Title:
Scannersystem mit einer Strahlquelle, einem Spiegel und einem prismatischen Element
Kind Code:
A1


Abstract:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Scannersystem (1) umfassend eine Strahlquelle (2), einen Spiegel (3) und ein prismatisches Element (4). Dabei ist die Strahlquelle (2) dazu eingerichtet, einen Scanstrahl (5) zu erzeugen, das prismatische Element (4) ist derart zwischen der Strahlquelle (2) und dem Spiegel (3) angeordnet ist, dass der bei einem Betrieb der Strahlquelle (2) abgegebene Scanstrahl (5) das prismatische Element (4) durchläuft, bevor dieser auf den Spiegel (3) trifft, und die Strahlquelle (2), der Spiegel (3) und das prismatische Element (4) sind derart angeordnet sind, dass der Scanstrahl (5) in dem prismatischen Element (4) zumindest einmal reflektiert wird. embedded image




Inventors:
Frederiksen, Annette (71272, Renningen, DE)
Ostrinsky, Joern (71254, Ditzingen, DE)
Horneber, Christoph (90607, Rückersdorf, DE)
Application Number:
DE102017202018A
Publication Date:
08/09/2018
Filing Date:
02/09/2017
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:



Foreign References:
200700245492007-02-01
JP2013003520A2013-01-07
Claims:
Scannersystem (1) umfassend eine Strahlquelle (2), einen Spiegel (3) und ein prismatisches Element (4),
- wobei die Strahlquelle (2) dazu eingerichtet ist, einen Scanstrahl (5) zu erzeugen;
- wobei das prismatische Element (4) derart zwischen der Strahlquelle (2) und dem Spiegel (3) angeordnet ist, dass der bei einem Betrieb der Strahlquelle (2) abgegebene Scanstrahl (5) das prismatische Element (4) durchläuft, bevor dieser auf den Spiegel (3) trifft,
- wobei die Strahlquelle (2), der Spiegel (3) und das prismatische Element (4) derart angeordnet sind, dass der Scanstrahl (5) in dem prismatischen Element (4) zumindest einmal reflektiert wird.

Scannersystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (3) in einem Hohlraum angeordnet ist, der auf einer Seite von dem prismatischen Element (4) und/oder einer transparenten Abdeckung (9) verschlossen ist.

Scannersystem (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum versiegelt ist, um in dem Hohlraum einen Unterdruck gegenüber einer Atmosphäre in der Umgebung des Scannersystems (1) zu halten.

Scannersystem (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das prismatische Element (4) auf einer transparenten Abdeckung, insbesondere einem Deckglas (9), angeordnet ist.

Scannersystem (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (3) beweglich angeordnet ist, um den Scanstrahl (5) bei einer Bewegung des Spiegels (3) in unterschiedliche Richtungen zu lenken.

Scannersystem (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlquelle (2), der Spiegel (3) und das prismatische Element (4) derart angeordnet sind, dass der Scanstrahl (5) nach einer Reflexion an dem Spiegel (3) das prismatische Element (4) durchläuft, bevor dieser in eine Umgebung des Scannersystems (1) abgestrahlt wird.

Scannersystem (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das prismatische Element (4) eine erste Seitenfläche (13), eine zweite Seitenfläche (14) und eine dritte Seitenfläche (15) aufweist,
- wobei der Scanstrahl (5) über die erste Seitenfläche (13) in das prismatische Element (4) eintritt,
- wobei der Scanstrahl (5) in dem prismatischen Element (4) an der zweiten Seitenfläche (14) reflektiert wird,
- wobei der Scanstrahl (5) über die dritte Seitenfläche (15) aus dem prismatischen Element (4) austritt, und
- wobei ein Raum, in welchen der Scanstrahl (5) nach einer Reflexion an dem Spiegel (3) abgestrahlt wird, von dem prismatischen Element (4) aus gesehen auf Seiten der zweiten Seitenfläche (14) des prismatischen Elements (4) liegt.

Scannersystem (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das prismatische Element (4) eine absorbierende Schicht (6) umfasst.

Scannersystem (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die absorbierende Schicht (6) derart angeordnet ist, dass diese einen ersten Teilbereich (7) des prismatischen Elements (4), den der Scanstrahl (5) vor einer Reflexion an dem Spiegel (3) durchläuft, von einem zweiten Teilbereich (8) des prismatischen Elements (4), den der Scanstrahl (5) nach einer Reflexion an dem Spiegel (3) durchläuft, trennt.

Scannersystem (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem prismatischen Element (4) eine Linse (19) angeordnet ist, durch welche der Scanstrahl (5) in das prismatische Element (4) eintritt.

Description:
Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Scannersystem, insbesondere ein Laser-Scannersystem. Als Laser-Scannersysteme sind insbesondere sogenannte Lidar-Systeme bekannt.

Lidar-Systeme können zur Ablenkung eines Scanstrahls Mikrospiegel verwenden. Diese Mikrospiegel lenken dabei den Laserstrahl um einen definierten Betrag in eine oder zwei Achsrichtungen ab. Die Mikrospiegel werden typischerweise durch ein optisch transparentes Deckglas geschützt. Dadurch ist ein Schutz vor mechanischen Einwirkungen, wie z. B. Staub, Feuchte, gegeben. Des Weiteren bietet das Deckglas die Möglichkeit den Mikrospiegel bei Unterdruck zu betreiben, was sich positiv auf die erreichbaren Auslenkwinkel auswirkt. Das Deckglas ist in der Regel ein gewalztes, ca. 200 µm dickes, planparalleles Glas. Als Glas wird typischerweise ein Borosilikatglas verwendet. Das Deckglas ist typischerweise parallel oder leicht schräg (bis zu 10°) zur Nulllage des Mikrospiegels angebracht.

