DE102017215671A1

DE102017215671A1 - Scansystem und Sende- und Empfangsvorrichtung für ein Scansystem

Info

Publication number: DE102017215671A1
Application number: DE102017215671.6A
Authority: DE
Inventors: Mirko Hattass; Annemarie Holleczek; Benjamin Schmidt; Remigius Has
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2019-03-07
Also published as: US20200355802A1; CN111095019A; US11619711B2; WO2019048148A1; CN111095019B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Scansystem 1, aufweisend einen Sende- und Empfangspfad 10, 12 mit einem Sender 11 und einem Empfänger 13 und einer rotierenden Scanvorrichtung 2. Der Sender 11 sendet Strahlung 3 aus, die sich entlang einer optischen Achse auf dem Sendepfad 10 ausbreitet. Die vom Zielobjekt 4 empfangene Strahlung 7 wird vom Empfänger 13 auf dem Empfangspfad 12 detektiert. Ferner umfasst die rotierende Scanvorrichtung 2 eine Optik 30 und eine rotierende Ablenkeinheit 33, welche die Strahlung des Sende- und Empfangspfads 10, 12 ablenkt. Die Optik 30 weist eine erste Fokussiereinrichtung 31 und eine rotierende zweite Fokussiereinrichtung 32 auf. Die Bewegungen der rotierenden Ablenkeinheit 33 und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung 32 erfolgen synchron, um eine Ausrichtung der abgelenkten Strahlung mit der zweiten Fokussiereinrichtung 32 zu gewährleisten. Des Weiteren bildet die erste Fokussiereinrichtung 31 die vom Sender 11 ausgesandte Strahlung 3 so auf die rotierende Ablenkeinheit 33 ab, dass der Strahldurchmesser auf der rotierenden Ablenkeinheit 33 reduziert ist. Darüber hinaus, lenkt die rotierende Ablenkeinheit 33 die Strahlung 3 auf die rotierende zweite Fokussiereinrichtung 32 um, und die rotierende zweite Fokussiereinrichtung 32 kollimiert die Strahlung 3 zum Zielobjekt 4 hin. Die rotierende zweite Fokussiereinrichtung 32 bildet die vom Zielobjekt 4 empfangene Strahlung 7 so auf die rotierende Ablenkeinheit 33 ab, dass der Strahldurchmesser auf der rotierenden Ablenkeinheit 33 reduziert ist, und die rotierende Ablenkeinheit 33 lenkt die empfangene Strahlung 7 zum Empfänger 13 um.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Scansystem, das einen Sende- und Empfangspfad, einen Sender und einen Empfänger sowie eine rotierende Scanvorrichtung umfasst. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Sendevorrichtung und eine Empfangsvorrichtung für ein solches Scansystem.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind derartige Scansysteme bekannt, die beispielsweise bei Automotive LIDAR Systemen, Gebäudeabtastungssystemen oder zur Erfassung von 3D Geometrien zum Einsatz kommen können.
Sie basieren darauf, dass ein Lichtstrahl zur Abtastung von einem Zielobjekt ausgesandt wird, und der Lichtstrahl vom Zielobjekt zurück zu einem Empfänger reflektiert wird. Aus der Signallaufzeit und der Geschwindigkeit des Lichts ist es beispielsweise möglich, die Entfernung des Zielobjekts im Beobachtungsbereich zu ermitteln.
Die Scansysteme können auf verschiedenen Prinzipien beruhen und insbesondere mit beweglichen Bauteilen realisiert werden. Ein Unterscheidungskriterium bei der Ausführung des Scansystems liegt darin, ob Sende- und Empfangseinheit beweglich oder fest an einer Position angebracht sind. Mit einer beweglichen Sende- und Empfangseinheit kann theoretisch ein Winkelbereich von 360° abgedeckt werden, nachteilig ist jedoch, dass eine kabellose Energie- und Datenübertragung zur rotierenden Sende- und Empfangseinheit erfolgen muss und dies die Bandbreite der Datenübertragung einschränkt. Zudem kann sich eine solche Konfiguration in einer negativen Weise auf das thermische Management im Messkopf auswirken. Ein solches Scansystem ist aus der US 7,969,558 B2 bekannt.
Sind Sende- und Empfangseinheit hingegen statisch montiert, so kann eine Abtastung eines Zielobjekts mithilfe eines von einem Sender emittierten Strahls über ein rotierendes optisches Element, beispielsweise einen oder mehrere Spiegel, wie in der DE 10 2010 047 984 A1 beschrieben ist, realisiert werden. Dieses rotierende optische Element ermöglicht das Scannen innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs, welcher jedoch vom Durchmesser bzw. der Länge des rotierenden Elements beschränkt wird. Für einen streifenden Einfall der Sende- bzw. Empfangsstrahlung auf das rotierende Element, muss dieses Element vom Durchmesser bzw. der Länge relativ groß gewählt werden. Besonders für Ablenkwinkel nahe 180°, ist mit steigender Größe des rotierenden Elements zu rechnen, da die Größe bzw. der Durchmesser des rotierenden Elements vom Ablenkwinkel und dem Strahldurchmesser abhängt. Beispielsweise ergibt sich bei einem Strahldurchmesser von 10 mm und einem maximalen Ablenkwinkel von 140° über 10 mm / cos(140°/2) = 29.8 mm ein Durchmesser des rotierenden Elements von nahezu 30 mm. Für einen Ablenkwinkel von 160° entspräche der theoretisch berechnete Durchmesser 57.6 mm, also fast dem Doppelten des betrachteten ersten Rechenbeispiels.
