Bilderzeugende Abtastvorrichtung zur Erfassung von HohlräumenImaging scanner to detect voids
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine bilderzeugende Abtastvorrichtung zur Erfassung von Hohlräumen, zwecks Erkennung vonThe invention relates to an image-forming scanning device for detecting cavities for the purpose of detecting
Oberflächenveränderungen und von Veränderungen, insbesondere Schäden, unterhalb der Oberfläche, als auch zur gleichzeitigen Erfassung der Oberflächengeometrie. Vornehmlich findet die vorgeschlagene Lösung Verwendung zur Erkennung vorgenannter Eigenschaften und Parameter in Industriebauten, wie in Tunneln, Kanalisationssystemen, Rohrleitungssystemen größeren Durchmessers, Kühltürmen etc.Surface changes and changes, especially damage, below the surface, as well as for the simultaneous detection of the surface geometry. The proposed solution is primarily used to identify the aforementioned properties and parameters in industrial buildings, such as in tunnels, sewer systems, pipeline systems of larger diameter, cooling towers, etc.
Durch steigendes Verkehrsaufkommen, erweiterten Naturschutz und zunehmende technologische Möglichkeiten werden weltweit immer mehr und immer längere Straßen- und Bahntunnel aufgefahren.Due to increasing traffic volume, extended nature conservation and increasing technological possibilities, more and more and longer road and train tunnels are being excavated worldwide.
Mit der wachsenden Zahl und Größe steigen der Zeit- und Personalaufwand für die notwendigen Prüfungen, die Belastungen für die Nutzer, Betreiber und Prüfingenieure.With the growing number and size, the time and manpower required for the necessary tests, the burdens for users, operators and test engineers increase.
Um den Aufwand für die visuelle Inspektion zu senken und die Ergebnisse zu objektivieren wird vorliegende Erfindung vorgeschlagen, die für Betreiber von Autobahnen, Straßen und Bahnnetzen, Bau- und Planungsbüros, Bauwerksprüfingenieure und Betreiber von Kraftwerken und Wasserversorgungen eine Vermessungsmöglichkeit auf höchstem Niveau zur Unterstützung der Hauptprüfung und regelmäßigen Kontrolle zur Verfügung stellt.In order to reduce the effort for the visual inspection and to objectify the results, the present invention is proposed, which for operators of highways, roads and rail networks, construction and planning offices, structural inspection engineers and operators of power plants and water supplies a measurement option at the highest level to support the main inspection and provides regular control.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abtastmethode anzugeben, die eine vorgebbare Anzahl definierter Messpunkte festzulegen gestattet, wobei gleichzeitig neben rein geometrischen Daten des zu vermessenden Hohlraums vor allem auch andere Parameter zeitgleich detektierbar sein sollen.
Die Erfindung soll die Aufnahme und Speicherung der gesamten Innenfläche genannter Hohlräume als Färb- oder Falschbild in verschiedenen Spektralbereichen als auch eine Profilbestimmung ermöglichen.On the basis of the prior art, the object of the invention is to specify a scanning method which allows a predeterminable number of defined measuring points to be determined, and at the same time, in addition to purely geometric data of the cavity to be measured, above all other parameters should also be detectable simultaneously. The invention is intended to enable the recording and storage of the entire inner surface of said cavities as a color or false image in different spectral ranges, as well as a profile determination.
Grundsätzlich sind Abtastvorrichtungen zum Vermessen der Raumkoordinaten eines Objektes mit einer Lichtquelle zum Aussenden eines Sendestrahls, mit einer Ablenkeinrichtung, mit der der Sendestrahl auf das Objekt lenkbar Ist, und mit einem Detektor, mit dem ein von dem Objekt zurückgeworfener Empfangsstrahl erfassbar ist, sowie entsprechende Auswerteeinheiten bekannt.Basically, scanning devices for measuring the spatial coordinates of an object with a light source for emitting a transmission beam, with a deflection device with which the transmission beam can be directed onto the object, and with a detector with which a reception beam reflected by the object can be detected, and corresponding evaluation units known.
Eine derartige Abtastvorrichtungen ist z.B. aus DE 33 15 576 A1 bekannt. Bei dieser Abtastvorrichtung wird der von einem Laser erzeugte Sendestrahl durch einen ersten verschwenkbaren Ablenkspiegel auf das zu vermessende Objekt gelenkt. Ein zweiter verschwenkbarer Ablenkspiegel lenkt einen Teil des vom zu vermessenden Objekt zurückgeworfenen Sendestrahls auf einen Detektor, der an einer Auswerteeinheit angeschlossen ist.Such a scanner is e.g. known from DE 33 15 576 A1. In this scanning device, the transmission beam generated by a laser is directed onto the object to be measured by a first pivotable deflection mirror. A second pivotable deflecting mirror directs a part of the transmitted beam reflected by the object to be measured onto a detector which is connected to an evaluation unit.
