DE102019111216A1

DE102019111216A1 - Optical scanner

Info

Publication number: DE102019111216A1
Application number: DE102019111216.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Bartsch; Sven Büttner; Oliver Schrank
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Scanner nach dem Laufzeitprinzip zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Sender zum Aussenden von Lichtpulsen und einem Sendestrahlengang zum Leiten der Lichtpulse in den Überwachungsbereich, wobei zum Abstrahlen der Lichtpulse in unterschiedliche Richtungen in den Überwachungsbereich optische Komponenten des Sendestrahlengangs auf einem Rotor angeordnet sind und wobei wenigstens ein Abschnitt einer optischen Achse des Sendestrahlengangs kollinear zu einer Rotationsachse des Rotors ist und die Lichtpulse quer zur Rotationsachse abgestrahlt werden, mit einem Empfänger zum Nachweisen von von einem Objekt im Überwachungsbereich zurückgestrahlten Lichtpulsen und einem Empfangsstrahlengang zum Leiten der zurückgestrahlten Lichtpulse auf den Empfänger, wobei zum Empfangen von Lichtpulsen aus unterschiedlichen Richtungen aus dem Überwachungsbereich optische Komponenten des Empfangsstrahlengangs auf dem Rotor angeordnet sind und wobei wenigstens ein Abschnitt einer optischen Achse des Empfangsstrahlengangs kollinear zu einer Rotationsachse des Rotors ist, mit einer Steuer- und Auswerteeinheit zum Ansteuern des Senders und zum Auswerten der von dem Empfänger nachgewiesenen Lichtpulse und zum Bestimmen einer Entfernung des Objekts auf Grundlage einer Laufzeit der Lichtpulse. Der optische Scanner ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Empfangen der Lichtpulse, insbesondere aus einer Richtung des Überwachungsbereichs, mindestens zwei Eintrittslinsen an dem Rotor angeordnet sind.The invention relates to an optical scanner based on the transit time principle for detecting objects in a monitoring area with a transmitter for emitting light pulses and a transmission beam path for guiding the light pulses into the monitoring area, with optical components of the transmission beam path for emitting the light pulses in different directions into the monitoring area a rotor are arranged and at least a portion of an optical axis of the transmission beam path is collinear to an axis of rotation of the rotor and the light pulses are emitted transversely to the axis of rotation, with a receiver for detecting light pulses reflected back from an object in the monitoring area and a receiving beam path for guiding the reflected back light Light pulses on the receiver, whereby optical components of the receiving beam path are arranged on the rotor for receiving light pulses from different directions from the monitoring area and wherein at least a section of an optical axis of the receiving beam path is collinear with an axis of rotation of the rotor, with a control and evaluation unit for controlling the transmitter and for evaluating the light pulses detected by the receiver and for determining a distance of the object based on a transit time of the light pulses. The optical scanner is characterized in that at least two entry lenses are arranged on the rotor to receive the light pulses, in particular from a direction of the monitoring area.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Scanner nach dem Laufzeitprinzip nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to an optical scanner based on the transit time principle according to the preamble of claim 1.

Ein gattungsgemäßer optischer Scanner nach dem Laufzeitprinzip zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich weist folgende Komponenten auf: Einen Sender zum Aussenden von Lichtpulsen und einen Sendestrahlengang zum Leiten der Lichtpulse in den Überwachungsbereich, wobei zum Abstrahlen der Lichtpulse in unterschiedliche Richtungen in den Überwachungsbereich optische Komponenten des Sendestrahlengangs auf einem Rotor angeordnet sind und wobei wenigstens ein Abschnitt einer optischen Achse des Sendestrahlengangs kollinear zu einer Rotationsachse des Rotors ist und die Lichtpulse quer zur Rotationsachse abgestrahlt werden, einen Empfänger zum Nachweisen von von einem Objekt im Überwachungsbereich zurückgestrahlten Lichtpulsen und einen Empfangsstrahlengang zum Leiten der zurückgestrahlten Lichtpulse auf den Empfänger, wobei zum Empfangen von Lichtpulsen aus unterschiedlichen Richtungen aus dem Überwachungsbereich optische Komponenten des Empfangsstrahlengangs auf dem Rotor angeordnet sind und wobei wenigstens ein Abschnitt einer optischen Achse des Empfangsstrahlengangs kollinear zu einer Rotationsachse des Rotors ist, und eine Steuer- und Auswerteeinheit zum Ansteuern des Senders und zum Auswerten der von dem Empfänger nachgewiesenen Lichtpulse und zum Bestimmen einer Entfernung des Objekts auf Grundlage einer Laufzeit der Lichtpulse.A generic optical scanner based on the transit time principle for detecting objects in a surveillance area has the following components: A transmitter for emitting light pulses and a transmission beam path for guiding the light pulses into the surveillance area, whereby optical components of the light pulses are emitted in different directions in the surveillance area Transmission beam path are arranged on a rotor and wherein at least a section of an optical axis of the transmission beam path is collinear with an axis of rotation of the rotor and the light pulses are emitted transversely to the axis of rotation, a receiver for detecting light pulses reflected back from an object in the monitoring area and a receiving beam path for guiding the light pulses reflected back onto the receiver, whereby optical components of the received beam path on the rotor are attached to receive light pulses from different directions from the monitoring area are arranged and wherein at least a portion of an optical axis of the receiving beam path is collinear to an axis of rotation of the rotor, and a control and evaluation unit for controlling the transmitter and for evaluating the light pulses detected by the receiver and for determining a distance of the object on the basis of a transit time the light pulses.

Solche Scanner sind in vielen Ausgestaltungen und für viele Anwendungszwecke bekannt. Bei der grundsätzlich bekannten Entfernungsbestimmung durch Laufzeitmessung werden ein Aussendezeitpunkt t1 eines Lichtpulses und ein Empfangszeitpunkt t2 des von einem Objekt im Überwachungsbereich zurückgestrahlten Lichtpulses gemessen.Such scanners are known in many configurations and for many purposes. In the basically known distance determination by time of flight measurement, a transmission time t1 of a light pulse and a reception time t2 of the light pulse reflected back from an object in the monitoring area are measured.

Die Differenz t2-t1 dieser Zeitpunkte, die Laufzeit, liefert mit der Lichtgeschwindigkeit c in dem jeweiligen Medium (üblicherweise Luft) über $d = c (t 2 - t 1) / 2$

den Abstand d des Objekts von dem Scanner.The difference t2-t1 of these points in time, the transit time, delivers with the speed of light c in the respective medium (usually air)

d = c (t 2 - t 1) / 2

the distance d of the object from the scanner.

Solche optischen Sensoren, bei denen für eine Abstandsbestimmung eine Laufzeitmessung durchgeführt wird, werden auch als TOF-Sensoren bezeichnet (TOF = Time Of Flight).Such optical sensors, in which a transit time measurement is carried out to determine a distance, are also referred to as TOF sensors (TOF = Time Of Flight).

Die Absicherung von Drehflügeltüren mit einem TOF-basierten dynamischen Scanner ist bekannt. Diese Geräte weisen gemäß Datenblatt eine Reichweite von einigen Metern auf und beinhalten einen IR Laser und Rotationsspiegel. Mit solchen Geräten kann eine hohe Auflösung der optischen Überwachung auch an der Hauptschließkante und der Nebenschließkante erreicht werden.The protection of swing doors with a TOF-based dynamic scanner is known. According to the data sheet, these devices have a range of a few meters and contain an IR laser and rotating mirror. With such devices, a high resolution of the optical monitoring can also be achieved on the main closing edge and the secondary closing edge.

