DE102017125686A1 - Optical scanner - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen optischen Scanner mit mindestens einem Sendeelement und mindestens einer Panorama-Empfangseinheit und einer Steuer- und Auswerteeinheit zur Auswertung der Lichtlaufzeit von Lichtstrahlen vom Sendeelement über ein Objekt zum Empfangselement, wobei eine Vielzahl von Sendeelementen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, die Lichtstrahlen in verschiedenen Winkelrichtungen fächerförmig durch eine konvexe Oberfläche an einer Außenseite des Gehäuses aussenden können. Der optische Scanner ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die fächerförmig verlaufenden Empfangsstrahlen mit einer Panorama-Empfangseinheit über einen Winkel bis zu 360°empfangen werden können. The invention relates to an optical scanner having at least one transmitting element and at least one panoramic receiving unit and a control and evaluation unit for evaluating the light transit time of light beams from the transmitting element via an object to the receiving element, wherein a plurality of transmitting elements are arranged in a common housing, the light beams fan-shaped in different angular directions through a convex surface on an outside of the housing can send out. The optical scanner according to the invention is characterized in that the fan-shaped receiving beams can be received with a panoramic receiving unit over an angle up to 360 °.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Scanner gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The present invention relates to an optical scanner according to the preamble of
Ein gattungsgemäßer optischer Scanner weist folgende Komponenten auf: mindestens ein Sendeelement und mindestens eine Panorama-Empfangseinheit und eine Steuer- und Auswerteeinheit zur Auswertung der Lichtlaufzeit von Lichtstrahlen vom Sendeelement über ein Objekt zum Empfangselement, wobei eine Vielzahl von Sendeelementen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, die Lichtstrahlen in verschiedenen Winkelrichtungen fächerförmig durch eine konvexe Oberfläche an einer Außenseite des Gehäuses aussenden können.A generic optical scanner has the following components: at least one transmitting element and at least one panoramic receiving unit and a control and evaluation unit for evaluating the light transit time of light beams from the transmitting element via an object to the receiving element, wherein a plurality of transmitting elements are arranged in a common housing, the light beams in different angular directions can fan out through a convex surface on an outside of the housing.
Wegen der Drehung des Sendelichtstrahls und weil als Lichtquellen in der Regel Laser eingesetzt werden, werden solche Geräte auch als Laserscanner, Laserradar oder zweidimensionale Lasermessgeräte bezeichnet. Sensoren dieser Art werden bisher hauptsächlich in der Industrie für eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgabenstellungen eingesetzt.Because of the rotation of the transmitted light beam and because as a rule lasers are used as light sources, such devices are also referred to as laser scanners, laser radar or two-dimensional laser measuring devices. Sensors of this type have been used mainly in the industry for a variety of different tasks.
Gattungsgemäße Geräte werden verwendet zum Navigieren, beispielsweise von Gabelstaplern, wobei dies häufig mit Hilfe von Reflektoren oder Absorbern erfolgt, die an definierten Stellen in der Umgebung angebracht sind. Prinzipiell ist aber auch eine Navigation ohne Reflektoren möglich, wobei auch hier die jeweiligen Gegebenheiten der Umgebung in einer Einlernphase in die Auswerteeinheit eingelesen werden.Generic devices are used for navigating, for example, forklifts, this often with the aid of reflectors or absorbers, which are attached to defined locations in the environment. In principle, however, it is also possible to navigate without reflectors, with the respective circumstances of the surroundings also being read into the evaluation unit in a learning phase.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen für Aufgaben im Bereich der Hinderniserkennung, der Absicherung von Gebäuden, im Personenschutz, der Volumenmessung von Objekten, grundsätzlich also bei allen Problemstellungen, bei denen es in irgendeiner Weise um die Erkennung von Objektkonturen geht.Further applications exist for tasks in the field of obstacle detection, the protection of buildings, in the protection of persons, the volume measurement of objects, in principle therefore in all problems in which it is about the detection of object contours in any way.
