CN109815756B - 用于检测监测区域中的对象的多边形扫描仪和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于检测监测区域中的对象的多边形扫描仪和方法。提出了用于检测对象(24)的多边形扫描仪(10)，具有：光发射器(12)、光接收器(30)、用于评估光接收器(30)的接收信号的评估单元(32)以及用于周期性地偏转光束(16)的可旋转的反射镜单元(20)，该反射镜单元具有多个镜面(34)，以便反射镜单元(20)每次转动均通过相应的镜面(34)多次扫描角部分，其中至少一些镜面(34)具有彼此不同的曲率。在此，至少一个镜面(34)被构造成自由型面，该自由型面的曲率与在反射镜单元(20)旋转期间发射的光束(16)在镜面(34)上变化的入射角适配。

Description

用于检测监测区域中的对象的多边形扫描仪和方法
本发明涉及用于检测监测区域中对象的多边形扫描仪和方法。
激光扫描仪被用于各种监测和测量任务。为此，使用被旋转反射镜(Drehspiegel)偏转的光束扫描监测平面，并对反射光进行评估。在多边形扫描仪中，旋转反射镜具有多个镜面，使得只检测该监测平面的部分截面，但是每次转动都对应于镜面数量地多次检测该部分截面。旋转反射镜也被称为多边形反射镜轮或简称为多边形轮。
多边形扫描仪的可能任务仅仅是对象检测。此外，为了获得关于对象间距、轮廓或外型的信息，通常不仅确定对象的存在，而且还确定它们的距离。为此，测量光飞行时间。两种类型的光飞行时间方法被广泛应用。在基于相位的方法中，光发射器调制扫描光束，并确定参考和接收的扫描光束之间的相位。基于脉冲的方法在扫描光束上施加显著的模式(Muster)，例如持续时间仅为几纳秒的窄脉冲，并确定该模式的接收时刻。在被称为脉冲平均法的一般化方式中，发射多个脉冲或脉冲序列，并且统计地评估接收的脉冲。
多边形扫描仪的特殊的结构原理通常应用在条形码扫描仪中，其中相对少的缺点意味着省去了仅具有一个镜面的激光扫描仪高达360°的典型的大的探测角度，通过多个镜面支持每次转动提高的采样率(Abtastrate)。
具有多边形反射镜轮的条形码扫描仪例如从EP 0 967 458 B1中已知。在那里，还提出了同步的可行方案，其中每次通过镜面开始扫描都通过启动传感器(Startsensor)来确定。该启动传感器实际上必须布置在发射光束的区域中，布置在每个扫描周期利用镜面开始的那个位置处。但是在那里，安装空间极少，这就是EP 0 967 458 B1代替放置偏转单元的原因所在，该偏转单元将光引导到启动传感器的不太关键的位置上。
虽然条形码长期以来一直可以使用相机读取，但条形码扫描仪仍然以各种形式应用。其中一个优点是，不需要较大的光学上的结构成本读取范围在深度上就增加，该读取范围此外还受到光斑直径，即扫描的激光光斑的范围的限制。更准确地说，激光光束的所谓的焦散面(Kaustik)决定了景深范围
Figure GDA0003501910660000021
即光斑直径与读取间距的依赖关系。为了还分辨条形码条，光斑直径必须至少不明显超过其宽度。
现在，特别是在近距离中存在一些应用实例，其中固定的发射光学器件的读取场可能不再足够，而且读取范围的较大的深度超出景深的理论极限可能是期待的。一种可行方案是机械地跟踪焦点位置，即借助于执行机构(Aktorik)移动准直透镜。在设置期间进行一次性调整的情况下，设备的支出仍然可以控制，但接下来该设置被固定，直到下一次手动转换为止。由于必须在极短的定位时间内实现的高的定位精度，动态调整需要相当大的结构成本，并且这不仅反映在结构尺寸还反应在制造成本上。
在现有的技术中提出，使多边形扫描仪的镜面具有不同的聚焦特性。因此，在DE36 02 008 A1中，至少一个反射镜表面相对于其余反射镜表面具有不同的聚焦特性。在评估电子设备中，仅对源自清晰的接收光斑的接收信号进行评估。具有不同曲率的镜面的类似的概念也从US 5 179 271或US 4 560 862中已知。然而，其中均没有考虑弯曲的镜面在扫描运动期间对光束具有不同的影响。
还有关于镜面彼此之间可以如何变化的其它想法。这分别满足了不同的要求，但这些要求并没有扩展景深范围。因此，US 4 624 528使用弯曲的镜面来补偿成像误差。这是基于利用其它反射镜的繁冗且易受干扰的构造以及由此从不同的方向上在镜面上产生的双重反射。DE 10 2015 104 021 A1使用不同的镜面来改进接收信号的控制。为此，镜面之间的反射比(Reflexionsgrad)被改变，以便接收不同强度的信号。在DE 10 2014 100 245B3的引言中提到，可以使多边形扫描仪的镜面相互倾斜。通过这种方式，在重复扫描时出现高度偏移，该高度偏移能够实现多层扫描。DE 10 2014 111 138 A1也涉及这种多层扫描并补充了补偿由于倾斜而引起的失真的措施。
