DE19928957A1 - Empfangseinrichtung für einen Laserscanner - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Empfangseinrichtung für einen Laserscanner mit einem Drehspiegel (3), mindestens einem Fokussierelement und mindestens einem Laserlichtempfänger (7), wobei der Drehspiegel (3) ein reflektiertes Laserlichtstrahlenbündel auf das Fokussierelement wirft und das Fokussierelement das Laserlichtstrahlenbündel auf den Laserlichtempfänger (7) bündelt. Erfindungsgemäß wird der benötigte Bauraum für einen Laserscanner dadurch verringert, daß die Empfangseinrichtung als Fokussierelement einen Hohlspiegel (12) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Empfangseinrichtung für einen Laserscanner mit einem Dreh­ spiegel, mindestens einem Fokussierelement und mindestens einem Laserlichtempfänger, wobei der Drehspiegel ein reflektiertes Laserlichtstrahlenbündel auf das Fokussierelement wirft und das Fokussierelement das Laserlichtstrahlenbündel auf den Laserlichtempfänger bündelt.

Eine derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Empfangseinrichtung für einen La­ serscanner ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Dieser bekannte Laserscanner weist zur Abstrahlung des Laserlichts zunächst eine Sendeeinrichtung bestehend aus einer Laserlichtquelle 1, einer Sendelinse 2 und einem Drehspiegel 3 auf. Von dieser Sendeein­ richtung wird ein Sendelaserlichtstrahlenbündel 4 rotierend abgestrahlt. Das an einem Gegenstand in der Umgebung des Laserscanners reflektierte Laserlicht fällt zumindest teilweise in einem Empfangslaserlichtstrahlenbündel 5 zurück auf den Drehspiegel 3 und wird von diesem Drehspiegel 3 auf ein als eine Empfangslinse 6 ausgebildetes Fokus­ sierelement geworfen. Die Empfangslinse 6 fokussiert das Empfangslaserlichtstrahlen­ bündel auf einen als Photodiode 7 ausgebildeten Laserlichtempfänger. Das Ausgangs­ signal dieser Photodiode 7 wird anschließend von einer Elektronik ausgewertet, um die gewünschten Informationen über Gegenstände in der Umgebung des Laserscanners zu gewinnen.

Der Drehspiegel 3 wird bei dem bekannten, in Fig. 1 dargestellten Laserscanner von ei­ nem Motor 8 in Rotation versetzt. Die Winkelstellung des Drehspiegels 3 wird dabei von einem Sensor 9 überwacht, der die Stellung eines Coderades 10 detektiert. Die Verbin­ dung zwischen dem Motor 8 und dem Drehspiegel 3 wird über eine Welle 11 hergestellt.

Bei dieser bekannten Empfangseinrichtung für einen Laserscanner ist problematisch, daß mit der hier verwendeten Empfangslinse 6 eine relativ hohe Brennweite und damit ein verlängerter Bauraum verbunden ist. Dieser Bauraum ist jedoch insbesondere in Kraft­ fahrzeugen, in denen die beschriebenen Laserscanner zur Abtastung der Umgebung vor­ wiegend eingesetzt werden, im Hinblick auf eine optimale Integration problematisch.

Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfrn­ dung die Aufgabe zugrunde, eine Empfangseinrichtung für einen Laserscanner zur Verfü­ gung zu stellen, mit der der von dieser Empfangseinrichtung in Anspruch genommene Bauraum deutlich reduziert ist.

Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist nach einer ersten Lehre der Erfindung dadurch gelöst, daß das Fokussierelement als Hohlspiegel ausgebildet ist. Einerseits las­ sen sich mit Hohlspiegeln relativ unproblematisch kürzere Brennweiten erzeugen und an­ dererseits nutzt der Hohlspiegel den optischen Empfangsweg gleichzeitig zur Fokussie­ rung. Beide Eigenschaften des Hohlspiegels führen im Ergebnis zu der erwünschten ver­ kürzten Baufänge.

Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, nach der der Hohlspiegel als Parabolspiegel ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines Parabolspiegels ist sichergestellt, daß alle achsenparallel einfallenden reflektierten Laserlichtstrahlen unabhängig von ihrem Ach­ senabstand in einem gemeinsamen Brennpunkt vereinigt werden.