Sensoren der beschriebenen Art sind grundsätzlich bekannt und unterscheiden sich im Wesentlichen im Hinblick auf die Reichweite, den Scanbereich und die jeweils eingesetzte Messwertverarbeitung.Sensors of the type described are basically known and differ essentially with regard to the range, the scan area and the measured value processing used in each case.
Bei den optischen Scannern der in
In
Als eine Aufgabe der Erfindung kann erachtet werden, einen einfachen und preiswerten Sensor bereitzustellen, der ohne mechanisch bewegte Teile auskommt, keinem mechanischen Verschleiß unterliegt und eine lange Lebensdauer aufweist.As an object of the invention can be considered to provide a simple and inexpensive sensor that does not require mechanical moving parts, is not subject to mechanical wear and has a long life.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch den optischen Scanner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.These objects are achieved according to the invention by the optical scanner having the features of
Der optische Scanner der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die fächerförmig verlaufenden Empfangsstrahlen mit einer Panorama-Empfangseinheit über einen Winkel bis zu 360°empfangen werden können.According to the invention, the optical scanner of the type specified above is further developed in that the fan-shaped receiving beams can be received by a panoramic receiving unit over an angle of up to 360 °.
Als ein Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, im Unterschied zum Stand der Technik einen optischen Sensor nach dem Laufzeitprinzip bereitzustellen, bei dem mit technisch einfachen Mitteln bei möglichst geringer Anzahl von Bauelementen ein Scanbereich von bis zu 360° ermöglicht wird.As a core idea of the invention can be considered, in contrast to the prior art to provide an optical sensor according to the transit time principle in which a technically simple means with as small a number of components, a scan range of up to 360 ° is made possible.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der optische Scanner mindestens ein Sendeelement und mindestens eine Panorama-Empfangseinheit und eine Steuer- und Auswerteeinheit zur Auswertung der Lichtlaufzeit von Lichtstrahlen vom Sendeelement über ein Objekt zum Empfänger beinhaltet.Thereafter, the invention provides that the optical scanner includes at least one transmitting element and at least one panoramic receiving unit and a control and evaluation unit for evaluating the light transit time of light beams from the transmitting element via an object to the receiver.
Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Panorama-Empfangseinheit zur Leitung des Lichts rotationssymmetrische spiegelnde Flächen und/oder Linsen und/oder Blenden nutzt.A particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that the panoramic receiving unit uses rotationally symmetrical reflecting surfaces and / or lenses and / or diaphragms for guiding the light.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Panorama-Empfangseinheit eine katadioptrische Optik enthält. A further particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that the panoramic receiving unit contains a catadioptric optical system.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelung in der katadioptrischen Optik durch Totalreflexion erzeugt wird.Another particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that the reflection in the catadioptric optics is produced by total reflection.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelemente in einem Vollkreis angeordnet sind.Another particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that the transmitting elements are arranged in a full circle.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelemente auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet sind.Another particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that the transmitting elements are arranged on a flexible printed circuit board.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelemente in einer Matrix mit mindestens zwei Reihen angeordnet sind.Another particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that the transmitting elements are arranged in a matrix with at least two rows.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass pro Winkelgrad mindestens ein Sendeelement angeordnet ist.A further particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that at least one transmitting element is arranged per angular degree.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelemente auf mindestens zwei Kreisen unterschiedlicher Durchmesser und/oder nicht winkeläquidistant angeordnet sind.A further particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that the transmitting elements are arranged on at least two circles of different diameters and / or not equidistant to the angle.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelemente auf einem mindestens teilweise starren teilkreisförmigen, kreisabschnittsförmigen, kreisförmigen, teilzylinderförmigen, zylinderförmigen, teilkugelförmigen, kugelabschnittsförmigen oder kugelförmigen Kunststoffträger mit integrierten Leiterplatten angeordnet sind.Another particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that the transmitting elements are arranged on an at least partially rigid part-circular, circular section-shaped, circular, partially cylindrical, cylindrical, partially spherical, spherical section-shaped or spherical plastic carrier with integrated circuit boards.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass vor jedem Sendeelement mindestens eine Linse und/oder eine Mikrolinse angeordnet ist.A further particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that at least one lens and / or one microlens is arranged in front of each transmitting element.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen oder Mikrolinsen ein Linsensystem bilden.Another particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that the lenses or microlenses form a lens system.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit einen Logikbaustein, insbesondere vom Typ CPLD (Complex Programmable Logic Device) oder FPGA (Field Programmable Gate Array), aufweist.A further particularly preferred variant of the optical scanner according to the invention is characterized in that the control and evaluation unit has a logic module, in particular of the CPLD (Complex Programmable Logic Device) or FPGA (Field Programmable Gate Array) type.
