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WO2019048148A1 - Scansystem und sende- und empfangsvorrichtung für ein scansystem - Google Patents

Scansystem und sende- und empfangsvorrichtung für ein scansystem Download PDF

Info

Publication number
WO2019048148A1
WO2019048148A1 PCT/EP2018/071127 EP2018071127W WO2019048148A1 WO 2019048148 A1 WO2019048148 A1 WO 2019048148A1 EP 2018071127 W EP2018071127 W EP 2018071127W WO 2019048148 A1 WO2019048148 A1 WO 2019048148A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotating
radiation
deflection unit
focusing
path
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/071127
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Annemarie Holleczek
Mirko Hattass
Remigius Has
Benjamin Schmidt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to CN201880058041.2A priority Critical patent/CN111095019B/zh
Priority to US16/642,211 priority patent/US11619711B2/en
Publication of WO2019048148A1 publication Critical patent/WO2019048148A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4812—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver transmitted and received beams following a coaxial path
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a scanning system comprising a transmitting and receiving device
  • Receiving path, a transmitter and a receiver and a rotating scanning device comprises.
  • the invention further relates to a
  • They are based on emitting a light beam for scanning from a target object and reflecting the light beam from the target object back to a receiver. From the signal transit time and the speed of the light, it is possible, for example, to determine the distance of the target object in the observation area.
  • the scanning systems can be based on different principles and
  • Distinguishing criterion in the execution of the scanning system is whether transmitting and receiving unit are mounted movable or fixed at a position. With a mobile transmitting and receiving unit can theoretically
  • Receiving unit must be made and this limits the bandwidth of data transmission.
  • such a configuration may have a negative impact on thermal management in the probe.
  • a scanning of a target object using a beam emitted by a transmitter can take place via a rotating optical element, for example one or more Mirror, as described in DE 10 2010 047 984 A1, be realized.
  • This rotating optical element allows scanning within a certain angular range, but limited by the diameter or length of the rotating element. For a grazing incidence of the transmitting or receiving radiation on the rotating element, this element must be chosen relatively large diameter or length.
  • the size of the rotating element can be expected to increase as the size or diameter of the rotating element depends on the deflection angle and the beam diameter.
  • Distortion angle of 160 ° would correspond to the theoretical calculated diameter 57.6 mm, that is almost twice the considered first calculation example.
  • Recoupled receiver unit must also in this embodiment - due to the static mounting of the transmitting and receiving unit - with
  • Shadowing effects are calculated. It is advantageous, however, that the data and energy transmission between the transmitting and the receiving unit can be done in a simple wiring and that the heat input of the transmitter, such as a pulsed or continuous wave laser, the
  • the object of the present invention is to develop a scanning system to the effect that a space-saving design allows and at the same time a large usable scanning angle range is achieved.
  • This object is achieved by a scanning system according to claim 1, by a transmitting device for a scanning system according to claim 9 and a
  • a scanning system which has a transmitting and receiving path with a transmitter and a receiver and a rotating scanning device.
  • the transmitter emits radiation which propagates along an optical axis on the transmission path to the target object.
  • the radiation received by the target object is received by the receiver on the
  • the rotating scanning device comprises an optical system and a rotating deflection unit, which deflects the radiation of the transmitting and receiving paths. It is provided that the optics has a first focusing device and a rotating second focusing device.
  • the movements of the rotating deflection unit and the rotating second focusing means are synchronized to ensure alignment of the deflected radiation with the second focusing means.
  • the first focusing device forms the radiation emitted by the transmitter onto the rotating deflection unit such that the beam diameter on the rotating one
  • the rotating deflection unit then redirects the emitted radiation to the rotating second focusing device, which collimates the radiation towards the target object.
  • the rotating second focusing means images the radiation received by the target object onto the rotating deflector such that the beam diameter is on the rotating beam
  • Deflection unit is reduced.
  • the rotating deflector redirects the received radiation to the receiver.
