-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernungsbestimmung
mittels Lichtpulsen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine LIDAR-Vorrichtung und ein
LIDAR-Verfahren.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Luftfahrtgestützte Vorrichtungen
zur Entfernungsbestimmung mittels Lichtpulsen werden insbesondere
für die
Messung von Daten für
die Erstellung digitaler Geländemodelle
verwendet, wobei aus der Laufzeit des Lichtpulses von der Vorrichtung
zum Ort der Reflektion und wieder zur Vorrichtung zurück (d. h.
das Lichtecho) die Entfernung zum Ort der Reflektion ermittelt wird.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind dem Fachmann unter dem
Begriff LIDAR (light detection and ranging) bekannt.
-
Herkömmliche
LIDAR-Vorrichtungen arbeiten mit einem so genannten "Single pulse in Air"-Verfahren. Bei einem
derartigen Verfahren befindet sich immer nur ein Licht- bzw. Laserpuls
auf dem Weg zwischen der Lichtquelle der Vorrichtung, dem Ort der
Reflektion und dem Detekor der Vorrichtung. Dabei tritt das Problem
auf, dass mit zunehmender Entfernung des luftfahrgestützten LIDAR-Vorrichtung von
dem Ort der Reflektion die maximale Lichtpulsfrequenz, d. h. die
Frequenz, mit der die Lichtpulse von der LIDAR-Vorrichtung ausgesendet
werden können,
notwendigerweise abnimmt, da sich mit zunehmender Entfernung die
Laufzeit des Lichtpulses vergrößert. Offensichtlich
ist man an einer hohen Lichtpulsfrequenz interessiert, da diese
im Vergleich zu einer kleineren Lichtpulsfrequenz eine feinere Abtastung
(höhere
Messpunktdichte) und somit eine bessere Auflösung des zu vermessenden Geländes ermöglicht.
-
Die
Abhängigkeit
der maximal möglichen Lichtpulsfrequenz
fmax von der Flughöhe ergibt sich ohne Berücksichtigung
eines systembedingten Zeitoffsets in der Größenordnung von 10–6 Sekunden aus
folgendem Zusammenhang: fmax =
c/(2 × h),wobei
c die Lichtgeschwindigkeit und h die Flughöhe bezeichnet. Mit der vorstehenden
Beziehung ergibt sich beispielsweise bei einer Flughöhe h von
1500, 3000, 4500 m eine maximale Lichtpulsfrequenz von 100, 50 und
33 kHz (bzw. 91, 48 und 32 kHz unter Berücksichtigung eines systembedingten
Zeitoffsets).
-
Die
Auswirkungen des vorstehend beschriebenen Effekts, dass bei herkömmlichen
LIDAR-Vorrichtungen die maximal mögliche Lichtpulsfrequenz mit
zunehmender Flughöhe
abnimmt, werden, wenn die LIDAR-Vorrichtung beispielsweise als faseroptischer
Scanner ausgestaltet ist, bei dem das Gelände quer zur Flugrichtung abgetastet
wird, noch dadurch verschärft,
dass sich bei konstantem Öffnungswinkel mit
zunehmender Flughöhe
der Abstand zwischen zwei benachbarten Messpunkten in der Objektebene vergrößert, was
effektiv zu einer weiteren Verringerung der Messpunktdichte führt.
-
In
der deutschen Patentschrift
DE
36 06 544 C1 wird ein Laserentfernungsmesser gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 mit einem Sender und einem Empfänger beschrieben, wobei die
Pulslaufzeit ein Maß für die Entfernung
darstellt. Um eine störunempfindliche
Starttrigger-Signalerzeugung vorzusehen, die eine genaue Triggerzeitpunkt-Bestimmung zulässt, wird
in unmittelbarer Nachbarschaft des für das ferne Signal vorgesehenen
Detektorelements wenigstens ein weiteres Detektorelement vorgesehen,
das auf vom Sender zwar ausgestrahlte jedoch nicht zur Zielreflexion
gelangende, sondern innerhalb des Gehäuses streuende Strahlung reagiert.
