AT504580B1 - Scan-einrichtung - Google Patents

Description

2 AT 504 580 B1

Die Erfindung bezieht sich auf eine Scan-Einrichtung für ein optisches Scanning System, bestehend aus einem Gehäuse, mit einer gerätefesten Quelle für, insbes. impulsförmige, Laserstrahlung, ferner mit Strahl-Ablenkmittel in Form eines Schwingspiegels, um Sende-Strahlen der Laser-Quelle abzulenken und einen Objektraum rasterartig abzutasten, ferner mit einer gerätefesten Empfangseinrichtung für im Objektraum reflektierte Strahlen und einer Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit der Laserstrahlen Entfernungswerte ermittelt, die den jeweiligen Ablenkwinkeln zugeordnet sind, ferner mit ersten Lagern zur drehbaren Lagerung des Schwingspiegels um eine erste Drehachse und mit zweiten Lagern zur drehbaren Lagerung des Schwingspiegels um eine zweite Drehachse, die im Wesentlichen normal zur ersten Drehachse gerichtet ist und mit dieser einen Schnittpunkt definiert, weiters mit einem Fenster aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material, welches das Gehäuse verschließt und durch welches die Sende-Strahlen in den Objektraum austreten und im Objektraum reflektierte Strahlen durch das genannte Fenster wieder in das Gerät eintreten.

Aus der US Patentschrift 4,025,193 ist eine solche Scan-Einrichtung bekannt geworden, die Teil einer Andockhilfe in einem Flugzeug-In-Flight-Betankungssystems ist. Die Einrichtung verfügt über eine Laserquelle, die Laser-Strahlen emittiert, die über einen, um 2 orthogonale Achsen schwenkbaren, Schwingspiegel ausgesendet werden. Im Objektraum reflektierte Strahlen werden über den oben genannten Schwingspiegel auf einen Sensor gelenkt. Die Sende-Strahlen und die reflektierten Strahlen verlaufen parallel und in unterschiedlichen Höhen.

Die Entfernungsmessung erfolgt bei dieser Einrichtung bevorzugt mittels einer Phasenmessung, ist aber gemäß der Beschreibung der zitierten US-PS mit einer Impuls-Laufzeitmessung möglich. Aufgabe dieses Systems ist, zunächst das Tankflugzeug und das zu betankende Flugzeug über Anzeigen oder über direkte Beeinflussung der Autopiloten beider Flugzeuge in geeignete relative Fluglagen zu bringen und anschließend die Düse des Tankrohres des Tankflugzeuges in den Tankstutzen des Empfängerflugzeuges zu lenken. Für diese zweite Phase sind am Tankstutzen, an der Düse des aus einem lenkbaren Tankrüssel teleskopartig ausfahrbaren Tankrohres, sowie am Ende des Tankrüssels Retro-Reflektoren angebracht. Diese Retro-Reflektoren ergeben kräftige reflektierte Signale, die sich deutlich von dem Bildhintergrund abheben. Die Piloten bzw. die entsprechenden Steuereinrichtungen beider Flugzeuge müssen die Bilder der Reflektoren am Tankstutzen und an der Tankrohrdüse zur Deckung bringen. Die Scan-Einrichtung ist im Heck des Tankflugzeuges angeordnet, die Sende-Strahlen treten durch ein ebenes Fenster aus, durch welches die reflektierten Strahlen wieder eintreten. Im Hinblick auf dieses Fenster ist nur ein kleines Gesichtsfeld der Scan-Einrichtung möglich. Durch das Fenster werden die Sende-Strahlen und die reflektierten Strahlen je nach Ablenkwinkel unterschiedlich versetzt, wodurch sich entsprechende Verzeichnungen der Abbildung ergeben. Diese Einschränkungen sind bei dieser speziellen Anwendung ohne besondere Bedeutung, da sich allfällige Abbildungsfehler kompensieren, da die Bilder der beiden Reflektoren zur Deckung gebracht werden und sich die Abbildungsfehler auf beide Bilder gleichermaßen auswirken. Mit dieser Anordnung ist es nicht möglich, einen Raum mit großem Gesichtsfeld und hoher Abbildungsqualität abzutasten.

In den US-Patentschriften 4 039 246 A und 4 024 392 A sind Zielerfassungs- und Zielverfol-gungs-Systeme für Lenkflugkörper beschrieben. Es handelt sich hier nicht um abbildende Systeme. Ist bei diesen Systemen ein Ziel erfasst, so wird dieses weiter verfolgt, wobei das System in Bezug auf alle anderen Objekte „blind“ ist. Um bei diesen Systemen ein möglichst großes Gesichtsfeld zu erhalten, wurde das Fenster in Form einer sphärischen Kuppel ausgebildet. Bei Zielerfassungssystemen ist wohl primär von Bedeutung zu wissen, in welchem Bereich (Quadranten) des Gesichtsfeldes sich das Ziel befindet. Daher sind Abweichungen und Verzeichnungen der optischen Abbildung nur von untergeordneter Bedeutung. Gemäß der erstgenannten US-PS ist ein Spiegelteleskop vorgesehen, dessen Primär- und Sekundärspiegel um eine gemeinsame Achse drehbar angeordnet sind. Beide Spiegel sind gegenüber der Drehachse geringfügig gekippt und werden mit unterschiedlicher Drehzahl angetrieben. Die optischen Achsen der eintretenden Strahlen beschreiben dadurch Schleifen, die in Summe ein rosettenartiges 3 AT 504 580 B1

