DE3928562A1

DE3928562A1 - Two=dimensional surface sensing arrangement - has light source, detector with two drives and detector, achieves high signal=to=noise ratio

Info

Publication number: DE3928562A1
Application number: DE19893928562
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl Phys Dr Dumbs; Werner Dipl Phys Dr Schweizer; Reinhard Dipl Phys D Grabowski; Lothar Dipl Phys Unger; Josef Dipl Ing Molnar
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1988-08-30
Filing date: 1989-08-29
Publication date: 1990-03-01

Abstract

The arrangement contains a light source (1), a light deflector (7) with two drives and a detector (22). The illuminating beam and the light scattered back to the detector pass coaxially along an optical axis. The illuminating beam is scanned over the measurement surface (17) by rotating a mirror (6) about two mutually perpendicular axes. The mirror is rotated by the two drives, the first of which is fixed. The second drive can be tilted about a first rotation axis. The second drive produces rapid oscillations about a second axis of rotation and is in the form of a galvanometer displacement device (11). USE/ADVANTAGE - For two-dimensional sensing of a surface. The arrangement exhibits a high signal-to-noise ratio at high frequency independently of the arrangement of the measurement surface.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zwei dimensionalen Abtastung einer Oberfläche mit einer beleuchtenden Lichtquelle, einer zwei Antriebe auf weisenden, zweidimensionalen Lichtablenkeinrichtung und einem Detektor, wobei ein von der beleuchtenden Lichtquelle ausgesandter umgelenkter beleuchtender Lichtstrahl und ein zum Detektor zurückgestreuter Lichtstrahl im wesentlichen koaxial entlang einer optischen Achse verlaufen, die die reflektierende Oberfläche eines einzigen Spiegels der Lichtablenkein richtung in einem festen Raumpunkt trifft, in dem sich seine erste Drehachse mit seiner zweiten Drehachse im wesentlichen rechtwinklig kreuzt, wobei eine Drehung des Spiegels um die erste Drehachse mit Hilfe des ersten Antriebs und um die zweite Drehachse mit Hilfe des zweiten Antriebs den festen Raumpunkt in der reflektierenden Oberfläche des Spiegels beläßt und den beleuchtenden Lichtstrahl zweidimensional über die abzutastende Oberfläche führt sowie den von der abzutastenden Oberfläche von verschiedenen Stellen zurückgestreuten Lichtstrahl in die optische Achse umlenkt, wobei der erste Antrieb raumfest angeordnet ist.The invention relates to a device for two dimensional scanning of a surface with a illuminating light source, one of two drives pointing, two-dimensional light deflection device and a detector, one of the illuminating Light source emitted redirected illuminating Beam of light and a backscattered to the detector Beam of light essentially coaxial along one optical axis that the reflective Surface of a single mirror of light deflection direction meets in a fixed point in space in which its first axis of rotation with its second axis of rotation in essentially crosses at right angles, with a rotation of the mirror around the first axis of rotation using the first drive and around the second axis of rotation with the help of the second drive the fixed point in space reflective surface of the mirror and the illuminating light beam two-dimensionally over the surface to be scanned leads as well as that of the surface to be scanned from different locations backscattered light beam in the optical axis deflects, the first drive being arranged fixed in space is.

Eine derartige Lichtablenkvorrichtung ist aus der DE-OS 32 32 953 bekannt, wobei die Drehung um die beiden sich rechtwinklig in der Spiegeloberfläche kreuzenden Drehachsen mit Hilfe von kardanischen Aufhängungen realisiert wird. Durch die Verwendung einer Vielzahl von durch Gestänge verbundenen Lagern tritt nachteiliges Spiel auf, das die Abbildungs eigenschaften der Vorrichtung verschlechtert. Die beschriebene Verwendung von Galvanometer-Verstellern zum Antrieb trifft schon bei Frequenzen von einigen Hertz auf Schwierigkeiten, da bei den vielen gegen einander beweglichen Einzelteilen nicht harmonische, erzwungene Schwingungen auftreten. Das ungleichförmige An- und Abschwellen der Trägheitskräfte führt in Verbindung mit dem Lagerspiel zu einem ungleich förmigen Ablauf der Spiegelbewegung und dadurch zu Ungenauigkeiten in der Abbildung.Such a light deflection device is from the DE-OS 32 32 953 known, the rotation around the both are at right angles in the mirror surface crossing axes of rotation with the help of gimbal Suspensions is realized. By using it a variety of bearings connected by rods adverse game occurs that the pictures properties of the device deteriorated. The described use of galvanometer adjusters to drive already hits at frequencies of a few Hertz on difficulties, as against many mutually movable individual parts not harmonious, forced vibrations occur. The non-uniform Inertia swell and shrink Connection with the camp game to an unequal shaped course of the mirror movement and thereby Inaccuracies in the picture.

Aus der DE-OS 29 20 870 ist bekannt, von einer Ober fläche ausgehende Lichtstrahlen, insbesondere In frarotstrahlen, mit Hilfe von zwei Spiegeln um zwei Achsen auf einen Detektor abzulenken, so daß die Ober fläche zweidimensional abgetastet wird. Ein flacher Spiegel, der um eine zu seiner Spiegeloberfläche parallelen Achse kippbar ist, dient zur Abtastung in einer ersten Richtung. Eine drehbare Polygontrommel ist mit einer Anzahl von Spiegelflächen zur Abtastung in einer zur ersten Richtung rechtwinklig zweiten Richtung versehen.From DE-OS 29 20 870 is known from a waiter outgoing light rays, especially In infrared rays, with the help of two mirrors at two Deflect axes on a detector so that the upper surface is scanned two-dimensionally. A flat one Mirror that is around one to its mirror surface parallel axis is tiltable, is used for scanning in a first direction. A rotating polygon drum is with a number of mirror surfaces for scanning in a second direction perpendicular to the first direction Direction.

