DE19927501A1 - Sendeeinrichtung für einen Laserscanner - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sendeeinrichtung für einen Laserscanner mit mindestens einer Laserlichtquelle (1) zur Erzeugung von mindestens einem Laserlichtstrahlenbündel (4), wobei das Laserlichtstrahlenbündel (4) rotierend abgestrahlt wird. Erfindungsgemäß wird bei beibehaltener Augensicherheit die Empfindlichkeit und Auflösung eines Laserscanners dadurch verbessert, daß die Sendeeinrichtung ein Laserlichtstrahlenbündel (4) mit vertikal aufgeweitetem Strahlprofil aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sendeeinrichtung für einen Laserscanner mit mindestens einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von mindestens einem Laserlichtstrahlenbündel, wobei das Laserlichtstrahlenbündel rotierend abgestrahlt wird.

Eine derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Sendeeinrichtung für einen Laser­ scanner ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Diese bekannte Sendeeinrichtung weist eine Laserlichtquelle 1 auf, die über eine Sendelinse 2 auf einen Drehspiegel 3 abgebildet wird, wobei dann von dem Drehspiegel 3 das Laserlichtstrahlenbündel 4 abgestrahlt wird. Durch die Rotation des Drehspiegels 3 wird das Laserlichtstrahlenbündel 4 rotierend ab­ gestrahlt. Der Drehspiegel 3 wird dabei von einem Motor 5 in Drehung versetzt. Die Win­ kelstellung des Drehspiegels 3 wird über einen Sensor 6 und ein auf einer Welle 7 des Drehspiegels 3 angeordnetes Coderad 8 erfaßt.

Das rotierend abgestrahlte Laserlichtstrahlenbündel 4 wird an Gegenständen in der Um­ gebung beispielsweise eines Kraftfahrzeuges reflektiert und von dem Drehspiegel 3 über eine Empfangslinse 9 auf eine Empfangsdiode 10 abgebildet. Das hierbei erfaßte Sichtfeld des bekannten Laserscanners umfaßt die Projektion der Fläche des Drehspiegels in Sen­ derichtung abzüglich des durch die Laserlichtquelle 1 und die Sendelinse 2 abgedeckten Mittelbereiches der Empfangslinse 9.

Problematisch ist bei der bekannten Sendeeinrichtung für einen Laserscanner, daß die Lichtstärke des abgestrahlten Laserlichtstrahlenbündels mit kreisförmigem Querschnitt aus Gründen der Augensicherheit nicht weiter erhöht werden kann, so daß die Reichweite bzw. Empfindlichkeit des Laserscanners nicht durch eine Erhöhung der Lichtstärke ver­ bessert werden kann, da der Querschnitt des Laserlichtstrahlenbündels nicht beliebig ver­ größert werden kann - ein größerer Querschnitt würde nämlich zu Lasten des Empfangs­ querschnitts gehen.

Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, eine Sendeeinrichtung für einen Laserscanner zur Verfügung zu stellen, mit der bei gewährleisteter Augensicherheit und möglichst unverändertem oder verbessertem Empfangsquerschnitt eine höhere Lichtstärke und damit eine verbesserte Empfindlichkeit zu gewährleisten ist.

Erfindungsgemäß ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, daß das Laserlichtstrahlenbündel ein vertikal aufgeweitetes Strahlprofil aufweist, das vorzugs­ weise strichförmig ausgebildet ist. Zur Sicherstellung der Augensicherheit einer Laser­ lichtquelle wird die Energieeinstrahlung auf eine kreisförmige Fläche eines Durchmessers gemessen, der im wesentlichen dem Durchmesser der menschlichen Augenpupille ent­ spricht. Durch die vertikale Aufweitung des Strahlprofils ist eine höhere Lichtstärke bei gleichbleibender Augensicherheit und damit höhere Reichweite bzw. bessere Empfind­ lichkeit eines Laserscanners mit der erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung gewährleistet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Laserlichtstrahlenbündel in vertikaler Richtung Abmessungen deutlich über 7 mm auf. Durch diese in vertikaler Richtung deut­ lich größeren Abmessungen des Laserlichtstrahlenbündels ist gewährleistet, daß insge­ samt eine höhere Lichtleistung abgestrahlt werden kann, ohne die Augensicherheit zu gefährden. Diese höhere Lichtleistung führt wiederum zu einer Verbesserung der Reich­ weite eines Laserscanners.

