen Scanner 226 gesteuerten Drehung um die Achse 44 auf dem Spiegel 42.
Diese ersten Einstellmittel 228 werden im Nachstehenden unter Bezugnahme auf die 6 ausführlich beschrieben.
Auf diese Weise wird der galvanometrische Spiegel 42 gleichzeitig mit Hilfe des galvanometrischen Scanners 226 um die horizontale Achse 44 stellungsgesteuert und mit Hilfe des Motors 200 um die vertikale Achse 16 stellungsgesteuert.
Ferner ist der Rahmen 19 an der Platte 15 über zweite Mittel 229 zur Einstellung der optischen Achse 36 befestigt.
Diese zweiten Einstellmittel werden im Nachstehenden unter Bezugnahme auf die 7 ausführlich beschrieben.
Die in 6 dargestellten ersten Einstellmittel 228 umfassen eine Wiege 230, die von einem vertikalen Kranzabschnitt gebildet ist, dessen Mittelpunkt auf der vertikalen Achse 16 am Punkt 0 zentriert ist, der im Mittelpunkt des galvanometrischen Spiegels 42 liegt. Die Wiege 230 gleitet in Drehung auf einen Wiegenhalter 232 vom selben Radius mit hohler Achse um eine horizontale Achse 233, die zur Achse 16 und zur Achse 44 senkrecht ist, zur Platte 15 parallel ist und durch 0 verläuft. Der Wiegenhalter 232 ist an der Platte 15 befestigt.
Der Übertragungsarm 224 ist um seine Achse frei drehbar im Inneren einer mit der Wiege 230 fest verbundenen Buchse 233 montiert.
Die Drehung der Wiege 230 um die horizontale Achse 223 in dem Wiegenhalter 232 bringt die Drehung der Einheit, die aus dem galvanometrischen Spiegel 42, der Buchse 233, dem Übertragungsarm 224 und dem an dieser Wiege 230 montierten galvanometrischen Scanner 226 besteht, um diese selbe Achse mit sich.
Die zweiten Einstellmittel 229, die in 7 in Draufsicht dargestellt sind, umfassen eine Wiege 234, die von einem horizontalen Kranzabschnitt gebildet ist, dessen Mittelpunkt auf der vertikalen Achse 16 zentriert ist.
Die Wiege 234 gleitet in Drehung auf dem Wiegenhalter 236 mit demselben Radius um eine zur Achse 44 senkrechte Achse und in der die vertikale Achse 16 enthaltenden Ebene. Dieser Wiegenhalter 236 ist an der Platte 15 befestigt.
Die Drehung um diese Achse der Wiege 234 bringt die Drehung des Rahmens 90 und damit der optischen Achse 36 um diese selbe Achse mit sich.
Auf diese Weise gestatten die Einstellmittel 228 und 229 die Einstellung der optischen Achse 36 und der Drehachse 44 des galvanometrischen Spiegels 42 zur Kompensation von konstruktiven Unvollkommenheiten, wie beispielsweise einer ungenauen Montage des galvanometrischen Spiegels 42 auf dem Arm 224, der zu seinem Drehantrieb bestimmt ist.
Auf diese Weise können die Abtastmittel eine absolut plane Abtastung liefern.
Wie 8 zeigt, sind dem fotosensiblen Empfänger 46 Mittel 300 zur Reduzierung der Dynamik des am Ausgang dieses fotosensiblen Empfängers 46 gelieferten Signals zugeordnet. Diese Mittel 300 sind in den elektronischen Teil 12 von 1 integriert.
Der fotosensible Empfänger 46 umfasst nämlich eine Lawinenfotodiode, die am Ausgang einen Strom liefert, dessen Stärke direkt von der Energie des Laserstrahls, den er empfangen hat, abhängt.
Die Mittel 300 zur Reduzierung der Dynamik umfassen einen Transimpedanzverstärker 302, der am Ausgang ein elektrisches Signal liefert, dessen Spannung zu der Stärke des am Eingang von der Lawinenfotodiode gelieferten Stroms proportional ist. Dieses elektrische Signal wird auf einen programmierbaren Spannungsdämpfer 304 übertragen, dem auf gebräuchliche Weise Programmiermittel 306 zugeordnet sind.
