DE102017214715A1 - Optical arrangement for a LiDAR system, LiDAR system and working device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung (10) für ein LiDAR-System (1), mit (i) einer Empfängeroptik (30) und einer Senderoptik (60), welche mit teilweise koaxialen Strahlengängen (31, 61) ausgebildet sind, (ii) einer Linienlichtquelle (65-1) mit einer Linienorientierung (65-2), und (iii) einer Umlenkeinheit (80) in einem Übergangsbereich von einem gemeinsamen koaxialen Bereich zu einem getrennten biaxialen Bereich der Strahlengänge (31, 61) der Empfängeroptik (30) und der Senderoptik (60) zur biaxialen Abzweigung eines lichtquellenseitigen Bereichs des Strahlengangs (61) Senderoptik (60). Die Umlenkeinheit (80) weist einen Langspiegel (86) mit einer größeren Erstreckung (88) in einer Längserstreckungsrichtung (88') und mit einer geringeren Erstreckung (89) in einer Quererstreckungsrichtung (89') auf, wobei die Längserstreckungsrichtung (88') des Langspiegels (86) senkrecht ausgerichtet ist zur Linienorientierung (65-2) der Linienlichtquelle (65-1). The present invention relates to an optical arrangement (10) for a LiDAR system (1), comprising (i) receiver optics (30) and transmitter optics (60) which are formed with partially coaxial beam paths (31, 61) (ii ) of a line light source (65-1) with a line orientation (65-2), and (iii) a deflection unit (80) in a transition region from a common coaxial region to a separate biaxial region of the beam paths (31, 61) of the receiver optics (30 ) and the transmitter optics (60) for biaxial branching of a light source side region of the beam path (61) transmitter optics (60). The deflection unit (80) has a long mirror (86) with a larger extent (88) in a longitudinal extension direction (88 ') and with a smaller extent (89) in a transverse extension direction (89'), wherein the longitudinal extension direction (88 ') of the Long mirror (86) is aligned perpendicular to the line orientation (65-2) of the line light source (65-1).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung für ein LiDAR-System, ein LiDAR-System als solches sowie eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug.The present invention relates to an optical arrangement for a LiDAR system, a LiDAR system as such, and a working device, and more particularly to a vehicle.
Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall kommen vermehrt auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-Systeme (englisch: LiDAR : light detection and ranging).With the use of working devices, of vehicles and other machines and installations, operating assistance systems or sensor arrangements for detecting the operating environment are increasingly being used. In addition to radar-based systems or systems based on ultrasound, light-based detection systems are also increasingly used, e.g. so-called LiDAR systems (English: LiDAR: light detection and ranging).
Bei bekannten LiDAR-Systemen und deren optischen Anordnungen besteht ein Nachteil dahingehend, dass bei koaxialen Strahlengängen der Senderoptik und der Empfängeroptik auf der Strahlausgangsseite bzw. der Strahleingangsseite herkömmlicherweise Strahlteiler verwendet werden, die bei Linienbeleuchtung zu einem vergrößerten Bauraum des LiDAR-Systems zu einer reduzierten Empfangsapertur und/oder zu einer Verminderung im Strahldurchmesser beim Strahlaustritt führen.In known LiDAR systems and their optical arrangements, there is a disadvantage in that coaxial beam paths of the transmitter optics and the receiver optics on the beam output side or the beam input side conventionally beam splitters are used, which in line illumination to an increased space of the LiDAR system to a reduced Empfangsapertur and / or lead to a reduction in the beam diameter at the beam exit.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße optische Anordnung für ein LiDAR-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei Linienbeleuchtung ohne Bauraumvergrößerung ein Linienbeleuchtungsstrahl ohne Reduktion in der Empfangsapertur bei großem Strahldurchmesser am Strahlaustritt des LiDAR-Systems ausgesandt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass eine optische Anordnung für ein LiDAR-System geschaffen wird, welche ausgebildet ist (i) mit einer Empfängeroptik und einer Senderoptik, welche teilweise koaxiale Strahlengänge aufweisen, (ii) mit einer Linienlichtquelle mit einer Linienorientierung, wobei die Linienorientierung insbesondere in einem Sichtfeld des zu Grunde liegenden LiDAR-Systems ausgebildet ist, und (iii) mit einer Umlenkeinheit als Strahlteilereinheit in einem Übergangsbereich von einem gemeinsamen koaxialen Bereich - insbesondere auf einer Strahlaustrittsseite der Senderoptik bzw. auf einer Strahleintrittsseite der Empfängeroptik - zu einem getrennten biaxialen Bereich der Strahlengänge der Empfängeroptik und der Senderoptik - insbesondere auf einer Detektorseite bzw. auf einer Quellenseite - zur biaxialen Abzweigung eines lichtquellenseitigen Bereichs des Strahlengangs der Senderoptik.The optical arrangement according to the invention for a LiDAR system with the features of claim 1 has the advantage that in line lighting without space enlargement, a line illumination beam can be emitted without reduction in the receiving aperture at a large beam diameter at the beam exit of the LiDAR system. This is inventively achieved with the features of claim 1, characterized in that an optical arrangement for a LiDAR system is provided which is formed (i) with a receiver optics and transmitter optics, which partially coaxial beam paths, (ii) with a line light source with a line orientation, wherein the line orientation is formed in particular in a field of view of the underlying LiDAR system, and (iii) with a deflection unit as a beam splitter unit in a transition region of a common coaxial region - in particular on a beam exit side of the transmitter optics or on a beam entrance side Receiver optics - to a separate biaxial region of the beam paths of the receiver optics and the transmitter optics - in particular on a detector side or on a source side - for biaxial branching of a light source side region of the beam path of the transmitter optics.