Wird der Durchmesser des rotierenden Elements zu klein gewählt, so kann dies unter Umständen zu einem Signalverlust und einer nicht vollständigen Ablenkung des Strahls führen. Dies würde sich auch negativ auf die Reichweite des Scansystems auswirken. Wird der Sendestrahl direkt zur Sende- und Empfangseinheit zurückgeleitet, muss in dieser Ausführungsform zudem - aufgrund der statischen Montage der Sende- und Empfangseinheit - mit Abschattungseffekten gerechnet werden. Vorteilhaft ist jedoch, dass die Daten- und Energieübertragung zwischen der Sende- und der Empfangseinheit in einfacher Verkabelung erfolgen kann und dass die Wärmeanbindung des Senders, beispielsweise ein gepulster oder Dauerstrich-Laser, der elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich emittiert, dadurch leichter realisierbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Scansystem dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine platzsparende Bauweise ermöglicht und zugleich ein großer nutzbarer Scanwinkelbereich erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Scansystem gemäß Anspruch 1, durch eine Sendevorrichtung für ein Scansystem gemäß Anspruch 9 und eine Empfangsvorrichtung für ein Scansystem gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Scansystem vorgeschlagen, welches einen Sende- und Empfangspfad mit einem Sender und einem Empfänger und einer rotierenden Scanvorrichtung aufweist. Der Sender sendet Strahlung aus, die sich entlang einer optischen Achse auf dem Sendepfad zum Zielobjekt hin ausbreitet. Die vom Zielobjekt empfangene Strahlung wird vom Empfänger auf dem Empfangspfad detektiert. Darüber hinaus umfasst die rotierende Scanvorrichtung eine Optik und eine rotierende Ablenkeinheit, welche die Strahlung des Sende- und Empfangspfads ablenkt. Es ist vorgesehen, dass die Optik eine erste Fokussiereinrichtung und eine rotierende zweite Fokussiereinrichtung aufweist. Die Bewegungen der rotierenden Ablenkeinheit und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung erfolgen synchron, um eine Ausrichtung der abgelenkten Strahlung mit der zweiten Fokussiereinrichtung zu gewährleisten. Ferner bildet die erste Fokussiereinrichtung die vom Sender ausgesandte Strahlung so auf die rotierende Ablenkeinheit ab, dass der Strahldurchmesser auf der rotierenden Ablenkeinheit reduziert ist. Die rotierende Ablenkeinheit lenkt die ausgesandte Strahlung dann auf die rotierende zweite Fokussiereinrichtung um, wobei diese die Strahlung zum Zielobjekt hin kollimiert. Gleichermaßen bildet die rotierende zweite Fokussiereinrichtung die vom Zielobjekt empfangene Strahlung so auf die rotierende Ablenkeinheit ab, dass der Strahldurchmesser auf der rotierenden Ablenkeinheit reduziert ist. Die rotierende Ablenkeinheit lenkt die empfangene Strahlung zum Empfänger um.
Die Fokussierung des ausgesandten und vom Zielobjekt empfangenen Strahls auf die rotierende Ablenkeinheit ermöglicht eine Verkleinerung des Strahldurchmessers. Dadurch reduziert sich der erforderliche Durchmesser der rotierenden Ablenkeinheit und eine kompaktere Bauweise des Scansystems wird ermöglicht. Rein rechnerisch wäre dann für Ablenkwinkel bis etwa 179°, eine rotierende Ablenkeinheit mit einem Durchmesser von nur 1 mm verwendbar. Die erfindungsgemäße Lösung zeigt, dass einerseits der nutzbare Winkelbereich des Scansystems vergrößert ist und andererseits eine kleinere Ablenkeinheit dafür eingesetzt werden kann. Von Vorteil ist des Weiteren, dass das Scannen nicht nur horizontal in einer Ebene mithilfe der rotierenden Ablenkeinheit erfolgen kann, sondern auch vertikal und somit 3D Geometrien abtastbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform fallen der Sende- und der Empfangspfad zwischen der rotierenden Ablenkeinheit und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung in einem zweiten Strahlengang zusammen. Ferner weist die rotierende zweite Fokussiereinrichtung eine Sammellinse auf, die die ausgesandte Strahlung zum Zielobjekt hin kollimiert und die vom Zielobjekt empfangene Strahlung auf die rotierende Ablenkeinheit fokussiert.
Vorteilhaft an dieser Konfiguration ist, dass die Sammellinse als Ausgangs- und Empfangslinse für die Strahlung dient und dadurch kein weiteres optisches Element für die Fokussierung der empfangenen Strahlung benötigt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Sende- und der Empfangspfad zwischen der rotierenden Ablenkeinheit und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung in einem fünften Strahlengang entkoppelt sind. Des Weiteren weist die rotierende zweite Fokussiereinrichtung zwei Sammellinsen auf. Die erste Sammellinse befindet sich im Sendepfad und die zweite Sammellinse im Empfangspfad.
Durch die Entkopplung der beiden Pfade zwischen der rotierenden Ablenkeinheit und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung wird die Anfälligkeit des Scansystems für Übersprechen (engl. crosstalk) zwischen den Signalen reduziert. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des Systems.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die rotierende Ablenkeinheit aus zwei Elementen besteht. Das erste Element der rotierenden Ablenkeinheit befindet sich im Sendepfad und das zweite Element im Empfangspfad.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Sender und der Empfänger rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Des Weiteren ist zur Entkopplung des Sende- und des Empfangspfads zwischen der rotierenden Ablenkeinheit und dem Sender und dem Empfänger ein Strahlteiler vorgesehen.