Wird ein Laserstrahl auf den Mikrospiegel gerichtet, so muss dieser das Deckglas durchlaufen. Dabei entstehen statische und nichtstatische Reflexe. Ein Reflex ist dabei ein Lichtreflex oder ein aber ein Reflex, welcher im nicht-sichtbaren Bereich, insbesondere im Infrarotbereich, liegt. Als statische Reflexe werden diejenigen bezeichnet, die sich nicht mit dem Spiegel mitbewegen. Als nicht statische Reflexe werden entsprechend diejenigen Reflexe bezeichnet, die sich mit einer Lage des Mikrospiegels verändern. Im zeitlichen Mittel ist die Strahlstärke der statischen Reflexe sehr hoch, da diese sich nicht bewegen. Diese stellen daher ein Problem für die Augensicherheit dar, da die Grenzwerte für zulässige Strahlung durch die Reflexe überschritten werden. Ein beispielhafter Grenzwert ist der Grenzwert zugänglicher Strahlung, welcher beispielsweise in der Norm IEC60825-1 festgelegt ist. Ferner beeinträchtigen diese Reflexe die Funktion des Scannersystems als Ganzes, da diese beispielsweise Geisterbilder und eine hohe Fehlerrate verursachen.

In 7 ist ein Mikrospiegel 103 und ein Deckglas 109 in einem Lidar-System 100 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Ein Scanstrahl 105, welcher von einem Laser 102 erzeugt wird, durchläuft das Deckglas 109 und trifft auf den Mikrospiegel 103. Dort wird der Scanstrahl 105 reflektiert und durch das Deckglas 109 in ein Umfeld des Lidar-Systems 100 abgestrahlt. Es ist aus 7 ersichtlich, dass der ursprüngliche Scanstrahl 105 gebrochen und teilreflektiert wird. Dadurch teilt dieser sich wiederum in eine Vielzahl von Strahlen auf. Es entstehen somit neben dem Scanstrahl 105 eine Vielzahl von Lichtreflexen 120. Die Lichtreflexe 120 werden entweder direkt über das Deckglas 109 oder über den Mikrospiegel 103 in das Umfeld des Lidar-Systems 100 abgestrahlt. Es besteht ein Bedarf, dass die ungewollte Abstrahlung der Lichtreflexe 120 in das Umfeld des Lidar-Systems 100, welche hauptsächlich durch das Deckglas 109 verursacht wird, verringert oder unterbunden wird. Dabei ist das Deckglas um einen Kippwinkel gegenüber einer Nullstellung des Mikrospiegels 103 verkippt, wodurch eine Abstrahlung von Lichtreflexen 120 in eine primäre Scanrichtung verringert wird.

Neben den negativen Einflüssen auf die Funktion von Lidar-Systemen ergeben sich Nachteile im Aufbau bzw. einer Prozessierung des Systems, insbesondere für große Kippwinkel des Deckglases. Diese großen Kippwinkel des Deckglases gegenüber einer Nullstellung des Mikrospiegels sind notwendig, wenn das Lidar-System 100 ein großes Sichtfeld (Field of view) abdecken soll. Speziell für Mikrospiegel-basierte Lidar-Systeme werden relativ große Mikrospiegel (ca. 2 bis 3 mm Durchmesser) benötigt. Diese Spiegelgröße führt zu größeren Deckgläsern, die wiederum in geneigter Montage dazu führen, dass die Auflageelemente sehr groß dimensioniert sein müssen und daher nur schwer und teuer als Mikroelektromechanisches (MEMS) Systemrealisiert werden können.

Wird der Mikrospiegel in einem Raum betrieben, in dem ein Unterdruck besteht, und wird dieser Raum durch das Deckglas verschlossen, so kann sich das Deckglas in Richtung des Mikrospiegels wölben. Dies hat zur Folge, dass sich eine asymmetrische Meniskuslinse ausprägt. In Folge dessen kann sich Strahlprofil des Scanstrahls nachteilig verändern.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Scannersystem umfasst eine Strahlquelle, einen Spiegel und ein prismatisches Element. Dabei ist die Strahlquelle dazu eingerichtet, einen Scanstrahl zu erzeugen. Das prismatische Element ist dabei derart zwischen der Strahlquelle und dem Spiegel angeordnet, dass der bei einem Betrieb der Strahlquelle abgegebene Scanstrahl das prismatische Element durchläuft, bevor dieser auf den Spiegel trifft. Dabei sind die Strahlquelle, der Spiegel und das prismatische Element derart angeordnet, dass der Scanstrahl in dem prismatischen Element zumindest einmal reflektiert wird.

Wenn der Scanstrahl in dem prismatischen Element zumindest einmal reflektiert wird, so erfolgt dabei bevorzugt eine Totalreflexion. Das bedeutet, dass die Strahlquelle gegenüber dem prismatischen Element derart angeordnet ist, dass der Scanstrahl innerhalb des prismatischen Elementes in einem Winkel auf eine Außenfläche des prismatischen Elementes trifft, der sich aus Materialeigenschaften des prismatischen Elementes ergibt und eine Totalreflexion ermöglicht. Das prismatische Element ist dabei ein Element, welches die Eigenschaften eines Prismas aufweist. Das prismatische Element kann aus einem oder mehreren einzelnen Elementen bestehen. Das Scannersystem ist bevorzugt ein Laser-Scannersystem, insbesondere ein Lidar-System. Die Strahlquelle ist bevorzugt ein Laser. Der Spiegel ist bevorzugt ein Mikrospiegel. Der Scanstrahl ist bevorzugt ein Laserstrahl. Insbesondere umfasst das erfindungsgemäße Scannersystem mehrere Strahlquellen oder die Strahlquelle ist dazu eingerichtet, gleichzeitig mehrere Scanstrahlen zu erzeugen. So werden beispielsweise durch einen Picoprojektor drei Strahlquellen bereitgestellt, welche Scanstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge erzeugen.

