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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung einer Fläche, beispielsweise einer Wand eines Gebäudes.
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Es sind verschiedene Verfahren zur Baufortschrittskontrolle bekannt, bei denen Gebäudeteile mittels eines Laserscanners untersucht und gegebenenfalls mit Konstruktionsplänen verglichen werden. Beispielsweise offenbart die
WO 98/02764 A1 einen derartigen Laserscanner. Ein Laserscanner ist auch aus der
CN 105806242 A sowie aus der
DE 10 2009 040 991 A1 bekannt.
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Die
US 2019/0086207 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Auffinden einer Mitte zwischen zwei Punkten, beispielsweise an einer Wand, die drei ausrichtbare Laserquellen aufweist.
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Eine Vorrichtung umfassend mehrere Laser-Entfernungsmesser zur Erkennung von Ausrichtungsfehlern bei Fahrzeugtüren ist aus der
US 2011/0188024 A1 bekannt.
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Derartige Vorrichtungen sind oftmals sehr aufwendig. Sie ermöglichen zwar eine hochautomatisierbare Erfassung dreidimensionaler Strukturen und die Weiterverarbeitung von auf diese Weise gewonnenen Informationen, beispielsweise zum Abgleichen von Soll-/Ist-Zuständen. Allerdings erfordern Laserscanner insbesondere eine aufwändige Hardware, insbesondere zum Empfang der reflektierten Strahlung, sowie eine Scanvorrichtung.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Untersuchung einer Fläche mit besonders einfachen Mitteln anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Untersuchung einer Fläche angegeben, die eine erste Laserquelle zur Bereitstellung zumindest eines ersten Laserstrahls aufweist, wobei die erste Laserquelle eine Vorrichtung zum Ausrichten des ersten Laserstrahls sowie eine Einrichtung zur Bestimmung der Ausrichtung des ersten Laserstrahls aufweist. Ferner weist die Vorrichtung eine zweite Laserquelle zur Bereitstellung zumindest eines zweiten Laserstrahls auf, wobei die zweite Laserquelle eine Vorrichtung zum Ausrichten des zweiten Laserstrahls sowie eine Einrichtung zur Bestimmung der Ausrichtung des zweiten Laserstrahls aufweist. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Recheneinheit zur Auswertung der Ausrichtungen des ersten und des zweiten Laserstrahls. Die erste Laserquelle und die zweite Laserquelle sind um einen definierten Abstand A voneinander entfernt angeordnet.
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Die Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie auf aufwendige Hardware verzichtet und leicht und intuitiv bedienbar ist, jedoch eine sehr genaue Untersuchung einer Fläche ermöglicht. Insbesondere verzichtet die Vorrichtung auf Empfänger zum Empfang reflektierter Strahlung. Stattdessen werden zumindest zwei Laserstrahlen eingesetzt, die auf die zu untersuchende Fläche gerichtet werden, und deren Auftreffpunkte auf der zu untersuchenden Fläche durch einen Benutzer visuell erfasst.
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Dazu kann gemäß einem Aspekt der Erfindung folgendermaßen vorgegangen werden:
- Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Untersuchung einer Fläche angegeben, das die Bereitstellung zumindest eines ersten Laserstrahls aus einer ersten Laserquelle und eines zweiten Laserstrahls aus einer zweiten Laserquelle aufweist, wobei die Laserquellen einen definierten Abstand A voneinander aufweisen. Ferner umfasst das Verfahren das Ausrichten der Laserstrahlen auf zumindest einen Referenzpunkt der zu untersuchenden Fläche unter Bestimmen der Ausrichtung des ersten und zweiten Laserstrahls. Demnach werden die beiden Laserstrahlen auf denselben, als Referenzpunkt gewählten Punkt auf der Fläche gerichtet. Dies kann insbesondere durch eine visuelle Überprüfung durch den Benutzer erfolgen. Die Ausrichtungen der beiden Laserstrahlen, d.h. insbesondere ihre Raumwinkel, werden erfasst, insbesondere elektronisch erfasst.
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Ferner umfasst das Verfahren das Ermitteln der Lage einer die Referenzpunkte enthaltenden Referenzfläche aus der Ausrichtung des ersten und zweiten Laserstrahls für jeden Referenzpunkt und aus dem Abstand A zwischen den Laserquellen.
