DE102012015238A1 - Device for optical scanning of surfaces or objects for use as remote sensing system for gas, particularly for hydrocarbons, has light source and optical element rotated around rotational axis by first output for deflecting light rays - Google Patents

Device for optical scanning of surfaces or objects for use as remote sensing system for gas, particularly for hydrocarbons, has light source and optical element rotated around rotational axis by first output for deflecting light rays Download PDF

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Abstract

The device has a light source and optical element (5) rotated around a rotational axis (19a,19b) by a first output (11) for deflecting light rays (2,12). The optical element has a first light-transmissive optical wedge plate (6) and a second light-transmissive optical wedge plate (7), where each wedge plate has an entry surface (8,8') and an exit surface (9,9') for the light rays.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Abtasten von Flächen oder Objekten, mit einer Lichtquelle und einem in einer Rotationsebene um eine Drehachse mittels eines ersten Abtriebes rotierenden optischen Element zum Umlenken von Lichtstrahlung zum optischen Abtasten von Flächen oder Objekten.The invention relates to a device for optically scanning surfaces or objects, comprising a light source and an optical element rotating in a plane of rotation about a rotation axis by means of a first output for deflecting light radiation for optically scanning surfaces or objects.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der WO 2004/092803 A1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist einen Umlenkspiegel zum Umlenken von Lichtstrahlung auf. Der Umlenkspiegel ist mit einem Antrieb verbunden und rotierbar, wobei die Spiegelnormale gegenüber der Rotationsachse gekippt ist. Der Umlenkspiegel befindet sich in einer gelagerten Fassung und ist mit mindestens einem Ausgleichsmasse-Element versehen.A device of the type mentioned is from the WO 2004/092803 A1 known. The known device has a deflection mirror for deflecting light radiation. The deflecting mirror is connected to a drive and rotatable, wherein the mirror normal is tilted with respect to the axis of rotation. The deflection mirror is in a mounted version and is provided with at least one leveling element.

Ein wichtiges Einsatzgebiet für eingangs genannte Vorrichtung ist die Fernerkundung bzw. Fernortung von Gasen, insbesondere von Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise Methan in dem Luftraum bzw. der Atmosphäre über dem Boden. Die Vorrichtung kann Bestandteil eines mobilen optischen Fernerkundungssystems sein und in einen Fluggerät, insbesondere in einem Helikopter eingebaut sein. Durch Überfliegen der Trasse eines Erdgasnetzes kann dieses bezüglich Lecks oder Undichtigkeiten überwacht werden.An important field of application for the aforementioned device is the remote sensing or remote location of gases, in particular of hydrocarbons, such as methane in the airspace or the atmosphere above the ground. The device may be part of a mobile optical remote sensing system and be installed in an aircraft, in particular in a helicopter. By flying over the route of a natural gas network, this can be monitored for leaks or leaks.

Bei der Fernortung von Gasen wird Licht, das von dem Boden oder der Atmosphäre aufgrund Strahlungsemission oder aufgrund von Streuung bzw. Reflektion von Licht aus einer Lichtquelle ausgeht, analysiert. Dazu wird die Lichtstrahlung mit einem Teleskop auf einen Detektor fokussiert. Es kann sich um Lichtstrahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infrarotem Spektralbereich handeln.In remote sensing of gases, light emanating from the ground or atmosphere due to radiation emission or due to scattering or reflection of light from a light source is analyzed. For this purpose, the light radiation is focused with a telescope on a detector. It may be light radiation in the ultraviolet, visible or infrared spectral range.

Wenn eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden soll und/oder die Lichtmengen, die von der Atmosphäre oder einer Fläche ausgestrahlt werden, relativ klein sind, müssen Teleskope bzw. Empfangssysteme mit großen optischen Aperturen eingesetzt werden, deren Durchmesser bis zu einigen 10 cm betragen kann.If a high sensitivity is to be achieved and / or the amounts of light emitted from the atmosphere or a surface are relatively small, telescopes or receiving systems with large optical apertures must be used, whose diameter can be up to several 10 cm.

Um eine Fläche schnell abtasten zu können, muss entweder das Empfangssystem entsprechend schnell bewegt oder das Gesichtfeld des Teleskops mittels einer geeigneten Einrichtung kontinuierlich neu ausgerichtet werden.In order to be able to scan a surface quickly, either the receiving system has to be moved correspondingly quickly, or the field of view of the telescope must be continuously reoriented by means of a suitable device.

Für Empfangssysteme bzw. Teleskope mit großen optischen Aperturen kommt die Bewegung des Empfangssystems oder des Teleskops aufgrund der Baugröße und der sich daraus ergebenden Antriebsprobleme nicht in Frage.For receiving systems or telescopes with large optical apertures, the movement of the receiving system or the telescope due to the size and the resulting drive problems is out of the question.

Vorrichtungen, der eingangs genannten Art, die zum Detektieren von Gas, insbesondere zwecks Überwachung von Erdgasleitungen eingesetzt werden sollen, müssen eine möglichst große Fläche abscannen können. Folglich müssen der Ablenk- bzw. der Umlenkwinkel für die Lichtstrahlung möglichst groß sein.Devices of the type mentioned, which are to be used for detecting gas, in particular for the purpose of monitoring natural gas pipelines, must be able to scan the largest possible area. Consequently, the deflection or the deflection angle for the light radiation must be as large as possible.