Dadurch, daß gemäß einer alternativen oder kumulativen Ausgestaltung der soeben be­ schriebenen Maßnahme das Laserlichtstrahlenbündel in horizontaler Richtung Abmes­ sungen deutlich unter 7 mm aufweist ist gewährleistet, daß bei gleicher Lichtleistung eine höhere Auflösung in horizontaler Richtung bei vergrößertem Empfangsquerschnitt erzielt wird.

Ein Laserlichtstrahlenbündel mit einem erfindungsgemäß vertikal aufgeweiteten Strahlpro­ fil wird besonders vorteilhaft dadurch hergestellt, daß eine Mehrzahl von Laserlichtquellen in Richtung der Rotationsachse des Laserlichtstrahlenbündels nebeneinander angeordnet sind und die Laserlichtquellen um die Rotationsachse rotieren. Hierdurch wird ein Licht­ streifen erzeugt, der bei gewährleisteter Augensicherheit eine höhere Reichweite und eine verbesserte horizontale Auflösung ermöglicht.

Die Anordnung einer Mehrzahl von Laserlichtquellen nebeneinander läßt sich dadurch besonders einfach herstellen, daß die Laserlichtquellen als separate Laserdioden oder Enden von Lichtwellenleitern ausgebildet sind.

Eine gezielte Variation des Abstrahlwinkels des Laserlichtstrahlenbündels dadurch, daß die optischen Hauptachsen der Laserlichtquellen einen Winkel abweichend von 0° ein­ schließen, führt zu einem größeren vertikalen Abtastbereich, der insbesondere beim Ein­ satz von Laserscannern im Fahrzeugbau gewünscht ist, um den Einfluß von Nickbewe­ gungen des Fahrzeugs zu minimieren.

Die aus dem Stand der Technik bekannte Sendeeinrichtung ist über die beschriebenen Probleme hinaus dahingehend problematisch, daß aufgrund des relativ großen Abstands zwischen der Laserlichtquelle und der inneren bzw. äußeren Oberfläche eines transpa­ renten Gehäuses bei Verschmutzungen des Gehäuses hohe Reflektionsanteile entstehen. Diese Reflektionsanteile werden gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch stark reduziert, daß die Laserlichtquellen in geringem Abstand zu der inneren Oberfläche eines transparenten Gehäuses angeordnet sind.

Alternativ zu der beschriebenen Nebeneinanderanordnung von Laserlichtquellen kann ein Laserlichtstrahlenbündel mit einem erfindungsgemäß vertikal aufgeweitetem Strahlprofil auch dadurch hergestellt werden, daß die Laserlichtquelle einen in einem Laserlichtstrahl angeordneten Parabolspiegel und eine das vom Parabolspiegel reflektierte Laserlicht par­ allelisierende Prismenstruktur aufweist.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Sendeeinrichtung für einen Laserscanner auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird beispielsweise ver­ wiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche ande­ rerseits auf die Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt Fig. 2 eine Seitenansicht eines Laserscanners mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Laserscanners mit einem zweiten Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung,

Fig. 4 eine Vorderansicht eines Laserscanners mit dem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfin­ dungsgemäßen Sendeeinrichtung für einen Laserscanner,

Fig. 6 eine Seitenansicht eines Laserscanners mit einem vierten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung.