-
Die
US-Patentschrift
US 4,926,185 beschreibt
ein Pulsradarsystem, bei dem zwei oder mehr aufeinander folgende
Sendepulse zyklisch mit unterschiedlichen Trägerfrequenzen ausgesendet werden,
so dass eine eindeutige zeitliche Zuordnung des jeweiligen Empfangsimpulses
zum Sendepuls möglich
ist.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Vorrichtung bzw. ein verbessertes Verfahren zur Entfernungsbestimmung
mittels Lichtpulsen bereitzustellen, durch die insbesondere die
vorstehend erwähnten Nachteile
bekannter LIDAR-Vorrichtungen und LIDAR-Verfahren vermieden werden.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Entfernungsbestimmung
mittels Lichtpulsen gemäß Anspruch
1 bzw. 12 gelöst.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Entfernungsbestimmung mittels Lichtpulsen umfasst eine Lichtquelle
zum Aussenden von Lichtpulsen mit einer bestimmten Frequenz, einen
Detektor zum Empfangen der von der Lichtquelle ausgesendeten und
reflektierten Lichtpulse, sowie eine Steuerung, die mit der Lichtquelle
und dem Detektor verbunden ist und mit diesen kommunizieren und
diese mittels Signalen ansteuern kann.
-
Wesentlich
für die
Erfindung ist, dass die Vorrichtung zur Entfernungsbestimmung mittels Lichtpulsen
ferner wenigstens zwei Zeitnehmer umfasst und die Steuerung ausgestaltet
ist, beim Aussenden eines Lichtpulses durch die Lichtquelle ein Start-Signal zu erzeugen.
Dieses Start-Signal startet bzw. triggert die Zeitmessung durch
einen der wenigstens zwei Zeitnehmer jeweils der Reihe nach und wieder
von vorne beginnend. Mit anderen Worten, das Start-Signal triggert
zunächst
die Zeitmessung durch den ersten, dann den zweiten und zum Schluss den
letzten Zeitnehmer, um sodann beim ersten Zeitnehmer wieder von
vorne zu beginnen. Ferner ist der Detektor dazu ausgestaltet, beim
Empfang eines reflektierten Lichtpulses ein Stopp-Signal zu erzeugen, das
an die wenigstens zwei Zeitnehmer weitergeleitet wird und die Zeitmessung
durch den Zeitnehmer der wenigstens zwei Zeitnehmer stoppt, dem
von der Steuerung momentan ein Messfenster zugeordnet ist.
-
Durch
die vorstehende Ausgestaltung wird ermöglicht, dass die wenigstens
zwei Zeitnehmer jeweils unabhängig
von einander in einem kurzen zeitlichen Abstand die Lichtlaufzeit
von Lichtpulsen messen können,
so dass sich gleichzeitig mehrere Lichtpulse in der Luft, d. h.
auf dem Weg zwischen der Lichtquelle, dem Reflektionsort und dem
Detektor, befinden können.
-
Vorzugsweise
erfolgt die Zuordnung der Messfenster durch die Steuerung zu den
wenigstens zwei Zeitnehmern in der Reihenfolge der Triggerung der
wenigstens zwei Zeitnehmer und wieder von vorne beginnend, wobei
sich die Messfenster zeitlich nicht überlappen.
-
Weiter
bevorzugt erfolgt die Zuordnung der Messfenster durch die Steuerung
zu den wenigstens zwei Zeitnehmern derart, dass das Messfenster
eines jeweiligen Zeitnehmers der wenigstens zwei Zeitnehmer zu dem
Zeitpunkt startet, zu dem das Messfenster des vorhergehenden Zeitnehmers
endet, so dass jeder detektierte Lichtpuls in ein Messfenster fällt.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Zeitdauer zwischen aufeinander folgenden Triggerungen der Zeitmessung
durch einen der wenigstens zwei Zeitnehmer ein ganzzahliges Vielfaches
der Zeitdauer zwischen Triggerungen der Zeitmessung durch aufeinander
folgende Zeitnehmer der wenigstens zwei Zeitnehmer.
