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AT504580A2

Scanning apparatus

Abstract

Scanning device for a Optical scanning system consisting of a housing (1), the device-fixed Laser source (12), an oscillating mirror (3) for deflecting the laser beams (4) and receiving means (17) for reflected laser radiation (4 ') comprises further from an evaluation device (31) from the Duration of the laser radiation distance values ​​determined that the respective deflection angles are associated with a further window (2) from a for the laser radiation transparent material that the casing (1) closes and through which the transmit laser beams (4) in the object space exit and the object space reflected beams (4 ') preferably through said window (2) to enter into the device, wherein the window (2) spherical is formed and the center of curvature with the intersection of the two axes of rotation (A1, A2) of the oscillating mirror (3) coincides and correction means (21) in the beam path of the laser beams (4, 4 ') are provided, which the optical effect of the curved window compensate (2).

AT504580A2, drawing sheet 1
Sheet 1 of 6

Term

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21 claims: 21 independent, 0 dependent

  1. 1
    Scanning device for an optical scanning system consisting of a housing which encloses a device-fixed source for, in particular pulse-shaped, laser radiation, also beam deflection means, esp. in the form of an oscillating mirror to deflect beams from the laser source and to scan an object space like a grid, furthermore with a receiving device for laser radiation reflected in the object space and an evaluation device that determines distance values ​​from the transit time of the laser radiation that are assigned to the respective deflection angles, furthermore with first bearings for the rotatable mounting of said beam scanning means about a first axis of rotation and with second bearings for the rotatable mounting of said beam deflection means about a second axis of rotation which is directed essentially normal to the first axis of rotation and defines an intersection therewith with a window made of a material transparent to the laser radiation, which closes the housing and through which the transmitted laser beams exit into the object space and rays reflected in the object space can re-enter the device, preferably through said window, characterized in that the window (2) is spherical in a manner known per se, wherein the center of curvature essentially coincides with the mentioned intersection of the axes of rotation (A1, A2) and correction means (21) are preferably provided in the beam path of the laser beams (4,4), which compensate for the optical effect of the curved window (2). 1. Scan-Einrichtung für ein optisches Scanning System bestehend aus einem Gehäuse, das eine gerätefeste Quelle für, insbes. impulsförmige, Laser Strahlung umschließt, ferner Strahl-Ablenkmittel, insbes. in Form eines Schwingspiegels, um Strahlen der Laser-Quelle abzulenken und einen Objektraum rasterartig abzutasten, ferner mit einer Empfangseinrichtung für im Objektraum reflektierte Laserstrahlung und einer Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit der Laserstrahlung Entfemungswerte ermittelt, die den jeweiligen Ablenkwinkeln zugeordnet sind, ferner mit ersten Lagern zur drehbaren Lagerung der genannten Strahl-Abtastmittel um eine erste Drehachse und mit zweiten Lagern zur drehbaren Lagerung der genannten Strahl-Ablenkmittel um eine zweite Drehachse, die im Wesentlichen normal zur ersten Drehachse gerichtet ist und mit dieser einen Schnittpunkt definiert, weiters mit einem Fenster aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material, welches das Gehäuse verschließt und durch welches die Sende-Laserstrahlen in den Objektraum austreten und im Objektraum reflektierte Strahlen vorzugsweise durch das genannte Fenster wieder in das Gerät eintreten können, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (2) in an sich bekannter Weise sphärisch ausgebildet ist, wobei der Krümmungsmittelpunkt mit dem genanten Schnittpunkt der Drehachsen (A1,A2) im Wesentlichen zusammenföllt und vorzugsweise Korrekturmittel (21) im Strahlengang der Laser-Strahlen (4,4) vorgesehen sind, welche die optische Wirkung des gekrümmten Fensters (2) kompensieren. • · · ·· · · 4 •4 4 · « » · · · · « ·· ···· ··· ·· • · · ·· · · 4 •4 4 · « » · · · · « ·· ···· ··· ·· Pat. 320 Pat.320
  2. 2
