DE102016113149A1

DE102016113149A1 - Aufnahme von Entfernungsprofilen

Info

Publication number: DE102016113149A1
Application number: DE102016113149.0A
Authority: DE
Inventors: Johann Hipp
Original assignee: TRIPLE-IN HOLDING AG
Current assignee: TRIPLE-IN HOLDING AG
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2018-01-18
Also published as: CN107621242B; CN107621242A; US20180020115A1; US10291811B2

Abstract

Eine Vorrichtung zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten aufweisenden Entfernungsprofilen umfasst: (i) eine Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sendern jeweils zur Aussendung von elektromagnetischer Strahlung in einen Aufnahmebereich, (ii) zumindest eine Empfangseinrichtung zur Detektion von aus dem Aufnahmebereich reflektierter Strahlung, (iii) eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der jeweils einen Entfernungsbildunkt bildenden Entfernungen von Objekten, an denen die ausgesandte Strahlung reflektiert wird, und (iv) eine Ablenkeinrichtung, welche die Sendestrahlung innerhalb eines Scanwinkelbereichs in einer Scanrichtung ablenkt, um pro Entfernungsprofil nacheinander mehrere in Scanrichtung gegeneinander versetzte, jeweils das Senderarray abbildende Scanraster von Entfernungsbildpunkten zu erzeugen, wobei in den Scanrastern jeweils zumindest einige der Entfernungsbildpunkte in Scanrichtung voneinander beabstandet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten aufweisenden Entfernungsprofilen, umfassend eine Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sendern jeweils zur Aussendung von elektromagnetischer Strahlung in einen Aufnahmebereich, zumindest eine Empfangseinrichtung zur Detektion von aus dem Aufnahmebereich reflektierter Strahlung sowie eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der jeweils einen Entfernungsbildunkt bildenden Entfernungen von Objekten, an denen die ausgesandte Strahlung reflektiert wird.
Entfernungsprofile werden zum Beispiel ermittelt, um Objekte optisch, d.h. mittels elektromagnetischer Strahlung einer sichtbaren oder unsichtbaren Wellenlänge, zu detektieren. Ein Ziel kann darin bestehen, die Oberfläche eines jeweiligen Objekts an diskreten Messpunkten optisch abzutasten und auf dieser Grundlage Rückschlüsse auf die geometrische Beschaffenheit, insbesondere die Größe, eines Objekts oder sogar auf den Objekttyp ziehen zu können. Die Abtastung eines jeweiligen Objekts geschieht also insbesondere durch Lokalisierung von Oberflächenpunkten auf dem Objekt, z.B. mittels Laser und einer Messung der Laufzeit eines Laserstrahls von der Vorrichtung zu einem Entfernungsbildpunkt auf dem Objekt und zurück.
Es sind sogenannte Line-Scanner bekannt, die eine gepulste Laserquelle umfassen, deren Laserpulse zur Durchführung eines Scans durch einen Drehspiegel wiederholt abgelenkt werden, um in einer Scanrichtung sukzessive mehrere Entfernungsbildpunkte über einen Scanwinkel hinweg zu ermitteln. Die Entfernungsbildpunkte eines Scans bilden dann ein jeweiliges Entfernungsprofil, welches – ein im "Blickfeld" des Scanners vorhandenes Objekt vorausgesetzt – die punktweise erfasste Entfernung des Objekts wiedergibt. Die entsprechenden Entfernungsbildpunkte liegen aus der Sicht des Scanners auf einer Linie, sodass von einer zweidimensionalen Abtastung des Objekts oder von einem Profil gesprochen werden kann.
Sofern sich ein zu abzutastendes Objekt relativ zu der Vorrichtung bewegt, können zeitlich hintereinander mehrere Entfernungsprofile ermittelt werden, welche algorithmisch zu einem dreidimensionalen Oberflächenprofil des Objekts ergänzt werden können. Somit ist es mithilfe der Vorrichtung beispielsweise möglich, auf einem Förderband positionierte Objekte, etwa Gepäckstücke oder Warenpakete, automatisch zu zählen, zu vermessen und/oder zu klassifizieren. In einem anderen Anwendungsfall können stationäre Objekte, z.B. eine Tunnelröhre, vermessen werden, indem die Vorrichtung relativ zu dem Objekt bewegt wird.
Insbesondere im Falle einer Relativbewegung zwischen einem zu detektierenden Objekt und der Vorrichtung bestehen erhöhte Anforderungen an die Scangeschwindigkeit (Scanrate), d.h. die Rate, mit der die Vorrichtung Entfernungsprofile ermitteln kann. So muss etwa im Rahmen einer Anwendung der Vorrichtung als Objektzähler sichergestellt werden, dass ein bewegtes Objekt mindestens durch ein Entfernungsprofil abgetastet wird, da das Objekt ansonsten im ungünstigsten Fall zwischen zwei nacheinander aufgenommenen Entfernungsprofilen "unbemerkt" die Vorrichtung passieren würde. Maßgeblich für die Frage der notwendigen Scangeschwindigkeit sind insbesondere die Geschwindigkeit und Größe der zu detektierenden Objekte. Soll darüber hinaus die Oberfläche eines Objekts mit einer vorbestimmten Auflösung abgetastet werden, muss die Scangeschwindigkeit entsprechend erhöht werden.
Der Begriff Auflösung bezieht sich im Rahmen dieser Offenbarung auf einen Winkelabstand zwischen zwei Entfernungsbildpunkten. Die Auflösung ist damit nicht abhängig vom Abstand des Objekts zu der Vorrichtung, jedoch steigt der absolute Abstand zwischen zwei benachbarten Entfernungsbildpunkten mit zunehmendem Abstand des Objekts zu der Vorrichtung.
Die mit herkömmlichen Scanvorrichtungen realisierbaren Scangeschwindigkeiten sind zur Detektion schneller Objekte häufig nicht ausreichend bzw. nur auf Kosten einer reduzierten Auflösung (weniger Entfernungsbildpunkte pro Entfernungsprofil) zu erreichen. Dies liegt zum einen an der begrenzten Frequenz oder Pulsrate, mit der derzeit erhältliche Sender elektromagnetische Strahlung, insbesondere Laserpulse, in den Aufnahmebereich aussenden können. Andererseits ist die Geschwindigkeit, mit der die Sender bzw. die Sendestrahlen zur Aufnahme der Entfernungsprofile über den Scanwinkel hinweg bewegt werden können, aus Konstruktionsgründen, insbesondere im Hinblick auf mechanische Belastungen, limitiert.
Es besteht Bedarf an einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, mit der eine hohe Scangeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Auflösung erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine Ablenkeinrichtung, welche die Sendestrahlung innerhalb eines Scanwinkelbereichs in einer Scanrichtung ablenkt, um pro Entfernungsprofil nacheinander mehrere in Scanrichtung gegeneinander versetzte, jeweils das Senderarray abbildende Scanraster von Entfernungsbildpunkten zu erzeugen. In den Scanrastern sind jeweils zumindest einige der Entfernungsbildpunkte in Scanrichtung voneinander beabstandet.
