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Die
Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zum Vermessen der Konturen
eines Objektes mit wenigstens einer Lichtquelle, aus deren Laserlicht
ein Abtaststrahlenpaar erzeugbar ist, Detektormitteln, durch die
vom Objekt zurückgeworfene
Empfangsstrahlenbündel
erfassbar sind, einer Steuer- und Auswerteeinheit, durch die die
Koordinaten der Oberflächensegmente
des zu vermessenden Objektes aufgrund der Abtastrichtung des Abtaststrahlenpaars und
der Länge
des vom jeweiligen Abtaststrahl und Empfangsstrahlenbündels zurückgelegten
Weges berechenbar sind, einer Ablenkeinheit, die einen zweiseitig
reflektierenden Körper
aufweist, über
dessen eine reflektierende Seite der erste Abtaststrahl des Abtaststrahlenpaars
zum Objekt lenkbar und ein erstes vom Objekt zurückgeworfenes Empfangsstrahlenbündel erfassbar
ist und über
dessen zweite reflektierende Seite sich gleichzeitig der zweite
Abtaststrahl des Abtaststrahlenpaars in entgegengesetzter Richtung
zum ersten Abtaststrahl ausbreitet und ein zweites vom Objekt zurückgeworfenes
Empfangsstrahlenbündel
gleichzeitig erfassbar ist.
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Eine
derartige Abtastvorrichtung ist als Einrichtung zur Messung der
Innenabmessungen von Hohlkörpern
in der
DE 94 05 098
U1 beschrieben. Sie verfügt über einen Triangulationssensor
mit zwei Strahlumlenkungsorganen, die als Spiegel oder als Prismen
ausgebildet sein können.
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Aus
der
DE 44 45 464 A1 ist
eine Abtastvorrichtung bekannt, die dazu dient, Raumprofile rasch und
mit hoher räumlicher
Auflösung
zu vermessen. Bei der bekannten Abtastvorrichtung wird der von einem
Laser erzeugte Sendestrahl mit Hilfe eines sich drehenden Spiegelrotors
winklig zur Rotationsachse abgelenkt, so dass der Sendestrahl das
Objekt in einem Winkelbereich von 360° abtastet. Durch gleichzeitiges
Bewegen der ganzen Abtastvorrichtung in Richtung der Rotationsachse
mit Hilfe eines Fort bewegungsmittels wird im Inneren eines zylinderartigen Objektes
eine schraubenlinienförmige
Abtastlinie gebildet. Bei richtiger Geschwindigkeit der Bewegung
in Transaktionsrichtung und der Drehzahl ergibt sich ein Messpunktraster,
dessen Messpunkte einen Abstand zueinander von wenigen Zentimetern
aufweisen, wobei das Objekt rasch und mit hoher räumlicher
Auflösung
abtastbar ist.
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Das
Spiegelrotorgehäuse
dieser bekannten Anordnung ist einseitig gelagert und verfügt über einen
Umlenkspiegel, der entlang seiner Rotationsachse mit einem Laserstrahl
beaufschlagt wird. Zum Abtasten der Umgebung ist es erforderlich,
das bekannte Spiegelrotorgehäuse
um 360° zu
verdrehen, um einen vollständigen
Abtastkreis von 360° zu
erzeugen.
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Eine
weitere Abtastvorrichtung ist in der
US 4
465 374 beschrieben. Diese bekannte Anordnung gestattet
es, die Innenabmessungen von Bohrungen in einem Material zu bestimmen,
indem ein Lichtring auf die zu vermessende Oberfläche gerichtet
wird und eine Abbildung des von der Oberfläche reflektierten Lichtes erfolgt.
Die Breite oder die Position des Bildes wird bestimmt, um eine Vermessung
vorzunehmen. Insbesondere soll überprüft werden
können,
ob eine Bohrung zylindrisch ist.