Solche Abtastvorrichtungen werden zur Vermessung von Entfernungen und zur Vermessung von dreidimensionalen Raumprofilen, wie bspw. Straßen- und Schienentunneln verwendet. Es ist dabei eine übliche Anforderung, dass die Vermessung mit hinreichender Geschwindigkeit und Genauigkeit erfolgt. Um Unregelmäßigkeiten erfassen zu können, muss die Vermessung mit einem Messpunktraster erfolgen, wobei sich dieses über mehrere Meter von der Fahrbahnmitte her erstreckt.Such scanning devices are used to measure distances and to measure three-dimensional spatial profiles, such as road and rail tunnels. It is a common requirement that the measurement be carried out with sufficient speed and accuracy. In order to be able to detect irregularities, the measurement must be carried out with a measuring point grid, which extends over several meters from the center of the lane.
Ebenso sollte die jeweilige Entfernung möglichst genau bestimmbar sein.The respective distance should also be determinable as precisely as possible.
Da bekannte Vorrichtungen, infolge der räumlichen Begrenzung des Strahlengangs durch die mechanische Aufhängung der Ablenkspiegel nur eine Abtastung in einem eingeschränkten Raumwinkelbereichs gestatten, ist ein mehrfacher Durchlauf durch den zu vermessenden Hohlraum erforderlich, wobei, so die eingesetzten Abtastspiegel einer Bewegung unterworfen werden, von vornherein, bedingt durch
mechanische Instabilitäten, ein Absinken der Genauigkeit in Kauf zu nehmen ist.Since known devices, due to the spatial limitation of the beam path due to the mechanical suspension of the deflection mirrors, only permit scanning in a restricted solid angle range, a multiple pass through the cavity to be measured is required, the scanning mirrors used being subjected to movement from the outset, due mechanical instabilities, a decrease in accuracy is accepted.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist eine, vorliegender Erfindung nahekommende Erfindung vorgeschlagen worden, die eine schnellere Vermessung von Raumprofilen mit höherer Auflösung ermöglichen soll. So schlägt DE 44 45 464 A1 eine Abtastvorrichtung vor, bei der Raumkoordinaten eines Objektes vermessen werden vermittels einer Lichtquelle zum Aussenden eines Sendestrahls mit relativ großem Strahldurchmesser, einer Ablenkeinrichtung, mit der der Sendestrahl auf das Objekt lenkbar ist, und mit einem Detektor, mit dem ein von dem Objekt zurückgeworfener Empfangsstrahl erfassbar ist, sowie mit einer Auswerteeinheit, wobei die Abtastvorrichtung an einem Fortbewegungsmittel angebracht ist, mit dem eine Bewegung in eine Translationsrichtung ausführbar ist, wobei ein sich außerhalb eines Gehäuses der Abtastvorrichtung angeordneter Spiegelrotor, der über einen rohrartigen Spiegelrotoransatz in einer Passöffnung in einer Wand des Gehäuses der Abtastvorrichtung drehbar gelagert und über eine Antriebseinrichtung um eine Rotationsachse in Rotation versetzbar ist, über ein Spiegelelement verfügt mit dem der entlang der Rotationsachse durch den Spiegelrotoransatz in den Spiegel eintretende Sendestrahl winklig zur Rotationsachse zu einer Drehung um die Translationsrichtung ablenkbar ist und mit dem der Empfangsstrahl im Bereich des Spiegels auf die Rotationsachse ablenkbar ist. Eine derartige Vorrichtung ist jedoch vornehmlich zur Vermessung von Raumkoordinaten geeignet. Eine Erkennbarkeit von minimalen Rissen im Bauwerk, wie mit vorliegender Erfindung angestrebt, ist, bedingt durch die dortige Geometrie des Laserstrahls und durch die dort vorgesehene Sammeloptik nur begrenzt möglich. Zugleich ist die Verfahr- und damit Vermessungsgeschwindigkeit der dortigen Vorrichtung, bedingt durch die Art der Laserstrahlablenkung von vornherein technisch begrenzt.On the basis of this prior art, an invention which is close to the present invention and which is intended to enable faster measurement of spatial profiles with higher resolution has been proposed. For example, DE 44 45 464 A1 proposes a scanning device in which spatial coordinates of an object are measured by means of a light source for emitting a transmission beam with a relatively large beam diameter, a deflection device with which the transmission beam can be directed onto the object, and with a detector with which a reception beam thrown back by the object can be detected, as well as with an evaluation unit, the scanning device being attached to a means of locomotion with which a movement in a translation direction can be carried out, with a mirror rotor arranged outside a housing of the scanning device, which via a tubular mirror rotor attachment in a fitting opening is rotatably mounted in a wall of the housing of the scanning device and can be set in rotation via a drive device about an axis of rotation, has a mirror element with which it enters the mirror along the axis of rotation through the mirror rotor attachment End transmit beam is deflectable at an angle to the axis of rotation to a rotation about the translation direction and with which the receive beam can be deflected in the region of the mirror on the axis of rotation. However, such a device is primarily suitable for measuring spatial coordinates. Due to the geometry of the laser beam there and the collection optics provided there, the detection of minimal cracks in the building, as aimed at by the present invention, is only possible to a limited extent. At the same time, the traversing and thus measuring speed of the device there is technically limited from the outset due to the type of laser beam deflection.