Die räumliche Trennung des Senders und des Empfängers wirkt sich positiv auf mögliche auftretende Abschattungseffekte aus und trägt zur Stabilität des Systems bei. Würde der empfangene Strahl direkt auf den Sender zurückgelenkt, wäre es möglich, dass dieser Instabilitäten verursacht, falls ein Teil der Strahlung auf den Ausgang des Senders trifft. Durch die Bewegung der rotierenden Ablenkeinheit ist zudem nicht sichergestellt, dass die Strahlung tatsächlich auf einen Detektionsabschnitt am Sender trifft. Es ist möglich, dass sie das Gehäuse (Abschattung) erreicht. Durch den Einsatz des Strahlteilers sind Sender und Empfänger mit geringem Aufwand aufeinander ausrichtbar.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Fokussiereinrichtung zwei Sammellinsen aufweist. Die erste Sammellinse ist im Sendepfad und die zweite Sammellinse im Empfangspfad angeordnet. Ferner ist vorgesehen, dass die Sammellinse im Empfangspfad die vom Zielobjekt empfangene Strahlung auf den Empfänger fokussiert.
Durch die Fokussierung reduziert sich der Strahldurchmesser. Dadurch kommt es zu weniger Abschattungseffekten und Signalverlust beim Empfänger. Im Sendepfad erlaubt die Fokussierung der ausgesandten Strahlung auf die rotierende Ablenkeinheit den Einsatz einer Ablenkeinheit mit verringertem Durchmesser. Zudem bietet die Fokussierung die Möglichkeit in einem Ablenkwinkelbereich nahe 180° zu arbeiten und dies mit dem Einsatz der gleichen optischen Bauteile bzw. unveränderter rotierender Ablenkeinheit.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Synchronisation der Bewegungen der rotierenden Ablenkeinheit und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung durch eine Koppeleinheit mechanisch und/oder regelungstechnisch erfolgt.
Die Art der Synchronisation erlaubt es die beiden Drehgeschwindigkeiten vorteilhaft aufeinander abzustimmen, ohne einen manuellen Eingriff zu erfordern.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die rotierende Ablenkeinheit mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω₁ rotiert. Die rotierende zweite Fokussiereinrichtung der Optik sitzt ferner in einem rotierenden Rahmen, welcher sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω₂ = 2Ω₁ bewegt.
Da der Ablenkwinkel nach der rotierenden Ablenkeinheit dem Doppelten des Kippwinkels der Ablenkeinheit entspricht, müssen die Winkelgeschwindigkeiten der beiden rotierenden Elemente die Beziehung Ω₂ = 2Ω₁ haben. Die Winkelgeschwindigkeit der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung muss also doppelt so groß sein, wie die Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Ablenkeinheit. Durch das Abstimmen der Winkelgeschwindigkeiten kann folglich eine korrekte Ausrichtung der von der Ablenkeinheit abgelenkten Strahlung zur rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung gewährleistet werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Sendevorrichtung für ein Scansystem einen Sendepfad mit einem Sender und einer rotierenden Scanvorrichtung aufweist. Der Sender sendet Strahlung aus, die sich entlang einer optischen Achse ausbreitet und die rotierende Scanvorrichtung weist eine Optik und eine rotierende Ablenkeinheit auf. Die rotierende Ablenkeinheit der Scanvorrichtung lenkt die ausgesandte Strahlung ab. Ferner ist vorgesehen, dass die Optik eine erste Fokussiereinrichtung und eine rotierende zweite Fokussiereinrichtung umfasst. Die Bewegungen der rotierenden Ablenkeinheit und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung erfolgen synchron, um eine Ausrichtung der abgelenkten Strahlung mit der zweiten Fokussiereinrichtung zu gewährleisten. Des Weiteren bildet die erste Fokussiereinrichtung die vom Sender ausgesandte Strahlung so auf die rotierende Ablenkeinheit ab, dass der Strahldurchmesser auf der rotierenden Ablenkeinheit reduziert ist. Die rotierende Ablenkeinheit lenkt die ausgesandte Strahlung auf die rotierende zweite Fokussiereinrichtung um, während die rotierende zweite Fokussiereinrichtung die Strahlung zum Zielobjekt hin kollimiert und die Strahldivergenz der von der rotierenden Ablenkeinheit umgelenkten Strahlung dadurch reduziert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Empfangsvorrichtung für ein Scansystem einen Empfangspfad mit einem Empfänger und einer rotierenden Scanvorrichtung aufweist. Der Empfänger detektiert die vom Zielobjekt empfangene Strahlung auf dem Empfangspfad und die rotierende Scanvorrichtung weist eine Optik und eine rotierende Ablenkeinheit auf. Ferner ist vorgesehen, dass die empfangene Strahlung durch die rotierende Ablenkeinheit der Scanvorrichtung abgelenkt wird, und die Optik eine erste Fokussiereinrichtung und eine rotierende zweite Fokussiereinrichtung umfasst. Die Bewegungen der rotierenden Ablenkeinheit und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung erfolgen synchron, um eine Ausrichtung der abgelenkten Strahlung mit der zweiten Fokussiereinrichtung zu gewährleisten.