Abtastmuster ergeben. Das System arbeitet rein passiv, das heißt es wird nur die von den Zielen emittierte Strahlung ausgewertet. Eine Entfernungsmessung ist daher bei diesem System nicht möglich. Das rosettenartige Abtastmuster hat im zentralen Bereich eine hohe Auflösung, im peripheren Bereich eine geringe. Um dies zu kompensieren, ist das Spiegelteleskop karda-nisch gelagert und wird einem einmal erfassten Ziel so nachgeführt, dass sich dieses stets im Zentrum des Gesichtsfeldes befindet. Das kardanisch gelagerte Spiegelteleskop ist durch eine transparente, sphärische Kuppel abgedeckt. Das System ist nicht in der Lage, ein Objektfeld mit konstanter Auflösung, Abbildungsqualität und hoher Geschwindigkeit abzutasten und weist darüber hinaus sehr große Massen und Trägheitsmomenten auf, so dass es empfindlich gegen Beschleunigungen und Vibrationen ist.

In der US-Patentschrift 4,024,392 A ist ein ähnliches System beschrieben. Auch hier wird ein Spiegelteleskop eingesetzt, welches kardanisch gelagert ist. Die Strahlen eines ortsfesten Lasers werden über ein komplexes Prismensystem durch die Lager der Kardan-Rahmen ins Zentrum des Spiegelteleskops gelenkt und werden in der optischen Achse des Systems ausgesandt. Die Laser-Strahlung dient der Beleuchtung des Gesichtsfeldes, so dass auch Ziele erfasst werden können, die keine Strahlung emittieren. Die reflektierten Strahlen werden durch den Teleskopspiegel auf einen 4-Quadranten- Sensor gelenkt. Über eine entsprechende Steuereinrichtung wird das Teleskop dem erfassten Ziel nachgeführt. Optional kann ein TV-Kamerasystem vorgesehen sein, so dass das Ziel auch beobachtet werden kann. Auch in diesem Fall ist das Spiegelteleskop durch eine transparente Kuppel abgedeckt.

Keines der beiden Systeme weist einen Laserentfernungsmesser auf, so dass sie nicht geeignet sind, Daten aufzunehmen, aus denen Entfernungsbilder oder auch 3-D-Modelle entwickelt werden können. Bei diesen Zielerfassungssystemen sind daher auch die Anforderungen an die Abbildungsqualität und Verzeichnungsfreiheit vergleichsweise gering.

In der DE 33 17 232 A1 ist ein ähnliches System beschrieben. Dieses System weist zusätzlich zwei Entfernungs- bzw. Abstandssensoren auf, die jedoch nicht Teil eines Abbildungssystems sind, sondern die Zündung einer Sprengladung bei Vorbeiflug an einem Ziel auslösen.

In der US-Patentanmeldung US 2003/0098387 A1 ein Rundumsucher zur Erfassung von anfliegenden Lenkflugkörpern beschrieben. Auch hier ist der optische Sensor in Kardanrahmen um zwei orthogonale Achsen schwenkbar gelagert. Bei Erfassen einer Infra-Rot-Quelle (Triebwerk einer Lenkrakete) werden „Gegenmaßnahmen“ ausgelöst. In der Anmeldung wird hierzu vorgeschlagen, hochenergetische Laser-Strahlen auszusenden, durch welche die optische Zielverfolgungseinrichtung des Lenkflugkörpers geblendet und dieser damit ausgeschaltet werden soll. Es liegt auch hier kein abbildendes System vor.

In der EP 1 035 399 A1 ist wieder ein Sensor für ein Lenkwaffensystem beschrieben. Der Sensor ist kardanisch aufgehängt. Bei Objekten mit geringer IR-Emission wird das Ziel mit einem Laser beleuchtet, eine Entfernungsmessung ist zusätzlich möglich. Auf Grund der großen zu bewegenden Massen sind nur geringe Abtastraten möglich.

In der US-PS 6,422,508 B1 ist ein Kamerasystem beschrieben, das TV- Kameras für verschiedene Wellenlängenbereiche und Auflösungen umfasst. Das System ist auf einer stabilisierten Plattform gelagert und um zwei Achsen ferngesteuert verstellbar. Es ist mit diesem System nicht möglich, Entfernungsbilder oder 3-D-Modelle zu generieren.