Vorliegender Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung anzugeben, die eine vorgebbare Anzahl definierter
Messpunkte festzulegen gestattet, wobei gleichzeitig neben rein geometrischen Daten des zu vermessenden Hohlraums, mit Risserke.nnungen bis zu 0,2 mm oder besser, vor allem auch weitere Zustandsänderungen im zu vermessenden Objekt, wie Hohlräume, Kiesnester, Wasserschäden etc. detektierbar sein sollen, d.h. eine gleichzeitige Erfassung von Bild-, Thermal- und Geometriedaten ermöglicht werden soll. Dies hat den Vorteil, dass das Bauwerk nur einmal befahren werden muss und eine eindeutige Zuordnung aller Daten ermöglicht ist. Weiterhin soll die Vorrichtung eine erhebliche Steigerung der Vermessungsgeschwindigkeit gegenüber konventionellen Methoden gewährleisten.The present invention is therefore based on the object of specifying a scanning device which defines a predeterminable number It is possible to define measuring points, while at the same time with purely geometrical data of the cavity to be measured, with a crack line . Up to 0.2 mm or better, especially other changes in the state of the object to be measured, such as cavities, gravel pockets, water damage, etc. should be detectable, ie a simultaneous acquisition of image, thermal and geometry data should be made possible. This has the advantage that the building only has to be driven on once and that all data can be clearly assigned. Furthermore, the device is intended to ensure a significant increase in the measurement speed compared to conventional methods.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.The object is achieved by the characterizing features of patent claim 1. Advantageous refinements are the subject of the subordinate claims.
Der Kern vorliegender Erfindung besteht in einem neuartigen Ablenkprinzip für den vorgesehenen Verwendungszweck, das keine zusätzlichen Strahlteiler etc. erfordert. Zur Ablenkung der Laserstrahlung respektive auch Strahlungen anderer Wellenlängen kommt ein neuartiger Polygonspiegel zum Einsatz, der wenigstens drei, bevorzugt vier Spiegelpaarungen aufweist, wobei jeweils zwei zugehörige Spiegelpaarungen einer Facette miteinander einen Winkel von 90° einschließen und über die bei Rotation eine Ein- und Auskopplung von Mess- und Empfangsstrahlen ohne störende weitere optische Baugruppen ermöglicht ist. Diese Spiegelpaarungen sind radialsymmetrisch auf einem Trägerkörper um dessen Rotationsachse mit rotationsachsenabseitiger Eröffnung verteilt angeordnet. Dabei sind weiterhin zentralsymmetrisch um die Rotationsachse des Polygonspiegels und senkrecht zu dieser in mindestens drei Sektoren, winkelmäßig jeweils gleichverteilt, wenigstens je ein separatesThe essence of the present invention consists in a novel deflection principle for the intended use, which does not require any additional beam splitters, etc. A new type of polygon mirror is used to deflect the laser radiation and also radiation of other wavelengths, which has at least three, preferably four mirror pairs, two associated mirror pairs of one facet each enclosing an angle of 90 ° and via which coupling and decoupling occurs during rotation Measuring and receiving beams without disturbing further optical modules is made possible. These mirror pairs are arranged in a radially symmetrical manner on a carrier body distributed around its axis of rotation with an opening remote from the axis of rotation. In this case, at least one separate one is also distributed symmetrically about the axis of rotation of the polygon mirror and perpendicular to it, in at least three sectors, at equal angles
Abbildungssystem, das gleichzeitig die Beleuchtungsquelle darstellen kann, welches im wesentlichen durch eine Long-Distance- Hochleistungsmikroskopoptik gebildet ist, die einen vorgegebenen Punkt des zu vermessenden Objekts auf eine Empfängerfläche abzubilden gestattet, vorgesehen. Um der geforderten multivalenten
Nutzung der vorgeschlagenen Abtastvorrichtung gerecht zu werden, sind weiterhin, analog zu den Abbildungssystemen, jedoch zu diesen mit einem Winkelversatz zentralsymmetrisch gleichverteilt pro Sektor beispielsweise jeweils ein passives Thermografiesystem als auch jeweils pro Sektor ein aktives Laserentfernungsmesssystem vorgesehen. Die Art der zum Einsatz gelangenden Detektorsysteme ist dabei nicht erfindungswesentlich und wird ausschließlich durch die geforderten zu detektierenden Parameter bestimmt, einzig wesentlich ist, dass solche Detektoren in erfinderischer Anordnung zum Einsatz gelangen, die über den erfindungswesentlichen Polygonspiegel betreibbar sind. Somit liegt es auch im Rahmen der Erfindung, die Spiegeloberflächen des Polygonspiegels auf beliebig vorgebbare Spektralbereiche zu optimieren. Zusätzlich sind pro Sektor, nicht pro Spiegelpaar, jeweils ein Facettensensor vorgesehen, mit Hilfe dessen jeweils ein Startpunkt für die aktuell in den jeweiligen Sektor eintreffende Spiegelpaarung bei Rotation erfassbar ist und der eine vorgebbare drehzahlunabhängige