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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Scanner gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Faseroptische Scanner sind optomechanische Geräte, die der Ablenkung von Lichtstrahlen dienen. Hierbei wird ein Lichtstrahl in fest definierten Winkeln durch eine Sendeeinheit ausgesandt und von einer Empfangseinheit des Scanners wieder vermessen. Luftfahrtgestützte faseroptische Scanner werden insbesondere für topographische Aufnahmen und die Messung von Daten für die Erstellung digitaler Geländemodelle verwendet.
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Aus der
DE 39 42 771 C1 ist ein faseroptischer Scanner bekannt, der im Wesentlichen aus einer Sendeeinheit und einer dazu symmetrisch aufgebauten Empfangseinheit besteht. Dabei ist in der Sendeeinheit ein rotierender Spiegel vorgesehen, der die von einem Laser stammenden Lichtpulse von einer Zentralfaser auf die kreisförmig angeordneten Anfänge von Glasfasern eines Glasfaserarrays lenkt. Die Enden der Glasfasern sind entlang einer Geraden in Form eines Sendearrays bzw. einer Sendezeile angeordnet. Aufgrund der Rotation des Spiegels treten die ursprünglich von dem Laser stammenden Lichtpulse der Reihe nach aus den neben einander angeordneten Glasfaserenden in der Sendezeile aus. In der Empfangseinheit ist eine hierzu inverse Komponente vorgesehen, bei der die reflektierten Lichtpulse von einer der Sendezeile entsprechenden, ebenfalls linear angeordneten Empfangszeile aus Glasfasern aufgenommen werden. Der Sendezeile und der Empfangszeile ist dabei jeweils ein Objektiv vorgeschaltet. Die Glasfasern der Empfangszeile sind so angeordnet, dass ihre Enden auf einem Kreis liegen, von dem aus die Lichtpulse über einen rotierenden Spiegel auf einen Licht aufnehmenden Ort (z.B. einen Detektor) gelenkt werden.
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Die Lichtpulse, die aus den Glasfaserenden der Sendezeile der Reihe nach austreten und durch das der Sendezeile vorgeschaltete Objektiv fokussiert werden, erzeugen in der Objektebene eine Vielzahl ausgeleuchteter, im Wesentlichen kreisförmiger Bereiche, die einen bestimmten Raumwinkel, auch Strahldivergenz genannt, einnehmen. Diese ausgeleuchteten Bereiche bilden aufgrund der linearen Anordnung der Glasfasern der Sendezeile eine sogennante Scanzeile. Bedingt durch die nicht vernachlässigbaren endlichen Winkelabstände zwischen zwei in der Sendezeile neben einander angeordneten Glasfasern entstehen dabei in der Objektebene entlang der Scanzeile Bereiche, die nicht ausgeleuchtet sind und somit auch nicht von dem Scanner erfasst werden können. Dies tritt vor allem bei kleiner Lichstrahldivergenz und einem großen Winkelabstand zwischen benachbarten Fasern auf.
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Wird ein derartiger faseroptischer Scanner für topographische Aufnahmen eingesetzt, so wird dieser üblicherweise derart in einem Flugzeug angeordnet, dass die Sendezeile und die Empfangszeile senkrecht zu der Flugrichtung ausgerichtet sind, d.h. der Scanner wird quer zu seiner Zeilenausrichtung gegenüber dem zu erfassenden Objekt bewegt. Bei der Aneinanderreihung von Scanzeilen entsteht dabei ein systematisches Scan-Muster bzw. Scan-Pattern in der Objektebene. Die nachstehend detaillierter beschriebene 2a zeigt ein derartiges Scan-Muster, das mit einem herkömmlichen faseroptischen Scanner gewonnen worden ist, der in einem Flugzeug eingesetzt wird, das lediglich zur Verdeutlichung beispielhaft in eine Richtung fliegt, die 2 Uhr entspricht (d.h. einem Winkel von 60° in Uhrzeigerrichtung bzgl. der Richtung nach Norden). Deutlich sind dabei sogenannte Kammstrukturen zu erkennen, d.h. systematisch von dem Scan-Muster erfasste und nicht erfasste Bereiche. Offensichtlich besteht somit das Problem, dass bei der Verwendung eines herkömmlichen faseroptischen Scanners für topographische Aufnahmen kleine Objekte (z.B. Stromleitungen), die längs der Flugrichtung und damit der Kammstrukturen verlaufen, unter Umständen nicht erfasst werden können, da diese "zwischen" die abgetasteten Bereiche fallen.
