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Die Erfindung betrifft eine Scanvorrichtung zur Inspektion eines dreidimensionalen Raumbereiches, mit einer Lichtquelle zum Aussenden von Sendelichtstrahlung in den dreidimensionalen Raumbereich und einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen von aus dem dreidimensionalen Raumbereich zurückreflektierten oder zurückremittierten Empfangslichtes, einer Ablenkeinrichtung zur Ablenkung der Sendelichtstrahlung in den dreidimensionalen Raumbereich und zur Ablenkung des Empfangslichtes zu der Empfangsvorrichtung, wobei die Ablenkeinrichtung unter einem Achswinkel schräg zu einer ersten Rotationsachse und um die erste Rotationsachse mit einem ersten Antrieb drehbar angeordnet ist, so dass die Sendelichtstrahlung einen um diese erste Rotationsachse angeordneten Winkelbereich überstreicht.
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Scanvorrichtungen, insbesondere Laserscanner werden zum Beispiel eingesetzt, um Überwachungsräume abzuscannen. Der Sendelichtstrahl wird bei bekannten Scanvorrichtungen zum Beispiel über einen schräg stehenden Drehspiegel derart in den Überwachungsraum abgelenkt, dass mit der Drehung des Spiegels ein Winkelbereich, insbesondere 360°, überstrichen wird. Das Sendelicht trifft dabei in der Regel entlang der Rotationsachse auf den Drehspiegel. Befindet sich in dem so vom Lichtstrahl überstrichenen Winkelbereich zum Beispiel ein Objekt, so wird das Licht zurückreflektiert und von dem Drehspiegel in Richtung einer Empfangsvorrichtung, zum Beispiel einer Fotodiode oder eines Fotodiodenfeldes gelenkt. Insofern kann auf die Anwesenheit eines Objektes in dieser Winkelposition des reflektierten Lichtes geschlossen werden. Mit einer derartigen Scanvorrichtung kann also eine zweidimensionale Ebene überwacht werden.
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Um einen dreidimensionalen Raum zu überwachen, müssen zum Beispiel mehrere Scanvorrichtungen eingesetzt werden, die unterschiedliche Ebenen im Raum auf diese Weise überwachen.
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DE 297 24 806 U1 beschreibt eine Vorrichtung, bei der die abgetastete Ebene mit Hilfe einer entsprechenden Vorrichtung um eine zumindest im Wesentlichen in der oder parallel zur Abtastebene liegende Schwenkachse um einen vorgegebenen Schwenkwinkelbereich verschwenkbar ist. Die gesamte Vorrichtung wird also mit Hilfe einer externen Schwenkeinrichtung um eine Schwenkachse verschwenkt, die im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse des Drehspiegels ist.
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DE 10 2008 032 216 A1 beschreibt eine Vorrichtung, bei der eine erste Ablenkeinrichtung den Sendelichtstrahl in einer ersten Ebene ablenkt. Die gesamte Ablenkeinrichtung, mit deren Hilfe die zweidimensionale Ebene abgescannt werden kann, wird um eine zweite Achse gedreht, die senkrecht zu der ersten Achse steht. Mit einer solchen Vorrichtung ist es möglich einen halbkugelförmigen Halbraum zu überwachen.
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Eine Scanvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus
DE 10 2007 035 552 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Anordnung anzugeben, mit der ein großer Teil eines dreidimensionalen Raumbereiches beobachtet bzw. überwacht werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einer Scanvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Scanvorrichtung weist eine Ablenkeinrichtung auf, die unter einem ersten Achswinkel schräg zu einer ersten Rotationsachse und um die erste Rotationsachse mit einem ersten Antrieb drehbar angeordnet ist, so dass die Sendelichtstrahlung einen um im diese erste Rotationsachse angeordneten Winkelbereich überstreicht. Die erste Rotationsachse ist bei der erfindungsgemäßen Scanvorrichtung unter einem zweiten Achswinkel schräg zu einer raumfesten zweiten Rotationsachse und um diese mit einem zweiten Antrieb drehbar angeordnet. Die Drehung um die erste Rotationsachse bewirkt also eine Ablenkung des Sendelichtes in eine Fläche. Die zweite Rotationsachse steht schräg auf der ersten Rotationsachse. Eine Drehung um die zweite Rotationsachse bewirkt also eine Bewegung dieser Fläche, die ähnlich einer Taumelscheibe ist. Die Fläche wird also in schräger Ausrichtung zur zweiten Rotationsachse um diese gedreht. Auf diese Weise wird ein dreidimensionaler Raumbereich vollständig überstrichen.