Zählimpulsfolge für die nachgeordnete Auswerteelektronik auslöst.Imaging system, which can simultaneously represent the illumination source, which is essentially formed by long-distance high-performance microscope optics, which allows a predetermined point of the object to be measured to be imaged on a receiver surface. To the required multivalent In order to do justice to the use of the proposed scanning device, analogously to the imaging systems, however, a passive thermography system as well as an active laser distance measuring system for each sector are provided, for example, in each case equally centrally distributed symmetrically with an angular offset. The type of detector systems used is not essential to the invention and is determined exclusively by the required parameters to be detected; the only essential thing is that such detectors are used in an inventive arrangement that can be operated via the polygon mirror essential to the invention. It is therefore also within the scope of the invention to optimize the mirror surfaces of the polygon mirror to spectral regions which can be predetermined as desired. In addition, one facet sensor is provided per sector, not per mirror pair, with the help of which a starting point for the mirror pair currently arriving in the respective sector upon rotation can be detected and which triggers a predeterminable speed-independent counting pulse sequence for the downstream evaluation electronics.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine Ausbildungsmöglichkeit eines speziellen Polygonspiegels mit beispielhaft zugeordneten Sende- Empfängereinheiten in schematischer perspektivischer Ansicht, Fig. 2 eine detailliertere Seitenansicht des Polygonspiegels nach Fig. 1 mit Zuordnung einer wesentlichen Empfängerkomponente, Fig. 3 eine schematische Ansicht des Gesamtaufbaus der vorgeschlagenen Abtastvorrichtung mit wesentlichen Einzelkomponenten, Fig. 4 eine Frontansicht auf eine beispielhafte Anordnung des Polygonspiegels und den ihm in Sektoren zugeordneten
Sende-, Empfänger-, Detektor- und Auswertebaugruppen und Fig. 5 beispielhaft die Erfassung eines Tunnelquerschnitts.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. 1 shows an embodiment of a special polygon mirror with exemplary assigned transceiver units in a schematic perspective view, FIG. 2 shows a more detailed side view of the polygon mirror according to FIG. 1 with assignment of an essential receiver component, FIG. 3 shows a schematic view of the overall structure of the proposed 4 a front view of an exemplary arrangement of the polygon mirror and the sectors assigned to it Transmitter, receiver, detector and evaluation modules and FIG. 5 an example of the detection of a tunnel cross section.
In Figur 1 ist beispielhaft eine Ausbildungsmöglichkeit eines speziellen Polygonspiegels 1 mit zugeordneten Sende-Empfängereinheiten in schematischer perspektivischer Ansicht sowie der von den einzelnen Spiegelpaarungen erfassbare Raumwinkel mit jeweiligen Überlappungsbereichen dargestellt. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel bezeichnet 1 den erfindungswesentlichenFIG. 1 shows, by way of example, an embodiment of a special polygon mirror 1 with associated transceiver units in a schematic perspective view and the solid angle that can be detected by the individual mirror pairs with respective overlapping areas. In this specific exemplary embodiment, 1 denotes that which is essential to the invention
Polygonspiegel, der um die angedeutete Achse in Rotation versetzt, einen Signalaustausch mit in diesem Beispiel vier vorgesehenen Abbildungssystemen E1 , E2, E3, E4 jeweils über Spiegel Sp realisiert. Die jeweils dargestellten Verbindungslinien zwischen den einzelnen Empfängern E, über die Spiegel Sp zu den in der Bildebene jeweils hinten liegenden Polygonspiegelteilflächen repräsentieren den Weg, den bspw. die jeweiligen Empfangslichtstrahlen, von der Objektwandung auf die jeweiligen Empfänger nehmen. Welchen Weg bspw. der Lichtstrahl nimmt, wird aus Fig. 2 deutlicher. In Figur 1 ist weiterhin dargestellt, wie der Sende-/Empfangslichtstrahl den Raum, im Beispiel in vier Sektoren, die sich teilweise überlappen, überstreichend erfasst (vgl. die radiale Umrandung und die Sektorabschnitte).Polygon mirror, which rotates around the indicated axis, realizes a signal exchange with four imaging systems E1, E2, E3, E4 provided in this example, each via mirror Sp. The connection lines shown in each case between the individual receivers E, via the mirrors Sp to the polygon mirror partial surfaces located at the rear in the image plane, represent the path that the respective received light beams take, for example, from the object wall to the respective receiver. Which path the light beam takes, for example, becomes clearer from FIG. 2. FIG. 1 also shows how the transmitted / received light beam sweeps across the room, in the example in four sectors that partially overlap (see the radial border and the sector sections).