Die Erfindung zeichnet sich durch ein geschicktes Zusammenspiel zwischen der Ablenkeinrichtung einerseits und der vorteilhaft konfigurierten Scanraster andererseits aus. Die Ablenkeinrichtung erlaubt es, das Senderarray und die Empfangseinrichtung relativ zu der Vorrichtung stationär, d.h. fest anzuordnen, was sich im Hinblick auf einen einfachen Aufbau der Vorrichtung als günstig erwiesen hat. Zum Versetzen der das Senderarray abbildenden Scanraster wird vorzugsweise lediglich die Ablenkeinrichtung bewegt, die hierfür in besonderer Weise angepasst sein kann, wie nachfolgend noch genau erläutert wird. Des Weiteren sind die Entfernungsbildpunkte eines jeweiligen Scanrasters zumindest teilweise in Scanrichtung voneinander beabstandet. Mit anderen Worten sind die Entfernungsbildpunkte in Scanrichtung verteilt angeordnet. Ein Scanraster deckt hierdurch bereits einen Teil des abzutastenden Scanwinkelbereichs ab, weshalb ein jeweiliges Scanraster schneller erzeugt und das aus den Scanrastern resultierende Entfernungsprofil insgesamt schneller und effizienter aufgenommen werden kann. Die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbare Scangeschwindigkeit kann also bereits aufgrund der in Scanrichtung beabstandeten Entfernungsbildpunkte erhöht werden. Durch den Einsatz der Ablenkeinrichtung kann die Scangeschwindigkeit demgegenüber noch weiter erhöht werden, wie nachfolgend noch genauer erläutert werden wird.
Die jeweiligen Entfernungen der Entfernungsbildpunkte werden beispielsweise – wie oben bereits angedeutet – durch Messen der Strahlungslaufzeit bestimmt. Dies lässt sich beispielsweise mit als Laserquellen ausgebildeten Sendern realisieren, die eine Vielzahl an Laserpulsen aussenden. Aus der Laufzeit dieser Laserpulse zwischen Sender und Empfänger, welche auch als "time of flight" oder kurz als TOF bezeichnet wird, lassen sich die jeweiligen Entfernungen berechnen. Alternativ oder zusätzlich können die Sender aber auch z.B. kontinuierlich Strahlung aussenden und/oder die Entfernungen können anhand einer Phasenverschiebung zwischen Sender und Empfänger ermittelt werden.
Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend sowie in den Unteransprüchen offenbart.
Ein jeweiliges Scanraster kann in Scanrichtung eine maximale Längsausdehnung und eine maximale Querausdehnung senkrecht zur Längsausdehnung aufweisen, wobei die Querausdehnung kleiner, insbesondere um ein Vielfaches kleiner, ist als die Längsausdehnung.
Das Scanraster kann also länglich ausgebildet sein, wobei die Längsausdehnung bevorzugt parallel zu der Scanrichtung ist. Insbesondere können die Entfernungsbildpunkte in einem jeweiligen Scanraster auf einer Geraden liegen, die zumindest im Wesentlichen parallel zu der Scanrichtung verläuft. Wenn die Entfernungsbildpunkte auf einer Geraden liegen, die in Scanrichtung verläuft, wird sozusagen ein echter "Linienscan" durchgeführt, d.h. das resultierende Entfernungsprofil erstreckt sich räumlich gesehen in einer Ebene.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Entfernungsbildpunkte eines jeweiligen Scanrasters gleichmäßig beabstandet. Ein Vorteil liegt darin, dass der Versatz zwischen den Scanrastern konstant eingestellt sein kann, sodass für das resultierende Entfernungsprofil ein gleichmäßiger Abstand zwischen den entsprechenden Entfernungsbildpunkten erzielt wird. Mit anderen Worten kann eine in Scanrichtung konstante Auflösung des Entfernungsprofils einfacher, d.h. mit konstantem Versatz zwischen den Scanrastern, erzielt werden.
Der Abstand zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten eines jeweiligen Scanrasters kann in Abhängigkeit der maximalen Breite der von den Sendern ausgesandten Strahlungsbündel festgelegt sein. Die maximale Breite dieser Strahlungsbündel wird einerseits durch die senderseitig vorgegebene Divergenz des Strahlungsbündels und nachfolgend vorhandene Optiken, andererseits aber auch durch den Abstand zwischen der Vorrichtung und einem zu detektierenden Objekt bestimmt, an dem das Strahlungsbündel reflektiert wird. Der Abstand zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten des Scanrasters kann also unter Berücksichtigung der effektiven Divergenz der Strahlungsbündel und der maximalen "Scanentfernung" gewählt werden. Vorzugsweise wird der Abstand so groß gewählt, dass sich die in einem Scanraster erzeugten Entfernungsbildpunkte in Bezug auf die beteiligten Strahlungsbündel an den Entfernungsbildpunkten nicht überschneiden. Der Abstand kann also auch größer als die Breite bzw. die Querschnittsausdehnung der Strahlungsbündel gewählt werden, insbesondere um ein optisches Übersprechen zwischen benachbarten Strahlungsbündeln auch unter ungünstigen optischen Bedingen zu vermeiden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest einige der Scanraster eines jeweiligen Entfernungsprofils einander überlappen. Das bedeutet, dass der Versatz zwischen nacheinander aufgenommenen Scanrastern so gewählt ist, dass zumindest ein Entfernungsbildpunkt des später aufgenommenen Scanrasters in das Erstreckungsgebiet des früher aufgenommenen Scanrasters fällt. Insbesondere kann ein später aufgenommenes Scanraster Entfernungsbildpunkte aufweisen, die – in Scanrichtung gesehen – zwischen Entfernungsbildpunkten des vorher aufgenommenen Scanrasters liegen. Auf diese Weise können die Scanraster zeitlich gesehen teilweise ineinander verschachtelt sein. Dies ermöglicht im Ergebnis vorteilhafte Konfigurationen dergestalt, dass der Abstand zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten eines Scanrasters bedarfsweise praktisch beliebig erhöht werden kann, ohne dass deswegen der Abstand zwischen Entfernungsbildpunkten des Entfernungsprofils verringert werden muss. Vielmehr können verhältnismäßig grobe Scanraster erzeugt werden, die sich zusammen zu einem fein aufgelösten Entfernungsprofil ergänzen, wobei die einzelnen Entfernungsbildpunkte des Entfernungsprofils entlang der Scanrichtung aus zeitlicher Sicht nicht streng sequenziell, d.h. nacheinander erzeugt werden müssen. So können die Entfernungsbildpunkte im Zuge eines Scanvorgangs z.B. zunächst in einen Pufferspeicher geschrieben werden. Wenn alle für ein jeweiliges Entfernungsprofil erforderlichen Scanraster erzeugt und die entsprechenden Entfernungsbildpunkte abgespeichert worden sind, können diese gemeinsam ausgelesen und unter Berücksichtigung des jeweils zugeordneten Scanwinkels und der Überlappung der Scanraster zu dem Entfernungsprofil zusammengesetzt werden. D.h. die Entfernungsbildpunkte aller Scanraster werden gemäß ihrem jeweiligen Winkel aufsteigend sortiert.
Die Entfernungsbildpunkte eines jeweiligen Entfernungsprofils können gleichmäßig beabstandet sein. Mit anderen Worten können sich die Scanraster eines jeweiligen Entfernungsprofils zu einer gleichmäßig beabstandeten Folge von Entfernungsbildpunkten ergänzen. Vorzugsweise sind die meisten, idealerweise alle Entfernungsbildpunkte des Entfernungsprofils gleichmäßig beabstandet, um Schwankungen in der Auflösung zu vermeiden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten eines jeweiligen Scanrasters größer als der Abstand zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten eines jeweiligen Entfernungsprofils. Wie oben bereits angedeutet, kann die Auflösung des Scanrasters also deutlich geringer sein als die Auflösung des resultierenden Entfernungsprofils. Hierin liegen mehrere Vorteile begründet: Zum einen können die Entfernungsbildpunkte eines einzelnen Scanrasters mit hoher Güte erzeugt werden, da optische Störungen zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten, insbesondere optisches Übersprechen, abstandsbedingt reduziert werden, was zu einer präziseren Scanleistung insgesamt führt. Zum anderen kann die Scangeschwindigkeit in bislang nicht bekannte Höhen getrieben werden. Wenn das Scanraster aufgrund eines großen Abstands zwischen den jeweiligen Entfernungsbildpunkten bereits einen vergleichsweise großen Teils des Scanwinkels abdeckt, kann der gesamte Scanwinkelbereich insbesondere mit einem großen Versatz in extrem kurzer Zeit "grob" gescannt werden. Dies ist besonders in solchen Fällen interessant, in denen auf eine hohe Auflösung des Entfernungsprofils verzichtet werden kann und stattdessen eine maximale Scangeschwindigkeit erwünscht ist, beispielsweise zum Zählen besonders schnell bewegter Objekte. Die Verteilung der Entfernungsbildpunkte über einen signifikanten Teil des Scanwinkelbereichs schafft also eine elegante Möglichkeit für hochrapide "Grobscans".