Bei der aus der WO 2004/092803 A1 bekannten Vorrichtung besteht die Gefahr, dass bei größeren Ablenk- bzw. Umlenkwinkeln die ringförmige Ausgleichmasse in die Lichtstrahlung gekippt wird. Für höhere Rotationsgeschwindigkeiten ist darüber hinaus der mechanische Aufwand hoch.At the time of the WO 2004/092803 A1 known device there is a risk that at larger deflection or deflection angles the annular balance mass is tilted into the light radiation. For higher rotational speeds beyond the mechanical complexity is high.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, eine konstruktiv einfache Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der große Flächen schnell und flexibel abgetastet werden können.The object of the invention is therefore to provide a structurally simple device of the type mentioned, can be scanned quickly and flexibly with the large areas.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a device having the features of claim 1.

Die Vorrichtung zum optischen Abtasten von Flächen oder Objekten mit einer Lichtquelle und einem in einer Rotationsebene um eine Drehachse mittels eines ersten Abtriebes rotierenden optischen Element zum Umlenken von Lichtstrahlung zum optischen Abtasten von Flächen oder Objekten, ist dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element eine erste lichtdurchlässige optische Keilplatte und mindestens eine zweite lichtdurchlässige optische Keilplatte aufweist, dass jede Keilplatte eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche für die Lichtstrahlung aufweist, dass die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche jeder Keilplatte nicht parallel zueinander verlaufen, so dass die Lichtstrahlung beim Eintritt und/oder Austritt aufgrund von Brechung umgelenkt wird, dass die erste und die zweite Keilplatte im Weg der Lichtstrahlung hintereinander angeordnet sind und dass die Position der ersten und der zweiten Keilplatte um die Drehachse relativ zueinander verstellbar ist, um den Umlenkwinkel der Lichtstrahlung zu ändern.The device for optically scanning surfaces or objects with a light source and an optical element rotating in a plane of rotation about a rotation axis by means of a first output for deflecting light radiation for optically scanning surfaces or objects is characterized in that the optical element has a first translucent optical wedge plate and at least one second translucent optical wedge plate, that each wedge plate has an entrance surface and an exit surface for the light radiation that the entrance surface and the exit surface of each wedge plate are not parallel to each other, so that the light radiation upon entry and / or exit due to refraction is deflected, that the first and the second wedge plate in the path of the light radiation are arranged one behind the other and that the position of the first and the second wedge plate about the axis of rotation relative to each other is adjustable to the deflection angle to change the light radiation.

Ein Lichtstrahl, der durch die lichtdurchlässigen optischen Keilplatten hindurch tritt, wird nach dem Brechungsgesetz abgelenkt. Da es sich um keilförmige plattenförmige optisches Elemente handelt, ändert sich beim Durchtritt eines Lichtstrahls durch die Keilplatten dessen Winkel bzw. dessen Richtung.A beam of light passing through the translucent optical wedge plates is deflected according to the law of refraction. Since it is wedge-shaped plate-shaped optical elements, changes in the passage of a light beam through the wedge plates whose angle or its direction.

Optische Keilplatten zur Umlenkung von Lichtstrahlung sind an sich bekannt. Nachteilig ist, dass der Umlenkwinkel, d. h. die Abweichung des Lichtstrahls von seiner ursprünglichen Richtung aufgrund von Brechung an der Vorderseite bzw. der Lichteintrittsseite und der Rückseite bzw. der Lichtaustrittsseite nur von den Eigenschaften des optischen Materials (Brechungsindex) abhängig ist.Optical wedge plates for deflecting light radiation are known per se. The disadvantage is that the deflection angle, d. H. the deviation of the light beam from its original direction due to refraction at the front side or the light entry side and the rear side or the light exit side is only dependent on the properties of the optical material (refractive index).

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Umlenkwinkel des Lichtstrahls veränderbar ist, wenn man mindestens zwei Keilplatten hintereinander anordnet und die Verstellung der ersten gegenüber der zweiten Keilplatte in Umfangsrichtung relativ zueinander ermöglicht. The invention is based on the recognition that the deflection angle of the light beam is variable, if one arranges at least two wedge plates in succession and allows the adjustment of the first relative to the second wedge plate in the circumferential direction relative to each other.

Da die erste und die zweite Keilplatte über den Querschnitt unterschiedlich dick sind, wird der Lichtstrahl je nachdem, in welcher Drehwinkelposition sich die erste Keilplatte in Bezug auf die zweite Keilplatte befindet, in unterschiedlichen Winkeln von der ursprünglichen Strahlrichtung abgelenkt.Since the first and second wedge plates have different thicknesses across the cross section, the light beam will be deflected at different angles from the original beam direction, depending on the angular position in which the first wedge plate is in relation to the second wedge plate.

Vorzugsweise verlaufen die Drehachsen der erste Keilplatte und der zweiten Keilplatte koaxial zueinander. Die Rotationsebene steht senkrecht zu den Drehachsen. Alternativ kann die Drehachse der ersten Keilplatte gegenüber der Drehachse der zweiten Keilplatte verkippt sein. Bei den Drehachsen handelt es sich lediglich um gedachte geometrische Achsen, um die die Keilplatten rotieren. Die Keilplatten sind von außen gelagert und angetrieben.Preferably, the axes of rotation of the first wedge plate and the second wedge plate are coaxial with each other. The plane of rotation is perpendicular to the axes of rotation. Alternatively, the axis of rotation of the first wedge plate can be tilted with respect to the axis of rotation of the second wedge plate. The axes of rotation are merely imaginary geometrical axes around which the wedge plates rotate. The wedge plates are mounted and driven from the outside.