  • the focusing of the emitted and received by the target beam on the rotating deflection unit allows a reduction of the
  • Beam diameter This reduces the required diameter of the rotating deflection unit and enables a more compact design of the scanning system. Purely arithmetically, then, for deflection angles up to about 179 °, a rotating deflection unit with a diameter of only 1 mm would be usable.
  • the solution according to the invention shows that on the one hand the usable angular range of Scansystems is increased and on the other hand, a smaller deflection can be used for it.
  • Another advantage is that scanning can not only be done horizontally in one plane with the help of the rotating deflection unit, but also vertically and thus 3D geometries can be scanned.
  • the transmit and receive paths fall between the rotating deflection unit and the rotating second one
  • the rotating second focusing device has a converging lens, which the
  • the transmission and reception paths between the rotating deflection unit and the rotating second focusing device are decoupled in a fifth beam path.
  • the rotating second focusing device has two converging lenses. The first convergent lens is located in the transmit path and the second condenser lens in the receive path.
  • the decoupling of the two paths between the rotating deflection unit and the rotating second focusing means reduces the susceptibility of the scanning system for crosstalk between the signals. This increases the reliability of the system.
  • the rotating deflection unit consists of two elements.
  • the first element of the rotating deflection unit is located in the transmission path and the second element in the reception path.
  • the transmitter and the receiver are arranged at right angles to each other. Furthermore, a beam splitter is provided for decoupling the transmission and reception paths between the rotating deflection unit and the transmitter and the receiver.
  • the spatial separation of the transmitter and the receiver has a positive effect on possible shading effects and contributes to the stability of the system. If the received beam were redirected directly to the transmitter, it would be possible for it to cause instabilities if some of the radiation hits the output of the transmitter.
  • Deflection unit is also not ensured that the radiation actually hits a detection section on the transmitter. It is possible that it reaches the housing (shading). By using the beam splitter transmitter and receiver with little effort are aligned.
  • the first converging lens is arranged in the transmission path and the second converging lens in the reception path. It is further provided that the converging lens in the receiving path focuses the radiation received by the target object onto the receiver.
  • Focusing reduces the beam diameter. This results in less shadowing effects and signal loss at the receiver.
  • focusing the emitted radiation on the rotating deflection unit allows the use of a deflection unit with reduced deflection
  • the synchronization of the movements of the rotating deflection unit and the rotating second focusing means by a coupling unit is done mechanically and / or control technology.
  • the type of synchronization allows the two rotational speeds to coordinate advantageously without requiring manual intervention.
  • the rotating deflection unit rotates at an angular speed ⁇ .
  • the rotating second focusing means of Optics also sits in a rotating frame, which is with a
  • Angular velocity of the rotating second focusing device must therefore be twice as large as the angular velocity of the rotating
  • the transmission device for a scanning system has a transmission path with a transmitter and a rotating scanning device.
  • the transmitter emits radiation that extends along an optical path
  • the rotary scanning device has an optic and a rotating deflection unit.
  • the rotating deflection unit of the scanning device deflects the emitted radiation.
  • the optics comprises a first focusing device and a rotating second focusing device.
  • the movements of the rotating deflection unit and the rotating second focusing means are synchronized to ensure alignment of the deflected radiation with the second focusing means.
  • the first focusing device forms the radiation emitted by the transmitter onto the rotating deflection unit such that the beam diameter on the rotating deflection unit is reduced.
  • the rotating deflector deflects the emitted radiation onto the rotating second focusing means while the rotating second focusing means collimates the radiation towards the target and thereby reduces the beam divergence of the radiation deflected by the rotating deflector.
  • the receiving device for a scanning system has a receiving path with a receiver and a rotating one
  • the Scanning device has.
  • the receiver detects the radiation received by the target object on the receive path and the rotating one
  • Scanning device has an optic and a rotating deflection unit. Further is provided that the received radiation through the rotating
  • Deflection unit of the scanning device is deflected, and the optics comprises a first focusing means and a rotating second focusing means.