因此，本发明的任务在于进一步改进使用多边形扫描仪进行检测。
该任务通过根据如下所述的用于检测监测区域中的对象的多边形扫描仪和方法得以实现。这种多边形扫描仪具可旋转的反射镜单元，该反射镜单元具有多个镜面，这些镜面在转动期间依次偏转被扫描的光束。在此，特别涉及在外圆周上具有反射镜表面或具有镜面的多边形反射镜轮，术语多边形扫描仪也由此引出。镜面中的至少一些具有彼此不同的曲率。由于在多边形扫描仪中，监测区域的角部分或区段在反射镜单元每转动一次时都会被多次扫描，即每个镜面扫描一次，不同曲率产生聚焦特性不同或景深范围不同的多次扫描。
现在，本发明基于以下基本思想，即不仅设置简单的聚焦曲率，而且还考虑到发射的光束在相应的有效镜面(aktive Spiegelfacette)上的不同入射角下的曲率，该相应的有效镜面处于旋转运动下并因此相对于发射的光束连续地倾斜。为此，至少一个镜面被构造成自由型面。自由形状使得光学器件设计有必要的自由度，同时提供所需的景深范围和对变化的入射角的适配。特别地，曲率在镜面的圆周方向变化，更确切地说，优选非对称地变化，即从镜面的开始范围直至中间的曲率不同于从中间到末端范围的曲率。
本发明的优点在于，无需复杂的、执行机构操作的焦点调节单元连同控制电子设备来扩展景深范围。这能够实现更小且成本更低的设备。在由塑料制成的反射镜单元中，调整工具就足够了，例如在注塑工艺中，用具有负的自由形状的凸模插入件
Figure GDA0003501910660000031
替换先前平坦的凸模插入件。除了一次性的转换成本之外，还可以实际上成本适中地(kostenneutral)制造根据本发明的反射镜单元。另一个优点是将焦点位置从一个镜面几乎立即转换到下一个镜面，这样能够实现在最短的时间内扫描不同的工作间距。
优选地，自由型面是弯曲的，从而为变化的入射角设定相同的焦点位置。自由形状超过简单的聚焦效果的附加曲率在此也提供了对旋转运动的补偿。由此，避免了由于入射角的变化而引起的漂移的景深范围(wandernden
Figure GDA0003501910660000041
)导致的扫描或读取线内的失真。可替代地，也可以设想地，在扫描期间通过自由形状产生不同的焦点位置，例如光轴左侧的焦点位置比右侧短的不对称性。特别地，可以在另一镜面中选择恰好相反的这种不对称性。
优选地，自由型面具有从光束的扫描平面的倾斜。在圆周方向上，镜面总是相互倾斜，否则就不会产生多边形反射镜轮。在该实施方式中的意思是相对于根据定义的位置的倾斜。因此，至少一些镜面通过自由形状的定型在其光学效应中有效地抵靠多边形反射镜轮的平面倾斜。由此，导致多次扫描的扫描线或读取线的偏移。也可以在两个轴线中有效地倾斜扫描线或读取线。因此，在条形码扫描仪中，从几个方向检测条形码，这防止了所有的读取线任意地平行于条延伸或不完全横向地扫过条形码。
优选地，自由型面是弯曲的，使得发射的光束的扫描区域拉直。不管是在不同程度上用于多次扫描还是共同用于设备中的转动，镜面通常从多边形反射镜轮的平面倾斜。然后，扫描区域不再是平面，而是锥面，使得扫描线和读取线会变弯曲。这种效果也可以通过自由形状至少部分地得到补偿。
优选地，多边形扫描仪具有用于监测反射镜单元的旋转位置的角度确定单元，其中评估单元被构造用于借助旋转位置识别相应的有效镜面。由此，可以确定相应的检测角度，使得激光扫描仪的测量值获得至少粗略的角分辨率。但是，在条形码扫描仪中，具体的角度并不重要。然而，识别相应的有效镜面可能是有利的，从而已知使用哪些光学参数，特别是哪个景深范围，检测相应的信号。角度确定单元不必高度分辨角度。每次转动的一次或更多次同步可以被内插。为此，位于两个同步时刻之间的时间间隔在镜面的角度范围上或者甚至是角度值上进行划分。
优选地，多边形扫描仪具有启动传感器，该启动传感器每次在利用相应的镜面开始扫描时检测发射的光束，并且其中至少一个镜面具有修改，该修改能够实现根据起始信号识别镜面，发射的光束在启动传感器中产生该起始信号。这种启动传感器本身是已知的，但通常产生类似的脉冲。因此，通过这种方式仅当新的镜面旋转到发射的光束中并因此开始新的扫描时才进行检测。镜面的修改被用于赋予(zuordnen)起始信号，即赋予该起始信号单独的特征，以便将它与其它起始信号区别开来。这种修改可以仅涉及一个镜面，以便能够实现每次转动都同步一次。然后，在下一次同步之前简单地计算起始脉冲，并在之后进行赋予。然而，也可以设想对几个或所有镜面进行修改，然后这些镜面应该彼此不同。
镜面具有不同的尺寸作为修改，特别是由于公差偏差而导致的不同的尺寸。该尺寸是指圆周方向。因此，反射镜单元的多边形不是等边的n角，而是不规则的。优选地，不需要有针对性地选择不同尺寸的镜面，而是仅使用自然公差。