Vorzugsweise rotieren beide Keilplatten mit gleicher Drehrichtung. Alternativ kann die Drehrichtung der ersten Keilplatte unterschiedlich zu der Drehrichtung der zweiten Keilplatte sein.Preferably, both wedge plates rotate with the same direction of rotation. Alternatively, the direction of rotation of the first wedge plate may be different to the direction of rotation of the second wedge plate.

Die erste und die zweite Keilplatte rotieren in der Regel mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit. In Folge der Rotation beider Keilplatten mit gleicher Winkelgeschwindigkeit wird der Lichtstrahl auf einem Kreis auf dem Target bzw. am Boden geführt.The first and second wedge plates usually rotate at the same angular velocity. As a result of the rotation of both wedge plates at the same angular velocity, the light beam is guided on a circle on the target or on the ground.

Um die Position der ersten und der zweiten Keilplatte relativ zueinander um die Drehachse zu verstellen unterscheiden sich bei einer bevorzugten Ausführungsform die Rotationsgeschwindigkeiten der ersten Keilplatte und die zweiten Keilplatte zumindest für eine vorgegebene Zeitspanne.In order to adjust the position of the first and the second wedge plate relative to each other about the axis of rotation in a preferred embodiment, the rotational speeds of the first wedge plate and the second wedge plate differ for at least a predetermined period of time.

Alternativ erfolgt die Verstellung der Position der ersten Keilplatte und der zweiten Keilplatte um die Drehachse relativ zueinander mittels eines zweiten Antriebes. Diese kann eine elektronische Regelung aufweisen und ansteuerbar sein.Alternatively, the adjustment of the position of the first wedge plate and the second wedge plate about the axis of rotation relative to each other by means of a second drive. This can have an electronic control and be controlled.

Im einfachsten Fall wird die Position der ersten Keilplatte relativ zu der zweiten Keilplatte und damit die Größe des Umlenkwinkels fest eingestellt. Alternativ kann der Umlenkwinkel auch kontinuierlich verändert werden. Vorteilhafterweise erfolgt die Verstellung der ersten Keilplatte gegenüber der zweiten Keilplatte und somit die Verstellung des Ablenkwinkels bzw. des Umlenkwinkels stufenlos.In the simplest case, the position of the first wedge plate relative to the second wedge plate and thus the size of the deflection angle is fixed. Alternatively, the deflection angle can also be changed continuously. Advantageously, the adjustment of the first wedge plate relative to the second wedge plate and thus the adjustment of the deflection angle and the deflection angle is infinitely variable.

Die Winkel, mit der Vorderseite und Rückseite zueinander geneigt sind, können bei der ersten und der zweiten Keilplatte gleich groß sein. Es ist aber auch möglich, zwei Keilplatten mit unterschiedlichem Keilwinkel und/oder aus unterschiedlichem Material zu verwenden.The angles, with the front and back are inclined to each other, may be the same size in the first and the second wedge plate. But it is also possible to use two wedge plates with different wedge angle and / or of different material.

Die Keilplatten können aus Saphir oder aus Zinksulfid bestehen. Es hat sich in Versuchen im infraroten Spektralbereich als günstig herausgestellt, wenn die erste und die zweite Keilplatte aus Germanium bestehen.The wedge plates may be sapphire or zinc sulfide. It has proved favorable in tests in the infrared spectral range if the first and the second wedge plate consist of germanium.

Der Querschnitt der Keilplatten kann kreisförmig sein. Es können aber auch andere Formen verwendet werden, die in einen Halter eingebaut sind, dessen äußere Umfassung kreisförmig ist.The cross section of the wedge plates can be circular. But it can also be used other forms, which are installed in a holder whose outer enclosure is circular.

Vorzugsweise verläuft jeweils eine der beiden Flächen jeder Keilplatte, d. h. jeweils die Eintrittsfläche oder die Austrittsfläche, parallel zu der Rotationsebene.Preferably, each one of the two surfaces of each wedge plate, d. H. in each case the entrance surface or the exit surface, parallel to the plane of rotation.

In Rahmen der Erfindung verlaufen die Eintrittsfläche der ersten Keilplatte und die Austrittsfläche der zweiten Keilplatte bevorzugt parallel zur Rotationsebene. Die Austrittsfläche der ersten Keilplatte und die Eintrittsfläche der zweiten Keilplatte verlaufen dann in der Regel nicht parallel, sondern in einem Winkel zueinander.In the context of the invention, the entry surface of the first wedge plate and the exit surface of the second wedge plate preferably run parallel to the plane of rotation. The exit surface of the first wedge plate and the entry surface of the second wedge plate then run as a rule not parallel, but at an angle to each other.

Alternativ können die Austrittsfläche der ersten Keilplatte und die Eintrittsfläche der zweiten Keilplatte parallel zur Rotationsebene verlaufen.Alternatively, the exit face of the first wedge plate and the entry face of the second wedge plate may be parallel to the plane of rotation.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass die Eintrittsflächen beider Keilplatten parallel zur Rotationsebene verlaufen. Die Austrittsfläche beider Keilplatten verlaufen in diesem Fall in der Regel in einen Winkel zueinander.A further advantageous embodiment is that the entry surfaces of both wedge plates are parallel to the plane of rotation. The exit surface of both wedge plates extend in this case usually at an angle to each other.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass die Austrittsfläche beider Keilplatten parallel zur Rotationsebene verlaufen. Die Eintrittsflächen beider Keilplatten verlaufen dann in der Regel in einem Winkel zueinander.In the context of the invention, it is also possible that the exit surface of both wedge plates extend parallel to the plane of rotation. The entry surfaces of both wedge plates are then usually at an angle to each other.