Die Mittel 300 zur Reduzierung der Dynamik umfassen ferner zwei Verstärker 308 mit feststehendem Gewinn, die am Ausgang des Dämpfers 304 in Reihe geschaltet sind. Die Anzahl von Verstärker 308 kann von zwei verschieden sein.
Das am Ausgang der Verstärker 308 mit feststehendem Gewinn gelieferte elektrische Signal versorgt einen Impedanzanpassungskreis 310 bekannten Typs. Dieser Impedanzanpassungskreis 310 umfasst beispielsweise zwei Widerstände 312 von jeweils 50 Ohm.
Das am Ausgang dieses Impedanzanpassungskreises 310 gelieferte elektrische Signal speist Mittel 314 zur Messung der "Flugzeit" des Laserstrahls, die in die integrierte Schaltung implementiert sind. Diese Messmittel 314 sind von klassischem Typ. Sie sind beispielsweise von dem Typ, der in dem französischen Patent Nr. 94 11 847 des Commissariat à l'Energie Atomique beschrieben wird. Sie sind insbesondere dafür ausgelegt, den Programmiermitteln einen digitalen Wert der Energie des Signals zu liefern, das zu ihnen durch die Impedanzanpassungsschaltung 310 übertragen wird.
Die Programmiermittel 306 bestimmen und regeln den Gewinn des Dämpfers 304 auf einem Wert, der zu diesem digitalen Wert, der von den Mitteln 314 zur Messung der "Flugzeit" geliefert wird, umgekehrt proportional ist, um am Ausgang des Dämpfers 304 ein Signal zu liefern, dessen Spannung unabhängig von der Energie des von der Fotodiode 46 empfangenen Laserstrahls konstant ist.
Wie 9 zeigt, ist eine Temperatursonde 316 gebräuchlichen Typs in Nähe der Fotodiode 46 angeordnet. Die Spannung, die der von dieser Sonde 316 gemessenen Temperatur entspricht, wird zu einem Analog-Digital-Wandler 318 herkömmlichen Typs übertragen, um einen digitalen Wert dieser Temperatur über einen Datenübertragungsbus 322 zu einem Rechner 320 zu übertragen.
Der Rechner 320 überträgt über den Bus 322 zurück einen Multiplizierkoeffizient zu einem multiplizierenden Digital-Analog-Wandler 324 und einen digitalen Sollwert zu einem Digital-Analog-Wandler 326.
Der Multiplikationskoeffizient hängt von der Natur der Temperatursonde 316 und von der Natur der Fotodiode 46 ab, ist aber von der von der Sonde 316 gemessenen Temperatur unabhängig, während der digitale Sollwert, der dem Wandler 326 geliefert wird, von der von der Sonde 316 gemessenen Temperatur abhängt und einem vorbestimmten Gewinnwert der Fotodiode 46 bei einer gegebenen Temperatur entspricht. Dieser Gewinnwert wird beispielsweise von einer Datentabelle geliefert, die auf gebräuchliche Weise für den Rechner 320 zugänglich ist.
Auf herkömmliche Weise umfasst der multiplizierende Digital-Analog-Wandler 324 einen Bezugseingang und einen digitalen Eingang. Er empfängt auf seinem Bezugseingang die Spannung, die der von der Sonde 316 gemessenen Temperatur entspricht, und an seinem anderen digitalen Eingang den Multiplikationskoeffizient.
Er liefert am Ausgang eine Korrekturspannung, deren Wert gleich dem Produkt des Multiplikationskoeffizienten und der Spannung ist, die der von der Sonde 316 gemessenen Temperatur entspricht.
Ein Summierverstärker 328 empfängt am Eingang diese Korrekturspannung sowie eine Sollspannung, die am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 326 geliefert wird und damit mit dem von dem Rechner 320 gelieferten digitalen Sollwert direkt verbunden ist.
Dieser Summierverstärker 328 liefert am Ausgang eine Steuerspannung, die gleich der Summe der Korrekturspannung und der Sollspannung ist. Dieser Spannungswert gestattet es, unabhängig von den Temperaturänderungen einen konstanten Gewinn der Fotodiode 46 beizubehalten.
