DE10002090A1 - Optische Abtastvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, die in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind und jeweils eine Ablenkeinrichtung umfassen, mit denen ein von einer Sendeeinheit ausgesandter Abtastlichtstrahl entlang eines Sendekanals auf ein abzutastendes Objekt und nach Reflexion an dem Objekt entlang eines Empfangskanals auf eine Empfangseinheit lenkbar ist, wobei der Sendekanal und der Empfangskanal im Bereich des Lichtsenders und Lichtempfängers optisch voneinander getrennt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung mit einem Licht­ sender und einem Lichtempfänger, die in räumlicher Nähe zueinander an­ geordnet sind und jeweils eine Ablenkeinrichtung umfassen, mit denen ein von einer Sendeeinheit ausgesandter Abtastlichtstrahl entlang eines Sen­ dekanals auf ein abzutastendes Objekt und nach Reflexion an dem Objekt entlang eines Empfangskanals auf eine Empfangseinheit lenkbar ist.

Derartige Abtastvorrichtungen dienen beispielsweise als nach dem Licht­ laufzeitprinzip arbeitende Entfernungsmeßgeräte, bei denen die Sendeein­ heit eine Lasereinrichtung umfaßt.

Diese Systeme zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit des Licht­ empfängers aus, die im Bereich von einigen nW liegen kann, so daß ein sicherer Nachweis auch von Objekten mit geringen Remissionsgraden ge­ währleistet ist. Die Sendeleistung des Lichtsenders dagegen ist um mehre­ re Größenordnungen höher und liegt beispielsweise im Bereich von eini­ gen mW bis zu einigen W.

Problematisch bei derartigen Systemen ist, daß insbesondere aufgrund der im Vergleich zur Sendeleistung hohen Empfindlichkeit des Lichtemp­ fängers Maßnahmen erforderlich sind, um eine Eigenblendung des Sy­ stems zu vermeiden, d. h. um zu verhindern, daß vom Lichtsender ausge­ sandtes Licht, das nicht vom abzutastenden Objekt, sondern von anderen Gegenständen reflektiert wird, von der Empfangseinheit nachgewiesen wird. Als Quellen eines derartigen störenden Streulichts sind z. B. die für den Lichtdurchtritt vorgesehenen Frontscheiben bekannt, die insbesonde­ re in einem verschmutzten Zustand zu einer nachteiligen Aufstreuung des Sendelichts führen. Problematisch ist insbesondere, daß Eigenblendungen des Systems zu Sättigungseffekten der Empfangselektronik führen kön­ nen, die eine Messung der Lichtlaufzeit mit hoher zeitlicher Auflösung unmöglich machen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Abtastvorrichtung der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, bei der eine Eigenblendung sicher ver­ mieden wird und die gleichzeitig einen möglichst einfachen Aufbau auf­ weist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt ausgehend von einer optischen Ab­ tastvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß der Sendekanal und der Empfangskanal im Bereich des Lichtsenders und Lichtempfängers optisch voneinander getrennt sind.

Durch die optische Trennung zwischen Sendekanal und Empfangskanal im Bereich des Lichtsenders und Lichtempfängers ist ausgeschlossen, daß Streulicht aus dem Sendekanal in den Empfangskanal gelangen und zu einer Blendung der Empfangseinheit führen kann. Ein Übersprechen zwi­ schen Sendekanal und Empfangskanal kann erfindungsgemäß somit voll­ ständig vermieden werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Lichtsender und der Lichtempfänger in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei der Sendekanal und der Empfangskanal innerhalb des Gehäuses op­ tisch voneinander getrennt sind. Bevorzugt erfolgt die Trennung dadurch, daß der Lichtsender und der Lichtempfänger jeweils in einer Kammer des Gehäuses angeordnet sind, wobei die Sendekammer und die Empfangs­ kammer durch eine Trennwand lichtdicht voneinander getrennt sind.

Die optische Trennung zwischen Sendekanal und Empfangskanal erfolgt hierdurch mit denkbar einfachen konstruktiven Mitteln. Die erfindungs­ gemäße Abtastvorrichtung kann dadurch besonders kostengünstig herge­ stellt werden.

Die Sendekammer und die Empfangskammer können durch ein Licht­ durchtrittsfenster verschlossen sein. Die Sendeeinheit und die Empfangs­ einheit können so vor äußeren Einflüssen geschützt werden, wobei durch die lichtdichte Trennung zwischen der Sendekammer und der Empfangs­ kammer Streueffekte an den Lichtdurchtrittsfenstern unproblematisch sind.