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Ferner umfasst das Verfahren das Kalibrieren der ersten und zweiten Laserquelle derart, dass, wenn der erste Laserstrahl auf einen Punkt in der Referenzfläche ausgerichtet wird, der zweite Laserstrahl automatisch auf denselben Punkt in der Referenzfläche ausgerichtet wird. Ferner umfasst das Verfahren das Überprüfen, ob Messpunkte der zu untersuchenden Fläche in der Referenzfläche liegen, durch Ausrichten des ersten Laserstrahls auf die Messpunkte und Prüfen, ob auch der zweite Laserstrahl anhand der Kalibration auf den Messpunkt ausgerichtet wird.
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Das Ausrichten der beiden Laserquellen kann insbesondere manuell erfolgen, beispielsweise durch die Betätigung eines Schrittmotors oder mechanisch von Hand. Es werden dann die Ausrichtungen des ersten und zweiten Laserstrahls bestimmt. Dazu werden insbesondere die Raumwinkel bestimmt. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die beiden Laserquellen um zwei Achsen schwenkbar sind. In diesem Fall wird für beide Achsen der Winkel gemessen, um die der jeweilige Laserstrahl gegen eine Nullrichtung geneigt ist. Die Winkelinformationen für beide Laserstrahlen zusammen mit dem bekannten Abstand A der beiden Laserquellen voneinander erlaubt eine Triangulation und somit eine Positionsbestimmung für den jeweiligen Referenzpunkt.
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Die Recheneinheit weist Mittel auf zur Ermittlung der Lage einer zumindest einen Referenzpunkt enthaltenden Referenzfläche aus der Ausrichtung des ersten und des zweiten Laserstrahls für jeden Referenzpunkt und dem Abstand A zwischen den Laserquellen. Die Mittel können insbesondere als ausführbarer Programmcode ausgebildet sein, der die Recheneinheit veranlasst, eine Positionsberechnung mittels Triangulation durchzuführen.
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Werden beispielsweise drei Referenzpunkte ermittelt, so kann dadurch eine Referenzebene festgelegt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die zu untersuchende Fläche eine ebene Fläche sein soll. Ist die zu untersuchende Fläche komplexer gestaltet, so können zur Ermittlung der Lage der Referenzfläche eine Vielzahl von Referenzpunkten und/oder weitere Informationen, beispielsweise aus einem Konstruktionsplan, verwendet werden.
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Als Referenzpunkte können insbesondere Punkte in der Fläche ausgewählt werden, deren korrekte Lage bekannt oder auf einfache Weise bestimmbar ist.
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Die Vorrichtung ist zum Ausrichten des zweiten Laserstrahls durch die Recheneinheit ansteuerbar ausgebildet und die Recheneinheit weist Mittel auf zum Kalibrieren der ersten und zweiten Laserquelle derart, dass, wenn der erste Laserstrahl auf einen Punkt in der Referenzfläche ausgerichtet ist, der zweite Laserstrahl automatisch auf denselben Punkt ausgerichtet wird.
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Somit ist es vorgesehen, die ermittelte Referenzfläche zu nutzen, um die Laserquellen aufeinander zu kalibrieren. Ist die Lage und Form der Referenzfläche bekannt, so kann bei vorgegebener Ausrichtung des ersten Laserstrahls der zweite Laserstrahl derart ausgerichtet werden, dass sich der erste und der zweite Laserstrahl in einem Punkt auf der Referenzfläche treffen. Umgekehrt lässt sich schließen, dass ein durch den ersten Laserstrahl getroffener Punkt in der zu untersuchenden Fläche, der trotz der Kalibrierung durch den zweiten Laserstrahl nicht getroffen wird, nicht in der Referenzfläche liegt.
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Die Kalibrierung erfolgt dadurch, dass typischerweise mehrere Referenzpunkte aufgenommen und gespeichert werden. Für jeden Referenzpunkt werden dabei der erste und dann der zweite Laserstrahl auf den Referenzpunkt auf der zu untersuchenden Fläche gerichtet, wobei das Ausrichten beispielsweise manuell und durch Sichtprüfung erfolgt. Ist eine Deckungsgleichheit der beiden Laserstrahlen im Referenzpunkt erreicht, so werden die aktuellen Einstellungen gespeichert, d.h. es wird mittels einer Benutzereingabe eine Erfassung der Ausrichtung des ersten und des zweiten Laserstrahls veranlasst und die erfassten Ausrichtungen vorteilhafterweise gespeichert, sodass die Lage des Referenzpunktes ermittelt werden kann. Wird dies für mehrere, beispielsweise drei, Referenzpunkte durchgeführt, so erhält man die Referenzfläche, beispielsweise Referenzebene, mittels der die Vorrichtung kalibriert wird. Die Kalibration dient dann dazu, bei einer gegebenen Ausrichtung des ersten Laserstrahls den zweiten Laserstrahl automatisch derart auszurichten, dass er auf denselben Punkt in der Referenzfläche trifft.