In der US-PS 5,200,606 A ist ein Zielsuch- und Verfolgungssystem beschrieben, das dem aus der EP 1 035 399 A1 bekanntem ähnlich ist. Es verfügt wieder über ein Spiegelteleskop, welches kardanisch gelagert ist. Zusätzlich ist noch ein schnelles Abtastsystem bestehend aus einem, um eine Achse schwenkbarem Schwingspiegel vorgesehen. Eine zweite Abtastrichtung ergibt sich durch eine fächerartige Ausbildung der Sende-Strahlen in Verbindung mit Diodenzeilen als Empfänger. 4 AT 504 580 B1

In der US Anmeldeschrift US 2006/0152705 A1 ist ein Laser-Radar-System beschrieben, welches ein Gehäuse mit ebenen Fenstern für die Sende-Strahlen und die reflektierten Strahlen aufweist. Die Fenster werden mittels Druckluft von anhaftenden Verunreinigungen und Wassertropfen frei gehalten. 5

In der DE 10 2005 013 817 A1 ist ein Abstandserfassungs-System für Fahrzeuge beschrieben, welches über je ein ebenes Fenster für die Sende-Strahlen und die reflektierten Strahlen verfügt. Durch zusätzliche, vor den Fenstern angeordnete transparente Schutzplatten sollen diese vor Beschädigung geschützt werden. 10

Es ist ein Ziel der Erfindung, die dem oben dokumentierten Stand der Technik anhaftende Nachteile und Einschränkungen zu beseitigen und ein qualitativ hochwertiges 3-D-Abbil-dungsystem zu schaffen, das über hohe Abtastraten und ein großes Gesichtsfeld verfügt, robust ausgeführt und gegen Umwelt- und andere äußere Einflüsse, wie Beschleunigungen und 15 Vibrationen auf der einen Seite und schnelle Temperatur- und Druckschwankungen und hohe Luftfeuchte auf der anderen Seite unempfindlich ist.

Die oa. Ziele werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Fenster in an sich bekannter Weise sphärisch ausgebildet ist, wobei, wie in ebenfalls bekannter Weise, der Krümmungsmit-20 telpunkt mit dem genannten Schnittpunkt der Drehachsen (A1, A2) der Strahl-Ablenkmittel im Wesentlichen zusammenfällt, dass vorzugsweise Korrekturmittel im Strahlengang der Sende-Strahlen und / oder der reflektierten Strahlen vorgesehen sind, welche die optische Wirkung des gekrümmten Fensters kompensieren, und dass die Sende-Strahlen und die auf die Empfangseinrichtung gerichteten, reflektierten Strahlen zumindest zwischen dem Schwingspiegel und 25 dem sphärischen Fenster koaxial verlaufen, wobei im Strahlengang der Sende-Strahlen und im Strahlengang der reflektierten Strahlen, vorzugsweise zwischen dem Schwingspiegel und der Laserquelle bzw. der Empfangseinrichtung ein Strahlenteiler für die Sende-Strahlen und die reflektierten Strahlen vorgesehen ist, über welchen die über den Schwingspiegel zurückgeführten reflektierten Strahlen auf die gerätefeste Empfangseinrichtung gerichtet werden. 30

Bei der erfindungsgemäßen Scan-Einrichtung besteht der Strahlenteiler vorzugsweise aus einem Spiegel mit einer zentralen Durchbrechung, durch welche die Sende-Strahlen durchtreten können, während die reflektierten Strahlen an der Spiegeloberfläche reflektiert werden. 35 Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die optische Achse der auf den Schwingspiegel gerichteten Sende-Strahlen mit der ersten Drehachse des Schwingspiegels zusammenfällt.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn im Strahlengang der Sende-Strahlen und der im Objektraum reflektierten Strahlen je ein optisches System vorgesehen ist und in dem Bereich, in 40 dem die Sende- und reflektierten Strahlen koaxial geführt sind, als Korrekturmittel zur Kompensation der negativen Brechkraft des sphärischen Fensters eine einzige, gemeinsame Korrekturlinse vorgesehen ist.

Alternativ zur oben angeführten Lösung kann zur Kompensation der negativen Brechkraft des 45 sphärischen Fensters zumindest einer der in den Strahlengängen angeordneten Spiegel, beispielsweise der Schwingspiegel, konkav gekrümmt ausgeführt sein.

Vorzugsweise ist der Schwingspiegel in einem U-förmigem Lagerbock um die zweite Drehachse schwenkbar gelagert, der auf einem Drehteller angeordnet ist, welcher mittels eines Elektromo-50 tors, vorzugsweise eines Schrittmotors, um die erste Drehachse drehbar ist, wobei gegebenenfalls ein Winkeldecoder zur Ermittlung der exakten Ausrichtung des Schwingspiegels um die erste Achse vorgesehen ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Schwingspiegel durch einen am Lager-55 bock angeordneten Drehmomentmotor mit begrenztem Drehwinkel um die zweite Achse 5 AT 504 580 B1 schwenkbar, wobei gegebenenfalls zur Messung des vom Schwingspiegel tatsächlich erreichten Drehwinkels ein weiterer Winkeldecoder vorgesehen ist.

Um den Anforderung nach besonderer Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse zu entsprechen verschließt das sphärischen Fenster das Gehäuse dicht, vorzugsweise gasdicht, wobei das Gehäuse in sich dicht ausgeführt ist und entsprechend dichte Durchführungen bzw. Durchführungsstecker für elektrische Leitungen und gegebenenfalls auch für Lichtleiter für die Sende-Strahlen und / oder für die reflektierten Strahlen aufweist. Vorzugsweise ist das Gehäuse mit einem inerten Gas gefüllt und weist eine Heizung auf.