Bevorzugt ist eine Vielzahl von Sendern auf einem Kreis oder Teilkreis in einer Reihe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei die Lichtstrahlen in verschiedenen Winkelrichtungen fächerförmig ausgesendet und/oder empfangen werden. Die Abstände der gesendeten Lichtstrahlen vergrößern sich mit zunehmendem Abstand vom optischen Scanner und die Abstände der empfangenen Lichtstrahlen werden geringer mit kleiner werdendem Abstand zum optischen Scanner.Preferably, a plurality of transmitters are arranged on a circle or pitch circle in a row in a common housing, wherein the light beams are fan-shaped in different angular directions and / or received. The distances of the transmitted light beams increase with increasing distance from the optical scanner and the distances of the received light beams become smaller with decreasing distance to the optical scanner.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform schneiden sich die optischen Achsen der ausgesendeten Lichtstrahlen in einem gemeinsamen Ursprung, beispielsweise einem punktförmigen Ursprung innerhalb des optischen Scanners.In a particularly preferred embodiment, the optical axes of the emitted light beams intersect in a common origin, for example a point-like origin within the optical scanner.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Sender auch auf unterschiedlichen Kreisen bzw. Teilkreisen angeordnet sein, so dass zwischen den optischen Achsen der Sender ein kleinerer Abstand möglich ist und der Winkel zwischen den Sendestrahlen geringer wird, was zur einer höheren Winkelauflösung des optischen Scanners führt. Bevorzugt sind die Kreise bzw. Teilkreise, auf denen sich die Sender befinden, konzentrisch angeordnet.In a further embodiment of the invention, the transmitters can also be arranged on different circles or partial circles, so that a smaller distance is possible between the optical axes of the transmitters and the angle between the transmit beams becomes lower, which leads to a higher angular resolution of the optical scanner , The circles or pitch circles on which the transmitters are located are preferably arranged concentrically.
Bevorzugt sind die Sender auf einem Kreis bzw. Teilkreis so angeordnet, dass ihre optischen Achsen winkeläquidistant verlaufen. Eine Ausführungsform, bei der die optischen Achsen der Sender nicht winkeläquidistant angeordnet sind, ermöglicht es, die Winkelauflösung des optischen Scanners bereichsweise anzupassen.The transmitters are preferably arranged on a circle or pitch circle such that their optical axes extend at equidistant angles. An embodiment in which the optical axes of the transmitters are not arranged equidistant in terms of angle makes it possible to adjust the angular resolution of the optical scanner in regions.
Senkrecht zu den optischen Achsen der Sender verläuft durch diesen Ursprung eine gedachte Achse, die die Scanebene festlegt. Diese Achse steht bevorzugt nahezu senkrecht auf dem Detektor der Panorama-Empfangseinheit. Die Panorama-Empfangseinheit ist bevorzugt symmetrisch um diese Achse angeordnet.Perpendicular to the optical axes of the transmitter runs through this origin an imaginary axis that defines the scanning plane. This axis is preferably almost perpendicular to the detector of the panoramic receiving unit. The panoramic receiving unit is preferably arranged symmetrically about this axis.