Figur 2 zeigt eine detailliertere Seitenansicht des Polygonspiegels 1 nach Fig. 1 mit Zuordnung einer wesentlichen Sende- Empfängerkomponenten. Der Polygonspiegel 1 ist auf einer Achse X-X eines Motors 2 montiert. Der Polygonspiegel 1 weist im Beispiel vier Spiegelpaarungen 11-11', 12-12", 13-13' und in Fig. 1 durch die Paarungen 11-11' verdeckt, die hinten liegende Paarung 14-14' auf, die umfangsmäßig um seine Rotationsachse X-X gleichverteilt einander gegenüberliegend angeordnet sind. Im Rahmen der Erfindung ist es wesentlich, wenigstens drei solcher Spiegelpaare vorzusehen. Dabei sind die pro Spiegelpaarung jeweils einander zugeordneten zwei Einzelspiegel in einem Winkel von 90° angeordnet. Diese Spiegel erfuhren jeweils eine hochpräzise Oberflächenbearbeitung, wie sie nach dem Stand der Technik üblich und technologisch machbar ist. Im
Beispiel wird nach Fig. 2 eine Laserlichtquelle 4, die Licht einer oder mehrerer sichtbarer Spektralbereiche emittiert, bspw. durch einen teildurchlässigen Spiegel Sp, wobei die Art der Beleuchtung im Rahmen vorliegender Erfindung unwesentlich ist, senkrecht auf den ersten Spiegel 12' eingestrahlt, von dort auf den zugeordneten gegenüberliegenden Spiegel 12 reflektiert und von dort senkrecht auf eine nicht dargestellte Objektwandung (z.B. eine Tunnelinnenwand) abgelenkt. Die Beleuchtung der Objektwandung könnte auch beliebig auf andere Weise erfolgen, ist auf die beschriebene Weise jedoch besonders zweckmäßig, da sie mit ein und derselben Vorrichtung ermöglicht wird und die jeweilige Messfläche eine identische Ausleuchtung erfährt. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch wesentlich, dass wenigstens ein separates Abbildungssystem pro Sektor (in Fig. 2 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein solches Abbildungssystem, hier E2, dargestellt), das im Beispiel durch eine Long-Distance-Hochleistungsmikroskopoptik gebildet ist, vorgesehen ist. Diese Optik ist in fachgemäßer Weise so ausgewählt, dass sie auf die Objektgegebenheiten und die eingesetzten Spiegelgrößen angepasst ist. Die Größe des pro Mess- bzw. Bildpunkt erfassten Objektfeldes wird, im Gegensatz zu den Vorschlägen nach dem bekannten Stand der Technik, nicht von der eingesetzten Beleuchtungslichtquelle, sondern ausschließlich nur von der Geometrie des eingesetzten Empfängers und dem Abbildungsmaßstab der eingesetzten Abbildungsoptik bestimmt.FIG. 2 shows a more detailed side view of the polygon mirror 1 according to FIG. 1 with assignment of an essential transceiver component. The polygon mirror 1 is mounted on an axis XX of a motor 2. In the example, the polygon mirror 1 has four mirror pairs 11-11 ', 12-12 ", 13-13' and in Fig. 1 covered by the pairings 11-11 ', the rear pair 14-14', which is circumferential around its In the context of the invention, it is essential to provide at least three such mirror pairs. The two individual mirrors assigned to each mirror pair are arranged at an angle of 90 °. These mirrors each have a highly precise surface treatment, as they do is customary and technologically feasible according to the state of the art For example, according to FIG. 2, a laser light source 4, which emits light of one or more visible spectral ranges, for example through a partially transparent mirror Sp, the type of illumination being insignificant in the context of the present invention, radiated perpendicularly onto the first mirror 12 ', from there reflected on the assigned opposite mirror 12 and from there deflected perpendicularly to an object wall (not shown) (for example a tunnel inner wall). The object wall could also be illuminated in any other way, but is particularly expedient in the manner described, since it is made possible with one and the same device and the respective measuring surface is illuminated identically. In the context of the invention, however, it is essential that at least one separate imaging system per sector (only one such imaging system, here E2, is shown in FIG. 2 for reasons of clarity), which in the example is formed by long-distance high-performance microscope optics, is provided. This optics is selected in a professional manner so that it is adapted to the object conditions and the mirror sizes used. In contrast to the proposals according to the known state of the art, the size of the object field per measurement or pixel is not determined by the illuminating light source used, but only by the geometry of the receiver used and the imaging scale of the imaging optics used.