Um zu gewährleisten, daß von dem vom Drehspiegel reflektierten Empfangslaserlicht­ strahlenbündel ein möglichst geringer Anteil durch die Abschattung eines Laserlichtemp­ fängers verloren geht, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der ersten Lehre der Erfin­ dung die optische Achse des Parabolspiegels in den Bereich der Projektion des Umfangs des Drehspiegels in Richtung der Drehachse verlegt. Hierdurch ist es möglich, den Laser­ lichtempfänger in etwa auf dem Projektionszylinder des Umfangs des Drehspiegels in Richtung der Drehachse, insbesondere knapp außerhalb dieses Projektionszylinders an­ zuordnen, so daß eine nur geringe oder keine Abschattung vorhanden ist. Gleichzeitig ist es mit dieser Ausgestaltung gewährleistet, daß eine Laserlichtquelle auf der Drehachse des Drehspiegels angeordnet werden könnte.

Dadurch, daß ein zweites Fokussierelement auf der optischen Hauptachse des Hohlspie­ gels angeordnet ist, wird es ermöglicht, den Laserlichtempfänger an einem im Hinblick auf den elektrischen Anschluß und die Abschattung optimalen Ort im Laserscanner anzuord­ nen.

Wird zweite Fokussierelement als Spiegel, insbesondere als Parabolspiegel ausgebildet, so wird die Anordnung des Laserlichtempfängers am Fußpunkt des Parabolspiegels er­ möglicht, was im Hinblick auf die Ausnutzung des Bauraumes und eine einfache Montage von Vorteil ist.

Gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung ist die bekannte Empfangseinrichtung für einen Laserscanner dadurch weitergebildet, daß der Drehspiegel beidseitig verspiegelt ist und der zweiten verspiegelten Seite des Drehspiegels mindestens ein Fokussierelement und ein Laserlichtempfänger zugeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung des Drehspiegels und die zusätzliche Anordnung eines zweiten Fokussierelementes bzw. eines zweiten Laser­ lichtempfängers ist gewährleistet, daß bei jeder Umdrehung des Drehspiegels nicht wie bei dem bekannten Laserscanner eine einzelne Abtastung der Gegenstände in der Um­ gebung des Laserscanners erfolgt, sondern zwei Abtastungen durch in einem Abstand von 180° abgestrahlte und empfangene Laserlichtstrahlenbündel möglich wird. Hierdurch ergibt sich bei gleicher Umdrehungszahl eine verbesserte zeitliche Auslösung der Abta­ stung bei nur geringfügig vergrößerter Bauhöhe.

Auch bei einer Empfangseinrichtung für einen Laserscanner nach der zweiten Lehre der Erfindung führen die Maßnahmen nach der ersten Lehre der Erfindung zu den in bezug auf die erste Lehre der Erfindung beschriebenen Vorteilen.

Darüber hinaus erfährt die zweite Lehre der Erfindung eine vorteilhafte Ausgestaltung da­ durch, daß die beiden verspiegelten Seiten des Drehspiegels gegenüber der Drehachse unterschiedlich geneigt sind. Durch diese unterschiedliche Neigung ergibt sich bei einer vertikal orientierten Drehachse ein vertikal abweichender Abtastbereich für beide Laser­ lichtstrahlenbündel. Dies ist insbesondere beim Einsatz von Laserscannern in Kraftfahr­ zeugen gewünscht, da durch diesen unterschiedlichen vertikalen Abtastbereich ein ver­ besserter Ausgleich von Nickbewegungen des Kraftfahrzeuges erfolgen kann.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten die erfindungsgemäße Empfangseinrichtung für einen Laserscanner auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird beispielsweise einerseits verwiesen auf die den Patentansprüchen 1 und 6 nachgeordneten Patentan­ sprüche andererseits auf die Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele in Ver­ bindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Laserscanners mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Empfangseinrichtung nach der ersten Lehre der Erfindung,

Fig. 3 eine Vorderansicht eines Laserscanners mit dem ersten Ausführungsbeispiel einer Empfangseinrichtung nach der ersten Lehre der Erfindung,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Laserscanners mit einem zweiten Ausführungsbei­ spiel einer Empfangseinrichtung nach der ersten Lehre der Erfindung und

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Laserscanners mit einem Ausführungsbeispiel einer Empfangseinrichtung nach der zweiten Lehre der Erfindung.