Die Panorama-Empfangseinheit beinhaltet mindestens eine Optik, die bis zu 360° Betrachtungswinkel ermöglicht und einen Empfänger. Für einen Betrachtungswinkel von 360° können omnidirektionale Spiegel verwendet werden. Weitere optische Bauelemente wie Linsen und Blenden können bei Bedarf hinzugefügt werden. Bevorzugt werden katadioptrische Systeme für die Empfangsoptik verwendet. Diese Systeme leiten das Licht durch Spiegelung und Brechung zum Empfänger. Die Spiegelung kann auch durch Totalreflexion an entsprechend geformten Grenzflächen erreicht werden. Solche Systeme sind bekannt und zum Beispiel in Ryad Benosman, Sing Bing Kang „Panoramic Vision“, ISBN 0-387-95111-3 beschrieben.The panoramic receiver unit includes at least one optic that allows up to 360 ° viewing angle and a receiver. For a viewing angle of 360 ° omnidirectional mirrors can be used. Other optical components such as lenses and apertures can be added as needed. Preferably, catadioptric systems are used for the receiving optics. These systems direct the light through reflection and refraction to the receiver. The reflection can also be achieved by total reflection at appropriately shaped interfaces. Such systems are known and described for example in Ryad Benosman, Sing Bing Kang "Panoramic Vision", ISBN 0-387-95111-3.
Eine Frontscheibe des optischen Scanners bildet den Gehäuseabschluss. Die Frontscheibe hat bevorzugt eine konvexe Oberfläche an der Außenseite des Gehäuses. Die gesendeten Lichtstrahlen werden dabei fächerförmig auseinanderlaufend ausgesendet. Gemäß der Erfindung werden die Lichtstrahlen in verschiedenen Winkelrichtungen fächerförmig ausgesendet bzw. empfangen, wodurch ein Überwachungsbereich dahingehend einfach untersucht werden kann, ob Objekte in dem Überwachungsbereich vorhanden sind oder nicht und an welcher Stelle, d. h. in welcher Entfernung die Objekte vorhanden sind. Weiter können die Objekte vermessen werden, bzw. eine Umgebungskontur und deren Veränderung erfasst werden. Durch die fächerförmige Aussendung der Lichtstrahlen, bzw. das fächerförmige Empfangen wird der Überwachungsbereich innerhalb einer fächerförmigen Ebene überwacht. A windscreen of the optical scanner forms the housing closure. The windshield preferably has a convex surface on the outside of the housing. The transmitted light rays are emitted fan-shaped diverging. According to the invention, the light beams are fan-shaped in different angular directions, whereby a surveillance area can be easily examined as to whether or not objects are present in the surveillance area and at which location, ie at which distance the objects are present. Furthermore, the objects can be measured, or an environmental contour and its change can be detected. Due to the fan-shaped emission of the light beams, or the fan-shaped receiving the surveillance area is monitored within a fan-shaped plane.
Die Panorama-Empfangseinheit befindet sich in einer Ebene unterhalb bzw. oberhalb der Ebene der Sender. Das fächerförmig einfallende Licht wird von der Panorama-Empfangseinheit auf den Empfänger geleitet. Als Empfänger kommen Fotodioden, insbesondere PIN- oder Avalanche-Dioden in Frage. Der Empfänger kann auch als Matrix von Einzelempfängern aufgebaut sein.The panoramic receiving unit is located in a plane below or above the level of the transmitter. The fan-shaped incident light is directed from the panoramic receiver to the receiver. As a receiver, photodiodes, in particular PIN or avalanche diodes come into question. The receiver can also be constructed as a matrix of individual receivers.