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Die Laserquellen können um eine gemeinsame Achse drehbar angeordnet sein. Der Abstand A zwischen den Laserquellen kann veränderbar sein, beispielsweise können die beiden Laserquellen auf einer gemeinsamen Achse verschiebbar angeordnet sein.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die beiden Laserquellen in baulich voneinander getrennten Abschnitten der Vorrichtung angeordnet, die unabhängig voneinander positioniert werden können und deren Abstand ermittelt wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen den Laserquellen sehr groß gewählt werden kann, was zur Untersuchung weit entfernter Flächen vorteilhaft sein kann. Allerdings erfordert diese Ausführungsform mehr Aufwand bei der Positionierung der Laserquellen, da deren Positionierung zueinander nicht als bekannt vorausgesetzt werden kann.
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Zum Ausrichten der Laserquellen sind Schrittmotoren besonders geeignet, die durch die Recheneinheit ansteuerbar sind.
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Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen es somit, Punkte in der zu untersuchenden Fläche auf ihre korrekte Position, das heißt auf ihre Lage in der Referenzebene, hin zu untersuchen. Beispielsweise kann festgestellt werden, ob es sich bei der zu untersuchenden Fläche tatsächlich um eine Ebene handelt oder ob diese eine unerwünschte Wölbung aufweist. Auch bei komplex gestalteten Flächen können Abweichungen von einer Sollform erkannt werden.
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Die eigentliche Untersuchung der Fläche erfolgt dabei nach der beschriebenen Kalibration der Vorrichtung. Dazu wird der erste Laserstrahl auf einzelne Messpunkte der zu untersuchenden Fläche ausgerichtet. Der zweite Laserstrahl richtet sich daraufhin automatisch auf den zur Ausrichtung des ersten Laserstrahls gehörenden Referenzpunkt aus. Stimmt die Referenzfläche lokal nicht mit der zu untersuchenden Fläche überein, so entspricht der Referenzpunkt nicht dem Messpunkt. In diesem Falle treffen sich der erste und der zweite Laserstrahl nicht auf der zu untersuchenden Fläche, sondern etwas davor oder dahinter, d.h. auf der zu untersuchenden Fläche liegen die beiden Laserpunkte nicht aufeinander, sondern weisen einen Abstand voneinander auf.
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Dies hat den Vorteil, dass eine Abweichung der Fläche von der Referenzfläche unmittelbar und intuitiv erfahrbar ist und gegebenenfalls unmittelbar darauf reagiert werden kann. Durch eine wenig aufwendige Prüfung mit einer vor die zu untersuchende Fläche gehaltenen Hand oder ein Papier lässt sich die genaue Lage des Referenzpunktes leicht erfassen. Die Differenz zwischen der Referenzfläche und der zu untersuchenden Fläche kann unmittelbar mittels Hinzufügen oder Entfernen von Material beseitigt werden.
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Gemäß einer alternativen Betriebsweise wäre es möglich, auf das automatische Ausrichten des zweiten Laserstrahls zu verzichten. In diesem Fall werden zur Untersuchung der Fläche nach erfolgter Kalibration sowohl der erste als auch der zweite Laserstrahl manuell auf den Messpunkt ausgerichtet. Ist dies erfolgt, bestimmt die Recheneinheit eine Abweichung des Messpunktes von der Referenzfläche.