Als nachteilig wird bei den genannten Geräten aber empfunden: das Vorhandensein von bewegten Teilen mit verschleißbehafteter Relativbewegung zueinander (etwa die Drehspiegel mit Lagern), der vergleichsweise kleine Scanbereich, die relativ kleinen Empfangsflächen der Empfänger und die daraus resultierende Verwendung teurer Bauelemente, wie APDs (APD = Avalanche Photodiode), verschleißbehaftete Lager. Die Anordnung des Spiegels sowie von Sender und Empfänger schränkt bei den Geräten aus dem Stand der Technik den gesamten Scan-Bereich auf ca. 100° bis 120° ein. In den Randbereichen ist die resultierende Empfangsfläche wegen der dort vorhandenen Geometrie des Strahlengangs auf dem Spiegel sehr klein, so dass im Empfänger mit teuren Komponenten gearbeitet werden muss.However, the following are perceived as disadvantageous with the devices mentioned: the presence of moving parts with wear-prone relative movement to one another (e.g. the rotating mirrors with bearings), the comparatively small scanning area, the relatively small receiving surfaces of the receivers and the resulting use of expensive components such as APDs (APD = Avalanche photodiode), bearings subject to wear. The arrangement of the mirror as well as of the transmitter and receiver restricts the entire scan range to approx. 100 ° to 120 ° in the devices from the prior art. In the edge areas, the resulting receiving surface is very small because of the geometry of the beam path on the mirror, so that expensive components have to be used in the receiver.

Eine grundsätzliche Aufgabenstellung besteht bei diesen Scannern darin, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu steigern. Wesentliche Verbesserungen können dabei zwar erreicht werden, wenn Laser als Lichtsender verwendet werden. Beschränkungen ergeben sich dabei aber durch die Erfordernisse der Augensicherheit.A basic task with these scanners is to increase the signal-to-noise ratio. Significant improvements can be achieved if lasers are used as light transmitters. However, restrictions result from the requirements for eye safety.

Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, einen Scanner der oben genannten Art mit gesteigerter Empfindlichkeit bereitzustellen.It can be seen as an object of the invention to provide a scanner of the above-mentioned type with increased sensitivity.

Diese Aufgabe wird durch den optischen Scanner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the optical scanner with the features of claim 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Scanners werden im Folgenden, insbesondere im Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen und den Figuren erläutert.Preferred configurations of the optical scanner according to the invention are explained below, in particular in connection with the dependent claims and the figures.

Der optische Scanner der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass zum Empfangen der Lichtpulse aus einer Richtung des Überwachungsbereichs mindestens zwei Eintrittslinsen an dem Rotor angeordnet sind.The optical scanner of the type specified above is further developed according to the invention in that at least two entry lenses are arranged on the rotor for receiving the light pulses from one direction of the monitoring area.

Grundsätzlich können die nachzuweisenden Objekte beliebiger Natur sein, solange sie die auftreffenden Lichtpulse mit hinreichender Intensität in Richtung des Scanners zurückstrahlen, also zurückstreuen oder zurückreflektieren. Für den Anwendungsbereich bei Türen und Toren können die nachzuweisenden Objekte insbesondere auch Personen sein.In principle, the objects to be detected can be of any nature, as long as they reflect back the incident light pulses with sufficient intensity in the direction of the scanner, that is, they scatter back or reflect back. For the area of application in doors and gates, the objects to be detected can in particular also be people.

Mit dem Begriff des Überwachungsbereichs wird derjenige räumliche Bereich bezeichnet, in welchem Objekte grundsätzlich nachweisbar sind. Dieser Bereich ist begrenzt durch die Intensität der ausgesendeten Lichtpulse einerseits und der zurückgestrahlten Lichtpulse andererseits.The term “surveillance area” describes the spatial area in which objects can basically be detected. This area is limited by the intensity of the emitted light pulses on the one hand and the reflected light pulses on the other.

Als Sender können im Prinzip alle Strahlungsquellen verwendet werden, welche die benötigten Lichtpulse mit der gewünschten Intensität, der gewünschten spektralen Zusammensetzung und der gewünschten zeitlichen Strukturierung erzeugen können. Besonders bevorzugt werden Leuchtdioden oder Laser-Dioden, beispielsweise VCSEL, insbesondere im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich, verwendet.In principle, all radiation sources which can generate the required light pulses with the desired intensity, the desired spectral composition and the desired temporal structuring can be used as transmitters. Light-emitting diodes or laser diodes, for example VCSEL, in particular in the visible or infrared spectral range, are particularly preferably used.

Als Empfänger können im Prinzip bekannte Komponenten verwendet werden, mit welchen die zurückgestrahlten Lichtpulse hinreichend empfindlich nachgewiesen werden können. Bevorzugt werden Photodioden verwendet. Gegebenenfalls können zum Unterdrücken von Störlicht Farbfilter vorgeschaltet sein.In principle, known components with which the reflected light pulses can be detected with sufficient sensitivity can be used as the receiver. Photodiodes are preferably used. If necessary, color filters can be connected upstream to suppress interfering light.

Der Sendestrahlengang zum Leiten der Lichtpulse in den Überwachungsbereich und der Empfangsstrahlengang zum Leiten der zurückgestrahlten Lichtpulse auf den Empfänger können durch strahlführende Komponenten, wie insbesondere Linsen, Prismen und Spiegel, gebildet werden.The transmission beam path for guiding the light pulses into the monitored area and the receiving beam path for guiding the reflected light pulses to the receiver can be formed by beam-guiding components, such as lenses, prisms and mirrors in particular.

Mit dem Begriff der unterschiedlichen Richtungen sind, bezogen auf die Rotationsachse, im wesentlichen unterschiedliche Azimutalrichtungen gemeint.The term “different directions” means essentially different azimuthal directions in relation to the axis of rotation.

Das Aussenden der Lichtpulse quer zur Rotationsachse umfasst insbesondere das Aussenden der Lichtpulse senkrecht zur Rotationsachse.The emission of the light pulses transversely to the axis of rotation includes in particular the emission of the light pulses perpendicular to the axis of rotation.

Für die Mechanik des Rotors können grundsätzlich bekannte Komponenten, wie Kugellager, Nadellager, Rollenlager, Magnetantriebe, verwendet werden.In principle, known components such as ball bearings, needle bearings, roller bearings, magnetic drives can be used for the mechanics of the rotor.

Als Steuer- und Auswerteeinheit können, insbesondere programmierbare, Mikrocontroller oder vergleichbare intelligente und programmierbare Komponenten verwendet werden.In particular, programmable microcontrollers or comparable intelligent and programmable components can be used as the control and evaluation unit.

Mit der Erfindung wird ein besonders leistungsfähiger optischer Scanner mit potenziell großem Scanbereich bereitgestellt, der außerdem im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstig herstellbar ist. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist, dass grundsätzlich auch kostengünstige Fotodioden als Empfänger und LEDs als Lichtquellen verwendet werden können. Die oben beschriebenen Nachteile des Stands der Technik werden damit deutlich reduziert.The invention provides a particularly powerful optical scanner with a potentially large scanning area, which can also be manufactured inexpensively in comparison with the prior art. A particular advantage of the optical scanner according to the invention is that, in principle, inexpensive photodiodes can also be used as receivers and LEDs can be used as light sources. The disadvantages of the prior art described above are thus significantly reduced.

Der erfindungsgemäße optische Sensor kann vorteilhaft eingesetzt werden zur Absicherung und Überwachung der Schließkanten, insbesondere Hauptschließkanten und Nebenschließkanten, von Drehflügeltüren, um ein Anstoßen an das Türblatt und ein Einklemmen oder Quetschen von Körperteilen, insbesondere Fingern, beim Öffnen oder Schließen der Tür zu vermeiden oder zu verhindern.The optical sensor according to the invention can advantageously be used to protect and monitor the closing edges, in particular main closing edges and secondary closing edges, of swing doors in order to avoid or close bumping into the door leaf and pinching or squeezing of body parts, especially fingers, when opening or closing the door prevent.

