激光扫描器.pdf

一种用于探测空间环境的激光扫描器，其包括：定子(21)；以可围绕第一旋转轴旋转的方式安装在所述定子(21)上的转子(1)；以可围绕第二旋转轴旋转的方式安装在所述转子(1)上的旋转体(2)。转子(1)中布置有激光源(6)和探测器(7)。在转子(1)和旋转体(2)之间在第二旋转轴上在旋转体(2)两侧分别形成一条光链路(9)，从而可以由激光源经由第一光链路(9)将发射光引入到旋转体(2)中，并可以经由第二光链路(9)从旋转体(2)引出接收光。第一旋转驱动器(25)对转子(21)进行驱动，第二旋转驱动器(26)对旋转体(2)进行驱动。两个角度计(4)以及与激光源(6)和探测器(7)连接的评估电子设备(5)使得能够将探测到的距离与对应的方位关联起来。旋转体(2)可以具有非常紧凑的设计，并且完全是无源的，因此不需要供电或进行信号发送。

1、  一种激光扫描器，该激光扫描器包括：
-定子(21)，
-以可围绕第一旋转轴旋转的方式安装在所述定子(21)上的转子(1)，
-旋转体(2)，其以可围绕第二旋转轴旋转的方式安装在所述转子(1)上并具有用于供发射光和接收光通过的平行于于第二旋转轴的通过界面(33)，
-评估电子设备(5)，
-激光源(6)，以及
-激光探测器(7)，
其中，
-第一旋转驱动器(25)可驱动所述转子(21)而第二旋转驱动器(26)可驱动所述旋转体(2)，
-所述旋转体(2)的空间方位可以通过两个角度测量设备(4)来探测，并且
-所述评估电子设备(5)与所述激光源(6)、所述探测器(7)以及所述角度测量设备(4)相连接，以使探测到的距离与对应的方位相配，
该激光扫描器的特征在于，所述激光源(6)和所述探测器(7)布置在所述转子(1)内，在所述转子(1)与所述旋转体(2)之间在所述第二旋转轴上在所述旋转体(2)两侧分别形成有一条光链路(9)，每条光链路(9)分别具有在旋转方面彼此分离的第一光传输元件和第二光传输元件，其中，发射光能够经由第一光链路(9)入射到所述旋转体(2)中，并且接收光能够经由第二光链路(9)出射到所述旋转体(2)外，并且第一光传输元件被指派给所述旋转体(2)，第二光传输元件被指派给所述转子(1)。

2、  根据权利要求1所述的激光扫描器，其特征在于，第一和/或第二光链路(9)具有两个光纤插芯(10)作为第一光传输元件和第二光传输元件，其中，第一插芯牢固地安装在所述旋转体(2)中并与之一起旋转，而在所述转子(1)中的另一个插芯被固定在所述旋转轴中。

3、  根据权利要求1所述的激光扫描器，其特征在于，第一和/或第二光链路(9)具有光纤耦合准直器作为第一光传输元件和第二光传输元件。

4、  根据权利要求1、2或3所述的激光扫描器，其特征在于，在第一光传输元件和第二光传输元件之间布置有适于所述光传输元件的折射率并用于抑制后向反射的介质。

5、  根据前述权利要求中任意一项所述的激光扫描器，其特征在于，所述激光源(6)经由波导(8)与第一光链路(9)相连接。

6、  根据权利要求5所述的激光扫描器，其特征在于，第一光链路(9)被形成为，使得第一光链路(9)的入口处的入射角变化不会导致第一光链路(9)的出口处的出射角变化。

7、  根据前述权利要求中任意一项所述的激光扫描器，其特征在于，在所述旋转体(2)中在这两条光链路(9)上分别连接有一个波导(8)，其中，所述波导(8)将发射光从第一光链路(9)引导至出口点(16)，并将接收光从入口点(17)引导至第二光链路(9)。

8、  根据前述权利要求中任意一项所述的激光扫描器，其特征在于，利用两个第一镜(12)和所述通过界面(33)中的中央通过区域(13、32)来引导发射光，其中，所述两个第一镜在所述旋转体(2)中设置在所述通过界面(33)处，发射光在所述两个第一镜(12)之间被从外侧区域引导至所述中央通过区域(13、32)。