Figur 3 verdeutlicht nur schematisch weitere erforderliche, jedoch nicht erfindungswesentliche Baugruppen, um eine Vorstellung von der Wirkungsweise der Gesamtvorrichtung zu erhalten. Beispielsweise schließt sich an die dargestellte Abbildungseinheit E2 eine analoge Signalverarbeitung, ein Fotometer, und auf gesonderten nicht dargestellten Wegen bspw. ein Laserradar, ein Thermografiesystem etc. an, wofür beispielhaft nur eine Baugruppe 5 bezeichnet ist. Daran anschließend sind reine Datenverarbeitungs- und -speicherbaugruppen etc. vorgesehen, die bspw. PCI-Framegrabber, die Treibersoftware und Scannersteuerung beinhalten. Diese sind in
Fig. 3 durch einen strichlinierten und mit 3 bezeichneten Rahmen umfasst.FIG. 3 only schematically illustrates further necessary, but not essential to the invention, to get an idea of the mode of operation of the overall device. For example, the illustrated imaging unit E2 is followed by an analog signal processing, a photometer, and, for example, a laser radar, a thermography system, etc., for which only one module 5 is designated by way of example. Subsequently, pure data processing and storage modules etc. are provided, which include, for example, PCI frame grabbers, the driver software and scanner control. These are in Fig. 3 comprises a dashed and designated 3 frame.
Die weiteren im Rahmen der Erfindung wesentlich vorzusehenden Baugruppen und deren Anordnung zueinander sind in Figur 4 anschaulicher in Frontansicht auf den Polygonspiegel 1 ersichtlich dargestellt. Dort ist angedeutet, dass zentralsymmetrisch um die Rotationsachse X-X des Polygonspiegels 1 und senkrecht zu dieser (in Abweichung zu Fig. 1) in mindestens drei Sektoren S1 , S2, S3 winkelmäßig jeweils gleichverteilt, hier also um 120° versetzt, je ein separates Abbildungssystem E1, E2, E3 vorgesehen ist, durch das gleichzeitig die Beleuchtung realisiert werden könnte. Zu diesen Abbildungssystemen, im Beispiel jeweils um 40° versetzt, ist weiterhin zentralsymmetrisch gleichverteilt pro Sektor S1 , S2, S3 jeweils ein passives Thermografiesystem T1, T2, T3, das im Beispiel durch einen MCT-Sensor mit GaAs-Optik gebildet wird, vorgesehen. Dieses Thermografiesystem ist so ausgewählt, dass es die Detektion von mindestens 10.000 Bildpunkten pro Umdrehung in einem Spektralbereich von 2 bis 12 μm gewährleistet.The further modules to be provided within the scope of the invention and their arrangement with respect to one another are shown more clearly in FIG. 4 in a front view of the polygon mirror 1. There it is indicated that centrally symmetrical about the axis of rotation XX of the polygon mirror 1 and perpendicular to it (in deviation from FIG. 1) in at least three sectors S1, S2, S3 in each case equally angularly distributed, i.e. here offset by 120 °, a separate imaging system E1 , E2, E3 is provided, through which the lighting could be realized at the same time. A passive thermography system T1, T2, T3, which is formed in the example by an MCT sensor with GaAs optics, is also provided for each of these imaging systems, each offset by 40 ° in the example, in a centrally symmetrically uniform manner. This thermography system is selected so that it ensures the detection of at least 10,000 pixels per revolution in a spectral range from 2 to 12 μm.