Schließlich es möglich, dass keine der Ein- und Austrittsflächen beider Keilplatten parallel zur Rotationsebene verläuft.Finally, it is possible that none of the entry and exit surfaces of both wedge plates is parallel to the plane of rotation.

Die Wahl einer der vorgenannten Varianten hängt von den Anforderungen an den jeweiligen Einsatzfall ab. Beispielsweise kann eine Variante erforderlich sein, bei der bestimmte Restreflexe zurück in die Lichtquelle vermieden werden.The choice of one of the aforementioned variants depends on the requirements of the particular application. For example, a variant may be required in which certain residual reflections are avoided back into the light source.

Da Teleskope mit großer Apertur eingesetzt werden können, ist die Vorrichtung besonders als Bestandteil eines optischen Fernerkundungs- bzw. Fernortungssystems für Gase, insbesondere für Kohlenwasserstoffe wie Methan oder für Erdgas geeignet. Es ist für derartige Anwendungen besonders vorteilhaft, wenn die Lichtstrahlung aus einer Laserlichtquelle stammt. Im Rahmen der Erfindung kann die Lichtstrahlung auch Sonnenlicht sein. Es kann sich auch um die Lichtstrahlung handeln, z. B. Wärmestrahlung, die von Objekten oder Flächen emittiert wird.Since large aperture telescopes can be used, the device is particularly suitable as part of an optical remote sensing system for gases, particularly for hydrocarbons such as methane or natural gas. It is special for such applications advantageous if the light radiation originates from a laser light source. Within the scope of the invention, the light radiation can also be sunlight. It may also be the light radiation, z. B. heat radiation emitted by objects or surfaces.

Im Rahmen der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Lichtempfangssystem mit einem Teleskop und einen Detektor für rückgestreutes Licht aufweist und dass das optische Element im Weg der von der Lichtquelle gesendeten Lichtstrahlung und im Weg der von einer Fläche oder einem Objekt in Richtung auf das Empfangssystem reflektieren Lichtstrahlung derart angeordnet ist, dass die Umlenkung der gesendeten und der reflektierten Lichtstrahlung synchron erfolgt.In the context of the invention, the device is characterized in that the device comprises a light receiving system with a telescope and a detector for backscattered light and that the optical element in the path of the transmitted light from the light source and in the way of a surface or an object in the direction on the receiving system reflect light radiation is arranged such that the deflection of the transmitted and the reflected light radiation takes place synchronously.

Es ist vorteilhaft, wenn die Rotationsachsen der ersten und der zweiten Keilplatte mit der Teleskopachse koaxial verlaufen.It is advantageous if the axes of rotation of the first and the second wedge plate with the telescopic axis extend coaxially.

Alternativ können die Rotationsachsen der ersten und/oder der zweiten Keilplatte gegenüber der Teleskopachse verkippt werden.Alternatively, the axes of rotation of the first and / or the second wedge plate relative to the telescopic axis can be tilted.

Vorzugsweise ist die Lichtquelle als Laserlicht-Sendeeinrichtung ausgebildet. Die Vorrichtung ist als Bestandteil eines mobilen optischen Fernerkundungssystems für Gase, insbesondere für Kohlenwasserstoffe wie Methan ausgebildet.Preferably, the light source is designed as a laser light transmitting device. The device is designed as part of a mobile optical remote sensing system for gases, in particular for hydrocarbons such as methane.

Der Lichtstrahl beschreibt auf der Zielfläche einen Kreis. Folglich kann die Abtastgeschwindigkeit groß sein. Wenn man die Vorrichtung in lineare Richtung bewegt, so beschreibt der Strahl auf dem Boden eine Zykloide.The light beam describes a circle on the target surface. As a result, the scanning speed can be large. If you move the device in a linear direction, the beam on the ground describes a cycloid.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung in einem Fluggerät installierbar und mit einer Navigationseinrichtung versehen. Da der Antrieb für die Rotationsbewegung keine großen Beschleunigungskräfte aufbringen muss, kann ein kostengünstiger Antrieb mit kleiner Leistung verwendet werden. Bei der Navigationseinrichtung kann es sich um ein bekanntes Global Positioning System (GPS) handeln.Preferably, the device is installable in an aircraft and provided with a navigation device. Since the drive for the rotational movement does not have to apply large acceleration forces, a low-cost drive with low power can be used. The navigation device may be a known Global Positioning System (GPS).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann besonders vorteilhaft für die Überwachung von erdverlegten Erdgasleitungen mittels eines Fluggerätes, z. B. eines Helikopters verwendet werden. Auf diese Weise können Lecks in einem Leitungsnetz durch Überfliegen der Trasse, insbesondere einem Helikopter, schnell erkannt werden.The device according to the invention can be particularly advantageous for the monitoring of underground gas pipelines by means of an aircraft, z. B. a helicopter can be used. In this way, leaks in a pipeline network can be quickly detected by flying over the route, in particular a helicopter.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.The invention will be explained below with reference to an embodiment.