Außerdem kann der erfindungsgemäße optische Sensor vorteilhaft verwendet werden zur Absicherung von Objekten, beispielsweise von Hauswänden, sowie für die Navigation von Fahrzeugen.In addition, the optical sensor according to the invention can advantageously be used for securing objects, for example house walls, and for navigating vehicles.

Mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor können ohne weiteres Scan-Bereiche von bis zu 270° erreicht werden. Damit können auch die Anwendungsbereiche des Sensors erweitert werden. Insbesondere kann der erfindungsgemäße optische Scanner auch in einem Sicherheitssensor eingesetzt werden und auch Navigationsanwendungen sind möglich. With the optical sensor according to the invention, scan areas of up to 270 ° can easily be achieved. This also allows the areas of application of the sensor to be expanded. In particular, the optical scanner according to the invention can also be used in a safety sensor, and navigation applications are also possible.

2 Grundsätzlich muss keine separate Sende- oder Austrittslinse vorhanden sein, insbesondere, wenn als Lichtquelle eine Laserdiode verwendet wird. Um ausgesendete Lichtpulse mit kleinerer Divergenz in den Überwachungsbereich auszustrahlen, kann es aber zweckmäßig sein, wenn zum Abstrahlen der Lichtpulse in den Überwachungsbereich eine oder mehrere Austrittslinsen an dem Rotor angeordnet sind. Die Austrittslinsen können in Richtung der Rotationsachse übereinander oder lateral nebeneinander, insbesondere unmittelbar zueinander benachbart, angeordnet sein. Die optischen Achsen der Austrittslinsen können dabei parallel zueinander verlaufen. Die optische Achse von einer Austrittslinse oder von allen Austrittslinsen kann beziehungsweise können die Rotationsachse schneiden oder windschief zur Rotationsachse liegen. Bei einer bevorzugten Variante sind zwei Austrittslinsen mit zueinander parallelen optischen Achsen vorhanden, wobei die Richtung der Rotationsachse der Normalenrichtung der durch die optischen Achsen gebildeten Fläche entsprechen kann.2 In principle, there is no need for a separate transmitter or exit lens, especially if a laser diode is used as the light source. In order to emit emitted light pulses with a smaller divergence into the monitored area, it can be expedient if one or more exit lenses are arranged on the rotor to radiate the light pulses into the monitored area. The exit lenses can be arranged one above the other or laterally next to one another, in particular directly adjacent to one another, in the direction of the axis of rotation. The optical axes of the exit lenses can run parallel to one another. The optical axis of an exit lens or of all exit lenses can or can intersect the axis of rotation or be skewed to the axis of rotation. In a preferred variant, there are two exit lenses with mutually parallel optical axes, wherein the direction of the axis of rotation can correspond to the normal direction of the surface formed by the optical axes.

Zwei Geraden sind windschief, wenn sie sich nicht schneiden und nicht parallel sind. Windschiefe Geraden werden auch als kreuzende Geraden bezeichnet.Two straight lines are skewed if they do not intersect and are not parallel. Lines that are crooked are also referred to as crossing lines.

Die Eintrittslinsen können ebenso auf dem Rotor in Richtung der Rotationsachse übereinander oder lateral nebeneinander, insbesondere unmittelbar zueinander benachbart, angeordnet sein. Die optischen Achsen der Eintrittslinsen können zueinander parallel verlaufen. Die optische Achse von einer Eintrittslinse oder von allen Eintrittslinsen kann beziehungsweise können die Rotationsachse schneiden oder windschief zur Rotationsachse liegen. Bei einer bevorzugten Variante sind zwei Eintrittslinsen mit zueinander parallelen optischen Achsen vorhanden, wobei die Richtung der Rotationsachse der Normalenrichtung der durch die optischen Achsen gebildeten Fläche entsprechen kann.The entry lenses can also be arranged on the rotor in the direction of the axis of rotation one above the other or laterally next to one another, in particular directly adjacent to one another. The optical axes of the entrance lenses can run parallel to one another. The optical axis of one The entrance lens or all of the entrance lenses can intersect the axis of rotation or be skewed to the axis of rotation. In a preferred variant, there are two entry lenses with mutually parallel optical axes, wherein the direction of the axis of rotation can correspond to the normal direction of the surface formed by the optical axes.

Grundsätzlich besteht große Freiheit, wo genau die Komponenten auf oder an dem Rotor angeordnet werden. Vergleichsweise flache Bauformen des erfindungsgemäßen Scanners können erreicht werden, wenn die Eintrittslinsen und mindestens eine Austrittslinse bezogen auf eine durch die Rotationsachse gegebene Richtung auf derselben Seite des Rotors angeordnet sind.Basically there is great freedom as to where exactly the components are arranged on or on the rotor. Comparatively flat designs of the scanner according to the invention can be achieved if the entry lenses and at least one exit lens are arranged on the same side of the rotor in relation to a direction given by the axis of rotation.

Eine besonders platzsparende Anordnung wird erreicht, wenn nur eine Austrittslinse vorhanden ist, deren optische Achse zwischen den optischen Achsen der Eintrittslinsen verläuft.A particularly space-saving arrangement is achieved if there is only one exit lens, the optical axis of which runs between the optical axes of the entrance lenses.

Besonders bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Scanners zeichnen sich dadurch aus, dass der Sender relativ zu einem Gehäuse des Scanners ruhend angeordnet ist, dergestalt, dass die Lichtpulse in Richtung der Rotationsachse und in Richtung des Rotors abgestrahlt werden.Particularly preferred embodiment variants of the scanner according to the invention are characterized in that the transmitter is arranged in a stationary manner relative to a housing of the scanner, in such a way that the light pulses are emitted in the direction of the axis of rotation and in the direction of the rotor.

Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch, wenn der Empfänger relativ zu dem Gehäuse des Scanners ruhend angeordnet ist, dergestalt, dass die Lichtpulse aus der Richtung der Rotationsachse und der Richtung des Rotors empfangen werden.In this context, it is also advantageous if the receiver is arranged in a stationary manner relative to the housing of the scanner in such a way that the light pulses are received from the direction of the axis of rotation and the direction of the rotor.

Durch die ruhende Anordnung von Sender und Empfänger können diese unaufwändig und störungssicher mit der Steuer- und Auswerteeinheit verbunden werden.Thanks to the stationary arrangement of the transmitter and receiver, they can be connected to the control and evaluation unit in a cost-effective and fail-safe manner.

Zum Leiten der zurückgestrahlten Lichtpulse in Richtung des Empfängers kann vorteilhaft an dem Rotor auf der Rotationsachse ein Spiegel montiert sein.A mirror can advantageously be mounted on the rotor on the axis of rotation to guide the reflected light pulses in the direction of the receiver.

Weiterhin kann vorteilhaft zum Ablenken der von dem Sender ausgesendeten Lichtpulse in Richtung des Sendestrahlengangs an dem Rotor auf der Rotationsachse mindestens ein Spiegel montiert sein.Furthermore, in order to deflect the light pulses emitted by the transmitter in the direction of the transmission beam path, at least one mirror can advantageously be mounted on the rotor on the axis of rotation.

Um den Justageaufwand für die optischen Komponenten gering zu halten, werden Strahlengänge mit größerer Brennweite im Vergleich zu kleineren Brennweiten bevorzugt. Hierzu kann es von Vorteil sein, die Strahlengänge zu falten, d. h. die Lichtpulse über Spiegel zu leiten.In order to keep the adjustment effort for the optical components low, beam paths with a larger focal length are preferred compared to smaller focal lengths. For this purpose it can be advantageous to fold the beam paths, i. H. to guide the light pulses through mirrors.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante in diesem Zusammenhang zeichnet sich dadurch aus, dass die Eintrittslinsen an einer Peripherie des Rotors angeordnet sind und dass an dem Rotor radial gegenüber von den Eintrittslinsen mindestens ein Spiegel vorhanden ist, mit denen die zurückgestrahlten Lichtpulse in Richtung des Empfängers geleitet werden.A particularly preferred embodiment variant in this context is characterized in that the entrance lenses are arranged on a periphery of the rotor and that at least one mirror is provided on the rotor radially opposite the entrance lenses, with which the reflected light pulses are guided in the direction of the receiver.