Eine Verteilung der Entfernungsbildpunkte in Scanrichtung bedeutet aber nicht, dass mit der Vorrichtung lediglich "Grobscans" durchgeführt werden können. Die Geschwindigkeit der Ablenkeinrichtung und die in Abhängigkeit des Drehwinkels angesteuerten Sender können selbstverständlich auch zur Durchführung hochaufgelöster "Feinscans" eingestellt werden. Mit anderen Worten kann ein und dieselbe Vorrichtung flexibel konfiguriert werden, um die Erfordernisse bezüglich Scangeschwindigkeit und Auflösung der Entfernungsprofile bestmöglich zu erfüllen.
Der Versatz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Scanrastern ist bevorzugt gleich dem Produkt der Anzahl von Entfernungsbildpunkten eines jeweiligen Scanrasters und dem Abstand zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten eines jeweiligen Entfernungsprofils. Auf diese Weise kann ein gleichmäßig aufgelöstes Entfernungsprofil – einen konstant eingestellten Versatz vorausgesetzt – mit einer minimalen Anzahl von Scanrastern aufgenommen werden, d.h. Doppelabtastungen durch zwei nacheinander erzeugte identische Entfernungsbildpunkte oder Lücken durch fehlende Entfernungsbildpunkte werden vermieden. Dies trifft insoweit zu, als dass der Abstand zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten eines jeweiligen Scanrasters nicht beliebig ist, wie nachfolgend genauer erläutert wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform gilt für den Abstand d zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten eines jeweiligen Scanrasters: d = 2·(A + k) – 1.
Hierbei ist A die Anzahl der Entfernungsbildpunkte des Scanrasters und k ein Abstandsfaktor aus der Menge der nichtnegativen ganzen Zahlen, d.h. k = {0, 1, 2, 3, ...}. Der Abstand d ist in Vielfachen des Abstands zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten eines jeweiligen Entfernungsprofils angegeben. Die obige Formel für den Abstand d zwischen benachbarten Scanrasterentfernungsbildpunkten gewährleistet eine hohe Scaneffizienz, indem jeweilige Entfernungsbildpunkte lediglich einmal erzeugt werden, d.h. keine Doppelabtastungen vorgenommen werden. Dies trifft unter der Bedingung zu, dass der Versatz, wie oben erwähnt, gleich dem Produkt der Anzahl von Entfernungsbildpunkten eines jeweiligen Scanrasters und dem Abstand zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten eines jeweiligen Entfernungsprofils ist.
Die Ablenkeinrichtung kann vorteilhafterweise einen Drehspiegel umfassen. Insbesondere umfasst die Ablenkeinrichtung einen um eine Rotationsachse drehbaren Polygonspiegel, der n aufeinanderfolgend von der Sendestrahlung beaufschlagbare, jeweils den gleichen Winkelbereich von zumindest näherungsweise 360°/n abdeckende Ablenkflächen aufweist, wobei bevorzugt n = 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, insbesondere n = 2, 4 oder 6. Mittels der so ausgebildeten Ablenkeinrichtung können Entfernungsprofile unmittelbar hintereinander aufgenommen werden, d.h. ein zwischenzeitliches "Rückspulen" oder Weiterdrehen des Polygonspiegels in eine Startposition ist nicht notwendig. Aus diesem Grund kann einerseits die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels – bei gleicher Scanrate – reduziert werden, und zwar um die Anzahl der Ablenkflächen. Soll beispielsweise ein Winkelbereich von 90° gescannt werden, so kann die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels um den Faktor vier gesenkt werden, wenn statt einer Ablenkfläche vier Ablenkflächen vorgesehen sind. Somit können geringer dimensionierte Antriebsmittel für den Polygonspiegel verwendet werden, wobei die verringerte Drehgeschwindigkeit sich günstig auf die Langlebigkeit der Vorrichtung auswirkt. Andererseits kann die durch den vielflächigen Polygonspiegel realisierte Scaneffizienz auch dazu genutzt werden, die Scanrate zu erhöhen, indem die Drehgeschwindigkeit und die Anzahl der pro Zeiteinheit synchronisiert erzeugten Scanraster erhöht wird.
Vorzugsweise grenzen die Ablenkflächen des Polygonspiegels aneinander. Ferner sind die Antriebsmittel für den Polygonspiegel dazu ausgebildet, diesen gleichmäßig zu drehen, wodurch beschleunigungsbedingte, mechanische Belastungen der Vorrichtung vermieden werden.
Die Ablenkflächen können sich parallel zu der Rotationsachse des Polygonspiegels erstrecken. Hierdurch wird ein Rotieren der nacheinander erzeugten Entfernungsbildpunkte – ein sogenanntes "drehendes Bild" – vermieden. Wären die Ablenkflächen hingegen gegenüber der Rotationsachse des Polygonspiegels angestellt, z.B. mit einem Winkel von 45° zwischen der Ablenkfläche und der Rotationsachse, würden die Entfernungsbildpunkte rotieren. Die Ablenkflächen des Polygonspiegels sind vorzugsweise zumindest abschnittsweise eben ausgebildet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Scanwinkelstellung der Ablenkeinrichtung mittels einer Scanwinkelmesseinrichtung erfassbar. Somit kann die Erzeugung der Scanraster, d.h. die Aktivierung des Senderarrays in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Scanwinkel präzise gesteuert werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Scanwinkelmesseinrichtung einen mit der Ablenkeinrichtung gekoppelten Kodierabschnitt auf, der mit, insbesondere gleichmäßig, beabstandeten Markierungen versehen ist. Ferner ist eine relativ zu dem Kodierabschnitt stationäre Detektionseinrichtung zur Detektion der Markierungen des Kodierabschnitts vorgesehen, wobei die Scanwinkelmesseinrichtung dazu angepasst ist, auf der Grundlage einer oder mehrerer detektierter Markierungen des Kodierabschnitts die Scanwinkelstellung der Ablenkeinrichtung zu erfassen.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Anordnung der Sender in dem Senderarray der Anordnung von Entfernungsbildpunkten in einem jeweiligen Scanraster entsprechen. Die Abbildung der Sender ist hierdurch besonders einfach. Beispielsweise können eine Filteroptik für die von den Sendern ausgesandte Strahlung sowie die Ablenkeinrichtung besonders einfach und kompakt gestaltet werden. Es versteht sich, dass die Anordnungen nicht notwendiger exakt, z.B. im geometrischen Sinne quantitativ, identisch sein müssen. So können die Abstände zwischen den Sendern (bedingt durch optische Filterung und Ablenkung der ausgesandten Strahlungsbündel) von den Abständen zwischen den Entfernungsbildpunkten abweichen. Die Anordnungen können sich also lediglich qualitativ entsprechen. Dies ist jedoch bereits hinreichend, um den Vorteil der einfachen und kompakten Bauform erzielen zu können.