Die Trommel rotiert verhältnismäßig schnell und tastet jeweils eine Zeile ab, der flache Spiegel oszilliert langsam und gestattet somit den Zeilenvorschub. Stets wird ein kleines punktförmiges Gebiet der Oberfläche auf dem Detektor abgebildet. The drum rotates relatively quickly and gropes one line each, the flat mirror oscillates slow and thus allows the line feed. Always becomes a small point-like area of the surface imaged on the detector.

Durch das vorgenannte System wird die von der Ober fläche ausgehende Wärmestrahlung erfaßt. Die Bild flächenkrümmungen, die von dem flachen Spiegel, von der Spiegeltrommel und dem zugeordneten Objektivsystem erzeugt werden, verschlechtern die Bildqualität und müssen korrigiert werden.Through the above system, the one from Ober area outgoing heat radiation detected. The picture surface curvatures, from the flat mirror, from the mirror drum and the associated lens system generated, the image quality and deteriorate must be corrected.

Damit ergeben sich eine Vielzahl von Optiken, die den Aufbau der eingangs genannten Einrichtung kompliziert gestalten.This results in a variety of optics that the Structure of the facility mentioned complicated shape.

Eine andere ebenfalls mit einer Polygontrommel und einem ebenen Spiegel arbeitende Vorrichtung zur zweidimensionalen Abtastung einer Oberfläche ist aus DE-OS 28 41 777 bekannt.Another also with a polygon drum and a plane mirror device for two-dimensional scanning of a surface is off DE-OS 28 41 777 known.

In der Zeitschrift "Elektronik" 12 S. 93-98 (1983) sind Einrichtungen zur Laserabstandsmessung beschrieben. Diese weisen zusätzlich zur abbildenden Optik eine kohärente Lichtquelle auf, die die abzutastende Oberfläche beleuchtet. Der in der Nähe der abzutasten den Oberfläche angeordnete Fotovervielfacher als Detektor nimmt das von der Oberfläche zurückgestreute Lichtsignal auf. Dabei ist der Detektor allerdings für die gesamte abzutastende Oberfläche sowie externe Störeinflüsse empfindlich. Dies beeinträchtigt in starker Weise seine Empfindlichkeit.In the magazine "Electronics" 12 pp. 93-98 (1983) Devices for laser distance measurement described. In addition to the imaging optics, these have a coherent light source which is the one to be scanned Illuminated surface. The close to the palpate photo multipliers arranged on the surface as Detector takes the backscattered from the surface Light signal on. The detector is for the entire surface to be scanned and external Interference sensitive. This affects in strong its sensitivity.

Aus der DE-PS 30 44 831 ist schließlich bekannt, eine der vorgenannten Polygontrommeln in einer Lichtablenk vorrichtung so zu verwenden, daß der vom ausgesandten Laserstrahl beleuchtete Oberflächenabschnitt mit dem vom Detektor erfaßten Beleuchtungsfeld im wesentlichen übereinstimmt.From DE-PS 30 44 831 is finally known the aforementioned polygon drums in a light deflection to use the device so that that of the emitted Laser beam illuminated surface section with the Illumination field detected by the detector essentially matches.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur zweidimensionalen Abtastung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein hohes, von der speziellen Anordnung der abzutastenden Oberfläche unabhängiges Signal-/Rauschverhältnis bei 2-dimensionaler Abtastung mit hoher Frequenz aufweist.Based on this state of the art Invention, the object of a device for two-dimensional scanning of the aforementioned Kind of creating a high, of the special Arrangement of the surface to be scanned independently Signal / noise ratio with 2-dimensional scanning with high frequency.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.This object is achieved by the kenn Drawing features of the main claim solved.

Dadurch, daß der zweite Antrieb um die erste Drehachse verkippbar angeordnet ist und daß der schnelle Schwin gungen um die zweite Drehachse erzeugende zweite Antrieb ein Galvanometer-Versteller ist, ist eine reproduzierbare, schnelle zweidimensionale Abtastung einer Szene möglich. Der erste, raumfeste Antrieb dreht den zweiten Antrieb und das zugehörige Antriebs gestänge in einer langsamen Schwingung um die erste Drehachse. Der zweite Antrieb, dessen Drehachse um die erste Drehachse mitkippt, gestattet das Ausführen von Schwingungen des leichten, einzigen Spiegels um die zweite Drehachse mit einer hohen Frequenz. Dadurch wird eine Szene schnell zeilenweise abgetastet, während der Zeilenvorschub durch den langsamen ersten Antrieb gewährleistet wird. Because the second drive about the first axis of rotation is arranged tiltable and that the fast swine conditions around the second axis of rotation generating second Drive is a galvanometer stage is one reproducible, fast two-dimensional scanning possible of a scene. The first, fixed drive turns the second drive and the associated drive rods in a slow vibration around the first Axis of rotation. The second drive, whose axis of rotation around the tilting the first axis of rotation allows the execution of Vibrations of the light, single mirror around second axis of rotation with a high frequency. Thereby a scene is quickly scanned line by line, during the line feed through the slow first Drive is guaranteed.

Es sind lediglich zwei Lagerpaare erforderlich, von denen eines mit dem Lagerpaar eines der beiden An triebe identisch ist.Only two pairs of bearings are required, by which one with the bearing pair one of the two An shoots is identical.

Bei Verwendung eines kreisförmigen, dünnen Spiegels, der auf einem einseitig eingespannten Drehstab des Galvanometer-Verstellers befestigt ist, wobei eine Gerade in der Spiegeloberfläche im wesentlichen mit der zweiten Drehachse übereinstimmt, liegt ein sehr geringes Trägheitsmoment vor, das eine hohe Schwing frequenz von mehr als 100 Hertz für die Kippschwin gungen um die zweite Drehachse gestattet.When using a circular, thin mirror, the on a one-sided clamp of the Galvanometer adjuster is attached, one Especially in the mirror surface the second axis of rotation coincides with a very low moment of inertia before that a high vibration frequency of more than 100 Hertz for the Kippschwin allowed around the second axis of rotation.