Vorteilhaft steht das Gehäuse gegenüber der umgebenden Atmosphäre unter Überdruck, wobei vorzugsweise ein Sensor zu Überwachung des Druckes vorgesehen ist.

Vorzugsweise weist das sphärische Fenster eine Wandstärke von max. 4 mm, vorzugsweise 1 bis 2,5 mm auf und besteht vorteilhaft aus Kunststoff, insbes. aus Polymethylmethacrylat.

Um eine Einstreuung von Sendelaserlicht in den Empfangskanal zu vermeiden ist das sphärische Fenster insbes. an seiner Innenseite mit einem Antireflexbelag beschichtet, der auf die Wellenlänge der von der Laserquelle emittierten Strahlung abgestimmt ist, wobei gegebenenfalls das sphärische Fenster insbes. an seiner Außenseite mit einem harten, kratzfesten Belag, beispielsweise aus Siliziumoxyd beschichtet ist.

Um die Bildung eines störenden Wasser- oder Schmutzfilms bzw. von Tropfen zu vermeiden ist das sphärische Fenster an seiner Außenseite mit einem Anti-Regenbelag beschichtet ist.

Vorzugsweise gibt die Auswerteeinrichtung nur solche Entfernungswerte für die weitere Verarbeitung frei, die deutlich größer als der Radius des sphärischen Fensters sind.

Die Auswirkung störender Reflexe kann auch dadurch unterdrückt werden, dass das sphärische Fenster an seiner Außenseite mit einem Anti-Regenbelag beschichtet ist, um die Bildung eines Wasser- und gegebenenfalls eines Schmutz-Filmes bzw. von Tropfen zu vermeiden.

Um eine Störung durch eine Verschmutzung der Fensteroberfläche zu vermeiden, kann die Auswerteeinrichtung laufend die Amplituden der reflektierten Strahlen ermitteln, die einer Entfernung ungefähr gleich dem Radius des sphärischen Fensters entsprechen und als Maß für eine allfällige Verschmutzung desselben dienen, wobei bei Überschreiten eines Amplitudenschwellwertes ein Signal ausgelöst wird.

Bei Anwendung der neuen Scan-Einrichtung in Fluggeräten, wie in bemannten oder unbemannten Flächenflugzeugen oder Hubschraubern, wird die Achse des Gesichtsfeldes der Scan-Einrichtung im Wesentlichen entsprechend der Flugrichtung ausgerichtet. Die Daten der Auswerteeinrichtung werden zusammen mit Daten des Fluggerätes, wie Position, Lage, Geschwindigkeit, Kurs, Steig- bzw. Sinkgeschwindigkeit einer Verarbeitungseinheit zugeführt, welche aus diesen das Risiko einer Kollision mit einem im Gesichtsfeld der Scan-Einrichtung ermittelten, ortsfesten oder bewegten Objekt berechnet und bei Feststellung eines solchen Risikos ein Warnsignal auslöst bzw. ein entsprechendes Ausweichmanöver einleitet.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen, schematischen Zeichnungen.

Die Fig. 1 zeigt im Schnitt durch eine Scan-Einrichtung gemäß der Erfindung.

Die Fig. 2 veranschaulicht ein Blockschalt-Schema der zugehörigen Elektronik. 6 AT 504 580 B1

Gemäß der Fig. 1 hat das Gehäuse 1 ein sphärisches, kuppelartiges Fenster 2, hinter welchem ein Schwingspiegel 3 gelagert ist. Dieser Schwingspiegel 3 dient als Strahl-Ablenkmittel, der Sende-Strahlen 4 durch das Fenster 2 aussendet.

Das Fenster 2 kann aus Glas oder aus Polymethylmethacrylate bestehen. Fenster aus diesem Kunststoff werden vorzugsweise mit einer kratzfesten Schutzschicht beschichtet. Sowohl bei Verwendung von Glas als auch von PMMA ist es vorteilhaft, die Oberfläche des Fensters 2 mit einer Antireflex- und / oder einer Anti-Regenschicht zu beschichten. Die Antiregenschicht soll eine Verschmutzung der Oberfläche oder auch eine Tropfenbildung auf dieser vermeiden. Die Stärke „th“ des Fensters 2 sollte so gering wie möglich sein, um die optische Wirkung desselben zu reduzieren. Die Wandstärke des Fensters 2 sollte nicht mehr als 4 mm betragen. Um den Festigkeitsanforderungen zu entsprechen, könnte je nach Fenstergröße und maximaler Druckdifferenz zwischen dem Gehäuseinneren und der umgebenden Atmosphäre eine Wandstärke im Bereich von 1 mm bis 2,5 mm gewählt werden. Das Fenster 2 weist an seinem Rand einen Flansch 34 auf. Zwischen dem Gehäuse 1 und dem Flansch 34 ist eine O-Ringdichtung 33 eingelegt. Mittels eines Ringes 35 und Spannschrauben 36 wird die O-Ringdichtung 33 niedergespannt. Der Gehäuseboden 37 wird mit an sich bekannten und in Fig. 1 nicht dargestellten Dichtungen abgedichtet. In Fig. 1 nicht dargestellt ist der Durchführungsstecker 20 (Fig. 2), der in sich gasdicht ist und dicht in den Gehäuseboden 37 eingebaut ist. Um den extremen Umweltbedingungen bei einem Einsatz in einem Fluggerät, wie stark wechselnde Temperatur-, Luftfeuchtigkeits- und Druckwerten gerecht zu werden, ohne dass es zu Kondenswasserbildung oder zu einer beschlagenen Fensteroberfläche kommt, ist das gasdicht gekapselte Gehäuse mit Stickstoff gefüllt, dem jede Feuchtigkeit entzogen worden ist. Das Gehäuse steht unter erhöhtem Innendruck, der von einem nicht dargestellten Drucksensor überwacht wird. Bei Absinken des Druckes unter einen vorgegebenen Pegel wird ein Warnsignal ausgelöst. Optional kann im Gehäuse 1 zusätzlich eine nicht dargestellte Heizung vorgesehen sein.