Die Steuerspannung wird nun an Mittel 330 zur Versorgung der Fotodiode 46 herkömmlichen Typs angelegt, um die Polarisierungsspannung der Fotodiode 46 gemäß der von dem Summierverstärker 328 gelieferten Steuerspannung zu regeln.
Im elektronischen Teil 12 der oben beschriebenen Vorrichtung wird ein Verfahren zur Bezeichnung einer Zone von Interesse auf der Szene 4 eingesetzt.
In einem ersten Schritt nimmt man eine dreidimensionale Messung einer Menge von Punkten der Szene 4 vor.
Im folgenden Schritt nimmt man die Speicherung der sphärischen Koordinaten der Menge der gemessenen Punkte im elekt ronischen Teil 12 vor. Diese Koordinaten umfassen die Entfernung des Mittelpunkts 0 des galvanometrischen Spiegels 42 von dem Spot 52, einen Winkel, der die Seitenausrichtung des Laserstrahls am Austritt der Abtastmittel misst, und einen Winkel, der die Höhenausrichtung dieses Laserstrahls misst.
In einem dritten Schritt modellisiert und/oder visualisiert man diese Menge von Punkten.
In einem darauffolgenden Schritt wählt man in dieser modellisierten und/oder visualisierten Menge von Punkten eine Untermenge, die aus mindestens einem Punkt dieser Menge besteht, der die Zone von Interesse definiert.
Schließlich steuert man in einem letzten Schritt die Abtastmittel 14, 42, 200, 202, 204, 206, 210, 212, 224, 226 sowie den Sender 20 so, dass der von dem Laserstrahl auf der Szene 4 erzeugte Spot 52 nacheinander mindestens einen Teil der Punkte der der Zone von Interesse entsprechenden gewählten Untereinheit bezeichnet.
Diese Zone von Interesse besteht aus einer Menge von Punkten, die nicht notwendigerweise aneinander angrenzen.
Es wird deutlich, dass die in dem oben beschriebenen Beispiel veranschaulichte Erfindung es gestattet, eine dreidimensionale Messvorrichtung zu schaffen, die die Durchführung von Messungen gestattet, die sich über einen großen Entfernungsbereich erstrecken, indem die Dynamikwirkung, die durch eine Energie des zurückgestreuten Strahls, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen dem Spot 52 und der Vorrichtung 2 ist, erzeugt wird, durch eine große Brennweite der Fokussierungsmittel kompensiert wird, wobei sie gleichzeitig geringe Abmessungen besitzt.
Ein zweiter Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung ist es, dass mit Hilfe eines sphärischen Spiegels, der bezüglich des gesendeten und zurückgestreuten Laserstrahls außerachsig angeordnet ist, die Deformationen der Wellenfläche des Strahls, die durch die Teilerplatte 32 verursacht werden, so ausgeglichen werden, dass das Bild des Spots 52 auf Höhe des fotosensiblen Empfängers 46 kreisförmig ist.
Ein anderer Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung besteht darin, dass die Verformungen der Wellenfläche des Strahls, die durch den sphärischen Spiegel 38 verursacht werden, auf dem Hinweg des Laserstrahls zwischen dem Lasersender 20 und der Szene 4 mit Hilfe einer prismatischen Platte 24 kompensiert werden, die zwischen dem Lasersender 20 und der Teilerplatte 32 angeordnet ist.
Ein anderer Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung besteht darin, dass sie es mit Hilfe eines auf der Teilerplatte 32 angeordneten halbreflektierenden Plättchens gestattet, Messungen durchzuführen, selbst wenn der Spot der Vorrichtung zur dreidimensionalen Messung sehr nahe ist.
Ein anderer Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung besteht darin, dass die mit der Streuindikatrix der Szene 4 verbundene hohe Dynamik der durch die Szene 4 zurückgestreuten Laserstrahlen mit Hilfe von Mitteln zur Reduktion der Dynamik des am Ausgang des fotosensiblen Empfängers 46 gelieferten Signals kompensiert wird.
Ein anderer Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung besteht darin, dass sie eine Seitenabtastung gestattet, die 360° erreichen kann, wobei gleichzeitig der Durchgang von elektrischen Verbindungen zwischen dem elektronischen Teil und dem optomechanischen Teil der Vorrichtung gestattet wird, und zwar mit Hilfe von Abtastmitteln, die eine mit einer axialen Öffnung versehene Plattform umfassen.