Die Zeichnung zeigt inThe drawing shows in

1 schematisch eine erfindungsgemäßen Vorrichtung als Bestandteil eines mobilen optischen Fernerkundungssystems für Gase, insbesondere für Kohlenwasserstoffe mit einem optischen Element, welches eine erste und eine zweite Keilplatte aufweist; 1 schematically a device according to the invention as part of a mobile optical remote sensing system for gases, in particular for hydrocarbons with an optical element having a first and a second wedge plate;

2 die Konfiguration der beiden Keilplatten wie in 1, wobei die erste und die zweite Keilplatten sich in einer Stellung zueinander befinden, die den Lichtstrahl nicht ablenkt; 2 the configuration of the two wedge plates as in 1 wherein the first and second wedge plates are in a position with respect to one another that does not deflect the light beam;

3 weitere Konfiguration der ersten und der zweiten Keilplatte; 3 further configuration of the first and second wedge plates;

4 eine andere Konfiguration der ersten und der zweiten Keilplatte; 4 another configuration of the first and second wedge plate;

5 eine weitere Konfiguration der ersten und der zweiten Keilplatte; 5 another configuration of the first and the second wedge plate;

6 eine letzte Konfiguration der ersten und der zweiten Keilplatte. 6 a final configuration of the first and second wedge plates.

Die in 1 gezeigte schematisch dargestellte Vorrichtung ist Bestandteil eines mobilen optischen Fernerkundungssystems bzw. Fernortungssystems für Methan oder Erdgas zur Detektion eines Lecks in erdverlegten Erdgasleitungen. Das Fernerkundungssystem ist in einem nicht dargestellten Helikopter installiert und mit einem nicht dargestellten Navigationssystem verbunden sein. Der Helikopter fliegt mit einer Geschwindigkeit von ca. 80 bis 100 km/h über die Trasse der Erdgasleitung.In the 1 shown schematically device is part of a mobile optical remote sensing system or remote sensing system for methane or natural gas for detecting a leak in underground gas pipelines. The remote sensing system is installed in a helicopter, not shown, and connected to a navigation system, not shown. The helicopter flies at a speed of about 80 to 100 km / h over the route of the natural gas pipeline.

Von einer Laserlichtquelle 1 wird ein Laserlichtstrahl 2 gesendet, der sich auf der abzutastenden Fläche bzw. dem Boden 3 verteilt.From a laser light source 1 becomes a laser light beam 2 sent on the surface to be scanned or the ground 3 distributed.

Im Wege des gesendeten Laserlichtstrahls 2, der auf an sich bekannte Art und Weise mittels Spiegeln 4 umgelenkt wird, befindet sich ein optisches Element 5 mit einer ersten Keilplatte 6 und einer zweiten Keilplatte 7. Jede Keilplatte weist eine Eintrittsfläche 8 bzw. 8' und eine Austrittsfläche 9 bzw. 9' für die Lichtstrahlung auf, die nicht parallel zueinander verlaufen, um die Lichtstrahlung aufgrund von Brechung umzulenken.In the way of the transmitted laser light beam 2 in the manner known per se by means of mirrors 4 is deflected, there is an optical element 5 with a first wedge plate 6 and a second wedge plate 7 , Each wedge plate has an entrance surface 8th respectively. 8th' and an exit surface 9 respectively. 9 ' for the light radiation, which are not parallel to each other, to redirect the light radiation due to refraction.

Die Eintrittsfläche 8 der ersten Keilplatte 6 und die Austrittsfläche 9' der zweiten Keilplatte verlaufen parallel zu einer Rotationsebene 10.The entrance area 8th the first wedge plate 6 and the exit surface 9 ' the second wedge plate are parallel to a plane of rotation 10 ,

Die erste Keilplatte 6 und die zweite Keilplatte 7 rotieren gleichförmig und relativ schnell mittels eines ersten Antriebes 11. Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt beispielsweise 300 U/min.The first wedge plate 6 and the second wedge plate 7 rotate uniformly and relatively quickly by means of a first drive 11 , The rotational speed is, for example, 300 rpm.

Der auf den Boden gerichtete Lichtstrahl 2 wird als Lichtstrahlung 12 zurückgestreut und tritt durch das optische Element 5. Die Lichtstrahlung 12 wird an der Rückseite 9' und der Vorderseite 8' der zweiten Keilplatte 7 und der Rückseite 9 und der Vorderseite 8 der ersten Keilplatte 6 synchron zu dem Lichtstrahl 2 umgelenkt. Die von dem Boden 3 bzw. der darüber befindlichen Atmosphäre zurückgestreute Lichtstrahlung wird auf ein Lichtempfangssystem 13 mit einem Teleskop 14 abgeleitet. Das Teleskop weist eine große optische Apertur auf. Die Lichtstrahlung wird mit dem Teleskop 14 gesammelt und auf den Detektor 15 fokussiert.The light beam directed at the ground 2 is called light radiation 12 scattered back and kicked through the optical element 5 , The light radiation 12 will be at the back 9 ' and the front 8th' the second wedge plate 7 and the back 9 and the front 8th the first wedge plate 6 synchronous to the light beam 2 diverted. The one from the ground 3 or the atmosphere located above scattered light radiation is applied to a light receiving system 13 with a telescope 14 derived. The telescope has a large optical aperture. The light radiation is with the telescope 14 collected and on the detector 15 focused.

Die Konfiguration der beiden Keilplatten 6, 7 ist so gewählt, dass unerwünschte Restreflexe zurück in die Lichtquelle 1 und in das Lichtempfangssystem 13 vermieden werden.The configuration of the two wedge plates 6 . 7 is chosen so that unwanted residual reflections back into the light source 1 and in the light receiving system 13 be avoided.