  • the movements of the rotating deflection unit and the rotating second focusing means are synchronized to an orientation of the deflected
  • the rotating second focusing device forms the of
  • Target object received radiation to the rotating deflection unit so that the beam diameter is reduced and the rotating deflection unit redirects the radiation received by the target object and passes it to the receiver.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a scanning system which has a
  • Figure 2 is a schematic plan view of a scanning system with spatially separated transmitter and receiver, the decoupling of the transmitting and
  • Figure 3 is a schematic perspective view of a scanning system with decoupled transmission and reception path between the rotating deflection unit and the rotating second focusing device;
  • Figure 4 is a schematic perspective view of a scanning system with fully decoupled transmission and reception path through the use of a second element of the rotating deflection. Detailed description
  • Target object is emitted, and the light beam from the target object is reflected back to a receiver. From the signal delay and the speed of the
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a scanning system 1.
  • the scanning system 1 comprises a transmitter 1 1, a receiver 13 and a rotating scanning device 2.
  • the rotating scanning device 2 has an optical system 30 and a rotating deflection unit 33.
  • the optical system 30 comprises a first focusing device 31 with a first converging lens 310 and a rotating second focusing device 32 with a first converging lens 320.
  • the rotating second focusing device is mounted in a rotating frame 5.
  • the transmitter 11 for example a pulsed laser and / or a laser operating in continuous wave mode and / or an alternative light source, etc., emits radiation 3, for example in the infrared range and / or UV range, etc., extending along an optical axis on a transmission path 10 propagates.
  • the emitted radiation 3 is focused on the rotating deflection unit 33 by the first converging lens 310 of the first focusing device 31.
  • the rotating deflector 33 is rotatably mounted about a rotation axis 6 protruding from the plane of the drawing.
  • Deflection unit 33 to reduce.
  • a smaller beam diameter on the rotating deflection unit 33 makes it possible to adapt the rotating deflection unit 33 with a smaller diameter, and thus to save installation space.
  • the rotating deflector 33 for example, a mirror that is made planar, and / or a mirror that has a different design, and / or a prism, and / or an alternative diffractive optical element, etc., directs the
  • the converging lens 320 reduces the divergence of the emitted ones
  • the movements of the rotating deflection unit 33 and the rotating second focusing device 32 with the converging lens 320 can be synchronized in order to correctly correct the emitted radiation 3 at any time
  • Aligning lens 320 can.
  • the condenser lens 320 may be carried along with the movement of the rotary deflector 33. Since the
  • Embodiment of Figure 1 between the first focusing device 31 and the rotating deflection together and forms a first beam path 124.
  • the transmitting and the receiving path 10, 12 between the rotating deflector 33 and the rotating second focusing device 32 together, forming a second Beam path 121.
  • the radiation 7 received by the target object 4 strikes the converging lens 320 in the reception path 12 and is focused by the latter onto the rotating deflection unit 33.
  • the rotating deflector 33 redirects the received radiation 7 to the converging lens 310 of the first focusing device 31, and this focuses the received one
  • the receiver 13 may be, for example, an avalanche photodiode (APD), a single-photon avalanche diode (SPAD), and / or a photomultiplier, and / or a CCD sensor, and / or an alternative time-resolved photosensitive component act.
  • APD avalanche photodiode
  • SPAD single-photon avalanche diode
  • CCD CCD sensor
  • any optical element capable of focusing or collimating radiation would be conceivable.
  • the transmitter 1 1 and the receiver 13 are integrated in the illustrated embodiment in one unit. Alternatively, a spatial separation of the transmitter 1 1 and the receiver 13 would be conceivable, which is not shown in the figure.
  • the scanning process is independent of the vertical structure of the transmission beam. For example, this may be a vertical line emitted in a single pulse and / or a plurality of superimposed points which may be transmitted at different times.
  • the use of multiple transmitter and receiver modules next to and / or above each other is therefore also conceivable.
  • the modules generate additional radiation 3 to increase the vertical scanning range.
  • the radiation 3 emitted by the modules is then focused onto the rotating deflection unit 33 via one or more converging lenses.