9、  根据前述权利要求中任意一项所述的激光扫描器，其特征在于，所述中央通过区域(13、32)由中央透镜(13)或者出口孔(32)形成。

10、  根据前述权利要求中任意一项所述的激光扫描器，其特征在于，形成有用于引导接收光的两个第二镜(15)和环形透镜区域(14)，其中，所述环形透镜区域(14)围绕所述中央通过区域(13、32)延伸，其中一个第二镜(15)与所述通过界面(33)相对，另一个第二镜(15)位于所述中央区域中的第一镜(12)的后面。

11、  根据前述权利要求中任意一项所述的激光扫描器，其特征在于，发射光学系统和接收光学系统的焦距是不同的，其中，发射光学系统优选地具有大致为50mm的焦距和直径大致为12mm的出射光瞳，而接收光学系统具有特别是大致为80mm的焦距和直径大致为30mm的出射光瞳。

12、  根据前述权利要求中任意一项所述的激光扫描器，其特征在于，宽域二极管发射器被用作所述激光源并借助于微光学系统与所述波导(8)耦合，其中，通过所述微光学系统将所述发射器的行聚焦变形为近似方形聚焦。

13、  根据权利要求12所述的激光扫描器，其特征在于，所述宽域发射器的光可以在所述旋转体(2)中被送至可泵浦的固态激光器(31)，特别是饱和吸收体或者调Q微芯片激光器，并且所述固态激光器(31)的激光将被用作发射光。

14、  根据前述权利要求中任意一项所述的激光扫描器，其特征在于，在所述转子(1)上形成有基准表面(3)，在旋转体(2)旋转时可周期性地探测所述基准表面(3)的位置来作为基准。

15、  根据权利要求1到11中任意一项所述的激光扫描器，其特征在于，所述旋转体(2)带有摄像机(28)，具体地说，接收光学系统的后部第二镜(15)是部分透明的，在所述旋转体(2)中该部分透明的第二镜后面使用了偏转镜(27)和紧凑型CCD摄像机(28)。

16、  根据权利要求15所述的激光扫描器，其特征在于，所述摄像机(28)的供电系统被构造为与设置在下游的光电部件的光连接，特别是与另一激光源经由色差分束器入射和出射的光的光连接。