Bei den in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Laserscannern, die verschiedene Ausführungs­ beispiele für eine erfindungsgemäße Empfangseinrichtung aufweisen, werden für überein­ stimmende Bauteile die bereits in Fig. 1 eingeführten Bezugszeichen verwendet.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Empfangseinrichtung für einen Laser­ scanner nach der ersten Lehre der Erfindung mit einem Drehspiegel 3, einem erfindungs­ gemäß als Parabolspiegel 12 ausgebildeten Fokussierelement und einem als Photodiode 7 ausgebildeten Laserlichtempfänger. Der Drehspiegel 3 wirft ein reflektiertes Empfangs­ laserlichtstrahlenbündel 5 auf den Parabolspiegel 12, der das Laserlichtstrahlenbündel auf die Photodiode 7 bündelt.

Das in Fig. 2 nicht gesondert dargestellte Sendelaserlichtstrahlenbündel wird bei diesem Ausführungsbeispiel von insgesamt sieben Laserlichtquellen 1 erzeugt, die an einer Fah­ ne 13 angebracht sind. Die Fahne 13 stützt sich am oberen Rand des Drehspiegels 3 und etwa in der Mitte der Welle 11 ab. Die Laserlichtquellen 1 können hierbei als Enden von Lichtwellenleitern, wie in Fig. 2 dargestellt, oder als Photodioden ausgebildet sein. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird das Laserlicht von einer feststehenden Laserdiode 15 in in der Welle 11 geführte Lichtwellenleiter 14 eingestrahlt. Das Lichtwellenleiterbündel wird im oberen Bereich des Laserscanners aus der Welle 11 hinaus durch den Drehspie­ gel 3 hindurch zur Fahne 13 geführt.

Durch die Verwendung einer Vielzahl linear angeordneter Laserlichtquellen 1 ist bei ge­ währleisteter Augensicherheit die Abstrahlung einer insgesamt höheren Lichtleistung möglich.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Parabolspiegel 12 als "halber" Parabolspiegel ausgestaltet, dessen optische Achse in etwa auf der Projektion des Um­ fangs des Drehspiegels 3 in Richtung der Drehachse liegt. Entsprechend ist die Photo­ diode 7 im Bereich der Projektion des Umfangs des Drehspiegels in Richtung der Dreh­ achse ortsfest angeordnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die optische Achse des Parabolspiegels 72 etwas außerhalb der Projektion des Drehspiegels 3, so daß auch der Brennpunkt des Parabolspiegels 3 außerhalb dieser Projektion liegt was wiederum dazu führt, daß auch die Photodiode 7 außerhalb dieser Projektion anzu­ ordnen ist, wodurch eine Abschattung des Empfangslaserlichtstrahlenbündels vor dem Parabolspiegel 12 vollständig vermieden wird.

Dadurch, daß sowohl die Sendeeinrichtung als auch die Empfangseinrichtung bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines Laserscanners gemäß der ersten Lehre der Er­ findung außerhalb der Rotationsachse des Drehspiegels angeordnet sind, ergibt sich die bei dem dargestellten ersten Ausführungsbeispiel verwirklichte Möglichkeit, die Welle 11 durch den Parabolspiegel 12 hindurch zu verlängern, wodurch der Motor 8 bei dem dar­ gestellten Ausführungsbeispiel unterhalb des Parabolspiegels angeordnet werden kann, wobei gleichzeitig die Welle 11 oberhalb des Drehspiegels 3 sich in einem gesonderten Lager 16 abstützt. Durch die Anordnung des Motors 8 unterhalb des Parabolspiegels 12 ergibt sich eine vereinfachte Montage, da sämtliche elektrischen Bauteile nunmehr nur noch auf einer Seite des Laserscanners angeordnet sind.

Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Empfangseinrichtung für einen Laserscanner. Aus dieser Vorderansicht wird insbesonde­ re die erfindungsgemäß geringe Bauhöhe des Laserscanners ersichtlich, die durch die Verwendung eines Parabolspiegels 12 als Fokussierelement gewährleistet ist. Der Para­ bolspiegel 12 bündelt das vom Drehspiegel 3 reflektierte Licht in Einfallrichtung auf die Photodiode 7, wodurch im Vergleich zu einer Linse als Fokussierelemente Bauhöhe im Umfang einer Brennweite gewonnen wird. Darüber hinaus läßt sich durch die Verwendung eines Hohlspiegels, insbesondere eines Parabolspiegels 12, eine Anordnung verwirkli­ chen, bei der der Laserlichtempfänger, d. h. die Photodiode 7, außerhalb der Drehachse des Drehspiegels 3 angeordnet ist. Hierdurch ergeben sich die bereits beschriebenen Vorteile im Hinblick auf eine verringerte Abschattung des empfangenen Laserlichtes.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel einer Empfangseinrichtung gemäß der ersten Lehre der Erfindung für einen Laserscanner ist ein zweites Fokus­ sierelement, nämlich ein Parabolspiegel 17 auf der optischen Hauptachse des Parabol­ spiegels 12 angeordnet und bündelt das empfangene Laserlicht auf die im Bereich des Durchstoßpunktes der optischen Hauptachse durch den Parabolspiegel 12 angeordnete Photodiode 7. Durch diese weitere Maßnahme läßt sich eine weitere Konzentration der elektrischen Bauteile im unteren Bereich des Laserscanners gewährleisten, was, wie be­ reits erwähnt, zu einer einfacheren Montage führt.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind darüber hinaus die Laserlichtquellen 1 nicht wie beim ersten Ausführungsbeispiel als Enden von Lichtwellenleitern sondern als sepa­ rate, an der Fahne 13 befestigte Laserdioden ausgeführt. Diese Laserdioden werden über in der Welle 11 geführte elektrische Leitungen 18 mit Energie versorgt. Die Ausführung der Laserlichtquellen als Enden von Lichtwellenleitern oder separate Laserdioden sind bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ohne weiteres austauschbar.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Ausfüh­ rungsbeispiel bei dem sowohl die erste als auch die zweite Lehre der Erfindung verwirk­ licht sind. Gemäß der zweiten Lehre der Erfindung ist der Drehspiegel 3 beidseitig ver­ spiegelt und sind der zweiten verspiegelten Seite des Drehspiegels 3 ein als Parabolspie­ gel 12 ausgeführtes Fokussierelement und ein als Photodiode 7 ausgeführter Laserlicht­ empfänger zugeordnet. Durch die Verwirklichung der zweiten Lehre der Erfindung ergibt sich die Möglichkeit des Sendens und Empfangens zweier rotierender Laserlichtstrahlen­ bündel, die in Drehrichtung um 180° zueinander versetzt sind. Hierdurch verdoppelt sich bei gleicher Drehgeschwindigkeit das zeitliche Auflösungsvermögen eines erfindungsge­ mäß ausgestalteten Laserlichtscanners.

Aus Fig. 5 nicht ohne weiteres erkennbar sind die beiden verspiegelten Flächen des Drehspiegels 3 nicht planparallel zueinander, so daß zwei zur Drehachse des Drehspie­ gels 3 unterschiedlich geneigte Laserlichtstrahlenbündel gesendet und empfangen wer­ den, so daß sich, eine vertikale Ausrichtung der Drehachse vorausgesetzt, vertikal von­ einander unterscheidende Abtastbereiche ergeben, mit Hilfe derer Nickbewegungen von mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Laserscanner ausgestatteten Kraftfahrzeugen ausgeglichen werden können.

Claims (7)

1. Empfangseinrichtung für einen Laserscanner mit einem Drehspiegel (3), mindestens einem Fokussierelement und mindestens einem Laserlichtempfänger (7), wobei der Drehspiegel (3) ein reflektiertes Laserlichtstrahlenbündel auf das Fokussierelement wirft und das Fokussierelement das Laserlichtstrahlenbündel auf den Laserlicht­ empfänger (7) bündelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokussierelement als Hohlspiegel (12) ausgebildet ist.

2. Empfangseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel (12) als Parabolspiegel ausgebildet ist.

3. Empfangseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des Parabolspiegels im Bereich der Projektion des Umfangs des Drehspiegels (3) in Richtung der Drehachse liegt.

4. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Fokussierelement auf der optischen Hauptachse des Hohlspiegels (12) angeordnet ist.

5. Empfangseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Fokussierelement als Spiegel (17), insbesondere als Parabolspiegel, ausgebildet ist.

6. Empfangseinrichtung für einen Laserscanner mit einem Drehspiegel (3), mindestens einem Fokussierelement und mindestens einem Laserlichtempfänger (7), wobei der Drehspiegel (3) ein reflektiertes Laserlichtstrahlenbündel auf das Fokussierelement wirft und das Fokussierelement das Laserlichtstrahlenbündel auf den Laserlicht­ empfänger (7) bündelt, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehspiegel (3) beidseitig verspiegelt ist und der zweiten verspiegelten Seite des Drehspiegels (3) mindestens ein Fokussierelement und ein Laserlichtempfänger (7) zugeordnet ist.

7. Empfangseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verspiegelten Seiten des Drehspiegels (3) gegenüber der Drehachse unterschiedlich geneigt sind.