Dadurch, dass der Scanstrahl innerhalb des prismatischen Elementes reflektiert wird, tritt der Scanstrahl auf einer anderen Seite des prismatischen Elementes aus, als er in das prismatische Element eintritt. Eine Strahlrichtung des Scanstrahls wird somit innerhalb des prismatischen Elements verändert.

Ein solches Scannersystem weist daher den Vorteil auf, dass die möglichen Richtungen, in welche Reflexionen des Scanstrahls, also Reflexe, abgestrahlt werden, begrenzt werden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Reflexe in ein Umfeld des Scannersystems gelangen. Somit werden insbesondere statische Reflexe unterdrückt, woraus sich ein Vorteil für die Augensicherheit des Scannersystems ergibt. Dies wiederum ermöglicht den Einsatz einer Strahlquelle mit besonders hoher Leistung, wodurch wiederum eine besonders hohe Reichweite des Scannersystems erreicht wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Scannersystem ein LIDAR-System ist. Auch kann eine Bildqualität des Scannersystems erhöht werden, da keine Reflexe in dem von dem Scannersystem erzeugten Bild sichtbar sind. Dies gilt insbesondere für Scannersysteme mit Picoprojektoren. Gleichzeitig werden auch dynamische Reflexe unterdrückt, wodurch Geisterbilder bei einer Detektion des ausgestrahlten Scanstrahls vermieden werden. Es wird somit eine Fehlerrate verringert, was zu Sicherheitsvorteilen bei einem Einsatz eines erfindungsgemäßen Scannersystems führt. Statische Reflexe können dabei vollständig unterdrückt werden. Dynamische Reflexe können dabei teilweise bis vollständig unterdrückt werden. Die Reflexe sind insbesondere Lichtreflexe, können aber ebenso Reflexe sein, deren Wellenlänge im nicht-sichtbaren Bereich liegt.

Dadurch, dass der Scanstrahl in seiner Richtung abgelenkt wird, ist es zugleich möglich, einen besonders kompakten Aufbau des Scannersystems zu schaffen, da die Strahlquelle seitlich gegenüber dem Spiegel angeordnet werden kann und somit eine seitliche Einholung des Scanstrahles ermöglicht wird. Insbesondere, wenn für die Reflexion des Scanstrahls in dem prismatischen Element eine Totalreflexion genutzt wird, kann eine Umleitung des Scanstrahls auf besonders einfache Weise erfolgen, da keine Beschichtung von Außenflächen des prismatischen Elementes erforderlich ist, wodurch geringe Fertigungskosten gewährleistet sind. Dabei ist es vorteilhaft, dass das prismatische Element kostengünstig bereitgestellt werden kann, da ein solches optisches Element als gängiges Bauelement verfügbar ist. Insbesondere kann dieses auf einfache Weise aus Kunststoff, insbesondere durch Spritzgießen, oder aus Glas, insbesondere durch Blankpressen, hergestellt werden.

Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Es ist vorteilhaft, wenn das prismatische Element auf einer transparenten Abdeckung, insbesondere einem Deckglas, angeordnet ist. Eine solche transparente Abdeckung ist ein häufig verwendetes und kostengünstig herzustellendes Bauelement, welches ohnehin in gängigen Scannersystemen vorhanden ist. Die transparente Abdeckung schützt den Spiegel vor mechanischen Einflüssen. Somit muss die transparente Abdeckung von dem Scanstrahl durchlaufen werden, um zu dem Spiegel zu gelangen. Durch das prismatische Element wird verhindert, dass die von dem Deckglas verursachten Reflexe in ein Umfeld des Scannersystems abgestrahlt werden. Ferner wird ein modularer Aufbau ermöglicht, wobei unterschiedliche prismatische Elemente auf das Deckglas aufgebracht werden können, um das Scannersystem für unterschiedliche Spiegelvarianten zu optimieren.

Es ist vorteilhaft, wenn der Spiegel in einem Hohlraum angeordnet ist, der auf einer Seite von dem prismatischen Element und/oder einer transparenten Abdeckung verschlossen ist. Die transparente Abdeckung ist insbesondere ein Deckglas. Somit wird der Spiegel vor mechanischen Einflüssen, insbesondere vor Staub geschützt. Wird der Hohlraum von dem prismatischen Element verschlossen, kann ein Bauteil eingespart werden, da die versiegelnde Funktion von dem prismatischen Element mitübernommen wird.

Auch ist es vorteilhaft, wenn der Hohlraum versiegelt ist, um in dem Hohlraum einen Unterdruck gegenüber einer Atmosphäre in der Umgebung des Scannersystems zu halten. Insbesondere wenn der Hohlraum durch das prismatische Element oder durch ein Deckglas verschlossen ist, auf dem das prismatische Element angebracht ist, wird somit vermieden, dass eine Wölbung des Deckglases durch den Unterdruck verursacht wird. Es wird somit das Deckglas durch das prismatische Element stabilisiert, oder das Deckglas vollständig durch das prismatische Element ersetzt, welches eine höhere Stabilität gegenüber Verformungen als das Deckglas aufweist.

Es ist vorteilhaft, wenn der Spiegel beweglich angeordnet ist, um den Scanstrahl bei einer Bewegung des Spiegels in unterschiedliche Richtungen zu lenken. Bei der Bewegung des Spiegels entstehen dynamische Reflexe, also, Lichtstrahlen, die nicht durch statisch angeordnete Blenden gefiltert bzw. blockiert werden können. Somit wird durch den beweglich angeordneten Spiegel ein Scannersystem geschaffen, welches sowohl eine Abtastung einer Umgebung des Scannersystems ermöglicht, als auch eine geringe Fehlerrate aufgrund von dynamischen Reflexen gewährleistet. Der Spiegel ist insbesondere gegenüber der Strahlquelle und/oder dem prismatischen Element beweglich angeordnet.

Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn die Strahlquelle, der Spiegel und das prismatische Element derart angeordnet sind, dass der Scanstrahl nach einer Reflexion an dem Spiegel das prismatische Element durchläuft, bevor dieser in eine Umgebung des Scannersystems abgestrahlt wird. Der Scanstrahl durchläuft das prismatische Element somit ein erstes Mal, bevor der Scanstrahl auf den Spiegel trifft, und ein zweites Mal, nachdem der Scanstrahl auf den Spiegel getroffen ist. Dadurch, dass der Scanstrahl nach der Reflexion an den Spiegel nochmals durch das prismatische Element geleitet wird, und der Scanstrahl sowohl bei einem Eintritt in das prismatische Element, als auch beim Austreten aus dem prismatischen Element abgelenkt wird, kann ein besonders großer Scan-Winkel erreicht werden.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das prismatische Element eine erste Seitenfläche, eine zweite Seitenfläche und eine dritte Seitenfläche aufweist, wobei der Scanstrahl über die erste Seitenfläche in das prismatische Element eintritt, wobei der Scanstrahl in dem prismatischen Element an der zweiten Seitenfläche reflektiert wird, wobei der Scanstrahl über die dritte Seitenfläche aus dem prismatischen Element austritt, und wobei ein Raum, in welchen der Scanstrahl nach einer Reflexion an dem Spiegel abgestrahlt wird, von dem prismatischen Element aus gesehen auf Seiten der zweiten Seitenfläche des prismatischen Elements liegt. Die erste Seitenfläche, die zweite Seitenfläche und die dritte Seitenfläche sind dabei insbesondere solche Seitenflächen des prismatischen Elementes, welche eine Oberseite und eine gegenüberliegende Unterseite des prismatischen Elementes miteinander verbinden. In Richtung des Raums, in welchen der Scanstrahl nach einer Reflexion an dem Spiegel abgestrahlt wird, werden bei einer solchen Anordnung besonders wenige Reflexe abgestrahlt. Der Raum, in welchen der Scanstrahl nach einer Reflexion an dem Spiegel abgestrahlt wird, ist dabei insbesondere ein Raum, welcher von der Strahlquelle aus gesehen hinter einer durch die zweite Seitenfläche definierten Ebene liegt. Definiert bedeutet dabei, dass die zweite Seitenfläche in der definierten Ebene liegt.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das prismatische Element eine absorbierende Schicht umfasst. Durch solch eine absorbierende Schicht können gezielt ausgewählte Reflexionen unterbunden werden. Dabei ist eine solche absorbierende Schicht einfach in dem Scannersystem anzuordnen und besonders kostengünstig herzustellen, da insbesondere ein Materialaufwand minimal ist.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die absorbierende Schicht derart angeordnet ist, dass diese einen ersten Teilbereich des prismatischen Elements, den der Scanstrahl vor der Reflexion an dem Spiegel durchläuft, von einem zweiten Teilbereich des prismatischen Elementes, den der Scanstrahl nach einer Reflexion an dem Spiegel durchläuft, trennt. Auf diese Weise wird verhindert, dass Reflexionen, also Anteile des Scanstrahls, durch das prismatische Element geleitet werden und in das Umfeld des Scannersystems abgestrahlt werden.

Auch ist es vorteilhaft, wenn an dem prismatischen Element eine Linse angeordnet ist, durch welche der Scanstrahl in das prismatische Element eintritt. Somit kann eine Strahleinkopplung des Scanstrahls in das prismatische Element mit einer Strahlformung für den Laserstrahl verbunden werden. Es kann somit beispielsweise eine optische Komponente entfallen, wodurch geringere Kosten verursacht werden. Es wird ermöglicht den Scanstrahl zu formen und somit das Scannersystem auf eine bestimmte Reichweite zu optimieren.

Figurenliste

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnungen im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

  • 1 ein Scannersystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 eine Illustration einer Ausbreitung möglicher Reflexe in dem Scannersystem gemäß der ersten Ausführungsform,
  • 3 ein Scannersystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
  • 4 eine Illustration einer Ausbreitung möglicher Reflexe in dem Scannersystem gemäß der zweiten Ausführungsform,
  • 5 ein Scannersystem gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
  • 6 ein Scannersystem gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, und
  • 7 ein Scannersystem gemäß dem Stand der Technik.

Ausführungsformen der Erfindung

1 zeigt ein Scannersystem 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Um statische Reflexe zu kontrollieren, wird dabei ein Deckglas 9 mit einem Prisma 4 ergänzt. Dadurch können sich durch Mehrfachreflexionen keine zusätzlichen Strahlen mehr bilden, welche in Richtung einer Scanrichtung abgestrahlt werden. Es wird somit eine sehr effektive Methode offenbart, um Reflexe aus der Scanrichtung fernzuhalten. Dies erfolgt über eine seitliche Einkopplung eines Scanstrahls 5.

Das Scannersystem 1 umfasst eine Strahlquelle 2, einen Spiegel 3 und ein prismatisches Element 4. Die Strahlquelle 2 ist ein Laser. Der Spiegel 3 ist ein Mikrospiegel. Das prismatische Element 4 ist in dieser ersten Ausführungsform ein zweiteiliges Element. Das prismatische Element 4 ist dazu aus einem ersten Teil 10 und einem zweiten Teil 11 zusammengesetzt. Sowohl das erste Teil 10 als auch das zweite Teil 11 ist ein Kunststoffteil. Das erste Teil 10 und das zweite Teil 11 formen zusammengesetzt ein Prisma. Alternativ kann sowohl das erste Teil 10 als auch das zweite Teil 11 aus einem anderen transparenten Material geformt sein.

