DE102009049809A1

DE102009049809A1 - Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung

Info

Publication number: DE102009049809A1
Application number: DE102009049809A
Authority: DE
Inventors: Hans Spies; Martin Spies
Original assignee: INGBUERO SPIES GbR; Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart)
Current assignee: INGBUERO SPIES GbR; Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart)
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2028-04-19
Also published as: DE102009049809B4

Abstract

Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung mit mindestens einem Impulslaser und einem Impulsempfänger dadurch gekennzeichnet, dass der Impulslaser und der Impulsempfänger auf ein System aus zwei fest miteinander verbundenen Spiegel, die zueinander senkrecht stehen abgebildet werden und diese Anordnung über eine Lagerung aus vorwiegend Torsionsfedern zum Schwingen gebracht wird und dadurch eine Szene in einer Ebene von z. B. ±30° abgetastet wird.

Description

Stand der Technik
Es sind eine Reihe von Sensoren bekannt, die einen Szenenraum abtasten. Diese Sensoren sind z. B. in folgenden Schriften dargestellt:
DE 101 14 362 C2
DE 101 46 692 B4
DE 10 2004 014 041 B4
DE 10 2005 055 572 B4
DE 10 2006 045 799 A1
Alle diese Systeme haben den Nachteil, dass sie nicht sehr kompakt aufgebaut werden können und nicht gleichzeitig mehrere Wellenlängen zur Abtastung benutzbar sind.
Aufgabe der Erfindung
Mit der Erfindung wurde die Aufgabe gelöst mit einem einzigen System aus schwingend angeordneten Spiegeln einen weiten Abtastwinkel zu ermöglichen. Zugleich wird eine kompakte Bauweise erreicht, bei der Laser und Empfangsbaugruppen voneinander getrennt sind und bei Rotation des Systems mehrere Abtastungen pro Umdrehungen möglich sind. Zugleich können mit dem gleichen System mehrere Wellenlängen Verwendung finden.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand der 1 bis 4 beschrieben.
Entsprechend 1 wird ein Laser 101 der von dem Pulsgenerator 100 angesteuert wird über die Optik 104 mit dem Strahlengang 106 auf den Spiegel 105 abgebildet. Von dort aus wird mit dem Strahlengang 106a die zu vermessende Szene abgetastet. Die reflektierten Lichtimpulse gelangen über den Strahlengang 108 auf den Spiegel 107 und von dort aus über den Strahlengang 108a auf das optische Filter 109, auf die Empfangslinse 110 und werden von dieser auf den Detektor 111 gebündelt.
Dieser Spiegel ist starr mit dem Spiegel 107 verbunden. Beide Spiegel bilden zueinander einen rechten Winkel. Das Spiegelsystem (105, 107) ist über Torsionsfedern 113 federnd aufgehängt.
Über den Spiegel 105a kann ein zweiter Laser in gleicher Weise wie der Laser 101 auf die Szene abgebildet werden um z. B. zeitversetzt einen zweiten Laserfleck zu erzeugen.
Die Anregung der Spiegelsysteme (105, 107 und gegebenenfalls 105a) kann einfach durch einen Elektromagneten mit dem Joch 114 und den Wicklungen 115 (115a und 115b) der auf den Permanentmagneten 102 über den Hebel 102 auf das Spiegelsystem wirkt erfolgen. Diese Anregung ist ein Beispiel, sie kann auch elektrostatisch, piezoelektrisch, magnetbetrieben oder über eine Drehspule oder einen Motor erfolgen.
Entsprechend 2 kann das System in einen Rotor 206 eingebaut werden. Der Rotor enthält das Spiegelsystem gemäß 1 bestehend aus dem Spiegeln 105 und 107 und den Torsionsfedern 113, die Laserdiode 101 mit ihrer Optik 104. Der Rotor 206 wird über den Motor 205 über die Achse 204 zur z. B: Azimutabtastung rotiert. Die Laserdiode 101 wird dabei über den Induktionsring 201 (der sich mitdreht) über den stehenden Induktionsring 202 über den Pulsgenerator 203 angesteuert. Der über den Strahlengang 106a abgegebene Lichtimpuls wird z. B. von einem Objekt reflektiert und kommt über den Strahlengang 108 auf den Spiegel 107 und wird von dort über den Strahlengang 108a auf das stehende Filter 109 über die stehende Optik 110 auf den stehenden Empfänger 111 abgebildet.
Damit kann eine Szene im Azimutwinkel von z. B. 360° und im Elevationswinkel von z. B. ±30° leicht abgetastet werden.
Die Anregung des Spiegelsystems (105, 107) geschieht in diesem Beispiel direkt über das Joch bestehend aus der ferromagnetischen Schenkeln 209c, dem Permanentmagneten 209d und dem in diesem Fall ferromagnetischen Spiegel 107.
Die Versorgung der Spule 209 bestehend aus den Teilspulen 209a und 209b erfolgt berührungslos über den Transformator mit der mitdrehenden Sekundärwicklung 207, der stehenden Primärwicklung 208 die über den Generator 201 gespeist wird. Eine weitere Anordnung ist in 3 dargestellt. In dieser Anordnung wird das Schwingspiegelsystem 105 und 107 von beiden Seiten benützt.