优选地，评估单元被构造用于将起始信号的时间序列作为参考进行教导，并且在运行时通过将起始信号的序列与参考进行比较来识别相应的有效镜面。由于反射镜单元的转数可以被认为是基本恒定的，因此具有理想上大小相等的镜面的反射镜单元将产生均匀时间模式的起始信号的。对于无论是由于设计还是由于公差导致的不同尺寸的镜面，这种时间模式都以如指纹一样的特有的方式变化。如果评估单元识别出该时间模式，则该评估单元可以将测量的起始脉冲与其进行比较，从而识别相应的有效镜面。
优选地，镜面具有不同于其余镜面的反射率和/或曲率，作为在产生起始信号的初始区域中的修改。初始区域是镜面的每次首先旋转到发射的光束中的一部分。此处生成的信号无论如何都不可用于测量，因为它由启动传感器评估。如果现在在初始区域中为镜面选择更高的或更低的反射率，则产生相应更强的或更弱的起始信号，利用该起始信号识别镜面。由于在具有会聚效果或发散效果的初始区域中曲率的改变，发射的光束在启动传感器上所产生的发射光斑会变小或变大，使得可识别的起始信号也以这种方式产生。初始区域中的这种轮廓也可以直接结合到自由形状中。作为初始区域中的修改的可替代方案，也可以修改整个镜面。这根据实施方式具有制造优势，但为此，扫描在每次转动时会丢失或者至少由于修改而变化了。
特别优选地，在初始区域中设置了由不同的反射率的区域组成的模式。因此，不仅会出现起始信号的增益或衰减，而且还会出现明暗图案。示例是高反射率和低反射率的几个交替条带，它们会导致起始信号中的双脉冲或多个脉冲。这特别容易认出以便识别镜面。
优选地，用于旋转反射镜单元的驱动器的转速信号被提供给角度确定单元。例如，在每次转动时驱动器产生几个脉冲作为转速计信号。然后，优选地，互质地选择脉冲数和镜面数。也就是说，启动传感器的转速脉冲和起始脉冲在这些数值比情况下针对每个镜面具有不同的时间偏移，于是可以将镜面立即识别出来。作为简单的转速信号的可替代方案，也可以设想使用编码器，该编码器例如根据一同旋转的代码盘的扫描来确定相应的角位置。
优选地，评估单元被构造用于使用光飞行时间方法根据接收信号来确定被接触的对象的距离。因此，多边形扫描仪成为测距扫描仪。这在条形码扫描仪中也是有帮助的，以便获悉实际上需要哪个景深范围，以便例如选择与之适配的镜面的扫描。任何已知的方法都可以考虑作为光飞行时间方法，其中一些已在引言中概述。
优选地，评估单元被构造用于将不同镜面的接收信号相互比较，并且评估具有最大清晰度的接收信号。由此，仅使用与实际的对象间距最佳适配的镜面的测量结果。因此，仅有效地进一步评估清晰采集的接收信号。由于清晰度的确定意味着一定的评估成本，因此在条形码扫描仪的情况下也可以设想对于每次扫描尝试解码。其中的一次尝试将自动发现最清晰的信号，但最终解码成功与哪个接收信号无关。如果对旋转位置进行监测，则也可以设想专注于某些镜面并仅对它们的接收信号进行评估，这些接收信号对应于预期的、参数化的或以其它方式期望的聚焦。
优选地，多边形扫描仪被构造成条形码扫描仪，并且其评估单元具有条形码解码器。根据本发明的多边形扫描仪在读取条形码时的许多优点和设计可行方案早已进行了讨论。
根据本发明的方法可以以类似的方式进一步发展并同时显示出类似的优点。这种有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地但不详尽地进行了描述。
本申请提供了以下内容：
1)一种用于检测监测区域中的对象的多边形扫描仪，具有：光发射器，其用于将光束发射到监测区域中；光接收器，其用于接收被所述监测区域中的对象反射的光束；评估单元，其用于评估所述光接收器的接收信号；以及可旋转的反射镜单元，其用于周期性地偏转所述光束，所述反射镜单元具有多个镜面，以便所述反射镜单元每次转动均通过相应的镜面多次扫描角部分作为监测区域，其中所述镜面中的至少一些镜面具有彼此不同的曲率，
其特征在于，
所述镜面中的至少一个镜面被构造成自由型面，所述自由型面的曲率与在所述反射镜单元旋转期间所发射的光束在所述镜面上变化的入射角适配。
2)根据1)所述的多边形扫描仪，其中，所述自由型面是弯曲的，从而为所述变化的入射角设定相同的焦点位置。
3)根据1)或2)所述的多边形扫描仪，其中，所述自由型面具有从光束的扫描平面的倾斜。
4)根据1)至3)中任一项所述的多边形扫描仪，其中，所述自由型面是弯曲的，使得所述发射的光束的扫描区域拉直。
5)根据1)至4)中任一项所述的多边形扫描仪，所述多边形扫描仪具有用于监测所述反射镜单元的旋转位置的角度确定单元，并且其中，所述评估单元被构造用于借助所述旋转位置识别相应有效的镜面。
6)根据1)至5)中任一项所述的多边形扫描仪，所述多边形扫描仪具有启动传感器，所述启动传感器每次在利用相应的镜面开始扫描时检测所述发射的光束，并且其中，至少一个镜面具有修改，所述修改能够实现根据所述发射的光束在所述启动传感器中产生的起始信号来识别所述镜面。
7)根据6)所述的多边形扫描仪，其中，所述镜面具有不同尺寸作为修改，特别是具有由于公差偏差而导致的不同尺寸作为修改。