Das erste Teil 10 weist auf einer Oberseite des ersten Teils 10 eine Oberfläche in Form eines Trapezes auf. Das zweite Teil 11 weist auf einer Oberseite des zweiten Teils 11 eine Oberfläche in Form eines Dreiecks auf. Werden das erste Teil 10 und das zweite Teil 11 an einer Schnittstelle 12 zusammengesetzt, so bilden diese gemeinsam eine dreieckförmige Oberfläche, welche eine Oberseite des prismatischen Elementes 4 bildet. Die Oberseiten sind Seiten des ersten Teils 10 und des zweiten Teils 11, welche eine gemeinsame Seite der beiden Teile 10, 11 bilden. Entsprechend weist das prismatische Element eine dreieckförmige Unterseite auf, die parallel zu der Oberseite liegt. Das prismatische Element 4 weist ferner eine erste Seitenfläche 13, eine zweite Seitenfläche 14 und eine dritte Seitenfläche 15 auf. Jede der Seitenflächen 13 bis 15 verbindet die Oberseite des prismatischen Elementes mit der Unterseite des prismatischen Elementes.

Der Spiegel 3 ist beweglich angeordnet und kann um eine Achse 16 geschwenkt werden. Der Spiegel 3 ist in 1 in seiner Ruheposition dargestellt. Ausgehend von der Ruheposition kann der Spiegel 3 um einen Winkel α im Uhrzeigersinn oder um einen Winkel α gegen den Uhrzeigersinn um die Achse 16 gedreht werden. In alternativen Ausführungsformen kann der Spiegel 3 ebenfalls um einen Winkel β um eine zweite Achse gedreht werden, die senkrecht auf der Achse 16 steht. Um den Scanstrahl 5 bei einem Scanvorgang mit hoher Geschwindigkeit in dem Umfeld des Scannersystems 1 zu bewegen, ist es notwendig, dass der Spiegel 3 ebenfalls sehr schnell in wechselnder Drehrichtung um die Achse 16 gedreht wird. Mit anderen Worten bedeutet das, dass der Spiegel 3 mit einer hohen Frequenz oszilliert. Daher ist der Spiegel 3 in einem Hohlraum 17 angeordnet. Dieser Hohlraum 17 ist durch ein Deckglas 9 verschlossen, welches es erlaubt, dass der Scanstrahl zu dem Spiegel 3 gelangt und von diesem wieder aus dem Hohlraum 17 zurückgeworfen wird. Das Deckglas 9 dient dazu, den Unterdruck in dem Hohlraum 17 zu halten und dient ferner als ein mechanischer Schutz für den Spiegel 3. Es ergibt sich, wenn der Scanstrahl 5 aus einer konstanten Richtung auf den Spiegel 3 trifft und der Spiegel bewegt wird, dass der Scanstrahl 5 bei der Bewegung des Spiegels 3 in unterschiedliche Richtungen gelenkt wird.

Der Hohlraum ist somit versiegelt, um in dem Hohlraum 17 den Unterdruck gegenüber einer Atmosphäre in der Umgebung des Scannersystems 1 zu halten. Bevorzugt herrscht in dem Hohlraum 17 ein Vakuum. Das prismatische Element 4 ist auf dem Deckglas 9 angeordnet. Dabei liegt die dritte Seitenfläche 15 des prismatischen Elements 4 auf dem Deckglas 9 auf.

Das prismatische Element 4 ist derart zwischen der Strahlquelle 2 und dem Spiegel 3 angeordnet, dass bei einem Betrieb der Strahlquelle 2 der abgegebene Scanstrahl 5 das prismatische Element 4 durchläuft, bevor dieser auf den Spiegel 3 trifft. Dazu ist die Strahlquelle 2 derart angeordnet, dass der Scanstrahl 5 auf die erste Seitenfläche 13 trifft, wenn dieser von der Strahlquelle 2 abgegeben wird. Somit tritt dieser an der ersten Seitenfläche 13 in das prismatische Element 4 ein und trifft im inneren des prismatischen Elementes 4 auf die zweite Seitenfläche 14. Der Scanstrahl 5 trifft in dem ersten Teil 10 des prismatischen Elementes 4 auf die zweite Seitenfläche 14.

Die zweite Seitenfläche 14 ist ein Übergang von einem optisch dichteren Material zu einem optisch wenig dichteren Material, in diesem Fall ein Übergang zwischen dem Kunststoff des prismatischen Elementes 4 und einer umgebenden Atmosphäre. Dort findet eine Totalreflexion statt. Der Scanstrahl 5 trifft in einem rechten Winkel auf die erste Seitenfläche 13. Damit die Totalreflexion an der zweiten Seitenfläche 14 im Inneren des prismatischen Elements 4 erfolgt, ist ein Dreieckswinkel 18 zwischen der ersten Seitenfläche 13 und der zweiten Seitenfläche 14 entsprechend gewählt, dass der Scanstrahl 5 in einem Winkel γ auf die zweite Seitenfläche 14 trifft, der größer ist als ein Grenzwinkel der Totalreflexion. Der Winkel γ ist dabei ein Winkel, der sich aus einer Ausbreitungsrichtung des Scanstrahls 5 und einer Normalen der Seitenfläche 14 ergibt. Da es an der zweiten Seitenfläche 14 zu einer Totalreflexion des Scanstrahls 5 kommt, ist die Strahlquelle 2, der Spiegel 3 und das prismatische Element 4 somit derart angeordnet, dass der Scanstrahl 5 in dem prismatischen Element 4 zumindest einmal reflektiert wird.