-
Weiter
bevorzugt erfolgt die Triggerung der Zeitmessung durch einen der
wenigstens zwei Zeitnehmer und die Zuordnung eines Messfensters
zu diesem Zeitnehmer durch die Steuerung derart, dass zwischen dem
Ende des Messfensters und der Triggerung einer weiteren Zeitmessung
durch die Zeitnehmer eine Pufferperiode liegt.
-
Vorzugsweise
handelt es sich bei der Vorrichtung zur Entfernungsbestimmung mittels
Lichtpulsen um einen faseroptischen Scanner. Der faseroptische Scanner
umfasst eine Sendeeinheit, bei der die von der Lichtquelle mit einer
bestimmten Frequenz ausgesendeten Lichtpulse über einen rotierenden, zu seiner
Rotationsachse hin gekippten Spiegel auf die kreisförmig angeordneten
Anfänge von
Glasfasern eines ersten Glasfaserarrays geleitet werden, sowie eine
dazu symmetrisch aufgebaute Empfangseinheit, bei der die hereinkommenden Lichtpulse
auf Glasfasern eines zweiten Glasfaserarrays geleitet werden, deren
Enden kreisförmig
angeordnet sind und von dort aus über einen rotierenden, zu seiner
Rotationsachse hin gekippten Spiegel zu dem Detektor geleitet werden.
Die Sende- und die Empfangseinheit werden von einem Elektromotor
gemeinsam angetrieben, der über
die Steuerung angesteuert werden kann.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform bilden
die Enden der Glasfasern des ersten Glasfaserarrays eine geradlinig
angeordnete Sendezeile in der Brennebene eines ersten Objektivs
aus und die Anfänge
der Glasfasern des zweiten Glasfaserarrays bilden eine geradlinig
angeordnete Empfangszeile in der Brennebene eines zweiten Objektivs
aus.
-
Als
Lichtquellen können
z. B. Leuchtdioden oder glasfasergekoppelte Leuchtdioden benützt werden.
Es können
z. B. modulierte CW-Laserdioden, oder CW-Laser verwendet werden.
-
Das
Glasfaserarray ist ein Querschnittswandler, mit dem eine kreisförmige Anordnung
der Glasfasern in eine zeilenförmige
Anordnung transformiert wird (Brennebenentransformation von einem Kreis
in eine Linie). Es besteht z. B. aus einer Anzahl von Quarz-Monofasern,
die einen Kerndurchmesser von 0,2 mm haben können. Es können auch andere Multimode-
oder Monomodefasern verwendet werden. Die Anzahl der Fasern kann
beliebig eingestellt werden. Die maximale Anzahl der Fasern wird
nur durch das Fertigungsverfahren des Arrays begrenzt.
-
Das
rotierende Element ist ein Spiegel (bevorzugt ein Planarspiegel),
der gegenüber
seiner Rotationsachse (leicht) gekippt ist. Der Spiegel kann leicht
verkippt auf einer Halterung befestigt sein, die sich parallel zur
optischen Achse dreht. Möglich
ist ebenso, dass die Drehachse des Spiegels nicht in der optischen
Achse des Scanners liegt. In diesem Fall ist auch die Lichtquelle
nicht in der optischen Achse angeordnet. Gemeinsam ist bei den Ausführungen
aber die Tatsache, dass der Spiegel gegenüber seiner Rotationsachse gekippt
ist.
-
Als
Antrieb für
die rotierenden Elemente ist ein Elektromotor vorgesehen. Zum Beispiel
ein Schnellfrequenzmotor (Gleichstrom- oder Synchronmotor). Die
Drehzahl liegt beispielsweise bei 15 000 Umdrehungen pro Minute.
Sie kann aber auch bis weit über
100 000 Umdrehungen pro Minute erhöht werden.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Entfernungsmessung mittels Lichtpulsen.
-
2 zeigt
schematisch und vereinfacht das Zusammenwirken der erfindungsgemäßen Komponenten
der Vorrichtung von 1.
-
3 zeigt
ein Timing-Diagramm, in dem die durch die Steuerung vorgegebene
Zuordnung von Start-Signalen und Messfenstern an die Zeitnehmer beispielhaft
dargestellt ist.