Die Anzahl der Sender kann zwischen 2 und 32, bevorzugt zwischen 2 und 8 liegen. Besonders bevorzugt beträgt die Anzahl der Sender 2 oder 4. Ferner kann der Abstand zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Sendern im Bereich von 1 bis 12 mm liegen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Aufnehmen von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten aufweisenden Entfernungsprofilen, insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß zumindest einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Das Verfahren umfasst, dass elektromagnetische Strahlung mittels einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sendern in einen Aufnahmebereich ausgesendet wird und aus dem Aufnahmebereich reflektierte Strahlung mittels zumindest einer Empfangseinrichtung detektiert wird. Es werden die jeweils einen Entfernungsbildunkt bildenden Entfernungen von Objekten bestimmt, an denen die ausgesandte Strahlung reflektiert wird. Ferner wird Sendestrahlung innerhalb eines Scanwinkelbereichs in einer Scanrichtung abgelenkt, um pro Entfernungsprofil nacheinander mehrere in Scanrichtung gegeneinander versetzte, jeweils das Senderarray abbildende Scanraster von Entfernungsbildpunkten derart zu erzeugen, dass zumindest einige der Entfernungsbildpunkte in Scanrichtung voneinander beabstandet sind.
Gemäß einer Ausführungsform werden nicht alle Entfernungsbildpunkte eines jeweiligen Scanrasters zeitgleich bestimmt. Mit anderen Worten werden zumindest einige der Entfernungsbildpunkte eines jeweiligen Scanrasters zeitlich nacheinander erzeugt. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass einzelne Sender des Senderarrays Strahlungsbündel zur Bestimmung eines jeweiligen Entfernungsbildpunkts zeitlich versetzt aussenden. Die Sender senden also nicht synchron bzw. zeitgleich. Hierdurch kann der Abstand der Entfernungsbildpunkte eines jeweiligen Scanrasters auf eine gewünschte Weise beeinflusst werden. So kann etwa eine – sei es aus herstellungs- oder betriebsbedingten Gründen – ungleichmäßige Beabstandung der (physischen) Sender einfach durch eine entsprechend korrigierte zeitliche Ansteuerung der Sender derart kompensiert werden, dass die Entfernungsbildpunkte eines jeweiligen Scanrasters dennoch gleichmäßig beabstandet sind. Auf diese Weise kann selbstverständlich alternativ auch eine beliebige, jeweils gewünschte ungleichmäßige Beabstandung der Entfernungsbildpunkte realisiert werden. Die entsprechende zeitliche Ansteuerung der Sender kann einfach durch eine Software realisiert werden. Eine aufwändige und schwierige mechanische Verschiebung oder Justage der physischen Sender ist hierbei nicht erforderlich, d.h. die "zeitliche Verschiebung" kann eine "mechanische Verschiebung" ersetzen, wobei im Falle einer Ablenkung der Sendestrahlung durch einen sich drehenden Spiegel dessen Drehgeschwindigkeit zu berücksichtigen ist. Vergleichsweise einfach ist dies, wenn sich der Ablenkspiegel mit einer konstanten Geschwindigkeit dreht. Theoretisch ist die "zeitliche Verschiebung" aber auch dann möglich, wenn die Drehgeschwindigkeit nicht konstant, ihr zeitliches Verhalten aber bekannt ist.
Entsprechende Ansteuerungsschemata können beispielsweise im Zuge einer Kalibrierung der Vorrichtung ermittelt und bei dem bestimmungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung automatisch berücksichtigt werden. Es versteht sich, dass ein Ansteuerungsschema für die Erzeugung aller Scanraster oder lediglich selektiv für bestimmte Scanraster, z.B. in Abhängigkeit des Scanwinkels, berücksichtigt werden kann. Weiterhin muss die Ansteuerung nicht unbedingt derart erfolgen, dass benachbarte Entfernungsbildpunkte jeweils zeitverzögert, d.h. nach Art eines Arpeggios, bestimmt werden. Vielmehr können einzelne Sender unabhängig von ihrer physischen Reihenfolge beliebig angesteuert werden.
Die Vorteile der Erfindung werden auch anhand des folgenden Anwendungsbeispiels deutlich, bei dem die Oberflächen z.B. von Gepäckstücken auf einem Förderband mit einer Auflösung von 2 × 2 cm² abgetastet werden sollen. Die Fördergeschwindigkeit des Förderbandes beträgt 3 Meter pro Sekunde (m/s). Die Rate von zu erzeugenden Entfernungsprofilen (Scanrate) muss in diesem Fall f_Profil = 300 cm/2 cm = 150 Hz betragen. Der Abstand zwischen der Scanvorrichtung und dem Förderband beträgt 5 m. Somit ergibt sich in Scanrichtung (quer zur Förderrichtung) eine erforderliche Winkelauflösung von A = 2 cm / 5 m = 0,004 rad. Jedes Entfernungsprofil soll entsprechend der Breite des Förderbands einen Scanwinkel von 90 Grad = π/2 rad abdecken. Die Anzahl von Entfernungsbildpunkten beträgt somit pro Entfernungsprofil M_Profil = (π/2 rad) / (0,004 rad) ≈ 393. Unter Berücksichtigung der Scanrate müssen also M_Profil · f_Profil = ca. 60.000 Entfernungsbildpunkte pro Sekunde erfasst werden. Ein hierfür verwendeter Sender muss eine Senderate von mindestens 120 kHz aufweisen, da im Betrieb aufgrund zahlreicher nicht verwertbarer Sendepulse die effektive Messrate, d.h. die Rate mit der Entfernungsbildpunkte tatsächlich erfasst werden, in der Regel deutlich unterhalb der Senderate liegt. Heutige Laserdioden besitzen jedoch Senderaten von lediglich bis zu 75 kHz. Werden nun erfindungsgemäß z.B. zwei Laserdioden mit einer jeweiligen Senderate von 75 kHz in Scanrichtung angeordnet, kann die erforderliche Senderate von mindestens 120 kHz realisiert werden, da effektiv jeweils zwei in Scanrichtung voneinander beabstandete Entfernungsbildpunkte des Entfernungsprofils gleichzeitig erfasst werden können. Gleichzeitig kann die Drehgeschwindigkeit der Ablenkeinrichtung, die bei Verwendung lediglich einer Ablenkfläche gleich der Scanrate ist, um die Anzahl der Ablenkflächen der Ablenkeinrichtung gesenkt werden. So muss die Drehgeschwindigkeit eines Polygonspiegels mit 4 Ablenkflächen lediglich 35,5 Hz betragen.
Es versteht sich, dass die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung nicht auf die im obigen Anwendungsbeispiel genannten Kennwerte begrenzt ist. So kann die Erfindung auch für deutlich leistungsfähigere Scanvorrichtungen verwendet werden. Beispielsweise kann in dem Anwendungsbeispiel auch eine feinere Auflösung von 21 × 1 cm erzielt werden, wobei eine entsprechend höhere Scanrate von f_Profil = 300 Hz sowie eine Senderate von 240 kHz mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung problemlos realisiert werden können.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben, insbesondere zur Selbstdiagnose, einer Vorrichtung zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten aufweisenden Entfernungsprofilen, insbesondere einer Aufnahmevorrichtung der hier beschriebenen Art, bei dem die Entfernungsprofile aufgenommen werden, indem elektromagnetische Strahlung mittels einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sendern in einen Aufnahmebereich ausgesendet wird, aus dem Aufnahmebereich reflektierte Strahlung mittels zumindest einer Empfangseinrichtung detektiert wird, die jeweils einen Entfernungsbildunkt bildenden Entfernungen von Objekten bestimmt werden, an denen die ausgesandte Strahlung reflektiert wird, und die Sendestrahlung innerhalb eines Scanwinkelbereichs in einer Scanrichtung ablenkt wird, um pro Entfernungsprofil nacheinander mehrere in Scanrichtung gegeneinander versetzte, jeweils das Senderarray abbildende Scanraster von Entfernungsbildpunkten derart zu erzeugen, dass zumindest einige der Entfernungsbildpunkte in Scanrichtung voneinander beabstandet sind, und bei dem, insbesondere mehrmals in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen, von zumindest zwei unterschiedlichen Sendern stammende Entfernungsbildpunkte und/oder Mengen von Entfernungsbildpunkten miteinander verglichen werden und eine außerhalb einer vorgebbaren oder vorgegebenen Toleranz liegende Abweichung als ein nicht bestimmungsgemäßer Zustand, insbesondere als eine Störung oder ein Fehler, behandelt wird.