Um den Schwingspiegel 3 um 2 Achsen schwenkbar zu machen, ist ein im Wesentlichen U-förmiger Lagerbock 5 vorgesehen, der auf einem Drehteller 6 befestigt ist, welcher Drehteller in einer Lagerung 7 gelagert ist und eine im Wesentlichen vertikale Achse A1 definiert. Die zwei vertikalen Schenkel des U-förmigen Lagerbockes 5 weisen eine Lagerung auf, die eine im Wesentlichen horizontale Achse A2 definiert, die normal zur vertikalen Achse A1 verläuft. Die Fig. 1 zeigt deutlich, dass sich die beiden Achsen in der reflektierenden Oberfläche P des Spiegels 3 schneiden. Um Verzeichnungen und andere Abbildungsfehler zu minimieren sollte berücksichtigt werden, dass das transparente Fenster 2 als Linse wirkt und solche Verzeichnungen und Abbildungsfehler sowohl im Sende- als auch im Empfangskanal verursachen kann. Vorteilhaft fällt der Schnittpunkt der Achsen A1, A2 möglichst exakt mit dem Krümmungsmittelpunkt des Fensters 2 zusammen. Dadurch können die Sende-Strahlen 4 die gesamte Fläche des Fensters 2 überstreichen, ohne dass sich die optische Wirkung des Fensters ändert.

Um die exakte Koinzidenz des Schnittpunktes der Achsen A1 und A2 sowie der Oberfläche P des Schwingspiegels 3 und des Krümmungsmittelpunktes des sphärischen Fensters 2 sicherzustellen, sind entsprechende Justageeinrichtungen vorgesehen (nicht dargestellt).

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im Interesse einer Minimierung der Abbildungsfehler und Verzeichnungen eine der beiden Achsen A1 und A2, gemäß der Fig. 2, in die Spiegel-Ebene P des Spiegels 3 gelegt. Im Prinzip könnte dies sowohl die Achse A1 als auch die Achse A2 sein, vorzugsweise ist dies aber die horizontale Achse A2.

Um den Schwingspiegel 3 um die Achse A1 zu schwenken ist ein erster Motor M1 vorgesehen, um den Drehteller 6 anzutreiben. Dieser Motor M1 ist vorzugsweise ein Schrittmotor, so dass eine entsprechende Genauigkeit der Bewegung des Drehtellers 6 gewährleistet wird. Der Motor M1 kann den Drehteller 6 direkt antreiben, durch Einschaltung eines Getriebes, insbes. eines Zahnriemens 10 erzielt man erhöhte konstruktive Flexibilität. Die Drehung des Drehtellers 6 wird durch einen Winkel-Encoder 11 übenwacht, der beispielsweise eine Winkel-Codierscheibe 11a 7 AT 504 580 B1 und einen optischen Lesekopf 11b umfasst. Es kann aber auch jede beliebige Winkel-Encoder-Konstruktion eingesetzt werden, wie andere optische, induktive oder kapazitive Systeme.

Da der Schwingspiegel 3 um die Achse A2 nur um einen begrenzten Winkel geschwenkt werden muss, ist es vorteilhaft, ihn um diese Achse mit einem Limited Angle Torque Motor (LAT) M2, also mit einem Drehmomentmotor mit begrenztem Drehwinkel anzutreiben. Es können aber auch andere Motortypen eingesetzt werden. Ein dem Encoder 11 ähnlicher Winkel-Encoder kann eingesetzt werden, um die Drehung um die Achse A2 zu überwachen. In der Fig. 1 ist der Winkel-Encoder 11' nur schematisch als Winkel-Codierscheibe angedeutet. Durch die Bewegung des Schwingspiegels 3 um die beiden Achsen A1 und A2 wird das Gesichtsfeld des Systems durch das Fenster 2 abgetastet, wobei der Spiegel um die Achse A1 mit beispielsweise 2 Hz schwingt, um die Achse A2 hingegen mit beispielsweise 20 Hz. Entsprechend den unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Bewegungen des Spiegels 3 sind die Massen bzw. Trägheitsmomente der bewegten Elemente bezüglich der Achse A2 deutlich geringer als jene bezüglich der Achse A1.