    Scanning device according to claim 1, characterized in that the housing (1) further comprises a device-fixed receiving device (17) which emitted by the laser source (12), deflected by the beam deflection means (3), through the window (2) emitted laser radiation (4) is reflected by an object located in the field of view and receives the laser radiation entering the housing (1) again through the spherically curved window (2), the reflected rays (4), are preferably deflected by the beam deflecting means (3) of the transmitting beam (4) and directed onto the receiving device (17) which is fixed to the device. 2. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) ferner eine gerätefeste Empfangseinrichtung (17) umfasst, die von der Laserquelle (12) emittierte, von den Strahl-Ablenkmittel (3) abgelenkte, durch das Fenster (2) ausgesandte Laserstrahlung (4) von einem im Gesichtsfeld befindlichen Objekt reflektiert wird und die durch das sphärisch gekrümmte Fenster (2) wieder in das Gehäuse (1) eintretende Laserstrahlung empfängt, wobei die reflektierten Strahlen (4), bevorzugt von den Strahl-Ablenkmittel (3) des Sendestrahles (4), abgelenkt und auf die gerätefeste Empfangseinrichtung (17) gerichtet werden.
  3. 3
    Scanning device according to claim 1 or 2, characterized in that the transmission beams (4) and the reflected laser beams (4 ') directed onto the receiving device (17) run coaxially, with the beam deflection means (3) and the laser source ( 12) or the receiving device (17) a known beam splitter (14, 15) is provided for the two beams (4, 4 '). 3. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendestrahlen (4) und die auf die Empfangseinrichtung (17) gerichteten, reflektierten Laserstrahlen (4') koaxial verlaufen, wobei zwischen dem Strahl-Ablenkmittel (3) und der Laserquelle (12) bzw. der Empfangseinrichtung (17) ein an sich bekannter Strahlenteiler (14,15) für die beiden Strahlen (4,4') vorgesehen ist.
  4. 4
    Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenteiler aus einem Spiegel (14) mit einer zentralen Durchbrechung (15) besteht, durch welche einer der beiden Strahlen (4,4'), vorzugsweise der Sendestrahl (4) durchtreten kann, während der andere Strahl (4') an der Spiegeloberfläche (14) reflektiert wird. 4th Scanning device according to claim 3, characterized in that the beam splitter consists of a mirror (14) with a central opening (15) through which one of the two beams (4, 4 '), preferably the transmission beam (4), can pass, while the other beam (4 ') is reflected on the mirror surface (14).
  5. 5
    Scanning device according to one of the preceding claims with an oscillating mirror as beam deflection means, characterized in that • ΦΦΦ ·· ···· ·· • · · · · 5. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche mit einem Schwingspiegel als Strahlablenkmittel, dadurch gekennzeichnet, dass • ΦΦΦ ·· ···· ·· • · · · · Pat. 320 the optical axis of the transmitting laser beam (4) directed onto the oscillating mirror (3) coincides with the first axis of rotation (A1) of the oscillating mirror (3). Pat.320 die optische Achse des auf den Schwingspiegel (3) gerichteten SendeLaserstrahles (4) mit der ersten Drehachse (Al) des Schwingspiegels (3) zusammenfällt. ΦΦ φφ φ ··· ··· ·· ······· ΦΦ φφ φ ··· ··· ·· ·······
  6. 6
    Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Sendestrahles (4) und der im Objektraum reflektierten Strahlung (4') je ein optisches System (13 bzw. 16) vorgesehen ist, wobei zumindest in einem dieser Systeme ein Optik-Element mit positiver Brechkraft, beispielsweise eine Korrekturlinse, zur Kompensation der negativen Brechkraft des sphärischen Fensters vorgesehen ist, wobei gegebenenfalls bei einem koaxialen Sende- und Empfangsstrahl (4 und 4') die Kompensation durch eine einzige, gemeinsame Korrekturlinse (21) erfolgt, bzw. zumindest eines der beiden optischen Systeme (13,16) unter Berücksichtigung des sphärischen Fensters ausgelegt oder zur Kompensation der Brechkraft des Fensters (2) entsprechend justiert ist. 6th Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that an optical system (13 or 16) is provided, at least in one of these systems an optical element with positive refractive power, for example a correction lens, is provided to compensate for the negative refractive power of the spherical window Compensation takes place through a single, common correction lens (21), or at least one of the two optical systems (13, 16) is designed taking into account the spherical window or is adjusted accordingly to compensate for the refractive power of the window (2).
  7. 7
    Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der negativen Brechkraft des sphärischen Fensters (2) zumindest einer der im Strahlengang angeordneten Spiegel (3 bzw. 14,18), beispielsweise der Schwingspiegel (3) konkav gekrümmt ausgefiihrt ist. 7th Scanning device according to patent claim 6, characterized in that at least one of the mirrors (3 or 14, 18) arranged in the beam path, for example the oscillating mirror (3), is concave curved to compensate for the negative refractive power of the spherical window (2).
  8. 8
    Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingspiegel (3) in einem U-fÖrmigem Lagerbock (5) um die zweite Drehachse (A2) schwenkbar gelagert ist, der auf einem Drehteller (6) angeordnet ist, welcher mittels eines Elektromotors (Ml), vorzugsweise eines Schrittmotors, um die erste Drehachse (Al) drehbar ist, wobei gegebenenfalls ein Winkeldecoder (11) zur Ermittlung der exakten 8th. Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that the oscillating mirror (3) is mounted pivotably about the second axis of rotation (A2) in a U-shaped bearing block (5) which is arranged on a turntable (6), which by means of an electric motor (Ml), preferably a stepping motor, can be rotated about the first axis of rotation (Al), with an angle decoder (11) for determining the exact Pat. 320 Pat.320 Alignment of the oscillating mirror (3) around the first axis (Al) is provided. Ausrichtung des Schwingspiegels (3) um die erste Achse (Al) vorgesehen ist. 4 4 4 4 4 · 4 · 4 4 • 444 44 9444 44 4 4 • 444 44 9444 44 4 4 · · « • · ··· ··· • · · · · · · · · · · ··· ·· 4444 444 44 4 4 · · « • · ··· ··· • · · · · · · · · · · ··· ·· 4444 444 44
  9. 9
    Scanning device according to claim 8, 9. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 8, 5 characterized in that the oscillating mirror (3) can be pivoted about the second axis (A2) with a limited angle of rotation by a torque motor (M2) arranged on the bearing block (5), with an angle decoder (11) optionally used to measure the angle of rotation actually reached by the oscillating mirror. 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingspiegel (3) durch einen am Lagerbock (5) angeordneten Drehmomentmotor (M2) mit begrenztem Drehwinkel um die zweite Achse (A2) schwenkbar ist, wobei gegebenenfalls zur Messung des vom Schwingspiegel tatsächlich erreichten Drehwinkels ein Winkeldecoder (11) 10 is provided. 10 vorgesehen ist.
  10. 10
    Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that the housing (1) together with the spherical window (2) encloses the scanning device 15 in a tight, preferably gas-tight manner, with a correspondingly tight seal 10. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) samt dem sphärischen Fenster (2) die Scanneinrichtung 15 dicht, vorzugsweise gasdicht umschließt, wobei entsprechend dichte Bushings or bushing plugs (20, Fig. 2) for the electrical lines and possibly also for light guides (32, Fig. 2) for the laser beams (4 ') are provided. Durchführungen bzw. Durchführungsstecker (20, Fig. 2) für die elektrischen Leitungen und gegebenenfalls auch für Lichtleiter (32, Fig. 2) für die Laserstrahlen (4') vorgesehen sind. 20 20
  11. 11
    Scanning device according to patent claim 10, characterized in that the gas-tight housing (1) is filled with an inert gas, preferably with dried nitrogen gas. 11. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdicht ausgeführte Gehäuse (1) mit einem inerten Gas, vorzugsweise mit getrocknetem Stickstoffgas gefüllt ist. 25 25
  12. 12
    Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise im Gehäuse-Inneren eine Heizung vorgesehen ist. 12th Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that a heater is provided in the interior of the housing in a manner known per se. Pal. 320 • • • • • • • • • • • • • • • • Pal.320 • · • · • · ·· ···· ·· ···· ·· • · · · · • · ··· ··· • · · · · AA ^ · · · · « ··· ···· ··· ·· AA ^ · · · · «··· ···· ··· ··
  13. 13
    Scanning device according to one of the preceding claims 10 to 12, characterized in that the housing (1) in a manner known per se compared to the surrounding 13. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) in an sich bekannter Weise gegenüber der umgebenden 5 Atmosphere is under overpressure, preferably a sensor too 5 Atmosphäre unter Überdruck steht, wobei vorzugsweise ein Sensor zu Monitoring of the pressure is provided. Überwachung des Druckes vorgesehen ist.
  14. 14
    Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 14th Scanning device according to claim 1, characterized in that 10 the spherical window (2) has a wall thickness of a maximum of 4 mm, preferably 1 to 2.5 mm, and is preferably made of plastic, in particular of polymethyl methacrylate (PMMA or Plexiglas) 10 das sphärisphe Fenster (2) eine Wandstärke von max. 4 mm, vorzugsweise 1 bis 2,5 mm aufweist und vorzugsweise aus Kunststoff, insbes. aus Polymethylmethacrylat (PMMA oder Plexiglas) besteht