Bei den in den Fig. 2 bis 6 dargestellten Laserscannern, die verschiedene Ausführungs­ beispiele für eine erfindungsgemäße Sendeeinrichtung aufweisen, werden für überein­ stimmende Bauteile die bereits in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen verwendet.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sendeeinrichtung für einen Laserscanner mit insgesamt sieben Laserlichtquellen 1 zur Erzeugung eines rotierend abgestrahlten, hier nicht ausdrücklich dargestellten Laserlichtstrahlenbündels. Dadurch, daß bei diesem ersten Ausführungsbeispiel insgesamt sieben Laserlichtquellen der Rotationsachse der Welle 7 und damit des Laserlichtstrahlenbündels nebeneinander angeordnet sind wird erfindungsgemäß ein vertikal aufgeweitetes Strahlprofil des Laserlichtstrahlenbündels erzielt. Die Laserlichtquellen 1, hier als Laserdioden ausgebildet, sind an einer Fahne 11 angebracht. Die Fahne 11 stützt sich wiederum am oberen Rand des Drehspiegels 3 und etwa in der Mitte der Welle 7 ab.

Dadurch, daß die Laserlichtquelle nicht auf der Rotationsachse des Drehspiegels ange­ ordnet ist, ist es möglich, die Welle 7 über die gesamte Höhe des Laserscanners zu er­ strecken, so daß für die Welle 7 zwei Lagerpunkte, einerseits der Motor 5 andererseits ein gesondertes Lager 12, zur Verfügung stehen.

Anders als bei dem bekannten Stand der Technik, ist bei dem in Fig. 2 dargestellten La­ serscanner keine Empfangslinse sondern ein Parabolspiegel zur Abbildung des aus der Umgebung und vom Drehspiegel 3 reflektierten Lichts vorgesehen. Dieser feststehende Parabolspiegel 13 bildet beim dargestellten Ausführungsbeispiel das reflektierte Licht auf einen zweiten Parabolspiegel 14 ab, der schließlich die Abbildung auf die Empfangsdiode 10 vollzieht.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Laserlichtquellen 1 an der Fahne 11 in geringem Abstand zur inneren Oberfläche des transparenten Gehäuses 15 angeordnet, so daß auch bei Verschmutzung der Außenseite des transparenten Gehäu­ ses 15 geringe Reflektionen des gesendeten Laserlichts erfolgen. Zur verbesserten Bündelung des von den als Laserdioden ausgebildeten Laserlichtquellen imitierten Lichts kann das emittierte Laserlicht noch durch Kugellinsen oder sogenannte selbstfokussierende Linsen, nicht im einzelnen dargestellt, gebündelt werden.

Die als Laserdioden ausgebildeten Laserlichtquellen 1 des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung werden über zumindest teilweise in der Welle 7 verlaufende elektrische Verbindungen 16 mit elektrischer Energie versorgt.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung für Laserscanner dargestellt, bei dem wiederum sieben als Enden von Lichtwellenleitern 17 ausgeführte Laserlichtquellen 1 in Richtung der Rotationsachse der Welle 7 nebenein­ ander angeordnet sind. Die Lichtwellenleiter 17 werden vor dem Drehspiegel 3 gebündelt und durch den Drehspiegel 3 hindurch in die hohl ausgeführte Welle 7 geführt und enden am unteren Ende 18 der Welle 7. In diese Enden der Lichtwellenleiter 17 wird von einer zentralen, feststehenden Laserdiode 19 Laserlicht eingespeist.

Auch bei dem in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind die Enden der Lichtwellenleiter 17 an einer Fahne 11 befestigt, die bei diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig die Empfangsdiode 10 trägt.

In Fig. 4 ist der Laserscanner mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Sendeeinrichtung in einer Vorderansicht gezeigt, aus der die Anordnung der La­ serlichtquellen 1 in Richtung der Rotationsachse des Laserlichtstrahlenbündels nebenein­ ander nochmals besonders deutlich wird.