Hierbei wird der Umstand ausgenutzt, dass aufgrund der Mehrzahl von Sendern gewissermaßen mehrere parallel arbeitende "Einzel-Entfernungsmesser" vorhanden sind und daher folglich automatisch eine Redundanz gegeben ist, die dazu genutzt werden kann, einen nicht bestimmungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung zu erkennen. Dieser kann z.B. darin begründet liegen, dass einer der Sender oder – wenn jedem Sender ein eigener Empfänger zugeordnet ist – einer der Empfänger nicht richtig arbeitet oder ein wie auch immer gearteter elektronischer Fehler vorliegt. Das Vorliegen einer solchen Störung gleichzeitig bei beiden "Einzel-Entfernungsmessern" ist extrem unwahrscheinlich, weshalb im Falle einer durch den Vergleich erkannten Abweichung auf eine Störung in einem der beiden "Einzel-Entfernungsmesser" geschlossen werden kann.
Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, dass bei einer Aufnahmevorrichtung, die mehrere Sender bzw. Einzel-Entfernungsmesser beinhaltet, diese nicht nur zur Verbesserung der Scangeschwindigkeit und der Auflösung, sondern gleichzeitig praktisch ohne Mehraufwand auch für eine Selbstdiagnose oder eine Sicherheitsfunktion verwendet werden können.
Damit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, da im Falle einer erkannten Störung die Vorrichtung dies signalisieren oder melden kann oder eine andere, wie auch immer geartete Sicherheitsmaßnahme ergreifen kann. Die Sicherheit der Aufnahmevorrichtung oder einer mit deren Hilfe betriebenen größeren Einrichtung wie z.B. eines Vermessungssystems, eines Fahrzeug oder einer Transport- oder Handhabungseinrichtung wie beispielsweise eines Kranes kann auf diese Weise zuverlässig hergestellt werden.
Von Vorteil ist, dass der Vergleich der Entfernungsbildpunkte, d.h. der entsprechenden Messwerte, parallel zum normalen Aufnahmebetrieb erfolgen kann und lediglich softwaremäßig implementiert zu werden braucht.
Erfindungsgemäße kann ein jeweiliger Vergleich z.B. innerhalb eines Scanrasters oder innerhalb eines Entfernungsprofils erfolgen. Im letzteren Fall können in dem Entfernungsprofil einige oder – bevorzugt – alle Entfernungsbildpunkte eines Senders als ein Teil- oder Unterprofil bezeichnet werden, das mit einem Teil- oder Unterprofil verglichen wird, das von einigen oder – bevorzugt – allen Entfernungsbildpunkten eines anderen Senders gebildet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen:
1 eine Vorrichtung zur Aufnahme von Entfernungsprofilen mit zwei Sendern und zwei Empfängern zeigt;
2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Aufnahme von Entfernungsprofilen mit vier Sendern und vier Empfängern ist;
3a eine schematische Darstellung eines Kodierabschnitts einer Scanwinkelmesseinrichtung für die Vorrichtung von 1 ist;
3b eine schematische Darstellung mehrerer gegeneinander versetzter Scanraster ist;
4 eine schematische Darstellung von nacheinander erzeugten Scanrastern der Länge 2 und ein resultierendes Entfernungsprofil ist;
5 eine schematische Darstellung von nacheinander erzeugten Scanrastern der Länge 2 und ein resultierendes Entfernungsprofil ist;
6 eine schematische Darstellung von nacheinander erzeugten Scanrastern der Länge 3 und ein resultierendes Entfernungsprofil ist;
7 eine schematische Darstellung von nacheinander erzeugten Scanrastern der Länge 3 und ein resultierendes Entfernungsprofil ist;
8 eine schematische Darstellung von nacheinander erzeugten Scanrastern der Länge 4 und ein resultierendes Entfernungsprofil ist.
In 1 ist eine Vorrichtung 10 gezeigt, die zwei in einem Array 30 angeordnete Sender 32 ("LM1" und "LM2)" und eine Empfangseinrichtung 36 aufweist. Die Empfangseinrichtung 36 umfasst zwei in einem Array 38 angeordnete Empfänger 40 ("RM1" und "RM2"). Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Ablenkeinrichtung 42 mit einem um eine Rotationsachse 16 drehbaren Polygonspiegel 44 mit vier eben ausgebildeten und parallel zur Rotationsachse 16 verlaufenden Ablenkflächen 11 (in 1 lediglich zwei Ablenkflächen 11 sichtbar). Die Ablenkflächen 11 stehen jeweils senkrecht aufeinander. Der Polygonspiegel 44 ist durch ein Antriebsmittel 14 drehbar. Zur Messung der Drehwinkelstellung des Polygonspiegels 44 ist ein Winkelencoder 15 vorgesehen, dessen Funktionsweise weiter unten noch genauer erläutert wird.
Bei den Sendern 32 handelt es sich beispielhaft um Laserdioden, insbesondere GaAs-Laserdioden, die jeweils dazu ausgebildet sind, Strahlungsbündel 12 (Laserpulse) in einen Aufnahmebereich 46 auszusenden. Mittels der Strahlungsbündel 12 werden in dem Aufnahmebereich 46 jeweilige Entfernungsbildpunkte 17, 18 ermittelt, und zwar durch jeweilige Messung der Laufzeit des Strahlungsbündels 12 eines Senders 32 in den Aufnahmebereich 46 und eines jeweiligen reflektierten Strahlungsbündels 13 zu einem Empfänger 40 (LM1 zu RM1 und LM2 zu RM2).
Ein Entfernungsbildpunkt 17, 18 ist ein jeweiliger Punkt (Reflexionspunkt) im Aufnahmebereich 46, an dem ein betreffendes Strahlungsbündel 12 reflektiert wird. Mathematisch wird ein Entfernungsbildpunkt 17, 18 durch (i) den Abstand zwischen der Vorrichtung 10 und dem Reflexionspunkt im Aufnahmebereich 46 und (ii) die bei Aussendung des Strahlungsbündels 12 eingestellte Drehwinkelstellung des Polygonspiegels 44 beschrieben. Im Folgenden wird stets von "Entfernungsbildpunkten" gesprochen, wobei hiermit sowohl der jeweilige Reflexionspunkt im Aufnahmebereich 46, als auch dessen Abbildung bzw. mathematische Beschreibung gemeint ist.
In 1 ist beispielhaft die Erzeugung von jeweiligen Scanrastern 19 dargestellt, welche ein jeweiliges Paar von Entfernungsbildpunkten 17, 18 umfassen, an denen die gezeigten Strahlungsbündel 12 enden und in die reflektierten Strahlungsbündel 13 übergehen. Das in 1 explizit bezeichnete Scanraster 19 ist Teil eines Entfernungsprofils 54, welches in 1 zum Teil dargestellt ist. Das Entfernungsprofil 54 wird durch Erzeugen von mehreren gegeneinander versetzten Scanrastern 19 erzeugt, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird. Der Versatz zwischen den Scanrastern 19 erfolgt in einer Scanrichtung 56 und wird durch Drehen des Polygonspiegels 44 herbeigeführt.
