DE10227299A1 - Scanner für die optische Objekterfassung - Google Patents

Abstract

Scanner für die optische Objekterfassung mit einem Sender, der einen gepulsten Sendestrahl über eine rotierende Lichtumlenkeinrichtung umlaufend verschwenkt aussendet, und mit einer Empfangseinrichtung, die über die Lichtumlenkeinrichtung in Richtung des Sendestrahls blickt und bei Auftreffen des Sendestrahls auf Objekte entstehende Lichtflecken auf einen lichtempfindlichen Empfangssensor abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Sendestrahles eine optische Einrichtung vorgesehen ist, die den Sendestrahl zu einem Sendestrahl mit einem streifenförmigen Querschnitt auffächert, wobei die optische Einrichtung drehsynchron mit der Lichtumlenkeinrichtung gekoppelt ist, und daß die Empfangseinrichtung einen flächigen Empfangssensor mit mehreren separaten Empfangsfeldern aufweist, die jeweils in definierten Winkelstellungen der Lichtumlenkeinrichtung definierten Längenabschnitten des streifenförmigen Sendestrahlquerschnitts zugeordnet sind.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Scanner nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Gattungsgemäße Scanner werden insbesondere zur Abstandsmessung und zur Erkennung von Objekten innerhalb eines Überwachungsbereichs z. B. vor Fahrzeugen eingesetzt.
• Gattungsgemäße Scanner weisen einen Lichtsender auf, der einen gepulsten punktförmigen Sendestrahl erzeugt, der über eine rotierende Lichtumlenkeinrichtung umlaufend verschwenkt wird. Weiterhin ist eine Empfangseinrichtung vorgesehen, die über die Lichtumlenkeinrichtung in Richtung des Sendestrahls blickt und beim Auftreffen des Sendestrahls auf ein Objekt entstehende Licht- flecken auf einen lichtempfindlichen Empfangssensor abbildet.
• Mit gattungsgemäßen Scannern kann aus dem jeweiligen Sendewinkel und der Laufzeit der Impulse zwischen Sender und Empfangseinrichtung einen oder mehrere Abstände zu Objekten sowie deren Profil ermittelt werden. Hierzu ist eine entsprechend programmierte Auswerteinheit erforderlich, die entweder ebenfalls in dem Scanner vorgesehen sein kann oder aber z. B. in einem separatem Computer im Fahrzeug eingerichtet ist und mit mehreren Fahrzeugscannern verbunden sein kann.
• Ein Nachteil der beschriebenen gattungsgemäßen Konstruktion ist, daß hiermit Objekte nur in einer Ebene vermessen werden können.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, mit geringstmöglichem Aufwand, ausgehend vom Stand der Technik, einen Scanner bereitzustellen mit dem eine dreidimensionale Erfassung der Umgebung möglich ist.
• Gelöst wird die Aufgabe mit einem Scanner, der die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 besitzt.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß in dem Strahlengang des Sendestrahles eine optische Einrichtung angeordnet ist, die den Sendestrahl zu einem Strahl mit streifenförmigem Querschnitt auffächert. Man erhält so in einfacher Weise einen Sendestrahl der bei entsprechender, z. B. vertikaler Ausrichtung seines streifenförmigen Querschnitts Objekte dreidimensional abtasten kann.
• Erfindungsgemäß ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, daß die optische Einrichtung, bei der es sich z. B. um eine Zylinderlinse handeln kann, drehsynchron mit der Lichtumlenkeinrichtung gekoppelt ist, die den Sendestrahl verschwenkt. Durch eine derartige, z.B. durch starre Verbindung herstellbare Kopplung von Lichtumlenkeinrichtung und optischer Einrichtung wird sichergestellt, daß der Sendestrahl in den unterschiedlichen Verschwenkwinkeln eine konstante Orientierung (bezogen auf die Rotatüonsachse) beibehält. Ein Sendestrahl mit z. B. vertikaler Ausrichtung seines streifenförmigen Querschnittes behält diese Aus richtung während des Umlaufs der Lichtumlenkeinrichtung bei, so daß sichergestellt ist, daß der Sendestrahl in den unterschiedlichen Sendewinkeln immer einen konstanten Höhenwinkelbereich erfassen kann. In diesem Zusammenehang versteht sich, daß im Hinblick auf die gewünschte räumliche Abtastung von Objekten die optische Einrichtung und die Lichtumlenkeinrichtung so zueinander ausgerichtet sein müssen, daß der streifenförmige Querschnitt des Sendestrahls einen Winkel mit der Verschwenkebene bildet und nicht paralell dazu ausgerichtet ist.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Empfangseinrichtung vorgesehen, die die bei Auftreffen des Sendestrahls auf Objekte entstehenden Lichtstreifen (bzw. bei Objekten, die nur von Bereichen des Sendestrahls getroffen werden, die entsprechend entstehenden Lichtstreifenbereiche) auf einen flächigen Empfangsensor abbildet. Der Empfangssensor weist mehrere separat auswertbare Empfangsfelder auf, die in einer Winkelstellung der Lichtumlenkeinrichtung jeweils definierten Längenabschnitten des streifenförmigen Querschnitts des Sendestrahls zugeordnet sind.