-
4 zeigt
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der
Vorrichtung von 1 als faseroptischer Scanner.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
-
1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Entfernungsbestimmung mittels Lichtpulsen. Diese Vorrichtung kann
beispielsweise in einem Flugzeug installiert sein, um bei einer Flughöhe h Entfernungsmessungen
durchzuführen und
somit Informationen hinsichtlich des überflogenen Geländes zu
gewinnen. Die Vorrichtung 1 zur Entfernungsbestimmung mittels
Lichtpulsen umfasst eine Lichtquelle (vorzugsweise ein Laser) 2 zum
Aussenden von Lichtpulsen mit einer bestimmten Frequenz. Die von
der Lichtquelle 2 ausgesendeten und reflektierten Lichtpulse
(beispielsweise LP1 und LP2) werde von einem Detektor 8 erfasst.
Der Detektor 8 und die Lichtquelle 2 sind mit
einer Steuerung 4 verbunden, die mit diesen kommunizieren
bzw. diese ansteuern kann.
-
Wie
sich dies nun außerdem
den 2 und 3 entnehmen lässt, weist
die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Entfernungsbestimmung mittels Lichtpulsen ferner mehrere Zeitnehmer
bzw. Zähler auf
(in den 1 bis 3 sind beispielhaft
drei Zähler
bzw. Zeitnehmer Z1, Z2 und Z3 dargestellt). Die Funktion dieser
Zeitnehmer Z1, Z2 und Z3 und deren Zusammenwirken mit der Steuerung 4 wird
unter Bezugnahme auf die 2 und 3 nachstehend
detailliert beschrieben.
-
Ein
Scannvorgang wird begonnen, indem ein erster Licht- bzw. Laserpuls
LP1 von der Lichtquelle bzw. dem Laser 2 ausgesendet wird.
Gleichzeitig erzeugt die Steuerung 4 ein Start- bzw. Triggersignal 100a,
das die Zeitmessung durch den ersten Zeitnehmer Z1 triggert. Nach
einer Zeitdauer T wird ein zweiter Laserpuls LP2 ausgesendet und
wiederum wird gleichzeitig ein Start- bzw. Triggersignal 100b erzeugt,
mit dem die Zeitmessung durch den zweiten Zeitnehmer Z2 getriggert
wird. Zu diesem Zeitpunkt hat der erste Lichtpuls LP1 bereits eine
Strecke c*T auf seinem Weg von der Lichtquelle 2 zu dem
Reflektionsort und zurück
zum Detektor 8 zurückgelegt,
befindet sich also noch in der Luft. Nach einer weiteren Zeitdauer
T wird ein dritter Laserpuls ausgesendet (nicht in 1 dargestellt)
und wiederum wird gleichzeitig ein Start- bzw. Triggersignal 100c erzeugt,
mit dem die Zeitmessung durch den dritten Zeitnehmer Z3 getriggert
wird. Zu diesem Zeitpunkt hat der zweite Lichtpuls LP2 eine Strecke
c*T auf seinem Weg von der Lichtquelle 2 zu dem Reflektionsort
und zurück
zum Detektor 8 zurückgelegt,
befindet sich also noch in der Luft. Je nach der Flughöhe h könnte es sein,
dass sich der erste Lichtpuls LP1 e benfalls noch in der Luft befindet
oder bereits von dem Detektor 8 detektiert worden ist.