Der Scanstrahl 5 wird durch die Totalreflexion in Richtung der dritten Seitenfläche 15 und des Deckglases 9 reflektiert, bzw. abgelenkt. Wenn der Scanstrahl 5 aus dem prismatischen Element 4 austritt und in das Deckglas 9 eintritt, kommt es zu einer Brechung des Scanstrahls. Ferner kommt es zu einer Brechung des Scanstrahls 5, wenn dieser aus dem Deckglas 9 austritt. Diese Brechung ist jedoch sehr gering, da das Prisma 4 und das Deckglas 9 durch ein sogenanntes Index-Matching aufeinander angepasst sind. Hinter dem Deckglas 9 ist der Spiegel 3 derart angeordnet, dass der Scanstrahl 5 zentral auf den Spiegel 3 trifft. Das prismatische Element 4, insbesondere der erste Teil 10 des prismatischen Elements 4 ist somit derart zwischen der Strahlquelle 2 und dem Spiegel 3 angeordnet, dass der Scanstrahl 5 bei einem Betrieb der Strahlquelle 2 das prismatische Element 4 durchläuft, insbesondere den ersten Teil 10 des prismatischen Elements 4 durchläuft, bevor der Scanstrahl auf den Spiegel 3 trifft.

In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Strahlquelle 2, der Spiegel 3 und das prismatische Element 4 derart angeordnet, dass der Scanstrahl 5 nach einer Reflexion an dem Spiegel 3 das prismatische Element 4 durchläuft, bevor dieser in eine Umgebung des Scannersystems 1 abgestrahlt wird. In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung durchläuft der Scanstrahl 5 den zweiten Teil 11 des prismatischen Elements 4. Dazu erstreckt sich der zweite Teil 11 des prismatischen Elements 4 über einen entsprechenden Flächenbereich des Deckglases 9, auf den der Scanstrahl zurückgeworfen wird, nachdem dieser an dem Spiegel 3 reflektiert wurde. Da der Scanstrahl 5 durch die Bewegung des Spiegels 3 in unterschiedlicher Richtung zurückgeworfen wird, ist der zweite Teil 11 des prismatischen Elements 4 ausreichend groß dimensioniert, sodass der an dem Spiegel 3 reflektierte Scanstrahl 5 zu keinem Zeitpunkt in den ersten Teil 10 des prismatischen Elements 4 zurückreflektiert wird.

Der Scanstrahl 5 durchläuft somit nach seiner Reflexion an dem Spiegel 3 erneut das Deckglas 9 und tritt an der dritten Seitenfläche 15 des prismatischen Elements 4 in den zweiten Teil 11 des prismatischen Elements 4 ein. Der Scanstrahl 5 durchläuft den zweiten Teil 11 des prismatischen Elements 4 und tritt an der zweiten Seite 14 des prismatischen Elements 4 aus dem zweiten Teil 11 des prismatischen Elements 4 aus.

An der Schnittstelle 12 zwischen dem ersten Teil 10 und dem zweiten Teil 11 des prismatischen Elements 4 ist eine absorbierende Schicht 6 angeordnet. Die absorbierende Schicht 6 wird durch eine Beschichtung geschaffen, welche auf eine der einander berührenden Seitenflächen des ersten Teils 10 oder des zweiten Teils 11 des prismatischen Elements 4 aufgebracht ist, beispielsweise ausgedampft ist. Die absorbierende Schicht 6 ist für die vom Scannersystem verwendeten Wellenlängen optisch undurchlässig. Da die absorbierende Schicht zwischen dem ersten Teil 10 und dem zweiten Teil 11 des prismatischen Elements 4 angeordnet ist, ist diese derart angeordnet, dass diese einen ersten Teilbereich 7 des prismatischen Elements 4, den der Scanstrahl 5 vor einer Reflexion an dem Spiegel 3 durchläuft, von einem zweiten Teilbereich 8 des prismatischen Elements 4, den der Scanstrahl 5 nach einer Reflexion an dem Spiegel 3 durchläuft, trennt. Der erste Teilbereich 7 entspricht dabei dem ersten Teil 10 des prismatischen Elements 4. Der zweite Teilbereich 8 entspricht dabei dem zweiten Teil 11 des prismatischen Elements 4.

Um Reflexe aus einer Scanrichtung 31 fernzuhalten erfolgt eine seitliche Einkopplung des von der Strahlquelle 2 erzeugten Scanstrahls 5. Auf das ebene und unverkippte Deckglas 9 werden dabei zwei Prismen, also der erste und der zweite Teil 10, 11 des prismatischen Elements 4, geklebt, welche zusammen das prismatische Element 4 bilden. Der erste Teil 10 des prismatischen Elements 4 besitzt auf der zweiten Seitenfläche 14 eine möglichst gut reflektierende Dachfläche und möglichst lichtundurchlässige (möglichst absorbierende) Seitenflächen. Der zweite Teil 11 des prismatischen Elements 4 kann völlig unbeschichtet sein.

Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: Die seitliche Einkopplung in Verbindung mit der spiegelnden zweiten Seitenfläche 14 des ersten Teiles 10 unterdrückt vollständig direkte Reflexe in Scanrichtung 31, wie sie beim einfachen Deckglas 9 auftreten. Die lichtundurchlässigen Seiten des zweiten Teils 11 verhindern zusätzlich mögliche Reflexionen im Deckglas, die in Scanrichtung 31 auskoppeln könnten.

Mit Hinblick auf 1 wurde bislang hauptsächlich ein primärer Ausbreitungsweg des Scanstrahls 5 betrachtet. Da der Scanstrahl 5 jedoch an mehreren Stellen gebrochen wird, ergeben sich auch ungewollte Ausbreitungswege des Scanstrahls 5, welche sich als Reflexe in dem Scannersystem 1 ausbreiten. Zum Verständnis zeigt 2 neben dem aus 1 bekannten Scanstrahl 5 auch Ausbreitungswege von Reflexen, die sich aufgrund des Ausbreitungsweges des Scanstrahls 5 ergeben.