Im Rahmen der Erfindung sind weiterhin vorteilhaft, analog zu den vorstehenden Systemen, in einem weiteren gleichverteilten Winkelversatz, hier von 40°, jeweils ein übliches aktives Laserentfernungsmesssystem L1, L2, L3 pro Sektor S1, S2, S3 vorgesehen. Weiterhin ist aus Figur 4 ersichtlich, dass sogenannte Facettensensoren F1, F2, F3 vorgesehen sind. Diese sind im Beispiel durch reflexwinkelabhängige Lichtschranken gebildet, die einenWithin the scope of the invention, analogous to the above systems, a common active laser distance measuring system L1, L2, L3 per sector S1, S2, S3 is provided in a further uniformly distributed angular offset, here of 40 °. It can also be seen from FIG. 4 that so-called facet sensors F1, F2, F3 are provided. In the example, these are formed by light barriers that depend on the angle of reflection
Lichtreflex, ausgesendet bspw. von einem nicht dargestellten Hilfslaser, der unabhängig von den jeweiligen Beleuchtungsquellen vorgesehen ist, empfangen, sobald eine Spiegelpaarung 11-11' bis 14-14' bei Rotation des Polygonspiegels 1 in eine vorbestimmte Startlage einläuft. Dieser empfangene Impuls löst für jedes in diesem Scansektor, imLight reflection, emitted, for example, from an auxiliary laser (not shown), which is provided independently of the respective lighting sources, is received as soon as a pair of mirrors 11-11 'to 14-14' arrives upon rotation of the polygon mirror 1 into a predetermined starting position. This received pulse triggers for everyone in this scanning sector, in
Beispiel S1 , S2, S3, angeordnete Sensorsystem die Abtastung, Analog- Digital-Umsetzung, Speicherung und Datenübertragung einer elektronisch frei wählbaren Anzahl von Messpunkten (bspw. 10.240 pro Scansektor) aus. Da nicht der Drehwinkel des Polygonspiegels, sondern der Reflexionswinkel der Spiegelpaarung erfasst wird, sind
durch geeignete Anordnung der Facettensensoren herstellungsbedingte geometrische Abweichungen der Spiegelpaare des Polygonsspiegels korrigierbar. Zusätzlich ist ein Indexsensor I vorgesehen, der eine Spiegelpaarung bei der Messung als erste, zwecks einer Nullpunktfestlegung, festlegt und somit für die nachfolgenden Auswerteeinheiten 3 ein Signal zur eineindeutigen Zuordnung der von den einzelnen Spiegelpaarungen stammenden Signale zwecks Synchronisation liefert.Example S1, S2, S3, arranged sensor system the scanning, analog-digital conversion, storage and data transmission of an electronically freely selectable number of measuring points (for example 10,240 per scanning sector). Since it is not the angle of rotation of the polygon mirror, but the angle of reflection of the mirror pair that is recorded By means of a suitable arrangement of the facet sensors, production-related geometric deviations of the mirror pairs of the polygon mirror can be corrected. In addition, an index sensor I is provided, which defines a mirror pairing during the measurement as the first, for the purpose of establishing a zero point, and thus supplies the subsequent evaluation units 3 with a signal for unambiguous assignment of the signals originating from the individual mirror pairings for the purpose of synchronization.
Es ist aus vorstehender Beschreibung des speziellen Ausführungsbeispiels ersichtlich, dass beliebige weitereIt can be seen from the above description of the specific exemplary embodiment that any other
Detektorsysteme mit den gleichen Maßgaben, wie vorstehend beschrieben, anordenbar sind, die Erfindung also nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.Detector systems can be arranged with the same requirements as described above, so the invention is not restricted to this exemplary embodiment.
Figur 5 zeigt schematisch, die Erfassung einesFigure 5 shows schematically the detection of a
Straßentunnelquerschnitts anhand einer Anordnung von Lichtempfängern E und Thermosensoren T nach Fig. 3. Beispielhaft kennzeichnet der linke Sektor von 124° (was der im Beispiel genutzten Apertur einer Spiegelpaarung entspricht) ein erstes, von einer Spiegelpaarung überstrichenes Feld in bspw. einem optischen Kanal, der zweite, sich rechts überlappend anschließende Sektor von ebenfalls 124° das von der sich anschließenden zweiten Spiegelpaarung überstrichene Feld, im Beispiel ebenfalls in einem optischen Kanal. Im Beispiel um 40° versetzt ist ein weiterer Sektor erkenntlich, der bspw. das gleichzeitig von einem Thermografiesensor überstrichene Feld charakterisieren soll.Road tunnel cross section based on an arrangement of light receivers E and thermal sensors T according to FIG. 3. For example, the left sector of 124 ° (which corresponds to the aperture of a pair of mirrors used in the example) denotes a first field swept by a pair of mirrors in an optical channel, for example second sector, also overlapping on the right, of likewise 124 °, the field swept by the subsequent second pair of mirrors, in the example also in an optical channel. In the example offset by 40 °, a further sector can be seen, which, for example, is intended to characterize the field which is simultaneously covered by a thermographic sensor.
