DE4315077A1 - Optische Sende- und Empfangs-Abtastvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zum Aussenden eines Laserstrahls und zum Empfang eines zurückgestrahlten Laserstrahls beispielsweise im Inneren eines "Lidar" (von "Light Detection And Ranging") genannten optischen Instruments, das bekanntlich dem Radar im Bereich der optischen Wellenlängen (gewöhnlich zwischen 0,1 und 15 µm oder mehr) entspricht.

Lidare können insbesondere in der Raumfahrt oder in anderen Bereichen zur Messung von atmosphärischen oder Entfernungspa­ rametern verwendet werden. Allgemeiner gestatten Lidare die Charakterisierung großer und sehr ausgedehnter Fluidmassen durch Kompilation von Ergebnissen der Messung von ausgewähl­ ten Parametern, die an mehreren Zonen dieser Masse durch eine Abtastvorrichtung durchgeführt wird.

Ein solches Lidar 1 ist in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Es umfaßt:

• - eine Laserquelle 2 mit der Emissionsachse X-X,
• - ein Teleskop 3 mit der zur Achse X-X koplanaren opti­ schen Achse Y-Y, das schematisch durch einen Block mit einer konkaven reflektierenden Fläche 4 dargestellt ist, dessen Achse mit der optischen Achse Y-Y zusammenfällt und in dessen Brennpunkt ein Detektor von jedem beliebigen geeigneten bekannten Typ angeordnet ist, der von einer schematisch mit 5A dargestellten Tragstruktur getragen wird,
• - einen Umlenkspiegel 6, der an der Schnittstelle der Achsen X-X und Y-Y angeordnet ist und zu deren Winkelhalbie­ renden senkrecht ist, so daß er einen von der Quelle 2 gesen­ deten Strahl auf die dem Teleskop 3 entgegengesetzte Seite in die Achse Y-Y umlenkt,
• - einen Abtastspiegel 7, der unter der Einwirkung eines schematisch mit 8 dargestellten Motors um eine mit der Achse des Teleskops zusammenfallenden Drehachse drehbar montiert ist und die Achse Y-Y bezüglich des Umlenkspiegels auf der dem Teleskop entgegengesetzten Seite schneidet, so daß der von der Laserquelle 2 gesendete und durch den Umlenkspiegel umgelenkte Laserstrahl auf diesen auftrifft.

In der Praxis ist die Emissionsachse der Laserquelle 2 bezüglich der optischen Achse des Teleskops in einem Winkel von 90° angeordnet und der Abtastspiegel ist bezüglich dieser Achse in einem Winkel von 45° angeordnet, so daß der Laserstrahl bei seiner (kontinuierlichen oder hin- und hergehenden) Drehbewegung in einer quer zur optischen Achse angeordneten Ebene ausgesendet werden kann (man spricht hierbei von Querabtastung) und ein Rückstrahl in dieser selben Ebene empfangen werden kann, um der reflektierenden Oberfläche des Teleskops zugeleitet zu werden.

Es ist also nur der Abtastspiegel beweglich, während die an­ deren Elemente bezüglich eines Trägers, beispielsweise einer Plattform eines Weltraumfahrzeugs (nicht dargestellt), das sich auf einer Umlaufbahn um einen Planeten wie der Erde be­ findet, feststehend sind.

Fig. 1 zeigt die Sendung eines Laserimpulses, während Fig. 2 dem Empfang eines beispielsweise von der Erdatmosphäre reflektierten Rückstrahls entspricht.

Die Kompensation des Verzögerungswinkels, der durch die Dre­ hung des Abtastspiegels zwischen dem Moment, an dem der durch den Abtastspiegel abgelenkte Laserimpuls das Instrument ver­ läßt, und dem Moment erzeugt wird, an dem ein rückkehrender Impuls in das Instrument eintritt, um von dem Abtastspiegel auf das Teleskop zu reflektiert zu werden, ist in den schematischen Darstellungen in der Fig. 1 bis 3 nicht berücksichtigt. Diese Kompensation wird beispielsweise durch eine entsprechende Vorneigung der Emissionsachse der Laser­ quelle bezüglich der Richtung erreicht, die man ihr verleihen müßte, wenn der Abtastspiegel zwischen der Sendung und dem Empfang feststehend bliebe. Dieser Aspekt gehört an sich nicht zur Erfindung und wird deshalb hier nicht ausführlicher erläutert.

Damit der Laserstrahl (genau genommen handelt es sich in der Praxis um eine Folge von Laserimpulsen) auf einer Kegelfläche oder sogar in einer gemeinsamen Ebene bleibt (im oben erwähnten Fall einer Querabtastung), muß der von der Quelle gesendete Strahl auf den Abtastspiegel in dessen Mitte auftreffen. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ergeben sich jedoch bei der Reflexion des gesendeten Strahls durch den mittleren Bereich des Abtastspiegels Störlichtprobleme, indem von diesem mittleren Bereich Störstrahlen reflektiert werden, die in alle Richtungen, insbesondere auf die reflektierende Oberfläche des Teleskops und dann auf den Detektor 5 zu gerichtet sind.

