激光扫描仪的制作方法

1.本发明涉及一种激光扫描仪，包括外壳、激光发射器、激光接收器和光束偏转装置，所述激光发射器包括用于发出发射光束的发射孔径，所述激光接收器包括用于接收由环境反射的作为接收光束的发射光束的接收孔径，所述光束偏转装置以安装在可旋转轴上的反射镜锥体的形式位于所述发射光束和接收光束的光束路路中，其中所述反射镜锥体的锥体轴线形成所述旋转轴，并且所述反射镜锥体的倾斜于所述旋转轴的各个锥体侧面每一个形成反射镜镜面，并且其中所述激光发射器和所述激光接收器各自基本平行于所述反射镜锥体的旋转轴指向所述反射镜锥体。


背景技术：

2.例如，从ep2622364a1或ep3182159a1中已知这种激光扫描仪。以轴向平行方式指向旋转的反射镜锥体的发射光束在扫描角度范围内被反射镜锥体周期性地枢转，并且由环境反射的接收光束以相同的方式被接收回来，即，当前用于发射的反射镜镜面同时用于将从相同方向接收的接收光束偏转到激光接收器。
3.根据现有技术(例如ep2293013a1)，激光接收器的圆形接收孔径小于沿旋转轴方向观察的“起作用的”反射镜镜面的内切圆。激光扫描仪的相应的起作用的反射镜镜面是这样的镜面，通过该镜面，发射光束在其扫描方向上偏转，因为反射的接收光束也从该方向被接收回来，并被起作用的反射镜镜面返回到接收器。在反射镜面旋转时，接收孔径圆越过两个反射镜镜面之间的边缘，这样的结果是，接收孔径圆被连续切割，或者接收圆孔径位于起作用的反射镜镜面上的部分被连续减小，这导致激光扫描仪的周期性的、依赖于角度的灵敏度下降。
4.cn 207020306u示出了根据权利要求1的前序部分的激光扫描仪。即使在该文中确定接收孔径的会聚透镜略大于反射镜镜面，在反射镜锥体的旋转期间也发生与ep2293013a1的激光扫描仪的情况相同的切割效果，并因此发生相同的周期性的灵敏度下降。


技术实现要素：

5.本发明的目的是创建一种具有改进的接收灵敏度并因此具有更宽范围的激光扫描仪。
6.该目的通过一种激光扫描仪实现，该激光扫描仪包括外壳、包括用于发出发射光束的发射孔径的激光发射器、用于接收由环境反射的发射光束作为接收光束的激光接收器、以及以安装在可旋转轴上的反射镜锥体的形式位于发射光束和接收光束的光束路径中的光束偏转装置，其中所述反射镜锥体的锥体轴线形成旋转轴线，其中所述反射镜锥体的倾斜于所述旋转轴线的各个锥体侧面每一个形成反射镜镜面，其中所述激光发射器和所述激光接收器各自基本上平行于所述反射镜锥体的所述旋转轴线指向所述反射镜锥体，其中所述激光接收器具有至少一个会聚透镜，该至少一个会聚透镜在接收束路径中布置在所述
反射镜锥体的下游，并且其中在所述会聚透镜的与所述反射镜镜面重叠的区域中，在所述旋转轴线的方向上观察的所述会聚透镜在面积比较上至少与在所述旋转轴线的方向上观察的所有反射镜镜面中的最大反射镜镜面的两倍一样大。
7.与已知的解决方案不同，不再是接收孔径“适配”反射镜镜面，而是相反地，反射镜镜面适配接收孔径。根据本发明，由于接收孔径大于反射镜镜面，所以它首先至少在起作用的反射镜镜面上的发射光束的中心位置周围全部用于接收。
8.当反射镜锥体配置成具有不同倾斜度的多个锥体侧面，尤其是以在彼此分开的多个扫描扇中发出发射光束时，从旋转轴线的方向观察，反射镜镜面可以具有不同的尺寸。为此，在旋转轴的方向上观察的接收孔径大于在旋转轴线的方向上观察的所有反射镜镜面中的最大反射镜镜面，以便在所有扫描扇中实现上述效果。