  • the rotating deflector 33 deflects the emitted radiation to one and / or more converging lenses coupled to the movement of the rotating deflector 33, and this collimates the emitted radiation to the
  • Target 4 out.
  • the radiation 7 received by the target object 4 is focused onto the rotating deflecting unit 33 by one or more converging lenses, which are coupled to the movement of the rotating deflecting unit 33.
  • the rotating deflection unit 33 then redirects the received radiation 7, if necessary, to one or more converging lenses, which transmit the radiation
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a scanning system 1 with spatially separated transmitter 14 and receiver 15.
  • the structure of the scanning system 1 in the illustration shown is similar to the structure of the scanning system in FIG. 1.
  • the reference numerals in Figure 2 are unchanged from the reference numerals of Figure 1 chosen, if it is the same components. In the following, only the features of FIG. 2 which differ from the features in FIG. 1 will be explained.
  • the transmitter 14 and the receiver 15 are arranged at right angles to each other.
  • a beam splitter 34 In a third beam path 100 between the first converging lens 312 of the first focusing device 31 and the rotating deflection unit 33 is a beam splitter 34, for example, with a division of the intensity 50:50, and / or with an alternative
  • the beam splitter 34 is used to transmit the transmission path 10 from
  • Receiving path 12 after the return path of the received radiation from the target 4 7 via the rotating deflection unit 33 to decouple.
  • the third beam path 100 only the portion of the radiation 3 emitted by the transmitter 14, which is transmitted by the beam splitter 34, is focused by the converging lens 312 onto the rotating deflection unit 33.
  • the rotating deflection unit 33 deflects the emitted radiation 3 onto the converging lens 320 of the rotating second focusing device 32, wherein the converging lens 320 collimates the emitted radiation 3 towards the target object 4.
  • the radiation 7 received by the target object 4 is focused by the converging lens 320 onto the rotating deflection unit 33.
  • the received radiation 7 is deflected onto the beam splitter 34.
  • the beam splitter 34 then reflects the received radiation 7 onto a second condenser lens 31 1 of the first
  • Focusing device 31 decouples the receiving path 12 in a fourth beam path 122, from the transmission path 10.
  • the converging lens 31 1 focuses the received radiation 7 on the receiver 15th
  • the transmitter 14 and the receiver 15 are spatially separated from each other by the decoupling. This helps reduce the susceptibility of scan system 1 to crosstalk.
  • the converging lens 31 1 can be omitted in front of the receiver 15 in the fourth beam path 122. Then the received radiation 7 reaches the receiver 15 without focusing directly.
  • the rotating deflection unit 33 is to realize the rotating deflection unit 33, for example, as a beam splitter with an intensity split of 50:50 and to remove the beam splitter 34 from the third beam path 100 between the converging lens 312 and the rotating element 33.
  • the rotating deflection unit 33 then reflects, on the one hand, the radiation 3 emitted by the transmitter 14 to the target object 4 - with prior focusing of the radiation 3 from the converging lens 312 onto the rotating deflection unit 33 and subsequent collimation of the radiation 3 with the converging lens 320 - and that received by the target object 4 Radiation 7 on the other hand passes through the rotating deflector 33 and can then by means of the converging lens 31 1 on the
  • Receiver 15 are focused.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a scanning system 1
  • the rotating second focusing device 32 has a first converging lens 322 which is located in the transmission path 10 and which collimates the radiation 3 emitted by the transmitter 1 1 towards the target object 4. Furthermore, the rotating second focusing device 32 comprises a second converging lens
  • Deflection unit 33 focused.
  • Deflection unit 33 form a fifth beam path 123.
  • the second converging lens 321 of the rotating second focusing device 32 is vertically above and / or mounted under the first converging lens 322 to allow over the fifth beam path 123, a separation of the transmitting and receiving paths 10, 12.
  • the second converging lens 321 is also located in the rotating frame - which is not included in the drawing - and can on the
  • Coupling unit 50 with the rotating deflector 33 and the first lens 322 are carried.
  • the reception path 12 coincides again with the transmission path 10 to the first beam path 124.