  15. 15
    Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1 oder 14, 15th Scanning device according to claim 1 or 14, 15 dadurch gekennzeichnet, dass das sphärische Fenster (2) insbes. an seiner Innenseite mit einem Antireflexbelag beschichtet ist, der auf die Wellenlänge der von der Laserquelle (12) emittierten Strahlung abgestimmt ist. 15th characterized in that the spherical window (2), especially on its inside, is coated with an anti-reflective coating which is matched to the wavelength of the radiation emitted by the laser source (12). 20 20
  16. 16
    Scanning device according to patent claim 1, 14 or 15, characterized in that the spherical window (2) is coated, especially on its outside, with a hard, scratch-resistant covering, for example made of silicon oxide. 16. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1,14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärische Fenster (2) insbes. an seiner Außenseite mit einem harten, kratzfesten Belag, beispielsweise aus Siliziumoxyd beschichtet ist. 25 25
  17. 17
    Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 und 14 bis 16, dadnrch gekennzeichnet, dass das sphärische Fenster (2) an seiner Außenseite mit einem Anti-Regenbelag beschichtet ist, um die Bildung eines Wasser- und gegebenenfalls eines 17th Scanning device according to one of the preceding claims 1 and 14 to 16, characterized in that the spherical window (2) is coated on its outside with an anti-rain coating to prevent the formation of a water and possibly a 30 Schmutz-Filmes bzw. von Tropfen zu vermeiden. 30th Avoid dirt films or drops. ···· ·· ···· ·· • · · · · • · ··· ··· • · · · · • · · · · · ·· ···· ··· ·· ···· ·· ···· ·· • · · · · • · ··· ··· • · · · · • · · · · · ·· ···· ··· ·· Pat. 320 ·· • · • · • · • · ·· ··· Pat.320 ·· • · • · • · • · ·· ···
  18. 18
    Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (31) nur Entfemungswerte weiter verarbeitet, die deutlich größer als der Radius des sphärischen Fensters (2) sind. 18th Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device (31) only processes distance values ​​which are significantly larger than the radius of the spherical window (2).
  19. 19
    Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (31) die Amplituden der an dem sphärischen Fenster (2) reflektierten Strahlung als Maß für eine allfällige Verschmutzung desselben ermittelt und als Signal ausgibt. 19th Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device (31) determines the amplitudes of the radiation reflected at the spherical window (2) as a measure of any contamination of the same and outputs them as a signal.
  20. 20
    Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteeinrichtung (31) oder einem nachgeordneten Computer aus den gemessenen Entfemungswerten und den zugeordneten Ablenkwinkeln in an sich bekannter Weise ein 3-D Bild bzw. Modell berechenbar ist. 20th Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device (31) or a downstream computer can calculate a 3-D image or model from the measured distance values ​​and the associated deflection angles in a manner known per se.
  21. 21
    Scanning device according to one of the preceding claims used in aircraft, such as in manned or unmanned fixed-wing aircraft or helicopters, the axis of the field of view of the scanning device essentially corresponding to the direction of flight, characterized in that the data from the evaluation device (31) together with data of the aircraft, such as position, attitude, speed, course, climb or Sink speed can be fed to a computer, which calculates the risk of a collision with a stationary or moving object determined in the field of view of the scanning device and when it is detected 21. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche angewendet in Fluggeräten, wie in bemannten oder unbemannten Flächenflugzeugen oder Hubschraubern, wobei die Achse des Gesichtsfeldes der Scan-Einrichtung im Wesentlichen der Flugrichtung entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Auswerteeinrichtung (31) zusammen mit Daten des Fluggerätes, wie Position, Lage, Geschwindigkeit, Kurs, Steig- bzw. Sinkgeschwindigkeit einem Computer zuführbar sind, welcher aus diesen das Risiko einer Kollision mit einem im Gesichtsfeld der Scan-Einrichtung ermittelten ortsfesten oder bewegten Objekt berechnet und bei Feststellung
Independent claims21