Bei der Verwendung eines in Resonanz betriebenen Galvanometer-Verstellers entsteht in Einheit mit dem verwendeten Spiegel eine harmonische erzwungene Schwingbewegung, die sicher reproduzierbar ist.When using a resonance powered Galvanometer adjuster is created in unity with the used mirrors a harmonious forced Swinging movement that is reliably reproducible.

Die Anordnung eines Photodetektors am Rande der durch den beleuchtenden Strahl abzutastenden Oberfläche ge stattet die einfache Synchronisierung aufeinander folgender Abtastungen der Szene.The arrangement of a photodetector on the edge of the the illuminating beam to be scanned surface enables simple synchronization with each other following scans of the scene.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further embodiments of the invention are the subject of subclaims.

Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Below are three embodiments of the Invention explained with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 die schematische perspektivische Seiten ansicht einer Vorrichtung zur optischen Abtastung einer Szene gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 1 is a schematic elevational side view of an apparatus for optically scanning a scene according to a first embodiment,

Fig. 2 eine ebene abzutastende Oberfläche mit dem Mittelstrahl des die Oberfläche beleuchten den Lichtstrahls und Fig. 2 is a flat surface to be scanned with the center beam of the surface illuminate the light beam and

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Planspiegels der Vorrichtung zur optischen Abtastung einer Szene, Fig. 3 is a side view of a plane mirror of the apparatus for optically scanning a scene,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Planspiegel nach Fig. 3, Fig. 4 is a plan view of the flat mirror of FIG. 3,

Fig. 5 die schematische perspektivische Ansicht eines Antriebs einer Spiegelhalterung der Vorrichtung zur Abtastung einer Szene gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und Fig. 5 is a schematic perspective view of a drive of a mirror mount the device for scanning a scene according to a second embodiment and

Fig. 6 die schematische perspektivische Ansicht eines Antriebs einer Spiegelhalterung der Vorrichtung zur Abtastung einer Szene gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Fig. 6 is a schematic perspective view of a drive of a mirror holder of the device for scanning a scene according to a third embodiment.

Die Fig. 1 zeigt schematisch in einer perspek tivischen Seitenansicht eine Vorrichtung zur optischen Abtastung einer Szene gemäß einem ersten Ausführungs beispiel der Erfindung. Fig. 1 shows schematically in a perspective side view of a device for optically scanning a scene according to a first embodiment of the invention.

Die Vorrichtung verfügt über einen Laser 1 als Strah lungsquelle. Der raumfeste Laser 1, dem eine nicht gezeichnete Umlenk-, Aufweitungs- oder Justieroptik oder eine optische Diode vorgeschaltet sein kann, sendet einen schmalen Laserstrahl 2 aus, der einen kleinen, ortsfesten, aber justierbaren Einkoppel spiegel 3 in seinem Schnittpunkt mit einer optischen Achse 4 beaufschlagt. Der Einkoppelspiegel 3 verfügt über eine möglichst kleine, den schmalen Laserstrahl 2 gerade noch in seiner Gänze reflektierende Oberfläche.The device has a laser 1 as a radiation source. The fixed laser 1 , which can be preceded by a deflection, expansion or adjustment optics (not shown) or an optical diode, sends out a narrow laser beam 2 which has a small, fixed but adjustable coupling mirror 3 at its intersection with an optical axis 4 acted upon. The coupling mirror 3 has a surface that is as small as possible and just barely reflects the narrow laser beam 2 in its entirety.

Mit Hilfe des justierbaren Einkoppelspiegels 3 wird der schmale Laserstrahl 2 in einem umgelenkten Laser strahl 5 abgelenkt. Der umgelenkte Laserstrahl 5 erstreckt sich fluchtend mit der raumfesten optischen Achse 4 und beaufschlagt einen Planspiegel 6 einer Umlenkmechanik 7.With the help of the adjustable coupling mirror 3 , the narrow laser beam 2 is deflected in a deflected laser beam 5 . The deflected laser beam 5 extends in alignment with the fixed optical axis 4 and acts on a plane mirror 6 of a deflection mechanism 7 .

Die Umlenkmechanik 7 verfügt über eine Grundplatte 8, die eine Öffnung 9 aufweist. Die Grundplatte 8 ist raumfest derart angeordnet, daß sich die Öffnung 9 konzentrisch um die optische Achse 4 erstreckt. Die Öffnung 9 dient der Aufnahme eines nicht dargestell ten, ebenfalls konzentrisch zur optischen Achse 4 angeordneten Lagers für eine Winkelhalterung 10. In die Öffnung 9 ist vorzugsweise ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Fadenkreuz zentrisch angeordnet, das der Justage des aus der Grundplatte 8 und dem umgelenkten Laserstrahl 5 des Lasers 1 bestehenden Aufbaus mit Hilfe des Einkoppelspiegels 3 und even tuell weiterer nicht gezeichneter Hilfsoptiken auf die optische Achse 4 dient.The deflection mechanism 7 has a base plate 8 which has an opening 9 . The base plate 8 is arranged fixed in space in such a way that the opening 9 extends concentrically about the optical axis 4 . The opening 9 serves to receive a not shown, also concentrically arranged to the optical axis 4 bearing for an angle bracket 10th In the opening 9 , a crosshair, not shown in the drawing, is preferably arranged centrally, which is the adjustment of the structure consisting of the base plate 8 and the deflected laser beam 5 of the laser 1 using the coupling mirror 3 and possibly further auxiliary optics, not shown, on the optical axis 4 serves.