Dieser Störfluß ist schwer einzuschätzen (er hängt insbeson­ dere von der Diffusionsindikatrix des Spiegels und von den stets unvollständigen Schutzeinrichtungen des Teleskops gegen Störlichteintritte ab). Er kann jedoch so groß sein, daß der Detektor des Teleskops gesättigt wird, da dieser normaler­ weise in Abhängigkeit von dem erwarteten Lichtrückfluß dimen­ sioniert ist, der um mehrere Größenordnungen kleiner als der ausgesendete Lichtfluß ist.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile durch eine Konfi­ gurierung des Sende- und Empfangs-Abtastinstruments zu besei­ tigen, durch die der Störiichtfluß, der den Detektor errei­ chen kann, minimiert wird, ohne daß dadurch die Qualität der Abtastung beeinträchtigt wird.

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß eine optische Sende- und Empfangsvorrichtung vorgeschlagen, bestehend aus einer opti­ schen Quelle, die einen Primärstrahl in einer Emissionsachse aussenden kann, einem Umlenkspiegel, der in der Emissions­ achse angeordnet ist, so daß er den Primärstrahl schneidet und ihn zu einem abgelenkten Strahl ablenkt, einem Teleskop, das eine optische Achse und in dieser Achse einen Detektor besitzt, und einem Abtastspiegel, der drehbar um eine mit der optischen Achse des Teleskop zusammenfallende Abtastachse montiert ist und bezüglich dieser optischen Achse eine Neigung von nicht null besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Quelle bezüglich des Abtastspiegels auf der dem Teleskop entgegengesetzten Seite angeordnet ist, wobei die Emissionsachse mit der optischen Achse des Teleskops zusammenfällt und der Ablenkspiegel mit dem Abtastspiegel fest verbunden ist und in einem Winkel von 90° bezüglich dieses Abtastspiegels in einer in ihm vorgesehenen zentralen Öffnung angeordnet ist.

Gemäß bevorzugten, ggf. kombinierten Anordnungen der Erfin­ dung

• - sind der Abtastspiegel und der Umlenkspiegel gegen die op­ tische Achse des Teleskops im wesentlichen um 45° geneigt,
• - ist die optische Quelle eine Laserquelle,
• - umfaßt der Abtastspiegel ein hohles Rohr, das von der Sen­ deachse durchquert wird und mit Lagern und einem Antriebsmotor zusammenwirkt,
• - wirkt dieser Antriebsmotor mit diesem hohlen Rohr über eine aus einem Zahnrad und einer Zahnstange bestehenden Einheit zusammen,
• - werden der Abtastspiegel und der Umlenkspiegel durch einen hohlen Motor in Drehung versetzt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschema eines bekannten optischen Sende- und Empfangs-Abtastinstruments bei der Sendung eines La­ serimpulses,

Fig. 2 ein Prinzipschema dieses Instruments beim Empfang ei­ nes Rückstrahls,

Fig. 3 ein prinzipschema dieses Instruments bei der Reflexion eines Laserimpulses, der zum zentralen Bereich des Abtastspiegels gesendet wurde,

Fig. 4 ein Prinzipschema eines erfindungsgemäßen optischen Sende- und Empfangs-Abtastinstruments und

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Abtastspiegels des Instruments von Fig. 4.

Das erfindungsgemäße optische Instrument, das in Fig. 4 ins­ gesamt mit 10 bezeichnet ist, besitzt wie das bekannte opti­ sche Instrument 1 der Fig. 1 bis 3 eine optische Quelle 12, die einen Primärstrahl in einer Sendeachse X-X senden kann, einen Umlenkspiegel 16, der auf der Sendeachse angeord­ net ist, so daß der Primärstrahl auf ihn auftrifft und von ihm zu einem abgelenkten Strahl abgelenkt wird, ein schema­ tisch mit 13 dargestelltes Teleskop mit der optischen Achse Y-Y, das eine reflektierende Oberfläche 14 und einen Detektor 15 besitzt, der bezüglich dieser reflektierenden Oberfläche auf dieser optischen Achse durch eine schematisch mit 15A dargestellte Tragstruktur feststehend gehalten ist, und einen Abtastspiegel 17, der um eine Drehachse (oder Abtastachse), die mit der optische Achse des Teleskops zusammenfällt, dreh­ bar montiert ist und gegen diese optische Achse um 45° ge­ neigt ist.

Die Besonderheit dieses Instruments 10 ist, daß die optische Quelle 12 hinter dem Abtastspiegel angeordnet ist, d. h. be­ züglich des Abtastspiegels auf der dem Teleskop und seinem Detektor entgegengesetzten Seite, wobei seine Sendeachse mit der Drehachse des Abtastspiegels zusammenfällt. Außerdem ist dieser Abtastspiegel in seiner Mitte so ausgespart, daß er eine zentrale Öffnung 17A aufweist. Der Umlenkspiegel ist in dieser Öffnung angeordnet, indem er bezüglich des Abtastspie­ gels feststehend ist (also bezüglich der Quelle 12 und des Teleskops 13 beweglich ist) und gegen diesen um 90° geneigt ist.