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Der verwendete Begriff „schräg“ ist dabei so zu verstehen, dass der jeweilige Achswinkel weder 0° noch 90° betragen soll. Bevorzugt sind der erste Achswinkel und/oder der zweite Achswinkel im Bereich von jeweils 30 bis 60°, besonders bevorzugt im Wesentlichen jeweils gleich 45°. Die Sendelichtstrahlung kann hier elektromagnetische Strahlung insbesondere im sichtbaren, im ultravioletten oder infraroten Spektralbereich umfassen.
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Eine solche Winkelausrichtung, insbesondere unter Zugrundelegung von Achswinkeln von jeweils 45°, ermöglicht eine Überwachung eines regelmäßigen und symmetrischen Überwachungsbereiches und ist einfach zu realisieren. Insbesondere, wenn der erste Achswinkel 45° beträgt, überstreicht die Sendelichtstrahlung nach der Ablenkung an der Ablenkeinrichtung eine zweidimensionale Ebene, die sich dann schräg im Raum um die zweite Rotationsachse dreht.
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Die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung kann insbesondere bei einer einfachen Ausgestaltung durch einen entsprechend angeordneten Drehspiegel gebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Scanvorrichtung stellt bei Verwendung einer Laserlichtquelle, zum Beispiel einer Laserdiode, einen Laserscanner dar.
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Die erfindungsgemäße Scanvorrichtung dient zur Inspektion eines dreidimensionalen Raumbereiches. Damit soll ausgesagt werden, dass eine solche Scanvorrichtung zum Beispiel zur Beobachtung oder Überwachung eines solchen dreidimensionalen Raumbereiches eingesetzt werden kann. Außerdem kann eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung auch derart ausgestaltet sein, dass sie in ansonsten bekannter Weise Objekte in dem dreidimensionalen Raumbereich detektiert oder vermisst.
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Um die Winkelposition eines Objektes in der Ebene, die durch die Drehung um die erste Rotationsachse abgescannt wird, und die Winkelposition der Ebene, die sich aus der Drehung um die zweite Rotationsachse ergibt, erfassen zu können, können entsprechende Winkelmesseinrichtungen an den Antrieben zur Drehung um die erste bzw. um die zweite Rotationsachse vorgesehen sein. Entsprechende Messvorrichtungen können zum Beispiel an sich bekannte Encoder zur Feststellung der Drehwinkelposition sein.
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Um auch den Abstand eines Objektes im Überwachungsraum feststellen zu können, wird zum Beispiel die Lichtlaufzeit eines Lichtpulses von der Scanvorrichtung zu einem reflektierenden oder remittierenden Objekt und wieder zurück ausgemessen. Aus dieser Laufzeit lässt sich mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit der Abstand berechnen (time-of-flight-Methode, TOF). Alternativ kann moduliertes Sendelicht verwendet werden und die Phasenverschiebung des reflektierten bzw. remittierten Lichtes zur Bestimmung der Lichtlaufzeit verwendet werden.
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Aus dem Abstand eines Objektes und den erwähnten Winkelpositionen lässt sich dann mit Hilfe einer entsprechend ausgestalteten Auswerteeinheit die Position eines reflektierenden oder remittierenden Objektes in dem dreidimensionalen Überwachungsraum bestimmen. Dazu kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein, die mit der Empfangseinrichtung der Scanvorrichtung und den Winkelmesseinrichtungen in entsprechender Weise verbunden ist, um deren Signale wie beschrieben auswerten zu können.