Die Winkelhalterung 10 ist drehbar um die optische Achse 4 gelagert. Der zur gesteuerten Rotations bewegung der Winkelhalterung 10 und der daran be festigten weiteren Teile der Umlenkmechanik 7 be nötigte, mit der Grundplatte 8 raumfest angeordnete Antrieb wie z. B. ein elektromotorisch angetriebener Exzenter, ist mit seiner mechanischen Ankopplung an die Winkelhalterung 10 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeichnet. Die Exzenterscheibe verfügt über einen parallel zur Exzenterachse angeordneten Stift, der in einen Langschlitz der Winkelhalterung 10 ein greift. Bei einer Drehung der Exzenterscheibe um ihre Achse gleitet der Stift in dem Langschlitz der Winkel halterung 10 und zwingt dieses somit zu Kipp schwingungen.The angle bracket 10 is rotatably mounted about the optical axis 4 . For the controlled rotational movement of the angle bracket 10 and the other parts of the deflection mechanism 7 attached to it be necessary, with the base plate 8 fixedly arranged drive such. B. an electric motor driven eccentric is not shown with its mechanical coupling to the angle bracket 10 for clarity. The eccentric disc has a pin arranged parallel to the eccentric axis, which engages in an elongated slot of the angle bracket 10 . When the eccentric disc rotates about its axis, the pin slides in the elongated slot of the angle bracket 10 and thus forces it to oscillate overturning.

An der Winkelhalterung 10 ist ein Galvanometer-Ver steller 11 befestigt, der über einen Drehstab 12 verfügt, der sich bei der elektrischen Ansteuerung des Galvanometer-Verstellers 11 um seine Drehachse 13 dreht. Ein auf den Galvanometer-Versteller 11 gege benes sinusförmiges Ansteuersignal bewirkt eine sinusförmige Verstellung des Drehstabes 12 aus seiner Ruhelage um seine Drehachse 13.To the angle bracket 10, a galvanometer is mounted Ver actuator 11 that has a torsion bar 12, which rotates about its axis of rotation 13 in the electrical control of the galvanometer phaser. 11 A against the galvanometer adjuster 11 benes sinusoidal control signal causes a sinusoidal adjustment of the torsion bar 12 from its rest position about its axis of rotation 13 .

In der axialen Verlängerung des Drehstabes 12 ist der Planspiegel 6 befestigt. Der Planspiegel ist vor zugsweise möglichst dünn ausgestaltet. Dies bezweckt einerseits, daß das durch den Galvanometer-Verstel ler 11 über den Drehstab 12 in eine Drehung zu verset zende Gewicht des Planspiegels 6 und damit sein Trägheitsmoment klein ist. Andererseits existiert dann eine Spiegelachse 14 in der reflektierenden Oberfläche des Planspiegels 6, die nahe an der Drehachse 13 liegt und die näherungsweise der Achse der reflektierenden Oberfläche des Planspiegels 6 entspricht, über die der Planspiegel 6 bei Drehungen desselben um die Dreh achse 13 mit kleinen Amplituden hin und her kippt.The plane mirror 6 is fastened in the axial extension of the torsion bar 12 . The plane mirror is preferably made as thin as possible. This aims on the one hand that the by the galvanometer adjuster 11 via the torsion bar 12 in a rotation to be offset weight of the plane mirror 6 and thus its moment of inertia is small. On the other hand, there is then a mirror axis 14 in the reflecting surface of the plane mirror 6 , which is close to the axis of rotation 13 and approximately corresponds to the axis of the reflecting surface of the plane mirror 6 , via which the plane mirror 6 rotates about the axis of rotation 13 with small amplitudes tilts back and forth.

Der Galvanometer-Versteller 11 ist insbesondere derart an der Winkelhalterung 10 befestigt, daß die Spiegel achse 14 die optische Achse 4 in einem Raumpunkt 15 kreuzt, der bei der Drehung der Winkelhalterung 10 um die optische Achse 4 raumfest bleibt. Durch den dünnen Planspiegel 6 und dessen Anordnung verbleibt der Raumpunkt 15 auch bei kleinen Drehungen des Plan spiegels 6 um die Drehachse 13 raumfest.The galvanometer adjuster 11 is particularly attached to the angle bracket 10 such that the mirror axis 14 crosses the optical axis 4 in a spatial point 15 , which remains fixed in space when the angle bracket 10 is rotated about the optical axis 4 . Due to the thin plane mirror 6 and its arrangement, the point 15 remains fixed even with small rotations of the plane mirror 6 about the axis of rotation 13 .

Der Planspiegel 6 kann aber auch vorzugsweise asymme trisch bezüglich der Drehachse 13 so auf dem Dreh stab 12 befestigt werden, daß seine Spiegelachse 14 mit der Drehachse 13 zusammenfällt. Dann bleibt der Raumpunkt 15 auch bei größeren Drehungen des Plan spiegels 6 um die Drehachse 13 raumfest.The plane mirror 6 can also preferably be fixed asymmetrically with respect to the axis of rotation 13 on the rotary rod 12 in such a way that its mirror axis 14 coincides with the axis of rotation 13 . Then the space point 15 remains spatially fixed even with larger rotations of the plane mirror 6 about the axis of rotation 13 .

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Planspie gel 6 kreisförmig ausgestaltet, weist einen Durch messer von ungefähr fünf Zentimetern auf und die Spiegelachse 14 des Planspiegels 6 koinzidiert mit der Drehachse 13 des Galvanometer-Verstellers 11. Diese Anordnung gestattet Schwingfrequenzen des Plan spiegels 6 um die Drehachse 13 von über 100 Hz.In the preferred embodiment, the plane mirror 6 is circular, has a diameter of approximately five centimeters and the mirror axis 14 of the plane mirror 6 coincides with the axis of rotation 13 of the galvanometer adjuster 11 . This arrangement allows oscillation frequencies of the plane mirror 6 about the axis of rotation 13 of over 100 Hz.

