[发明专利]用于具有扫描功能的装置的校准方法

说明书

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的、用于具有扫描功能以空间地测量物体的装置的现场校准方法，并且涉及根据权利要求10的前序部分所述的具有扫描功能的装置。

3D扫描是用于在几分钟或几秒钟内生成物体的数百万空间测量点的非常有效的技术。陆地3D扫描仪也正在不断地被用于传统测量任务和项目。然而，此刻，所述扫描仪仍少许不足或缺点，举例来说，如对于大地测量来说不典型的现场工作流程，不足的测量精度，或者需要在办公室进行随后数据处理以制备希望的测量结果。

激光扫描仪的创立制造方目前在努力匹配3D扫描仪的工作流程管理与传统测量的需要。在此，第一步是缩减扫描仪装置的尺寸，并且改进它们的鲁棒性，以允许它们在高低不平环境（举例来说，如建筑工地）中现场使用。该测量装置的便携性和灵活且快速设置是测量应用方面的基本要求。这种扫描仪装置的示例是Leica Geosystems的TRIMBLE GX3D、Faro Photon120或ScanStation C10，举例来说，如在DE 20 2006 005643 U1或US2009/147319中描述的。

对于传统测量任务（举例来说，如记录建筑物或土木工程结构）来说，这种现有技术扫描仪的测量精度往往太低。具体来说，针对钢结构的情况，因为在这种情况下使用的结构部件通常需要窄测量公差，所以高点精度是不可避免的。因此，已经利用这种扫描仪装置的每一代开发来尝试实现更高测量精度，最少不能够覆盖新的市场和进一步的测量任务。

近期扫描仪应用的示例有：

-监测现有建筑物有关形状、下沉、倾斜等方面的变化；

-监测建筑工地的施工进度并且监测已经执行的工作的尺寸精度；

-在建筑工地的各个组件（举例来说，如柱子、管道、开口、窗户、门、混凝土预制件等）的设置和对准期间的支持；

-用于地图表述或3D建模的现有建筑物的盘存（例如，在规划重建或扩展时）；

-法庭/刑事技术应用，例如，用于在发生场景或事故现场数字重建事件；

-传统测量任务，如土地测量、空间规划、建筑物标记、检查区划法规等；

-历史恢复。

就基本构造而言，这种扫描仪被设置成，利用距离测量单元（通常为基于光电和激光的距离测量单元）来获取到测量点的距离。同样存在的方向偏转单元在此被设置成，使得来自距离测量单元的测量射束按至少两个空间方向偏转，作为其结果，可以拍摄空间测量区。该偏转单元可以采用动镜（moving mirror）的形式来实现，或者另选地还通过适于控制光学辐射的角偏转的其它部件（举例来说，如可旋转棱镜、可移动光导、可变形光学组件等）来实现。测量通常通过确定距离和角度（就是说，按球面坐标）来执行，该球面坐标出于表述和进一步处理目的，还可以变换成笛卡尔坐标。该距离测量单元例如可以根据渡越时间（TOFD）测量、相位测量、波形数字化仪（WFD）测量或干涉测量的原理来设计。对于快速且准确的扫描仪来说，具体来说，测量时间必须短，而同时实现高测量精度，例如，对于单个点的、范围在几微秒或几毫秒的测量时间来说，距离精度要在毫米范围或以下。

在扫描仪中使用的距离测量单元往往具有内部参照部，使得可以进行距离测量的校准（具体来说，距离偏移的校准），并因而可获得高精度的距离测量。现今距离测量单元中的斜坡误差或缩放误差通常比1ppm更小，由此很少需要再校准。然而，距离偏移会随时间而改变，对此的现场校准现今是广泛已知的。在老式装置中，扫描仪的点精度（如最大3D距离偏差和由此测量点在空间上的误差）通常受限于距离测量单元的测量精度。更准确的距离测量对应地需要更长的测量时间，作为其结果，距离测量精度的增加伴随着测量或扫描速度的减小，如每单位时间的测量空间点。随着光电距离测量领域的发展，现今能够得到仍具有高距离测量精度的快速至超快激光距离测量单元。

整个系统有关点精度的关键环节因此从距离测量精度转换到了角测量精度的范围。为了能够满足日益增加的精度需求，光学机械系统的长期稳定性也具有日益增加的重要性。

现今具有高精度的商业扫描仪在低于200m的测量距离上实现了范围5mm至20mm的点精度。对于直至50m的距离来说，可实现的点精度为2mm至6mm，而对于小于25m的测量距离来说，大约1mm至4mm的点精度可确定实现。针对方向精度或较测量精度，在50m的距离下的5mm段例如对应于20″（角秒）或大约100μrad的角测量精度，这在现有技术中已经表示高角测量精度。