Dieser Grundgedanke kommt bei einer weiteren Ausgestaltung für den Sendestrahlengang zum Einsatz, bei der die Austrittslinsen an einer Peripherie des Rotors angeordnet sind und an dem Rotor radial gegenüber von den Austrittslinsen mindestens ein Spiegel vorhanden ist, mit dem oder mit denen die von dem Sender kommenden Lichtpulse in Richtung der Austrittslinsen geleitet werden.This basic idea is used in a further embodiment for the transmission beam path in which the exit lenses are arranged on a periphery of the rotor and at least one mirror is provided on the rotor radially opposite the exit lenses, with which the light pulses coming from the transmitter are present be directed towards the exit lenses.

Alle hier beschriebenen Spiegel können ebene Spiegel oder Hohlspiegel, beispielsweise Parabolspiegel, sein.All mirrors described here can be plane mirrors or concave mirrors, for example parabolic mirrors.

Besonders lange Brennweiten im Empfangsstrahlengang sind möglich bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform, bei der die zurückgestrahlten Lichtpulse strahlabwärts von den Eintrittslinsen über mindestens einen weiteren Spiegel und den Spiegel auf der Rotationsachse des Rotors auf den Empfänger geleitet werden.Particularly long focal lengths in the receiving beam path are possible in a particularly preferred embodiment in which the reflected light pulses are directed down the beam from the entrance lenses via at least one further mirror and the mirror on the axis of rotation of the rotor to the receiver.

Besonders lange Brennweiten im Sendestrahlengang können erreicht werden, wenn die von dem Sender ausgesendeten Lichtpulse über den Spiegel auf der Rotationsachse und mindestens einen weiteren Spiegel auf dem Rotor zu der Austrittslinse oder den Austrittslinsen geleitet werden.Particularly long focal lengths in the transmission beam path can be achieved if the light pulses emitted by the transmitter are guided via the mirror on the axis of rotation and at least one further mirror on the rotor to the exit lens or the exit lenses.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert. Darin zeigen:

1: in einer Längsschnittansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scanners;
2: eine Querschnittsansicht des Scanners aus 1 ;
3: in einer Längsschnittansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scanners;
4: in einer Längsschnittansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scanners; und
5: eine Querschnittsansicht des Scanners aus 4.

Further properties and advantages of the present invention are explained below with reference to the accompanying figures. Show in it:

1 : in a longitudinal sectional view a first embodiment of a scanner according to the invention;
2 : a cross-sectional view of the scanner 1 ;
3 : in a longitudinal sectional view a second embodiment of a scanner according to the invention;
4th : in a longitudinal sectional view a second embodiment of a scanner according to the invention; and
5 : a cross-sectional view of the scanner 4th .

Gleiche und gleichwirkende Komponenten sind in der Regel in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.Identical and identically acting components are generally identified by the same reference symbols in all figures.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scanners 100 wird mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert. 1 zeigt eine Längsschnittansicht entlang einer Rotationsachse 52 und 2 eine Querschnittsansicht senkrecht zur Rotationsachse 52 des Scanners 100.A first embodiment of a scanner according to the invention 100 is referring to the 1 and 2 explained. 1 shows a longitudinal sectional view along an axis of rotation 52 and 2 a cross-sectional view perpendicular to the axis of rotation 52 of the scanner 100 .

Der optische Scanner 100 stellt ein Sandwich-System dar mit einem in 1 oben befindlichen Sender-System und einem darunter angeordnet Empfänger-System. Dazwischen befindet sich eine Lager- und Antriebseinheit für einen Rotor 50. Sender- und Empfängerseite sind zum Vermeiden von optischem Übersprechen getrennt. Auf jeder Seite des Rotors 50 sind zwei Linsen, nämlich Austrittslinsen 16, 18 und Eintrittslinsen 36, 38, jeweils nebeneinander montiert, um den Platz für die mittige Rotationsachse 52 zu umgehen.The optical scanner 100 represents a sandwich system with an in 1 transmitter system located above and a receiver system arranged below. In between there is a bearing and drive unit for a rotor 50 . The transmitter and receiver sides are separated to avoid optical crosstalk. On each side of the rotor 50 are two lenses, namely exit lenses 16 , 18th and entrance lenses 36 , 38 , each mounted next to each other to make room for the central axis of rotation 52 to bypass.

Der optische Scanner 100 weist als wesentliche Komponenten auf: einen Sender 10 zum Aussenden von Lichtpulsen 12 in den Überwachungsbereich 80, einen Empfänger 30 zum Nachweisen von von einem Objekt 82 im Überwachungsbereich 80 zurückgestrahlten Lichtpulsen 32 und eine Steuer- und Auswerteeinheit 90 zum Ansteuern des Senders 10 und zum Auswerten der von dem Empfänger 30 nachgewiesenen Lichtpulse 32 und zum Bestimmen einer Entfernung d des Objekts 82 von dem Scanner 100 auf Grundlage einer Laufzeit t der Lichtpulse. Der Sender 10 kann insbesondere eine Leuchtdiode sein.The optical scanner 100 has as essential components: a transmitter 10 for emitting light pulses 12th in the monitoring area 80 , a recipient 30th for the detection of an object 82 in the monitoring area 80 reflected light pulses 32 and a control and evaluation unit 90 to control the transmitter 10 and to evaluate the from the recipient 30th detected light pulses 32 and to determine a distance d of the object 82 from the scanner 100 based on a term t the light pulses. The transmitter 10 can in particular be a light emitting diode.

Zum Leiten der Lichtpulse 12 in den Überwachungsbereich 80 ist ein Sendestrahlengang 14 vorhanden. Zum Leiten der zurückgestrahlten Lichtpulse 32 auf den Empfänger 30 ist ein Empfangsstrahlengang 34 vorhanden. Zum Abstrahlen der Lichtpulse 12 in unterschiedliche Richtungen in den Überwachungsbereich 80 sind optische Komponenten des Sendestrahlengangs 14 auf einem Rotor 50 angeordnet. Entsprechend sind zum Empfangen von zurückgestrahlten Lichtpulsen 32 aus unterschiedlichen Richtungen aus dem Überwachungsbereich 80 optische Komponenten des Empfangsstrahlengangs 34 auf dem Rotor 50 angeordnet.For guiding the light pulses 12th in the monitoring area 80 is a transmission beam path 14th available. For guiding the reflected light pulses 32 on the recipient 30th is a receiving beam path 34 available. For emitting the light pulses 12th in different directions in the monitoring area 80 are optical components of the transmission beam path 14th on a rotor 50 arranged. Correspondingly, for receiving reflected light pulses 32 from different directions from the monitoring area 80 optical components of the receiving beam path 34 on the rotor 50 arranged.

Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Abschnitt einer optischen Achse des Sendestrahlengangs 14 kollinear zur Rotationsachse 52 des Rotors 50. Die Lichtpulse 12 werden quer zur Rotationsachse 52, nämlich im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Rotationsachse 52, in den Überwachungsbereich 80 abgestrahlt. Erfindungsgemäß ist außerdem ein Abschnitt einer optischen Achse des Empfangsstrahlengangs 34 kollinear zu einer Rotationsachse 52 des Rotors 50.According to the invention, there is at least a section of an optical axis of the transmission beam path 14th collinear to the axis of rotation 52 of the rotor 50 . The light pulses 12th become transverse to the axis of rotation 52 , namely in the embodiment shown perpendicular to the axis of rotation 52 , in the monitoring area 80 radiated. According to the invention, a section of an optical axis of the receiving beam path is also 34 collinear to an axis of rotation 52 of the rotor 50 .