In einer bevorzugten praktischen Ausführung der Erfindung ist sowohl der Sendeeinheit als auch der Empfangseinheit eine Ablenkeinrichtung in Form eines zu einer Drehbewegung antreibbaren Spiegelrades zugeordnet. Senderseitig können mit einem derartigen, auch als Polygon bezeichneten Spiegelrad eine periodische Abtastbewegung ausführende Abtastlicht­ strahlen erzeugt werden. Insbesondere bei derartigen Scannersystemen, bei denen bisher eine hohe potentielle Eigenblendungsgefahr bestand, wird durch die erfindungsgemäße optische Trennung zwischen Sendeka­ nal und Empfangskanal störendes Streulicht wirksam vermieden.

Bevorzugt ist es dabei, wenn die beiden Spiegelräder zu einer gemeinsa­ men Drehbewegung antreibbar sind und eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen, die lichtdicht durch die Trennwand zwischen der Sendekam­ mer und der Empfangskammer hindurchgeführt ist.

Hierbei können die beiden auf der gemeinsamen Antriebswelle angeord­ neten Spiegelräder als eine einzige Ablenkeinrichtung in Form eines ge­ teilten Spiegelrades für das Gesamtsystem angesehen werden, bei der durch die Trennwand ein Sendeabschnitt und ein Empfangsabschnitt in optischer Hinsicht vollständig voneinander getrennt sind. Die Synchroni­ sation der beiden Spiegelräder bzw. der beiden Abschnitte des gemeinsa­ men, geteilten Spiegelrades ist dabei durch die gemeinsame Drehbewe­ gung gewährleistet, während das Eindringen von störendem Streulicht in den Empfangskanal vollständig ausgeschlossen ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine optische Abtastvorrichtung gemäß einer Ausführungs­ form der Erfindung in einer geschnittenen Ansicht,

Fig. 2a die Abtastvorrichtung von Fig. 1 in einer geschnittenen, ge­ genüber Fig. 1 um 90° gedrehten Ansicht im Bereich eines Lichtsenders, und

Fig. 2b eine Ansicht entsprechend Fig. 2a im Bereich eines Licht­ empfängers.

Die optische Abtastvorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt einen Lichtsender 12 und einen Lichtempfänger 14, die jeweils in einer Kammer 42, 44 eines gemeinsamen Gehäuses 26 in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind. Die Sendekammer 42 und die Empfangskammer 44 sind durch eine lichtundurchlässige Trennwand 36 voneinander getrennt. In der Gehäu­ sewand ist für jede der Kammern 42, 44 ein beispielsweise aus Glas her­ gestelltes Lichtdurchtrittsfenster 52, 54 vorgesehen.

Zur Beschreibung des Lichtsenders 12 und des Lichtempfängers 14 wird auch auf die bezüglich Fig. 1 jeweils um 90° gedrehten Ansichten der Fig. 2a und 2b Bezug genommen.

Der Lichtsender 12 umfaßt eine Sendeeinheit 32 mit einer Laservorrich­ tung sowie eine Ablenkeinrichtung 22 in Form eines um eine Achse 38 drehbar antreibbaren Spiegelrades 22. Vom Laser der Sendeeinheit 32 ausgesandtes Licht trifft auf eine der ebenen Spiegelflächen 22a des sich im Betrieb drehenden Spiegelrades 22 und wird in Abhängigkeit von des­ sen momentaner Winkelstellung unter einem bestimmten, in diesem Aus­ führungsbeispiel in einem Winkelbereich von etwa 90° liegenden Winkel als Abtastlichtstrahl 16 durch das Fenster 52 abgestrahlt. Die Gesamtheit aller Lichtausbreitungswege für von der Sendeeinheit 32 stammende Ab­ tastlichtstrahlen 16 bildet bis zur Reflexion an einem Objekt 18 (vgl. Fig. 1), dessen Entfernung gemessen werden soll, einen Sendekanal.

Der Lichtempfänger 14 umfaßt ein entsprechend dem Spiegelrad 22 des Lichtsenders 12 ausgebildetes Spiegelrad 24, eine Fokussiereinrichtung 33 in Form eines Hohlspiegels und eine Empfangseinheit 34 mit einer Lin­ senanordnung 34a und einem lichtempfindlichen Element 34b.

Die Gesamtheit aller Lichtausbreitungswege für von dem Objekt 18 re­ flektierte Abtastlichtstrahlen 16 bildet bis zum Nachweis an der Emp­ fangseinheit 34 einen Sendekanal.