Der umgelenkte Laserstrahl 5 des Lasers 1 trifft im Raumpunkt 15 auf die reflektierende Oberfläche des Planspiegels 6 und wird von dem Planspiegel 6 in einen beleuchtenden Strahl 16 umgelenkt.The deflected laser beam 5 of the laser 1 strikes the reflecting surface of the plane mirror 6 in the spatial point 15 and is deflected by the plane mirror 6 into an illuminating beam 16 .

Der beleuchtende Strahl 16 trifft auf eine abzu tastende Oberfläche 17 und wird von dieser in einen Rückstrahl 18 reflektiert und zurückgestreut. Der Abstand zwischen der Umlenkmechanik 7 und der abzu tastenden Oberfläche liegt in der Größenordnung von zwei Metern.The illuminating beam 16 strikes a surface 17 to be scanned and is reflected and scattered back into a return beam 18 . The distance between the deflection mechanism 7 and the surface to be scanned is of the order of two meters.

Der reflektierte und zurückgestreute Rückstrahl 18 weist insbesondere einen Bildstrahl 19 auf, der sich mit einem kleinen Öffnungswinkel konzentrisch um den beleuchtenden Strahl 16 erstreckt. Der Bildstrahl 19 wird von dem Planspiegel 6 der Umlenkmechanik 7 in einen divergierenden Strahl 20 umgelenkt, dessen Mittenstrahl auf der optischen Achse 4 liegt. Der halbe Öffnungswinkel des Bildstrahles 19 bei der bevorzugten Ausführungsform liegt in der Größenordnung von 1 Grad.The reflected and backscattered return beam 18 has, in particular, an image beam 19 which concentrically extends around the illuminating beam 16 with a small aperture angle. The image beam 19 is deflected by the plane mirror 6 of the deflection mechanism 7 into a diverging beam 20 , the center beam of which lies on the optical axis 4 . The half opening angle of the image beam 19 in the preferred embodiment is of the order of 1 degree.

Der sich im wesentlichen fluchtend zur optischen Achse 4 erstreckende divergierende Strahl 20 wird von einer Sammellinse 21 auf einen Detektor 22 abgebildet. Der Detektor 22 ist mit seiner lichtempfindlichen Oberfläche ebenfalls symmetrisch um die optische Achse 4 angeordnet. Der sehr kleine Einkoppelspiegel 3 blendet nur einen kleinen Teil des divergierenden Strahles 20 aus. Die Sammellinse 21 ist kurz brennweitig.The diverging beam 20 , which extends essentially in alignment with the optical axis 4 , is imaged by a converging lens 21 onto a detector 22 . The detector 22 is also arranged symmetrically about the optical axis 4 with its light-sensitive surface. The very small coupling mirror 3 hides only a small part of the diverging beam 20 . The converging lens 21 has a short focal length.

Der schmale Laserstrahl 2, der auf den Einkoppelspie gel 3 fällt, ist auf einen solchen Durchmesser auf geweitet, daß der Durchmesser des divergierenden Strahles 20 an der Sammellinse 21 nach der auf der zum Detektor 22 durchlaufenden Strecke nicht zu sehr anwächst.The narrow laser beam 2 , which falls on the Einkoppelspie gel 3 , is widened to such a diameter that the diameter of the diverging beam 20 on the converging lens 21 does not increase too much after traveling on the path 22 to the detector.

Weiterhin kann in der Einrichtung zur Abtastung einer Oberfläche ein Photodetektor 23 vorgesehen sein, der am Rande der abzutastenden Oberfläche 17 so angeordnet ist, das er in einem vorbestimmten Zeitpunkt bei der Abtastung von dem beleuchtenden Strahl 16 überstrichen wird.Furthermore, a photodetector 23 can be provided in the device for scanning a surface, which is arranged on the edge of the surface 17 to be scanned so that the illuminating beam 16 sweeps over it at a predetermined time during the scanning.

Die Fig. 2 zeigt eine ebene abzutastende Oberflä che 30 mit dem Mittelstrahl 31 des die Oberfläche beleuchtenden Strahles 16 während einer Abtastung. Die ebene abzutastende Oberfläche 30 ist ein einfacher Spezialfall der abzutastenden Oberfläche 17. Durch die Schwingungen des Planspiegels 6 um die Drehachse 13 und der Drehung des Planspiegels 6 um die optische Achse 4, die gleichzeitig die mechanische Achse der Winkelhalterung 10 ist, wird der Mittelstrahl 31 des beleuchtenden Strahles 16 in der gezeichneten Weise über die Oberfläche 30 geführt. Dabei deuten die Pfeile 32 die Bewegungsrichtung des Mittelstrahls 31 an. Fig. 2 shows a flat surface 30 to be scanned with the central beam 31 of the surface illuminating beam 16 during a scan. The flat surface 30 to be scanned is a simple special case of the surface 17 to be scanned. Due to the vibrations of the plane mirror 6 about the axis of rotation 13 and the rotation of the plane mirror 6 about the optical axis 4 , which is also the mechanical axis of the angle bracket 10 , the central beam 31 of the illuminating beam 16 is guided over the surface 30 in the manner shown. The arrows 32 indicate the direction of movement of the center beam 31 .

In Fig. 2 sind eine konstante Drehbewegung des Plan spiegels 6 um die optische Achse 4 und etwas mehr als drei ganze Perioden der schnellen Schwingungen um die Drehachse 13 dargestellt.In Fig. 2, a constant rotational movement of the plane mirror 6 about the optical axis 4 and a little more than three whole periods of fast vibrations about the axis of rotation 13 are shown.