Die Ausführung der Laserlichtquellen 1 bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel als Laserdioden bzw. Enden von Lichtwellenleitern ist ohne weiteres wechselweise aus­ tauschbar.

Bei dem in Fig. 5 schematisch dargestellten dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Sendeeinrichtung für einen Laserscanner ist innerhalb der Welle 7 ein Licht­ wellenleiter 20 angeordnet, der über eine selbstfokussierende Linse 21 - auch als "Selfoc- Linse" bezeichnet - Laserlicht auf einen außenverspiegelten Parabolspiegel 22 leitet, der dieses Laserlicht auf einen Winkel von etwa 90° aufgefächert rotierend abstrahlt. Dieser aufgefächerte Strahl wird anschließend von einer Prismenanordnung 23 wieder paralleli­ siert, wobei die Prismenanordnung 23 beispielsweise in ihren äußeren Bereichen 23, 24 kleine Reflektoren, in ihren mittleren Bereichen 26, 27 Prismen und ihrem inneren Bereich 28 Fresnelstrukturen aufweist.

Fig. 6 zeigt schließlich ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sende­ einrichtung, daß sich von den bisher beschriebenen Sendeeinrichtungen dadurch unter­ scheidet, daß zwei, nicht im einzelnen dargestellte Laserlichtstrahlenbündel von zwei An­ ordnungen von Laserlichtquellen 1 erzeugt werden. Beide Laserlichtstrahlenbündel stehen bei dem dargestellten vierten Ausführungsbeispiel in einem Winkel von 180° zueinander. Die Anordnung der Laserlichtquellen erfolgt, wie bei dem ersten und zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel derart, daß diese in einer Mehrzahl in Richtung der Rotationsachse des La­ serlichtstrahlenbündels nebeneinander angeordnet sind und daß die Laserlichtquellen 1 um die Rotationsachse rotieren.

Bei dem vierten Ausführungsbeispiel wird das von Gegenständen in der Umgebung des Laserscanners reflektierte Licht von einem beidseitig verspiegelten Drehspiegel 3 auf je­ weils einen Parabolspiegel 13 und anschließend eine Empfangsdiode 10 abgebildet. Die­ se Ausgestaltung des vierten Ausführungsbeispiels ermöglicht bei gleicher Umdrehungs­ geschwindigkeit des Drehspiegels 3 eine doppelte Abtastrate des Laserscanners.

Claims (8)

1. Sendeeinrichtung für einen Laserscanner mit mindestens einer Laserlichtquelle (1) zur Erzeugung von mindestens einem Laserlichtstrahlenbündel (4), wobei das La­ serlichtstrahlenbündel (4) rotierend abgestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlichtstrahlenbündel (4) ein vertikal aufgeweitetes Strahlprofil aufweist.

2. Sendeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlichtstrahlenbündel (4) ein im wesentlichen strichförmiges Strahlenprofil aufweist.

3. Sendeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlichtstrahlenbündel (4) in vertikaler Richtung Abmessungen deutlich über dem Durchmesser der menschlichen Augenpupille aufweist.

4. Sendeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Laserlichtquellen (1) in Richtung der Rotationsebene der Rotati­ onsachse des Laserlichtstrahlenbündels (4) nebeneinander angeordnet sind und die Laserlichtquellen (1) um die Rotationsachse rotieren.

5. Sendeeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquellen als separate Laserdioden oder Enden von Lichtwellenleitern ausgebildet sind.

6. Sendeeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Hauptachsen der Laserlichtquellen (1) einen Winkel abweichend von 0° einschließen.

7. Sendeeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquellen (1) in geringem Abstand zu der inneren Oberfläche eines transparenten Gehäuses (15) angeordnet sind.

8. Sendeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle (1) einen in einem Laserlichtstrahl angeordneten Parabolspiegel (22) und eine das vom Parabolspiegel (22) reflektierte Laserlicht parallelisierende Prismenstruktur (23) aufweist.