8)根据7)所述的多边形扫描仪，其中，所述评估单元被构造用于将所述起始信号的时间序列作为参考进行教导，并且在运行时通过将所述起始信号的序列与所述参考进行比较来识别相应有效的镜面。
9)根据6)至8)中任一项所述的多边形扫描仪，其中，所述镜面在产生所述起始信号的初始区域中具有不同于其余的镜面的反射率和/或曲率作为修改。
10)根据9)所述的多边形扫描仪，其中，在所述初始区域中设置了由反射率不同的区域组成的模式。
11)根据5)至10)中任一项所述的多边形扫描仪，其中，用于旋转所述反射镜单元的驱动器的转速信号被提供给角度确定单元。
12)根据1)至11)中任一项所述的多边形扫描仪，其中，所述评估单元被构造用于通过光飞行时间方法根据所述接收信号来确定被接触的对象的距离。
13)根据1)至12)中任一项所述的多边形扫描仪，其中，所述评估单元被构造用于将不同镜面的接收信号相互比较并且评估具有最大清晰度的接收信号。
14)根据1)至13)中任一项所述的多边形扫描仪，所述多边形扫描仪被构造成条形码扫描仪，并且所述条形码扫描仪的评估单元具有条形码解码器。
15)一种用于检测监测区域中的对象的方法，其中，发射光束并在所述监测区域中的对象上反射之后再次接收光束并进行评估，其中，通过使光束在具有多个镜面的可旋转的反射镜单元的镜面上偏转来周期性地扫描所述监测区域的角度范围，其中所述光束在扫描的不同周期里通过所述镜面中的至少一些镜面的不同曲率来不同地聚焦，
其特征在于，
所述光束在扫描周期内通过被构造成自由形状的弯曲的镜面以与在所述反射镜单元的旋转期间发射的光束在所述镜面上变化的入射角适配的方式聚焦。
附图说明
下面将示例性地根据实施方式并参考附图对本发明的其它特征和优点进行更详细的阐述。其中：
图1示出了多边形扫描仪的示意性剖视图；
图2示出了多边形反射镜轮和扫描光束的光束走向的示意性三维视图；
图3示出了扫描光束在多边形反射镜轮的镜面的不同旋转位置中的光束走向的示意图；
图4示出了镜面的示例性自由型面的图示；
图5示出了使用自由型面拉直的扫描线或读取线的说明性的草图；
图6示出了具有启动传感器的多边形扫描仪的另一实施方式的示意性剖视图；
图7示出了多边形反射镜轮的驱动器的转速信号和启动传感器的起始信号的示例性信号波形；
图8a-图8d示出了镜面的初始区域中的反射率的各种修改，以用于产生可识别的起始信号；以及
图9是类似于图8a-图8d的图示，但具有修改的曲率而不是修改的反射率。
图1示出了多边形扫描仪10的框图。光发射器12，例如激光二极管或LED，借助发射光学器件14产生光束16，该光束第一次经由固定的偏转元件18被偏转且第二次经由旋转的多边形反射镜轮20被偏转，然后被发送到监测区域22中。
如果光束16在监测区域22中遇到对象24，则反射的光束26返回到多边形扫描仪10，那么再次在多边形反射镜轮20上被偏转，并随后经由接收光学器件28落在光接收器30上。在这种情况下，在对象24上的反射和基本上更常出现的漫反射之间在语言上不进行区分。固定的偏转单元18被构造成分束器或者被构造成很小，使得只有接收光学器件28的可忽略的部分被遮挡，从而使得反射的光束26可以越过固定的偏转元件18。分束器或双轴的实施形式也是可能的。然后，发射的光束16和反射的光束26以极小的间距例如在多边形反射镜轮20的旋转轴线的方向上基本上彼此平行。因此，根据图1的多边形扫描仪10的基本结构仅示例性地理解。因此，发射和接收路径也可以通过不同于所示的具有固定的偏转单元18的交叉的布置被分开，或者多边形反射镜轮20可以以不同的方式相对发射和接收路径进行布置和取向。也可以设想仅经由多边形反射镜轮20引导发射的光束16并且在接收侧例如使用固定的接收器行。
由光接收器30产生的接收信号被传送到评估单元32。在那里，例如断定是否完全接触到对象24。在测量的多边形扫描仪10中，可以通过光飞行时间方法来确定它们的间距。优选地，接着使用未示出的解码器，或者至少粗略地或内插地以下面要描述的方式之一来另外确定多边形反射镜轮20的角位置。然后，可以检测极坐标中的全部对象位置或对象轮廓。一种可能的应用是对象，特别是传送带上的包装的测量。被构造成条形码扫描仪的多边形扫描仪10试图通过评估单元32的解码器来识别并读取对象24上的条形码。这是优选在没有确定间距或准确的角位置的情况下也应付得来的实施方式的示例。
多边形反射镜轮20通过未示出的驱动器旋转，并且是在其外圆周上具有多个镜面34的可旋转的反射镜单元的示例。镜面34的数量对应于监测区域22的经检测的角度范围或经扫描的区段，其越大，设置的镜面34就越少。因此，所示的八个镜面34的数量仅仅是示例性的，并且可以设置更多或更少的镜面34。底面不必是正多边形，而是原则上也可以设置长度不同的镜面34。在发射和接收路径不同于图1分开的双轴结构中，可以设想镜面34具有自身的发射和接收区域，这些发射和接收区域被构造成不同的。
