Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a device for optical distance measurement according to the preamble of claim 1.
Eine derartige Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung ist aus DE 10 2007 045 334 A1 bekannt. Die vorbekannte Vorrichtung verfügt über eine Strahlungsquelle und über eine Spiegeleinheit, mit der von der Strahlungsquelle abgegebene Ausgangsstrahlung in verschiedenen Richtungen in die Umgebung werfbar ist. Über eine Empfangsoptik ist aus der Umgebung rückgeworfene Objektstrahlung auf eine Detektionseinheit ausrichtbar. Die Spiegeleinheit weist mehrere zu einer synchronisierten Ausrichtbewegung ansteuerbare Spiegelelemente auf, wobei wenigstens ein Spiegelelement über eine für rückgeworfene Strahlung teildurchlässige Einkoppeloptik mit der Ausgangsstrahlung beaufschlagbar ist. Schließlich ist die Empfangsoptik mit einer Fokussiereinheit ausgestattet.Such a device for optical distance measurement is off DE 10 2007 045 334 A1 known. The previously known device has a radiation source and a mirror unit with which output radiation emitted by the radiation source can be cast in different directions into the environment. About a receiving optics reflected object radiation from the environment can be aligned to a detection unit. The mirror unit has a plurality of mirror elements which can be controlled to a synchronized alignment movement, wherein at least one mirror element can be acted upon by the output radiation via a coupling-in optical device which is partially transparent for reflected radiation. Finally, the receiving optics are equipped with a focusing unit.
Eine weitere Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung ist aus der Internetseite http://www.signal.co.jp/vbc/mems/app_e/item01_1.html bekannt. Die vorbekannte Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung verfügt über eine als Laser ausgebildete Strahlungsquelle und über eine Spiegeleinheit, die mit einem einzelnen, mikromechanisch hergestellten Spiegelelement ausgestattet ist. Mit dem Spiegelelement ist von der Strahlungsquelle abgegebene Ausgangsstrahlung in verschiedene Richtungen in die Umgebung werfbar und aus der Umgebung rückgeworfene Strahlung über eine Empfangsoptik auf eine Detektionseinheit ausrichtbar.Another device for optical distance measurement is known from the Internet site http://www.signal.co.jp/vbc/mems/app_e/item01_1.html. The previously known device for optical distance measurement has a laser source designed as a radiation source and a mirror unit which is equipped with a single, micromechanically produced mirror element. With the mirror element output radiation emitted by the radiation source can be cast in different directions into the environment and radiation thrown back from the surroundings can be aligned with a detection unit via a receiving optical unit.
Aus DE 103 04 188 A1 und DE 10 2004 033 928 A1 sind um eine Achse drehbare Spiegeleinheiten bekannt, um bei einer Abtastvorrichtung von einer Strahlungsquelle abgegebene Ausgangsstrahlung in eine Richtung umlaufend in die Umgebung zu werfen.Out DE 103 04 188 A1 and DE 10 2004 033 928 A1 are rotatable about an axis mirror units known to throw at a scanning device output radiation from a radiation source output radiation in a direction circumferentially into the environment.
Aus US-A-5,912,608 ist eine mikromechanisch hergestellte Spiegeleinheit mit einem einzelnen, um zwei Achsen schwenkbaren Spiegelelement bekannt.Out US-A-5,912,608 is a micromechanically manufactured mirror unit with a single, two-axis pivotable mirror element known.
Aus DE 10 2006 011 733 A1 ist eine Hochdruckentladungslampe mit einer Kuppel bekannt, die eine von einem Kugelsegmentabschnitt abweichende Gestalt aufweist, um Rückreflexe auf empfindliche, die Lebensdauer bei Bestrahlung nachteilig beeinflussende Bereiche zu vermeiden.Out DE 10 2006 011 733 A1 For example, a high-pressure discharge lamp with a dome is known, which has a different shape from a segment of a spherical segment in order to avoid flashbacks to sensitive areas which adversely affect the service life during irradiation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich bei einer fixierten fokalen Anordnung der optischen Komponenten durch einen großen Messbereich sowie eine hohe Messgenauigkeit auszeichnet.The invention has for its object to provide a device of the type mentioned above, which is characterized by a large measuring range and high accuracy in a fixed focal arrangement of the optical components.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved in a device of the type mentioned according to the invention with the characterizing features of claim 1.
Durch das Vorsehen der Strahlversatzeinheit ergibt sich bei einem verhältnismäßig großen effektiven Gesichtsfeldwinkel eine relativ kleine optische Apertur für die fokussierenden Komponenten der Empfangsoptik. Durch das für rückgeworfene Strahlung teildurchlässige Ausgestalten der Einkoppeloptik sind die von dem sowohl als von der Ausgangsstrahlung beaufschlagter Sendespiegel als auch als Empfangsspiegel für rückgeworfene Strahlung betriebenen Spiegelelement erfassten Strahlungsanteile an rückgeworfener Strahlung insbesondere im Nahbereich bei einer Defokussierung der von den übrigen Spiegelelementen erfassten rückgeworfenen Strahlung zu Messzwecken nutzbar.By providing the Strahlversatzeinheit results at a relatively large effective field of view angle, a relatively small optical aperture for the focusing components of the receiving optics. Due to the partial reflection of the reflected-in radiation of the coupling-in optics, the radiation components of the reflected radiation acted upon by the mirror element operated both as a source radiation and as a reflection mirror for reflected radiation are in particular at close range in a defocusing of the reflected radiation detected by the other mirror elements for measurement purposes available.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further expedient embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung.Further expedient refinements and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention with reference to the figures of the drawing.