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Die
DE 42 22 659 A1 offenbart
einen abtastenden Scanner für
einen Entfernungsmesser mit Laserdioden als Hinderniswarngerät vorzugsweise
für fahrerlose
Transportsysteme. Einem einzigen feststehenden Empfänger sind
bei der bekannten Anordnung zwei feststehende Sendedioden mit jeweils
einer Sendeoptik zugeordnet. Ein rotierender Spiegelkasten gestattet
es, zwei Abtaststrahlen zu erzeugen, die den Scanner in entgegengesetzten
Richtungen verlassen. Bei der bekannten Anordnung sind den Sendedioden
ein mitrotierender Hilfsspiegel sowie ein rotierender Spiegelkasten
zugeordnet, die beide unsymmetrisch aufgebaut sind und daher bei hohen
Rotationsgeschwindigkeiten Auswuchtungsprobleme verursachen. Die
Empfangsoptik verfügt lediglich über einen
feststehenden Empfänger,
so dass die beiden Abtaststrahlen nicht unabhängig voneinander ausgewertet
werden können.
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Die
EP 1 403 657 A1 beschreibt
ebenfalls eine optoelektronische Erfassungseinrichtung, insbesondere
einen Laserscanner mit wenigstens einem Sender und zumindest einem
dem Sender zugeordneten Empfänger.
Zur Abtastbewegung ist eine Ablenkeinrichtung vorgesehen, mit der
der vom Sender ausgesandte Abtaststrahl in einen Überwachungsbereich
und aus dem Überwachungsbereich
reflektierte Strahlung auf den Empfänger lenkbar ist. Die Ablenkeinrichtung
verfügt über wenigstens
zwei zueinander geneigt verlaufende Reflektionsflächen für die mit dem
Sender ausgesandte Strahlung. Mit der bekannten Erfassungseinrichtung
kann während
der Fahrt beispielsweise die Umgebung eines Fahrzeugs erfasst werden.
Die beiden in der Ablenkeinheit verwendeten Reflektionsflächen erstrecken
sich nicht parallel zueinander, sondern verlaufen zueinander geneigt.
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Ausgehend
von dem erörterten
Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Abtastvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die es gestattet, bei hoher Rotationsgeschwindigkeit
ohne Auswuchtungsprobleme in einer Ebene eine Abtastung über einen
Abtastwinkel von 360° mit
hoher Abtastrate durchzuführen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Abtastvorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass
ein erster und ein zweiter Laserlichtstrahl zur Erzeugung des Abtaststrahlenpaars
aus entgegengesetzten Richtungen auf die Seiten des zweiseitig reflektierenden
Körpers
der Ablenkeinheit treffen.
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Bei
einer besonders einfachen Anordnung besteht der zweiseitig reflektierende
Körper
aus einem beidseitig verspiegelten Spiegel. Vorteilhafter ist es
jedoch, statt eines beidseitig verspiegelten Spiegels einen Spiegel
mit einer innenliegenden Spiegelschicht zu verwenden, weil auf diese
Weise der seitliche Versatz zwischen den beiden Abtaststrahlen verringert
werden kann.
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Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der seitliche Versatz zwischen den beiden Abtaststrahlen dadurch
minimiert, dass als zweiseitig reflektierender Körper ein verkittetes Prismenpaar
eingesetzt wird.
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Lager
mit einem kleinen Durchmesser können
bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch verwendet
werden, dass im Strahlengang der durch Spiegelung abgelenkten Empfangsstrahlen
jeweils eine Linse angeordnet ist, durch die ein Zwischenfokus im
Bereich der die Abtaststrahlen tragenden Lager erzeugbar ist.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn statt zweier Linsen der zweiseitig reflektierende Körper beidseitig
als optisch abbildender Paraboloid so ausgebildet ist, dass die
durch die Spiegelung abgelenkten Empfangsstrahlen im Bereich der
die Abtastvorrichtung tragenden Lager einen Zwischenfokus aufweisen.