Für den
Fall, dass ein vierter Zeitnehmer oder noch weitere Zeitnehmer vorhanden
sind, werden nach einer erneuten Zeitdauer T ein vierter Laserpuls
bzw. noch weitere Laserpulse ausgesendet und ein Startsignal erzeugt,
mit dem die Zeitmessung durch den vierten Zeitnehmer oder noch weitere
Zeitnehmer getriggert wird. Falls kein weiterer Zeitnehmer vorhanden
ist, beginnt die Sequenz erneut von vorne d. h. nach einer weiteren Zeitdauer
T wird ein vierter Laserpuls ausgesendet und wiederum wird gleichzeitig
ein Start- bzw. Triggersignal 200a erzeugt, mit dem die
Zeitmessung durch den ersten Zeitnehmer Z1 getriggert wird, der wie
nachstehend beschrieben bereits ein Stopp-Signal innerhalb seines
Messfensters 110a empfangen hat und daher wieder dazu bereit
ist, die Laufzeit eines Laserpulses zu messen. Im weiteren Verlauf
des Scannvorgangs triggern die weiteren Start- bzw. Triggersignale 200b, 200c und 300a,
erneut die Zeitmessung durch den zweiten Zeitnehmer Z2, den dritten Zeitnehmer
Z3 und wiederum den ersten Zeitnehmer Z1.
-
Anhand
der Flughöhe
h, die entweder vor dem Start des Scannvorgangs in die Steuerung 4 als Parameter
eingeben worden ist oder, falls sich diese im Laufe des Scannvorgangs ändern sollte,
vorzugsweise kontinuierlich von der Steuerung 4 abgefragt wird,
lässt sich
die zu erwartende Laufzeit eines Lichtpulses abschätzen. Mittels
dieser Abschätzung ordnet
die Steuerung 4 den Zeitnehmern Z1, Z2 und Z3 sogenannte
Messfenster zu. Wie dies nachstehend ausführlicher beschrieben wird,
beendet ein erfindungsgemäßer getriggerter
Zeitnehmer die Zeitmessung nur dann, wenn er zu einem Zeitpunkt
von dem Detektor 8 ein Stopp-Signal erhält, zu dem diesem Zeitnehmer
von der Steuerung 4 ein Messfenster zugeordnet ist.
-
Wie
sich dies 3 entnehmen lässt, ordnet die
Steuerung 4 dem ersten Zeitnehmer Z1 ein erstes Messfenster 110a zu.
Der Mittelpunkt dieses Messfensters 110a kann beispielsweise
mit dem Ende der erwarteten Laufzeit des ersten Lichtpulses zusammenfallen,
die, wie vorstehend beschrieben, mittels der Flughöhe h abgeschätzt werden
kann. Die Breite des Messfensters 110a sollte so gewählt sein,
dass alle praktisch möglichen
Laufzeiten des ersten Lichtpulses durch das Messfenster 110a abgedeckt
sind und somit der erste Lichtpuls auch in dem Messfenster 110a detektiert
wird. Der Fachmann wird erkennen, dass dies unter anderem von den
zu erwartenden Höhenunterschieden
des Scanngebietes sowie von der winkligen Ausdehnung des Scanngebietes abhängen kann.
Vorzugsweise sind die zeitlichen Ausdehnungen bzw. "Breiten" der Messfenster 110a, 110b, 110c, 210a, 210b identisch
und entsprechen der Zeitdauer zwischen Triggerungen der Zeitmessung durch
aufeinander folgende Zeitnehmer. Mit anderen Worten, alle Messfenster 110a, 110b, 110c, 210a, 210b weisen
vorzugsweise eine zeitliche Ausdehnung T auf.
-
Nach
dem Aussenden des ersten Lichtpulses LP1 durch die Lichtquelle 2 wird
dieser nach einer Zeitdauer zum Detektor 8 zurückkehren,
die der zu bestimmenden Laufzeit entspricht. Beim Empfang eines
Lichtpulses wird von dem Detektor 8 ein vorzugsweise elektrisches
Signal erzeugt, das als Stopp-Signal an alle Zeitnehmer Z1, Z2 und
Z3 weitergeleitet wird. Dieses Stopp-Signal bewirkt, dass die Zeitmessung
desjenigen Zeitnehmers Z1, Z2, oder Z3 gestoppt wird, dem zu diesem
Zeitpunkt von der Steuerung 4 ein Messfenster zugewiesen
ist. Wenn beispielsweise in 3 zum Zeitpunkt
t0 ein reflektierter Lichtpuls von dem Detektor 8 empfangen wird
und von diesem an alle Zeitnehmer Z1, Z2 und Z3 weitergeleitet wird,
so wird die Zeitmessung des Zeitnehmers Z1 gestoppt, da zu diesem
Zeitpunkt dem Zeitnehmer Z1 von der Steuerung 4 das Messfenster 110a zugewiesen
ist. Auf die anderen Zeitnehmer Z2 und Z3 hat das Stopp-Signal zu
diesem Zeitpunkt keinen Einfluss.