Es zeigen:Show it:
1 in einer anschaulichen perspektivischen Darstellung den optischen und elektronischen Gesamtaufbau eines ersten Ausführungsbeispieles, 1 in a vivid perspective representation of the optical and electronic overall structure of a first embodiment,
2 in einem Blockschaubild den elektronischen Aufbau des Ausführungsbeispieles gemäß 1, 2 in a block diagram of the electronic structure of the embodiment according to 1 .
3 in einer schematischen Seitenansicht das Ausführungsbeispiel gemäß 1 im Betrieb bei Aussenden von Ausgangsstrahlung mit einer rotationsellipsoidsegmentartig ausgebildeten Kuppel und einer rein absorbierend ausgestalteten Strahlungsfallenanordnung, 3 in a schematic side view of the embodiment according to 1 in operation when emitting output radiation with a dome shaped in the manner of a rotation ellipsoid and a radiation trap arrangement of purely absorbing design,
4 in einer schematischen Seitenansicht das Ausführungsbeispiel gemäß 1 im Betrieb bei Aussenden von Ausgangsstrahlung mit einer kugelsegmentartig ausgebildeten Kuppel und einer absorbierend sowie mit einem zweidimensional arbeitenden Überwachungsstrahlendetektor ausgestalteten Strahlungsfallenanordnung, 4 in a schematic side view of the embodiment according to 1 in operation when emitting output radiation with a dome formed like a spherical segment and a radiation trap arrangement designed to be absorbent and with a two-dimensional monitoring radiation detector,
5 in einer perspektivischen Ansicht den optischen Aufbau des Ausführungsbeispieles gemäß 1 im Detail, 5 in a perspective view of the optical structure of the embodiment according to 1 in detail,
6 in einer ausschnittsweisen schematischen Ansicht den Aufbau der Spiegeleinheit bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, 6 in a fragmentary schematic view of the structure of the mirror unit in the embodiment according to 1 .
7 in einer Seitenansicht die Ausführung der Strahlversatzeinheit gemäß 6 mit Rhomboidprismen und einem rein intensitätsmäßig arbeitenden Strahlungsteiler als Einkoppeloptik, 7 in a side view of the execution of the Strahlversatzeinheit according to 6 with rhomboid prisms and a purely intensity beam splitter as coupling optics,
8 in einer Seitenansicht eine Abwandlung der Ausführung gemäß 7 mit einem Polarisationsstrahlteiler als Einkoppeloptik, 8th in a side view a modification of the embodiment according to 7 with a polarization beam splitter as coupling optics,
9 in einer Seitenansicht gemäß 7 die Ausgestaltung einer Strahlversatzeinheit mit einem Rhomboidprismenring, 9 in a side view according to 7 the design of a Strahlversatzeinheit with a rhomboid prism ring,
10 in einer Seitenansicht gemäß 9 eine Weiterbildung der Ausführung gemäß 9 mit einer zwischen der Strahlversatzeinheit und der Spiegeleinheit angeordneten Sammellinsenanordnung, 10 in a side view according to 9 a development of the embodiment according to 9 with a collecting lens arrangement arranged between the beam offset unit and the mirror unit,
11 in einer Seitenansicht gemäß 9 die Ausführung der Strahlversatzeinheit als Paraboloidflächenabschnitte aufweisender Paraboloidprismenkörper, 11 in a side view according to 9 the execution of the Strahlversatzeinheit as Paraboloidflächenabschnitte having Paraboloidprismenkörper,
12 in einer Seitenansicht gemäß 9 die Ausgestaltung einer Strahlversatzeinheit mit einer Anzahl von Lichtleitern, deren Ausgangsseiten jeweils separat voneinander beabstandet angeordnet sind, 12 in a side view according to 9 the embodiment of a beam offset unit with a number of optical fibers whose output sides are each arranged separately from each other,
13 in einer Seitenansicht gemäß 9 die Ausgestaltung einer Strahlversatzeinheit mit einer Anzahl von Lichtleitern, deren Ausgangsseiten gebündelt zusammengeführt sind, und 13 in a side view according to 9 the embodiment of a Strahlversatzeinheit with a number of optical fibers whose output sides are bundled together, and
14 in einem Schaubild einen typischen Verlauf des Ausgangssignales der Detektionseinheit in Abhängigkeit des Abstandes von einem mit Ausgangsstrahlung beaufschlagten Bereich der Umgebung. 14 in a diagram, a typical course of the output signal of the detection unit as a function of the distance from an area exposed to the output radiation of the environment.