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Es
ist zweckmäßig, die
Abtastvorrichtung so auszugestalten, dass der zweiseitig reflektierende Körper in
einem rotierenden Gehäuse
so angeordnet ist, dass zwei in entgegengesetzter Richtung entlang der
Rotationsachse des Gehäuses
auf den Körper auftreffende
Laserlichtstrahlen quer zur Rotationsachse in entgegengesetzte Richtungen
das rotierende Gehäuse
verlassen, und aus entgegengesetzten Richtungen eintreffende zurückgeworfene
Empfangsstrahlen durch den zweiseitig reflektierenden Körper in
entgegengesetzte Richtungen entlang der Rotationsachse des Gehäuses umlenkbar
sind.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, wenn
zum Erzeugen der Abtaststrahlen eine einzige Lichtquelle, insbesondere
eine Laserlichtquelle eingesetzt wird, und die Übertragung der Lichtsignale
mit Hilfe einer Freistrahlübertragung
den Bereich überbrückt, der von
den Abtaststrahlen durchquert wird. Auf diese Weise läßt sich
eine Abschattung der Abtaststrahlen auf einfache Weise verhindern.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Messfahrzeuges mit einer Abtastvorrichtung,
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2 eine
Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung
in einer Schnittansicht,
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3 die
Abtastvorrichtung gemäß 2 zusammen
mit dem diese umgebenden Montagerohr mit einem Glasfenster,
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4 die
Abtastvorrichtung gemäß 3 mit
einer Anordnung zur Freistrahlübertragung
zwischen der optischen Anordnung auf der rechten und der linken
Seite der Abtastvorrichtung,
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
für den
Umlenkspiegel der Abtastvorrichtung,
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6 ein
besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
für einen
aus einem Prismenpaar gebildeten Umlenkspiegel zum Einsatz in der
Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung,
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einer optischen Anordnung, die eine Reduzierung
der Lagerdurchmesser des Gehäuses der
Abtastvorrichtung gestattet und
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8 eine
zweckmäßige Weiterbildung
des Umlenkspiegels, der beidseitig beaufschlagbar ist und ohne Zusatzlinsen
jeweils einen Zwischenfokus im Bereich der Lager des Gehäuses der
Abtastvorrichtung zu erzeugen gestattet.
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1 zeigt
in einer perspektivischen schematischen Ansicht einen Meßwagen 1 in
Gestalt eines Schienenfahrzeugs, das während seiner Fahrt entlang
einer Gleisanlage 2 mit Hilfe einer Aufnahmeeinheit 3 das
Abtasten der Umgebung, und insbesondere von dreidimensionalen Objekten,
wie zum Beispiel die Außenkonturen
eines Gebäudes 4 oder
die dreidimensionale Form von Innenräumen insbesondere von Tunneln,
gestattet. Die Aufnahmeeinheit 3 erlaubt es aber auch,
die Außenkonturen
von beliebigen anderen Messobjekten zu erfassen. Typische Messobjekte
liegen dabei in der Größenordnung
von einigen Zentimetern bis einige zehn Meter.
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Die
Aufnahmeeinheit 3 mißt
eine zweidimensionale Kontur mit Hilfe von zwei Abtaststrahlen,
von denen lediglich der Abtaststrahl 5 in 1 gezeigt
ist, und die beide im Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeils 6 rotieren.
Das Gebäude 4 als
zu vermessendes Objekt streut das Licht des Abtaststrahles 5,
wobei ein Teil des Streulichts 7 als Empfangsstrahl von
der Aufnahmeeinheit 3 erfaßt wird, um eine zweidimensionale
Kontur zu be rechnen. Die dritte Dimension zur vollständigen 3D-Vermessung
kann durch eine Drehung der Aufnahmeeinheit 3 um ihre eigene
vertikale Achse oder aber wie im Fall der in 1 dargestellten
Anordnung mit Hilfe der linearen Bewegung des Messwagens 1 erhalten
werden.
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Die
Aufnahmeeinheit 3 beruht auf dem Messprinzip einer laserbasierten
Entfernungsmessung und verfügt über eine
anhand der nachfolgenden Figuren beschriebene Abtastvorrichtung 8,
mit der vorzugsweise ein Laserstrahl als Abtaststrahl über das zu
messende Objekt gescannt wird. In 1 erkennt man
zum Teil die dabei erzeugte Leuchtspur 9, die bei einer
linearen Bewegung des Messwagens 1 insgesamt schraubenförmig verläuft.