图2示出了多边形反射镜轮20和发射的光束16的几何布置的示意性三维视图。镜面34中的至少一个具有不同于其余镜面34的曲率。因此，发射的光束16在此处被示为条形码38的对象24上产生的光斑36聚焦在不同的工作间距。
通过这种方式，待覆盖的总距离范围被划分成至少两个不同的景深范围。最小的配置可以是镜面34具有曲率而其余的镜面34保持平坦。在范围的另一端存在这种可能性，赋予每个镜面34自身的曲率，并因此提供最大数量的不同景深范围。本发明还包括许多其间可想到的平坦的、相同的和不同的弯曲镜面34的类别的组合。在此，应在将距离范围细分成多个景深范围和在相同的景深范围内的两次重复的扫描之间降低有效扫描频率之间进行权衡。在实践中，可实现的景深和可用的扫描频率之间的最佳值位于对应于不同弯曲的镜面34的类别的两个或三个不同的焦点位置。也存在这种可能性，即通过增加多边形反射镜轮20的转速来补偿降低的扫描频率。然而，不仅是驱动器必须能够实现这一点，而且电子器件，特别是评估单元32的带宽和处理速度也必须能够实现这一点。
在多边形扫描仪10的操作期间，通过多边形反射镜轮20的旋转多次扫描监测区域22，即在完整的转动期间每次使用一个镜面34进行扫描。这意味着只要场景在短的转动周期内可以被视为准稳定的，就多次测量同一场景。然而，由于镜面34的曲率不同，这不是纯粹的测量重复。更确切地说，至少一些镜面34之间的焦点位置从一个焦点位置跳到下一个焦点位置。因此，评估单元32获得了具有自身相同的测量信息但聚焦不同的多个接收信号。在合适地设计镜面34的曲率的情况下，针对待检测的对象24的每个距离实现在景深范围内或至少接近景深范围每次转动均至少进行一次扫描。
评估单元32可以通过各种措施应用最佳聚焦的扫描。一种可行方案是，例如根据对比度确定接收信号的清晰度，并选择最佳的接收信号。另一种可行方案是，例如通过调节工作间距根据先前的测量或距离测量的先前知识，来确定从其获得最佳的接收信号的特定的镜面34。当读取条形码时，不一定非得选择最佳的接收信号，而是对全部接收信号尝试解码可能就足够了。然后，在解码成功时，对哪个镜面34采集到的接收信号不再感兴趣。然而，存在这种可行方案，即根据成功解码来识别镜面并且例如优选用于后续的读取尝试或从中导出至少粗略的间距值作为其它的测量信息。
镜面34由于其曲率不必单独形成发射的光束16。更确切地说，在光束16落在多边形反射镜轮20之前，优选设置的发射光学器件14就首先用于形成发射的光束。然后，镜面34仅改变由发射光学器件14预定的焦点位置。还可以设想使用自适应发射光学器件14，例如具有液体透镜的自适应发射光学器件，聚焦位置的共同部分以及镜面34的景深范围通过该液体透镜进行调整。由此，可以调节多边形扫描仪10的总工作区域。
除了涉及聚焦的特性之外，镜面34在其他方面也可以进行不同的设计。示例是不同的反射比以便类似于景深范围地划分动态范围，或者用于多层扫描的附加倾斜。
图3是现在处于多边形反射镜轮20的不同旋转位置下的镜面34以及发射的光束16的几何布置的另一视图。可以清楚地看出，发射的光束16在镜面34上的入射角在扫描期间变化。镜面34的简单的凸形定型或凹形定型不能满足不同的入射角，而更确切地说是在扫描期间导致焦点位置不受控地变化。
因此，镜面34中的至少一个被构造成自由型面，该自由型面与变化的入射角适配。优选地，自由形状确保焦点位置在旋转期间不经由镜面34改变，因此工作间距保持恒定。但也可以设想通过自由形状有针对性地改变焦点位置，例如从扫描开始到结束提高焦点位置，或者反过来降低焦点位置。然后，自由型面是非对称的，并且在光轴一侧的焦点位置比另一侧短。
图4示出了镜面34的自由形状的示例，该镜面在扫描期间在入射角变化时使焦点位置保持恒定。具体的成型是光学模拟的结果，该光学模拟持续地且可微分地根据位置调整曲率。在图4中，自由型面被表示为优选具有14个项的“扩展多项式”，并作为示例来理解。光斑36在扫描期间在圆周方向上移动经过镜面34，在图4中是从顶部移动到底部，并且优选地在与其垂直的高度方向(在图4中为水平方向)上居中。
镜面34的自由形状的在扫描期间作用于发射的光束16的曲率根据入射角而有所不同，并且该变化，如图4右侧的等高线
Figure GDA0003501910660000131
的密度和曲率的Y曲线的图示所示，优选在光斑36的运动方向上相对于中心不对称。更确切地说，自由形状以更大的斜率下降直至端部，即在图4中向下，且下降到更低的水平。换句话说，自由形状在根据旋转定向的圆周方向上具有更陡的上升沿和更平坦下降沿。