Ein anderer Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung besteht darin, dass eine ebene Abtastung der Szene 4 gestattet wird und damit Verformungen einer Menge von auf der Szene 4 gemessenen Punkten vermieden werden, und zwar mit Hilfe von Mitteln zur Einstellung der Stellungssteuermittel des galvanometrischen Spiegels 42 und Mitteln zur Einstellung der Empfangsachse des Laserstrahls.
Ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung besteht darin, dass eine gute räumliche Auflösung der Messung auf dem Ziel mit Hilfe einer Einheit zur automatischen Fokussierung des vom Sender 20 gesendeten Laserstrahls geliefert wird.
Schließlich besteht ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung darin, dass ein Verfahren durchgeführt wird, das die Bezeichnung einer Zone von Interesse auf der Szene 4 in dem Bezugssystem der Vorrichtung 2 mit Hilfe des Laserstrahls gestattet, wobei diese Zone von Interesse nicht notwendigerweise für einen Operator zugänglich oder leicht materialisierbar ist.
Dieses Verfahren kann beispielsweise angewandt werden, um den Verlauf eines an einer Rohrleitung vorzunehmenden Ausschnitts zu bezeichnen.

Claims

Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen einer Szene (4), umfassend einen Lasersender (20), Mittel (14, 42, 200, 202, 204, 206, 210, 212, 224, 226) zum Abtasten gemäß einer ersten und einer zweiten Drehachse (16, 44), um die Szene (4) mit Hilfe eines von dem Lasersender (20) gesendeten Laserstrahls abzutasten, einen fotoempfindlichen Empfänger (46) für ein Bild eines durch den Laserstrahl auf der Szene (4) erzeugten Spots (52), Mittel (38, 50) zum Fokussieren des von der Szene (4) zu dem fotoempfindlichen Empfänger (46) zurückgestreuten Laserstrahls, erste Mittel (214, 226) zum Messen der Ausrichtung des Strahls am Austritt der Abtastmittel (14, 42, 200, 202, 204, 206, 210, 212, 224, 226) und zweite Mittel (24, 28, 32, 34, 48, 314) zum Messen des Abstands zwischen der Vorrichtung und dem Spot durch Lasertelemetrie, wobei die zweiten Messmittel eine Teilerplatte (32) zum Teilen des gesendeten und des durch die Szene (4) zurückgestreuten Strahls umfassen, wobei die Abtastmittel (14, 42, 200, 202, 204, 206, 210, 212, 224, 226) mindestens einen Spiegel (42) umfassen, der auf dem Weg des gesendeten und des zurückgestreuten Laserstrahls zwischen den Fokussierungsmitteln (38, 50) und der Szene (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungsmittel (38, 50) ein konvergierendes optisches System (38) umfassen, das den Astigmatismus kompensiert, der durch die Teilerplatte (32) eingeführt wird, die einem divergierenden optischen System (50) zur Vergrößerung der Brennweite des konvergierenden optischen Systems zugeordnet ist, das auf diese Weise ein Teleobjektiv bildet.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das konvergierende optische System (38) einen sphärischen Spiegel umfasst, der bezüglich des gesendeten und zurückgestreuten Laserstrahls außerhalb der Achse angeordnet ist.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Messmittel eine zwischen dem Lasersender (20) und der Teilerplatte (32) angeordnete prismenförmige Platte (24) zur Kompensierung der durch den sphärischen Spiegel (38) außerhalb der Achse erzeugten Verformungen der Wellenfläche des gesendeten Strahls umfassen.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 3, deren zweite Messmittel außerdem Mittel (24, 28, 314) zum Messen des Zeitpunkts der Sendung des Laserstrahls und Mittel (48, 314) zum Messen des Zeitpunkts des Empfangs des von der Szene (4) zurückgestreuten Strahls durch den fotoempfindlichen Empfänger (46) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Messen des Zeitpunkts der Sendung des Laserstrahls eine optische Faser (28) umfassen, die einen Teil des durch die prismenförmige Platte (24) außerhalb der Achse reflektierten Laserstrahls empfängt und sie zu einem fotoempfindlichen Empfänger (29) überträgt.