Der optische Scanner kann mit einer hohen Genauigkeit hergestellt werden, da die Sendeelemente fest fixiert sind und die Lichtstrahlen direkt, ohne bewegliche Teile in den Überwachungsbereich gelangen. Bei der Produktion des optischen Scanners kann die Winkelgenauigkeit der Winkelrichtungen der Sendeelemente geprüft und eingestellt werden. Dadurch ist gewährleistet, dass jeder optische Scanner eine bestimmte geforderte Winkelgenauigkeit einhält.The optical scanner can be manufactured with high accuracy, since the transmitting elements are firmly fixed and the light rays enter directly without moving parts in the monitoring area. In the production of the optical scanner, the angular accuracy of the angular directions of the transmitting elements can be checked and adjusted. This ensures that each optical scanner meets a certain required angular accuracy.
Der erfindungsgemäße optische Scanner ist daher einfach und preiswert aufgebaut. Da der optische Scanner ohne mechanisch bewegliche Teile auskommt, weist dieser keinen mechanischen Verschleiß auf und besitzt eine lange Lebensdauer. Beispielsweise kann eine geforderte Einsatzdauer von beispielsweise ca. 20 Jahren mit dem erfindungsgemäßen optischen Scanner erfüllt werden.The optical scanner according to the invention is therefore simple and inexpensive. Since the optical scanner does not require any mechanically moving parts, it has no mechanical wear and has a long service life. For example, a required service life of, for example, about 20 years can be met with the optical scanner according to the invention.
Da der Laserscanner ohne bewegliche Teile auskommt, die beispielsweise beim Einsatz in Fahrzeugen Beschleunigungen ausgesetzt sein können, ist der erfindungsgemäße optische Scanner nahezu unempfindlich gegen Schwing- und Schockbelastungen und kann daher problemlos in bewegten Objekten wie Fahrzeugen insbesondere Flurförderfahrzeugen und fahrerlosen Transportsystemen eingesetzt werden. Since the laser scanner requires no moving parts, which may be exposed to accelerations, for example when used in vehicles, the optical scanner according to the invention is almost insensitive to vibration and shock loads and can therefore be used without problems in moving objects such as vehicles, especially industrial trucks and driverless transport systems.
Dadurch, dass der optische Scanner ohne bewegliche Teile auskommt, kann der optische Scanner auch sehr kompakt ausgeführt werden.The fact that the optical scanner manages without moving parts, the optical scanner can also be made very compact.
Für die Sendeelemente können z. B. VCSEL- Laserdioden oder Leistungs-LED verwendet werden. Das Sendelicht oder Sendesignal kann pulsförmig sein, dessen Lichtlaufzeit ausgewertet wird.For the transmitting elements z. For example, VCSEL laser diodes or power LEDs can be used. The transmission light or transmission signal may be pulsed, whose light transit time is evaluated.
Das Sendelicht oder Sendesignal kann beispielsweise auch moduliert sein, um dann dessen Phasenlage zum empfangenen Reflexsignal zu bestimmen und daraus die Entfernung des Objektes zu berechnen.The transmit light or transmit signal can also be modulated, for example, in order then to determine its phase position relative to the received reflex signal and to calculate therefrom the distance of the object.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sendeelemente entlang des Teilkreises äquidistant angeordnet. Dadurch ist eine gleichmäßige Auflösung des Laserscanners zur Detektion von Objekten gewährleistet. Je nach gewünschtem Auflösungsvermögen des Laserscanners können die Sendeelemente in größeren oder kleineren Abständen winkeläquidistant angeordnet werden.In a preferred embodiment, the transmitting elements are arranged equidistantly along the pitch circle. This ensures a uniform resolution of the laser scanner for the detection of objects. Depending on the desired resolving power of the laser scanner, the transmitting elements can be arranged at equidistant or angular intervals equidistantly.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Sendeelemente in einer Matrix mit mindestens zwei Reihen angeordnet. Dadurch wird der bisher fächerförmig in einer Ebene überwachte Überwachungsbereich in einer weiteren Dimension erweitert, so dass gemäß der Weiterbildung der Erfindung ein teilzylindrischer Überwachungsbereich überwacht werden kann. Dieser Aufbau kann zur Vergrößerung des Überwachungsbereichs erweitert werden.In a development of the invention, the transmitting elements are arranged in a matrix with at least two rows. As a result, the previously fan-shaped monitored in a plane monitoring area is extended in a further dimension, so that according to the embodiment of the invention, a part-cylindrical monitoring area can be monitored. This structure can be extended to increase the surveillance area.
