[发明专利]具有点到点聚焦的扫描装置

说明书

本公开涉及具有点到点聚焦的扫描装置。一种以每秒至少一千个对象点(P、Px、P1、P2、P3)的测量速率来测量对象表面的方法和光电测量装置(1)。使用处于发射射束路径(9)中的高速自动聚焦光学模块，所述高速自动聚焦光学模块包括具有1ms以下的响应时间的至少一个可变焦距透镜(2、2a)或可重构光学相位板，在单个对象点测量周期内进行测量射束的实时焦点调整。

技术领域

本发明涉及光电扫描装置和方法，以及用于坐标位置确定的方法。

背景技术

诸如激光跟踪仪、扫描全站仪(例如莱卡MS60全站仪)或激光扫描仪之类的光电扫描装置被用于工业测量、大地测量或计量测量，例如以用于在表面检查的背景下对诸如车身或建筑物之类的部件的点进行坐标位置确定，或用于对移动的机器零件进行连续位置监测。这种扫描仪器被设计成用于目标点的连续坐标位置确定。特别地，激光跟踪仪已经成为各种行业中的计量设备的重要部件，以用于测量小型到大型零件并提供用于大规模检查和组装应用的解决方案。

为了测量对象点，例如借助于用于角度测量的传感器(该传感器被分配到系统的偏转镜或瞄准单元)来确定测量射束的发射方向和相应的接收方向。此外，利用射束检测(例如借助于如EP3339901B中公开的直接(脉冲)飞行时间、间接(相位)飞行时间、相位差测量/干涉测量法或借助于Fizeau原理)来确定从测量设备到目标点的距离。目标点的位置坐标是基于发射方向以及相应的接收方向和距离来确定的。换句话说，3D坐标的确定是基于测量从扫描装置到自然或人造对象的目标表面的直接距离，以及通过确定目标所对准的水平角或方位角以及竖直角或仰角。

因此，密集的坐标点测量或3D扫描是一种用于在几分钟或几秒内产生对象的数百万个空间测量点(例如以每秒1000、100000或甚至超过1000000个点的测量速率)的非常有效的技术。利用现代高速扫描仪的测量项目会产生所谓的3D点云，该3D点云具有例如数亿或数十亿对象点及以上的基数。典型的测量任务是记录对象或其表面，例如工业工件(如金属零件)、工业设备、房屋立面或历史建筑物，以及事故现场和犯罪现场。正如所述，具有扫描功能的典型测绘设备是激光跟踪仪或激光扫描仪，该激光跟踪仪或激光扫描仪用于测量或创建表面的3D坐标。使计量装置的位置和定向参考局部或全局参考坐标系还使得能够将3D坐标确定为局部或全局3D坐标。

为此，它们必须能够在表面上引导距离测量装置的测量射束，并且在该过程中同时检测相对于测量点的方向和距离。由于激光射束通常以连续的方式在对象表面上扫掠，所以被测点本身是许多激光照射(shot)的累积的结果，这取决于测距仪单元的构造。激光射束在目标上的移动通常不是一种走走停停的移动，而是一种平滑的移动。根据针对每个点的距离和与距离相关的方向信息，借助于数据处理生成3D点云。除了测量自然的漫散射表面之外，诸如激光跟踪仪或基于经纬仪的机器人多站之类的一些装置还被设计用于测量并可能连续跟踪回射目标点(协作反射对象)。在这种情况下，目标点可以由回射单元(例如立方棱镜)来表示，该回射单元被测量装置或测量设备的射束源产生的光学测量射束(特别是激光射束)当做目标。激光射束以平行的方式被反射回到测量设备，该反射射束由设备的检测装置检测。

因此，在基本结构方面，这种地面或工业扫描仪被设计为使用通常基于光电和激光的距离测量装置来检测到作为测量点的对象点的距离。在这种情况下，同样存在的方向偏转单元以这样的方式被设计，即距离测量装置的测量射束在至少两个独立的空间方向上被偏转，由此可以记录空间测量区域。偏转单元可以以动镜的形式来实现，或另选地，还可以通过适合于光辐射的可控角偏转的其他元件(例如，可旋转棱镜、可移动光波导、可变形光学部件等)来实现。通常距离和角度是确定的，也就是说，目标是在球面坐标中测量的，也可以将该球面坐标转变成笛卡尔坐标以用于显示和进一步处理。距离测量装置例如可以根据飞行时间(TOF)、相位、波形数字转换器(WFD)、频率调制连续波(FMCW)或干涉测量的原理来实施。对于快速和精确的扫描仪，尤其需要短测量时间以及高测量精度，例如在毫米范围内或低于微米范围内的距离精度，其中单个点的测量时间在亚微秒至毫秒范围内。在这种情况下，测量区域的范围是从几厘米达到几千米。