1 zeigt in einer anschaulichen Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 verfügt über eine Steuereinheit 1, mit der zum einen ein als Strahlungsquelle für Ausgangsstrahlung 2 dienender Strahlungskollimator 3 mit Sendestrahlung 4 eines Lasers der Steuereinheit 1 beaufschlagbar ist und an die zum anderen eine als mikromechanische Komponente mit mehreren mikromechanischen Spiegelelementen 5 ausgestattete Spiegeleinheit 6 sowie als Detektionseinheit eine Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 angeschlossen sind. 1 shows an illustrative representation of an embodiment of the invention. The embodiment according to 1 has a control unit 1 , with on the one hand as a radiation source for output radiation 2 serving radiation collimator 3 with broadcasting radiation 4 a laser of the control unit 1 can be acted upon and to the other one as a micromechanical component with a plurality of micromechanical mirror elements 5 equipped mirror unit 6 and as a detection unit, a useful radiation detection unit 7 are connected.
In Ausbreitungsrichtung der von dem Strahlungskollimator 3 abgegebenen Ausgangsstrahlung 2 ist als Einkoppeloptik ein Strahlungsteiler 8 angeordnet, mit dem die von dem Strahlungskollimator 3 abgegebene Ausgangsstrahlung 2 auf ein Spiegelelement 5 der Spiegeleinheit 6 umlenkbar ist. Mit diesem somit als Sendespiegel wirkenden Spiegelelement 5 ist die Ausgangsstrahlung 2 auf ein sich in der Umgebung 9 befindliches Objekt 10 werfbar, wobei die Ausgangsstrahlung 2 dabei eine strahlungsdurchlässige, zweidimensional gekrümmte Kuppel 11 durchtritt. Die an einer der Spiegeleinheit 6 zugewandten Innenseite und einer der Umgebung 9 zugewandten Außenseite der Kuppel 11 rückreflektierte Strahlung 12 fällt auf eine Strahlungsfallenanordnung 13, die die rückreflektierte Strahlung 12 absorbiert.In the propagation direction of the radiation collimator 3 emitted output radiation 2 is as Einkoppeloptik a radiation splitter 8th arranged with that of the radiation collimator 3 emitted output radiation 2 on a mirror element 5 the mirror unit 6 is deflectable. With this thus acting as a transmission mirror mirror element 5 is the output radiation 2 on oneself in the environment 9 located object 10 Throwable, the output radiation 2 while a radiation-transmissive, two-dimensionally curved dome 11 passes. The one on the mirror unit 6 facing inside and one of the surroundings 9 facing outside of the dome 11 back-reflected radiation 12 falls on a radiation trap arrangement 13 that the back-reflected radiation 12 absorbed.
Von dem Objekt 10 in einem aufgrund der Ansteuerbarkeit des als Sendespiegel arbeitenden Spiegelelementes 5 auf einer Abtastbahn 14 liegenden momentanen Auftreffbereich 15 rückgeworfene Objektstrahlung 16 beaufschlagt nach Eintritt in die Kuppel 11 mit einem gewissen Anteil die Spiegelelemente 5 der Spiegeleinheit 6, die aufgrund einer durch die Steuereinheit 1 bewirkten synchronisierten Ausrichtung die erfasste Objektstrahlung 16 auf eine eine optische Achse aufweisende Empfangsoptik 17 lenkt.From the object 10 in a due to the controllability of working as a transmission mirror mirror element 5 on a scanning path 14 lying instantaneous impact area 15 reflected object radiation 16 charged after entering the dome 11 with a certain amount the mirror elements 5 the mirror unit 6 due to a through the control unit 1 synchronized alignment caused the detected object radiation 16 on a optical axis having receiving optics 17 directs.
Die in einem Fixfokusaufbau in einem festen Abstand von der Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 angeordnete Empfangsoptik 17 weist zum einen eine Strahlversatzeinheit 18 auf, mit der die von den außerhalb der optischen Achse der Empfangsoptik 17 liegenden Spiegelelementen 5 erfassten Anteile an Objektstrahlung 16 in Richtung der optischen Achse versetzbar sind, und verfügt über eine fokussierende Fokussiereinheit 19, mit der die durch die Strahlversatzeinheit 18 durchgetretenen Anteile der Objektstrahlung 16 auf die Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 fokussierbar sind.The in a fixed focus structure at a fixed distance from the Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 arranged receiving optics 17 has on the one hand a Strahlversatzeinheit 18 on, with those of the outside of the optical axis of the receiving optics 17 lying mirror elements 5 recorded shares of object radiation 16 are displaceable in the direction of the optical axis, and has a focusing focusing unit 19 , with which by the Strahlversatzeinheit 18 penetrated portions of the object radiation 16 to the Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 are focusable.
2 zeigt in einem Blockschaubild den elektronischen Aufbau der Steuereinheit 1 des Ausführungsbeispieles gemäß 2. Die Steuereinheit 1 verfügt über einen Laser 20 zum Erzeugen von gepulster Sendestrahlung, die über einen Intensitätsverstärker 21 der Steuereinheit 1 unter Verstärken der Intensität der Pulse der Sendestrahlung dem Strahlungskollimator 3 als Strahlungsquelle zum Erzeugen von gepulster Ausgangsstrahlung einspeisbar ist. An den Laser 20 ist eine Auswerteeinheit 22 angeschlossen, der eine der gepulsten Sendestrahlung zugeordnete Abfolge von elektrischen Triggerpulsen einspeisbar ist. 2 shows in a block diagram the electronic structure of the control unit 1 of the embodiment according to 2 , The control unit 1 has a laser 20 for generating pulsed transmit radiation via an intensity amplifier 21 the control unit 1 by increasing the intensity of the pulses of the transmission radiation to the radiation collimator 3 as a radiation source for generating pulsed output radiation can be fed. To the laser 20 is an evaluation unit 22 connected to the pulsed transmission radiation associated sequence of electrical trigger pulses can be fed.