In einer besonderen Ausführungsform sind die Sendeelemente in einem Vollkreis angeordnet. Dadurch ist ein ringförmiger oder auch ein hohlzylindrischer Überwachungsbereich realisierbar. Vorteilhaft wird dadurch ein Schutzfeld mit einer Winkelausdehnung von 360° realisiert. Die Lichtstrahlen werden dabei in einem Winkelbereich von 360° von den Sendeelementen ausgesendet und in einem Winkelbereich von 360° von der Panorama-Empfangseinheit empfangen.In a particular embodiment, the transmitting elements are arranged in a full circle. As a result, an annular or a hollow cylindrical monitoring area can be realized. Advantageously, this realizes a protective field with an angular extent of 360 °. The light beams are emitted in an angular range of 360 ° from the transmitting elements and received in an angular range of 360 ° from the panoramic receiving unit.
Beispielsweise ist ein einziges Zeilenelement mit Sendern in einem 360° Vollkreis angeordnet. Dabei ist das Substrat der Zeilenelemente so dünn ausgeführt, dass sich das Zeilenelement einer Krümmung des Vollkreises anpassen kann.For example, a single line element with transmitters is arranged in a 360 ° full circle. In this case, the substrate of the line elements is made so thin that the line element can adapt to a curvature of the full circle.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Sendeelemente auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet. Dadurch lässt sich der optische Scanner sehr preiswert herstellen. Die flexible Leiterplatte wird in einem ersten Arbeitsschritt mit den Sendeelementen bestückt. Anschließend wird die flexible Leiterplatte auf einem Teilkreiszylinder oder einem Zylinder montiert, so dass die Sendeelemente kreisabschnittsförmig oder teilkreisförmig angeordnet sind. In a further development of the invention, the transmitting elements are arranged on a flexible printed circuit board. As a result, the optical scanner can be produced very inexpensively. The flexible circuit board is equipped in a first step with the transmitting elements. Subsequently, the flexible printed circuit board is mounted on a pitch circle cylinder or a cylinder, so that the transmitting elements are arranged in a circle-shaped or part-circular manner.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Sendeelemente auf einem starren teilweise oder vollständig teilkreisförmigen, kreisabschnittsförmigen, kreisförmigen, teilzylinderförmigen, zylinderförmigen, teilkugelförmigen, kugelabschnittsförmigen und/oder kugelförmigen Kunststoffträger mit integrierten Leiterplatten angeordnet. Bei dem starren Kunststoffträger handelt es sich um eine dreidimensionale starre Leiterplatte, welche direkt mit den Sendeelementen oder den Empfangselementen bestückt wird. Beispielsweise kann der Kunststoffträger als hochintegriertes MID-Teil (Molded Interconnected Device bzw. spritzgegossener Schaltungsträger) hergestellt sein. Als Molded Interconnect Devices, kurz MID, werden elektronische Bauteile bezeichnet, bei denen metallische Leiterbahnen auf und innerhalb spritzgegossener Kunststoffträger integriert werden.In a further development of the invention, the transmitting elements are arranged on a rigid partially or completely part-circular, circular section-shaped, circular, partially cylindrical, cylindrical, part-spherical, spherical section-shaped and / or spherical plastic carrier with integrated circuit boards. The rigid plastic carrier is a three-dimensional rigid printed circuit board, which is equipped directly with the transmitting elements or the receiving elements. For example, the plastic carrier can be produced as a highly integrated MID part (Molded Interconnected Device or injection-molded circuit carrier). Molded interconnect devices, MID for short, are electronic components in which metallic interconnects are integrated on and inside injection-molded plastic substrates.