Die vom Objekt 18 reflektierten und sich entlang des Empfangskanals ausbreitenden Lichtstrahlen 16 treten über das Fenster 54 in die Emp­ fangskammer 44 ein und werden von einer der lichtreflektierenden Flä­ chen 24a des Spiegelrades 24 auf den Hohlspiegel 33 reflektiert und von diesem auf die Linsenanordnung 34a der Empfangseinheit 34 fokussiert.

Die Spiegelräder 22, 24 sind auf einer gemeinsamen Antriebswelle 48 an­ gebracht und somit zu einer gemeinsamen Drehbewegung antreibbar. Da­ bei sind die Spiegelräder 22, 24 derart relativ zueinander ausgerichtet, daß die Spiegelflächen 22a und 24a nicht gegeneinander verdreht sind, sondern jeweils in derselben Ebene liegen.

Die beiden Ablenkeinrichtungen 22, 24 des Lichtsenders 12 und des Lichtempfängers 14 bilden somit ein einziges Spiegelrad, das durch die Trennwand 36 unterbrochen ist. Die Trennwand 36 erstreckt sich in den Zwischenraum des geteilten Spiegelrades 22, 24 hinein bis zu der gemein­ samen Antriebswelle 48 bzw. einer die Antriebswelle 48 umgebenden Ab­ deckung 48a derart, daß die Antriebswelle 48 lichtdicht durch die Trenn­ wand 36 hindurchgeführt ist. Somit ist auch im Bereich des Durchtritts der Antriebswelle 48 sichergestellt, daß kein Streulicht aus der Sende­ kammer 42 in die Empfangskammer 44 gelangen kann.

Bei der erfindungsgemäßen optischen Abtastvorrichtung handelt es sich nicht um ein koaxiales System, sondern der Sendekanal und der Emp­ fangskanal liegen nebeneinander und verlaufen zwischen dem Objekt 18 und der jeweiligen Ablenkeinrichtung 22, 24 näherungsweise parallel zu­ einander. Der Winkel zwischen Sendekanal und Empfangskanal, der von der Entfernung zwischen dem Gehäuse 26 und dem Objekt 18 sowie von dem Abstand zwischen dem Lichtsender 12 und dem Lichtempfänger 14 senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung abhängig ist, wird bei der Aus­ wertung der von der Empfangseinheit 34 nachgewiesenen Signale berück­ sichtigt. Hinsichtlich der Energiebilanz des Systems ist dieser Winkel für den erfindungsgemäßen Scanner insbesondere deshalb unproblematisch, da dieser senkrechte Abstand zwischen Lichtsender 12 und Lichtempfän­ ger 14 (geometrische Basis) um mehrere Größenordnungen kleiner als die Entfernung zwischen Gehäuse 26 und Objekt 18 (Arbeits- oder Abtastbe­ reich des Scanners) ist.

Von den Spiegelrädern 22, 24 werden im Abtastbetrieb synchron die glei­ chen Winkelsegmente abgetastet. Eine Autokollimationsfunktion des Sy­ stems ist dennoch gegeben, wodurch eine Unterdrückung von Fremdlicht bzw. Hintergrundstrahlung erfolgt.

Durch die Trennwand 36 zwischen der den Lichtsender 12 enthaltenden Sendekammer 42 und der den Lichtempfänger 14 enthaltenden Emp­ fangskammer 44 sind der Sendekanal und der Empfangskanal innerhalb des Gehäuses 26 in optischer Hinsicht vollständig voneinander getrennt, so daß ein Übersprechen zwischen dem Sendekanal und dem Empfangs­ kanal sicher ausgeschlossen wird. Eine Eigenblendung des Systems tritt folglich auch bei verschmutzten Lichtdurchtrittsfenstern 52, 54 nicht auf.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Empfänger 14 in keiner Weise vom Sender 12 beeinflußt wird und somit vollkommen unabhängig vom Sender 12 konstruiert werden kann, z. B. mit dem Ziel einer Linearisierung des Verlaufs der Empfangsamplitude über die Entfer­ nung zum Objekt 18, d. h. über den Tastabstand des Scanners. Beim De­ sign des Empfängers 14 kann man sich also auf optimale Empfangseigen­ schaften konzentrieren, ohne dabei eventuelle Störungen durch den Sen­ der 12 berücksichtigen zu müssen.