9.根据本发明，在会聚透镜的与反射镜镜面重叠的区域中，在旋转轴线方向观察的所述会聚透镜在面积比较上至少与沿旋转轴方向观察的所有反射镜镜面中的最大反射镜镜面的两倍一样大。作为结果，这实现了，即使在发射光束具有小直径的情况下，反射镜镜面在其整个在其上被发射光束撞击的移动路径上，从旋转轴线的方向观察，位于接收孔径内，即，与相应的起作用的反射镜镜面相比，其发射孔径较小。这样，整个起作用的反射镜镜面被用于在发射光束的整个偏转运动期间将接收光束接收回来，并且因此，激光扫描仪的接收灵敏度被优化。
10.根据本发明的优选特征，另一方面，接收孔径不被设计得太大以致于它不必要地接收来自非起作用的反射镜镜面的光分量。因此，在所述会聚透镜与所述反射镜镜面重叠的区域中，在所述旋转轴线的方向上观察，所述会聚透镜在面积比较上优选大约是与在所述旋转轴线的方向上观察的所有反射镜镜面中最大反射镜镜面的两倍一样大。这优化了接收灵敏度，最大可能地抑制了寄生反射。
11.当会聚透镜由在旋转轴方向上观察时近似圆形的、其光轴位于旋转轴线中的会聚透镜和设置在会聚透镜上游的光阑形成时，这是特别有利的。这产生了非常简单的对称设计，其中，从旋转轴线的方向看，具有大直径的会聚透镜基本上全等地位于反射镜锥体上，而光阑用于掩蔽非起作用的反射镜镜面的寄生反射。当反射镜锥体具有四个反射镜镜面时，例如，从旋转轴的方向观察，光阑优选具有半圆形形状，从而掩蔽两个非起作用的反射镜镜面。
12.作为一种替代方案，代替使用用于圆形会聚透镜的光阑，也可以使用在旋转轴线方向观察近似为扇形的、其光轴位于旋转轴线中的会聚透镜，尤其是用于包括四个反射镜镜面的反射镜锥体的半圆形会聚透镜。
13.激光接收器优选包括尤其优选地以光电倍增器或雪崩光电二极管的形式布置在会聚透镜的焦点中的接收元件。这种设计确保了高的接收灵敏度，同时提供了激光接收器的大孔径。
14.激光发射器可以直接位于反射镜锥体和激光接收器之间的接收光束路径中，例如当它是仅稍微覆盖接收孔径的非常小的半导体激光器时。然而，优选地，激光发射器包括位于反射镜锥体和激光接收器之间的接收光束路径中的偏转镜，以及指向偏转镜并位于接收光束路径外部的激光器，以便尽可能少地遮蔽接收孔径。
15.根据本发明的另一优选特征，激光发射器指向反射镜锥体的锥体底部侧边缘区
域。这样，增加了起作用的反射镜镜面的可用运动路径，即，其围绕反射镜锥体的旋转轴线的旋转角度。由于激光发射器的有限的、非点状的发射孔径，发射光束仅可以在起作用的反射镜镜面的发射光束完全或基本完全位于其上的旋转运动的角度范围内使用，因为否则相邻反射镜镜面也将被撞击，并且发射光束因此也将在不同的、不想要的方向上偏转。通过将发射光束移动到起作用的反射镜镜面的边缘区域，其可用旋转角度范围被最大化以发出发射光束。
16.因此，激光发射器的发射孔径在一反射镜镜面的水平上的直径优选小于该反射镜镜面在上述边缘区域中的周向范围的四分之一，并且特别优选小于八分之一。
17.通过激光发射器对反射镜锥体进行边缘侧照射的另一个优点是与用于发射和接收光束通过的外壳的出射窗有关。特别地，当外壳包括指向反射镜镜锥体的圆周并且由透明材料制成以用于使发射和接收光束穿过的窗时，所述窗在所述反射镜锥体的周向方向上观察分成相对于彼此成角度的至少三个部分，中心部分的长度优选地至少使得由反射镜镜锥体偏转的发射光束仅穿过中心部分。这样，可以防止发射光束被玻璃窗的弯曲以不受控制或不期望的方式折射。结合激光发射器对反射镜锥体的上述有利的边缘侧照射，这使得起作用的反射镜镜面上的发射光束的照射点更靠近与其相切定位的玻璃窗，该中心部分可以保持成尤其短，这允许激光扫描仪的特别紧凑的设计。