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Die
US 5 109 459 A beschreibt einen faseroptischen Scanner zum Aufnehmen und Abgeben von Licht entsprechend den im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Die Veröffentlichung von SCHNADT, K. und KATZENBEIßER, R.: Unique Airborne Fiber Scanner Technique for Application-Oriented LIDAR Products. In: Proceedings of the ISPRS working group VIII/2, 'Laser-Scanners for Forest and Landscape Assessment', International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, VOLUME XXXVI, PART 8/W2, Session 1, 2004, beschreibt unter anderem einen faseroptischen Scanner zum Aufnehmen und Absetzen von Licht entsprechend den im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Die Veröffentlichung von KATZENBEISSER, R.: Calibration and Data Validation of a Lidar Fiber Scanner. ASPRS Annual Conference, Denver CO, 2004, beschreibt unter anderem einen faseroptischen Scanner zum Aufnehmen und Abgeben von Licht entsprechend den im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten faseroptischen Scanner bereitzustellen, durch den insbesondere die vorstehend erwähnten Nachteile bekannter faseroptischer Scanner vermieden werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Aufgabe wird durch einen faseroptischen Scanner gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Sendezeile, die Empfangszeile, das erste Objektiv und das zweite Objektiv derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass die Position der Sendezeile und der Empfangszeile längs der Zeilenausrichtung der Sendezeile und der Empfangszeile relativ zu dem ersten und zweiten Objektiv verändert werden kann.
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Dies wird dadurch erreicht, dass die Sendezeile und die Empfangszeile auf einem gemeinsamen Schlitten angebracht sind, der sich längs der Zeilenausrichtung der Sendezeile und der Empfangszeile verschieben lässt. Vorzugsweise ist ein Wegaufnehmer vorgesehen, mit dem die Auslenkung des Schlittens relativ zu einer Nullposition bestimmt werden kann.
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Als Lichtquellen können z. B. Leuchtdioden oder glasfasergekoppelte Leuchtdioden benützt werden. Es können z. B. modulierte CW-Laserdioden, oder CW-Laser verwendet werden. Bei diesen oder anderen kontinuierlich arbeitenden Lichtquellen entfällt eine Synchronisierung, die bei gepulsten Leuchtdioden oder Laserdioden verwendet werden kann.
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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.
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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.
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Als Antrieb für die rotierenden Elemente ist ein Elektromotor vorgesehen. Zum Beispiel ein Schnellfrequenzmotor (Gleichstrom- oder Synchronmotor). Die Drehzahl liegt beispielsweise bei 15000 Umdrehungen pro Minute. Sie kann aber auch bis weit über 100000 Umdrehungen pro Minute erhöht werden. Je nach Anwendung kann auch ein Schrittmotor eingesetzt werden, so dass die Glasfasern auch einzeln angesteuert werden können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen faseroptischen Scanners zum Senden und Empfangen von Licht.
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Die 2a, 2b, 2c und 2d zeigen zum einen ein mit einem herkömmlichen faseroptischen Scanner gewonnenes Scan-Muster sowie zum anderen drei mit einem erfindungsgemäßen faseroptischen Scanner realisierbare Scan-Muster.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt einen 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 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 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.
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Auf der rechten Seite der 1 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 erfindungsgemäßen 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.
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Wie sich 1 entnehmen lässt, sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Sendezeile 26a und die Empfangszeile 26b auf einem gemeinsamen Schlitten 30 montiert, der in einem Lager 34 längs der Zeilenanordnung der Sendezeile 26a und der Empfangszeile 26b gleitend verschiebbar gehalten wird. Aufgrund der gemeinsamen Anbringung an den Schlitten 30 ist der Abstand zwischen der Sendezeile 26a und der Empfangszeile 26b konstant. Der Schlitten 34, auf dem die Sendezeile 26a und die Empfangszeile 26b angebracht sind, kann mittels eines Linearmotors (nicht dargestellt), der beispielsweise über die Steuerung 14 angesteuert werden kann, aus einer Nullposition bzw. "Ruheposition" längs der Zeilenanordnung der Sende- und Empfangszeile 26a, 26b linear hin- und her verschoben bzw. bewegt werden. Um die Auslenkung des Schlittens und damit der mit diesem verbundenen Sendezeile 26a und Empfangszeile 26b längs dieser Zeilenanordnungen zu bestimmen, kann ferner ein Wegaufnehmer 32 vorgesehen sein. Die von dem Wegaufnehmer 32 erfasste Auslenkung des Schlittens 30 aus seiner Nullposition wird an die Steuerung 14 kommuniziert, so dass bei der Auswertung der erhaltenen Daten bzw. der von dem Detektor empfangenen Signale die Auslenkung des Schlittens 30 bzw. der mit diesem verbundenen Sendezeile 26a und Empfangszeile 26b berücksichtigt werden kann bzw. herausgerechnet werden kann.