Aus Betriebssicherheitsgründen ist an den Intensitätsverstärker 21 eine Überwachungseinheit 23 angeschlossen, mit der bei Ausfall des als Sendespiegel betriebenen Spiegelelementes 5 der Spiegeleinheit 6 der Intensitätsverstärker 21 abschaltbar ist, so dass keine Ausgangsstrahlung 2 mit bei Dauerbestrahlung die Gesundheit beeinträchtigender Intensität in die Umgebung 9 gelangen kann.For operational safety reasons is to the intensity amplifier 21 a monitoring unit 23 connected, with the failure of the operated as a transmission mirror mirror element 5 the mirror unit 6 the intensity amplifier 21 can be switched off, so that no output radiation 2 with at Continuous radiation of health impairing intensity in the environment 9 can get.
Die Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 ist an einen Empfangsverstärker 24 der Steuereinheit 1 angeschlossen, mit dem die Ausgangssignale der Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 verstärkbar und einem Pulsflankendetektor 25 einspeisbar ist. Mit dem Pulsflankendetektor 25 ist ein dem Detektionszeitpunkt eines Pulses der rückgeworfenen Objektstrahlung 16 zugeordneter Empfangspuls erzeugbar, der der Auswerteeinheit 22 einspeisbar ist. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem von dem Laser 20 eingespeisten Triggerpuls und dem von dem Pulsflankendetektor 25 eingespeisten Empfangspuls ist die Laufzeit der Ausgangsstrahlung 2 zu dem Objekt 10 und die Laufzeit der Objektstrahlung 16 zu der Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 bestimmbar, woraus sich der Abstand zu dem Auftreffbereich 15 und einem Referenzpunkt der Vorrichtung ergibt.The useful radiation detection unit 7 is to a receiving amplifier 24 the control unit 1 connected to the output signals of the Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 amplifiable and a pulse edge detector 25 can be fed. With the pulse edge detector 25 is a detection time of a pulse of the reflected object radiation 16 assigned receiving pulse generated, the evaluation unit 22 can be fed. From the time difference between that of the laser 20 fed trigger pulse and that of the pulse edge detector 25 fed reception pulse is the duration of the output radiation 2 to the object 10 and the duration of object radiation 16 to the useful radiation detection unit 7 determinable, what determines the distance to the impact area 15 and a reference point of the device.
Durch von der Spiegeleinheit 6 der Auswerteeinheit 22 eingespeiste Ausrichtungssignale lässt sich mittels der Auswerteeinheit 22 die Raumrichtung der Auftreffbereiche 15 in Bezug auf die Vorrichtung bestimmen und damit zusammen mit dem Abstand jedes Auftreffbereiches 15 zu der Vorrichtung ein dreidimensionales Bild der Umgebung 9 und insbesondere eines sich in der Umgebung 9 befindlichen Objektes 10 gewinnen.By the mirror unit 6 the evaluation unit 22 fed alignment signals can be by means of the evaluation 22 the spatial direction of the impact areas 15 with respect to the device and, together with the distance of each impact area 15 to the device a three-dimensional image of the environment 9 and especially one in the environment 9 located object 10 win.
3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht das Ausführungsbeispiel gemäß 1 im Bereich der Kuppel 11. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Kuppel 11 als Segment eines Rotationsellipsoids ausgebildet. Dabei ist das als Sendespiegel agierende Spiegelelement 5 in dem einen Brennpunkt des die Kuppel 11 als Segment aufweisenden Rotationsellipsoids angeordnet, während die Strahlungsfallenanordnung 13 in dessen anderen Brennpunkt liegt. Dadurch ist sichergestellt, dass die von der Innenseite und von der Außenseite der Kuppel 11 rückreflektierte Strahlung 12, die gegenüber den Intensitäten der rückgeworfenen Objektstrahlung 16 verhältnismäßig hoch ist, zuverlässig durch die Strahlungsfallenanordnung 13 absorbiert wird, so dass die Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 von auf die Ausgangsstrahlung 2 zurückführender vagabundierender Hintergrundreflexstrahlung unbeeinträchtigt ist. 3 shows a schematic side view of the embodiment according to 1 in the dome area 11 , In this embodiment, the dome is 11 formed as a segment of an ellipsoid of revolution. Here, the acting as a transmission mirror mirror element 5 in the one focal point of the dome 11 arranged as a segment having ellipsoids of revolution, while the radiation trap assembly 13 in the other focal point. This ensures that the from the inside and from the outside of the dome 11 back-reflected radiation 12 , which are opposite to the intensities of the reflected object radiation 16 is relatively high, reliable by the radiation trap assembly 13 is absorbed, so that the Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 from to the output radiation 2 Returning vagabond background reflex radiation is undisturbed.
