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AT504580B1

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).

AT504580B1, drawing sheet 1
Sheet 1 of 4

Term

No projected expiry on record.

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  4. Today

19 claims: 19 independent, 0 dependent

  1. 1
    Scanning device for an optical scanning system, consisting of a housing with a device-fixed source for, in particular pulse-shaped, laser radiation, furthermore with beam deflection means in the form of an oscillating mirror in order to deflect transmission beams of the laser source and to scan an object space like a grid, furthermore with a device-mounted receiving device for beams reflected in the object space and an evaluation device that determines distance values ​​from the transit time of the laser beams, which are assigned to the respective deflection angles, furthermore with first bearings for the rotatable mounting of the oscillating mirror about a first axis of rotation and with second bearings for the rotatable mounting of the oscillating mirror about a second axis of rotation which is directed essentially normal to the first axis of rotation and defines an intersection with this, furthermore with a window made of a material transparent to the laser radiation, which closes the housing and through which the transmitted rays exit into the object space and rays reflected in the object space re-enter the device through said window, characterized in that the window (2) is spherical in a manner known per se, wherein, as is also known, the center of curvature coincides with the mentioned intersection of the axes of rotation (A1, A2) of the beam deflection means (3), that 1. Scan-Einrichtung für ein optisches Scanning System, bestehend aus einem Gehäuse mit einer gerätefesten Quelle für, insbesondere impulsförmige, Laserstrahlung, ferner mit Strahl-Ablenkmittel in Form eines Schwingspiegels, um Sende-Strahlen der Laser-Quelle abzulenken und einen Objektraum rasterartig abzutasten, ferner mit einer gerätefesten Empfangseinrichtung für im Objektraum reflektierte Strahlen und einer Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit der Laserstrahlen Entfernungswerte ermittelt, die den jeweiligen Ablenkwinkeln zugeordnet sind, ferner mit ersten Lagern zur drehbaren Lagerung des Schwingspiegels um eine erste Drehachse und mit zweiten Lagern zur drehbaren Lagerung des Schwingspiegels 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-Strahlen in den Objektraum austreten und im Objektraum reflektierte Strahlen durch das genannte Fenster wieder in das Gerät eintreten, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (2) in an sich bekannter Weise sphärisch ausgebildet ist, wobei, wie in ebenfalls bekannter Weise, der Krümmungsmittelpunkt mit dem genannten Schnittpunkt der Drehachsen (A1, A2) der Strahl-Ablenkmittel (3) im Wesentlichen zusammenfällt, dass AT 504 580 B1 vorzugsweise Korrekturmittel (21) im Strahlengang der Sende-Strahlen (4) und / oder der reflektierten Strahlen (4) vorgesehen sind, welche die optische Wirkung des gekrümmten Fensters (2) kompensieren, und dass die Sende-Strahlen (4) und die auf die Empfangseinrichtung (17) gerichteten, reflektierten Strahlen (4) zumindest zwischen dem Schwingspiegel (3) und dem sphärischen Fenster (2) koaxial verlaufen, wobei im Strahlengang der Sende-Strahlen (4) und im Strahlengang der reflektierten Strahlen (4), vorzugsweise zwischen dem Schwingspiegel (3) und der Laserquelle (12) bzw. der Empfangseinrichtung (17), ein Strahlenteiler (14, 15) vorgesehen ist, über welchen die über den Schwingspiegel (3) zurückgeführten reflektierten Strahlen (4) auf die gerätefeste Empfangseinrichtung (17) gerichtet werden. AT 504 580 B1, preferably correction means (21) are provided in the beam path of the transmitted rays (4) and / or the reflected rays (4), which compensate for the optical effect of the curved window (2), and that the transmitted rays (4 ) and the reflected beams (4) directed onto the receiving device (17) run coaxially at least between the oscillating mirror (3) and the spherical window (2), a beam splitter (14, 15) being provided in the beam path of the transmitted beams (4) and in the beam path of the reflected beams (4), preferably between the oscillating mirror (3) and the laser source (12) or the receiving device (17) , via which the reflected beams (4) returned via the oscillating mirror (3) are directed onto the device-fixed receiving device (17).
  2. 2