Im Gehäuse 1 ist ein Laser-Transmitter bzw. eine Laser-Quelle 12 vorgesehen. Die von dem Laser-Transmitter 12 emittierten Sende-Strahlen 4 werden durch ein entsprechendes optisches System 13, einen Umlenkspiegel 18 und eine (optionale) Korrekturlinse 21 auf den Schwingspiegel 3 gelenkt. In dem letzteren Bereich ist die optische Achse identisch mit der Drehachse A1 des Schwingspiegels 3, der die Sende-Strahlen 4 über die gesamte Höhe und Breite des Fensters 2 führt.

Die Sende-Strahlen 4 werden auf ein Objekt, außerhalb des Fensters 2 gelenkt und werden an diesem Objekt reflektiert. Die reflektierten Strahlen 4' treten durch das Fenster 2 in das Gerät ein und treffen auf den Schwingspiegel 3 und werden von diesem auf einen Strahlenteiler 14 gelenkt, der die Sende-Strahlen 4 von den reflektierten Strahlen 4' trennt.

Die Trennung der Sende-Strahlen 4 und der reflektierten Strahlen 4’ kann auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise mit einem teilverspiegelten Strahlenteiler. Da dies aber eine Dämpfung bzw. Abschwächung sowohl des Sende- als auch des reflektierten Signals zur Folge hat, ist es vorteilhaft, den Strahlenteiler 14 mit einer zentralen Bohrung 15 auszuführen, welche ein Durchtreten des dünnen Bündels der Send-Strahlen 4 durch die Bohrung 15 erlaubt, während der Reflektor 14 das relativ größere Bündel von reflektierten Strahlen 4' durch die Empfänger-Optik 16 auf den Empfänger 17 lenkt. Die Sende- und die reflektierten Strahlen verlaufen koaxial und werden gemeinsam vom Schwingspiegel 3 abgelenkt. Da das Bündel der reflektierten Strahlen 4' einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist, ist es vorteilhaft, den Schwingspiegel 3 elliptisch auszuführen, wobei sich die große Achse der Ellipse aus dem Durchmesser des Bündels der reflektierten Strahlen 4' und dem maximalen Ablenkwinkel des Schwingspiegels 3 ergibt. Der Laser-Transmitter 12, die Sendeoptik 13, der Umlenkspiegel 18 und der Strahlenteiler 14, 15 sind fest im Gehäuse angeordnet. Das gleiche gilt für den Empfänger 17 samt der Empfangsoptik 16 und der Korrekturlinse 21.

Wie in Fig. 2 angedeutet ist, erfolgt die Verbindung zwischen dem Laser-Transmitter 12 und dem Empfänger 17 einerseits und den entsprechenden elektronischen Schaltkreisen andererseits über eine schematisch gezeigte, dichte Steckverbindungen 20. Die einzelnen Schaltkreise des Blockschaltbildes werden nachfolgend zusammen mit der Fig. 2 näher erläutert.

Es wurde bereits oben erwähnt, dass das Fenster 2 durch seine Formgebung als eine sphärische Kuppel die Wirkung einer Linse aufweist. Obwohl der Effekt durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung klein ist, kann es zweckmäßig sein, auch die Restfehler zu eliminieren. Diese Korrektur oder Kompensation kann entweder so ausgeführt werden, dass sie sowohl auf die Sende-Strahlen 4 als auch auf die reflektierten Strahlen 4' wirkt oder auch separat für die beiden Strahlen. Im ersteren Fall besteht dies in der Einführung der Korrekturlinse 21 (Fig. 1) in den Strahlengang. Alternativ kann die Oberfläche des Schwingspiegels 3 zur Kompensation

Claims (19)