Die Strahlungsbündel 12, 13 sind in 1 lediglich durch eine jeweilige Linie angedeutet. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich die Strahlungsbündel 12, 13 optisch auf diese Linien beschränken. Vielmehr können insbesondere die ausgesandten Strahlungsbündel 12 ausgehend vom Sender 32 divergieren und eine nicht vernachlässigbare Breite bzw. "Spotgröße" aufweisen. Dies ist insbesondere durch die oval geformten Entfernungsbildpunkte 17, 18 angedeutet. Es versteht sich, dass die Entfernungsbildpunkte 17, 18 lediglich beispielhaft gezeigt sind und nicht der tatsächlichen Größe oder Form entsprechen müssen.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner ein optisches System 48 mit einer Sendelinse 50 und einer Empfangslinse 52. Es versteht sich, dass das optische System 48 auch anders ausgebildet und insbesondere durch eine gemeinsame Sende- und Empfangslinse (nicht gezeigt) gebildet sein kann. Des Weiteren kann die Vorrichtung 10 noch weitere, nicht gezeigte Elemente umfassen, beispielsweise ein Gehäuse mit einem Fenster, durch das die Strahlungsbündel 12, 13 in das Gehäuse eindringen bzw. austreten können.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Vorrichtung 10 (nicht gezeigt) zur Aufnahme von Entfernungsprofilen 54, wobei abweichend zu der Vorrichtung 10 von 1 vier Sender 32 (LM1 bis LM4) und vier Empfänger 40 (RM1 bis RM4) vorgesehen sind. Das Senderarray 30, die Empfangseinrichtung 38, die Antriebsmittel 14 für die Ablenkeinrichtung 42 sowie der Winkelencoder 15 sind mit einer Steuerungseinrichtung 57 verbunden. Zwischen der Empfangseinrichtung 38 und der Steuerungseinrichtung 57 ist eine Auswerteeinrichtung 58 geschaltet, welche vier Auswertemodule 60 (TMC1 bis TMC4) umfasst. Jedes Auswertemodul 60 (TMC: Time Measurement Channel) ist dazu ausgebildet, die Laufzeit zwischen dem Aussenden eines Strahlungsbündels 12 und dem Empfang des reflektierten Strahlungsbündels 13 für ein jeweiliges Paar aus Sender 32 und Empfänger 40 zu ermitteln. Aus der Laufzeit kann dann die Entfernung des jeweiligen Entfernungsbildpunkts 17, 18 bestimmt werden.
3a und 3b dienen zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der Drehstellung des Polygonspiegels 44 der Ablenkeinrichtung 42 und der Erzeugung von Scanrastern 19 durch die Sender 32. In 3a ist schematisch ein Kodierabschnitt 62 des Winkelencoders 15 von 1 gezeigt. Der Kodierabschnitt 62 umfasst eine Folge von gleichmäßig beabstandeten Markierungen 64, welche umlaufend um die Rotationsachse 16 des Winkelencoders 15 angeordnet sind. Der Kodierabschnitt 62 ist mit dem Polygonspiegel 44 gekoppelt, sodass sich der Kodierabschnitt 62 stets gemeinsam mit dem Polygonspiegel 44 dreht.
Die Anzahl von Markierungen 64 kann in Abhängigkeit eines gewünschten Abstands zwischen den Entfernungsbildpunkten 17, 18 eines jeweiligen Entfernungsprofils 19 angepasst sein. Beispielsweise kann der Kodierabschnitt 62 8.000 Markierungen 64 aufweisen, die mittels einer nicht gezeigten optischen Detektionseinrichtung detektiert werden können. Somit könnte der Encoder 15 den Winkel mit einer Auflösung von 360°/8.000 = 0,045° pro Markierung messen. Mittels einer X-Or Logik kann die Auflösung vervierfacht werden, d.h. der Encoder 15 kann dann den Winkel mit einer Genauigkeit von 0,01125° messen.
In Abhängigkeit des durch den Encoder 15 gemessenen Drehwinkels können nun einzelne Strahlungsbündel 12 erzeugt werden. Aufgrund der Auflösung des Encoders 15 ergibt sich ein minimaler Abstand zwischen nacheinander erzeugbaren Strahlungsbündeln 12 bzw. Entfernungsbildpunkten 17, 18. Dieser minimale Abstand wird als minimale Schrittweite 22 bezeichnet und ist in 3b eingezeichnet. Die minimale Schrittweite 22 ist tatsächlich wegen der Reflexion der Strahlungsbündel 12 am Polygonspiegel 44 doppelt so groß wie die vorstehend erwähnte Encoder-Genauigkeit von 0,01125°, beträgt also 0,02250°.
In 3b ist ein Teil des Kodierabschnitts 62 begradigt und vergrößert dargestellt. In Abhängigkeit der Winkelstellung des Polygonspiegels 44 bzw. des Kodierabschnitts 62 werden nun die jeweils ein Paar aus Entfernungsbildpunkten 17, 18 umfassenden Scanraster 19 nacheinander erzeugt (siehe Zeitachse 66), d.h. für jede einer jeweiligen Markierung 64 entsprechende Drehstellung des Polygonspiegels 44 werden die beiden Sender 32 gleichzeitig aktiviert, um jeweils einen Sendepuls auszusenden. In dem in 3b dargestellten Fall beträgt der Abstand 23 zwischen zwei nacheinander erzeugten Scanrastern 19, d.h. der Versatz, zwei Schritte bzw. Markierungen 64, d.h. das Zweifache der Schrittweite 22. Der Abstand 24 zwischen den Entfernungsbildpunkten 17, 18 eines jeweiligen Scanrasters 19 beträgt fünf Schritte.
In 4 bis 8 ist jeweils ein Schema 68 dargestellt, das die Aufnahme eines jeweiligen Entfernungsprofils 54 verdeutlicht. In 4 wird oben links beginnend zunächst ein erstes Scanraster 19' mit zwei Entfernungsbildpunkten x und 0 erzeugt, wobei der Entfernungsbildpunkt x dem Entfernungsbildpunkt 18, und der Entfernungsbildpunkt 0 dem Entfernungsbildpunkt 17 aus 1 entsprechen kann. Die erzeugten Entfernungsbildpunkte x, 0 werden für das Entfernungsprofil 54 abgespeichert, welches an der rechten Seite des Schemas 68 dargestellt ist und sich von oben in vertikaler Richtung nach unten erstreckt. Nun wird der Drehspiegel 44 zwei Schrittweiten 22 bzw. Markierungen 64 weiter gedreht und ein weiteres Scanraster 19'' erzeugt, dessen Entfernungsbildpunkte x, 0 wieder abgespeichert werden. Dieses weitere Scanraster 19'' ist in Scanrichtung 56 um zwei Schrittweiten 22 versetzt (Abstand 23). Der Abstand 24 der Entfernungsbildpunkte x, 0 eines Scanrasters 19 beträgt jedoch drei Schrittweiten 22, sodass die nacheinander erzeugten Scanraster 19', 19'' einander überlappen bzw. ineinander verschränkt sind, wobei die Entfernungsbildpunkte x, 0 in unterschiedlichen Rastpunkten liegen. In zeitlicher Hinsicht wird hierbei der Entfernungsbildpunkt x des Scanrasters 19'' nach dem Entfernungsbildpunkt 0 des Scanrasters 19' erzeugt, obwohl dieser Entfernungsbildpunkt 0 in Scanrichtung 56 vor dem später erzeugten Bildpunkt x des Scanrasters 19'' liegt. Die zeitliche Reihenfolge der Entfernungsbildpunkte x, 0 entspricht also teilweise nicht der räumlichen Reihenfolge der Entfernungsbildpunkte x, 0 in Scanrichtung 56 des resultierenden Entfernungsprofils 54.