    Scanning device according to claim 1, characterized in that the beam splitter consists of a mirror (14) with a central opening (15) through which the transmitted beams (4) can pass, while the reflected beams (4) on the mirror surface (14) are reflected. 2. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenteiler aus einem Spiegel (14) mit einer zentralen Durchbrechung (15) besteht, durch welche die Sende-Strahlen (4) durchtreten können, während die reflektierten Strahlen (4) an der Spiegeloberfläche (14) reflektiert werden.
  3. 3
    Scanning device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the optical axis of the transmission beams (4) directed onto the oscillating mirror (3) coincides with the first axis of rotation (A1) of the oscillating mirror (3). 3. Scan-Einrichtung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse der auf den Schwingspiegel (3) gerichteten Sende-Strahlen (4) mit der ersten Drehachse (A1) des Schwingspiegels (3) zusammenfällt.
  4. 4
    Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Sende-Strahlen (4) und der im Objektraum reflektierten Strahlen (4) je ein optisches System (13 bzw. 16) vorgesehen ist und in dem Bereich, in dem die Sendeund reflektierten Strahlen (4 und 4') koaxial geführt sind, als Korrekturmittel zur Kompensation der negativen Brechkraft des sphärischen Fensters (2) eine einzige, gemeinsame Korrekturlinse (21) vorgesehen ist. 4th Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that an optical system (13 or 16) is provided in the beam path of the transmitted beams (4) and the beams (4) reflected in the object space, and in the area in which the transmitted and reflected beams (4 and 4 ') are guided coaxially, a single, common correction lens (21) is provided as correction means to compensate for the negative refractive power of the spherical window (2).
  5. 5
    Scanning device according to one of claims 1 to 3, characterized in that to compensate for the negative refractive power of the spherical window (2) at least one of the mirrors (3 or 14, 18) arranged in the beam paths, for example the oscillating mirror (3), is executed concavely curved. 5. Scan-Einrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der negativen Brechkraft des sphärischen Fensters (2) zumindest einer der in den Strahlengängen angeordneten Spiegel (3 bzw. 14, 18), beispielsweise der Schwingspiegel (3), konkav gekrümmt ausgeführt ist.
  6. 6
    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 (M1), vorzugsweise eines Schrittmotors, um die erste Drehachse (A1) drehbar ist, wobei gegebenenfalls ein Winkeldecoder (11) zur Ermittlung der exakten Ausrichtung des Schwingspiegels (3) um die erste Achse (AI) vorgesehen ist. 6th 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 (M1), preferably a stepping motor, is rotatable about the first axis of rotation (A1), an angle decoder (11) for determining the exact alignment of the oscillating mirror (3) about the first axis (AI) is optionally provided.
  7. 7
    Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 6, 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 weiterer Winkeldecoder (11) vorgesehen ist. 7th Scanning device according to patent claim 6, 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), whereby if necessary for measuring the actually reached by the oscillating mirror Rotation angle a further angle decoder (11) is provided.
  8. 8
    Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärischen Fenster (2) das Gehäuse (1) dicht, vorzugsweise gasdicht verschließt, wobei das Gehäuse (1) in sich dicht ausgeführt ist und entsprechend dichte Durchführun1 0 8th. Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that the spherical window (2) closes the housing (1) tightly, preferably gas-tight, the housing (1) being inherently tight and correspondingly tight ducts AT 504 580 B1 gen bzw. Durchführungsstecker (20) für elektrische Leitungen und gegebenenfalls auch für AT 504 580 B1 gene or lead-through connector (20) for electrical lines and possibly also for Lichtleiter (32) für die Sende-Strahlen (4) und / oder für die reflektierten Strahlen (4') aufweist. (Fig. 2) Light guide (32) for the transmission rays (4) and / or for the reflected rays (4 '). (Fig. 2)
  9. 9
    Scanning device according to patent claim 8, characterized in that the gas-tight housing (1) is filled with an inert gas, preferably with dried nitrogen gas. 9. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdicht ausgeführte Gehäuse (1) mit einem inerten Gas, vorzugsweise mit getrocknetem Stickstoffgas gefüllt ist.
  10. 10
    Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that a heater is provided in the interior of the housing. 10. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse-Inneren eine Heizung vorgesehen ist.