图5说明了使用镜面34的自由形状另外实现扫描区域的拉直的可行方案。在监测区域22中，发射的光束16的光斑36在垂直于发射方向的虚拟的或实际的平面上产生扫描线或读取线40a-40b。在自由形状中没有特别的补偿性曲率的情况下，则这些读取线40a如在引言中简短地且在那里所引用的DE 10 2014 111 138 A1中所详细阐述的那样，常常是弯曲的。读取线40a可以通过自由形状中的调整进行改变，特别是被拉直成直的读取线40b。
图6示出了多边形扫描仪10的另一实施方式的示意性剖视图。在此，首先相对于图1改变了结构，以便再次强调示例特征。如对图1已经所阐述的那样，本发明不限于图1和图6的具体结构。在根据图6的实施方式中，发射光学器件14具有附加的光阑14a。接收光学器件28被构造成反射的。光发射器12的光轴与接收光学器件28的光轴重合，使得可以省去图1的固定的偏转元件18。
另外，启动传感器42布置在发射路径中，更确切地说是布置在这样的位置处，即发射的光束16利用新旋转进光路中并从而现在为有效的镜面34开始相应扫描时所经过的位置。也可以在该位置处定位光偏转元件来替代启动传感器42本身，以便可以将实际的启动传感器42放置在另一个位置处。在根据图1的实施方式中或在那里提到的变型中也可以设想启动传感器42。为清楚起见，未示出启动传感器42与评估单元32的连接。
启动传感器42在相应的扫描开始时记录发射的光束16或由此产生的光斑36，并产生电子起始信号。多边形反射镜轮的每次旋转均产生数量对应于镜面34的数量的起始信号。因此，可以同步进一步的检测。然而，由于起始信号彼此几乎相同，因此不可能与特定镜面34相关联。但有利地，识别出相应的有效镜面34并从而识别出其特征，特别是相关联的焦点位置，以用于进一步评估、最佳地设置信号调节参数或进一步的操作。
图7图示了用于借助多边形反射镜轮20的驱动器的转速信号来识别有效镜面34的第一实施方式。在此，在上部分示出了转速信号的脉冲，在下部分示出了起始信号的脉冲。转速信号每转动一次提供六个脉冲，多边形反射镜轮20具有七个面，因此产生七个脉冲。这些数字仅仅是示例，但有利地，它们相互之间是互质的。这会导致在转速脉冲和起始脉冲之间每个镜面34特有的时间偏移，于是可以立即并清楚地识别出镜面34。
转速信号也可以通过内插法或外推法来桥接中断，在中断中没有起始信号可用。因为在许多应用中，光发射器12仅在请求时通过读取触发器接通。因此，借助速度信号越过这种中断来继续分配镜面34可能是有意义的。然后，在下一个读取请求时，立即识别有效镜面34，并且由于镜面34的重新分配，最初的扫描没有丢失。
图8a-图8d示出了具有镜面34的多边形反射镜轮20的各种实施方式，该镜面在其初始区域34a中具有变化的反射特性。在此，初始区域34a是镜面34的一部分，这一部分每次首先旋转到发射的光束16中并因此将该发射的光束反射到启动传感器42中。与初始区域34a相比，示出的光斑36相当大，但这是优选的情况，因为否则初始区域34a占据过大比例的镜面34并过大损害实际的测量。
在根据图8a-图8d的实施方式中，初始区域34a在其反射比方面发生变化。优选地，降低的反射比例如通过涂黑或消光来调节。也可以改变表面结构，其优点在于它可以与自由形状一起直接引入到塑料中。反射比的增加也起作用，但是可能会引发技术上的困难，因为(例如，金属化的表面的形式的)镜面34已经具有高的反射比。
优选地，仅修改一个镜面34的初始区域34a。为此，可以每转一次就同步，可以通过计数起始信号来赋予其它镜面34。然而，还可以设想在其初始区域34a中修改多个镜面34。还可以进一步设想不仅修改初始区域34a，而且还修改整个镜面34。这在生产技术上可能更易于实现并且更简单进行评估，特别地，这种可进行更大修改的镜面34可能早已根据光接收器30的接收信号被识别出来，而无需启动传感器42。为此，该镜面34对于实际测量被牺牲，或者至少由此产生的接收信号更差。
初始区域34a中变化的反射比的影响是以可识别的方式改变起始信号。图8a-图8d示出了各种非穷举的示例。在图8a中，整个初始区域34a中的反射比以相同的方式降低或升高。因此，该镜面34的起始脉冲具有比其它起始脉冲更高或更低的幅度，因此是可区分的。在图8b-图8d中，具有降低的或升高的反射度的区域仅占据初始区域34a的可用宽度的一部分。这在图示中仅涉及光斑36也位于其中的高度位置。可替代地，条带可以在另一高度范围或整个高度范围上延伸。该影响在图8b中是在时间上稍微有点延迟的较窄的起始脉冲，在图8c中是同样较窄的提前结束的起始脉冲。在图8d中，光斑36在初始区域34a内两次落在具有原始反射率的区域上，从而产生特别容易区分的双脉冲。因此，通过根据图8a-图8d阐述的原理可以改变起始信号的幅度、宽度、时间偏移和脉冲数，并由此能够实现明确地识别相关联的镜面34。
图9再次示出了具有镜面34的多边形反射镜轮20的实施方式，该镜面在其初始区域34a中例如通过凸形轮廓或凹形轮廓在其曲率特性上进行修改，而不是在其反射率上进行修改。也可以设想将两者组合起来。改变的曲率特性的优点在于它可以直接结合到自由形状中，从而实际上保持成本适中。附加的曲率减小或放大了启动传感器42上的光斑36，因此，起始信号变窄或变宽，从中可以识别镜面34。