In Weiterbildung der Erfindung ist pro Winkelgrad mindestens ein Sendeelement angeordnet. Dadurch ist pro Winkelgrad mindestens ein Entfernungsmesswert verfügbar. Bei der Verwendung von mehr als einem Sendeelement wird die Auflösung weiter erhöht. Bei beispielsweise einer Pixelbreite von 15 um und einem Zylinderradius von 20 mm kann so eine Winkelauflösung von 0,43° erreicht werden.In a further development of the invention, at least one transmitting element is arranged per angular degree. As a result, at least one distance measurement is available per degree of angle. If more than one transmit element is used, the resolution is further increased. For example, with a pixel width of 15 μm and a cylinder radius of 20 mm, an angular resolution of 0.43 ° can be achieved.
In Weiterbildung der Erfindung ist vor jedem Sendeelement mindestens eine Linse oder Mikrolinse angeordnet. Durch die Mikrolinse wird der vom Sendeelement ausgehende Lichtstrahl geeignet fokussiert, wodurch ein Lichtstrahldurchmesser beeinflussbar ist und der Lichtstrahl energetisch gebündelt werden kann.In a further development of the invention, at least one lens or microlens is arranged in front of each transmitting element. By the microlens emanating from the transmitting element light beam is appropriately focused, whereby a light beam diameter can be influenced and the light beam can be energetically concentrated.
Die Linsen oder Mikrolinsen können refraktive oder diffraktive Linsen sein. Bevorzugt haben die optischen Achsen der Linsen bzw. Mikrolinsen einen gemeinsamen Ursprung, bzw. einen gemeinsamen punktförmigen Ursprung im Gehäuse des optischen Scanners.The lenses or microlenses may be refractive or diffractive lenses. Preferably, the optical axes of the lenses or microlenses have a common origin, or a common punctiform origin in the housing of the optical scanner.
In Weiterbildung der Erfindung bilden die Linsen oder Mikrolinsen ein Linsensystem. Das Linsensystem besteht beispielsweise aus mehreren hintereinander angeordneten Linsen, die entweder einem einzigen Sendeelement zugeordnet sind, oder es kann gemäß der Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass ein Linsensystem als Systemoptik vor mehreren Sendeelementen angeordnet ist.In a further development of the invention, the lenses or microlenses form a lens system. The lens system consists for example of a plurality of successively arranged lenses, which are either assigned to a single transmitting element, or it can also be provided according to the embodiment of the invention that a lens system is arranged as a system optics in front of several transmitting elements.
Die Sendeelemente werden von der Steuer- und Auswerteeinheit angesteuert. Dabei kann es sich insbesondere um einen Logikbaustein, insbesondere vom Typ CPLD (Complex Programmable Logic Device) oder FPGA (Field Programmable Gate Array) handeln. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann auch durch einen DSP (Digitalen Signal Prozessor) gebildet sein.The transmission elements are controlled by the control and evaluation unit. In particular, this may be a logic module, in particular of the CPLD (Complex Programmable Logic Device) or FPGA (Field Programmable Gate Array) type. The control and evaluation unit can also be formed by a DSP (Digital Signal Processor).
Die Steuerung der Sendeelemente kann segmentiert und/oder sequentiell erfolgen. Durch die gleichzeitige Ansteuerung mehrerer Sender in einer Sendergruppe können der Überwachungsbereich und die Auflösung festgelegt werden. Für eine Übersichtsmessung kann es sinnvoll sein, in einer ersten Messung mehrere Sender zusammenzuschalten und bei den nachfolgenden Messungen die Winkelauflösung durch Ansteuern einzelner Sender zu erhöhen.The control of the transmission elements can be segmented and / or sequential. By simultaneously controlling several transmitters in a transmitter group, the monitoring range and the resolution can be specified. For an overview measurement, it may be useful to interconnect several transmitters in a first measurement and to increase the angular resolution in the subsequent measurements by activating individual transmitters.