Wenn sich der Abtastspiegel nun um seine Achse kontinuierlich oder hin- und hergehend dreht, dreht sich der Umlenkspiegel ebenso, indem er den von der Laserquelle ausgesendeten Strahl direkt nach außen umlenkt.

Gemäß einer nicht dargestellten Abwandlung besteht diese La­ serquelle aus einer Quelle, deren Emissionsachse gegen die Achse geneigt ist und die mit einem zweiten Umlenkspiegel kombiniert ist, der den in der Drehachse ausgesendeten Strahl ablenken kann.

Dadurch, daß die Quelle 12 bezüglich des Abtastspiegels auf der dem Teleskop entgegengesetzten Seite angeordnet ist und daß der Ablenkspiegel eine Abschirmung zwischen der Quelle und dem Teleskop bildet, sind die Probleme des Störlichts in­ folge der Reflexion des Laserstrahls nach außen praktisch beseitigt.

Um eine gute Abschirmung zwischen der Quelle und dem Teleskop zu bilden, hat der Umlenkspiegel vorzugsweise einen Quer­ schnitt, der in einer zur optischen Achse X-X/Y-Y senkrechten Projektion wenigstens gleich dem Querschnitt der Öffnung 17A ist. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, wenn der von der Quelle ausgesendete Laserstrahl ausreichend kol­ limatiert ist.

Erfindungsgemäß verliert der Abtastspiegel 17 gegenüber dem Instrument der Fig. 1 bis 3 einen Teil seiner Nutzfläche (die dem Umlenkspiegel zufällt). Dieser Verlust ist jedoch durchaus tolerierbar, da der Rückstrahl auf jeden Fall durch den Detektor 15 des Teleskops und in dem hier betrachteten Fall eines NEWTON-Teleskops auch durch die Tragstruktur 15A versperrt wird. Andere Teleskope vom Typ CASSEGRAIN können auch in Betracht kommen, sowie zentrierte Konfigurationen (auf Achse) oder nicht zentrierte (nicht auf Achse). Die an den Ablenkspiegel verlorene Nutzfläche des Abtastspiegels ist praktisch zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie der Fläche der Brennebene (Detektor) des Teleskops entspricht oder kleiner als diese ist.

Der Drehantrieb des Spiegels von Fig. 4 wird durch ein hohles Rohr 20 gewährleistet, das mit dem Spiegel fest verbunden ist und von der Sendeachse X-X durchquert wird. Dieses Rohr wirkt mit schematisch dargestellten Lagern 21 und einem schematisch dargestellten Antriebsmotor 22 zusammen, der beispielsweise aus einem Zahnrad 23 besteht, das mit einem das Rohr umgebenden und eine Zahnstange bildenden Kranz 24 zusammenwirkt.

Gemäß einer nicht dargestellten Abwandlung wird der Antrieb durch einen hohlen Motor von jedem beliebigen bekannten Typ (beispielsweise einen von SAGEM vertriebenen Schrittmotor) gewährleistet.

Die vorstehende Beschreibung wird nur als Beispiel vorgeschlagen, und vom Fachmann können zahlreiche Abwandlungen vorgeschlagen werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen.

Claims (6)

1. Optische Sende- und Empfangs-Abtastvorrichtung, bestehend aus einer optischen Quelle (12), die einen Primärstrahl in einer Emissionsachse aussenden kann, einem Umlenkspiegel (16), der in der Emissionsachse angeordnet ist, so daß er den Primärstrahl schneidet und ihn zu einem abgelenkten Strahl ablenkt, einem Teleskop (13), das eine optische Achse und in dieser Achse einen Detektor (15) besitzt, und einem Abtastspiegel (17), der drehbar um eine mit der optischen Achse des Teleskops zusammenfallenden Abtastachse montiert ist und bezüglich dieser optischen Achse eine Neigung von nicht null besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Quelle bezüglich des Abtastspiegels auf der dem Teleskop entgegengesetzten Seite angeordnet ist, wobei die Emissionsachse mit der optischen Achse des Teleskops zusammenfällt und der Ablenkspiegel mit dem Abtastspiegel fest verbunden ist und in einem Winkel von 90° bezüglich dieses Abtastspiegels in einer in ihm vorgesehenen zentralen Öffnung angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastspiegel und der Ablenkspiegel gegen die optische Achse des Teleskops um im wesentlichen 45° geneigt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optische Quelle eine Laserquelle ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abtastspiegel ein hohles Rohr (20) um­ faßt, das von der Sendeachse durchquert wird und mit Lagern und einem Antriebsmotor (22) zusammenwirkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor mit diesem hohlen Rohr über eine aus einem Zahnrad (23) und einer Zahnstange (24) bestehenden Einheit zusammenwirkt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abtastspiegel und der Umlenkspiegel durch einen hohlen Motor in Drehung versetzt werden.