Des Weiteren bildet die rotierende zweite Fokussiereinrichtung die vom Zielobjekt empfangene Strahlung so auf die rotierende Ablenkeinheit ab, dass der Strahldurchmesser reduziert ist und die rotierende Ablenkeinheit lenkt die vom Zielobjekt empfangene Strahlung um und leitet sie zum Empfänger.
Figurenliste
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

1 eine schematische Aufsichtsdarstellung eines Scansystems, das einen Sende- und Empfangspfad mit einem Sender und Empfänger und einer rotierenden Scanvorrichtung aufweist;
2 eine schematische Aufsichtsdarstellung eines Scansystems mit räumlich separiertem Sender und Empfänger, wobei die Entkopplung des Sende- und des Empfangspfads zwischen der rotierenden Ablenkeinheit und dem Sender und dem Empfänger mit einem Strahlteiler erfolgt;
3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Scansystems mit entkoppeltem Sende- und Empfangspfad zwischen der rotierenden Ablenkeinheit und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung; und
4 eine schematische perspektivische Darstellung eines Scansystems mit vollständig entkoppeltem Sende- und Empfangspfad durch die Verwendung eines zweiten Elements der rotierenden Ablenkeinheit.

Detaillierte Beschreibung
Anhand der folgenden Figuren werden Ausführungsformen eines Scansystems beschrieben, mit dem 3D Geometrien abgetastet werden können. Das hier beschriebene Konzept des Systems kann beispielsweise in Automotive LIDAR Systemen oder in Gebäudeabtastungssystemen eingesetzt werden. Derartige Systeme basieren darauf, dass ein Lichtstrahl zur Abtastung von einem Zielobjekt ausgesandt wird, und der Lichtstrahl vom Zielobjekt zurück zu einem Empfänger reflektiert wird. Aus der Signallaufzeit und der Geschwindigkeit des Lichts ist es darüber hinaus möglich, die Entfernung des Zielobjekts im Beobachtungsbereich zu ermitteln.
In 1 ist eine erste Ausführungsform eines Scansystem 1 dargestellt. Das Scansystem 1 umfasst einen Sender 11, einen Empfänger 13 und eine rotierende Scanvorrichtung 2. Die rotierende Scanvorrichtung 2 weist eine Optik 30 und eine rotierende Ablenkeinheit 33 auf. Ferner umfasst die Optik 30 eine erste Fokussiereinrichtung 31 mit einer ersten Sammellinse 310 und eine rotierende zweite Fokussiereinrichtung 32 mit einer ersten Sammellinse 320. Die rotierende zweite Fokussiereinrichtung ist in einem rotierenden Rahmen 5 angebracht.
Der Sender 11, beispielsweise ein gepulster Laser und/oder ein Laser, der im Dauerstrichbetrieb arbeitet und/oder eine alternative Lichtquelle, etc., sendet Strahlung 3 aus, beispielsweise im Infrarotbereich und/oder UV-Bereich, etc., die sich entlang einer optischen Achse auf einem Sendepfad 10 ausbreitet. Die ausgesandte Strahlung 3 wird von der ersten Sammellinse 310 der ersten Fokussiereinrichtung 31 auf die rotierende Ablenkeinheit 33 fokussiert. Die rotierende Ablenkeinheit 33 ist drehbar um eine Rotationsachse 6 angebracht, die aus der Zeichenebene herausragt. Durch die Fokussierung der ausgesandten Strahlung 3 mithilfe der ersten Sammellinse 310 ist es möglich, den Strahldurchmesser der ausgesandten Strahlung 3 auf der rotierenden Ablenkeinheit 33 zu reduzieren. Ein kleinerer Strahldurchmesser auf der rotierenden Ablenkeinheit 33 erlaubt es, die rotierende Ablenkeinheit 33 mit einem kleineren Durchmesser anzupassen, und somit Bauraum einzusparen. Die rotierende Ablenkeinheit 33, beispielsweise ein Spiegel, der plan gefertigt ist, und/oder ein Spiegel, der eine andere Bauform aufweist, und/oder ein Prisma, und/oder ein alternatives diffraktives optisches Element, etc., lenkt die ausgesandte Strahlung 3 zur rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung 32 mit der ersten Sammellinse 320 ab. Mit der Sammellinse 320 wird die ausgesandte Strahlung 3 zum Zielobjekt 4 hin kollimiert. Aufgrund der Ablenkung zwischen der rotierenden Ablenkeinheit 33 und der Sammellinse 320 divergiert die ausgesandte Strahlung 3 in diesem Bereich deutlich. Die Divergenz ist ungewollt, da sich die ausgesandte Leistung sonst auf einen sehr großen Raumwinkel verteilt. Die Sammellinse 320 reduziert die Divergenz der ausgesandten Strahlung 3.
Über eine Koppeleinheit 50, sind die Bewegungen der rotierenden Ablenkeinheit 33 und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung 32 mit der Sammellinse 320 synchronisierbar, um die ausgesandte Strahlung 3 zu jedem Zeitpunkt korrekt zur Sammellinse 320 ausrichten zu können. Die Sammellinse 320 kann mit der Bewegung der rotierenden Ablenkeinheit 33 mitgeführt werden. Da der Ablenkwinkel nach der rotierenden Ablenkeinheit 33 dem Doppelten des Kippwinkels der rotierenden Ablenkeinheit 33 entspricht, muss die Drehgeschwindigkeit der Sammellinse 320 dem Doppelten der Drehgeschwindigkeit der rotierenden Ablenkeinheit 33 entsprechen. Die Synchronisation dieser beiden Bewegungen erfolgt mechanisch und/oder regelungstechnisch über die Koppeleinheit 50.