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Ein derartiges Vorgehen kann vorteilhaft sein, wenn eine Abweichung der Fläche von der Referenzfläche nicht sofort praktisch erfasst werden soll, sondern beispielsweise elektronisch gespeichert werden soll. Auf diese Weise können Abweichungen systematisch kartiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Ermittlung einer Korrektur für die zu untersuchende Fläche an einem Messpunkt, falls der zweite Laserstrahl anhand der Kalibration nicht auf den Messpunkt ausgerichtet wird, wobei die Korrektur dadurch ermittelt wird, dass der zweite Laserstrahl insbesondere manuell nachkorrigiert wird, um auf den Messpunkt ausgerichtet zu sein, und die Nachkorrektur über die Winkeldifferenz zur Ermittlung der Korrektur erfasst wird. Die Korrektur kann dann abgespeichert und unmittelbar oder später ausgeführt werden.
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Zur Ermittlung der Lage der Referenzfläche können zusätzlich Informationen aus einem Konstruktionsplan verwendet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es sich bei der Referenzfläche nicht um eine Ebene handelt und/oder nicht mindestens drei Referenzpunkte zur Verfügung stehen. Beispielsweise können einem Konstruktionsplan bestimmte Randbedingungen oder besondere Punkte entnommen werden oder die generelle Form der Referenzfläche, d.h. beispielsweise die Information, dass es sich bei der Referenzfläche um eine senkrechte Ebene handelt oder um eine Kugeloberfläche oder eine andere in definierter Weise gewölbte Fläche.
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Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass auch komplexe Flächen durch eine endliche Zahl von Referenzpunkten erfasst werden können.
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Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von schematischen Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Untersuchung einer Fläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 zeigt eine erste perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 zeigt eine zweite perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
- 4 zeigt eine dritte perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung 1 zur Untersuchung einer Fläche 100. Bei der Fläche 100 handelt es sich beispielsweise um eine Wand eines Gebäudes, die in der Darstellung gemäß 1 in einer geschnittenen Draufsicht gezeigt ist. Die Fläche 100 soll mittels der Vorrichtung 1 untersucht werden. Dabei soll insbesondere untersucht werden, ob die Fläche 100 eben ausgebildet ist.
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Die Vorrichtung 1 umfasst eine erste Laserquelle 2 zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls 3 sowie eine zweite Laserquelle 4 zur Erzeugung eines zweiten Laserstrahls 5. Die Laserquellen 2, 4 sind um eine gemeinsame Achse L drehbar angeordnet und um eine Strecke A voneinander entfernt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ferner für jede Laserquelle 2, 4 eine Vorrichtung 6, 8 zum Ausrichten des jeweiligen Laserstrahls sowie eine Einrichtung 7, 9 zur Bestimmung der Ausrichtung des jeweiligen Laserstrahls. Dabei kann es sich bei den Vorrichtungen 6, 8 zum Ausrichten des Laserstrahls beispielsweise um Schrittmotoren handeln. Bei den Einrichtungen 7, 9 zur Bestimmung der Ausrichtung der Laserstrahlen kann es sich beispielsweise um Winkelmesser handeln.
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Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Recheneinheit 10 auf, die über Signalleitungen 11, 12 mit den Laserquellen 2, 4 sowie mit den Vorrichtungen 6, 8 zum Ausrichten der Laserstrahlen sowie mit den Einrichtungen 7, 9 zur Bestimmung der Ausrichtung der Laserstrahlen verbunden ist. Die Recheneinheit 10 hat die Aufgabe, die Laserquellen 2, 4 selbst anzusteuern. Ferner hat sie die Aufgabe, die Vorrichtungen 6, 8 zum Ausrichten der Laserstrahlen anzusteuern, die beispielsweise als Schrittmotoren ausgebildet sind. Ferner erhält die Recheneinheit 10 Messsignale von den Einrichtungen 7, 9 zur Bestimmung der Ausrichtung der Laserstrahlen. Ferner kann die Recheneinheit 10 Informationen über den Abstand A der Laserquellen 2, 4 erhalten, falls dieser nicht fest voreingestellt ist.
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In der in 1 gezeigten Situation sind beide Laserquellen 2, 4 auf den Referenzpunkt R1 auf der Fläche 100 ausgerichtet, sodass sich der erste Laserstrahl 3 und der zweite Laserstrahl 4 im Punkt R1 auf der Fläche 100 treffen. Die Recheneinheit 10 kann in diesem Fall aus den ihr vorliegenden Informationen über die Ausrichtung der Laserstrahlen 3, 5, d.h. ihre Raumwinkel α1 und α2, die hier lediglich zweidimensional dargestellt sind, sowie die Strecke A mittels einer Triangulation die Position des Referenzpunktes R1 im Raum bestimmen.