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Bei einer erfindungsgemäßen Scanvorrichtung ist es durch die um die zweite Rotationsachse stattfindende Drehung des - durch die Drehung um die erste Rotationsachse entstehenden - zweidimensionalen überstrichenen Winkelbereiches gewährleistet, dass bereits ein sehr großer dreidimensionaler Raumbereich überstrichen wird. Wie es sich zum Beispiel auch aus den Figuren, die weiter unten beschrieben werden, ergibt, verbleiben nur zwei nicht erfassbare kegelförmige Bereiche, deren Kegelachsen mit der zweiten Rotationsachse zusammenfallen.
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Bei der Erfindung ist zusätzlich eine Umlenkeinrichtung vorgesehen, die sich zusammen mit der ersten Rotationsachse um die zweite (raumfeste) Rotationsachse dreht und derart angeordnet ist, dass Sendelichtstrahlung, die von der Ablenkeinrichtung während eines vorgegebenen Zeitraums, der einer Teilumdrehung der Ablenkeinrichtung um die erste Rotationsachse entspricht, abgelenkt wird, auf die Umlenkeinrichtung dieser besonderen Ausführungsform fällt und von dieser in einen Bereich des dreidimensionalen Raumes umgelenkt wird, der sich außerhalb des Bereiches desjenigen dreidimensionalen Raumes befindet, in den die Sendelichtstrahlung ohne die Umlenkeinrichtung dieser besonderen Ausgestaltung ausgesendet werden würde. Insbesondere ist die Umlenkeinrichtung so angeordnet, dass während des vorgegebenen Zeitraums, der einer Teilumdrehung der Ablenkeinrichtung um die erste Rotationsachse entspricht, das Licht von der Ablenkeinrichtung über die Umlenkeinrichtung in einen der beiden kegelförmigen Bereiche umgelenkt wird, die ohne die Umlenkeinrichtung dieser besonderen Ausführungsform nicht von Scanlicht überstrichen werden würde.
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Auf diese Weise ist es möglich, dass ein sehr großer Teil des gesamten, die Scanvorrichtung umgebenden dreidimensionalen Raumes erfasst werden kann. Der erfassbare Raum ist insbesondere größer als ein halbkugelförmiger Raum.
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Grundsätzlich ist es möglich, mehrere derartige Umlenkeinrichtungen vorzusehen, die für den ansonsten nicht erfassbaren Raum zuständig sind.
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So ist es auch möglich, eine weitere Umlenkeinrichtung vorzusehen, die zur Erfassung zumindest eines Teiles des zweiten kegelförmigen Bereiches zuständig ist, der ohne Umlenkeinrichtungen nicht erfassbar wäre.
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Die Umlenkeinrichtung bzw. die Umlenkeinrichtungen können zum Beispiel entsprechend angeordnete Spiegel umfassen.
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Um die beweglichen Teile der Scanvorrichtung zu schützen, kann ein Gehäuse vorgesehen sein, das die Scanvorrichtung zumindest teilweise umgibt und zumindest in dem Bereich, der von dem durch die Ablenkvorrichtung und gegebenenfalls durch die Umlenkenrichtung abgelenkten Sendelichtstrahl überstrichen wird, für die verwendete Strahlung transparent ist.
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Vorteilhafterweise sind die Geschwindigkeiten der beiden Antriebe und damit die Drehgeschwindigkeiten um die erste und zweite Rotationsachse unterschiedlich. Besonders bevorzugt ist die Geschwindigkeit des ersten Antriebes und damit die Drehgeschwindigkeit um die erste Rotationsachse höher als die Geschwindigkeit des zweiten Antriebes und damit die Drehgeschwindigkeit um die zweite Rotationsachse.