Der Sende- und der Empfangspfad 10, 12 fällt in der dargestellten Ausführungsform nach 1 zwischen der ersten Fokussiereinrichtung 31 und der rotierenden Ablenkeinheit zusammen, und bildet einen ersten Strahlengang 124. Ebenso fällt der Sende- und der Empfangspfad 10, 12 zwischen der rotierenden Ablenkeinheit 33 und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung 32 zusammen, und bildet einen zweiten Strahlengang 121. Die vom Zielobjekt 4 empfangene Strahlung 7 trifft im Empfangspfad 12 auf die Sammellinse 320 und wird von dieser auf die rotierende Ablenkeinheit 33 fokussiert. Die rotierende Ablenkeinheit 33 lenkt die empfangene Strahlung 7 zur Sammellinse 310 der ersten Fokussiereinrichtung 31 um, und diese fokussiert die empfangene Strahlung gegebenenfalls - was in der Darstellung nicht explizit gezeigt ist - auf den Empfänger 13. Beim Empfänger 13 kann es sich beispielsweise um eine Avalanche Photodiode (APD), eine Einzelphoton Avalanche Diode (SPAD), und/oder einen Photomultiplier, und/oder einen CCD-Sensor, und/oder ein alternatives photosensitives Bauteil mit Zeitauflösung handeln.
Als Alternative zum Einsatz von Sammellinsen wäre jedes optische Element denkbar, das in der Lage ist, Strahlung zu fokussieren bzw. zu kollimieren.
Der Sender 11 und der Empfänger 13 sind in der gezeichneten Ausführungsform in einer Einheit integriert. Alternativ wäre auch eine räumliche Trennung des Senders 11 und des Empfängers 13 denkbar, was in der Abbildung jedoch nicht gezeigt ist.
Das Scanverfahren ist unabhängig von der vertikalen Struktur des Sendestrahls. Beispielsweise kann dies eine vertikale Linie sein, die in einem einzigen Puls ausgesandt wird und/oder mehrere übereinander angeordnete Punkte, die unter Umständen zu unterschiedlichen Zeiten ausgesendet werden. Der Einsatz von mehreren Sender- und Empfangsmodulen neben- und/oder übereinander ist daher ebenfalls vorstellbar. Die Module erzeugen zusätzliche Strahlung 3 zur Vergrößerung des vertikalen Abtastbereichs.
Die von den Modulen ausgesandte Strahlung 3 wird dann über eine und/oder mehrere Sammellinsen auf die rotierende Ablenkeinheit 33 fokussiert. Die rotierende Ablenkeinheit 33 lenkt die ausgesandte Strahlung zur einer und/oder mehreren Sammellinsen, die mit der Bewegung der rotierenden Ablenkeinheit 33 gekoppelt sind, um, und diese kollimiert die ausgesandte Strahlung zum Zielobjekt 4 hin. Die vom Zielobjekt 4 empfangene Strahlung 7 wird von einer und/oder mehreren Sammellinsen, die mit der Bewegung der rotierenden Ablenkeinheit 33 gekoppelt sind, auf die rotierende Ablenkeinheit 33 fokussiert. Die rotierende Ablenkeinheit 33 lenkt die empfangene Strahlung 7 dann gegebenenfalls auf eine und/oder mehrere Sammellinsen um, die die empfangene Strahlung 7 auf die Empfangsmodule fokussiert.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Scansystems 1 mit räumlich separiertem Sender 14 und Empfänger 15. Der Aufbau des Scansystems 1 in der gezeigten Abbildung ist ähnlich zum Aufbau des Scansystems in 1. Die Bezugszeichen in 2 sind unverändert zu den Bezugszeichen der 1 gewählt, wenn es sich um gleich ausgebildete Bauteile handelt. Im Folgenden werden nur die Merkmale von 2 erklärt, die sich zu den Merkmalen in 1 unterscheiden.
In der Ausführungsform nach 2 sind der Sender 14 und der Empfänger 15 rechtwinklig zueinander angeordnet. In einem dritten Strahlengang 100 zwischen der ersten Sammellinse 312 der ersten Fokussiereinrichtung 31 und der rotierenden Ablenkeinheit 33 befindet sich ein Strahlteiler 34, beispielsweise mit einer Aufteilung der Intensität 50:50, und/oder mit einer alternativen Intensitätsaufteilung, und/oder ein dazu alternatives diffraktives optisches Element, etc. Der Strahlteiler 34 dient dazu, den Sendepfad 10 vom Empfangspfad 12, nach dem Rückweg der vom Zielobjekt 4 empfangenen Strahlung 7 über die rotierende Ablenkeinheit 33 zu entkoppeln.