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Die Positionsbestimmung kann anschließend für weitere Referenzpunkte, in der gezeigten Ausführungsform R2 und R3, durchgeführt werden. Falls drei Referenzpunkte verwendet werden, so liegen diese typischerweise - anders als in 1 gezeigt - nicht in einer Linie, sondern spannen ein Dreieck und somit eine Referenzebene auf, die in 1 als Referenzfläche 100' bezeichnet ist.
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Wenn die Positionen der Referenzpunkte R1 bis R3 im Raum bekannt sind und somit die Referenzfläche 100' bekannt ist, wird die Vorrichtung 1 auf diese Referenzfläche 100' kalibriert. Im Folgenden kann dann einer der Laserstrahlen, beispielsweise der erste Laserstrahl 3, auf einen Punkt P gerichtet werden. Durch die Kalibrierung steuert die Recheneinheit die Vorrichtung 7 der zweiten Laserquelle 4 derart an, dass der zweite Laserstrahl 5 ebenfalls auf den Punkt P gerichtet wird, falls P auf der Referenzfläche 100' liegt.
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Falls jedoch P nicht auf der Referenzfläche 100' liegt, die zu untersuchende Fläche 100 demnach im Punkt P von der Referenzfläche 100' abweicht, treffen sich die Laserstrahlen 3 und 5 nicht im Punkt P. Dieser Fall ist in 1 dargestellt. Im Punkt P weicht die Fläche 100 von der Referenzfläche 100' ab und liegt vor dieser. Der zweite Laserstrahl 5 trifft somit nicht im Punkt P, sondern im Punkt P' auf die Fläche 100. Der Punkt P' hat einen Abstand b von dem Punkt P. Für den Benutzer sind somit zwei nebeneinander liegende Laserpunkte auf der Fläche 100 sichtbar. Für den Benutzer ist auf einfache Weise feststellbar, welcher Art die Abweichung ist: Hält er eine Hand oder ein Papier vor die Fläche 100, so vergrößert sich der Abstand b zwischen den Laserpunkten. Daraus kann er schließen, dass die Referenzfläche 100' hinter der Fläche 100 liegt, die Fläche 100 somit zu weit vorsteht, also eine Korrektur durch einen Materialabtrag, in diesem Fall um die Dicke d, möglich sein könnte.
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Im umgekehrten Fall, in dem sich der Abstand b zwischen den Laserpunkten auf einer davorgehaltenen Hand verkleinert, würde die Fläche 100 zu weit zurückspringen und eine Korrektur wäre gegebenenfalls durch einen Materialauftrag vorzunehmen.
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Die 2, 3 und 4 zeigen verschiedene perspektivische Ansichten einer Vorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Vorrichtung 1 weist in der gezeigten Ausführungsform zwei in einem Gehäuse 13 angeordnete Laserquellen 2, 4 auf, die insbesondere Laserdioden aufweisen können. Die Laserquellen 2, 4 sind auf einer gemeinsamen Welle 14, die der Achse L entspricht, drehbar gelagert. Zum Drehen der Welle 14 ist ein Schrittmotor 15 vorgesehen. Über den Schrittmotor 15 oder einen separaten, nicht gezeigten Winkelaufnehmer wird der Drehwinkel der Welle 14 erfasst.
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An der Welle 14 sind die Laserquellen 2, 4 jeweils in einer Halterung 18, 19 aufgenommen und um eine Achse I drehbar gelagert. Zur Drehung um die Achse I ist jeder Laserquelle 2, 4 ein Schrittmotor 16, 17 zugeordnet. Über den Schrittmotor 16, 17 oder einen separaten, nicht gezeigten Winkelaufnehmer wird der Drehwinkel um die Achse I erfasst. Die Winkel α1 und α2 setzen sich zusammen aus den Drehwinkeln um die Achse L und um die Achse I. Sind diese bekannt, so ist die Ausrichtung der Laserquellen 2, 4 bekannt.
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In nicht gezeigten Ausführungsformen kann zusätzlich oder alternativ auch eine Drehung um eine andere Achse vorgesehen sein. Die gezeigte Ausführungsform hat jedoch den Vorteil, dass sie konstruktiv besonders einfach und robust ist und dennoch ausreichende Freiheitsgrade zur Untersuchung einer Fläche aufweist.