4 zeigt eine Weiterbildung der Anordnung gemäß 3, wobei bei dieser Weiterbildung die Kuppel 11 als Segment einer Kugel ausgebildet ist. Die Spiegeleinheit 6 ist in einem Abstand von dem Mittelpunkt 26 der die Kuppel 11 als Segment aufweisenden Kugel angeordnet. Aufgrund der zweidimensionalen kugeligen Krümmung der Kuppel 11 wird die an der Innenseite und an der Außenseite der Kuppel 11 rückreflektierte Strahlung 12 auf die der Spiegeleinheit 6 abgewandten Seite des Mittelpunktes 26 gelenkt und lässt sich dort mit der Strahlungsfallenanordnung 13 absorbieren. Die Strahlungsfallenanordnung 13 weist einen Überwachungsstrahlendetektor auf, mit dem ortsaufgelöst ein Bewegungsprofil der rückreflektierten Strahlung 12 detektierbar und der Steuereinheit 1 einspeisbar ist. Dadurch lassen sich in direkter Art und Weise Steuer- und Auswertesignale zum direkten Erfassen der Ausrichtung der Ausgangsstrahlung 2 sowie als weiteres Betriebssicherheitssignal die Bewegung des als Sendespiegel fungierenden Spiegelelementes 5 der Spiegeleinheit 6 gewinnen. 4 shows a development of the arrangement according to 3 In this development, the dome 11 is formed as a segment of a sphere. The mirror unit 6 is at a distance from the center 26 the dome 11 arranged as a segment having ball. Due to the two-dimensional spherical curvature of the dome 11 will be on the inside and on the outside of the dome 11 back-reflected radiation 12 on the mirror unit 6 opposite side of the center 26 steered and settled there with the radiation trap arrangement 13 absorb. The radiation trap arrangement 13 has a monitoring beam detector, with the spatially resolved motion profile of the back-reflected radiation 12 detectable and the control unit 1 can be fed. This makes it possible in a direct manner control and Auswertignale for directly detecting the orientation of the output radiation 2 and as a further operating safety signal, the movement of the mirror element functioning as a transmitting mirror 5 the mirror unit 6 win.
5 zeigt in einer perspektivischen schematischen Ansicht das Ausführungsbeispiel gemäß 1 im Bereich der Spiegeleinheit 6 und der Empfangsoptik 17. Aus 5 lässt sich entnehmen, dass der Strahlungsteiler 8 für die bei diesem Ausführungsbeispiel nicht linear polarisierte Ausgangsstrahlung 2 und die aufgrund der Streuvorgänge unpolarisierte rückgeworfene Objektstrahlung 16 teildurchlässig ist, wobei der durch den Strahlungsteiler 8 durchgetretene Anteil der Ausgangsstrahlung 2 von einem Strahlungsabsorber 27 absorbiert wird. Zweckmäßigerweise ist das rein intensitätsmäßig wirkende Teilungsverhältnis des Strahlungsteilers 8 so eingerichtet, dass mehr als die Hälfte der verhältnismäßig intensiven Ausgangsstrahlung 2 reflektiert wird, so dass im Gegenzug lediglich der kleinere Teil der verhältnismäßig schwachen rückreflektierten Objektstrahlung 16 von dem als Sendespiegel verwendeten Spiegelelement 5 den Strahlungsteiler 8 in die Empfangsoptik 17 fallend durchtritt. Durch Verringerung der Reflektivität bis auf 50% lässt sich die Empfangsintensität im Nahfeld bei Minderung der Empfangsintensität im Fernfeld erhöhen. 5 shows in a perspective schematic view of the embodiment according to 1 in the area of the mirror unit 6 and the receiving optics 17 , Out 5 can be seen that the radiation divider 8th for the non-linearly polarized in this embodiment, the output radiation 2 and the object radiation unpolarized due to the scattering processes 16 is partially transmissive, whereby by the beam splitter 8th leaked proportion of the output radiation 2 from a radiation absorber 27 is absorbed. Conveniently, the purely intensity-acting division ratio of the radiation splitter 8th set up so that more than half of the relatively intense output radiation 2 is reflected, so that in return only the smaller part of the relatively weak back-reflected object radiation 16 from the mirror element used as a transmission mirror 5 the beam splitter 8th in the receiving optics 17 falling through. By reducing the reflectivity to 50%, the reception intensity in the near field can be increased while the reception intensity in the far field is reduced.
Weiterhin gibt die Darstellung gemäß 5 zu erkennen, dass die Strahlversatzeinheit 18 eine Anzahl von Rhomboidprismen 28 aufweist, deren Schrägseiten von der von den Spiegelelementen 5 rückgeworfenen Objektstrahlung 16 beaufschlagt sind. Mit den Rhomboidprismen 28 sind diese Anteile der rückgeworfenen Objektstrahlung 16 in Richtung der optischen Achse der Empfangsoptik 17, entlang der die Ausgangsstrahlung 2 durch den Strahlteiler 8 auf das als Sendespiegel verwendete Spiegelelement 5 verläuft, parallel versetzt werden und durch in eine Strahlungsblende 29 der Strahlversatzeinheit 18 eingebrachte Strahlungsdurchlassöffnungen 30 durchtreten. Dadurch wird die Intensität der rückgeworfenen Objektstrahlung 16, die aus weit auseinander liegenden Einzelaperturen stammt, räumlich um die optische Achse der Empfangsoptik 17 konzentriert.Furthermore, the illustration according to 5 to realize that the Strahlversatzeinheit 18 a number of rhomboid prisms 28 whose oblique sides are different from that of the mirror elements 5 reflected object radiation 16 are charged. With the rhomboid prisms 28 these parts are the reflected object radiation 16 in the direction of the optical axis of the receiving optics 17 , along the output radiation 2 through the beam splitter 8th on the mirror element used as a transmission mirror 5 runs, be offset in parallel and through into a radiation aperture 29 the Strahlversatzeinheit 18 introduced radiation passage openings 30 pass. As a result, the intensity of the discarded object radiation 16 , which comes from widely spaced individual apertures, spatially about the optical axis of the receiving optics 17 concentrated.