• Bei dem beschriebenen Aufbau des erfindungsgemäßen Scanners rotiert die Abbildung des Lichtstreifens auf dem Empfangssensor synchron mit der Lichtumlenkeinrichtung.
• Denkbar wäre daher, z. B. als Empfangssensor eine Diodenzeile vorzusehen, die synchron mit der Lichtumlenkeinrichtung rotiert. Eine solche Konstruktion ist allerdings relativ aufwendig.
• Daher sieht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, daß der Empfangssensor drehfest in dem Scanner angeordnet ist.
• Ein in diesem Zusammenhang geeigneter Empfangssensor könnte z. B. eine Vielzahl von Empfangsdioden aufweisen, von denen in den unterschiedlichen Winkelstellungen der Lichtumlenkeini-ichtung immer nur ein kleiner Prozentsatz angesprochen wird. Eine solche Lösung, die zwar theoretisch denkbar ist, wäre mit einem sehr hohen konstruktiven Aufwand verbunden.
• Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, daß der drehfeste Empfangssensor Empfangsfelder aufweist, die jeweils einen definierten Winkelbereich der Lichtumlenkeinrichtung abdecken.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist ein erstes inneres, kreisförmiges Empfangsfeld vorgesehen, das von mindestens zwei äußeren teilringförmigen Empfangsfeldern, die jeweils einen Winkel von höchstens 180° umschließen, konzentrisch umgeben ist. Mit einem Empfangssensor, der dergestalt in drei Empfangsfelder aufgeteilt ist, kann man den streifenförmigen Sendestrahl in allen Verschwenkwinkeln in drei Längsbereiche auflösen.
• Selbstverständlich kann der das zentrale Empfangsfeld umgebende "konzentrische Ring" mehr als zwei Empfangsfelder, z. B. vier kleinere Felder aufweisen, die jeweils einen Winkelbereich von 90° abdecken. Wieviele Felder man vorsieht, ist eine Frage der Optimierung, d. h. abhängig davon, ob die bei größeren Feldern ebenfalls stärkeren Störeffekte toleriert werden können oder ihnen durch eine Verkleinerung der Felder begegnet werden muß.
• Es ist weiterhin ohne weiteres möglich, die Anzahl der umgebenden konzentrischen aus mind. zwei Teilflächen aufgebauten Ringfelder zu erhöhen. Man kann auf diese Weise den Sendestrahl in entsprechend mehr Längsbereiche auflösen.
• Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf aus konzentrischen Ringen schichtförmig aufgebaute Empfangssensoren beschränkt. Denkbar ist sind auch andere Formen z. B. mehreckige Felder etc.
• Mit der erfindungsgemäßen Empfangseinrichtung kann man mit einer äußerst geringen Anzahl von separaten Empfangsfeldern eine hohe Auflösung erreichen. Im einfachsten Fall kann die Anzahl der Empfangsfelder genau der Anzahl der Längenbereiche entsprechen, in die der Sendestrahl aufgelöst werden soll. Der erfindungsgemäße Scanner ermöglicht also mit äußerst gerungem konstruktiven Aufwand eine dreidimensionale Objekterfassung.
• Im folgenden soll die Erfindung anhand zweier Abbildungen näher erläutert werden. Dabei zeigt
• 1 eine schematische Ansicht auf die wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Scanners.
• 2 eine Aufsicht auf eine Ausgestaltung eines in dem erfindungsgemäßen Scanner einsetzbaren Empfangssensors.
• In 1 ist ein Scanner 10 dargestellt mit einem Sender 11, der z. B. eine Laserdiode sein kann. Der Sender 11 erzeugt einen gepulsten Sendestrahl 12. Im Strahlengang des Sendestrahles 12 ist eine Zylinderlinse 13 vorgesehen, die den Sendestrahl 12 zu einem Sendestrahl 120 mit streifenförmigen Querschnitt auffächert. Der aufgefächerte Sendestrahl 120 trifft auf einen rotierenden Drehspiegel 14, der den Sendestrahl 120 umlaufend verschwenkt. Der Drehspiegel 14 wird von einem Antrieb 21 um eine Achse 15 rotiert, wobei die jeweiligen Winkelstellungen des Drehspiegels 14 mit einem Winkelcodierer 16 ermittelt werden.