In Scannersystemen ist es aus baulichen Gründen zumeist nicht möglich, einfach auf jegliche Art von optischen Bauelementen zwischen der Strahlquelle 2 und dem Spiegel 3 zu verzichten, da diese Bauelemente oftmals für eine Funktion des Scannersystems 1 benötigt werden. Dies gilt insbesondere für das Deckglas 9, welches benötigt wird, um den Unterdruck in dem Hohlraum 17 zu halten. Es ist auch 2 ersichtlich, dass es an den Übergängen zwischen den unterschiedlichen Ausbreitungsmedien, also zwischen einer umgebenden Atmosphäre und dem Kunststoff des prismatischen Elements 4, bzw. zwischen dem Kunststoff des prismatischen Elements 4 und dem Deckglas 9 oder auch zwischen dem Material des Deckglases 9 und dem Vakuum in dem Hohlraum 17 zu Brechungen und Aufteilungen des Scanstrahles 5 kommt. Diese sekundären Anteile des Scanstrahls breiten sich als Reflexe in dem prismatischen Element 4 aus. Dabei ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Anordnung des prismatischen Elements 4 zwischen der Strahlquelle 2 und dem Spiegel 3 jedoch, dass diese Reflexe sich nicht in eine Richtung ausbreiten, die aus Sicht des prismatischen Elementes in Richtung der zweiten Seitenfläche 14 des prismatischen Elements 4 liegt. Wird der Scanstrahl 5 in dieser Richtung in die Umgebung des Scannersystems 1 abgegeben, so werden die ungewollten Reflexe nicht in die Umgebung des Scannersystems 1 abgestrahlt. Dazu ist es nicht notwendig, eine zusätzliche Blende anzuordnen, auch wenn dieses in einigen Ausführungsformen vorteilhaft ist. Allein durch eine vorteilhafte Anordnung des prismatischen Elementes 4 über den Spiegel 3, eine entsprechende Auswahl der Winkel des prismatischen Elementes 4, und eine vorteilhafte Wahl des Einstrahlwinkels des Scanstrahls 5 in das prismatische Element 4 wird es vermieden, dass Reflexe in das Umfeld des Scannersystems 1 abgestrahlt werden.

Man erkennt, dass keine statischen Reflexe in Scanrichtung 31 auftreten. Um den direkten Rückreflex in die Lichtquelle zu vermeiden, sollte die Strahlquelle optional etwas geneigt werden. Ferner ist es sinnvoll die Eintrittsfläche, also die erste Seitenfläche 13, etwas zu neigen. Um die Fertigungskosten zu minimieren, könnten die beiden Prismen, also der erste und der zweite Teil 10, 11, auch ohne Deckglas direkt auf ein Gehäuse des Spiegels geklebt werden. Weiterhin könnten die Winkel des prismatischen Elements 4 noch angepasst werden, um Material zu sparen und das Handling zu verbessern. Ein weiterer Vorteil der seitlichen Einkopplung ist, dass das geforderte geringe Box-Volumen des Scannersystems 1 eingehalten werden kann.

In dieser ersten Ausführungsform kann auf das Deckglas 9 verzichtet werden. Das Deckglas 9 ist somit optional. Wird auf das Deckglas 9 verzichtet, so übernimmt das prismatische Element 4 die Funktion des Deckglases 9. Dies ist besonders vorteilhaft, da das prismatische Element 4 eine erheblich höhere Stabilität gegenüber einer Verformung aufweist, die durch den Unterdruck in dem Hohlraum 17 verursacht werden kann. Ist das prismatische Element 4 auf dem Deckglas 9 angeordnet, so wird das Deckglas 9 durch das prismatische Element 4 stabilisiert.

3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform der Erfindung entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei in dieser zweiten Ausführungsform eine besonders kompakte Bauweise des Scannersystems 1 ermöglicht wird. Das prismatische Element 4 ist in dieser zweiten Ausführungsform ein einteiliges Kunststoffprisma. Alternativ ist das prismatische Element 4 ein Prisma, welches aus einem anderen Material geformt ist, welches für die von dem Scannersystem 1 genutzte Wellenlänge transparent ist.

Bei dieser zweiten Ausführungsform ist die der Strahlquelle 2 zugewandte erste Seitenfläche 13 des prismatischen Elements 4 verkippt, um einen direkten Rückreflex des Scanstrahls 5 zu der Strahlquelle 2 zu vermeiden. Das prismatische Element 4 ist nicht zweiteilig, wodurch die Produktionskosten gering sind. Nach der Reflexion des Scanstrahls 5 an dem Spiegel 3 kann der Scanstrahl 5 nach der Transmission durch das Deckglas 9 ohne ein weiteres Prisma bzw. einen weiteren Teil des prismatischen Elements 4 abgebildet werden. Es existiert nach wie vor ein Doppelreflex an der Vorder- und Rückseite des Deckglases 9, der jedoch den nominalen Scanstrahl 5 nahezu perfekt überlagert. Durch diese Doppelreflexion an beiden Seiten des Deckglases 9 erleidet der Scanstrahl 5 unter Umständen eine andere Verformung durch Produktionstoleranzen des Deckglases 9 als der direkt Transmittierte. Dies ergibt sich aus einer Oberflächenqualität des Deckglases 9.

Nur Reflexe, die durch die Oberseite des Deckglases 9 verursacht werden, können in dem Objektraum, also in das Umfeld des Scannersystems 1 dringen. Dies lässt sich jedoch auf einfache Weise durch eine geeignete Abdeckung oder Blende unterdrücken. Alle anderen Reflexe gelangen nur in den Raum, der dem zu scannenden Objekt abgewandt ist, also in den Innenraum des Scannersystems 1.