18.在这些实施例的每一个中，反射镜锥体可以是规则的，以便以单一扫描扇的形式发出发射光束，或者如所讨论的，反射镜锥体的至少两个锥体侧面可以具有不同的倾斜度，以便在至少两个不同的扫描扇中发出发射光束。
附图说明
19.下面将基于附图中所示的示例性实施例更详细地描述本发明。在附图中：
20.图1以示意性透视图示出了根据本发明的去掉外壳的激光扫描仪；
21.图2以框图示出了图1的激光扫描仪，其中示意性地示出了光束路径；以及
22.图3a至3c以在反射镜锥体的旋转轴线的方向上投射到反射镜锥体的俯视图，示出了在反射镜锥体在每种情况下相对于激光发射器和激光接收器的发射和接收孔径的三个不同旋转位置中的反射镜锥体和图1和图2的激光扫描仪的外壳窗。
具体实施方式
23.图1示意性地示出了激光扫描仪1，其包括安装在轴3上并由马达4旋转的反射镜锥体2。旋转角编码器或传感器5法兰安装到马达4上，并且测量或编码反射镜锥体2的当前位置，并将其信号发送到电子单元6(图2)。
24.反射镜锥体2具有四面锥体的形状，其锥体轴线2'是其旋转轴线。相对于旋转轴线2'倾斜的锥体侧面7-10形成反射镜锥体2的反射镜镜面。
25.应当理解，在本说明书中，术语“锥体形状”或“反射镜锥体”分别表示具有任意多边形底部的任意类型的锥体，包括直锥体以及“斜”锥体(锥体轴线不垂直于底部)、规则的和不规则的锥体、整体或“截头”锥体(“锥体的截头锥体”)、以及在它们的尖端和/或底部处被切割的锥体，例如图1和2中所示的锥体，其底部以圆形方式被切割以便减小旋转期间的空气阻力。
26.激光发射器11指向反射镜锥体2，其在其的旋转期间在反射镜镜面7-10处，尤其是在相应的一个(“起作用的”)反射镜镜面7-10处发出发射光束12，使得发射光束12通过反射镜锥体2的旋转运动周期性地枢转过扫描角α，以形成扫描扇13。当扫描扇13，例如整个激光扫描仪1，在扫描平面之外的例如垂直于扫描扇13的方向r上移动跨越表面14时，扫描扇13例如可以用于“逐行”地扫描表面14。
27.发射光束12或扫描扇13被表面14的反射通过激光接收器16检测，该激光接收器又通过反射镜锥体2接收返回作为接收光束15的这些反射，将这些反射转换成电信号并将电信号输送给电子单元6以进行分析。为此目的，后者如本领域已知的那样例如以触发、脉冲、调制等方式相应地激活激光发射器11。
28.这里所观察到的反射镜锥体2是特定类型的，更具体地说，锥体侧面7-10中的至少一个侧面与其余锥体侧面7-10相比具有相对于旋转轴线2'的不同倾斜度。这样，在反射镜锥体2的旋转期间，不仅获得一个单一扫描扇13，而且根据倾斜度的数量，获得两个、三个或更多彼此分开的扫描扇13、17等。这种类型的激光扫描仪被需要于各种应用目的，例如用于检测表面14的底切，用于通过两次扫描同一表面14进行补偿或差异测量，等等。
29.例如当激光发射器11是非常小的半导体激光器时，激光发射器11可以直接位于反射镜锥体2和激光接收器16之间的接收光束15的光束路径中。然而，在所示的示例中，激光发射器11由位于接收光束路径外部的较大激光器18和小偏转镜19构成，该小偏转镜位于反射镜锥体2和激光接收器16之间的接收光束路径中并将从激光器18发射的激光束12以近似平行于旋转轴线2'的方式指向反射镜锥体2。
30.原则上，激光接收器16可以是本领域已知的任何类型的，例如大幅面光敏元件、ccd芯片等。在所示的例子中，激光接收器16包括(至少)一个会聚透镜20和在接收光束路径中布置在其下游并位于会聚透镜20的焦点中的接收元件21。接收元件21是高度灵敏的，例如光电倍增器或雪崩光电二极管。
31.在接收光路中在会聚透镜20的上游设置(这里：半圆形的)光阑22，其功能将在下文中更详细地描述。会聚透镜20的光轴与反射镜锥体2的旋转轴线2'重合。会聚透镜20结合光阑22(即减去会聚透镜20被光阑22遮蔽的部分)的尺寸，以及相应的起作用的反射镜镜面7-10的尺寸，即两个尺寸中较小的一个，确定激光接收器16的接收孔径。代替会聚透镜20和上游光阑22的组合，也可以简单地切割会聚透镜20，即上面由光阑22限定的会聚透镜20的部分可以被“切除”，由此会聚透镜20具有扇形或(这里的)半圆形的形状。
32.如图2所示，发射光束12例如是具有多个单独发射脉冲的脉冲激光束，所述发射脉冲在相应的发射脉冲时刻t
s,n
发出，在通过反射镜锥体2偏转之后被表面14的相应点un反射，并且在通过反射镜锥体2反向偏转之后在相应的接收时刻t
e,n
被接收在激光接收器16中。根据脉冲的传播时间δtn＝t
e,n-t
s,n
，然后可以基于已知的关系确定dn＝c
·
δtn/2＝c
·
(t
s,n-t
e,n
)/2，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中t
s,n
…
发射激光脉冲sn的发射时刻，t
e,n
…
接收激光脉冲en的接收时刻，和c
………
光速激光扫描仪1在相应发射方向上相对于环境目标un的目标距离dn。
33.图2以二维示意性简化方式示出了图1的激光扫描仪1，其安装在外壳23中。为了使发射和接收光束12、15通过，外壳23包括由透明材料例如塑料或玻璃制成的窗24。窗24例如可以是大的平面玻璃板或者具有圆柱部分形状并且在反射镜锥体2的圆周方向u(图3b)上观察时在扫描角α上延伸。因为一方面平面玻璃窗24必须非常大以记录发射光束12和接收光束15的扫描角α，而另一方面圆柱弯曲玻璃窗的生产复杂，因此如图所示，玻璃窗14由多个彼此成一定角度的平面部分25、26、27例如通过粘合剂粘结来组装而成。
34.图3a-3c示出了“起作用的”反射镜镜面相对于激光发射器11的撞击表面或发射孔径s(粗线阴影)和激光接收器16的接收孔径e(布满点)的三个旋转位置，该“起作用的”反射镜镜面是被发射光束12撞击的镜面7-10，这里是反射镜镜面7(细线阴影)，更具体地说：-在图3a中，起作用的反射镜镜面7的角位置，在其中发射孔径s刚刚穿过反射镜镜面10和起作用的反射镜镜面7之间的边缘28，并因此完全位于起作用的反射镜镜面7上；-在图3b中，中心位置，在其中起作用的反射镜镜面7已经旋转成使得在圆周方向上观察的发射孔径s位于起作用的反射镜镜面7的中心；以及-在图3c中，一位置，在其中发射孔径s恰好刚刚仍然完全位于起作用的反射镜镜面7上，即，刚好在发射孔径s穿过作用反射镜镜面7和相邻镜面8之间的边缘29之前，因此使其是“起作用的”。
35.显然，激光发射器11指向反射镜锥体2的边缘区域30，即其撞击点或发射孔径s相对于旋转轴线2'的径向距离r被最大化到发射孔径s在径向方向上刚好仍然位于起作用的反射镜镜面7上的程度。此外，发射孔径s的直径ds应当相对于起作用的反射镜镜面7的边缘区域30中的周向范围lu尽可能小。例如，发射孔径s的直径ds小于相应的起作用的反射镜镜面7-10的边缘区域30中的周向范围lu的四分之一，尤其小于其八分之一。
36.为了避免发射光束12在扫描角α上的扫描运动期间通过部分25和26或26和27之间的各个弯曲的其中之一，并且在那里不规则地折射或偏移，从反射镜锥体2的圆周方向u观察的中心部分26的长度l1使得被反射镜锥体2偏转的发射光束12仅仅通过中心部分26。应当理解，长度l1取决于反射镜锥体2和中心部分26之间的距离、反射镜镜面7-10相对于旋转轴线2'的倾斜度以及发射光束12在反射镜锥体2上的撞击点与旋转轴线2'之间的径向距离r。玻璃窗14越靠近反射镜锥体2，发射光束12在径向上越远地撞击在反射镜锥体2上，中心部分26的长度l1就可以越短，因此玻璃窗14整体越短。
37.外部部分25、27的长度l2和其相对于中心部分26的角度β优选地选择为使得由环境点un以漫射方式(即以相对宽的方式)反射的接收光束15，仍然能够撞击在整个被发射光束12撞击起作用的反射镜镜面7上，也撞击在起作用的反射镜镜面7上的发射光束12的两个最外端位置，如图3a和3c所示。
38.根据图3a-3c，从旋转轴线2'的方向观察，即，在旋转轴线2'的方向上到垂直于旋转轴线的投影平面(这里的附图平面)上的投影中，激光接收器16的接收孔径e(布满点)大约是反射镜镜面7-10的其中之一(细线阴影)的尺寸的两倍。当反射镜锥体2的反射镜镜面7-10具有不同的倾斜度以产生不同的扫描扇13、17时，从旋转轴线2'的方向看，它们的尺寸通常不同。在这种情况下，激光接收器16的接收孔径e优选地大约为所有反射镜镜面7-10中在旋转轴线2'的方向上观察的最大的反射镜镜面的尺寸的两倍大。
39.通过使用这种大的接收孔径e，激光接收器16可以在图3a至3c所示的反射镜锥体2
的每个位置上利用并接收从起作用的反射镜镜面，例如这里的反射镜镜面7，接收回来并偏转的所有接收光束15。这例如通过图1所示的会聚透镜20来实现，在图3a和3c的顶视图中，该会聚透镜基本上与两个相邻的反射镜镜面7-10重叠。这样，确保了即使在起作用的反射镜镜面7上的发射孔径s的两个端部位置中(图3a和3c)，也能够利用起作用的反射镜镜面7的整个表面面积来接收接收光束15，而不切割接收光束。
40.原则上，接收孔径e(沿旋转轴线2'方向观察)也可以大于最大反射镜镜面的两倍，即，例如可以覆盖整个反射镜锥体2，即，可以省去光阑22。然而，这不会进一步增加激光扫描仪1的接收灵敏度，因为仅撞击在相应的起作用的反射镜镜面7上并从感兴趣的发射光束12的发射方向入射的接收光束15是有用光束。例如通过省略光阑22，在旋转轴2'方向上观察的接收孔径e的增加超过两个反射镜镜面7-10的表面面积，因此不再增加接收灵敏度，而是相反，可能导致作用于激光接收器16上的干涉信号，例如当发射和接收光束12、15撞击到后侧的非起作用的反射镜镜面(图3a中的反射镜镜面8、9、图3b中的反射镜镜面9和图3c中的反射镜镜面9、10)上时，这些光束在外壳23中的内反射。
41.相反，接收孔径e也可以处于反射镜镜面7-10(特别是其最大的一个)的沿旋转轴线2'方向观察的表面积的一倍和该尺寸的两倍之间的范围内，其中接近图3a和3c的端部位置的激光扫描仪1的接收灵敏度相应降低，因为接收孔径e不再能够检测整个起作用的反射镜镜面7或“部分切割”该反射镜面。尽管如此，与传统的激光扫描仪相比，尤其是至少在图3b的中心位置附近，激光扫描仪1的接收灵敏度在此也得到了提高。
42.激光扫描仪1的接收灵敏度的增加可以用于其范围的增加，从而还可以测量仅反射微弱接收光束15的远程环境目标un。
43.本发明不限于所示的实施例，而是包括落入所附权利要求范围内的所有变型、修改及其组合。