• Der aufgefächerte verschwenkte Sendestrahl 120 kann nun auf nicht dargestellte Objekte treffen, wobei ein streifenförmiger Lichtfleck entsteht, der von einer in Richtung des Sendestrahls 120 blickenden Empfangseinrichtung 19 durch eine Sammellinse 18 auf einen drehfest angeordneten flächigen Empfangssensor 22 abgebildet wird.
• Wesentlich an der gezeigten Konstuktion ist, daß die Zylinderlinse 13 drehsynchron mit dem Spiegel 14 über eine Halterung 20 verbunden ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der streifenförmige Sendestrahl 120 während der Drehung des Spiegels 14 seine Ausrichtung beibehält.
• Wie oben bereits angesprochen, erzeugt die Empfangseinrichtung 19 eine in aller Regel streifenförmige 17 auf dem Empfangssensor 22, wobei die 17 mit dem Drehspiegel 14 rotiert. Um diese streifenförmige 17 in allen den unterschiedlichen Winkelpositionen des Spiegels 14 befriedigend und in konstruktiv einfacher Weise auswerten zu können, ist vorgesehen, daß der Empfangssensor 22 mehrere Empfangsfelder aufweist, die jeweils Längenbereichen 120a, b, c des streifenförmigen Querschnitts des Sendestrahls 120 und definierten Schwenkwinkelbereichen zugeordnet sind.
• Der Empfangssensor 22 gemäß 2 weist in diesem Zusammenhang ein inneres zentrales, kreisförmiges Empfangsfeld 30 und zwei teilringförmige Empfangsfelder 31a und 31b auf, die jeweils einen Winkel von 180° überspannen und zusammen das innere kreisförmige Segment 30 in Form eines konzentrischen Ringes umgeben. In der gezeigten Ausführung sitzt das zentrale kreisförmige 30 mittig in der Empfangseinrichtung 19 und der umgebende, aus den zwei Empfangsfeldern 31a und 31b aufgebaute Ring besitzt ein konstanten Radius.
• In der gezeigten Ausführung ist das mittlere zentrale Empfangsfeld dem Längenbereich 120b des Sendestrahls 120 über den gesamten Verschwenkbereich (360°) des Sendestrahls 120 zugeordnet. Die Empfangsfelder 31a, b sind jeweils abwechselnd den Längenbereichen 120a oder 120c zugeordnet, wobei ein Wechsel alle 180° bezogen auf die Verschwenkung des Sendestrahls 120 stattfindet.
• Mit der gezeigten Ausführung erreicht man in konstruktiv besonders einfacher Weise, daß von der Empfangseinrichtung 19 beobachte Sendestrahlen 120 in allen Verschwenkwinkeln in drei Längenbereiche aufgelöst werden können.
• In Verbindung mit den Daten aus dem Winkelcodierer 16 kann mit dem gezeigten Scanner ein räumliches Profil von Objekten erstellt werden.

Claims (7)

1. Scanner für die optische Objekterfassung mit einem Sender, der einen gepulsten Sendestrahl über eine rotierende Lichtumlenkeinrichtung umlaufend verschwenkt aussendet und mit einer Empfangseinrichtung, die über die Lichtumlenkeinrichtung in Richtung des Sendestrahls blickt und bei Auftreffen des Sendestrahls auf Objekte entstehende Lichtflecken auf einen lichtempfindlichen Empfangssensor abbildet, dadurch gekennzeich net, daß im Strahlengang des Sendestrahles (12) eine optische Einrichtung (13) vorgesehen ist, die den Sendestrahl (12) zu einem Sendestrahl mit einem streifenförmigen Querschnitt (120) auffächert, wobei die optische Einrichtung (13) drehsynchron mit der Lichtumlenkeinrichtung (14) gekoppelt ist, und daß die Empfangseinrichtung (19) einen flächigen Empfangssensor (22) mit meheren separaten Empfangsfeldern (30, 31a, 31b) aufweist, die jeweils in definierten Winkelstellungen der Lichtumlenkeinrichtung definierten Längenabschnitten (120a, b, c) des streifenförmigen Sendestrahlquerschnitts (120) zugeordnet sind.
2. Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (19) drehfest ist.
3. Scanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (19) ein zentrales kreisförmiges Empfangsfeld (30) und mindestens zwei ringförmige Empfangsfelder (31a und 31b) aufweist, die jeweils höchstens einen Winkel von 180° überspannen und zusammen das kreisförmige Empfangsfeld (30) in Form eines konzentrischen Rings mit konstanter Breite umgeben.
4. Scanner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (19) weitere teilringförmige Empfangsfelder aufweist, die nach in Form von weiteren konzentrischen Ringen angeordnet sind.
5. Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtumlenkeinrichtung ein kontinuierlich umlaufender Drehspiegel ist.
6. Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender eine Laserdiode ist.
7. Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (12) eine Zylinderlinse ist.