Zwischen der Nulzstrahlungsdetektionseinheit 7 und der Strahlversatzeinheit 18 ist die Fokussiereinheit 19 angeordnet, die eine gegenüber den optisch relevanten Dimensionen der Spiegeleinheit 6 geringere Apertur aufweist und die von der Strahlversatzeinheit 18 transmittierte rückgeworfene Objektstrahlung 16 mit einer verhältnismäßig kurzen Brennweite auf die Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 fokussiert. Dadurch lässt sich die fotosensitive Fläche der Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 verhältnismäßig klein ausgestalten, was der Empfindlichkeit der Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 beispielsweise aufgrund relativ geringem Rauschen, geringer Kapazität und verhältnismäßig hoher Bandbreite zuträglich ist.Between the neutral radiation detection unit 7 and the Strahlversatzeinheit 18 is the focusing unit 19 arranged one opposite the optically relevant dimensions of the mirror unit 6 has lower aperture and that of the Strahlversatzeinheit 18 transmitted reflected object radiation 16 with a relatively short focal length on the useful radiation detection unit 7 focused. This allows the photosensitive surface of the useful radiation detection unit 7 made relatively small, what the sensitivity of Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 For example, due to relatively low noise, low capacity and relatively high bandwidth is beneficial.
6 zeigt in einer anschaulichen Ansicht einen Ausschnitt aus der Spiegeleinheit 6 mit einer Anzahl von Spiegelelementen 5. Aus 6 lässt sich entnehmen, dass jedes Spiegelelement 5 eine Spiegelfläche 31 aufweist, die über eine Innenachse 32 mit einem Innenrahmen 33 verbunden und gegenüber dem Innenrahmen 33 schwenkbar ist. Der Innenrahmen 33 wiederum ist über eine rechtwinklig zu der Innenachse 32 ausgerichtete Außenachse 34 mit einem feststehenden Außenrahmen 35 verbunden und gegenüber diesem schwenkbar. Damit ist die Spiegelfläche 31 kardanisch gegenüber dem Außenrahmen 35 beweglich, wobei die Bewegungen aller Spiegelflächen 31 synchronisiert mit jeweils gleicher Ausrichtung erfolgen. 6 shows in a vivid view a section of the mirror unit 6 with a number of mirror elements 5 , Out 6 can be seen that each mirror element 5 a mirror surface 31 which has an inner axis 32 with an inner frame 33 connected and opposite the inner frame 33 is pivotable. The inner frame 33 in turn is about a right angle to the inner axis 32 aligned outer axis 34 with a fixed outer frame 35 connected and pivotable with respect to this. This is the mirror surface 31 gimbaled to the outer frame 35 movable, with the movements of all mirror surfaces 31 synchronized with each same orientation.
7 zeigt in einer Seitenansicht die Anordnung gemäß 5. Aus 7 ist deutlich erkennbar, dass die Rhomboidprismen 28 einen erheblichen Strahlversatz in Richtung der hier mittig eingezeichneten optischen Achse der Empfangsoptik 17 bewirken. Des Weiteren Lässt sich 7 entnehmen, dass auf der optischen Achse der Empfangsoptik 17 zwischen dem Strahlungsteiler 8 und der Fokussiereinheit 19 ein Wegausgleichselement 36 angeordnet ist, das den optischen Weg der auf der optischen Achse laufenden Anteile der rückgeworfenen Objektstrahlung 16 an die durch die Rhomboidprismen 28 bewirkte optische Wegverlängerung anpasst, um ein gleichzeitiges Einfallen sämtlicher Anteile der rückgeworfenen Objektstrahlung 16 auf die Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 zu bewirken. Weiterhin lässt die Darstellung gemäß 7 ebenfalls erkennen, dass die Fokussiereinheit 19 eine sehr kleine Brennweite aufweist, obwohl der Durchmesser der Empfangsoptik 17 sehr groß ist. 7 shows a side view of the arrangement according to 5 , Out 7 it is clear that the rhomboid prisms 28 a considerable beam offset in the direction of the here centrally marked optical axis of the receiving optics 17 cause. Furthermore, it is possible 7 infer that on the optical axis of the receiving optics 17 between the beam splitter 8th and the focusing unit 19 a path compensation element 36 is arranged, which is the optical path of the running on the optical axis portions of the reflected object radiation 16 to the through the rhomboid prisms 28 adjusted optical path extension to a simultaneous collapse of all shares of the discarded object radiation 16 to the Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 to effect. Furthermore, the illustration according to 7 also recognize that the focusing unit 19 has a very small focal length, although the diameter of the receiving optics 17 is very big.