  11. 11
    Scanning device according to one of the preceding claims 8 to 10, characterized in that the housing (1) is under excess pressure in relation to the surrounding atmosphere, a sensor for monitoring the pressure preferably being provided. 11. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) gegenüber der umgebenden Atmosphäre unter Überdruck steht, wobei vorzugsweise ein Sensor zu Überwachung des Druckes vorgesehen ist.
  12. 12
    Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärische Fenster (2) eine Wandstärke von max. 4 mm, vorzugsweise 1 bis 2,5 mm aufweist und vorzugsweise aus Kunststoff, insbes. aus Polymethylmethacrylat, besteht. 12th Scanning device according to patent claim 1, characterized in that 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.
  13. 13
    Scanning device according to patent claim 1 or 12, characterized in that the spherical window (2) is coated, especially on its inside, with an anti-reflective coating which is matched to the wavelength of the radiation emitted by the laser source (12). 13. Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1 oder 12, 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.
  14. 14
    Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 1, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärische Fenster (2) insbes. an seiner Außenseite mit einem harten, kratzfesten Belag, beispielsweise aus Siliziumoxyd, beschichtet ist. 14th Scanning device according to patent claim 1, 12 or 13, 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.
  15. 15
    Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 und 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärische Fenster (2) an seiner Außenseite mit einem Anti-Regenbelag beschichtet ist, um die Bildung eines Wasser- und gegebenenfalls eines Schmutz-Filmes bzw. von Tropfen zu vermeiden. 15th Scanning device according to one of the preceding claims 1 and 12 to 14, 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 dirt film or of Avoid drops.
  16. 16
    Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device (31) only releases such distance values ​​for further processing that are significantly larger than the radius of the spherical window (2). 16. Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (31) nur solche Entfernungswerte für die weitere Verarbeitung freigibt, die deutlich größer als der Radius des sphärischen Fensters (2) sind.
  17. 17
    Scan-Einrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (31) die Amplituden der reflektierten Strahlen (4), die einer Entfernung ungefähr gleich dem Radius des sphärischen Fensters (2) entsprechen, als Maß für eine allfällige Verschmutzung desselben ermittelt und bei Überschreiten eines Amplitudenschwellwertes ein Signal ausgibt. 17th Scanning device according to one of claims 1 to 15, characterized in that the evaluation device (31) uses the amplitudes of the reflected beams (4), which correspond to a distance approximately equal to the radius of the spherical window (2), as a measure of any contamination the same and outputs a signal when an amplitude threshold value is exceeded.
  18. 18
    Scan-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (31) einen Rechner umfasst oder dieser ein Computer nachge1 1 18th Scanning device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device (31) comprises a computer or a computer after this AT 504 580 B1 is switched in order to calculate a 3-D image or model from the measured distance values ​​and the assigned deflection angles. AT 504 580 B1 schaltet ist, um aus den gemessenen Entfernungswerten und den zugeordneten Ablenkwinkeln ein 3-D Bild bzw. Modell zu berechnen.
  19. 19
    Scan-Einrichtung nach Patentanspruch 18 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 einer Verarbeitungseinheit zuführbar sind, welche aus diesen das Risiko einer Kollision mit einem im Gesichtsfeld der Scan-Einrichtung ermittelten ortsfesten oder bewegten Objekt berechnet und bei Feststellung eines solchen Risikos ein Warnsignal auslöst bzw. ein entsprechendes Ausweichmanöver einleitet. 19th Scanning device according to claim 18 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 from the aircraft such as position, attitude, speed, course, climb or Sink speed can be fed to a processing unit, which calculates the risk of a collision with a stationary or moving object determined in the field of view of the scanning device and triggers a warning signal or initiates a corresponding evasive maneuver when such a risk is detected.
Independent claims19