Der Laser 101, angesteuert über den Induktionsring 201 und dem Primärring 202 gibt seinen Lichtimpuls über die Optik 104 mit dem Strahlengang 106 auf den Spiegel 105 und von dort über den Strahlengang 106a auf die Szene ab. Der reflektierte Lichtimpuls gelangt über den Strahlengang 108 auf den Spiegel 107 und von dort aus über das Filter 109, die Optik 110 auf den stehenden Detektor 111.
Der Laser 301, angesteuert über den Induktionsring 302, dem Primärring 303 gibt seinen Lichtimpuls über die Optik 304 über den Strahlengang 312 auf die andere Seite des Spiegels 105 auf die Szene über den Strahlengang 312a ab. Der rückgestreute Lichtimpuls gelangt über die andere Seite des Spiegels 107 mit dem Strahlengang 313 über den Strahlengang 313a über das Filter 304 und die Optik 305 auf den stehenden Detektor 306.
Das Anregungssystem der Spiegel 105 und 107 wird z. B: über die mitdrehende Wicklung 314 und 316 über die stehende Primärwicklung 315 und 316 versogt. Der Rotor wird z. B: über die Spulen 309 und 311, die auf die Magnete 308 und 310 wirken, in Drehung versetzt.
Das schwingende Spiegelsystem 105 und 107 wird in diesem Beispiel über eine Drehspule 320 angeregt, die sich über einen Permanentmagneten 330 mit seinen Polen 330a und 330b dreht. Die Spule ist mechanisch mit der Verbindung 319 mit dem Spiegel 107 verbunden, der seinerseits mit der Verbindung 318 mit dem Spiegel 105 fest verbunden ist.
Die Torsionsfeder 113 ist beidseitig im Rotor über die Halterungen 113a und 113b fest verbunden.
Zwischen den Spiegeln 105 und 107 kann zur Abschirmung der Strahlengänge des Lasers 101 und 201 und der Empfänger 111 und 306 ein Abschirmblech angebracht werden. Mit der Anordnung nach 3 kann pro Umdrehung durch die beiden Systeme die Szene zweimal abgetastet werden was z. B. eine sehr schnelle 360° Abtastung ermöglicht. Eine weitere Möglichkeit ist, dass sowohl Laserdioden als auch Filter und Detektoren für unterschiedliche Wellenlängen angelegt sein können, was z. B. für schlechte Wetterbedingungen wie Nebel, Schnee, Regen von großem Vorteil im Hinblick auf die Detektionsgüte sehr vorteilhaft ist. Damit mit der Anordnung ein großer Elevationswinkel pro Umdrehung abgetastet werden kann, sind anstatt einer Laserdiode z. B. 101 auch mehrer Laserdioden 351, 352 und 353 mit einer Pulsweiterschaltung 350 betreibbar, die über einen der Induktionsringe 202 oder 303 angesteuert und betreibbar wird.
In 4 entspricht der Laserteil von der Laserdiode 101 bis zur Empfangsdiode 111 der Beschreibung und Anwendung von 2 und 3.
Wie in 3 wird das Spiegelsystem 105, 107 über die Wicklungen 314, 315 und 316, 317 betrieben und der Motor besteht aus den Magneten 308, 310 die über die Wicklungen 309, 311 angesteuert werden. Der untere Teil besteht aus dem Mikrowellen Sende-Empfangssystem 401 mit seiner Antenne 402 die über die Mikrowellenlinse 403 über den Strahlengang 404 auf die Unterseite des Spiegels 107 über den Strahlengang 404a auf die Szene abgebildet wird. Die reflektierte Mikrowellenstrahlung kommt auf den gleichen Weg mit dem Strahlengang 404r über den Spiegel 107 und die Mikrowellenlinse auf das Mikrowellen Sende-Empfangssystem 401 zurück. Der Strahlengang 404 kann auch mit einem Paraboloid-Reflektor 407 über die Antenne 406 und die Speiseleitung 405 vom Mikrowellen Sende-Empfangssystem angesteuert werden.
Werden die doppelseitig wirkenden Systeme nicht in einem Rotor eingebaut und erfolgt die Raumabtastung z. B. über Laserzeilen, so kann die zweite Seite über eine Anordnung von zwei weiteren dislozierten Spiegeln auf die gleiche Szene abgebildet werden.
Die Abstandsmessung der beschriebenen Pulslasersysteme erfolgt vorwiegend nach dem Pulslaufzeitverfahren, wie in den Schriften
DE 41 27 168 C2
DE 197 17 399 C2
DE 101 668 B4
DE 10 2006 049 935.2
Die Auswertung der Radarsignale erfolgt nach den bekannten Verfahren, wie z. B: Pulslaufzeit, Dopplerauswertung, Frequenzmodulation, Frequenzsweep und daraus abgeleitete Kombinationen.
Durch die Kombination eines Mikrowellensystems mit geringer Raumauflösung und direkter Messung der Geschwindigkeit über die Dopplerfrequenz und dem optischen System mit hoher Ortsauflösung kann die Funktionalität des Sensors erheblich gesteigert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10114362 C2 [0001]
DE 10146692 B4 [0001]
DE 102004014041 B4 [0001]
DE 102005055572 B4 [0001]
DE 102006045799 A1 [0001]
DE 4127168 C2 [0022]
DE 19717399 C2 [0022]
DE 101668 B4 [0022]
DE 102006049935 [0022]