Der Scanstrahl 5 wird also zunächst von der Strahlquelle 2 abgegeben, tritt an der ersten Seitenfläche 13 in das prismatische Element 4 ein, wird in dem prismatischen Element 4 an der zweiten Seitenfläche 14 des prismatischen Elements 4 totalreflektiert, tritt an der dritten Seitenfläche 15 aus dem prismatischen Element 4 aus und in das Deckglas 9 ein, tritt dann aus dem Deckglas 9 aus und trifft auf den Spiegel 3. Dort wird der Scanstrahl 5 reflektiert und durch das Deckglas 9 in eine Umgebung des Scannersystems 1 abgestrahlt. Der Scanstrahl 5 durchläuft das prismatische Element 4 in dieser Ausführungsform nur bevor er auf den Spiegel 3 trifft.

Aus 4 ist ersichtlich, in welche Richtungen die Lichtreflexionen, welche bei der Strahlführung des Scanstrahls 5 in dieser zweiten Ausführungsform entstehen, abgestrahlt werden. Zur Orientierung ist in 4 eine Scanrichtung 31 markiert, in welche der Scanstrahl 5 zum Scannen der Umgebung des Scannersystems 1 abgegeben werden soll. Der zu scannende Bereich liegt, ausgehend von dem prismatischen Element 4, auf Seiten der zweiten Seitenfläche 14 des prismatischen Elements 4.

Wenn der Scanstrahl 5 auf die erste Seitenfläche 13 des prismatischen Elements 4 trifft, entsteht ein erster Lichtreflex 21. Aufgrund der Neigung der ersten Seitenfläche 13 gegenüber der Einfallsrichtung des Scanstrahls 5 wird dieser erste Lichtreflex 21 jedoch von der Scanrichtung 31 des Scannersystems 1 weggeleitet. An einer Stelle, an welcher der Scanstrahl 5 aus dem Deckglas 9 austritt, bevor dieser auf den Spiegel 3 trifft, tritt auch ein zweiter Lichtreflex 22 aus dem prismatischen Element 4 aus. Der zweite Lichtreflex 22 wird beispielsweise durch Mehrfachreflektion des Scanstrahls 5 in dem prismatischen Element 4 verursacht. Eine solche Mehrfachreflektion ist beispielhaft in 2 gezeigt. Auch dieser ist in seiner Ausbreitungsrichtung von der Scanrichtung 31 des Scannersystems 1 weggerichtet. Selbiges gilt für einen dritten Lichtreflex 23, der entsteht, wenn der an dem Spiegel 3 reflektierte Scanstrahl 5 das Deckglas 9 ein zweites Mal durchläuft. Optional ist auf Seiten der zweiten Seitenfläche 14 des prismatischen Elements 4 eine Blende angeordnet, welche die zweite Seitenfläche 14 abdeckt.

5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, welche im Wesentlichen der ersten Ausführungsform der Erfindung entspricht. Dabei ist auf der ersten Seitenfläche 13 des prismatischen Elements 4 eine Linse 19 angeordnet. Die Linse 19 weist eine konkave Linsenform auf. Der Scanstrahl 5 durchläuft die erste Linse 19, bevor dieser in das prismatische Element 4 eintritt. Eine plane Oberfläche der ersten Linse 19 liegt auf der ersten Seitenfläche 13 des prismatischen Elements 4 auf. Es wird somit vermieden, dass durch das Anordnen der ersten Linse 19 in dem Scanstrahl zusätzliche Lichtreflexe verursacht werden. Mittels der konkaven Linse 19 kann der Scanstrahl 5 aufgeweitet werden.

6 zeigt eine vierte Ausführungsform des Scannersystems 1, welche der dritten Ausführungsform des Scannersystems 1 entspricht, wobei die Linse 19 jedoch als konvexe Linse ausgeführt ist.

In der dritten und vierten Ausführungsform ist das Scannersystem 1 somit durch eine Einkoppellinse zur Strahlformung ergänzt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Linse 19 ebenfalls an dem prismatischen Element 4 angeordnet werden kann, wenn dieses einteilig ausgeführt ist, wie dies beispielsweise in der zweiten Ausführungsform der Erfindung der Fall ist. Die Linse 19 wird auch als Strahlformungslinse bezeichnet. Die Linsenform der Linse 19 kann beim Herstellungsprozess des prismatischen Elements 4 direkt in die Oberfläche des Prismas integriert werden. In diesem Falle ist es nicht notwendig, die Linse 19 als eigenständiges Bauteil zu fertigen. Die Linse 19 kann sphärische, konische oder auch komplexe asphärische Formen annehmen. Auch kann die Linse 19 eine Freiformoberfläche aufweisen.

Die konkave Linsenform bewirkt eine Aufweitung des Scanstrahls 5, die konvexe Linsenform bewirkt eine Fokussierung des Scanstrahls 5. Die Unterdrückung der Reflexe erfolgt dabei gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen.

Bei einer Herstellung des Scannersystems 1 gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen wird das prismatische Element 4 mit dem planparallel zur Nullstellung des Spiegels 3 aufgebrachten Deckglas 9 des Mikrospiegels mittels gängiger optischer Klebeverfahren (UV-Kleber, Epoxy, etc.) verkittet. Bevorzugt haben Deckglas 9, prismatisches Element 4 und der verwendete Klebstoff den gleichen optischen Brechungsindex für das genutzte Wellenlängenband. Dieses Index-Matching verhindert weitere Reflexionen an den Materialübergängen. Für eine optimale Performance muss das Deckglas 9 mit einem Anti-Reflection-Coating (ARC) versehen sein. Das prismatische Element 4 kann ein- oder mehrteilig sein. Mittels des Keilwinkels des Prismas, der bevorzugt zwischen 0 Grad und 50Grad beträgt und in den gezeigten Ausführungsformen ca. 35 Grad beträgt, können sich durch Mehrfachreflexionen keine parallelen Strahlen mehr bilden. Somit wird ein Bouncing der Laserstrahlung zwischen den planparallelen Flächen des Deckglases unterdrückt.

Nebst obenstehender Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 6 verwiesen.