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Bei einer besonderen Ausführungsform werden für einen oder beide Antriebe Dünnringlagermotoren eingesetzt, die besonders kompakt und leicht sind, so dass die bewegten Massen gering gehalten werden können. In spezieller Ausgestaltung kann ein solcher Motor auch als Platinenmotor ausgelegt sein.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert, die Detailansichten einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in unterschiedlichen Perspektiven zeigen. Dabei zeigen
- 1a eine teilweise aufgerissene Ansicht einer Scanvorrichtung in einer ersten Perspektive,
- 1b eine teilweise aufgerissene Ansicht der Scanvorrichtung der 1a in einer zweiten Perspektive,
- 2a eine teilweise aufgerissene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Scanvorrichtung in einer ersten Perspektive,
- 2b eine teilweise aufgerissene Ansicht der Ausführungsform der 2a in einer zweiten Perspektive, und
- 2c eine Teilansicht wesentlicher Teile der Ausführungsform der 2a und 2b in derselben Perspektive wie 2a,
- 2d eine Teilansicht wesentlicher Teile der Ausführungsform in einer dritten Perspektive.
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Die 1a und 1b zeigen zur Erläuterung eine Scanvorrichtung in zwei unterschiedlichen Perspektiven in teilweise aufgerissener Darstellung.
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Die Scanvorrichtung ist mit 10 bezeichnet. Abgescannt und insofern überwacht werden kann damit ein Erfassungsbereich 12. Eine Scaneinheit 14 umfasst eine Sende- und Empfangseinheit 16, die zum einen eine Sendelichtquelle, zum Beispiel eine Laserdiode aufweist. Licht dieser Laserdiode wird in Richtung eines Ablenkspiegels 18 gesendet, der mit einer entsprechenden Antriebseinrichtung, die ebenfalls in der Sende- und Empfangseinheit angeordnet ist, um die Rotationsachse B gedreht werden kann. Das Licht fällt hier entlang der Rotationsachse B auf den Drehspiegel. Die Drehung des Spiegels 18 um die Rotationsachse B ist durch den Drehwinkel β angedeutet. Gegenüber dieser ersten Rotationsachse B ist der Spiegel 18 bei der beschriebenen Ausführungsform um 45° geneigt, so dass die Strahlung um 90° abgelenkt wird. Die abgelenkte Strahlung ist mit dem gestrichelten Pfeil 26 angedeutet. Durch Drehung des Spiegels 18 um die erste Rotationsachse B dreht sich dieser Lichtstrahl entlang einer Ebene 22, die in 1a schematisch dargestellt ist. Bezugsziffer 60 bezeichnet ein Senderohr das das Sendelicht im Bereich des Ablenkspiegels 18 umgibt, so dass insbesondere bei der Hin- und Rückreflexion des Sende- bzw. Empfangslichts an dem Ablenkspiegel 18 weniger oder keine die Messung behindernden Störreflexe auftreten.
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Das Licht tritt durch die Frontscheibe 28 nach außen, die zum Beispiel als Haube ausgestaltet sein kann und für die verwendete Lichtstrahlung transparent ist. Bei dem gezeigten Beispiel ist diese Frontscheibe 28 teilkugelförmig, wobei die Teilkugel wie gezeigt mehr als eine Halbkugel umfasst.
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Die gesamte Scaneinheit 14 ist außerdem um eine zweite Rotationsachse A drehbar angeordnet und wird zu dieser Drehbewegung, die mit α bezeichnet ist, von einem Motor 30 angetrieben. Im Gegensatz zur ersten Rotationsachse B ist dementsprechend die zweite Rotationsachse A raumfest. Auf diese Weise dreht sich die gesamte Ebene 22 um die Rotationsachse A innerhalb der Frontscheibe 28. Die Rotationsachse B steht bei der beschriebenen Ausführungsform in einem Winkel von 45° zu der Rotationsachse A. Innerhalb der Frontscheibe 28 wird durch die Bewegung um die Rotationsachsen A und B erreicht, dass die Sendelichtstrahlung 26, die von dem Spiegel 18 reflektiert wird, den Bereich 40 durchläuft. Das Sendelicht tritt durch die Frontscheibe 28 aus und überstreicht den Erfassungsbereich 12.