Schließlich sind erfindungsgemäß zum Empfangen der Lichtpulse 32 aus einer Richtung des Überwachungsbereichs 80 zwei Eintrittslinsen 36, 38 an dem Rotor 50 angeordnet, wobei die Eintrittslinse 38 in den 1 und 2 nicht sichtbar ist. Die Eintrittslinse 38 liegt in 1 genau hinter der Eintrittslinse 36.Finally, according to the invention, for receiving the light pulses 32 from one direction of the monitoring area 80 two entry lenses 36 , 38 on the rotor 50 arranged with the entrance lens 38 in the 1 and 2 is not visible. The entrance lens 38 located in 1 just behind the entrance lens 36 .

Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Scanner 100 sind zum Abstrahlen der Lichtpulse 12 in eine Richtung des Überwachungsbereichs 80 zwei Austrittslinsen 16, 18 an dem Rotor 50 lateral unmittelbar zueinander benachbart angeordnet. Die optischen Achsen der Austrittslinsen 16, 18 sind zueinander parallel und jeweils windschief zur Rotationsachse 52, welche auf der durch die optischen Achsen der Austrittslinsen 16, 18 gebildeten Ebene senkrecht steht. Die Austrittslinse 18 liegt in 1 hinter der Austrittslinse 16.The one in the 1 and 2 illustrated scanner 100 are for emitting the light pulses 12th in one direction of the monitoring area 80 two exit lenses 16 , 18th on the rotor 50 laterally arranged immediately adjacent to one another. The optical axes of the exit lenses 16 , 18th are parallel to each other and each skew to the axis of rotation 52 which is on the through the optical axes of the exit lenses 16 , 18th formed plane is perpendicular. The exit lens 18th located in 1 behind the exit lens 16 .

Die Eintrittslinsen 36, 38 sind ebenfalls auf dem Rotor 50 lateral unmittelbar benachbart zueinander nebeneinander angeordnet. Die optischen Achsen der Eintrittslinsen 36, 38 sind ebenfalls zueinander parallel und jeweils windschief zur Rotationsachse 52. Die optischen Achsen der Eintrittslinsen 36, 38 verlaufen außerdem parallel zu den optischen Achsen der Austrittslinsen 16, 18.The entry lenses 36 , 38 are also on the rotor 50 laterally arranged next to one another directly adjacent to one another. The optical axes of the entrance lenses 36 , 38 are also parallel to each other and each skew to the axis of rotation 52 . The optical axes of the entrance lenses 36 , 38 also run parallel to the optical axes of the exit lenses 16 , 18th .

Wie aus 1 ersichtlich, sind die Austrittslinsen 16, 18 einerseits und die Eintrittslinsen 36, 38 andererseits bezogen auf die durch die Rotationsachse 52 gegebene Richtung auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors 50 angeordnet.How out 1 visible are the exit lenses 16 , 18th one hand and the entrance lenses 36 , 38 on the other hand, based on the axis of rotation 52 given direction on opposite sides of the rotor 50 arranged.

Die Komponenten des erfindungsgemäßen Scanners 100 sind in einem Gehäuse 60 mit einer für die Lichtpulse 12 und die zurückgestrahlten Lichtpulse 32 transparenten Frontscheibe 62 untergebracht.The components of the scanner according to the invention 100 are in one housing 60 with one for the light pulses 12th and the reflected light pulses 32 transparent front window 62 housed.

Der Sender 10, beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Laser-Diode, ist relativ zu dem Gehäuse 60 ruhend angeordnet, dergestalt, dass die Lichtpulse 12 in Richtung der Rotationsachse 52, in 1 nach unten, und in Richtung des Rotors 50 abgestrahlt werden. Zum Ablenken der von dem Sender 10 ausgesendeten Lichtpulse 12 in Richtung des Sendestrahlengangs 14 ist an dem Rotor 50 auf der Rotationsachse 52 ein Spiegel 24 montiert.The transmitter 10 , for example a light emitting diode or a laser diode, is relative to the housing 60 Arranged resting, such that the light pulses 12th in the direction of the axis of rotation 52 , in 1 down, and towards the rotor 50 be emitted. To distract from the transmitter 10 emitted light pulses 12th in the direction of the transmission beam path 14th is on the rotor 50 on the axis of rotation 52 a mirror 24 assembled.

Auch der Empfänger 30 ist relativ zu dem Gehäuse 60 ruhend angeordnet, dergestalt, dass die Lichtpulse 32 aus der Richtung der Rotationsachse 52 und der Richtung des Rotors 50 empfangen werden. Zum Leiten der zurückgestrahlten Lichtpulse 32 in Richtung des Empfängers 30 ist an dem Rotor 50 auf der Rotationsachse 52 ein Spiegel 44 montiert.Also the recipient 30th is relative to the housing 60 Arranged resting, such that the light pulses 32 from the direction of the axis of rotation 52 and the direction of the rotor 50 be received. For guiding the reflected light pulses 32 towards the recipient 30th is on the rotor 50 on the axis of rotation 52 a mirror 44 assembled.

Die Eintrittslinsen 36, 38 sind, wie aus 1 ersichtlich, an einer Peripherie des Rotors 50 angeordnet und radial gegenüber von den Eintrittslinsen 36, 38 sind an dem Rotor 50 Spiegel 39, 41 vorhanden, mit denen die zurückgestrahlten Lichtpulse 32 in Richtung des Empfängers 30 geleitet werden. Der Spiegel 41 ist in den 1 und 2 nicht gezeigt, er liegt in 1 bezogen auf die Papierebene hinter dem Spiegel 39.The entry lenses 36 , 38 are like out 1 can be seen on a periphery of the rotor 50 arranged and radially opposite the entrance lenses 36 , 38 are on the rotor 50 mirror 39 , 41 present with which the reflected light pulses 32 towards the recipient 30th be directed. The mirror 41 is in the 1 and 2 not shown, he's lying in 1 based on the plane of the paper behind the mirror 39 .

Wie weiterhin aus 1 ersichtlich, sind auch die Austrittslinsen 16, 18 an einer Peripherie des Rotors 50 angeordnet und radial gegenüber von den Austrittslinsen 16, 18 sind an dem Rotor 50 Spiegel 19, 21 vorhanden, mit denen die von dem Sender 10 kommenden Lichtpulse 12 in Richtung der Austrittslinsen 16, 18 geleitet werden.How continue out 1 the exit lenses can also be seen 16 , 18th at a periphery of the rotor 50 arranged and radially opposite from the exit lenses 16 , 18th are on the rotor 50 mirror 19th , 21st present with those of the transmitter 10 coming light pulses 12th towards the exit lenses 16 , 18th be directed.

Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 werden die zurückgestrahlten Lichtpulse 32 strahlabwärts von den Eintrittslinsen 36, 38 über die Spiegel 39, 41 und den Spiegel 44 auf der Rotationsachse 52 des Rotors 50 auf den Empfängers 30 geleitet. Außerdem werden die von dem Sender 10 ausgesendeten Lichtpulse 12 über den Spiegel 24 auf der Rotationsachse 52 und die Spiegel 19, 21 auf dem Rotor 50 zu den Austrittslinsen 16, 18 geleitet. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 weist also der Empfangsstrahlengang 34 als Komponenten die Eintrittslinsen 36, 38 sowie die Spiegel 39, 41, 44 auf. Entsprechend weist der Sendestrahlengang 14 als Komponenten die Austrittslinsen 16, 18 und die Spiegel 19, 21, 24 auf. Wegen der Umlenkung der Lichtpulse 12, 32 jeweils um 90° können die Spiegel 4 20 und 44 auch als 45-Grad-Spiegel bezeichnet werden.In the embodiment of 1 and 2 are the reflected light pulses 32 downstream from the entrance lenses 36 , 38 over the mirror 39 , 41 and the mirror 44 on the axis of rotation 52 of the rotor 50 on the recipient 30th directed. In addition, those from the broadcaster 10 emitted light pulses 12th over the mirror 24 on the axis of rotation 52 and the mirrors 19th , 21st on the rotor 50 to the exit lenses 16 , 18th directed. In the embodiment of 1 and 2 so shows the receiving beam path 34 the entrance lenses as components 36 , 38 as well as the mirrors 39 , 41 , 44 on. The transmission beam path points accordingly 14th the exit lenses as components 16 , 18th and the mirrors 19th , 21st , 24 on. Because of the redirection of the light pulses 12th , 32 the mirrors can turn 90 ° 4th 20th and 44 Also known as a 45 degree mirror.

Der Rotor 50 ist durch geeignete und schematisch dargestellte Lager 54, 55, beispielsweise Kugel-, Nadel- oder Rollenlager relativ zu den ruhenden Teilen des Gehäuses 60 gelagert. Vorteilhaft werden für einen ruhigen Lauf des Rotors 50 mindestens zwei Lager verwendet. Für die Lager, für die auch andere Anordnungen möglich sind, können handelsübliche Komponenten verwendet werden.The rotor 50 is supported by suitable and schematically illustrated bearings 54 , 55 , for example ball, needle or roller bearings relative to the stationary parts of the housing 60 stored. Are advantageous for a smooth running of the rotor 50 at least two bearings used. Commercially available components can be used for the bearings, for which other arrangements are also possible.

Der optische Scanner 100 arbeitet wie folgt: Der Sender 10 sendet Lichtpulse 12 aus, die über die Spiegel 19, 21 und 24 und die Austrittslinsen 16, 18 in den Überwachungsbereich 80 ausgestrahlt werden. Von einem im Überwachungsbereich 80 befindlichen Objekt 82 werden Lichtpulse zurückgestrahlt. Die zurückgestrahlten Lichtpulse 32 treten über die Eintrittslinsen 36, 38 ein und werden über die Spiegel 39, 41 und 44 auf den Empfänger 30 geleitet und dort nachgewiesen. Der Scanner 100 misst in grundsätzlich bekannter Weise den Zeitpunkt t1, in dem ein Lichtpuls 12 ausgesendet wird, und den Zeitpunkt t2, in dem der zugehörige zurückgestrahlte Lichtpuls 32 mit dem Empfänger 30 nachgewiesen wird. Gemäß $d = c (t 2 - t 1) / 2$

wird aus diesen Zeitpunkten t1, t2 und der Lichtgeschwindigkeit c ein Abstand des Objekts 82 von dem Scanner 100 bestimmt.The optical scanner 100 works as follows: The transmitter 10 sends light pulses 12th from that over the mirror 19th , 21st and 24 and the exit lenses 16 , 18th in the monitoring area 80 be broadcast. From someone in the surveillance area 80 located object 82 light pulses are reflected back. The reflected light pulses 32 step over the

entry lenses

36 , 38 one and be over the

mirror

39 , 41 and 44 on the recipient 30th and verified there. The scanner 100 measures the point in time t1 at which a light pulse occurs in a basically known manner 12th is emitted, and the time t2 at which the associated reflected light pulse 32 with the recipient 30th is proven. According to

d = c (t 2 - t 1) / 2

From these times t1, t2 and the speed of light c, a distance of the object becomes 82 from the scanner 100 certainly.

Der Rotor 50 rotiert in einer durch den Pfeil 53 angedeuteten Richtung. Dadurch können die Lichtpulse 12 in unterschiedliche Richtungen, nämlich unterschiedliche Azimutalrichtungen, in den Überwachungsbereich 80 ausgestrahlt werden und ebenso können aus unterschiedlichen Azimutalrichtungen aus dem Überwachungsbereich 80 zurückgestrahlte Lichtpulse 32 nachgewiesen werden. Mit einem in den Figuren nicht gezeigten Messaufnehmer, der die Winkelposition des Rotors 50 aufnimmt, kann so zusätzlich zur Abstandskoordinate d auch eine Winkelkoordinate φ für ein nachgewiesenes Objekt 82 erfasst werden. Ein Nullpunkt für die Winkelkoordinate φ kann beispielsweise so festgelegt werden, dass in der in 2 gezeigten Situation die Horizontallinie φ = 0 entspricht.The rotor 50 rotates in one through the arrow 53 indicated direction. This allows the light pulses 12th in different directions, namely different azimuthal directions, in the monitoring area 80 can be broadcast and also from different azimuthal directions from the surveillance area 80 reflected light pulses 32 be detected. With a measuring sensor, not shown in the figures, which determines the angular position of the rotor 50 absorbs, so can in addition to the distance coordinate d also an angular coordinate φ for a proven object 82 are recorded. A zero point for the angle coordinate φ can for example be specified so that in the in 2 the situation shown is the horizontal line φ = 0 corresponds.

Ein wesentliches technisches Merkmal dieses Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist, dass einerseits das Spiegel- und Linsensystem im Messbetrieb rotiert und dass andererseits der Sender 10 und der Empfänger 30 ruhen. Die resultierende Sende- und Empfangsfläche ist deshalb für alle Winkelstellungen des Rotors immer gleich groß.An essential technical feature of this exemplary embodiment of the optical scanner according to the invention is that on the one hand the mirror and lens system rotates in the measuring mode and on the other hand the transmitter 10 and the recipient 30th rest. The resulting transmitting and receiving area is therefore always the same for all angular positions of the rotor.

Für das in 3 schematisch dargestellte zweite Ausführungsbeispiel werden nur die Unterschiede im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 1 und 2 erläutert.For the in 3 The second exemplary embodiment shown schematically only illustrates the differences compared to the exemplary embodiment in FIG 1 and 2 explained.

Der wesentliche Unterschied des in 3 schematisch dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Scanners 200 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist, dass als Sender 10 eine intensivere Lichtquelle, beispielsweise eine Laser-Diode zum Einsatz kommt. Durch diese Maßnahme kann die Reichweite des optischen Scanners 200 deutlich gesteigert werden. Zum Leiten der Lichtpulse 12 reicht wegen der vergleichsweise geringen Strahldivergenz der Laser-Diode eine einzige Austrittslinse 22 aus, die außerdem im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 und 2 kleiner ist. Die Strahlführung für die Lichtpulse 12 ist bei 3 im Vergleich zu den 1 und 2 insoweit einfacher, als die Sendepulse von dem Sender 10 über den Spiegel 24 direkt, also nicht, wie in den 1 und 2, über die weiteren Spiegel 19, 21, direkt zur Austrittslinse 22 geleitet werden.The main difference of the in 3 schematically illustrated second embodiment of a scanner according to the invention 200 compared to the embodiment of 1 and 2 is that as a transmitter 10 a more intense light source, for example a laser diode, is used. This measure increases the range of the optical scanner 200 can be increased significantly. For guiding the light pulses 12th Because of the comparatively low beam divergence of the laser diode, a single exit lens is sufficient 22nd from, which also compared to the first embodiment of the 1 and 2 is smaller. The beam guidance for the light pulses 12th is at 3 compared to the 1 and 2 to the extent that it is simpler than the transmission pulses from the transmitter 10 over the mirror 24 directly, so not like in the 1 and 2 , about the other mirrors 19th , 21st , directly to the exit lens 22nd be directed.