Die Drehwinkelposition der ersten Keilplatte 6 kann in Relation zu der Drehwinkelposition der zweiten Keilplatte 7 mittels eines zweiten Antriebs 16 stufenlos verstellt werden. Auf diese Weise kann der Ablenkwinkel des gesendeten und des rückgestreuten Lichtstrahls 2, 12 verstellt und an die Breite der abzutastenden Fläche und an die Anforderung aufgrund der Topographie der Zielfläche eingestellt werden. Der gesendete Lichtstrahl 2 beschreibt eine Kreisbahn. Durch die Überlagerung des Abtastens mit der Flugbewegung des Helikopters liegen die Messpunkte auf einer Zykloiden.The rotational angle position of the first wedge plate 6 may be in relation to the rotational angle position of the second wedge plate 7 by means of a second drive 16 be adjusted continuously. In this way, the deflection angle of the transmitted and the backscattered light beam 2 . 12 adjusted and adjusted to the width of the surface to be scanned and the requirement due to the topography of the target area. The transmitted light beam 2 describes a circular path. By superimposing the scanning with the flight movement of the helicopter, the measuring points lie on a cycloid.

Die Drehachsen 19a und 19b der ersten und der zweiten Keilplatte 6, 7 verlaufen koaxial zueinander und koaxial mit der Teleskopachse 17.The axes of rotation 19a and 19b the first and the second wedge plate 6 . 7 are coaxial with each other and coaxial with the telescopic axis 17 ,

Der von der Laserlichtquelle ausgesandte Lichtstrahl 2 wird parallel zur Teleskopachse 17 ausgesandt. Bei einer Leckage ist der Methangehalt in der Atmosphäre über dem Boden erhöht, da Erdgas hauptsächlich aus Methan besteht. Methan absorbiert bei bestimmten Wellenlängen das ausgesendete Licht, so dass durch Auswertung des zurückkehrenden Lichts die Konzentration des Methans in der Atmosphäre bestimmt werden kann.The light beam emitted by the laser light source 2 becomes parallel to the telescope axis 17 sent. In the event of a leak, the methane content in the atmosphere above the ground is increased because natural gas consists mainly of methane. Methane absorbs the emitted light at certain wavelengths, so that the concentration of methane in the atmosphere can be determined by evaluating the returning light.

2 ist zu entnehmen, dass die Eintrittsfläche 8 der ersten Keilplatte 6 und die Austrittsfläche 9' der zweiten Keilplatte 7 parallel zur Rotationsebene 10 verlaufen. Die Drehachsen 19a und 19b der beiden Keilplatten 6, 7 verlaufen koaxial. In der dargestellten Position der ersten Keilplatte 6 in Bezug auf die zweite Keilplatte 7 um die Drehachse relativ zueinander verlaufen die Austrittsseite 9 der ersten Keilplatte 6 und die Eintrittsseite 8' der zweiten Keilplatte 7 parallel zueinander. In dieser Position der Keilplatten 6, 7 (um die Drehachse relativ zueinander) wird der nicht dargestellte Lichtstrahl 2 nicht abgelenkt. 2 can be seen that the entrance surface 8th the first wedge plate 6 and the exit surface 9 ' the second wedge plate 7 parallel to the plane of rotation 10 run. The axes of rotation 19a and 19b the two wedge plates 6 . 7 are coaxial. In the illustrated position of the first wedge plate 6 in relation to the second wedge plate 7 about the axis of rotation relative to each other extend the exit side 9 the first wedge plate 6 and the entry side 8th' the second wedge plate 7 parallel to each other. In this position the wedge plates 6 . 7 (About the axis of rotation relative to each other) is the light beam, not shown 2 not distracted.

3 zeigt die gleiche Konfiguration wie 2, wobei die Keilplatten 6, 7 eine andere Position um die Drehachse relativ zueinander einnehmen. Die Eintrittsfläche 8 der ersten Keilplatte 6 und die Austrittsfläche 9' der zweiten Keilplatte 7 verlaufen parallel zur Rotationsebene 10 und in einem rechten Winkel zu der Seitenwand 18. Die Austrittsfläche 9 der ersten Keilplatte 6 und die Eintrittsfläche 8' der zweiten Keilplatte 7 verlaufen in einem Winkel zueinander. In 1 ist dargestellt, wie in der in 3 dargestellten Position der Keilplatten 6, 7 um die Drehachse relativ zueinander der Lichtstrahl 2 umgelenkt wird. 3 shows the same configuration as 2 , where the wedge plates 6 . 7 take a different position about the axis of rotation relative to each other. The entrance area 8th the first wedge plate 6 and the exit surface 9 ' the second wedge plate 7 run parallel to the plane of rotation 10 and at a right angle to the sidewall 18 , The exit surface 9 the first wedge plate 6 and the entrance area 8th' the second wedge plate 7 are at an angle to each other. In 1 is shown as in the in 3 shown position of the wedge plates 6 . 7 about the axis of rotation relative to each other the light beam 2 is diverted.

In 4 ist eine andere Konfiguration dargestellt, bei der die Austrittsfläche 9 der ersten Keilplatte 6 und die Eintrittsfläche 8' der zweiten Keilplatte 7 parallel zur Rotationsebene 10 verlaufen. Die nicht dargestellten Drehachsen 19a und 19b der beiden Keilplatten 6, 7 verlaufen koaxial. Die Eintrittsfläche 8 der ersten Keilplatte 6 und die Austrittsfläche 9' der zweiten Keilplatte 7 verlaufen in einem Winkel zueinander.In 4 another configuration is shown where the exit surface 9 the first wedge plate 6 and the entrance area 8th' the second wedge plate 7 parallel to the plane of rotation 10 run. The rotary axes, not shown 19a and 19b the two wedge plates 6 . 7 are coaxial. The entrance area 8th the first wedge plate 6 and the exit surface 9 ' the second wedge plate 7 are at an angle to each other.