Der Empfänger wird synchron zu jedem angesteuerten Sendeelement oder Sendergruppe ausgewertet.The receiver is evaluated synchronously with each controlled transmission element or transmitter group.
Gemäß der Erfindung kann jedoch auch für die Sendeelemente und für die Empfangselemente eine getrennte Steuereinheit und eine getrennte Auswerteeinheit vorgesehen werden, die über eine Schnittstelle miteinander verbunden sind.According to the invention, however, a separate control unit and a separate evaluation unit can also be provided for the transmitting elements and for the receiving elements, which are connected to one another via an interface.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Darin zeigt:
-
1 eine schematische Ansicht eines optischen Scanners mit Sendeelementen und Panorama-Empfangseinheit; -
2 der optischeScanner aus 1 in einer schematischen Seitenansicht; -
3 Ausführungsbeispiele von omnidirektionalen Spiegeln, die in der Panorama-Empfangseinheit eingesetzt werden können; -
4 Ausführungsform einer Panorama-Empfangseinheit mit katadioptrischer Empfangsoptik; -
5 Ausführungsform einer Panorama-Empfangseinheit mit katadioptrischer Empfangsoptik und Empfangslinse; -
6 schematische Darstellung der Anordnung der Sendeelemente für einen 360°-Scanbereich; -
7 schematische Darstellung der Anordnung der Sendeelemente für einen 180°-Scanbereich; -
8 schematische Darstellung der Anordnung der Sendeelemente für einen 360°-Scanbereich, bei dem die Sendelemente kreisförmig gebogen angeordnet sind; -
9 schematische Darstellung von mehreren, übereinanderliegenden Reihen von Sendeelementen;
-
1 a schematic view of an optical scanner with transmitting elements and panoramic receiving unit; -
2 the optical scanner off1 in a schematic side view; -
3 Embodiments of omnidirectional mirrors that can be used in the panoramic receiving unit; -
4 Embodiment of a panoramic receiving unit with catadioptric receiving optics; -
5 Embodiment of a panoramic receiving unit with catadioptric receiving optics and receiving lens; -
6 schematic representation of the arrangement of the transmitting elements for a 360 ° scan range; -
7 schematic representation of the arrangement of the transmitting elements for a 180 ° scanning range; -
8th schematic representation of the arrangement of the transmitting elements for a 360 ° scan range, in which the transmitting elements are arranged curved in a circle; -
9 schematic representation of several, superimposed rows of transmitting elements;
In den nachfolgenden Figuren sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.In the following figures, identical parts are provided with identical reference numerals.
Die Steuer- und Auswerteeinheit
Über die Steuer- und Auswerteeinheit
Neben der Lichtlaufzeitmessung kann der optische Scanner
Dabei sind die Sendeelemente
Dadurch lässt sich ein teilzylindrischer Scanbereich oder Überwachungsbereich realisieren.As a result, a partially cylindrical scanning area or monitoring area can be realized.
Der Aufbau gemäß
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- optischer Scanneroptical scanner
- 22
- Sendeelementtransmitting element
- 44
- Empfangselementreceiving element
- 66
- Steuer- und AuswerteinheitControl and evaluation unit
- 88th
- Gehäusecasing
- 1010
- Panorama-EmpfangseinheitPanorama reception unit
- 1212
- katadioptrische Optikcatadioptric appearance
- 14 14
- Blendecover
- 1616
- Linselens
- 1818
- omnidirektionaler Spiegelomnidirectional mirror
- 2020
- verspiegelte Flächemirrored surface
- 2424
- Linselens
- 2626
- Mikrolinsemicrolens
- 2828
- Linsensystemlens system
- 3030
- Lichtstrahlbeam of light
- 3232
- Objektobject
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- EP 2910970 B1 [0009]EP 2910970 B1 [0009]
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