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Eine
mit der mit der Aufnahmeeinheit 3 verbundene Steuer- und
Auswerteeinheit steuert die punktweise Messung der Entfernung. Die
Zeit von der Aussendung der Abtaststrahlen bis zur Messung an einem
Detektorpaar in der Aufnahmeeinheit wird gemessen und unter Nutzung
der bekannten Lichtgeschwindigkeit in eine Entfernung umgerechnet.
Die Entfernungen zusammen mit der Kenntnis der jeweiligen Abstrahlrichtungen
liefern die dreidimensionale Lage der jeweils beleuchteten Oberflächensegmente 15 in
Polar- oder Kugelkoordinaten mit dem Ursprung in der Aufnahmeeinheit 3.
Selbstverständlich
können die
Koordinaten bei Bedarf in jedes andere Koordinatensystem transformiert
werden.
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2 zeigt
die in der Aufnahmeeinheit 3 untergebrachte Abtastvorrichtung 8 mit
ihren wesentlichen Komponenten in einer nicht maßstabsgerechten Schnittansicht
zur Verdeutlichung der Funktion eines Ausführungsbeispiels der Abtastvorrichtung 8 gemäß der Erfindung.
Das zur Erzeugung der Abtaststrahlen 5, 5' verwendete
Licht einer Lichtquelle stammt vorzugsweise von einem Laser, der
beispielsweise in einer bei Laserentfernungsmess geräten üblichen
Weise für
den Einsatz eines Pulslaufzeitverfahrens oder Phasenlaufzeitverfahrens
moduliert ist.
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Das
Licht des in 2 nicht dargestellten Lasers
oder Laserpaares beaufschlagt über
eine erste optische Sendefaser 10 und eine zweite optische Sendefaser 11 einen
rotierenden Umlenkspiegel 12 auf seiner Rotationsachse 21 in
der in 1 dargestellten Weise. Der über einen Faserkollimator 13 ausgekoppelte
erste Sendelaserstrahl 14 beaufschlagt den Umlenkspiegel 12 in
der in 2 dargestellten Weise mit einem Einfallswinkel
von 45°,
so dass eine Umlenkung um 90° erfolgt
und das in die erste Sendefaser 10 eingespeiste Laserlicht
die Abtastvorrichtung 8 als in 2 nach unten
sich ausbreitender Abtaststrahl 5 die Abtastvorrichtung 8 verläßt.
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Der
Abtaststrahl 5 wird von dem in 2 schematisch
dargestellten Oberflächensegment 15 eines
Objektes gestreut oder reflektiert, wobei ein Teil des zurückgeworfenen
Laserlichtes als erstes Empfangsstrahlbündel 16 auf den Umlenkspiegel 12 elliptischer
Form auftrifft und parallel zum ersten Sendelaserstrahl 14 und
in entgegengesetzter Richtung zu diesem um 90° in 2 nach links
umgelenkt wird.
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Das
umgelenkte erste Empfangsstrahlbündel 16' wird mit Hilfe
einer ersten Empfangslinse 18 auf den Eingang einer ersten
Empfangsfaser 19 fokussiert. Die Empfangslinse 18 sowie
die erste Empfangsfaser 19 sind mit Hilfe eines in 2 schematisch
dargestellten konischen Gehäuseteils 20 optisch
aufeinander abgestimmt.
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Das
die erste Empfangsfaser 19 verlassende Licht gelangt zu
einem Photodetektor und wird in einer in der Zeichnung nicht dargestellten
Steuer- und Auswerteeinheit in der aus der laserbasierten Entfernungsmessung
bekannten Art und Weise ausgewertet, um für jeden Drehwinkel des Umlenkspiegels 12 bei seiner
Rotation um die in 2 schematisch dargestellte Rotationsachse 21 eine
Koordinate für
das Oberflächensegment 15 zu
bestimmen.