Bestimmt durch seine Position bzgl. des zugeordneten Facettensensors, seinem Startimpuls und der gewählten Impulszahl wird somit jedem Sensor ein eindeutiger Scanbereich zugewiesen. In Fig. 5 ist dies beispielhaft für zwei optische Kanäle schraffiert dargestellt, für die Sektoren zweier um 120 Grad versetzter bildgebender Systeme. Die Überschneidung der Sektoren, vgl. Fig. 5, z.B. im Tunnelscheitel ist gewünscht und kann zur übersichtlicheren Darstellung der Scansektoren für die anschließende Auswertung
vorteilhaft genutzt werden. Die dargestellten Sektoren werden für jede Spiegelpaarung durchlaufen.Determined by its position with regard to the assigned facet sensor, its start pulse and the selected number of pulses, each sensor is thus assigned a unique scan area. This is shown hatched in FIG. 5 for two optical channels, for the sectors of two imaging systems offset by 120 degrees. The intersection of the sectors, cf. Fig. 5, for example in the top of the tunnel, is desired and can be used for a clearer representation of the scan sectors for the subsequent evaluation be used to advantage. The sectors shown are run for each mirror pair.
Die hier beanspruchte bilderzeugende Abtastvorrichtung zur Erfassung von Hohlraumprofilen, die auf ein entsprechendes Transportfahrzeug montiert ist, ermöglicht bei Fahrgeschwindigkeiten in der Größenordnung bspw. von 4 km/h bei einmaligem Durchlauf, bspw. durch einen Tunnel, eine vollständige Erfassung sämtlicher objektrelevanter Daten in einem Raumwinkel von 360°. Die weiter oben beschriebene, jeweils versetzt vorgesehene Anordnung der einzelnen Mess- und der die Messung auslösenden Systeme garantiert eine vom Polygonspiegel drehzahlunabhängige, eindeutige und jitterfreie Zuordnung der einzelnen Bild-, Thermal und Entfemungsdaten zu einem räumlichen Koordinatensystem des zu vermessenden Objekts. Die mit der vorgeschlagenen Abtastvorrichtung, die auf einThe image-forming scanning device claimed here for the detection of cavity profiles, which is mounted on a corresponding transport vehicle, enables complete detection of all object-relevant data at a solid angle at driving speeds in the order of magnitude, for example, of 4 km / h with a single pass, for example through a tunnel of 360 °. The above-described, staggered arrangement of the individual measurement and the systems triggering the measurement guarantees a speed-independent, unambiguous and jitter-free assignment of the individual image, thermal and distance data to a spatial coordinate system of the object to be measured, regardless of the polygon mirror. With the proposed scanning device based on a
Transportmittel montiert, bspw. durch einen Tunnel befördert wird, erzielbare Verfahrgeschwindigkeit ist einzig von der gewünschten Auflösung der zu detektierenden Parameter in Beförderungsrichtung bestimmt und somit wahlweise vorgebbar. Bei vergleichbaren Auflösungen zu bekannten Vorrichtungen nach dem Stand der Technik sind jedoch mit der hier vorgeschlagenen Abtastvorrichtung 4fach höhere Fahrgeschwindigkeiten erzielbar, was einen erheblichen Vorteil bei steigendem Inspektionsbedarf darstellt.Means of transport installed, for example transported through a tunnel, achievable travel speed is only determined by the desired resolution of the parameters to be detected in the direction of transport and can thus be optionally specified. With comparable resolutions to known devices according to the state of the art, however, the scanning device proposed here can achieve four times higher driving speeds, which represents a considerable advantage with increasing inspection requirements.
Alle in der Beschreibung, den nachstehenden Ansprüchen und der Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
BezugszeichenlisteAll the features shown in the description, the claims below and the drawings can be essential to the invention both individually and in any combination with one another. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Polygonspiegel1 polygon mirror
11-11', 12-12', 13-13', 14-14' Spiegelpaare11-11 ', 12-12', 13-13 ', 14-14' mirror pairs
2 Motor2 engine
3 Auswerteeinheit3 evaluation unit
4 Laserlichtquelle4 laser light source
5 Empfängereinheit E1. E2. E3, Abbildungssystem5 Receiver unit E1. E2. E3, imaging system
F1. F2. F3 FacettensensorF1. F2. F3 facet sensor
I IndexsensorI index sensor
L1 , L2, L3 LaserentfernungsmesssystemL1, L2, L3 laser distance measuring system
S1. S2. S3 Sektor Sp UmlenkspiegelS1. S2. S3 sector Sp deflecting mirror
T1. T2, T3 ThermografiesystemT1. T2, T3 thermography system
X-X (Motor)rotationsachse
X-X (motor) axis of rotation