修改镜面34的另一种可行方案涉及镜面在圆周方向上的长度。在镜面34长度相同的情况下，起始脉冲的规则的时间序列在长度不同时会改变。在此，可以设想有针对性地延长镜面34，结果是多边形反射镜轮20的底面不再是规则的n角。但也可以仅引入长度的制造公差，或者在临时解决方案中提供更大的公差。由不同长度引起的不平衡，以及多边形反射镜轮20中存在的自由形状可以考虑并且在结构方面加以平衡。
然后，可以在评估单元32中将改变的时间序列教导或参数化为一种指纹或参考。然后，在操作中将起始脉冲的序列与参考进行比较，以便确定相应的有效镜面34。
还可以设想监测多边形反射镜轮20的角位置的附加传感器，例如编码器或磁性传感器，其检测一个或更多个在已知的角位置安装在多边形反射镜轮20上的磁体。

Claims (29)

1.一种用于检测监测区域(22)中的对象(24)的多边形扫描仪(10)，具有：光发射器(12)，其用于将光束(16)发射到监测区域(22)中；光接收器(30)，其用于接收被所述监测区域(22)中的对象(24)反射的光束(26)；评估单元(32)，其用于评估所述光接收器(30)的接收信号；以及可旋转的反射镜单元(20)，其用于周期性地偏转所述光束(16)，所述反射镜单元具有多个镜面(34)，以便所述反射镜单元(20)每次转动均通过相应的镜面(34)多次扫描角部分作为监测区域(22)，其中所述镜面(34)中的至少一些镜面具有彼此不同的曲率，
其特征在于，
所述镜面(34)中的至少一个镜面被构造成自由型面，所述自由型面的曲率与在所述反射镜单元(20)旋转期间所发射的光束(16)在所述镜面(34)上变化的入射角适配并且所述自由型面是弯曲的，从而为所述变化的入射角设定相同的焦点位置，或者从扫描开始到结束提高所述焦点位置，或者反过来降低所述焦点位置。
2.根据权利要求1所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述自由型面具有从光束(16)的扫描平面的倾斜。
3.根据权利要求1所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述自由型面是弯曲的，使得所述发射的光束(16)的扫描区域(40a，40b)拉直。
4.根据权利要求2所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述自由型面是弯曲的，使得所述发射的光束(16)的扫描区域(40a，40b)拉直。
5.根据权利要求1所述的多边形扫描仪(10)，所述多边形扫描仪具有用于监测所述反射镜单元(20)的旋转位置的角度确定单元，并且其中，所述评估单元(32)被构造用于借助所述旋转位置识别相应有效的镜面(34)。
6.根据权利要求2所述的多边形扫描仪(10)，所述多边形扫描仪具有用于监测所述反射镜单元(20)的旋转位置的角度确定单元，并且其中，所述评估单元(32)被构造用于借助所述旋转位置识别相应有效的镜面(34)。
7.根据权利要求3所述的多边形扫描仪(10)，所述多边形扫描仪具有用于监测所述反射镜单元(20)的旋转位置的角度确定单元，并且其中，所述评估单元(32)被构造用于借助所述旋转位置识别相应有效的镜面(34)。
8.根据权利要求4所述的多边形扫描仪(10)，所述多边形扫描仪具有用于监测所述反射镜单元(20)的旋转位置的角度确定单元，并且其中，所述评估单元(32)被构造用于借助所述旋转位置识别相应有效的镜面(34)。
9.根据权利要求1至8中的任一项权利要求所述的多边形扫描仪(10)，所述多边形扫描仪具有启动传感器(42)，所述启动传感器每次在利用相应的镜面(34)开始扫描时检测所述发射的光束(16)，并且其中，至少一个镜面(34)具有修改，所述修改能够实现根据所述发射的光束(16)在所述启动传感器(42)中产生的起始信号来识别所述镜面(34)。
10.根据权利要求9所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述镜面(34)具有不同尺寸作为修改，特别是具有由于公差偏差而导致的不同尺寸作为修改。
11.根据权利要求10所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述评估单元(32)被构造用于将所述起始信号的时间序列作为参考进行教导，并且在运行时通过将所述起始信号的序列与所述参考进行比较来识别相应有效的镜面(34)。
12.根据权利要求9所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述镜面(34)在产生所述起始信号的初始区域(34a)中具有不同于其余的镜面(34)的反射率和/或曲率作为修改。