1. 8 AT 504 580 B1 geringfügig konkav gekrümmt ausgeführt werden.. Wie in Fig. 2 ersichtlich ist eine Treiberstufe 22, 22’ je einem der Motore M1 und M2 zugeordnet. Diese Treiberstufen 22, 22' werden von einem Scanner-Controller 23 so angesteuert, dass sich eine synchrone Bewegung des Spiegels 3 ergibt. Um eine solche synchrone Bewegung zu erzielen, werden andererseits dem Scanner-Controller 23 die Ausgangssignale der beiden Winkel-Encoder 11, 11’ zugeführt. Der Scanner-Controller wird durch eine Stromversorgungsstufe 24' gespeist. Ein Ausgangssignal des Scanner-Controllers 23 wird einem ersten Interface 25 zugeführt, welches mit dem Laser-Controller 26 kommuniziert, um die Transmitterstufe 12’ zu steuern, welche den Laser-Transmitter 12 (Fig. 1) umfasst. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sendet der Laser-Transmitter 12 Impulse zu beliebigen Zeiten aus, während der Schwingspiegel 3 andererseits eine beliebige Stellung einnimmt. Diese Kommunikation des Laser-Controllers 26 in Verbindung mit dem Scanner-Controller 23 ermöglicht dem ersten Interface 25, Informationssignale basierend auf Laser-Synchron-Signalen (Laser Clock) zu generieren, welche den Beginn eines Count-Downs definieren, der zur Bestimmung der Laufzeit (Time of Flight) eines Laser-Impulses dient. Diese Informationssignale umfassen auch die Scann-Winkel-Daten und lösen einen Befehl an das zweite Interface 27 aus, welches seinerseits die notwendigen Signal-Informationen an einen Mikroprozessor 28 sendet, um die Entfernung und gegebenenfalls andere Informationen zu bestimmen. Der Mikroprozessor 28 empfängt Signale von der Empfangsstufe 17' nachdem diese in einer Digitalisierungsstufe 29 digitalisiert worden sind. Die Empfangsstufe ist abweichend von Fig. 1 nicht innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet, sondern in einer separaten Elektronikeinheit 31. Die Verbindung zur Empfangsstufe 17' erfolgt über ein Glasfaserkabel 32 und eine entsprechende optische Steckverbindung im Stecker 20. Da die ermittelte Pulslaufzeit (Time of Flight) die Entfernung in Richtung der Sende-Strahlen 4 (FIG. 1) ergibt und die Winkel-Encoder 11, 11' über das zweite Interface eine 2-dimensionale Information liefern, bezüglich welcher der Entfernungswert in Richtung der Sende-Strahlen 4 die dritte Dimension ergibt, verfügt der Mikroprozessor 28 über alle notwendigen Daten, um ein Entfernungs- bzw. ein 3-D Bild zu erzeugen. Der Mikroprozessor kann ein solches Bild generieren und über ein drittes Interface 30 einem Display bzw. einem Monitor (nicht dargestellt) zuführen. Eine geeignete Software im Mikroprozessor 28 oder in einer separaten Stufe, die einer an sich bekannten CAD-Software ähnlich und geeignet ist ein dreidimensionales Bild zu erzeugen, kann direkt oder in einer modifizierten Version benutzt werden, um das 3-D-Bild am Bildschirm beliebig zu drehen. Patentansprüche: 1. Scan-Einrichtung für ein optisches Scanning System, bestehend aus einem Gehäuse mit einer gerätefesten Quelle für, insbesondere impulsförmige, Laserstrahlung, ferner mit Strahl-Ablenkmittel in Form eines Schwingspiegels, um Sende-Strahlen der Laser-Quelle abzulenken und einen Objektraum rasterartig abzutasten, ferner mit einer gerätefesten Empfangseinrichtung für im Objektraum reflektierte Strahlen und einer Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit der Laserstrahlen Entfernungswerte ermittelt, die den jeweiligen Ablenkwinkeln zugeordnet sind, ferner mit ersten Lagern zur drehbaren Lagerung des Schwingspiegels um eine erste Drehachse und mit zweiten Lagern zur drehbaren Lagerung des Schwingspiegels um eine zweite Drehachse, die im Wesentlichen normal zur ersten Drehachse gerichtet ist und mit dieser einen Schnittpunkt definiert, weiters mit einem Fenster aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material, welches das Gehäuse verschließt und durch welches die Sende-Strahlen in den Objektraum austreten und im Objektraum reflektierte Strahlen durch das genannte Fenster wieder in das Gerät eintreten, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (2) in an sich bekannter Weise sphärisch ausgebildet ist, wobei, wie in ebenfalls bekannter Weise, der Krümmungsmittelpunkt mit dem genannten Schnittpunkt der Drehachsen (A1, A2) der Strahl-Ablenkmittel (3) im Wesentlichen zusammenfällt, dass 9 AT 504 580 B1 vorzugsweise Korrekturmittel (21) im Strahlengang der Sende-Strahlen (4) und / oder der reflektierten Strahlen (4) vorgesehen sind, welche die optische Wirkung des gekrümmten Fensters (2) kompensieren, und dass die Sende-Strahlen (4) und die auf die Empfangseinrichtung (17) gerichteten, reflektierten Strahlen (4) zumindest zwischen dem Schwingspiegel (3) und dem sphärischen Fenster (2) koaxial verlaufen, wobei im Strahlengang der Sende-Strahlen (4) und im Strahlengang der reflektierten Strahlen (4), vorzugsweise zwischen dem Schwingspiegel (3) und der Laserquelle (12) bzw. der Empfangseinrichtung (17), ein Strahlenteiler (14, 15) vorgesehen ist, über welchen die über den Schwingspiegel (3) zurückgeführten reflektierten Strahlen (4) auf die gerätefeste Empfangseinrichtung (17) gerichtet werden.
2. 2. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenteiler aus einem Spiegel (14) mit einer zentralen Durchbrechung (15) besteht, durch welche die Sende-Strahlen (4) durchtreten können, während die reflektierten Strahlen (4) an der Spiegeloberfläche (14) reflektiert werden.