Ein anderer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der konstrukti­ ven Einfachheit der Anordnung und der Möglichkeit, kostengünstige Komponenten zu verwenden, die insbesondere keine speziellen optischen und elektrischen Abschirmungen aufweisen müssen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Abtastvorrichtung mit einer vergleichsweise gerin­ gen Baugröße realisiert werden kann.

Bezugszeichenliste

12

Lichtsender

14

Lichtempfänger

16

Abtastlichtstrahl

18

Objekt

22

Ablenkeinrichtung

22

a lichtreflektierende Fläche

24

Ablenkeinrichtung

24

a lichtreflektierende Fläche

26

Gehäuse

32

Sendeeinheit

33

Fokussiereinrichtung

34

Empfangseinheit

34

a Linsenanordnung

34

b lichtempfindliches Element

36

Trennwand

38

Drehachse

42

Sendekammer

44

Empfangskammer

48

Antriebswelle

48

a Abdeckung

52

Lichtdurchtrittsfenster

54

Lichtdurchtrittsfenster

Claims (10)

1. Optische Abtastvorrichtung, insbesondere nach dem Lichtlaufzeit­ prinzip arbeitender Laserentfernungsmesser, mit einem Lichtsender (12) und einem Lichtempfänger (14), die in räumlicher Nähe zuein­ ander angeordnet sind und jeweils eine Ablenkeinrichtung (22, 24) umfassen, mit denen ein von einer Sendeeinheit (32) ausgesandter Abtastlichtstrahl (16) entlang eines Sendekanals auf ein abzuta­ stendes Objekt (18) und nach Reflexion an dem Objekt (18) entlang eines Empfangskanals auf eine Empfangseinheit (34) lenkbar ist, wobei der Sendekanal und der Empfangskanal im Bereich des Lichtsenders (12) und Lichtempfängers (14) optisch voneinander getrennt sind.

2. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (12) und der Lichtempfänger (14) in einem ge­ meinsamen Gehäuse (26) angeordnet sind und der Sendekanal und der Empfangskanal innerhalb des Gehäuses (26) optisch voneinan­ der getrennt sind.

3. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (12) und der Lichtempfänger (14) jeweils in ei­ ner Kammer (42, 44) des Gehäuses (26) angeordnet sind, wobei die Sendekammer (42) und die Empfangskammer (44) insbesondere durch eine Trennwand (36) lichtdicht voneinander getrennt sind.

4. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendekammer (42) und/oder die Empfangskammer (44) durch ein insbesondere aus Glas hergestelltes Lichtdurchtrittsfen­ ster (52, 54) verschlossen sind/ist.

5. Optische Abtastvorrichtung nach zumindest einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendekanal und der Empfangskanal zumindest außerhalb eines Gehäuses (26) näherungsweise parallel zueinander verlaufen.

6. Optische Abtastvorrichtung nach zumindest einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines eine periodische Abtastbewegung ausfüh­ renden Abtastlichtstrahls (16) zumindest die der Sendeeinheit (32) zugeordnete Ablenkeinrichtung (22) wenigstens eine vorzugsweise periodisch bewegbare lichtreflektierende Fläche (22a) aufweist.

7. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (22) eine Mehrzahl von zumindest einen Teil eines Polyeders bildenden lichtreflektierenden Flächen (22a) umfaßt und insbesondere als zu einer Drehbewegung antreibbares Spiegelrad ausgebildet ist.

8. Optische Abtastvorrichtung nach zumindest einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinheit (34) eine Ablenkeinrichtung (32) mit den eine Ablenkeinrichtung betreffenden Merkmalen zumindest eines der Ansprüche 6 und 7 umfaßt, wobei bevorzugt im Empfangskanal zwischen der Ablenkeinrichtung (32) und der Empfangseinheit (34) eine Fokussiereinrichtung (33), vorzugsweise ein Hohlspiegel, zum Konzentrieren von von der Ablenkeinrichtung (32) reflektierten Lichtstrahlen (16) an der Empfangseinheit (34) angeordnet ist.

9. Optische Abtastvorrichtung nach zumindest einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtungen (22, 24) auf einer gemeinsamen Dreh­ achse (38) angeordnet und bevorzugt zu einer gemeinsamen Dreh­ bewegung antreibbar sind.

10. Optische Abtastvorrichtung nach zumindest einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Antriebswelle (48) der Ablenkeinrichtungen (22, 24) lichtdicht durch eine Trennwand (36) zwischen einer Sen­ dekammer (42) und einer Empfangskammer (44) hindurchgeführt ist.