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das divergierende optische System (50) eine Divergenz linse umfasst, die auf dem Weg des zurückgestreuten Strahls zwischen der Teilerplatte (32) und dem fotoempfindlichen Empfänger (46) angeordnet ist.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilerplatte (32) ein halbreflektierendes Plättchen (34) zur Reduzierung der Dynamik der Energie des von der Szene (4) zurückgestreuten und von dem fotoempfindlichen Empfänger (46) empfangenen Laserstrahls umfasst.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der fotosensible Empfänger (46) eine Fotodiode umfasst und dass diese Lawinenfotodiode Mitteln (330) zum Temperaturausgleich zugeordnet ist.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (330) zum Temperaturausgleich eine Temperatursonde (316) umfassen und Mittel zur Regelung der Polarisierungsspannung des fotoempfindlichen Empfängers (46) in Abhängigkeit von der von dieser Sonde (316) gemessenen Temperatur sind.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastmittel (14, 42, 200, 202, 204, 206, 210, 212, 224, 226) einen Planspiegel (42) und Mittel (14, 200, 202, 206, 224, 226) zur Einstellung der Stellung dieses Spiegels um jede der ersten und der zweiten Drehachse (16, 44) der Abtastmittel umfassen.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach 9, umfassend einen optomechanischen Teil (10) und einen elektronischen Teil (12), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehachse (16) eine Seitendrehachse ist und dass die Mittel (14, 200, 202, 206) zur Regelung um diese Achse eine Plattform (14) umfassen, die um diese Achse durch einen Schrittmotor (200) in Drehung versetzt wird und mit einer axialen Öffnung (18) für den Durchgang von elektrischen Verbindungsmitteln (18a) zwischen Elementen des optomechanischen Teils (10) und Elementen des elektronischen Teils versehen ist.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (14) auf einem feststehenden Kranz (204) über Ringkugellagermittel (212) angeordnet ist, die zwischen der Plattform (14) und dem feststehenden Kranz (204) angeordnet sind.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (200) unter dem feststehenden Kranz (204) an dessen Umfang angeordnet ist und einem Ritzel (206) zum Drehantrieb der Plattform (14) um die erste Achse (16) über einen von der Plattform (14) getragenen Zahnriemen (210) zugeordnet ist.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drehachse (44) eine Höhendrehachse ist und dass die Mittel (224, 226) zur Regelung um diese Achse einen Übertragungsarm (224) umfassen, dessen Achse bezüglich der Plattform (14) fixiert ist und der den Spiegel (42) mit einem galvanometrischen Scanner (226) zum Drehantrieb des Spiegels (42) um die zweite Achse (44) verbindet.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Messmittel (214, 226) einen von der Plattform (14) getragenen ringförmigen optischen Inkrementalcodierer (214) zum Messen der Seitenrichtung des Strahls umfassen.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Codierer (214) mit dem feststehenden Kranz (204) fest verbunden ist und mit einem mit der Plattform (14) fest verbundenen beweglichen Teil (222) versehen ist.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem eine Einheit (22) zur automatischen Fokussierung des von dem Lasersender (20) gesendeten Laserstrahls und Mittel (96, 98, 100, 108) zur Befestigung des Lasersenders (20) an der Einheit (22) umfasst.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (96, 98, 100, 108) eine Grundplatte umfassen, die den Lasersender (20) trägt und an der Einheit (22) zur automatischen Fokussierung mit Hilfe von Schrauben (100) befestigt ist, die in in der Grundplatte (96) vorgesehene axiale Löcher (102) mit größerem Durchmesser eingeführt sind, sowie Schrauben (106) zur radialen Einstellung des Lasersenders (20) auf der automatischen Fokussierungseinheit (22).