8 zeigt in einer Seitenansicht eine Abwandlung der Anordnung gemäß 7, die sich dadurch auszeichnet, dass als Einkoppeloptik ein Polarisationsstrahlteiler 37 vorhanden ist, mit dem in der Darstellung gemäß 8 durch ausgefüllte Punkte als in einer Richtung linear polarisiert dargestellte Ausgangsstrahlung 2 vollständig reflektierbar ist, während die durch Sterne als unpolarisiert dargestellte rückgeworfene Objektstrahlung 16 mit ihrer rechtwinklig zur Polarisationsrichtung der Ausgangsstrahlung 2 ausgerichteten Polarisationskomponente, die durch gerade Striche angedeutet ist, den Polarisationsstrahlteiler 37 durchtritt. Dadurch ist auch die durch den als Sendespiegel genutzten Spiegelelement 5 rückgeworfene Objektstrahlung 16 wenigstens teilweise nutzbar. 8th shows in a side view a modification of the arrangement according to 7 , which is characterized in that as a coupling optical polarization beam splitter 37 is present, with the in the representation according to 8th filled-in points as output radiation linearly polarized in one direction 2 is completely reflectable, while the backward object radiation represented by stars as unpolarized 16 with its perpendicular to the polarization direction of the output radiation 2 aligned polarization component, which is indicated by straight lines, the polarization beam splitter 37 passes. This is also the mirror element used as the transmission mirror 5 reflected object radiation 16 at least partially usable.
9 zeigt in einer Seitenansicht gemäß 7 eine Abwandlung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 die Rhomboidprismen 28 als umlaufende Rhomboidprismen in einem Prismenringkörper 38 integriert sind. Dadurch ist die Justage der Strahlversatzeinheit 18 wesentlich erleichtert. 9 shows in a side view according to 7 a modification of a device according to the invention, in which compared to the embodiment according to 7 the rhomboid prisms 28 as circumferential rhomboid prisms in a prismatic ring body 38 are integrated. As a result, the adjustment of the Strahlversatzeinheit 18 much easier.
10 zeigt in einer Seitenansicht gemäß 9 eine Weiterbildung der Abwandlung gemäß 9, bei der auf der der Fokussiereinheit 19 abgewandten Seite der Strahlversatzeinheit 18 eine Sammellinsenanordnung 39 vorhanden ist, die eine mit ihrer gekrümmten Vorderseite der Spiegeleinheit 6 zugewandte erste Ringhalbzylinderlinse 40 und eine mit ihrer gekrümmten Rückseite der Strahlversatzeinheit 18 zugewandte zweite Ringhalbzylinderlinse 41 aufweist. Die Ringhalbzylinderlinsen 40, 41 sind so angeordnet, dass ihre zwischen ihnen liegenden Brennpunktlinien zusammenfallen, so dass Strahlungsanteile von verhältnismäßig dicht benachbart angeordneten Spiegelelementen 5 effizient der Fokussiereinheit 19 einspeisbar sind. 10 shows in a side view according to 9 a development of the modification according to 9 , at the on the focussing unit 19 opposite side of the Strahlversatzeinheit 18 a collection lens arrangement 39 is present, the one with its curved front of the mirror unit 6 facing first ring half cylinder lens 40 and one with its curved backside of the blasting unit 18 facing second ring half cylinder lens 41 having. The ring half-cylinder lenses 40 . 41 are arranged so that their focal lines lying between them coincide, so that radiation components of relatively closely spaced mirror elements 5 efficient the focusing unit 19 can be fed.
11 zeigt in einer Seitenansicht gemäß 7 eine weitere Abwandlung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer als Paraboloidprismenringkörper 42 ausgebildeten Strahlversatzeinheit 18. 11 shows in a side view according to 7 a further modification of a device according to the invention with a paraboloid prism ring body 42 trained Strahlversatzeinheit 18 ,
Bei dem Paraboloidprismenringkörper 42 sind außenseitig ein äußerer Paraboloidflächenabschnitt 43 und auf der in Richtung der optischen Achse der Empfangsoptik 17 weisenden Seite ein innerer Paraboloidflächenabschnitt 44 ausgebildet, die aufeinander angepasste Brennpunkte aufweisen, so dass von den Spiegelelementen 5 einfallende Strahlung mit einem verhältnismäßig großem Querschnitt in Richtung der optischen Achse der Empfangsoptik 17 parallel versetzt und im Querschnitt konzentriert ist. Dadurch wird entsprechend der Weiterbildung gemäß 10 der Nutzanteil an der rückgeworfenen Objektstrahlung 16 verhältnismäßig hoch.In the paraboloid prism ring body 42 on the outside are an outer paraboloid surface section 43 and in the direction of the optical axis of the receiving optics 17 pointing side an inner Paraboloidflächenabschnitt 44 formed, having the matched focal points, so that of the mirror elements 5 incident radiation having a relatively large cross-section in the direction of the optical axis of the receiving optics 17 parallel offset and concentrated in cross section. This is according to the training according to 10 the useful portion of the discarded object radiation 16 relatively high.