激光扫描器
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的激光扫描器。
背景技术
通常使用所谓的3D激光扫描器来探测空间环境。这些3D激光扫描器被设置在某个位置并扫描从该位置起的3D场景。此处，测量过程需要围绕两个正交轴(即围绕垂直轴以及绕该垂直轴旋转的水平轴)的旋转。围绕垂直轴的旋转是通过使转子围绕定子运动来实现的，第二旋转轴位于该转子中。
在根据EP 1 562 055的实施方式中，整个发射光学系统和接收光学系统是固定布置的。垂直于该发射光学系统和接收光学系统上方布置有安装在转子上使其能够围绕水平轴旋转的偏转镜。激光经由发射光学系统被送至偏转镜。这些实施方式的潜在应用由于偏转范围有限而受到极大的限制。在该设计中同样关键的是相对大的尺寸和通过对镜进行调节而使得光路可变，这使得更加难以有效地抑制散射光成为准直发射光束。由于实际上在对任意3D场景进行勘测时，在很大距离上仅勘测了反射率相对较差而散射很强(低反照率)的非配合(noncooperative)表面，所以不应当低估散射光的负面影响，并且这些散射光将迅速达到待测信号的幅度的量级。
由于镜必须能够在光学结构内自由移动，因此另一缺点是光学结构的开放性。因此，一方面必须将系统覆盖以避免受到灰尘和其他环境的影响，另一方面在光束出射口再次产生了所述的散射光问题。
文献DE 295 18 708 U1描述了一种带有望远镜的经纬仪，该望远镜可围绕垂直轴旋转并可围绕水平轴枢转(pivotable)。该经纬仪还包括激光测距装置，测距用激光束被引入到该经纬仪的望远镜光路中。为此，激光源沿经纬仪的斜轴牢固地连接到望远镜，激光束通过至少一个偏转元件被反射到望远镜的光路的瞄准轴(sighting axis)。为了确定距离值，望远镜上布置有评估电子设备。
评估电子设备造成了望远镜的尺寸增大，用于3D激光扫描器的望远镜本身需要太大的空间，并且意味着额外的重量。望远镜上的评估电子设备的另一缺点是评估电子设备必须穿过望远镜的枢轴经由电源线并经由信号线进行连接。如果望远镜要围绕水平轴自由旋转，则必须经由旋转连接部(rotary lead-through)来实现激光源的供电。已知的旋转连接部很复杂并且当设备在恶劣条件下使用时容易发生故障。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的3D激光扫描器。
本发明的另一目的是提供一种3D激光扫描器，其更适于现场工作并具有更强的鲁棒性和更低的功耗。
通过权利要求1或者从属权利要求的特征，这些目的分别得以实现或者得到进一步改进。
本发明的解决方案是基于具有光旋转体的激光扫描器的设计，该光旋转体具有尽可能简单和紧凑的设计、可围绕两个正交轴运动并能够以封闭且能够无需电的旋转连接部的方式形成。激光源、激光探测器和评估电子设备在光旋转体的外部被容纳在围绕基本垂直的轴旋转的转子中。
仅将一个激光信号从转子中的激光源引入到光旋转体中。接收到的激光将被再次从光旋转体传输到转子中，其中，该传输是经由在旋转方面彼此分离的光传输元件来实现的，这些光传输元件被指派给相对运动或者说转动的部件。优选的是，在光旋转体的各一侧沿着旋转体的旋转轴在中央传输这两个激光信号。因此，发射光和接收光入射到可旋转的光测量头内，或者经由所谓的光连接或光链路从中出射。因此，测量头完全是无源的，不需要任何电力供应或电信号发送。
对于良好的测距装置而言，要求发射的激光束具有基本上旋转对称的光束质量和高功率。符合这些要求的激光源复杂且昂贵。廉价的宽域二极管发射器可以借助于微光学系统而有效地耦接至旋转对称波导，从而将发射器的行聚焦变形为近似方形聚焦。
从激光源发出的激光在转子中被波导从该激光源引导到位于转子和旋转体之间的光链路中。芯径例如为50μm且数值孔径例如为0.12的多模光纤适用于这种用途。经济且大功率的宽域二极管激光器可以经由简单的发射光学系统而高效地耦接到这种光纤。
在最简单的形式中，光链路包括具有几微米空气间隙的两个光纤插芯(光纤插头)，其中一个插芯牢固地安装在旋转体中并与其一同旋转，而另一个插芯被直接固定在转子中。在适当情况下，光波导仅布置在光链路的一侧。当发射光进入到旋转体中时，进入的光在适当情况下可以直接到达旋转体中的偏转元件，从而可以省去连接到光链路的内部波导。当接收光从旋转体中射出时，射出的光在适当情况下可以直接到达转子中的探测器，从而可以省去连接到光链路的外部波导。
例如如果按以下方式来设计光波导，则在光链路中使用光波导是有利的，即，旋转头一侧的光到光波导中的入射角度的变化，在其光纤端部对束轴位置的影响可以忽略不计。利用这种光学设计，可以确保相关联的机械旋转轴的偏心不会因此影响光轴的位置。