13.根据权利要求10或11所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述镜面(34)在产生所述起始信号的初始区域(34a)中具有不同于其余的镜面(34)的反射率和/或曲率作为修改。
14.根据权利要求12所述的多边形扫描仪(10)，其中，在所述初始区域(34a)中设置了由反射率不同的区域组成的模式。
15.根据权利要求13所述的多边形扫描仪(10)，其中，在所述初始区域(34a)中设置了由反射率不同的区域组成的模式。
16.根据权利要求5至8、10至12、14和15中的任一项权利要求所述的多边形扫描仪(10)，其中，用于旋转所述反射镜单元(20)的驱动器的转速信号被提供给角度确定单元。
17.根据权利要求9所述的多边形扫描仪(10)，其中，用于旋转所述反射镜单元(20)的驱动器的转速信号被提供给角度确定单元。
18.根据权利要求13所述的多边形扫描仪(10)，其中，用于旋转所述反射镜单元(20)的驱动器的转速信号被提供给角度确定单元。
19.根据权利要求1至8、10至12、14至15、17和18中的任一项权利要求所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述评估单元(32)被构造用于通过光飞行时间方法根据所述接收信号来确定被接触的对象(24)的距离。
20.根据权利要求9所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述评估单元(32)被构造用于通过光飞行时间方法根据所述接收信号来确定被接触的对象(24)的距离。
21.根据权利要求13所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述评估单元(32)被构造用于通过光飞行时间方法根据所述接收信号来确定被接触的对象(24)的距离。
22.根据权利要求16所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述评估单元(32)被构造用于通过光飞行时间方法根据所述接收信号来确定被接触的对象(24)的距离。
23.根据权利要求1至8、10至12、14至15、17至18和20至22中的任一项权利要求所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述评估单元(32)被构造用于将不同镜面(34)的接收信号相互比较并且评估具有最大清晰度的接收信号。
24.根据权利要求9所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述评估单元(32)被构造用于将不同镜面(34)的接收信号相互比较并且评估具有最大清晰度的接收信号。
25.根据权利要求13所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述评估单元(32)被构造用于将不同镜面(34)的接收信号相互比较并且评估具有最大清晰度的接收信号。
26.根据权利要求16所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述评估单元(32)被构造用于将不同镜面(34)的接收信号相互比较并且评估具有最大清晰度的接收信号。
27.根据权利要求19所述的多边形扫描仪(10)，其中，所述评估单元(32)被构造用于将不同镜面(34)的接收信号相互比较并且评估具有最大清晰度的接收信号。
28.根据权利要求1至8、10至12、14至15、17至18、20至22和24至27中的任一项权利要求所述的多边形扫描仪(10)，所述多边形扫描仪被构造成条形码扫描仪，并且所述条形码扫描仪的评估单元(32)具有条形码解码器。
29.一种用于检测监测区域(22)中的对象(24)的方法，其中，发射光束(16)并在所述监测区域(22)中的对象(24)上反射之后再次接收光束(16)并进行评估，其中，通过使光束(16)在具有多个镜面(34)的可旋转的反射镜单元(20)的镜面(34)上偏转来周期性地扫描所述监测区域(22)的角度范围，其中所述光束(16)在扫描的不同周期里通过所述镜面(34)中的至少一些镜面的不同曲率来不同地聚焦，
其特征在于，
所述光束(16)在扫描周期内通过被构造成自由形状的弯曲的镜面(34)以与在所述反射镜单元(20)的旋转期间发射的光束(16)在所述镜面(34)上变化的入射角适配的方式聚焦，从而为所述变化的入射角设定相同的焦点位置，或者从扫描开始到结束提高所述焦点位置，或者反过来降低所述焦点位置。
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