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Mit der Bezugsziffer 24 ist die Schnittfläche der durch die Bewegung um die Rotationsachse B überstrichenen Ebene mit der Frontscheibe 28 schematisch angedeutet.
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Bis auf die kegelförmigen Bereiche 42, die rotationssymmetrisch um die Rotationsachse A angeordnet sind, wird also der gesamte Raum um die Scanvorrichtung 10 von Sendelicht überstrichen. Im unteren ausgesparten kegelförmigen Bereich 42 befindet sich die Halterung für die Vorrichtung und der Antriebsmotor 30 zur Bewegung um die Rotationsachse A.
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Befindet sich in dem Raum 12 ein reflektierendes oder remittierendes Objekt, so wird das Sendelicht durch die Frontscheibe 28 als Empfangslicht wieder zurück auf den Spiegel 18 gelenkt. Von diesem wird es um 90° in Richtung der Sende-/Empfangseinrichtung 16 abgelenkt.
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Die Sende-/Empfangseinrichtung 16 ist dabei so ausgestaltet, dass sie moduliertes Sendelicht aussendet und die Phasenverschiebung des Empfangslichtes feststellen kann, die durch die Laufzeit des Lichtes bis zum reflektierenden bzw. remittierenden Objekt und wieder zurück bewirkt wird. Alternativ kann die Laufzeit von Lichtpulsen ausgewertet werden. So kann der Abstand des reflektierenden oder remittierenden Objektes von der Scanvorrichtung 10 bestimmt werden. Eine genaue Festlegung der Lage eines Objektes im Erfassungsbereich 12 ist damit möglich.
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Die Antriebseinrichtung, die zur Bewegung des Ablenkspiegels 18 um die Rotationsachse B zum Einsatz kommt, und die Antriebseinrichtung 30, mit der die erste Scaneinrichtung 14 um die Rotationsachse A gedreht wird, können jeweils Dünnringlagermotoren umfassen, die als Platinenmotoren ausgestaltet sein können. Derartige Motoren sind sehr kompakt und flachbauend und ermöglichen die direkte Übertragung von Energie und Signalen zwischen zwei sich gegeneinander drehenden Elementen.
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Die 2a bis 2d zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsform. Dabei entsprechen insbesondere die 2a und 2b in ihrer Perspektive etwa den Perspektiven der 1a und 1b. In den 2a und 2b sind der Übersichtlichkeit halber diejenigen Elemente, die bereits in den 1a und 1b erkennbar und mit Bezug hierzu beschrieben sind, nicht noch einmal mit Bezugsziffern bezeichnet.
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Die Ausführungsform der 2a bis 2d zeichnet sich wesentlich dadurch aus, dass ein zusätzlicher Umlenkspiegel 50 vorgesehen ist, der sich zusammen mit der ersten Scaneinheit 14 um die zweite Rotationsachse A dreht. Dazu ist der Umlenkspiegel 50 über eine Spiegelhalterung 52 fest mit der Abtriebswelle des Motors 30 verbunden, so dass sich der Spiegelhalter 52 um die Rotationsachse A dreht.
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Insbesondere in den 2a und 2b erkennt man, dass auf diese Weise in der von dem Sendelichtstrahl 26 überstrichenen Ebene 22 eine Aussparung 56 entsteht, die dadurch bewirkt wird, dass das Sendelicht 26 in diesem Bereich von dem Umlenkspiegel 50 nach oben abgelenkt wird. Durch diese Ablenkung, die also während einer Teilumdrehung des Ablenkspiegels 18 um die Rotationsachse B stattfindet, wird ein Scanfächer 54 nach oben abgelenkt und zwar in den Bereich 42, der ohne den Umlenkspiegel 50 nicht von Sendelicht erfasst werden könnte. Dieser Scanfächer dreht sich zusammen mit dem Umlenkspiegel 50 ebenfalls um die Rotationsachse A. Auf diese Weise wird gegenüber der Scanvorrichtung der 1a und 1b der Erfassungsbereich um den oberhalb der Scanvorrichtung 10 angeordneten ergänzenden Erfassungsbereich 13 erweitert. Selbstverständlich ist dazu die Frontscheibe 28 auch im oberen Bereich für die zum Einsatz kommende Lichtstrahlung transparent ausgestaltet, so dass das Licht des Scanfächers 54 durch die Frontscheibe 28 hindurchtreten kann. Die Schnittfläche des Scanfächers mit der Frontscheibe ist in den 2a und 2b mit 58 bezeichnet.