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (22) zur automatischen Fokussierung des Laserstrahls mindestens auf der Sendeachse (26) des Laserstrahls angeordnete Divergenzlinse (60, 62), eine ebenfalls auf der Sendeachse (26) angeordnete Konvergenzlinse (64) und Mittel (78, 118, 120, 122, 124, 126, 128, 130) zur Relativbewegung der Konvergenzlinse (64) und der Divergenzlinse (60, 62) längs der Sendeachse (26) umfasst.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (78, 118, 120, 122, 124, 126, 128, 130) zur Relativbewegung eine die Konvergenzlinse (64) tragende Buchse (78), um die herum eine biegsame Membran (120) befestigt ist, und Mittel (118, 124, 126, 128, 130) zur Betätigung der Membran (120) zum Zweck der Bewegung dieser Buchse (78) längs der Achse (26) umfassen.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (118, 124, 126, 128, 130) zur Betätigung der biegsamen Membran (120) einen Stromgenerator (124) und eine durch den Stromgenerator (124) mit Strom versorgte Spule (118) umfassen, die an der biegsamen Membran (120) befestigt ist und in dem Luftspalt eines Magnetkerns (112) um die Sendeachse (26) herum angeordnet ist.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (118, 124, 126, 128, 130) zur Betätigung der biegsamen Membran (120) Mittel (126) zum Vergleich zwischen der erfassten Stellung der Konvergenzlinse (64) und der gewünschten Stellung der Konvergenzlinse (64) längs der Achse (26) umfassen, die Mittel zur Aktivierung des Stromgenerators (124) in Abhängigkeit von dieser Differenz umfassen.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (22) zur automatischen Fokussierung optischer Mittel (128, 130) zur Erfassung der Stellung der Konvergenzlinse (64) auf der Sendeachse (26) umfasst.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (228) zur Einstellung der Mittel zur Stellungsregelung des galvanometrischen Spiegels (42) um die Höhendrehachse (44) und Mittel (229) zur Einstellung der Empfangsachse (36) des Laserstrahls um die Seitendrehachse (16) umfasst.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (228) zur Einstellung der Mittel zur Stellungsregelung des galvanometrischen Spiegels (42) und die Mittel (229) zur Einstellung der Empfangsachse (36) des Strahls jeweils eine Wiege (230, 234) umfassen, die von einem Kranzteil gebildet ist, und jeweils einen entsprechenden Wiegenhalter (232, 236) umfassen, in dem die Wiege bei Drehung um die Achse dieses Kranzes gleitet.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der Wiege (230) der Mittel (228) zur Einstellung der Mittel zur Stellungsregelung des galvanometrischen Spie gels zur Höhendrehachse (44) und zur Seitendrehachse (16) senkrecht ist und dass die Drehachse der Wiege (234) der Mittel (229) zur Einstellung der Empfangsachse (36) zur Höhendrehachse (44) senkrecht und in einer vertikalen Ebene ist, die die Seitenwinkeldrehachse (16) enthält, wobei diese Drehachsen der Wiegen (230, 234) sich im Mittelpunkt des Spiegels (42) schneiden.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem Mittel (300) zur Reduzierung der Dynamik des am Austritt des fotoempfindlichen Empfängers (46) gelieferten Signals umfasst.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (300) zur Reduzierung der Dynamik des Signals einen Spannungsdämpfer (304) mit programmierbarem Gewinn und eine Verstärkungseinheit (308) mit feststehendem Gewinn am Austritt dieses Dämpfers (304) umfassen.
Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24, 28, 32, 34, 48, 314) zur Messung des Abstands zwischen der Vorrichtung und dem Spot eine integrierte Schaltung (314) zur Messung der "Flugzeit" des Laserstrahls umfassen.
Verfahren zur Bezeichnung einer Zone von Interesse auf einer Szene (4), das in einer Vorrichtung zum dreidimensionalen Messen nach einem der Ansprüche 1 bis 28 durchgeführt wird, umfassend die folgenden Schritte: – die dreidimensionale Messung einer Menge von Punkten der Szene (4); – die Speicherung (12) der Koordinaten der Menge von gemessenen Punkten; – die Modellisierung und/oder Visualisierung dieser Menge von Punkten; dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem die folgenden Schritte umfasst: – die Wahl einer Untermenge von mindestens einem Punkt dieser Menge, die die Zone von Interesse definiert; und – die Steuerung der Abtastmittel (14, 42, 200, 202, 204, 206, 210, 212, 224, 226) und des Senders (20) so, dass der auf der Szene (4) durch den Laserstrahl erzeugte Spot (52) nacheinander mindestens einen Teil der Punkte der dieser Zone von Interesse entsprechenden gewählten Untermenge bezeichnet.