Im dritten Strahlengang 100 wird nur der vom Strahlteiler 34 transmittierte Anteil der vom Sender 14 ausgesandten Strahlung 3 von der Sammellinse 312 auf die rotierende Ablenkeinheit 33 fokussiert. Die rotierende Ablenkeinheit 33 lenkt die ausgesandte Strahlung 3 auf die Sammellinse 320 der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung 32 um, wobei die Sammellinse 320 die ausgesandte Strahlung 3 zum Zielobjekt 4 hin kollimiert. Die vom Zielobjekt 4 empfangene Strahlung 7 wird von der Sammellinse 320 auf die rotierende Ablenkeinheit 33 fokussiert. Mit der rotierenden Ablenkeinheit 33 wird die empfangene Strahlung 7 auf den Strahlteiler 34 abgelenkt. Der Strahlteiler 34 reflektiert die empfangene Strahlung 7 dann auf eine zweite Sammellinse 311 der ersten Fokussiereinrichtung 31, und entkoppelt somit den Empfangspfad 12 in einem vierten Strahlengang 122, vom Sendepfad 10. Die Sammellinse 311 fokussiert die empfangene Strahlung 7 auf den Empfänger 15.
Der Sender 14 und der Empfänger 15 werden durch die Entkopplung räumlich voneinander getrennt. Dies trägt dazu bei, die Anfälligkeit des Scansystems 1 für Übersprechen (engl. crosstalk) zu reduzieren.
Alternativ zur dargestellten Ausführungsform kann die Sammellinse 311 vor dem Empfänger 15 im vierten Strahlengang 122 entfallen. Dann gelangt die empfangene Strahlung 7 ohne Fokussierung direkt auf den Empfänger 15. Eine weitere denkbare Ausführungsform, die den Sender 14 und den Empfänger 15 voneinander entkoppelt, besteht darin, die rotierende Ablenkeinheit 33 beispielsweise als Strahlteiler mit einer Intensitätsaufteilung von 50:50 zu realisieren und den Strahlteiler 34 aus dem dritten Strahlengang 100 zwischen der Sammellinse 312 und dem rotierenden Element 33 zu entfernen. Die rotierende Ablenkeinheit 33 reflektiert dann einerseits die vom Sender 14 ausgesandte Strahlung 3 zum Zielobjekt 4 - mit vorheriger Fokussierung der Strahlung 3 von der Sammellinse 312 auf die rotierende Ablenkeinheit 33 und anschließender Kollimation der Strahlung 3 mit der Sammellinse 320 - und die vom Zielobjekt 4 empfangene Strahlung 7 passiert andererseits die rotierende Ablenkeinheit 33 und kann dann mithilfe der Sammellinse 311 auf den Empfänger 15 fokussiert werden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Scansystems 1 mit entkoppeltem Sende- und Empfangspfad 10, 12 zwischen der rotierenden Ablenkeinheit 33 und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung 32. Der Aufbau des Scansystems 1 in der gezeigten Abbildung ist ähnlich zum Aufbau des Scansystems in 1. Die Bezugszeichen in 3 sind unverändert zu den Bezugszeichen der 1 gewählt, wenn es sich um gleich ausgebildete Bauteile handelt. Im Folgenden werden nur die Merkmale von 3 erklärt, die sich zu den Merkmalen in 1 unterscheiden.
Wie in 3 dargestellt ist, weist die rotierende zweite Fokussiereinrichtung 32 eine erste Sammellinse 322 auf, die sich im Sendepfad 10 befindet und die vom Sender 11 ausgesandte Strahlung 3 zum Zielobjekt 4 hin kollimiert. Des Weiteren umfasst die rotierende zweite Fokussiereinrichtung 32 eine zweite Sammellinse 321, die sich im Empfangspfad 12 befindet und die vom Zielobjekt 4 empfangene Strahlung 7 versetzt zur ausgesandten Strahlung 3 auf die rotierende Ablenkeinheit 33 fokussiert. Die Sammellinse 321 und die rotierende Ablenkeinheit 33 bilden einen fünften Strahlengang 123. Die zweite Sammellinse 321 der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung 32 ist vertikal über und/oder unter der ersten Sammellinse 322 angebracht, um über den fünften Strahlengang 123 eine Trennung des Sende- und Empfangspfads 10, 12 zu ermöglichen. Die zweite Sammellinse 321 befindet sich ebenfalls im rotierenden Rahmen - welcher in der Zeichnung nicht enthalten ist - und kann über die Kopplungseinheit 50 mit der rotierenden Ablenkeinheit 33 und der ersten Linse 322 mitgeführt werden.
Nach der rotierenden Ablenkeinheit 33 fällt der Empfangspfad 12 wieder mit dem Sendepfad 10 zu dem ersten Strahlengang 124 zusammen. In der dargestellten Ausführungsform ist eine erneute Fokussierung der empfangenen Strahlung 7, durch die Sammellinse 310 auf den Empfänger 13 nicht gezeigt.
In dieser Ausführungsform wäre ebenfalls eine alternative Anordnung zwischen dem Sender 11 und dem Empfänger 13 denkbar. Wie in der Ausführungsform nach 3 dargestellt ist, bilden der Sender 11 und der Empfänger 13 eine integrierte Einheit. Eine räumliche Trennung des Senders 11 und des Empfängers 13 wäre beispielsweise durch den Einsatz eines Strahlteilers, zum Beispiel mit einer Intensitätsaufteilung von 50:50 zwischen der Sammellinse 310 und der rotierenden Ablenkeinheit 33 - analog zur Ausführungsform nach 2 - vorstellbar. Die vom Zielobjekt 4 empfangene Strahlung 7 kann dann auf dem fünften Strahlengang 123, der vom Sendepfad 10 entkoppelt ist, auf die rotierende Ablenkeinheit 33 fokussiert und zum Strahlteiler reflektiert werden. Optional kann noch eine Fokussierung der empfangenen Strahlung 7 mithilfe einer Sammellinse auf den räumlich separierten Empfänger 13 erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform, welche in der schematischen perspektivischen Darstellung in 4 gezeichnet ist, zeigt eine Scansystem 1 mit vollständig entkoppeltem Sende- und Empfangspfad 10, 12. Der Aufbau des Scansystems 1 in der gezeigten Abbildung ist ähnlich zum Aufbau des Scansystems in 1. Die Bezugszeichen in 4 sind unverändert zu den Bezugszeichen der 1 gewählt, wenn es sich um gleich ausgebildete Bauteile handelt. Im Folgenden werden nur die Merkmale von 4 erklärt, die sich zu den Merkmalen in 1 unterscheiden.