12 zeigt in einer Seitenansicht gemäß 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Strahlversatzeinheit 18 durch eine Anzahl von Lichtleitern 45 gebildet ist, deren Einkoppellinsen 46 von den Spiegelelementen 5 stammender Objektstrahlung 16 beaufschlagt sind und deren Auskoppellinsen 47 der Fokussiereinheit 19 zugewandt und gegenüber den Einkoppellinsen 46 in Richtung der optischen Achse der Empfangsoptik 17 versetzt angeordnet sind, um mit paralleler Ausrichtung der Auskoppellinsen 47 auf die Fokussiereinheit 19 deren effektive Apertur zu erhöhen. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch einen verhältnismäßig günstigen Herstellungspreis sowie eine leichte Anpassbarkeit an verschiedene Ausgestaltungen der weiteren Komponenten der Empfangsoptik 17 aus. 12 shows in a side view according to 7 a further embodiment of a device according to the invention, wherein the Strahlversatzeinheit 18 through a number of light guides 45 is formed, whose coupling lenses 46 from the mirror elements 5 originating object radiation 16 are acted upon and their coupling lenses 47 the focusing unit 19 facing and opposite the Einkoppellinsen 46 in the direction of the optical axis of the receiving optics 17 are arranged offset with parallel alignment of the coupling-out lenses 47 on the focusing unit 19 to increase their effective aperture. This embodiment is characterized by a relatively low production price and easy adaptability to various configurations of the other components of the receiving optics 17 out.
13 zeigt in einer Seitenansicht entsprechend 12 eine Abwandlung einer mit Lichtleitern 45 aufgebauten Strahlversatzeinheit 18, bei der sämtliche von den Spiegelelementen 5 reflektierte Objektstrahlung 16 von Einkoppellinsen 46 aufgenommen und nunmehr unter Bündelung der der Fokussiereinheit 19 zugewandten Faserenden bei entsprechend dünner Ummantelung vereinigt sind. Die Fokussiereinheit 19 bildet durch direkte Ankopplung der den Einkoppellinsen 46 abgewandten Enden der Lichtleiter 45 deren Auskoppeloptik und fokussiert die rückgeworfene Objektstrahlung 16 auf die Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7. 13 shows in a side view accordingly 12 a modification of one with light guides 45 constructed Strahlversatzeinheit 18 in which all of the mirror elements 5 reflected object radiation 16 of coupling lenses 46 recorded and now bundling the focusing unit 19 facing fiber ends are combined with correspondingly thin sheath. The focusing unit 19 forms by direct coupling of the coupling lenses 46 opposite ends of the light guide 45 their coupling optics and focuses the discarded object radiation 16 to the Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 ,
14 zeigt für eine typische erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Schaubild die Abhängigkeit des Ausgangssignales 48 der Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7, hier in logarithmischer Skalierung auf der Ordinaten abgetragen, in Abhängigkeit des Abstandes eines Objektes 10 von einem Referenzpunkt der Vorrichtung, hier auf der Abszissen 50 in Millimeter abgetragen. Aus 14 ist ersichtlich, dass beginnend mit einem Minimalabstand von etwa 20 Zentimeter, was in etwa der Bauhöhe der Kuppel 11 entspricht, bis zu 7 Meter ein lediglich um zwei Größenordnungen unterschiedliches Intensitätssignal vorhanden ist. Dies wird insbesondere dadurch erzielt, dass bei den voranstehend erläuterten Ausführungsbeispielen mit festem Fokus bei Eintritt eines Objektes 10 in einen Nahbereich ein Übersteuern der Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 aufgrund zunehmender Defokussierung der entfernt von der optischen Achse der Empfangsoptik 17 liegenden Spiegelelemente 5 schließlich nur noch auf den als Sendespiegel betriebenen Spiegelelement 5 treffende rückgeworfene Objektstrahlung 16 erfasst und durch die Einkoppeloptik in Gestalt eines rein intensitätsmäßig wirkenden Strahlungsteilers 8 oder eines Polarisationsstrahlteilers 37 mit zum Vermeiden eines Übersteuerns oder gar Zerstörens der Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 dann trotz der relativ niedrigen Transmittivität aufgrund des relativ kurzen Abstandes mit noch ausreichender Intensität auf die Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 fällt. 14 shows for a typical device according to the invention in a diagram, the dependence of the output signal 48 the useful radiation detection unit 7 , here in logarithmic scale on the ordinates, depending on the distance of an object 10 from a reference point of the device, here on the abscissa 50 removed in millimeters. Out 14 It can be seen that starting with a minimum distance of about 20 centimeters, which is about the same height as the dome 11 corresponds to an intensity signal of only two orders of magnitude up to 7 meters. This is achieved in particular by the fact that in the above-described embodiments with fixed focus upon entry of an object 10 in a near range overriding the Nutzstrahlungsdetektionseinheit 7 due to increasing defocusing away from the optical axis of the receiving optics 17 lying mirror elements 5 Finally, only on the operated as a transmission mirror mirror element 5 striking reflected object radiation 16 detected and by the coupling optics in the form of a purely intensity-acting radiation splitter 8th or a polarization beam splitter 37 with to avoid overdriving or even destroying the useful radiation detection unit 7 in spite of the relatively low transmissivity due to the relatively short distance with still sufficient intensity on the useful radiation detection unit 7 falls.