  • re-focusing of the received radiation 7, by the converging lens 310 on the receiver 13 is not shown.
  • the transmitter 1 1 and the receiver 13 form an integrated unit.
  • Receiver 13 would be conceivable, for example, by the use of a beam splitter, for example with an intensity distribution of 50:50 between the converging lens 310 and the rotating deflection unit 33 - analogously to the embodiment according to FIG.
  • the radiation 7 received by the target object 4 can then be focused onto the rotating deflection unit 33 on the fifth beam path 123, which is decoupled from the transmission path 10, and reflected to the beam splitter.
  • a focusing of the received radiation 7 by means of a converging lens on the spatially separated receiver 13 can take place.
  • a further embodiment which is drawn in the schematic perspective illustration in FIG. 4, shows a scanning system 1 with completely decoupled transmitting and receiving paths 10, 12.
  • the structure of the scanning system 1 in the illustration shown is similar to the construction of the scanning system in FIG.
  • the reference numerals in Figure 4 are unchanged to the reference numerals of Figure 1 chosen, if it is equal components. In the following, only the features of FIG. 4 which differ from the features in FIG. 1 will be explained.
  • the rotating deflection unit 33 has a first element 330, which is located in the transmission path 10, and a second element 330 Element 331, which is in the receive path 12.
  • the first element 330 of the rotating deflection unit 33 may be a first mirror which is planar, and / or a first mirror which has a different design, and / or a first prism, and / or a first alternative diffractive optical Element, etc.
  • the second element 331 of the rotating deflection unit 33 may be a second mirror which is made planar, and / or a second mirror, which has a different construction, and / or a second prism, and / or a second one alternative diffractive optical element.
  • the second element 331 is mounted on the axis of rotation 6 of the first element 330 vertically above and / or below the first element 330, and is synchronized via the coupling unit 50 with the movement of the rotating second focusing device 32.
  • the radiation 7 received by the target 4 is focused by the condenser lens 321 onto the second element 331 of the rotating deflector 33, and this redirects the received radiation 7 to the second condenser lens 31 1 of the first focusing device 31.
  • the converging lens 31 1 focuses the received radiation 7 onto the receiver 13.
  • the reception path 12 is completely optically decoupled from the transmission path 10 in a sixth beam path 125, since the emitted radiation 3 of the transmission path 10 is transmitted via the converging lens 312 of the first focusing device 31 first element 330 of the rotary deflector 33 and the converging lens 322 of the rotating second
  • Focusing device 32 propagates towards the target object 4, and the received radiation 7 has a sixth beam path 125 separated therefrom
  • Receive path 12 takes.
  • the converging lens 31 1 can be omitted in front of the receiver 13 in the decoupled receiving path 12. Then the received radiation 7 reaches the receiver 13 without focusing directly.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

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 μm.

Description

Beschreibung
Scansvstem und Sende- und Empfangsvorrichtung für ein Scansvstem 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(14072) = 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 Ωι 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.
Kurzdarstellung der Figuren
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: Figur 1 eine schematische Aufsichtsdarstellung eines Scansystems, das einen
Sende- und Empfangspfad mit einem Sender und Empfänger und einer rotierenden Scanvorrichtung aufweist;
Figur 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;
Figur 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Scansystems mit entkoppeltem Sende- und Empfangspfad zwischen der rotierenden Ablenkeinheit und der rotierenden zweiten Fokussiereinrichtung; und
Figur 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 Figur 1 ist eine erste Ausführungsform eines Scansystem 1 dargestellt. Das Scansystem 1 umfasst einen Sender 1 1 , 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 1 1 , 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 Figur 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 1 1 und der Empfänger 13 sind in der gezeichneten Ausführungsform in einer Einheit integriert. Alternativ wäre auch eine räumliche Trennung des Senders 1 1 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. Figur 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 Figur 1 . Die Bezugszeichen in Figur 2 sind unverändert zu den Bezugszeichen der Figur 1 gewählt, wenn es sich um gleich ausgebildete Bauteile handelt. Im Folgenden werden nur die Merkmale von Figur 2 erklärt, die sich zu den Merkmalen in Figur 1 unterscheiden.