Wie in 4 dargestellt ist, weist die rotierende Ablenkeinheit 33 ein erstes Element 330 auf, welches sich im Sendepfad 10 befindet, sowie ein zweites Element 331, das sich im Empfangspfad 12 befindet. Beispielsweise kann sich das erste Element 330 der rotierenden Ablenkeinheit 33 um einen ersten Spiegel handeln, der plan gefertigt ist, und/oder einen ersten Spiegel, der eine andere Bauform aufweist, und/oder ein erstes Prisma, und/oder ein erstes alternatives diffraktives optisches Element, etc. Das zweite Element 331 der rotierenden Ablenkeinheit 33 kann sich um einen zweiten Spiegel handeln, der plan gefertigt ist, und/oder einen zweiten Spiegel, der eine andere Bauform aufweist, und/oder ein zweites Prisma, und/oder ein zweites alternatives diffraktives optisches Element. Das zweite Element 331 ist auf der Rotationsachse 6 des ersten Elements 330 vertikal über und/oder unter dem ersten Element 330 angebracht, und ist über die Koppeleinheit 50 mit der Bewegung der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung 32 synchronisierbar.
Die vom Zielobjekt 4 empfangene Strahlung 7 wird von der Sammellinse 321 auf das zweite Element 331 der rotierenden Ablenkeinheit 33 fokussiert, und dieses lenkt die empfangene Strahlung 7 zur zweiten Sammellinse 311 der ersten Fokussiereinrichtung 31 um. Die Sammellinse 311 fokussiert die empfangene Strahlung 7 auf den Empfänger 13. Dadurch ist der Empfangspfad 12 vollständig optisch vom Sendepfad 10 in einem sechsten Strahlengang 125 entkoppelt, da sich die ausgesandte Strahlung 3 des Sendepfads 10 über die Sammellinse 312 der ersten Fokussiereinrichtung 31, das erste Element 330 der rotierenden Ablenkeinrichtung 33 und die Sammellinse 322 der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung 32 zum Zielobjekt 4 hin ausbreitet, und die empfangene Strahlung 7 einen dazu separierten sechsten Strahlengang 125 auf dem Empfangspfad 12 nimmt.
Alternativ zur dargestellten Ausführungsform kann die Sammellinse 311 vor dem Empfänger 13 im entkoppelten Empfangspfad 12 entfallen. Dann gelangt die empfangene Strahlung 7 ohne Fokussierung direkt auf den Empfänger 13. Aufgrund der vollständigen Entkopplung des Sende- und Empfangspfads 10, 12 wäre zudem denkbar, Sender 11 und Empfänger 13 räumlich getrennt voneinander anzuordnen. Der rotierende Rahmen, in dem sich die rotierende zweite Fokussiereinrichtung 32 befindet, ist in der Ausführungsform nicht dargestellt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Varianten können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7969558 B2 [0004]
DE 102010047984 A1 [0005]

Claims

Scansystem, aufweisend einen Sende- und Empfangspfad (10, 12) mit einem Sender (11, 14) und einem Empfänger (13, 15) und einer rotierenden Scanvorrichtung (2), - wobei der Sender (11, 14) Strahlung (3) aussendet, die sich entlang einer optischen Achse auf dem Sendepfad (10) ausbreitet, - wobei die vom Zielobjekt (4) empfangene Strahlung (7) vom Empfänger (13, 15) auf dem Empfangspfad (12) detektiert wird, - wobei die rotierende Scanvorrichtung (2) eine Optik (30) und eine rotierende Ablenkeinheit (33) umfasst, - wobei die rotierende Ablenkeinheit (33) der Scanvorrichtung (2) die Strahlung (3, 7) des Sende- und Empfangspfads (10, 12) ablenkt, dadurch gekennzeichnet, dass - die Optik (30) eine erste Fokussiereinrichtung (31) und eine rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) aufweist, - wobei die Bewegungen der rotierenden Ablenkeinheit (33) und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung (32) synchron erfolgen, um eine Ausrichtung der abgelenkten Strahlung (3) mit der zweiten Fokussiereinrichtung (32) zu gewährleisten, - wobei die erste Fokussiereinrichtung (31) die vom Sender (11, 14) ausgesandte Strahlung (3) so auf die rotierende Ablenkeinheit (33) abbildet, dass der Strahldurchmesser auf der rotierenden Ablenkeinheit (33) reduziert ist, - wobei die rotierende Ablenkeinheit (33) die Strahlung (3) auf die rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) umlenkt, - wobei die rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) die Strahlung (3) zum Zielobjekt (4) hin kollimiert, - wobei die rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) die vom Zielobjekt (4) empfangene Strahlung (7) so auf die rotierende Ablenkeinheit (33) abbildet, dass der Strahldurchmesser auf der rotierenden Ablenkeinheit (33) reduziert ist, - wobei die rotierende Ablenkeinheit (33) die empfangene Strahlung (7) zum Empfänger (13, 15) umlenkt.