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Der Bereich 56, der in den Momentaufnahmen der 2a und 2b gerade nicht von dem Sendelicht erfasst wird, das durch den Ablenkspiegel 18 in die Scanebene 22 reflektiert wird, bleibt jedoch nicht unbeobachtet:
- In einem Betriebszustand, in dem die Scaneinrichtung 14 um 180° um die Rotationsachse A weitergedreht ist, befindet sich nämlich der durch den Umlenkspiegel 50 ausgeschnittene Bereich 56 auf der gegenüberliegenden Seite. Der zu dem Zeitpunkt der 2a und 2b ausgeschnittene Bereich 56 wird also dann auch erfasst.
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Eine vollständige Erfassung sowohl des Erfassungsraumes 12 als auch des ergänzenden Erfassungsraumes 13 ist damit gewährleistet.
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Die Signale der Empfangsvorrichtung 16 werden an eine nicht gezeigte Auswerteeinheit weitergeleitet, die zum Beispiel die Position eines Objektes im Erfassungsraum 12 und im ergänzenden Erfassungsraum 13 anhand der Lichtlaufzeit und der Winkelstellung um die Rotationsachsen A bzw. B bestimmen kann. Dazu sind außerdem Winkelencoder vorgesehen, die die Bewegung des Ablenkspiegels 18 um die Rotationsachse B und der Scaneinheit 14 um die Rotationsachse A erfassen und ebenfalls an die Auswerteeinrichtung weitermelden. Die gegebenenfalls veränderte Lichtwegslänge des am Spiegel 50 reflektierten Strahlengangs wird von der Auswerteeinheit berücksichtigt.
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Die 2c zeigt eine Detailansicht der Scanvorrichtung 10 ohne die in den 2a und 2b zusätzlich angegebenen Strahlengänge und Strahlenflächen und ohne die Frontscheibe 28. Die Perspektive der 2c ist dieselbe wie die der 2a.
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Die 2d zeigt eine Ansicht des Details der 2c in einer weiteren Perspektive zur Verdeutlichung des gegenseitigen Aufbaus.
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In den 1a, 1b, 2a und 2b ist dabei die jeweilige Schnittfläche der von dem Sendelicht 26 überstrichenen Ebene mit der Frontscheibe in den Bereichen gestrichelt dargestellt, in denen man in der Perspektive der jeweiligen Figur „von innen“ auf die Frontscheibe 28 blickt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Scanvorrichtung
- 12, 13
- Erfassungsbereich
- 14
- erste Scanvorrichtung
- 16
- Sende-/Empfangseinheit
- 18
- Ablenkspiegel
- 22
- Ebene
- 24
- Schnittfläche des Scanlichts mit der Frontscheibe
- 26
- Sendelicht
- 28
- Frontscheibe
- 30
- Antriebsmotor
- 40
- überstrichener Bereich
- 42
- nicht überstrichener Bereich
- 50
- Umlenkspiegel
- 52
- Spiegelhalter
- 54
- Scanfächer
- 56
- ausgesparter Bereich in der vom Sendelicht überstrichenen Ebene
- 58
- Schnittfläche des Scanfächers mit der Frontscheibe
- 60
- Senderohr
- A
- zweite Rotationsachse
- B
- erste Rotationsachse
- α
- Drehwinkel um die zweite Rotationsachse
- β
- Drehwinkel um die erste Rotationsachse