Es werden nun mit konstantem Versatz weitere Scanraster 19 erzeugt und abgespeichert, bis ein gewünschter Scanwinkelbereich (nicht dargestellt) vollständig abgetastet worden ist. Anschließend werden alle abgespeicherten Entfernungsbildpunkte x, 0 zu dem Entfernungsprofil 54 zusammengesetzt. Wie in 1 gut zu erkennen ist, sind die Entfernungsbildpunkte x, 0 bis auf einen Anfangs- und Endbereich gleichmäßig voneinander beabstandet, und zwar jeweils mit dem Abstand einer Schrittweite 22. Die weiter beabstandeten Entfernungsbildpunkte x, 0 an den Enden des Entfernungsprofils 54 können vernachlässigt oder von der Bestimmung eines eigentlich interessierenden Aufnahmeprofils ausgeschlossen werden.
Damit keine Entfernungsbildpunkte x, 0 doppelt erzeugt werden oder Lücken im Entfernungsprofil 54 entstehen, ist der Versatz zwischen den Scanrastern 19 auf die Anzahl von Entfernungsbildpunkten x, 0 pro Scanraster 19 in der Einheit der Schrittweite 22 eingestellt, in 1 also auf zwei Schrittweiten 22. Der Abstand 24 zwischen den Entfernungsbildpunkten x, 0 des Scanrasters 19 beträgt in 1, wie erwähnt, drei Schrittweiten 22. Dieser Abstand 24 kann erhöht werden, z.B. um einem optischen Übersprechen zwischen den die Entfernungsbildpunkte x, 0 eines einzelnen Scanrasters 19 erzeugenden Strahlungsbündel 12, 13 entgegenzuwirken. Auch ist es dann möglich, die Laserdioden 32 und Empfangsdioden 40 physikalisch nebeneinander anzuordnen zu können. Hierzu kann die Formel d = 2·(A + k) – 1 eingesetzt werden, wobei A die Anzahl der Entfernungsbildpunkte x, 0 des Scanrasters 19 und k ein Abstandsfaktor aus der Menge der nichtnegativen ganzen Zahlen ist. In 1 gilt für den Abstand 24: d = 2·(2 + 0) – 1 = 3.
Das Schema 68 von 5 zeigt ebenfalls die Aufnahme eines Entfernungsprofils 54 mit Scanrastern 19, welche jeweils zwei Entfernungsbildpunkte x, 0 umfassen. Der Abstand 24 beträgt hier jedoch fünf Schrittweiten 22, der Versatz beträgt zwei Schrittweiten 22. Dieser Abstand 24 ergibt sich aus der obigen Formel für den Abstandsfaktor k = 1, d.h. d = 2·(2 + 1) – 1 = 5. Wie das Entfernungsprofil 54 in 5 verdeutlicht, sind zu Anfang und zum Ende des Scanvorgangs für das Entfernungsprofil 54 jeweils zwei Entfernungsbildpunkte x, 0 vorhanden, die mit zwei Schrittweiten 22 voneinander beabstandet sind. Diese können analog zu den äußeren Entfernungsbildpunkten x, 0 des Entfernungsprofils 54 von 4 vernachlässigt bzw. weggelassen werden.
Das Schema 68 von 6 zeigt die Aufnahme eines Entfernungsprofils 54 für den Fall von drei Sendern 32 (LM1, LM2, LM3) und drei Empfängern (RM1, RM2, RM3), die einen jeweiligen Entfernungsbildpunkt x, 0, ☐, erzeugen. Der Abstand 24 zwischen den Entfernungsbildpunkten x, 0, ☐ eines jeweiligen Scanrasters 19 beträgt fünf Schrittweiten 22, wie sich für k = 0 aus der Formel d = 2·(3 + 0) – 1 = 5 ergibt. Der Versatz 23 ergibt sich aus der Anzahl der Entfernungsbildpunkte bzw. der Sender 32 zu drei Schrittweiten 22.
Das Schema 68 von 7 entspricht dem Fall von 6, wobei abweichend der Abstand 24 mit dem Abstandsfaktor k = 1 gemäß der Formel d = 2·(3 + 1) – 1 = 7 Schrittweiten 22 beträgt.
Das Schema 68 von 8 zeigt die Aufnahme eines Entfernungsprofils mit vier Sendern 32 (LM1, LM2, LM3, LM4), d.h. mit einem jeweiligen Scanraster 19, welches vier Entfernungsbildpunkte x, 0, ☐, # erzeugt. Der Abstand 24 zwischen den Entfernungsbildpunkten beträgt d = 2·(4 + 0) – 1 = 7 Schrittweiten 22. Der Versatz 23 beträgt entsprechend der Anzahl der Sender 32 vier Schrittweiten 22.
Ein Vergleich der Schemata 68 von 4 bis 8 zeigt einerseits, dass die Scangeschwindigkeit erhöht werden kann, indem die Anzahl der Entfernungsbildpunkte x, 0, ☐, # pro Scanraster 19 erhöht wird. Andererseits erhöht sich damit auch die Anzahl der Lücken zwischen den äußeren Entfernungsbildpunkten x, 0, ☐, # des Entfernungsprofils 54, d.h. es müssen vergleichsweise mehr Scanraster 19 erzeugt werden, bis die Entfernungsbildpunkte x, 0, ☐, # des Entfernungsprofils 54 gleichmäßig mit der Schrittweite 22 beabstandet sind. Dieser Effekt besteht auch im Zusammenhang mit dem Abstandsfaktor k, d.h. je größer k gewählt wird, desto mehr Scanraster 19 müssen aufgenommen werden, bis die "Schrittweitenauflösung" erreicht ist. Vor dem Hintergrund dieses Effekts kann die Anzahl von Entfernungsbildpunkten pro Entfernungsprofil 54 ausreichend hoch gewählt werden, z.B. ca. 1.000 Entfernungsbildpunkte. In den meisten Anwendungsfällen können dann die Lücken zwischen den äußeren Entfernungsbildpunkten vernachlässigt werden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
11: Ablenkfläche
12: gesendetes Strahlungsbündel
13: empfangenes Strahlungsbündel
14: Antriebsmittel
15: Winkelencoder
16: Rotationsachse
17: Entfernungsbildpunkt
18: Entfernungsbildpunkt
19: Scanraster
22: Schrittweite
23: Versatz
24: Abstand
30: Laser-Array
32: Sender
36: Empfangseinrichtung
38: Empfänger-Array
40: Empfänger
42: Ablenkeinrichtung
44: Polygonspiegel
46: Aufnahmebereich
48: Optisches System
50: Sendelinse
52: Empfängerlinse
54: Entfernungsprofil
56: Scanrichtung
57: Steuerungseinrichtung
58: Auswerteeinrichtung
60: Auswertemodul
62: Kodierabschnitt
64: Markierung
66: Zeitachse
68: Schema

Claims

Vorrichtung (10) zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten (17, 18) aufweisenden Entfernungsprofilen (54), umfassend eine Mehrzahl von in einem Array (30) angeordneten Sendern (32) jeweils zur Aussendung von elektromagnetischer Strahlung (12) in einen Aufnahmebereich (46), zumindest eine Empfangseinrichtung (36) zur Detektion von aus dem Aufnahmebereich (46) reflektierter Strahlung (13), eine Auswerteeinrichtung (58) zum Bestimmen der jeweils einen Entfernungsbildunkt (17, 18) bildenden Entfernungen von Objekten, an denen die ausgesandte Strahlung (12) reflektiert wird, und eine Ablenkeinrichtung (42), welche die Sendestrahlung (12) innerhalb eines Scanwinkelbereichs in einer Scanrichtung (56) ablenkt, um pro Entfernungsprofil (54) nacheinander mehrere in Scanrichtung (56) gegeneinander versetzte, jeweils das Senderarray (30) abbildende Scanraster (19) von Entfernungsbildpunkten (17, 18) zu erzeugen, wobei in den Scanrastern (19) jeweils zumindest einige der Entfernungsbildpunkte (17, 18) in Scanrichtung (56) voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges Scanraster (19) eine maximale Längsausdehnung (24) in Scanrichtung (56) und eine maximale Querausdehnung senkrecht zur Längsausdehnung (24) aufweist, wobei die Querausdehnung kleiner, insbesondere um ein Vielfaches kleiner, ist als die Längsausdehnung (24).