Scansystem nach Anspruch 1, - wobei der Sende- und der Empfangspfad (10, 12) zwischen der rotierenden Ablenkeinheit (33) und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung (32) in einem ersten Strahlengang (121) zusammenfallen, - wobei die rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) eine Sammellinse (320) aufweist, die die ausgesandte Strahlung (3) zum Zielobjekt (4) hin kollimiert und die vom Zielobjekt (4) empfangene Strahlung (7) auf die rotierende Ablenkeinheit (33) fokussiert.
Scansystem nach Anspruch 1, - wobei der Sende- und der Empfangspfad (10, 12) zwischen der rotierenden Ablenkeinheit (33) und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung (32) in einem zweiten Strahlengang (123, 125) entkoppelt sind, - wobei die rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) zwei Sammellinsen aufweist, - wobei sich die erste Sammellinse (322) im Sendepfad (10) befindet und die zweite Sammellinse (321) im Empfangspfad (12).
Scansystem nach Anspruch 3, - wobei die rotierende Ablenkeinheit (33) aus zwei Elementen besteht, - wobei sich das erste Element (330) der rotierenden Ablenkeinheit (33) im Sendepfad (10) befindet und das zweite Element (331) im Empfangspfad (12).
Scansystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, - wobei der Sender (14) und der Empfänger (15) rechtwinklig zueinander angeordnet sind, - wobei zur Entkopplung des Sende- und des Empfangspfads (10, 12) zwischen der rotierenden Ablenkeinheit (33) und dem Sender (14) und dem Empfänger (15) ein Strahlteiler (34) vorgesehen ist.
Scansystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, - wobei die erste Fokussiereinrichtung (31) zwei Sammellinsen aufweist, - wobei die erste Sammellinse (310, 312) im Sendepfad (10) und die zweite Sammellinse (311) im Empfangspfad (12) angeordnet ist, - wobei die Sammellinse (311) im Empfangspfad (12) die vom Zielobjekt (4) empfangene Strahlung (7) auf den Empfänger (13, 15) fokussiert.
Scansystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, - wobei die Synchronisation der Bewegungen der rotierenden Ablenkeinheit (33) und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung (32) durch eine Koppeleinheit (50) mechanisch und/oder regelungstechnisch erfolgt.
Scansystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, - wobei die rotierende Ablenkeinheit (33) mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω₁ rotiert, - wobei die rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) der Optik (30) in einem rotierenden Rahmen (5) sitzt, welcher sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω₂ = 2Ω₁ bewegt.
Sendevorrichtung für ein Scansystem, aufweisend einen Sendepfad (10) mit einem Sender (11, 14) und einer rotierenden Scanvorrichtung (2), - wobei der Sender (11, 14) Strahlung (3) aussendet, die sich entlang einer optischen Achse ausbreitet, - wobei die rotierende Scanvorrichtung (2) eine Optik (30) und eine rotierende Ablenkeinheit (33) aufweist, - wobei die rotierende Ablenkeinheit (33) der Scanvorrichtung (2) die Strahlung (3) ablenkt, dadurch gekennzeichnet, dass - die Optik (30) eine erste Fokussiereinrichtung (31) und eine rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) umfasst, - wobei die Bewegungen der rotierenden Ablenkeinheit (33) und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung (32) synchron erfolgen, um eine Ausrichtung der abgelenkten Strahlung (3) mit der zweiten Fokussiereinrichtung (32) zu gewährleisten, - wobei die erste Fokussiereinrichtung (31) die vom Sender (11, 14) ausgesandte Strahlung (3) so auf die rotierende Ablenkeinheit (33) abbildet, dass der Strahldurchmesser auf der rotierenden Ablenkeinheit (33) reduziert ist, - wobei die rotierende Ablenkeinheit (33) die Strahlung (3) auf die rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) umlenkt, - wobei die rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) die Strahlung (3) zum Zielobjekt (4) hin kollimiert und die Strahldivergenz der von der rotierenden Ablenkeinheit (33) umgelenkten Strahlung (3) dadurch reduziert.
Empfangsvorrichtung für ein Scansystem, aufweisend einen Empfangspfad (12) mit einem Empfänger (13, 15) und einer rotierenden Scanvorrichtung (2), - wobei der Empfänger (13, 15) die vom Zielobjekt (4) empfangene Strahlung (7) auf dem Empfangspfad (12) detektiert, - wobei die rotierende Scanvorrichtung (2) eine Optik (30) und eine rotierende Ablenkeinheit (33) aufweist, - wobei die Strahlung (7) durch die rotierende Ablenkeinheit (33) der Scanvorrichtung (2) abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Optik (30) eine erste Fokussiereinrichtung (31) und eine rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) umfasst, - wobei die Bewegungen der rotierenden Ablenkeinheit (33) und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung (32) synchron erfolgen, um eine Ausrichtung der abgelenkten Strahlung (7) mit der zweiten Fokussiereinrichtung (32) zu gewährleisten, - wobei die rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) die vom Zielobjekt empfangene Strahlung (7) so auf die rotierende Ablenkeinheit (33) abbildet, dass der Strahldurchmesser reduziert ist, - wobei die rotierende Ablenkeinheit (33) die vom Zielobjekt (4) empfangene Strahlung (7) umlenkt und zum Empfänger (13, 15) leitet.