Claims

Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung mit mindestens einem Impulslaser und einem Impulsempfänger dadurch gekennzeichnet, dass der Impulslaser und der Impulsempfänger auf ein System aus zwei fest miteinander verbundenen Spiegel, die zueinander senkrecht stehen abgebildet werden und diese Anordnung über eine Lagerung aus vorwiegend Torsionsfedern zum Schwingen gebracht wird und dadurch eine Szene in einer Ebene von z. B. ±30° abgetastet wird.
Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung mit mindestens einem Impulslaser und einem Impulsempfänger dadurch gekennzeichnet, dass das in Anspruch 1 beschriebene System in einem Rotor eingebaut wird und damit ein Raum im Bereich von 360° Azimut und ±30° Elevation abgetastet werden kann.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das beschriebene Spiegelsystem von beiden Seiten benützt werden kann um zugleich mit zwei Sende-Empfangsanordnungen den Raum abzutasten.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass anstatt einer Laserdiode eine Zeile von Laserdioden verwendet wird.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsystem von beiden Seiten benützt wird um die Szene mit unterschiedlichen Wellenlängen abtasten zu können.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen dem Sendespiegel und dem Empfangsspiegel ein Seperator angebracht ist.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem System, bei dem beide Spiegelseiten benützt werden und dieses nicht in einem Rotor eingebaut ist durch eine einfache Anordnung von zwei zusätzlichen Spiegeln das zweite System auf die selbe Stelle wie das erste System abgebildet werden kann.