Während der Bewegung des Mittelstrahls 31 überstreicht dieser den eventuell im Strahlengang angeordneten Photodetektor 23, der sich in der Fig. 2 oberhalb der ebenen Oberfläche 30 befindet. Er gestattet in ein facher Weise die Lage des beleuchtenden Strahl 16 relativ zur ebenen abzutastenden Oberfläche 30 oder zur abzutastenden Oberfläche 17 allgemein herzu stellen. Bei z. B. durch Quarzansteuerung genau be kanntem zeitlichem Ablauf der Bewegungen um die optische Achse 4 und die Drehachse 13 ist die Zuord nung von vom Detektor 22 empfangenen Meßsignalen durch den divergierenden Strahl 20 und Oberflächenelementen der abzutastenden Oberfläche 17 in einfacher Weise gegeben.During the movement of the center beam 31, it sweeps over the photodetector 23 , which may be arranged in the beam path and is located above the flat surface 30 in FIG. 2. It allows the position of the illuminating beam 16 relative to the flat surface 30 to be scanned or to the surface 17 to be scanned to be established in a simple manner. At z. B. by quartz control be known timing of the movements around the optical axis 4 and the axis of rotation 13 is the assignment of received by the detector 22 measurement signals by the diverging beam 20 and surface elements of the surface 17 to be scanned in a simple manner.

Andernfalls ist diese Zuordnung z. B. über jeweils einen Winkelgeber für die Drehachse 13 und die der optischen Achse 4 entsprechenden mechanischen Achse der Winkelhalterung 10 zu erreichen.Otherwise this assignment is e.g. B. via an angle encoder for the axis of rotation 13 and the optical axis 4 corresponding mechanical axis of the angle bracket 10 .

Die Fig. 3 stellt eine Seitenansicht des Plan spiegels 6 einer Vorrichtung zur optischen Abtastung einer Szene dar. Der Planspiegel 6 ist auf dem Dreh stab 12 des Galvanometer-Verstellers 11 befestigt, vorzugsweise geklebt. Der Drehstab 12 rotiert durch die Antriebswirkung des Galvanometer-Verstellers 11 um seine Symmetrie- und Drehachse 13. Fig. 3 shows a side view of the plane mirror 6 of a device for optical scanning of a scene. The plane mirror 6 is attached to the rotating rod 12 of the galvanometer adjuster 11 , preferably glued. The torsion bar 12 rotates about its axis of symmetry and rotation 13 by the drive action of the galvanometer adjuster 11 .

Der zylindrische Drehstab 12 weist an seinem spiegel seitigen Ende eine Ausnehmung 40 auf, so daß der Drehstab 12 als ein schmaler Steg 41 in Gestalt eines Zylindersegmentes ausläuft. Insbesondere ist die Dicke des Stegs 41 kleiner als der Radius des Zylin ders des Drehstabes 12.The cylindrical torsion bar 12 has a recess 40 at its mirror-side end, so that the torsion bar 12 ends as a narrow web 41 in the form of a cylinder segment. In particular, the thickness of the web 41 is smaller than the radius of the cylinder of the torsion bar 12 .

Der Planspiegel 6 ist auf dem Steg 41 des Drehsta bes 12 derart befestigt, daß die Drehachse 13 in der Ebene der Oberfläche 42 des Planspiegels 6 liegt. Bei einer Verkippung des Planspiegels 6 um die Dreh achse 13 bleibt dementsprechend die entlang der Achse 13 verlaufende Gerade in der Oberfläche 42 des Spiegels 6 raumfest.The plane mirror 6 is fixed on the web 41 of the rotary stave 12 in such a way that the axis of rotation 13 lies in the plane of the surface 42 of the plane mirror 6 . Upon a tilting of the plane mirror 6 about the rotational axis 13 remains accordingly extending along the axis 13 is precisely fixed in space in the surface 42 of the mirror. 6

Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den Planspie gel 6 nach Fig. 3, der auf dem Steg 41 des Drehsta bes 12 befestigt ist. Vorteilhafterweise sind Seg mente aus dem Zylinder des Planspiegels 6 herausge schnitten, die durch Sekanten 43 begrenzt sind, die sich parallel zu der Drehachse 13 erstrecken. Dadurch verkleinert sich die Größe der Oberfläche 42 des Plan spiegels 6 nur wenig; das Trägheitsmoment des Plan spiegels 6 verkleinert sich durch die Wegnahme von drehachsenfernem Material beträchtlich. Ein üblicher Galvanometer-Versteller 11 kann ohne weiteres einen Planspiegel 6 mit einem Durchmesser von 5 Zentimetern und mehr in eine schnelle harmonische Schwingung mit einer Frequenz von mehreren 100 Hertz versetzen. Fig. 4 shows a plan view of the Planspie gel 6 of FIG. 3, which is fixed on the web 41 of the rotary sta 12 . Advantageously, segments are cut out of the cylinder of the plane mirror 6 , which are delimited by secants 43 which extend parallel to the axis of rotation 13 . This reduces the size of the surface 42 of the plane mirror 6 only a little; the moment of inertia of the plane mirror 6 is significantly reduced by the removal of material remote from the axis of rotation. A conventional galvanometer adjuster 11 can easily set a plane mirror 6 with a diameter of 5 centimeters and more into a fast harmonic oscillation with a frequency of several 100 hertz.

Die Fig. 5 stellt eine schematische perspektivische Seitenansicht eines Antriebs einer Spiegelhalterung der Vorrichtung zur Abtastung einer Szene gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dar. Fig. 5 illustrates a schematic perspective side view of a drive of a mirror mount the device for scanning a scene according to a second embodiment.