Bei der Konfiguration nach 5 verlaufen die Eintrittsfläche 8 der ersten Keilplatte 6 und die Eintrittsfläche 8' der zweiten Keilplatte 7 parallel zur Rotationsebene 10. Die nicht dargestellten Drehachsen 19a und 19b der beiden Keilplatten 6, 7 verlaufen koaxial. Die beiden Austrittsflächen 9, 9' verlaufen bei der hier dargestellten Position der beiden Keilplatten 6, 7 um die Drehachse relativ zueinander parallel.When configuring 5 run the entrance surface 8th the first wedge plate 6 and the entrance area 8th' the second wedge plate 7 parallel to the plane of rotation 10 , The rotary axes, not shown 19a and 19b the two wedge plates 6 . 7 are coaxial. The two exit surfaces 9 . 9 ' run at the position shown here, the two wedge plates 6 . 7 about the axis of rotation relative to each other in parallel.

6 zeigt eine Konfiguration, bei der die beiden Austrittsflächen 9, 9' der ersten Keilplatte 6 und der zweiten Keilplatte 7 parallel zur Rotationsebene 10 verlaufen. Die nicht dargestellten Drehachsen 19a und 19b der beiden Keilplatten 6, 7 verlaufen koaxial. Die Eintrittsfläche 8 der ersten Keilplatte 6 und die Eintrittsfläche 8' der zweiten Keilplatte 7 verlaufen bei der hier dargestellten Position der beiden Keilplatten 6, 7 in Drehrichtung relativ zueinander parallel. 6 shows a configuration in which the two exit surfaces 9 . 9 ' the first wedge plate 6 and the second wedge plate 7 parallel to the plane of rotation 10 run. The rotary axes, not shown 19a and 19b the two wedge plates 6 . 7 are coaxial. The entrance area 8th the first wedge plate 6 and the entrance area 8th' the second wedge plate 7 run at the position shown here, the two wedge plates 6 . 7 in the direction of rotation relative to each other in parallel.

Im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungen möglich. So ist es möglich, dass keine der Ein- und Austrittsflächen (8, 8', 9, 9') der ersten und zweiten Keilplatte 6, 7 parallel zu der Rotationsebene 10 verläuft.Modifications are readily possible within the scope of the invention. So it is possible that none of the entrance and exit surfaces ( 8th . 8th' . 9 . 9 ' ) of the first and second wedge plates 6 . 7 parallel to the plane of rotation 10 runs.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
LaserlichtquelleLaser light source
22
gesendeter Lichtstrahltransmitted light beam
33
Bodenground
44
Spiegelmirror
55
optisches Elementoptical element
66
erste Keilplattefirst wedge plate
77
zweite Keilplattesecond wedge plate
88th
Eintrittsfläche KeilplatteEntrance area wedge plate
99
Austrittsfläche KeilplatteExit surface wedge plate
1010
Rotationsebeneplane of rotation
1111
erster Antriebfirst drive
1212
rückgestreuter Lichtstahlbackscattered light steel
1313
LichtempfangssystemLight receiving system
14 14
Teleskoptelescope
1515
Detektordetector
1616
zweiter Antriebsecond drive
1717
Teleskopachsetelescopic axis
1818
SeitenwandSide wall
19a19a
erste Drehachsefirst axis of rotation
19b19b
zweite Drehachsesecond axis of rotation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2004/092803 A1 [0002, 0009] WO 2004/092803 A1 [0002, 0009]

Claims (14)