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem jeweiligen Scanraster (19) die Entfernungsbildpunkte (17, 18) auf einer Geraden liegen, die zumindest im Wesentlichen parallel zu der Scanrichtung (56) verläuft.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsbildpunkte (17, 18) eines jeweiligen Scanrasters (19) gleichmäßig beabstandet sind.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (24) zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten (17, 18) eines jeweiligen Scanrasters (19) größer oder gleich der maximalen Breite der von den Sendern (32) ausgesandten Strahlungsbündel (12) ist.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Scanraster (19) eines jeweiligen Entfernungsprofils (54) einander überlappen.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsbildpunkte (17, 18) eines jeweiligen Entfernungsprofils (54) gleichmäßig beabstandet sind.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (24) zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten (17, 18) eines jeweiligen Scanrasters (19) größer ist als der Abstand (22) zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten (17, 18) eines jeweiligen Entfernungsprofils (54).
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (23) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Scanrastern (19) gleich dem Produkt der Anzahl von Entfernungsbildpunkten (A) eines jeweiligen Scanrasters (19) und dem Abstand (22) zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten (17, 18) eines jeweiligen Entfernungsprofils (54) ist.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den – in Vielfachen des Abstands zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten eines jeweiligen Entfernungsprofils angegebenen – Abstand d zwischen benachbarten Entfernungsbildpunkten (17, 18) eines jeweiligen Scanrasters (19) gilt: d = 2·(A + k) – 1, wobei A die Anzahl der Entfernungsbildpunkte (17, 18) des Scanrasters (19) und k ein Abstandsfaktor aus der Menge der nichtnegativen ganzen Zahlen ist.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung (42) einen um eine Rotationsachse (16) drehbaren Polygonspiegel (44) umfasst, der n aufeinanderfolgend von der Sendestrahlung (12) beaufschlagbare, jeweils den gleichen Winkelbereich von zumindest näherungsweise 360°/n abdeckende Ablenkflächen (11) aufweist, wobei bevorzugt n = 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, insbesondere n = 2, 4 oder 6.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ablenkflächen (11) parallel zu der Rotationsachse (16) des Polygonspiegels (44) erstrecken.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanwinkelstellung der Ablenkeinrichtung (42) mittels einer Scanwinkelmesseinrichtung (15) erfassbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanwinkelmesseinrichtung (15) einen mit der Ablenkeinrichtung (42) gekoppelten Kodierabschnitt (62) aufweist, wobei der Kodierabschnitt (62) mit, insbesondere gleichmäßig, beabstandeten Markierungen (64) versehen ist, wobei die Scanwinkelmesseinrichtung (15) eine relativ zu dem Kodierabschnitt stationäre Detektionseinrichtung zur Detektion der Markierungen (64) des Kodierabschnitts (62) aufweist, wobei die Scanwinkelmesseinrichtung (15) dazu angepasst ist, auf der Grundlage einer oder mehrerer detektierter Markierungen (64) des Kodierabschnitts (62) die Scanwinkelstellung der Ablenkeinrichtung (42) zu erfassen.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Sender (32) in dem Senderarray (30) der Anordnung von Entfernungsbildpunkten (17, 18) in einem jeweiligen Scanraster (19) entspricht.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Sender (32) zwischen 2 und 32, vorzugsweise zwischen 2 und 8, besonders bevorzugt 2 oder 4 beträgt, und/oder dass der Abstand zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Sendern im Bereich von 1 bis 12 mm liegt, insbesondere etwa 6 mm beträgt.
Verfahren zum Aufnehmen von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten (17, 18) aufweisenden Entfernungsprofilen (54), insbesondere mittels einer Vorrichtung (10) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem elektromagnetische Strahlung (12) mittels einer Mehrzahl von in einem Array (30) angeordneten Sendern (32) in einen Aufnahmebereich (46) ausgesendet wird, aus dem Aufnahmebereich (46) reflektierte Strahlung (13) mittels zumindest einer Empfangseinrichtung (36) detektiert wird, die jeweils einen Entfernungsbildunkt (17, 18) bildenden Entfernungen von Objekten bestimmt werden, an denen die ausgesandte Strahlung (12) reflektiert wird, und die Sendestrahlung (12) innerhalb eines Scanwinkelbereichs in einer Scanrichtung (56) ablenkt wird, um pro Entfernungsprofil (54) nacheinander mehrere in Scanrichtung (56) gegeneinander versetzte, jeweils das Senderarray (30) abbildende Scanraster (19) von Entfernungsbildpunkten (17, 18) derart zu erzeugen, dass zumindest einige der Entfernungsbildpunkte (17, 18) in Scanrichtung (56) voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass nicht alle Entfernungsbildpunkte (17, 18) eines jeweiligen Scanrasters (19) zeitgleich bestimmt werden.
Verfahren zum Betreiben, insbesondere zur Selbstdiagnose, einer Vorrichtung zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten (17, 18) aufweisenden Entfernungsprofilen (54), insbesondere einer Vorrichtung (10) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Entfernungsprofile (54) aufgenommen werden, indem elektromagnetische Strahlung (12) mittels einer Mehrzahl von in einem Array (30) angeordneten Sendern (32) in einen Aufnahmebereich (46) ausgesendet wird, aus dem Aufnahmebereich (46) reflektierte Strahlung (13) mittels zumindest einer Empfangseinrichtung (36) detektiert wird, die jeweils einen Entfernungsbildunkt (17, 18) bildenden Entfernungen von Objekten bestimmt werden, an denen die ausgesandte Strahlung (12) reflektiert wird, und die Sendestrahlung (12) innerhalb eines Scanwinkelbereichs in einer Scanrichtung (56) ablenkt wird, um pro Entfernungsprofil (54) nacheinander mehrere in Scanrichtung (56) gegeneinander versetzte, jeweils das Senderarray (30) abbildende Scanraster (19) von Entfernungsbildpunkten (17, 18) derart zu erzeugen, dass zumindest einige der Entfernungsbildpunkte (17, 18) in Scanrichtung (56) voneinander beabstandet sind, und bei dem, insbesondere mehrmals in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen, von zumindest zwei unterschiedlichen Sendern (32) stammende Entfernungsbildpunkte (17, 18) und/oder Mengen von Entfernungsbildpunkten (17, 18) miteinander verglichen werden und eine außerhalb einer vorgebbaren oder vorgegebenen Toleranz liegende Abweichung als ein nicht bestimmungsgemäßer Zustand, insbesondere als eine Störung oder ein Fehler, behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Vergleich innerhalb eines Scanrasters (19) oder innerhalb eines Entfernungsprofils (54) erfolgt.