Ein raumfest angeordneter Motor 50 dreht langsam ein Übertragungsrad 51, an dem eine Pleuelstange 52 umkreisnah befestigt ist. Die Winkelhalterung 10 ist mit dem motorfernen Ende der Pleuelstange 52 verbun den. Die Winkelhalterung 10 ist um die Öffnung 9 verschwenkbar an der raumfesten Grundplatte 8 be festigt. Die Öffnung 9 erstreckt sich konzentrisch um die optische Achse 4. Die Winkelhalterung 10 verfügt über ein rechtwinklig zu der optischen Achse 4 ver laufendes Teilstück 53 mit einer Öffnung 55, die sich konzentrisch um die Achse 13 des in der Fig. 5 nicht dargestellten Galvanometer-Verstellers 11 erstreckt. Die Achsen 4 und 13 treffen sich in einem bei Ver kippungen ortsfest bleibenden Kreuzungspunkt, dem Raumpunkt 15.A fixedly arranged motor 50 slowly rotates a transmission wheel 51 to which a connecting rod 52 is fastened in a circle. The angle bracket 10 is connected to the end of the connecting rod 52 remote from the engine. The angle bracket 10 is pivotable about the opening 9 on the fixed base plate 8 be fastened. The opening 9 extends concentrically around the optical axis 4 . The angle bracket 10 has a perpendicular to the optical axis 4 ver running section 53 with an opening 55 which extends concentrically about the axis 13 of the galvanometer adjuster 11 , not shown in FIG. 5. Axes 4 and 13 meet at a point of intersection that remains stationary during tilting, space point 15 .

Durch den raumfesten Motor 50 wird die Winkelhal terung 10 in eine relativ langsame Hin- und Herbewegung um die optische Achse 4 versetzt, die den an der Winkelhalterung 10 befestigten nicht-raumfesten Galvanometer-Versteller 11 mitnimmt. Letzterer dreht den Planspiegel 6 in schnellen Schwingungen kleine Winkel um die Drehachse 13. Die schon erwähnte, mit der Drehachse 13 fluchtende Gerade in der Oberflä che 42 des Planspiegels 6 schneidet die optische Achse 4, dadurch entsteht der bei Bewegung des Plan spiegels 6 ortsfeste Raumpunkt 15 in der Oberfläche 42 des Planspiegels 6.By spatially fixed, the motor 50 Winkelhal 10 is placed in a relatively slow reciprocating motion around the optical axis 4, which drives the fixed to the angle bracket 10 is not fixed in space-galvanometer phaser 11-esterification. The latter rotates the plane mirror 6 at small angles around the axis of rotation 13 in rapid vibrations. The already mentioned, aligned with the axis of rotation 13 straight line in the surface 42 of the plane mirror 6 intersects the optical axis 4 , thereby creating the stationary point 15 when the plane mirror 6 moves in the surface 42 of the plane mirror 6 .

Die Fig. 6 zeigt eine schematische perspektivische Seitenansicht eines Antriebs einer Spiegelhalterung der Vorrichtung zur Abtastung einer Szene gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. FIG. 6 shows a schematic perspective side view of a drive of a mirror holder of the device for scanning a scene according to a third exemplary embodiment.

Der raumfest angeordnete Motor 50 dreht langsam eine Reversierspindel 61. Die Reversierspindel 61 verfügt über einen einzigen Gewindegang 62, der an zwei gegenüberliegenden Stellen Umkehrpunkte 63 aufweist. Um die Reversierspindel 61 herum ist eine Mutter 64 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten inneren Stift angeordnet, der in den Gewindegang 62 eingreift. Bei einer Drehung der Reversierspindel 61 bewegt sich die Mutter 64 in einer Hin- und Herbewegung entlang dem Doppelpfeil 65.The fixedly arranged motor 50 slowly rotates a reversing spindle 61 . The reversing spindle 61 has a single thread 62 , which has reversal points 63 at two opposite points. Around the reversing spindle 61 there is a nut 64 with an inner pin, not shown in the drawing, which engages in the thread 62 . When the reversing spindle 61 rotates, the nut 64 moves back and forth along the double arrow 65 .

An der Mutter 64 sind seitlich zwei quer verlaufende Lagerstangen 66 und 67 befestigt. Die Lagerstange 66 greift in einen raumfest angeordneten Langschlitz 69 ein, dessen Schlitz in Richtung des Doppelpfeils 65 und damit der Achse der Reversierspindel 61 ausgerich tet ist. Die Lagerstange 67 greift in eine Ausneh mung 70 ein, die in einem Ansatz 71 auf der Winkelhal terung 10 vorgesehen ist. Die Winkelhalterung 10 ist wiederum um die Öffnung 9 verschwenkbar an der raum festen Grundplatte 8 befestigt. Die Öffnung 9 verläuft konzentrisch zur optischen Achse 4. Der Ansatz 71 ist vorteilhafterweise in Verlängerung oberhalb oder unterhalb der in der Winkelhalterung 10 vorgesehenen Öffnung 9 angeordnet.Two transverse bearing rods 66 and 67 are laterally attached to the nut 64 . The bearing rod 66 engages in a fixed slot 69 , the slot in the direction of the double arrow 65 and thus the axis of the reversing spindle 61 is aligned. The bearing rod 67 engages in a Ausneh tion 70 , the tion 10 is provided in a shoulder 71 on the Winkelhal. The angle bracket 10 is in turn pivotally attached to the fixed base plate 8 about the opening 9 . The opening 9 runs concentrically to the optical axis 4 . The extension 71 is advantageously arranged in an extension above or below the opening 9 provided in the angle bracket 10 .

Die Winkelhalterung 10 verfügt über das rechtwinklig zu der optischen Achse 4 verlaufende Teilstück 53 mit einer Öffnung 55, die sich konzentrisch um die Ach se 13 des in der Zeichnung nicht dargestellten Gal vanometer-Verstellers 11 erstreckt.The angle bracket 10 has the perpendicular to the optical axis 4 section 53 with an opening 55 which concentrically extends around the axis 13 se 13 of the Gal vanometer adjuster 11 , not shown in the drawing.

Der in der Fig. 6 nicht dargestellte Planspiegel 6 wird von dem Motor 50 und dem Galvanometer-Ver steller 11 in analoger Weise zu den vorherigen Aus führungsbeispielen in zwei aufeinander rechtwinklig stehenden Richtungen um den festen Raumpunkt 15 ver kippt.The plane mirror 6 , not shown in FIG. 6, is tilted by the motor 50 and the galvanometer actuator 11 in an analogous manner to the previous exemplary embodiments in two mutually perpendicular directions about the fixed spatial point 15 .