Die optische Achse 23 der Austrittslinse 22 verläuft parallel zu den optischen Achsen 35, 37 der Eintrittslinsen 36, 38. In der Projektion entlang der Rotationsachse 52 verläuft die optische Achse 23 der Austrittslinse 22 zwischen den optischen Achsen 36, 38 der Eintrittslinsen 36, 38 und schneidet die Rotationsachse 52.The optical axis 23 the exit lens 22nd runs parallel to the optical axes 35 , 37 of the entrance lenses 36 , 38 . In the projection along the axis of rotation 52 runs the optical axis 23 the exit lens 22nd between the optical axes 36 , 38 of the entrance lenses 36 , 38 and intersects the axis of rotation 52 .

Wegen der etwas kleineren Austrittslinsen 22 ist der Aufbau in 3 geringfügig flacher als derjenige des Ausführungsbeispiels der 1 und 2.Because of the slightly smaller exit lenses 22nd is the structure in 3 slightly flatter than that of the embodiment of FIG 1 and 2 .

Bei der Verwendung von Laser-Dioden müssen die Erfordernisse der Augensicherheit in Klasse 1 beachtet werden. Um die IR-Pulsleistung von 75W auf einen Mittelwert von 0,25mW zu reduzieren ist ein Duty-Cycle von 1:300.000 notwendig. Durch die Drehbewegung und eine Aufteilung des Scanbereichs in zirka 8 Segmente zu je 45° kann der Duty-Cycle auf 1:40.000 zugunsten einer kürzeren Ansprechzeit oder mehr Messpunkten, was einer feineren Auflösung entspricht, verändert werden. Bei 5ns Pulsdauer ist alle 200µs eine Messung möglich. Bei einer Drehgeschwindigkeit von 1500U/min (25Hz) steht für eine Umdrehung eine Zeit von 40ms zur Verfügung. Damit sind bei einer Umdrehung 200 Messungen möglich, damit ergibt sich für einzelne Schüsse ohne Mittelung eine Auflösung von knapp 2°.When using laser diodes, eye safety requirements must be in class 1 get noticed. A duty cycle of 1: 300,000 is necessary to reduce the IR pulse power from 75W to an average value of 0.25mW. Due to the rotary movement and a division of the scan area into approx 8th In segments of 45 ° each, the duty cycle can be changed to 1: 40,000 in favor of a shorter response time or more measuring points, which corresponds to a finer resolution. With a pulse duration of 5ns, a measurement is possible every 200µs. At a rotation speed of 1500 rpm (25 Hz) a time of 40 ms is available for one rotation. Therewith are at one revolution 200 Measurements are possible, this results in a resolution of almost 2 ° for individual shots without averaging.

Das in den 4 und 5 gezeigte Ausführungsbeispiel eines optischen Scanners 300 weist Ähnlichkeiten zu der Variante der 3 auf dahingehend, dass auch hier eine im Vergleich zum Beispiel der 1 und 2 intensivere Lichtquelle, beispielsweise eine Laser-Diode, verwendet wird und somit auch hier eine einzige, im Vergleich zum Beispiel der 1 und 2 kleinere, Austrittslinse 22 zum Einsatz kommt. Der wesentliche Unterschied im Vergleich zum Ausführungsbeispiel aus 3 ist, dass die Austrittslinse 22 bezogen auf eine durch die Rotationsachse 52 gegebene Richtung auf derselben Seite des Rotors 50 angeordnet ist wie die Eintrittslinsen 36, 38. Im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 kann dadurch eine noch flachere Bauform des Gehäuses 60 erreicht werden.That in the 4th and 5 Shown embodiment of an optical scanner 300 shows similarities to the variant of the 3 on in the sense that here, too, a comparison for example the 1 and 2 more intense light source, for example a laser diode, is used and thus a single one here too, compared to the example 1 and 2 smaller, exit lens 22nd is used. The main difference compared to the exemplary embodiment 3 is that the exit lens 22nd related to one through the axis of rotation 52 given direction on the same side of the rotor 50 is arranged like the entrance lenses 36 , 38 . In comparison to the exemplary embodiments of 1 to 3 This allows an even flatter housing design 60 can be achieved.

Die Bauhöhe des optischen Scanners 300 kann deutlich reduziert werden, weil die Austrittslinse 22 zwischen den beiden Eintrittslinsen 36, 38 angeordnet ist. Der 45°-Spiegel 25 kann vorteilhaft beidseitig verspiegelt und mit dem Tubus so gestaltet sein, dass kein optisches Übersprechen auftritt. Allerdings sind für den optischen Scanner 300 Lager mit größerem Durchmesser zur Montage auf einer Hohlachse erforderlich. Eine noch kleinere Bauhöhe ist möglich, wenn nur ein Lager, beispielsweise ein Rollen- oder Nadellager zwischen der Sender- und Empfängerseite des Rotors 50 angeordnet wird.The overall height of the optical scanner 300 can be significantly reduced because the exit lens 22nd between the two entrance lenses 36 , 38 is arranged. The 45 ° mirror 25th can advantageously be mirrored on both sides and designed with the tube so that no optical crosstalk occurs. However, they are for the optical scanner 300 Larger diameter bearings required for assembly on a hollow axle. An even smaller overall height is possible if there is only one bearing, for example a roller or needle bearing, between the transmitter and receiver side of the rotor 50 is arranged.

Bei Verwendung von Infrarot-Leuchtdioden als Lichtquellen sind die Erfordernisse der Augensicherheit leicht zu erfüllen. Die geringere Pulsleistung muss aber durch viele Messungen und Mittelwertbildung ausgeglichen werden. Beim Sample-Messkern kann ca. alle 4µs eine neue Messung erfolgen, entsprechend einem Duty-Cycle der Leuchtdiode von 1:1000. Bei 128 Messungen werden also für jeden Messpunkt 0,5ms an Zeit benötigt. Somit könnten in 40ms, das entspricht einer Umdrehung des Rotors 50, 80 Messpunkte abgefahren werden, die dann aber über 360° in einem Abstand von jeweils 4,5° gleichmäßig verteilt wären.When using infrared light-emitting diodes as light sources, the requirements for eye safety are easy to meet. However, the lower pulse power must be compensated for by taking many measurements and averaging. With the sample measuring core, a new measurement can be made approx. Every 4 µs, corresponding to a duty cycle of the light emitting diode of 1: 1000. At 128 So measurements are made for each measurement point 0 , 5ms of time required. Thus, in 40ms, that corresponds to one rotation of the rotor 50 , 80 Measurement points are traveled, which would then be evenly distributed over 360 ° at a distance of 4.5 °.

Bei einem Messbereich von z.B. 180° könnten in 40ms für eine Drehung nur 40 Messpunkte abgefahren werden. Würde die Mittelung auf 2 Umdrehungen verteilt, so können auch 80 Messpunkte in einem Abstand von jeweils 2,25° abgefahren werden. Die Abtastzeit beträgt dann aber 2 × 40ms = 80ms. Schnell bewegte Objekte können dann nur noch langsamer detektiert werden und die Objekte (beispielsweise ein Arm einer Person) müssten für einen Nachweis länger im Überwachungsbereich oder Detektionsfeld verweilen. With a measuring range of e.g. 180 °, only 40 measuring points could be covered in 40ms for a rotation. If the averaging were distributed over 2 revolutions, 80 measuring points can be traversed at a distance of 2.25 ° each. The sampling time is then 2 × 40 ms = 80 ms. Fast moving objects can then only be detected more slowly and the objects (for example an arm of a person) would have to stay longer in the monitoring area or detection field for detection.

Die Verringerung des Messbereichs von 180° auf 100° bis 120°, was, beispielsweise für die Überwachung eines Türblatts, 44 bis 53 Strahlen entspricht, würde die Abtastzeit von 80ms nicht verringern, da die Drehzahl konstant bleibt.The reduction of the measuring range from 180 ° to 100 ° to 120 °, which, for example, for monitoring a door leaf, 44 to 53 Beams, the sampling time of 80ms would not be reduced, since the speed remains constant.