In der Ausführungsform nach Figur 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 31 1 der ersten
Fokussiereinrichtung 31 , und entkoppelt somit den Empfangspfad 12 in einem vierten Strahlengang 122, vom Sendepfad 10. Die Sammellinse 31 1 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 31 1 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 31 1 auf den
Empfänger 15 fokussiert werden.
Figur 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 Figur 1. Die Bezugszeichen in Figur 3 sind unverändert zu den Bezugszeichen der Figur 1 gewählt, wenn es sich um gleich ausgebildete Bauteile handelt. Im Folgenden werden nur die Merkmale von Figur 3 erklärt, die sich zu den Merkmalen in Figur 1 unterscheiden.
Wie in Figur 3 dargestellt ist, weist die rotierende zweite Fokussiereinrichtung 32 eine erste Sammellinse 322 auf, die sich im Sendepfad 10 befindet und die vom Sender 1 1 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 1 1 und dem Empfänger 13 denkbar. Wie in der Ausführungsform nach Figur 3 dargestellt ist, bilden der Sender 1 1 und der Empfänger 13 eine integrierte Einheit. Eine räumliche Trennung des Senders 1 1 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 Figur 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 Figur 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 Figur 1. Die Bezugszeichen in Figur 4 sind unverändert zu den Bezugszeichen der Figur 1 gewählt, wenn es sich um gleich ausgebildete Bauteile handelt. Im Folgenden werden nur die Merkmale von Figur 4 erklärt, die sich zu den Merkmalen in Figur 1 unterscheiden.
Wie in Figur 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 31 1 der ersten Fokussiereinrichtung 31 um. Die Sammellinse 31 1 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 31 1 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 1 1 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.

Claims

Ansprüche 1 . Scansystem,
aufweisend einen Sende- und Empfangspfad (10, 12) mit einem Sender (1 1 , 14) und einem Empfänger (13, 15) und einer rotierenden
Scanvorrichtung (2),
wobei der Sender (1 1 , 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 (1 1 , 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.
2. 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.
3. 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).
4. 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).
5. 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.
6. 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 (31 1 ) im Empfangspfad (12) angeordnet ist,
wobei die Sammellinse (31 1 ) im Empfangspfad (12) die vom Zielobjekt (4) empfangene Strahlung (7) auf den Empfänger (13, 15) fokussiert.
7. 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.
8. Scansystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei die rotierende Ablenkeinheit (33) mit einer Winkelgeschwindigkeit Ωι rotiert,
wobei die rotierende zweite Fokussiereinrichtung (32) der Optik (30) in einem rotierenden Rahmen (5) sitzt, welcher sich mit einer
Winkelgeschwindigkeit Ω2 = 2Ω1 bewegt.
9. Sendevorrichtung für ein Scansystem,
aufweisend einen Sendepfad (10) mit einem Sender (1 1 , 14) und einer rotierenden Scanvorrichtung (2),
wobei der Sender (1 1 , 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
Fokussiereinnchtung (32) zu gewährleisten,
wobei die erste Fokussiereinnchtung (31 ) die vom Sender (1 1 , 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 Fokussiereinnchtung (32) umlenkt,
wobei die rotierende zweite Fokussiereinnchtung (32) die Strahlung (3) zum Zielobjekt (4) hin kollimiert und die Strahldivergenz der von der rotierenden Ablenkeinheit (33) umgelenkten Strahlung (3) dadurch reduziert.
0. 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 Fokussiereinnchtung (31 ) und eine rotierende zweite Fokussiereinnchtung (32) umfasst,
wobei die Bewegungen der rotierenden Ablenkeinheit (33) und der rotierenden zweiten Fokussiereinnchtung (32) synchron erfolgen, um eine Ausrichtung der abgelenkten Strahlung (7) mit der zweiten
Fokussiereinnchtung (32) zu gewährleisten,
wobei die rotierende zweite Fokussiereinnchtung (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.
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