Die Spiegelhalterung vermittelt damit die gleiche Reflektion des umgelenkten Strahles 5 in den beleuch tenden Strahl 16, sowie den zurückverlaufenden Strah lengang zum Detektor 22 wie das erste Ausführungs beispiel, so daß auf die weiteren Merkmale des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird.The mirror holder thus conveys the same reflection of the deflected beam 5 in the illuminating beam 16 , and the returning beam path to the detector 22 as the first embodiment, for example, so that reference is made to the further features of the first embodiment.

Die Justage der optischen Achse 4 wird in allen Fällen dadurch erleichtert, daß bei einem rechten Winkel zwischen Drehachse 13 und der optischen Achse 4 sowie justiertem Planspiegel 6 der umgelenkte Laserstrahl 5 auf die Oberfläche 42 des Planspiegels 6 streifend einfällt, was durch die Öffnung 9 hindurch einfach beobachtet werden kann.The adjustment of the optical axis 4 is facilitated in all cases by the fact that at a right angle between the axis of rotation 13 and the optical axis 4 and an adjusted plane mirror 6, the deflected laser beam 5 strikes the surface 42 of the plane mirror 6 , which passes through the opening 9 can be easily observed.

Vorteilhafterweise wird der Galvanometer-Versteller 11 fern von seiner Resonanzfrequenz betrieben, da sich dann seine Phasenlage bei Störungen nur unwesentlich ändert. Es reicht dann die Aufnahme eines einzigen Synchronisationspulses über den Photodetektor 23, um aus einer Zeitmessung die genaue Lage des ruckfrei abgetasteten Abtastpunktes zu errechnen. Damit kann eine Ortsauflösung von einem Millimeter bei einer Größe der abgetasteten Szene von 50 mal 50 Zentimeter erreicht werden. In einer anderen Ausgestaltung kann auch die an üblichen Galvanometer-Verstellern 11 abgreifbare Winkelinformation direkt verarbeitet werden.The galvanometer adjuster 11 is advantageously operated far from its resonance frequency, since its phase position then changes only insignificantly in the event of faults. It is then sufficient to record a single synchronization pulse via the photodetector 23 in order to calculate the exact position of the jerk-free sampled point from a time measurement. A spatial resolution of one millimeter can thus be achieved with a scanned scene size of 50 by 50 centimeters. In another embodiment, the angle information that can be tapped at conventional galvanometer adjusters 11 can also be processed directly.

Die beschriebene Vorrichtung kann wirkungsvoll für die Helligkeitsabtastung einer Oberfläche, für die Ent fernungsmessung über ein Phasenmeßverfahren oder die direkte Laufzeitentfernungsmessung eingesetzt werden.The device described can be effective for Brightness scanning of a surface for which Ent distance measurement using a phase measurement method or direct transit time measurement can be used.

Claims

1. Device for two-dimensional scanning of a surface ( 17 ) with an illuminating light source ( 1 ), a two drives ( 11; 50 ) having two-dimensional light deflection device ( 7 ) and a detector ( 22 ), one of the illuminating light source ( 1 ) emitted deflected illuminating light beam ( 5 ) and a light beam ( 20 ) scattered back to the detector ( 22 ) run essentially coaxially along an optical axis ( 4 ), which reflects the reflecting surface of a single mirror ( 6 ) of the light deflecting device ( 7 ) a fixed space meets point ( 15 ) in which its first axis of rotation ( 4 ) with its second axis of rotation ( 13 ) crosses at a right angle in wesent union, with a rotation of the mirror ( 6 ) about the first axis of rotation ( 4 ) using the first drive ( 50 ) and around the second axis of rotation ( 13 ) with the help of the second drive ( 11 ) the fixed space point ( 15 ) in the reflecting surface of the mirror ( 6 ) eats and the illuminating light beam ( 5 ) leads two-dimensionally over the surface to be scanned ( 17 ) and the light beam ( 20 ) scattered back from the surface to be scanned from various points into the optical first axis of rotation ( 4 ), the first drive ( 50 ) being fixed in space is arranged on, characterized in that the second drive ( 11 ) about the first axis of rotation ( 4 ) is arranged tiltable and that the fast vibrations about the second axis of rotation ( 13 ) generating second drive ( 11 ) a galvanometer-Ver actuator ( 11 ) is.

2. Device according to claim 1, characterized in that the light source ( 1 ) is a laser and that the only mirror ( 6 ) is only highly reflective for the wavelength range around the wavelength of the emitted laser.

3. Device according to one of the preceding claims che 1 or 2, characterized in that the mirror gel ( 6 ) is circular and has the smallest possible thickness.

4. The device according to claim 3, characterized in that the single mirror ( 6 ) on a cantilever torsion bar ( 12 ) of the galvanometer ter-adjuster ( 11 ) is fixed, a straight line in the mirror surface ( 42 ) substantially with the second axis of rotation ( 13 ) matches.

5. The device according to claim 4, characterized in that segments remote from the axis of rotation are cut out of the mirror ( 6 ), which are limited by sec rals ( 43 ) extending parallel to the second axis of rotation ( 13 ).

6. Device according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that a photo detector ( 23 ) is arranged in the region of the scanning cone of an illuminating beam ( 16 ), so that it is once from the illuminating light beam ( 16 ) is swept, and that from the signal generated in the photodetector ( 23 ), the temporal and spatial assignment of the detector ( 22 ) recorded signals with the scanned surface ( 17 ) is calculated.

7. Device according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that two angle sensors are provided, by which the temporal and spatial assignment of the signals recorded by the detector ( 22 ) with the scanned surface (at each point in time of the two-dimensional scanning ( 17 ) can be determined.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the galvanometer-Ver actuator ( 11 ) is a drivable in its resonance galvanometer adjuster.