Gegebenenfalls muss der Rotor 50 mit Kunststoffteilen individuell ausgewuchtet werden.If necessary, the rotor must 50 individually balanced with plastic parts.

Bei geforderten kleineren Scan-Winkeln können das Sende- und Empfangselement auch nahe der optischen Achse angeordnet werden, so dass mit Durchsteckachsen gearbeitet werden kann und die Lager außen platziert werden können. Das ist in den Figuren nicht dargestellt. Die Abschattung der optoelektronischen Bauteile durch die Achsen beschränkt dann den Scanwinkel. Eine Anordnung mit mehreren Segmenten ist aber ebenso möglich.If smaller scan angles are required, the transmitting and receiving elements can also be arranged close to the optical axis, so that through-axis axes can be used and the bearings can be placed outside. This is not shown in the figures. The shading of the optoelectronic components by the axes then restricts the scanning angle. An arrangement with several segments is also possible.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger optischer Scanner mit potenziell großem Scanbereich bereitgestellt. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Scanners ist, dass in einfachen Ausgestaltungen kostengünstige Fotodioden und auch kostengünstige Leuchtdioden anstelle von Pulslaserdioden verwendet werden können. Damit wird der erfindungsgemäße Scanner leistungsfähiger und preiswerter als Lösungen aus dem Stand der Technik.The present invention provides a novel optical scanner with a potentially large scanning area. A particular advantage of the optical scanner according to the invention is that inexpensive photodiodes and also inexpensive light-emitting diodes can be used instead of pulsed laser diodes in simple configurations. This makes the scanner according to the invention more powerful and cheaper than solutions from the prior art.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: SenderChannel
1212: LichtpulseLight pulses
1414th: SendestrahlengangTransmission beam path
1515th: optische Achse von Austrittslinse 16 optical axis of exit lens 16
1616: AustrittslinseExit lens
1717th: optische Achse von Austrittslinse 18 optical axis of exit lens 18th
1818th: AustrittslinseExit lens
1919th: Spiegelmirror
2121st: Spiegelmirror
2222nd: einzelne Austrittslinsesingle exit lens
2323: optische Achse von einzelner Austrittslinse 22 optical axis of single exit lens 22nd
2424: Spiegel auf Rotationsachse 52 Mirror on the axis of rotation 52
2525th: Spiegel auf Rotationsachse 52 Mirror on the axis of rotation 52
3030th: Empfängerreceiver
3232: zurückgestrahlte Lichtpulsereflected light pulses
3434: EmpfangsstrahlengangReceiving beam path
3535: optische Achse von Eintrittslinse 36 optical axis of entrance lens 36
3636: EintrittslinseEntrance lens
3737: optische Achse von Eintrittslinse 38 optical axis of entrance lens 38
3838: EintrittslinseEntrance lens
3939: Spiegelmirror
4141: Spiegelmirror
4444: Spiegel auf Rotationsachse 52 Mirror on the axis of rotation 52
5050: Rotorrotor
5252: Rotationsachse von Rotor 50 Rotation axis of rotor 50
5353: Pfeil: DrehrichtungArrow: direction of rotation
5454: Lagercamp
5555: Lagercamp
6060: Gehäusecasing
6262: TrennscheibeCutting disc
8080: ÜberwachungsbereichMonitoring area
8282: Objekt im Überwachungsbereich 80 Object in the monitoring area 80
9090: Steuer- und AuswerteeinheitControl and evaluation unit
100100: Scannerscanner
200200: Scannerscanner
300300: Scannerscanner
dd: Entfernungdistance
tt: Laufzeitrunning time
φφ: WinkelkoordinateAngular coordinate

Claims

Optical scanner based on the transit time principle for detecting objects in a monitoring area (80) with a transmitter (10) for emitting light pulses (12) and a transmission beam path (14) for guiding the light pulses (12) into the monitoring area (80), whereby for The light pulses (12) are emitted in different directions in the monitored area (80). Optical components of the transmission beam path (14) are arranged on a rotor (50) and at least a portion of an optical axis of the transmission beam path (14) is collinear to an axis of rotation (52). of the rotor (50) and the light pulses (12) are emitted transversely to the axis of rotation (52), with a receiver (30) for detecting light pulses (32) reflected back from an object (82) in the monitoring area (80) and a receiving beam path ( 34) for guiding the reflected light pulses (32) to the receiver (30), whereby for receiving light pulses (32) from different directions from the monitoring area rich (80) optical components of the receiving beam path (34) are arranged on the rotor (50) and wherein at least a portion of an optical axis of the receiving beam path (34) is collinear to an axis of rotation (52) of the rotor (50), with a control and evaluation unit (90) for controlling the transmitter (10) and for evaluating the light pulses (32) detected by the receiver (30) and for determining a distance (d) of the object (82) on the basis of a transit time (t) of the light pulses, characterized in that at least two entry lenses (36, 38) are arranged on the rotor (50) to receive the light pulses (32), in particular from a direction of the monitoring area (80).

Scanner after Claim 1 , characterized in that several exit lenses (16, 18) are arranged on the rotor (50) in order to emit the light pulses (12) in one direction of the monitoring area (80).

Scanner after Claim 1 or 2 , characterized in that the entry lenses (36, 38) on the rotor (50) are arranged laterally, in particular directly adjacent, next to one another.

Scanner for one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the entry lenses are arranged one above the other on the rotor in the direction of the axis of rotation, in particular immediately adjacent.

Scanner for one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the entry lenses (36, 38) and an exit lens (16, 18) are arranged on the same side of the rotor (50) in relation to a direction given by the axis of rotation (52).

Scanner for one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the transmitter (10) is relative is arranged resting on a housing (60) of the scanner (100), such that the light pulses (12) are emitted in the direction of the axis of rotation (52) and in the direction of the rotor (50).

Scanner for one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the receiver (30) is arranged to be stationary relative to the housing (60) of the scanner (100), such that the light pulses (32) from the direction of the axis of rotation (52) and the direction of the rotor (50) be received.

Scanner for one of the Claims 1 to 7th , characterized in that the entrance lenses (36, 38) are arranged on a periphery of the rotor (50) and that at least one mirror (39, 41) is provided on the rotor (50) radially opposite the entrance lenses (36, 38) , with which or with which the reflected light pulses (32) are directed towards the receiver (30).

Scanner for one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the exit lenses (16, 18) are arranged on a periphery of the rotor (50) and that at least one mirror (19, 21) is provided on the rotor (50) radially opposite the exit lenses (16, 18) with which or with which the light pulses (12) coming from the transmitter (10) are guided in the direction of the exit lenses (16, 18).

Scanner for one of the Claims 1 to 9 , characterized in that there is only one exit lens (22), the optical axis (23) of which runs between the optical axes (35, 37) of the entrance lenses (36, 38).

Scanner for one of the Claims 1 to 10 , characterized in that a mirror (44) is mounted on the rotor (50) on the axis of rotation (52) for guiding the reflected light pulses (32) in the direction of the receiver (30).

Scanner for one of the Claims 1 to 11 , characterized in that at least one mirror (24) is mounted on the rotor (50) on the axis of rotation (52) for deflecting the light pulses (12) emitted by the transmitter (10) in the direction of the transmission beam path (14).

Scanner after Claim 8 and 11 , characterized in that the reflected light pulses (32) beam downwards from the entrance lenses (36, 38) via at least one further mirror (39, 41) and the mirror (44) on the axis of rotation (52) of the rotor (50) to the receiver (30).

Scanner after Claim 9 and 12th , characterized in that the light pulses (12) emitted by the transmitter (10) via the mirror (24) on the axis of rotation (52) and at least one further mirror (19, 21) on the rotor (50) to the exit lens or the Exit lenses (16, 18) are guided.