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2a zeigt ein mittels eines herkömmlichen faseroptischen Scanners gewonnenes Scan-Muster, in dem deutlich die vorstehend bereits erwähnten Kammstrukturen sichtbar sind, d.h. Bereiche in der Objektebene die der Scanner nicht ausleuchtet bzw. in denen der Scanner "blind" ist. Bei diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass der faseroptische Scanner in einem Flugzeug eingesetzt wird, das in einer Höhe von 800 m mit einer Geschwindigkeit von 60 m/s in eine Richtung fliegt, die 2 Uhr entspricht (d.h. einem Winkel von 60° in Uhrzeigerrichtung bzgl. der Richtung nach Norden). Der Übersichtlichkeit halber sind in 2a lediglich die von vier nebeneinander angeordneten Glasfasern im Laufe der Bewegung des Flugzeugs ausgeleuchteten Bereiche in der Objektebene dargestellt worden. Die Scanfrequenz und die Pulswiederholungsfrequenz betragen 650 Hz bzw. 83 kHz. Mit anderen Worten, pro Sekunde wird 650mal die Sendezeile durchlaufen und 83000 Lichtpulse werden von dem Laser erzeugt. Die Strahldivergenz (d.h. der ausgeleuchtete Raumwinkel) des aus einer Glasfaser austretenden Lichtstrahls beträgt 1 mrad.
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Wird in dem soeben beschriebenen Beispiel statt eines herkömmlichen faseroptischen Scanners ein faseroptischer Scanner gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet so ergeben sich bei einer harmonischen bzw. sinusförmigen Auslenkung des Schlittens 30 und somit der Sendezeile 26a und der Empfangszeile 26b in Längsrichtung je nach der verwendeten Frequenz die in den 2b, 2c und 2d dargestellten Scan-Muster. Dabei beträgt die Frequenz der harmonischen Auslenkung des Schlittens 30 in den 2b, 2c und 2d 20, 40 bzw. 60 Hz. Die maximale Amplitude der Auslenkung beträgt in diesen Beispielen die Hälfte des Abstands zwischen zwei benachbarten Galsfaserenden in der Sendezeile bzw. der Empfangszeile. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass auch andere maximale Amplituden der Auslenkung des Schlittens vorteilhafte Ergebnisse liefern können.
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Wie sich dies den 2b bis 2c entnehmen lässt, weisen die mit dem erfindungsgemäßen faseroptischen Scanner realisierbaren Scan-Muster eine bedeutend bessere Flächenabdeckung auf als das mittels eines herkömmlichen faseroptischen Scanners gewonnene Scan-Muster von 2a. Insbesondere werden die nicht abgedeckten Bereiche bei höheren Frequenzen der Auslenkung des Schlittens 30 immer kleiner. Mittels des erfindungsgemäßen faseroptischen Scanners ist es somit möglich, im Rahmen topographischer Aufnahmen auch kleine längs ausgedehnte Objekte (z.B. Stromleitungen) zu erfassen, die bei einem herkömmlichen faseroptischen Scanner "zwischen" die abgetasteten Bereiche fallen können. Der Fachmann wird erkennen, dass statt einer harmonischen Auslenkung des Schlittens 30, die mittels einer Sinusfunktion mathematisch beschrieben werden kann, auch andere zeitliche Bewegungen des Schlittens 30 gemäß dieser Erfindung vorstellbar sind, wie beispielsweise eine Bewegung, die mathematisch mittels einer Sägezahnfunktion beschrieben werden kann oder dergleichen.
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Obgleich bei der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ein Schlitten 30 zur Änderung der relativen Position der Sendezeile 26a bzw. der Empfangszeile 26b hinsichtlich der Objektive 28a bzw. 28b beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann, dass eine derartige Positionsänderung auch durch andere äquivalente Mittel erreicht werden kann.