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Der
Umlenkspiegel 12 ist bei dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
in einem rohrförmigen
Gehäuse 22 um
45° gegenüber der
Rotationsachse und der Längsachse
des rohrförmigen
Gehäuses 22 gekippt
befestigt. Das rohrförmige
Gehäuse 22 ist
vorzugsweise beidseitig gelagert. Dazu können Luftlager oder Kugellager 23 verwendet
werden. Mit Hilfe eines in 2 schematisch
dargestellten Elektromotors 24 wird das rohrförmige Gehäuse 22 in Drehung
versetzt, wobei der jeweilige Drehwinkel bei der Rotation mit Hilfe
eines Encoders 25 erfaßt
wird. Die Justierung des Strahlengangs erfolgt so, dass der erste
Sendelaserstrahl 14 genau mit der Rotationsachse 21 des
rohrförmigen
Gehäuses 22 und
der Mitte des Umlenkspiegels 12 fluchtet. Entsprechendes
gilt für
die Lichteingangsöffnung
der ersten Empfangsfaser 19.
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Das
rohrförmige
Gehäuse 22 verfügt auf seiner
Umfangsfläche über eine
erste Öffnung 26 für das Licht
des ersten Abtaststrahles 5 sowie das Licht des ersten
Empfangsstrahlbündels 16.
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Wie
man in 2 erkennt, verfügt das rohrförmige Gehäuse 22 auf
der diametral der ersten Öffnung 26 gegenüberliegenden
Seite über
eine zweite Öffnung 27. Über diese
zweite Öffnung 27 verläßt ein zweiter
Abtaststrahl 5' die
Abtastvorrichtung 8. Der zweite Abtaststrahl 5' entstammt dem
an der zweiten Seite oder Rückseite
des Umlenkspiegels 12 reflektierten Licht eines zweiten
Sendelaserstrahles 34, das die zweite Sendefaser 11 über einen
Faserkollimator 33 verläßt und in
der in 2 dargestellten Weise mit dem ersten Sendelaserstrahl 14 fluchtet, jedoch
eine entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung hat. Somit wird der Umlenkspiegel 12 beidseitig
genutzt, um gleichzeitig zwei entgegengesetzt ausgesandte Abtaststrahlen 5 und 5' zu erzeugen.
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Außerdem kann
ein zweites Empfangsstrahlbündel 31, 31' über eine
zweite Empfangslinse 18' und
die zweite Empfangsfaser 29 zur schnellen Auswertung verwendet
werden.
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Infolge
der Dicke des Umlenkspiegels 12, bei dem es sich um einen
auf den beiden Außenseiten verspiegelten
Planspiegel mit beispielsweise einer elliptischen Form handelt,
haben die spiegelnden Oberseiten des Umlenkspiegels 12 einen
Abstand voneinander, so dass es zwischen dem Abtaststrahl 5 und
dem Abtaststrahl 5' zu
einem seitlichen Strahlenversatz V kommt.
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In 3 ist
veranschaulicht, wie das rotierende rohrförmige Gehäuse 22 mit Hilfe der
Kugellager 23 und Befestigungen 36 in einem Montagerohr 37 zentriert
und sicher geschützt
befestigt ist. Das Montagerohr 37 verfügt über ein Glasfenster 38 in Gestalt
eines transparenten Rohrstückes.
Auf diese Weise wird das Eindringen von Schmutz und Umwelteinflüssen unterdrückt, ohne
das Licht der Abtaststrahlen 5, 5' und des zurückkehrenden Streulichts zu
behindern.
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4 zeigt
die bereits anhand der 2 und 3 erläuterte Abtastvorrichtung 8 zur
Veranschaulichung, wie das Licht für die zweite Sendefaser 11 und
das aus der zweiten Empfangsfaser 29 austretende Licht
mit Hilfe einer Freistrahlübertragung 30 von
der einen Seite des rohrförmigen
Gehäuses 22 auf
die andere Seite des rohrförmigen
Gehäuses 22 übertragen
werden kann, ohne eine Einschränkung der
Abtastwinkel für
die Abtaststrahlen 5 und 5' durch lichtblockierende Elemente
zu verursachen. Die in 4 dargestellte Anordnung mit
einer Freistrahlübertragung 30 zur Überbrückung des
von den Abtaststrahlen 5, 5' überstrichenen Bereichs gestattet
es, insbesondere die Licht aussendenden Komponenten und die Licht
empfangenden Komponenten der Abtastvorrichtung 8 so anzuordnen,
dass keine Komponenten und insbesondere keine elektrischen Leitungen
den Weg der Abtaststrahlen 5 und 5' durchkreuzen müssen.