如果适当地实现接收通道中的光链路，则旋转头中从发射束到接收束的光轴的位置不受对应旋转轴的偏心的影响。因此，在确定接收光学系统的开度角的大小时不必考虑这一不可靠性，并且最终可以将该开度角设计得较小。因此，可以使所接收的背景光被最小化，这最终带来了测距仪的灵敏度和精度的提高。
在一个优选实施方式中，利用插芯表面覆层(coating)来提高耦接效率并抑制可能的干扰标准具效应。如果例如由于旋转运动的容限而要求更大的空气间隙，则还可以借助于同样允许非常出色的耦接效率的两个小的准直光学系统来设计光链路。
在经过了测量头中很短的光纤路径之后，例如经由两个镜和简单的准直光学系统将发射光从中央引出测量头之外。接收光学系统尤其也包括一套光学系统和两个镜，并与同一轴对准。由于要求更大的接收孔径，接收光学系统尤其使用该光学系统的外侧区域。
利用该设计，可以使旋转体紧凑和小型化，从而，例如可以实现在旋转体的旋转轴方向上直径仅为5cm且垂直于该光学系统的高度仅为4cm的旋转体。从激光源发出的激光经由这些镜以及该光学系统的中央区域而到达目标区域。后向散射的激光借助该光学系统的沿径向靠外的区域以及两个镜的帮助而进入波导中，该波导通向位于旋转体和转子之间的光出口链路。
接收电子设备在适当情况下可以直接布置在出口链路处。然而，优选的是，波导从出口链路通向评估电子设备。如果探测器和激光源连接到转子中的共用评估电子设备，则可以有效地进行测距。
附图说明
附图参照实施例示意性地例示了本发明。
图中：
图1示出了转子以及安装在其内的旋转体的示意性垂直截面；
图2示出了宽域二极管发射器、微光学系统和旋转对称波导管的两个示意性纵向截面；
图3示出了旋转体的示意性垂直截面；
图4示出了根据图1的具有定子的实施方式的示意性垂直截面；
图5示出了具有摄像机的实施方式的示意性垂直截面；而
图6示出了具有泵浦固态激光器的实施方式的示意性垂直截面。
具体实施方式
图1示出了一种转子1，其中旋转体2安装在旋转轴承3上从而可围绕水平轴旋转。转子1可以借助此处未示出的第一旋转驱动器而围绕垂直轴运动，因而可以借助第一角度测量设备来确定旋转位置。利用第二旋转驱动器26，使旋转体2进行旋转。借助于第二角度测量设备4来探测旋转体2的旋转位置。转子1中的评估电子设备5与测距装置的激光源6(激光器)和激光探测器7(APD)相连接。
从激光器6发出的激光在转子内通过波导8从激光源6被送至位于转子1与旋转体2之间的光链路9。芯径例如为50μm且数值孔径例如为0.12的多模光纤适用于该用途。
光链路9包括两个光纤插芯10(光纤插头)并具有几微米空气间隙，其中，一个插芯牢固地安装在旋转体2中作为第一光传输元件并与之一起旋转，而另一个插芯被直接固定在转轴中作为位于转子1中的第二光传输元件。因此，第一光传输元件和第二光传输元件在转动方面是彼此分离的，即，可相对于彼此自由旋转，并且分别被指派给旋转体2和转子1。此外，在所示实施方式中，光链路9还包括用于实现激光的最优传输的透镜11。
作为光纤插芯和光纤插头的备选方案，还可以使用对光纤端部的发散性射线进行准直以传输或者说再次入射到光纤中的光纤耦合准直器或者光纤准直器。
然而，还可以在光传输元件之间使用填充有液体的连接来代替空气间隙，例如填充有折射率适应介质的间隙。这种介质例如可以以折射率匹配油的形式被提供，并能够抑制后向反射。
在旋转体2中，波导8将发射光送至出口点16，光从该出口点16经由两个第一镜12和中央透镜13出射到旋转体2外面。这两个第一镜12在旋转体2中布置在通过界面33处。发射光在这两个第一镜12之间被从外侧区域引导到中央透镜13。
被目标区域反向散射的激光通过环状透镜14和两个第二镜15的帮助到达波导8的入口点17。经由光链路9和连接的波导8，接收光来到探测器7。评估电子设备根据激光源6和探测器7二者的信号来确定与第二角度测量设备4的对应旋转方位相配的距离值。转子1相对于定子的方位由未示出的第一角度测量设备来探测。每个探测到的距离值都可以与由两个方位值确定的空间方位相配。
在该旋转体的所示实施方式中，为发射光学系统和接收光学系统设置了不同的焦距。焦距为50mm的发射光学系统需要12mm直径的出口光瞳。该光学系统可以是多透镜系统或者可以由(非球面的)单透镜构成。焦距为80mm且直径为30mm的接收光学系统被设计得明显更大并将发射光学系统容纳在中央区域内。在此，为了实现更高的折射率适当的是：为接收透镜开设穿孔且以发射光学系统作为推入件；或者具有两个不同焦距范围的复合玻璃模具；或者接收光学系统与衍射元件在中央区域中的组合。
还可以实现图3所示光学系统的设计，其中相同的前透镜13a与发射通道中提供期望的缩短焦距的另一透镜元件13b一起用于发射光学系统和接收光学系统。
由于光学系统的特性通常极大地依赖于发射功率、光纤的芯径、待测的最大距离、目标的反照率、探测器的灵敏度以及测量原理，所以本领域技术人员可以得出光学系统的其他实施方式。
接收光经由包括两个第二镜15的折叠光路而映射到芯径为200μm的波导8上。第二镜15还可以是弯曲的从而使结构更加紧凑。接收光在转子1内经由与发射通道类似地形成的光链路9被引导至探测器7上。因此，可使所有电子部件保持在旋转体2的外部。
在旋转体2内，发射通道和接收通道的光路没有重叠，这显著减小了散射光的风险。整个光学结构被密封在旋转体2中，因此得到了很好保护从而免受环境影响。不需要有外盖。与其中镜相对于光学系统的其他部分永久移动的现有实施方式(其导致映射状况经常发生变化并且相对而言容易受到调节或误差的影响)相比，这种发射光学系统和接收光学系统总是具有相对于彼此而言相同的方位，而与旋转角度无关。
图2示出了尺寸为60μm宽(慢轴)2μm窄(快轴)的宽域二极管发射器18的形式的激光源6。该发射器的激光借助于微光学系统入射到直径为50μm的旋转对称波导8中。该实施例的微光学系统包括柱面透镜19和球面透镜20，发射器18的行聚焦被变形为近似方形聚焦。在现有技术中，例如A.von Pfeil的″Beam shaping of broad area diode laser：principles and benefits″，Proc.SPIE Vol.4648，Test and MeasurementApplications of Optoelectronic Devices公开了分段的光束变形光学系统。这些新的光学系统能够将行聚焦逐段地叠置以得到方形聚焦。
图4和图5中给出了其他实施方式。其中还示出了转子1安装在定子21上的总体系统，以及电源22和通信接口23。设置了轴承24，以便在定子21上转动地支承转子1。通过第一旋转驱动器25使转子1进行旋转。
因此，根据本发明的激光扫描器包括定子21、以能够围绕第一旋转轴旋转的方式安装在定子21上的转子1、以能够围绕第二旋转轴旋转的方式安装在转子1上的旋转体2、评估电子设备5、激光源6以及激光探测器7。为了使发射光和接收光通过，旋转体2包括与第二旋转轴平行的通过界面33。
通过适当控制第一旋转驱动器25和第二旋转设备26来进行期望的扫描运动。经由两个角度测量设备4来探测旋转体2的空间方位。通过将评估电子设备5连接到激光源6、探测器7和角度测量设备4，测得的距离可以与对应的方位相配。
在根据图4的实施方式中，探测器7直接布置在光链路9处。这使得可以省去用于将来自光链路9的接收光传输到探测器的波导。
在根据图5的实施方式中，接收光学系统的后部第二镜15是部分透明的。在该部分透明的第二镜15的后面，可以将偏转镜27和紧凑型CCD摄像机28安装在旋转体2中。摄像机28使得能够对接收通道进行光学检查。为了能够驱动旋转体2中的摄像机28，使用了用于摄像机28的旋转连接部29。然而，还可以通过将来自独立源(100mW)的另一波长的光经由色差分束器入射到光纤或者激光源6以及链路9中，经由同一分束器在旋转体中再次出射，并将其引导至承担向摄像机提供所需电源的任务的光电部件或太阳能电池上，来对摄像机28光学地供电。可以通过调制信号，再次经由输出光纤借助于分束器来光学地实现数据发送。根据移动无线电技术，对应的弱电流分量是已知的并可供使用。借助于摄像机，可以探测待扫描对象的纹理。作为摄像机的备选方案或者额外方案，还可以使用简单的谱传感器。如果想要预先快速探测待扫描的整个场景，则还可以实现设置在转子(1)内旋转体(2)一侧并具有适当的缩放光学装置的摄像机。
在旋转体2下方，可以将与DE 102 16 405中的实施方式类似的参考单元30安装在转子1上，从而能够实现测距装置的完全校准。在最简单的情况下，参考单元30包括位于已知距离处的目标，以便在测量头旋转时获得距离基准。此外，目标的反射率可以是变化的以使得能够进行动态距离校准。
在根据图6的实施方式中，示出了包括二极管泵浦固态激光器31的变型例。固态激光器31例如是具有可饱和吸收体(Cr⁴⁺:YAG)的调Q微芯片(μ-chip)激光器(Nd:YAG)。由于高峰值功率在kW范围内，所以光纤发射因破坏阈值而非常关键。在所示实施方式中，泵浦激光器6的泵浦光(808nm)可以经由光链路9被送入旋转体2中并在其中激励固态激光器31。出射的激光不需要穿过透镜，而是可以通过出口孔32从旋转体2出射。
当然，本领域技术人员可以结合使用所述的所有特征在本发明的上下文中获得其他实施方式。具体地说，所述的大小与要实现的可能方式有关，因此不应当被理解为是限制性的。
在特定实施方式中，如果能够放弃旋转体2的紧凑设计，则可以设置侧向并排的任何其他光路(例如发射光路和接收光路)来代替所述的折叠光路。