Vorrichtung zum optischen Abtasten von Flächen oder Objekten, mit einer Lichtquelle und einem in einer Rotationsebene (10) um eine Drehachse (19a, 19b) mittels eines ersten Abtriebes (11) rotierenden optischen Element (5) zum Umlenken von Lichtstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (5) eine erste lichtdurchlässige optische Keilplatte (6) und mindestens eine zweite lichtdurchlässige optische Keilplatte (7) aufweist, dass jede Keilplatte (6, 7) eine Eintrittsfläche (8, 8') und eine Austrittsfläche (9, 9') für die Lichtstrahlung (2, 12) aufweist, dass die Eintrittsfläche (8, 8') und die Austrittsfläche (9, 9') jeder Keilplatte (6, 7) nicht parallel zueinander verlaufen, so dass die Lichtstrahlung (2, 12) beim Eintritt und/oder Austritt aufgrund von Brechung umgelenkt wird, dass die erste und die zweite Keilplatte (6, 7) im Weg der Lichtstrahlung (2, 12) hintereinander angeordnet sind und dass die Position der ersten und der zweiten Keilplatte (6, 7) um die Drehachse (19a, 19b) relativ zueinander verstellbar ist, um den Umlenkwinkel der Lichtstrahlung (2, 12) zu ändern.Device for the optical scanning of surfaces or objects, with a light source and in a plane of rotation ( 10 ) about a rotation axis ( 19a . 19b ) by means of a first output ( 11 ) rotating optical element ( 5 ) for deflecting light radiation, characterized in that the optical element ( 5 ) a first translucent optical wedge plate ( 6 ) and at least one second translucent optical wedge plate ( 7 ), that each wedge plate ( 6 . 7 ) an entrance surface ( 8th . 8th' ) and an exit surface ( 9 . 9 ' ) for the light radiation ( 2 . 12 ), that the entrance surface ( 8th . 8th' ) and the exit surface ( 9 . 9 ' ) each wedge plate ( 6 . 7 ) are not parallel to each other, so that the light radiation ( 2 . 12 ) is deflected on entry and / or exit due to refraction that the first and the second wedge plate ( 6 . 7 ) in the path of light radiation ( 2 . 12 ) are arranged one behind the other and that the position of the first and the second wedge plate ( 6 . 7 ) about the axis of rotation ( 19a . 19b ) is adjustable relative to each other to the deflection angle of the light radiation ( 2 . 12 ) to change. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (19a) der ersten Keilplatte (6) und die Drehachse (19b) der zweiten Keilplatte (7) koaxial verlaufen.Device according to claim 1, characterized in that the axis of rotation ( 19a ) of the first wedge plate ( 6 ) and the axis of rotation ( 19b ) of the second wedge plate ( 7 ) extend coaxially. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (19a) der ersten Keilplatte (6) gegenüber der Drehachse (19b) der zweiten Keilplatte (7) verkippt ist.Device according to claim 1, characterized in that the axis of rotation ( 19a ) of the first wedge plate ( 6 ) with respect to the axis of rotation ( 19b ) of the second wedge plate ( 7 ) is tilted. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung der ersten Keilplatte (6) gleich der Drehrichtung der zweiten Keilplatte (7) ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the direction of rotation of the first wedge plate ( 6 ) equal to the direction of rotation of the second wedge plate ( 7 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung der ersten Keilplatte (6) unterschiedlich zu der Drehrichtung der zweiten Keilplatte (7) ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the direction of rotation of the first wedge plate ( 6 ) different to the direction of rotation of the second wedge plate ( 7 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rotationsgeschwindigkeiten der ersten Keilplatte (6) und der zweiten Keilplatte (7) zumindest für eine vorgegebene Zeitspanne unterscheiden, um die Position der ersten und der zweiten Keilplatte (6, 7) relativ zueinander um die Drehachse (19a, 19b) zu verstellen.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the rotational speeds of the first wedge plate ( 6 ) and the second wedge plate ( 7 ) at least for a predetermined period of time to determine the position of the first and second wedge plates ( 6 . 7 ) relative to each other about the axis of rotation ( 19a . 19b ) to adjust. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung der Position der ersten Keilplatte (6) und der zweiten Keilplatte (7) um die Drehachse (19a, 19b) relativ zueinander mittels eines zweiten Antriebes (16) erfolgt.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the adjustment of the position of the first wedge plate ( 6 ) and the second wedge plate ( 7 ) about the axis of rotation ( 19a . 19b ) relative to each other by means of a second drive ( 16 ) he follows. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dass die Verstellung der Position der ersten Keilplatte (6) und der zweiten Keilplatte (7) um die Drehachse (19a, 19b) relativ zueinander stufenlos erfolgt.Device according to one of claims 1 to 7, that the adjustment of the position of the first wedge plate ( 6 ) and the second wedge plate ( 7 ) about the axis of rotation ( 19a . 19b ) takes place continuously relative to each other. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Eintrittsfläche (8, 8') oder die Austrittsfläche (9, 9') jeder Keilplatte (6, 7) parallel zu der Rotationsebene (10) verläuft.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that either the entrance surface ( 8th . 8th' ) or the exit surface ( 9 . 9 ' ) each wedge plate ( 6 . 7 ) parallel to the plane of rotation ( 10 ) runs. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass keine der Ein- und Austrittsflächen (8, 8', 9, 9') der ersten und zweiten Keilplatte (6, 7) parallel zu der Rotationsebene (10) verläuft.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that none of the inlet and outlet surfaces ( 8th . 8th' . 9 . 9 ' ) of the first and second wedge plates ( 6 . 7 ) parallel to the plane of rotation ( 10 ) runs. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Lichtempfangssystem (13) mit einem Teleskop (14) und einen Detektor (15) für rückgestreutes Licht aufweist und dass das optische Element (5) im Weg der von der Lichtquelle gesendeten Lichtstrahlung (2) und im Weg der von einer Fläche oder einem Objekt in Richtung auf das Lichtempfangssystem (13) reflektieren Lichtstrahlung (12) derart angeordnet ist, dass die Umlenkung der gesendeten und der reflektierten Lichtstrahlung (2, 12) synchron erfolgt.Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the device is a light receiving system ( 13 ) with a telescope ( 14 ) and a detector ( 15 ) for backscattered light and that the optical element ( 5 ) in the path of the light radiation emitted by the light source ( 2 ) and in the path of a surface or an object towards the light receiving system ( 13 ) reflect light radiation ( 12 ) is arranged such that the deflection of the transmitted and the reflected light radiation ( 2 . 12 ) takes place synchronously. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen (19a, 19b) der ersten und der zweiten Keilplatte (6, 7) koaxial mit der Teleskopachse (17) verlaufen.Device according to claim 11, characterized in that the axes of rotation ( 19a . 19b ) of the first and the second wedge plate ( 6 . 7 ) coaxial with the telescopic axis ( 17 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) als Laserlicht-Sendeeinrichtung ausgebildet ist und dass die Vorrichtung als Bestandteil eines mobilen optischen Fernerkundungssystems für Gase, insbesondere für Kohlenwasserstoffe ausgebildet ist.Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the light source ( 1 ) is designed as a laser light transmitting device and that the device is designed as part of a mobile optical remote sensing system for gases, in particular for hydrocarbons. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einer Navigationseinrichtung versehen und in einem Fluggerät installierbar ist.Apparatus according to claim 13, characterized in that the device is provided with a navigation device and can be installed in an aircraft.
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