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Die
in den 2, 3 und 4 gezeigte Anordnung
mit einem Umlenkspiegel 12 elliptischer Form, der auf seinen
ebenen Außenseiten
verspiegelt ist, führt
zu dem im Zusammenhang mit 2 erörterten
Strahlenversatz V. Dieser Strahlenversatz V bei beidseitiger äußerer Verspiegelung
ist in 5 unterhalb eines Umlenkspiegels 42 gestrichelt
veranschaulicht, um diesem großen
Strahlenversatz V einen wesentlich kleineren Strahlenversatz v gegenüberzustellen,
der erreichbar ist, wenn der Umlenkspiegel 42 nicht außen beidseitig
verspiegelt ist, sondern über
eine innenliegende Spiegelschicht 43 verfügt. Die
Außenflächen des
Umlenkspiegels 42 sind üblicherweise
entspiegelt. Aufgrund einer nicht vermeidbaren Brechung der Lichtstrahlen
im Spiegelglas läßt sich
jedoch auch bei der in 5 dargestellten Anordnung ein
kleiner Strahlenversatz v nicht ganz vermeiden.
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Bei
dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel für einen
Umlenkspiegel 52 in Gestalt eines verkitteten Prismenpaares
aus einem ersten Prisma 53 und einem zweiten Prisma 54 wird
wegen des senkrechten Auftreffens der Sendelaserstrahlen 14, 34 auf
die Außenseiten
der Prismen 53, 54 eine zu einem Strahlenversatz
führende
Brechung vermieden. Zwischen dem ersten Prisma 53 und dem
zweiten Prisma 54 ist eine Kittfläche 55 mit einer Verspiegelungsschicht 56 vorgesehen.
Ein Prismenhalter 57 gestattet eine optimale Positionierung
des aus einem Prismenpaar bestehenden Umlenkspiegels 52 im rohrförmigen Gehäuse 22.
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Bei
dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Abtastvorrichtung 8 wird
mit Hilfe von Linsen 60, 61 eine Abbildungsoptik
mit möglichst
großer
Apertur und gleichzeitig kleinem Durchmesser der Kugellager 23 dadurch
erreicht, dass mit Hilfe der optischen Anordnung und den Linsen 60, 61 jeweils ein
Zwischenfokus 62, 63 im Bereich der Kugellager 23 verwirklicht
wird. Durch die Reduzierung der Lagergröße ergibt sich ins besondere
eine kompaktere Bauweise und ein geringerer mechanischer Verschleiß. Wie man
in 7 erkennt, verfügen die Linsen 60, 61 jeweils über eine
Mittenbohrung 64, damit die ausgehenden Sendelaserstrahlen 13, 14 auf
dem Weg zum Umlenkspiegel 12 nicht beeinflußt werden.
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Bei
dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Reduzierung
der rotierenden Masse statt der beiden Linsen 60 und 61 in
Verbindung mit einem Planspiegel ein beidseitig abbildender Umlenkspiegel 82 eingesetzt.
Der abbildende Umlenkspiegel 82 bildet ein abbildendes
optisches Element, das als offaxis-Paraboloid ausgestaltet sein
kann. Wie man in 8 erkennt, verläuft der
Strahlengang der Empfangsstrahlbündel 16 und 31 ähnlich wie
bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel
mit jeweils einem Zwischenfokus im Bereich der das rohrförmige Gehäuse 22 lagernden
Kugellager 23. Man erkennt weiterhin in 8 einen
Planspiegeleinsatz 72, der entsprechend den oben erörterten
Umlenkspiegeln 12, 42, 52 ausgestaltet
sein kann.