-
Wie
sich dies 3 entnehmen lässt, erfolgt die
die Zuordnung der Messfenster 110a, 110b, 110c, 210a, 210b,
... vorzugsweise durch die Steuerung 4 zu den Zeitnehmern
Z1, Z2 und Z3 in der Reihenfolge der Triggerung der Zeitnehmer Z1,
Z2 und Z3, wobei sich die Messfenster 110a, 110b, 110c, 210a, 210b, ...
zeitlich nicht überlappen
dürfen,
da ansonsten ein detektierter Lichtpuls zwei Zeitnehmer triggern
könnte
und somit zwei Laufzeiten liefern würde. Ferner erfolgt die Zuordnung
der Messfenster 110a, 110b, 110c, 210a, 210b,
... zu den Zeitnehmern Z1, Z2 und Z3 durch die Steuerung 4 vorzugsweise
so, dass aufeinander folgende Messfenster unmittelbar aneinander
anschließen.
Mit anderen Worten, das Messfenster eines Zeitnehmers Z1, Z2 oder
Z3 startet zu dem Zeitpunkt, zu dem das Messfenster des vorhergehenden
Zeitnehmers Z3, Z1 oder Z2 endet. Hierdurch wird sichergestellt,
dass jeder detektierte Lichtpuls in ein Messfenster fällt. Dies
lässt sich
unter anderem dadurch erreichen, dass die Zeitdauer zwischen aufeinander
folgenden Triggerungen der Zeitmessung durch einen Zeitnehmer (Z1
oder Z2 oder Z3) ein ganzzahliges Vielfaches der Zeitdauer zwischen Triggerungen
der Zeitmessung durch aufeinander folgende Zeitnehmer (Z1, Z2 oder
Z2, Z3 oder Z3, Z1) ist.
-
Wie
sich dies ebenfalls 3 entnehmen lässt, erfolgt
die Triggerung der Zeitmessung durch einen Zeitnehmer Z1, Z2 oder
Z3 und die Zuordnung eines Messfens ters 110a, 110b, 110c, 210a, 210b,
... zu diesem Zeitnehmer durch die Steuerung 4 derart, dass
zwischen dem Ende des Messfensters und der Triggerung einer weiteren
Zeitmessung durch den Zeitnehmer eine Pufferperiode t liegt. D.
h. beispielsweise, dass dem Ende des Messfensters 110a,
das dem ersten Zeitnehmer Z1 zugeordnet ist, zunächst eine Pufferperiode t folgt,
bevor der nächste
Lichtpuls durch die Lichtquelle 2 getriggert und gleichzeitig
ein Start- bzw. Triggersignal 200a erzeugt wird, mit dem die
Zeitmessung durch den dritten Zeitnehmer Z1 erneut getriggert wird.
Die Pufferperiode t gewährleistet,
dass kein Zeitnehmer getriggert wird, bevor dessen Messfenster verstrichen
ist. Für
den Fall, dass ein Zeitnehmer kein Stopp-Signal empfängt, während diesem von der Steuerung 4 ein
Messfenster zugeordnet ist, und die Zeitmessung des Zeitmessers
somit nicht beendet wird, wird die Zeitmessung dieses Zeitmessers
vor dem Triggern des nächsten Lichtpulses
am Ende des Messfensters oder während
der Pufferperiode t abgebrochen.
-
Besonders
bevorzugt kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Entfernungsbestimmung mittels Lichtpulsen als faseroptischer
Scanner ausgestaltet sein. 4 zeigt
einen solchen erfindungsgemäßen faseroptischen
Scanner 10, der sowohl zur Lichtabgabe als auch zur Lichtaufnahme
geeignet ist. Er ist symmetrisch aufgebaut und besitzt auf der linken
Seite eine sendenden Teil bzw. eine Sendeeinheit und auf der rechten
Seite einen empfangenden Teil bzw. eine Empfangseinheit. Als Lichtquelle
wird hier ein, vorzugsweise gepulster, Laser 12 verwendet.