3. 3. Scan-Einrichtung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse der auf den Schwingspiegel (3) gerichteten Sende-Strahlen (4) mit der ersten Drehachse (A1) des Schwingspiegels (3) zusammenfällt.
4. 4. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Sende-Strahlen (4) und der im Objektraum reflektierten Strahlen (4) je ein optisches System (13 bzw. 16) vorgesehen ist und in dem Bereich, in dem die Sende-und reflektierten Strahlen (4 und 4) koaxial geführt sind, als Korrekturmittel zur Kompensation der negativen Brechkraft des sphärischen Fensters (2) eine einzige, gemeinsame Korrekturlinse (21) vorgesehen ist.
5. 5. Scan-Einrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der negativen Brechkraft des sphärischen Fensters (2) zumindest einer der in den Strahlengängen angeordneten Spiegel (3 bzw. 14, 18), beispielsweise der Schwingspiegel (3), konkav gekrümmt ausgeführt ist.
6. 6. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingspiegel (3) in einem U-förmigem Lagerbock (5) um die zweite Drehachse (A2) schwenkbar gelagert ist, der auf einem Drehteller (6) angeordnet ist, welcher mittels eines Elektromotors (M1), vorzugsweise eines Schrittmotors, um die erste Drehachse (A1) drehbar ist, wobei gegebenenfalls ein Winkeldecoder (11) zur Ermittlung der exakten Ausrichtung des Schwingspiegels (3) um die erste Achse (AI) vorgesehen ist.
7. 7. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingspiegel (3) durch einen am Lagerbock (5) angeordneten Drehmomentmotor (M2) mit begrenztem Drehwinkel um die zweite Achse (A2) schwenkbar ist, wobei gegebenenfalls zur Messung des vom Schwingspiegel tatsächlich erreichten Drehwinkels ein weiterer Winkeldecoder (11) vorgesehen ist.
8. 8. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärischen Fenster (2) das Gehäuse (1) dicht, vorzugsweise gasdicht verschließt, wobei das Gehäuse (1) in sich dicht ausgeführt ist und entsprechend dichte Durchführun- 1 0 ΑΤ 504 580 Β1 gen bzw. Durchführungsstecker (20) für elektrische Leitungen und gegebenenfalls auch für Lichtleiter (32) für die Sende-Strahlen (4) und / oder für die reflektierten Strahlen (4) aufweist. (Fig. 2)
9. 9. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdicht ausgeführte Gehäuse (1) mit einem inerten Gas, vorzugsweise mit getrocknetem Stickstoffgas gefüllt ist.
10. 10. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse-Inneren eine Heizung vorgesehen ist.
11. 11. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) gegenüber der umgebenden Atmosphäre unter Überdruck steht, wobei vorzugsweise ein Sensor zu Überwachung des Druckes vorgesehen ist.
12. 12. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärische Fenster (2) eine Wandstärke von max. 4 mm, vorzugsweise 1 bis 2,5 mm aufweist und vorzugsweise aus Kunststoff, insbes. aus Polymethylmethacrylat, besteht.
13. 13. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärische Fenster (2) insbes. an seiner Innenseite mit einem Antireflexbelag beschichtet ist, der auf die Wellenlänge der von der Laserquelle (12) emittierten Strahlung abgestimmt ist.
14. 14. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärische Fenster (2) insbes. an seiner Außenseite mit einem harten, kratzfesten Belag, beispielsweise aus Siliziumoxyd, beschichtet ist.
15. 15. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 und 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärische Fenster (2) an seiner Außenseite mit einem Anti-Regenbelag beschichtet ist, um die Bildung eines Wasser- und gegebenenfalls eines Schmutz-Filmes bzw. von Tropfen zu vermeiden.
16. 16. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (31) nur solche Entfernungswerte für die weitere Verarbeitung freigibt, die deutlich größer als der Radius des sphärischen Fensters (2) sind.
17. 17. Scan-Einrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (31) die Amplituden der reflektierten Strahlen (4), die einer Entfernung ungefähr gleich dem Radius des sphärischen Fensters (2) entsprechen, als Maß für eine allfällige Verschmutzung desselben ermittelt und bei Überschreiten eines Amplituden-schwellwertes ein Signal ausgibt.
18. 18. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (31) einen Rechner umfasst oder dieser ein Computer nachge- 1 1 AT 504 580 B1 schaltet ist, um aus den gemessenen Entfernungswerten und den zugeordneten Ablenkwinkeln ein 3-D Bild bzw. Modell zu berechnen.
19. 19. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 18 angewendet in Fluggeräten, wie in bemannten oder unbemannten Flächenflugzeugen oder Hubschraubern, wobei die Achse des Gesichtsfeldes der Scan-Einrichtung im Wesentlichen der Flugrichtung entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Auswerteeinrichtung (31) zusammen mit Daten des Fluggerätes, wie Position, Lage, Geschwindigkeit, Kurs, Steig- bzw. Sinkgeschwindigkeit einer Verarbeitungseinheit zuführbar sind, welche aus diesen das Risiko einer Kollision mit einem im Gesichtsfeld der Scan-Einrichtung ermittelten ortsfesten oder bewegten Objekt berechnet und bei Feststellung eines solchen Risikos ein Warnsignal auslöst bzw. ein entsprechendes Ausweichmanöver einleitet. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen