(57)【要約】  少なくとも１つのビーム（１６）によって走査角度を走査するためのライダー装置（１）であって、少なくとも１つのビーム（４）を生成するための少なくとも１つのビーム源（２）と、生成された少なくとも１つのビーム（４）を偏向するための回転可能な偏向ユニット（１８）と、物体で反射された少なくとも１つのビームを受信するための検出器と備え、少なくとも１つのビーム（８）のビーム経路には、ビーム源（２）と偏向ユニット（１８）との間に少なくとも２つのシリンダレンズ（１２，１４）が配置されており、少なくとも１つのシリンダレンズ（１２，１４）が回転可能であるライダー装置（１）が開示されている。さらにライダー装置（１）を作動する方法が開示されている。
2020521142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのビーム（１６）によって走査角度を走査するためのライダー装置（１）であって、少なくとも１つのビーム（４）を生成するための少なくとも１つのビーム源（２）と、生成された少なくとも１つのビーム（４）を偏向するための回転可能な偏向ユニット（１８）と、物体で反射された少なくとも１つのビームを受信するための検出器と備えるライダー装置（１）において、
少なくとも１つのビーム（８）のビーム経路には、ビーム源（２）と偏向ユニット（１８）との間に少なくとも２つのシリンダレンズ（１２，１４）が配置されており、少なくとも１つのシリンダレンズ（１２，１４）が回転可能であることを特徴とするライダー装置（１）。
【請求項２】
請求項１に記載のライダー装置において、
前記偏向ユニット（１８）と、該偏向ユニット（１８）に隣接する前記シリンダレンズ（１４）との間隔が、隣接するシリンダレンズ（１４）の焦点距離に対応するライダー装置。
【請求項３】
請求項２に記載のライダー装置において、
少なくとも２つの前記シリンダレンズ（１２，１４）が、４５°の角度だけ互いに対して回動して配置されているライダー装置。
【請求項４】
請求項１に記載のライダー装置において、
前記偏向ユニット（１８）と、該偏向（１８）ユニットに隣接する前記シリンダレンズ（１４）との間隔が、隣接するシリンダレンズ（１４）の焦点距離よりも大きいライダー装置。
【請求項５】
請求項４に記載のライダー装置において、
少なくとも２つの前記シリンダレンズ（１２，１４）が、９０°の角度だけ互いに対して回動して配置されているライダー装置。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載のライダー装置において、
少なくとも１つの前記シリンダレンズ（１２，１４）が、偏向ユニットと同期的に回転可能であるライダー装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載のライダー装置において、
少なくとも１つのシリンダレンズ（１２）が定置で配置されているライダー装置。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載のライダー装置において、
生成された少なくとも１つのビーム（４，８）が線形であるライダー装置。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項に記載のライダー装置において、
生成された少なくとも１つのビーム（４，８）がドット形状を有するライダー装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項に記載のライダー装置において、
前記偏向ユニット（１８）が平面鏡又は曲面鏡を有するライダー装置。
【請求項１１】
少なくとも１つのビーム（１６）によって走査角度を走査するための請求項１から１０までのいずれか１項に記載のライダー装置を作動する方法（２２）において、
少なくとも１つのビーム（４）を生成し（２４）、
生成光学系（６）によって少なくとも１つのビーム（８）を成形し（２６）、
少なくとも１つの回転可能なシリンダレンズ（１２，１４）によって光軸（Ａ）を中心として少なくとも１つのビームを回転し（２８）、
回転可能な偏向ユニット（１８）によって少なくとも１つのビーム（１６）を走査角度に沿って偏向させ（３０）、
物体で反射された少なくとも１つのビームを検出器によって受信し、記録する（３２）方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのビームによって走査角度を走査するためのライダー装置及びライダー装置を作動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）装置は、レーザもしくはビーム源を使用してレーザビームを生成し、次いで、回転可能なミラーなどの偏向ユニットを介してこのレーザビームを走査範囲にわたって偏向することができる。通常、ビームはビーム源によって生成され、このビームは偏向ユニットの回転軸線を通過し、回転軸線に垂直な約４５°の角度だけ偏向される。この回転により、３６０°の水平方向角度を有する走査範囲をライダー装置の周辺で走査することができる。検出器は、反射されたビームを受信し、評価することができる。
【０００３】
この場合、レーザ源及び検出器を定置で配置することもできる。しかしながら、このようなライダー装置では、偏向ユニットによって反射されたビームは、偏向ユニットの回転によって、例えば３６０°の水平方向角度だけ向きを変える。例えば、線形ビームが生成される場合には、大きい立体角にわたって線の向きを回転させることなしに線照明を実現することができない。水平方向角度がより大きい場合には、最初に垂直方向に整列された線形のビームは、回転時に偏向ユニットによって回転され、水平方向又は対角線に整列して走査範囲に放射することができる。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の基礎をなす課題は、走査範囲全体にわたって一定の向きを有する少なくとも１つのビームによって走査範囲を走査するための方法及びライダー装置を提供することである。
【０００５】
この課題は、独立請求項の対象によって解決される。本発明の有利な実施形態がそれぞれの従属請求項の対象である。
【０００６】
本発明の一態様によれば、少なくとも１つのビームによって走査角度を走査するためのライダー装置が提供される。ライダー装置は、少なくとも１つのビームを生成するための少なくとも１つのビーム源と、生成された少なくとも１つのビームを成形するための随意の生成光学系と、生成された少なくとも１つのビームを偏向するための回転可能な偏向ユニットとを有する。さらに、ライダー装置は、物体で反射された少なくとも１つのビームを受信するための検出器を備え、少なくとも１つのビームのビーム経路には、随意の生成光学系又はビーム源と偏向ユニットとの間に少なくとも２つのシリンダレンズが配置されており、少なくとも１つのシリンダレンズは回転可能である。
【０００７】
この場合、少なくとも１つのビーム源によって少なくとも１つの電磁ビームを生成することができる。ビーム源は、例えば、レーザであってもよい。随意の生成光学系によって少なくとも１つのビームを成形することができる。例えば、点状又は円形に構成されたビームを線として集束させることができる。したがって、随意の生成光学系は、例えば、シリンダレンズ、フレネルレンズ、回折光学素子、タンデムシリンダレンズなどであってもよい。代替的又は付加的に、生成された少なくとも１つのビームをドットマトリクスとなるように成形することができる。この場合、随意の生成光学系は付加的なビームスプリッタを有することができるか、又は複数のビーム源によって多数のビームを生成することができる。ドットマトリクスにおいて、個々の点はそれぞれ、生成されたビームによって形成される。例えば、ドットマトリクスは、線、円、長方形などとして成形されていてもよい。回転可能な偏向ユニットの前方で適切にビームを偏向することによって、線又はドットマトリクスを、線の向きを保持しながら、全ての空間方向にわたって周辺又は走査範囲に放射することができる。これにより、生成され、偏向ユニットによって偏向されたビームの向きの回転に反作用を及ぼすことができる。このことは、生成されたドットマトリクスにも同様に適用することができる。この場合、生成されたドットマトリクスの点は、例えば３６０°にわたる偏向ユニットの回転時に順序が２回反転される。生成された少なくとも１つのビームを傾斜又は回転させることにより、生成され、成形された少なくとも１つのビームの面積が連続的に変化し、したがって、ライダー装置の走査範囲もしくは垂直方向の走査角度も変化する。少なくとも２つの組み合わされたシリンダレンズは、互いに対してある角度で回転して配置されている。シリンダレンズは、互いに対してシリンダレンズの焦点距離よりも小さい間隔を有する。有利には、シリンダレンズは、焦点距離、幾何学的寸法、及び屈折率などの同じ光学特性を有する。あるいは、シリンダレンズは、光学特性が互いに異なっていてもよい。
【０００８】
少なくとも１つのシリンダレンズは光軸を中心として回転可能に配置されている。この場合、複数のシリンダレンズを複合体として一緒に回転可能に配置することもできる。複合体では、シリンダレンズは、互いに対して一定又は可変の所定の角度ずれを有することができる。好ましくは、シリンダレンズの光軸は、同時に、生成された少なくとも１つのビームの光軸である。この場合、少なくとも１つのシリンダレンズもしくは少なくとも２つのシリンダレンズの複合体は、偏向ユニットの回転と同期的に回転可能であってもよい。代替的又は付加的に、ライダー装置の使用範囲に応じて、回転速度を低減又は増大させることができる。これにより、例えば、垂直方向の走査角度を変更することができ、例えば、走査範囲の垂直方向の走査幅を低減又は増大することができる。少なくとも１つのビームは全回転時に同じ向きで偏向ユニットに入射するので、少なくとも１つのビームの向き及び分布は、偏向装置の全ての偏向角度において変化しないか、又は所定のように変化する。互いに対して回動して配置された少なくとも２つのシリンダレンズを使用することによって、生成され、既に成形された少なくとも１つのビームは、少なくとも２つのステップで回転される。これにより、生成され、成形されたビームのできるだけ多くの光学情報がシリンダレンズを介して伝送され、損失が最小限に抑えられる。
【０００９】
ライダー装置の一実施形態によれば、偏向ユニットと、偏向ユニットに隣接するシリンダレンズとの間隔は、隣接するシリンダレンズの焦点距離に対応する。これにより、偏向ユニットに隣接するシリンダレンズによって束ねられたビームは、偏向ユニットに集束される。したがって、偏向ユニットは、隣接するシリンダレンズの焦点に配置されており、走査範囲において偏向ユニットによるビームの最適な結像を可能にする。
【００１０】
ライダー装置の別の実施形態によれば、少なくとも２つのシリンダレンズは、この場合、４５°の角度だけ互いに対して回動して配置されている。ビーム源によって生成された最初の円形ビームは、随意の生成光学系もしくは第１のシリンダレンズによって線として成形される。４５°だけ互いに対して回動して配置された他の２つのシリンダレンズによって、偏向ユニットで線形のビームを回転させることができる。偏向ユニットは、例えば、回転可能なミラーであってもよい。
【００１１】
この装置の別の実施形態によれば、偏向ユニットと、偏向ユニットに隣接するシリンダレンズとの間隔は、隣接するシリンダレンズの焦点距離よりも大きい。これにより、偏向ユニットとシリンダレンズとの間隔を、偏向ユニットの最も近くに配置されたシリンダレンズの焦点距離よりも大きくすることができる。したがって、ライダー装置は柔軟に構成することができ、シリンダレンズの光学特性によって制限されない。この場合、少なくとも２つのシリンダレンズは、好ましくは９０°の角度だけ互いに対して回動して配置されている。偏向ユニットは、偏向ユニットに隣接するシリンダレンズから、このシリンダレンズの焦点距離よりも遠く離れて配置されるので、ビームの回転を偏向ユニットに結像することができるように、シリンダレンズは、互いに９０°の角度で回動して配置する必要がある。
【００１２】
ライダー装置の好ましい実施形態によれば、少なくとも１つのシリンダレンズは、偏向ユニットと同期的に回転可能である。このために、少なくとも２つのシリンダレンズを、例えば機械的又は電子的に偏向ユニットに接続することができる。したがって、シリンダレンズは、偏向ユニットと同じ角速度で複合体として回転することができる。特に、偏向ユニットは、少なくとも２つのシリンダレンズの複合体のための、又は単一のシリンダレンズのための機械的な駆動装置としての役割を果たす。あるいは、複合体としての少なくとも２つのシリンダレンズ又は一方のシリンダレンズは、回転に適した別個の駆動装置を個別に備えることができ、これにより、シリンダレンズを偏向ユニットの電子信号にしたがって回転させることができるか、又は同期させることができる。
【００１３】
別の実施形態によれば、少なくとも１つのシリンダレンズが定置で配置されている。したがって、少なくとも１つのシリンダレンズは、ビーム源及び検出器と共に定置で配置されており、共に回転されない。したがって、少なくとも１つのシリンダレンズは、ビームの向きを補正することができるように、さらに回転可能であるように構成されている。これにより、シリンダレンズのみを回転させればよいので、回転質量を低減することができる。
【００１４】
別の実施形態によれば、生成された少なくとも１つのビームは線形である。生成されたビームは、使用分野、及び使用分野に基づいて生じる要件に応じて、随意の生成光学系によって任意に成形することができる。例えば、ビームは線形に構成されていてもよい。好ましくは、ビームは、走査範囲を走査することができる２次元の線形を有する。有利には、この場合、随意の生成光学系は、シリンダレンズ、又はシリンダレンズと他の随意の光学素子との組み合わせである。このように、随意の生成光学系は、単一のシリンダレンズとして技術的に簡単に構成することもできる。
【００１５】
ライダー装置の別の実施形態によれば、生成された少なくとも１つのビームはドット形状を有する。これにより、随意の生成光学系は、ビーム源によって生成された少なくとも１つのビームを分割もしくは複数のビームに広げることができるビームスプリッタ、回折光学素子などを有することができる。この場合、個々のビームは、好ましくは、走査範囲を露光するために使用することができる個々のビームスポットを形成する。走査範囲は、ドットマトリクスによってパルス形式で、又は連続的に露光することができる。これにより、ライダー装置は同軸的に構成されていてもよく、同時に、生成されたビームを送信し、反射されたビームを受信することができる。このために、生成されたビームと反射されたビームとは、互いに対して少なくともわずかなずれを有する場合もあり、好ましくは、偏向ユニットの異なる範囲に入射する。少なくとも１つのシリンダレンズは回転可能に構成されているので、生成されたドットマトリクスは個々のビームと共に、偏向ユニットの配向とは無関係に向きを保持する。したがって、個々のビームの順序は一定のまま保持される。
【００１６】
ライダー装置の別の実施形態によれば、偏向ユニットは、平面鏡又は曲面鏡を有する。偏向ユニットは、技術的に簡単な構成で、回転可能又は旋回可能な平面鏡として構成することができる。あるいは、ミラーは、シリンダレンズの収差を補正するように構成された、湾曲した、又は外形を備える表面を有してもよい。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、少なくとも１つのビームによって走査角度を走査するためのライダー装置を作動する方法が提供される。少なくとも１つのビームが生成され、随意の生成光学系によって成形される。少なくとも１つのビームは、続いて、少なくとも１つの回転可能なシリンダレンズによって光軸を中心として回動され、偏向ユニットに結像される。偏向ユニットによって、少なくとも１つのビームを走査角度に沿って偏向させることができる。物体が走査範囲内にある場合には、この物体で反射された少なくとも１つのビームは随意の受信光学系を介して検出器によって受信され、電気信号に変換される。引き続いて電気信号を処理し、評価することができる。
【００１８】
生成され、成形された１つのビーム又は複数のビームを、少なくとも１つの回転可能なシリンダレンズによって、偏向ユニットに応じて直接的又は間接的に回転させることができる。したがって、走査範囲が露光される場合に、少なくとも１つのビームの向きを補正し、制御し、又は常に整列することができる。好ましくは、生成され、随意の生成光学ビームによって成形された少なくとも１つのビームは、少なくとも２つのシリンダレンズによって回転される。これにより、少なくとも１つのビームは、いくつかの段階で光軸を中心として回転され、偏向ユニットの向きに応じて調整される。
【００１９】
次に、著しく簡略化された概略図に基づいて本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態によるライダー装置を示す概略図である。
【図２】第１の実施形態によるライダー装置のシリンダレンズ複合体の異なる回転角度位置における偏向ユニット上のビームを示す図である。
【図３】第２の実施形態によるライダー装置を示す概略図である。
【図４】第２の実施形態によるライダー装置のシリンダレンズ複合体の異なる回転角度位置における偏向ユニット上のビームを示す図である。
【図５】第３の実施形態によるライダー装置を示す概略図である。
【図６】第１の実施形態によるライダー装置のシリンダレンズ複合体の異なる回転角度位置における偏向ユニット上のビームを示す図である。
【図７】第１の実施形態による走査範囲を走査する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図において、同じ構成要素はそれぞれ同じ符号を有する。明確にするために、図面では、本発明を理解するために重要な構造要素のみに符号を付す。
【００２２】
図１は、第１の実施形態によるライダー装置１の概略図を示す。この場合、ライダー装置１は、少なくとも１つの電磁ビーム４を生成するためのビーム源２を有する。この実施形態によれば、ビーム源２は、レーザビーム４を生成するレーザ２である。生成されたビーム４は生成光学系６に照射される。生成光学系６はシリンダレンズ６であり、このシリンダレンズ６は、生成されたビーム４を垂直方向Ｖに集束させ、シリンダレンズ６の焦点の後方で線形ビーム８に広げる。次に、線形ビームは、２つのシリンダレンズ１２，１４からなるシリンダレンズ複合体１０に入射する。シリンダレンズ複合体１０は全体として回転可能に構成されている。この場合、ライダー装置１の光軸Ａが回転軸線としての役割を果たす。２つのシリンダレンズ１２，１４は、この実施形態によれば、互いに対して４５°の一定角度だけ回動して配置されている。ビーム８は、回転可能なシリンダレンズ複合体１０によって２段階で光軸Ａを中心として回転する。次に、回転されたビーム１６を回転可能な偏向ユニット１８に結像することができる。偏向ユニット１８は、回転されたビーム１６を走査範囲に沿って映す。偏向ユニット１８は、例えば、回転可能なミラー１８であってもよい。この実施形態によれば、偏向ユニット１８は、隣接するシリンダレンズ１４まで、シリンダレンズ１４の焦点距離に対応する間隔を有する。この場合、シリンダレンズ複合体１０は、偏向ユニット１８と同期して回転し、回転したビーム１６が一定の向きで偏向ユニット１８に入射し、ひいては走査範囲で一定の向きで反射されるようにビーム８を整列する。
【００２３】
図２は、第１の実施形態によるライダー装置１のシリンダレンズ複合体１０全体の異なる回転角度における偏向ユニット１８上の回転ビーム１６の図解２０を示す。シリンダレンズ複合体１０の回転角度は、９０°の回転角度を示す図１のシリンダレンズ複合体１０の向きに対して示されている。
【００２４】
図３は、第２の実施形態によるライダー装置１の概略図を示す。第１の実施形態とは対照的に、ライダー装置１は、隣接するシリンダレンズ１４に対して間隔をおいて配置された偏向ユニット１８を有する。この間隔は、シリンダレンズ１４の焦点距離よりも大きい。回転されたビーム１６を偏向ユニット１８に最適に結像することができるように、シリンダレンズ複合体１０のシリンダレンズ１２，１４は互いに対して９０°の角度で回転されている。
【００２５】
図４は、第２の実施形態によるライダー装置１のシリンダレンズ複合体１０の異なる回転角度位置における偏向ユニット１８上の回転ビーム１６の図解２０を示す。図３では、シリンダレンズ複合体１０は０°の回転角度を有する。図解２０は、偏向ユニット１８に入射する場合のシリンダレンズ複合体１０の異なる回転角位置における補正のために回転されたビーム１６の形状を示す。
【００２６】
図５は、第３の実施形態によるライダー装置１の概略図を示す。既に示した実施形態とは対照的に、ライダー装置１は、全体として回転するシリンダレンズ複合体を有していない。この場合、シリンダレンズ１２は生成光学系６と共に定置であるか、又は回転不能に構成されている。この実施形態によれば、偏向ユニット１８に隣接して配置されたシリンダレンズ１４は、光軸Ａを中心として回転可能に支承されている。この場合、シリンダレンズ１４は偏向ユニット１８と同期して回転可能に構成されており、回転可能な偏向ユニット１８の配向に対して、成形されたビーム８を調整する。偏向ユニット１８は、第２の実施形態と同様に、隣接するシリンダレンズ１４の焦点距離の外側に配置されている。
【００２７】
図６は、第３の実施形態によるライダー装置１のシリンダレンズ１４の異なる回転角度位置における偏向ユニット１８上の回転ビーム１６の図解２０を示す。シリンダレンズ１４は図５では０°の回転角度を有する。この場合、単一のシリンダレンズ１４の回転時に、回転されたビーム１６の線形が楕円形に移行し、ひいては回転可能なシリンダレンズ複合体１０と比較してビーム１６の結像品質を低下させることが特に明らかである。
【００２８】
図７は、第１の実施形態による走査範囲を走査するための方法２２を示す。この場合、少なくとも１つのビーム４が生成され（２４）、生成光学系６によって成形される（２６）。成形されたビーム８は、次に、少なくとも１つの回転可能なシリンダレンズ１２，１４によって回転もしくは整列され（２８）、偏向ユニット１８に投影される。偏向ユニット１８はビーム１６を反射し、ビーム１６によって走査範囲を露光する（３０）。ビーム１６は、ビーム１６の向きが偏向ユニットの回転範囲にわたって一定に保持されるように回転される。物体で反射されたビーム３２は、検出器及び随意の受信光学系によって受信し、検出することができる。
【図１】
2020521142.tif 000003
【図２】
2020521142.tif 000004
【図３】
2020521142.tif 000005
【図４】
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【図５】
2020521142.tif 000007
【図６】
2020521142.tif 000008
【図７】
2020521142.tif 000009
【国際調査報告】
2020521142.tif 000010
2020521142.tif 000011
2020521142.tif 000012
2020521142.tif 000013