Das Licht des Lasers 12 wird in einen Anfang der Glasfaser 13a eingeleitet,
deren Ende auf der optischen Achse A des faseroptischen Scanners 10 angeordnet
ist. Der Lichtpuls, der aus dem Ende der Glasfaser 13a austritt,
trifft auf einen rotierenden Spiegel 20a. Nach der Reflexion
an dem zur Rotationsachse A gekippten Spiegel 20a wird
der Lichtpuls in einen Anfang einer Glasfaser eines kreisförmigen Arrays 24a von
Glasfasern 22a eingekoppelt. Die Kreisform kann durch geeignete
Fassungselemente erreicht werden. Durch die Rotation des Spiegels 20a,
der auf der Antriebswelle eines Motors 16 mit Hilfe einer
Spiegelfassung montiert ist, werden die aus der Glasfaser 13a austretenden
Lichtpulse nacheinander in die einzelnen Glasfaseranfänge 24a der Glasfasern 22a eingekoppelt.
Die Glasfaseranfänge 24a sind
dabei ringförmig
und konzentrisch zur lichteinleitenden Glasfaser 13a angeordnet.
Die aus den Enden der Glasfasern 22a austretenden Lichtbündel werden
durch ein Objektiv 28a kollimiert. Die Enden der Glasfasern 22a sind
in der Brennebene des Objektivs 28a zeilenförmig angeordnet
und bildet somit eine Sendezeile 26a aus. Dabei sind die
Enden der Glasfasern 22a so orientiert, dass die Mittelachse
der Lichtpulse durch den Hauptpunkt des Objektivs 28a geht.
Durch diese Anordnung ist es möglich,
mit geringsten Transmissionsverlusten einen kollimierten Lichtstrahl
mit beliebigem Durchmesser hinsichtlich seiner Richtung mit sehr
hoher Geschwindigkeit abzulenken.
-
Auf
der rechten Seite der 4 ist das eben beschriebene
System symmetrisch zum zweiten Ende der Antriebswelle des Motors 16 nochmals
angeordnet. Die rechte Seite kann als Empfangseinheit benutzt werden,
das heißt
die Empfangszeile 26b und die Sendezeile 26a sind
bezüglich
ihrer Objektive 28b und 28a so justiert, dass
sie dieselben Objektpunkte anpeilen. Der Lichtweg verläuft in entgegen gesetzter
Richtung zu dem vorstehend beschriebenen Lichtweg in der Sendeeinheit
des faseroptischen Scanners 10. Ein reflektierter Lichtpuls
tritt durch das Objektiv 28b in einen Anfang einer Glasfaser
des zweiten Arrays von Glasfasern 22b in der Empfangszeile 26b ein,
trifft über
das Ende der Glasfaser der Glasfaserenden 24b auf einen
rotierenden Spiegel 20b und wird dort reflektiert. Dabei
sind die Glasfaserenden 24b des Arrays von Glasfasern 22b ringförmig und
konzentrisch zu einem Anfang einer Glasfaser 13b angeordnet.
Der reflektierte Lichtpuls wird in diesen sich auf der optischen
Achse A befindenden Anfang der Glasfaser 13b eingekoppelt
und, nachdem diese durchlaufen worden ist, von einem Detektor 18 detektiert.
Das erste Array von Glasfasern 22a und das zweite Array
von Glasfasern 22b können eine
gemeinsame Referenzfaser für
Kalibrierungszwecke aufweisen.
-
Obgleich
bei den vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
die Zeitnehmer als separate Komponenten der Steuerung beschriebenen
worden sind, wird der Fachmann erkennen, dass die den Zeitnehmern
erfindungsgemäß zugewiesenen
Funktionen bzw. Aufgaben ebenso von einer einzelnen Komponente durchgeführt werden
könnten, die
separat von oder Teil der Steuerung sein könnte.