Erfindungsgemäß weist die Umlenkeinheit einen Langspiegel auf, welcher mit einer größeren Erstreckung in einer Längserstreckungsrichtung und mit einer geringeren Erstreckung in einer Quererstreckungsrichtung und insbesondere zur Umlenkung von Primärlicht aus der Linienlichtquelle ausgebildet ist. Ferner ist die Längserstreckungsrichtung des Langspiegels senkrecht ausgerichtet zur Linienorientierung der zu Grunde liegenden Linienlichtquelle.According to the invention, the deflection unit has a long mirror, which is formed with a larger extent in a longitudinal direction and with a smaller extent in a transverse direction of extension and in particular for deflecting primary light from the line light source. Furthermore, the longitudinal extension direction of the long mirror is aligned perpendicular to the line orientation of the underlying line light source.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung kann die Umlenkeinheit jeweils synonym auch als Ablenkeinheit, als Strahlteilereinheit oder als Strahlteiler bezeichnet werden.In the context of the present invention, the deflection unit may be synonymously also referred to as a deflection unit, as a beam splitter unit or as a beam splitter.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bildet sich die so genannte Laserlinie vorzugsweise erst in einiger Entfernung von der Lichtquelleneinheit und nach Durchlaufen des Bereichs mit der Umlenkeinheit in der gewünschten Qualität aus, nämlich mit der von der Lichtquelleneinheit vorgegebenen und von der Umlenkeinheit weiter umgesetzten Linienorientierung.In connection with the present invention, the so-called laser line is preferably formed at some distance from the light source unit and after passing through the area with the deflection unit in the desired quality, namely with the line orientation predetermined by the light source unit and further converted by the deflection unit.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-System werden die Längserstreckung und die Quererstreckung der Umlenkeinheit in geeigneter Weise ins Verhältnis gesetzt zueinander und/oder zu den Aperturen und den weiteren geometrischen Eigenschaften der Senderoptik und der Empfängeroptik.In a preferred embodiment of the optical arrangement according to the invention for a LiDAR system, the longitudinal extent and the transverse extent of the deflection unit are appropriately related to one another and / or to the apertures and the further geometric properties of the transmitter optics and the receiver optics.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Verhältnis von Längserstreckung zu Querstreckung an der Umlenkeinheit mindestens den Wert 2:1, vorzugsweise mindestens den Wert 3:1 und weiter bevorzugt mindestens den Wert 4:1 aufweist.In this case, it is provided in particular that the ratio of longitudinal extent to transverse extent on the deflection unit has at least the value 2: 1, preferably at least the value 3: 1 and more preferably at least the value 4: 1.
Bei einer anderen zusätzlichen oder alternativen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-System, weisen ein Durchmesser der Apertur des Strahlengangs der Senderoptik oder die Längserstreckung an der Umlenkeinheit im Verhältnis zur Apertur des Strahlengangs der Empfängeroptik einen Wert auf im Bereich von etwa 1:14 bis etwa 1:7.In another additional or alternative embodiment of the optical arrangement according to the invention for a LiDAR system, have a diameter of the aperture of the beam path of the transmitter optics or the longitudinal extent of the deflection unit in relation to the aperture of the beam path of the receiver optics in the range of about 1:14 until about 1: 7.
Bei der Ausgestaltung der Umlenkeinheit und bei der Wahl der entsprechenden Geometrie des Langspiegels bieten sich verschiedene und an die jeweilige Anwendung und die Geometrien von Empfängeroptik und Senderoptik angepasste geometrische Ausgestaltungen an.In the embodiment of the deflection unit and in the choice of the corresponding geometry of the long mirror, various and adapted to the particular application and the geometries of receiver optics and transmitter optics geometric configurations offer.
So ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-System vorgesehen, dass der Langspiegel der Umlenkeinheit in Draufsicht auf die Umlenkeinheit die Form eines Rechtecks, eine bikonvex elliptische Form, eine bikonkave Form oder eine Doppelmeniskusform aufweist.So it is according to a preferred embodiment of the optical arrangement according to the invention for a LiDAR system provided that the long mirror of the deflection unit in the form of a rectangle, a biconvex elliptical shape, a biconcave shape or a Doppelmeniskusform in plan view of the deflection unit.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-System sind die Senderoptik und die Empfängeroptik mit zumindest teilweise oder abschnittsweise zueinander koaxialen Strahlengängen auf der Strahlaustrittsseite der Senderoptik und/oder Strahleintrittsseite der Empfängeroptik ausgebildet.In another advantageous embodiment of the optical arrangement according to the invention for a LiDAR system, the transmitter optics and the receiver optics are formed with at least partially or partially coaxial optical paths on the beam exit side of the transmitter optics and / or beam entrance side of the receiver optics.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Umlenkeinheit zumindest teilweise oder abschnittsweise biaxiale Strahlengänge auf der Seite der Lichtquelleneinheit der Senderoptik und auf der Seite einer Detektoranordnung der Empfängeroptik bildet.It is particularly advantageous if the deflecting unit forms at least partially or in sections biaxial beam paths on the side of the light source unit of the transmitter optics and on the side of a detector arrangement of the receiver optics.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug. Das LiDAR-System ist mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung ausgebildet.Furthermore, the present invention relates to a LiDAR system for optically detecting a field of view, in particular for a working device and / or a vehicle. The LiDAR system is formed with an optical arrangement according to the invention.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug, welche mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System und zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ausgebildet sind.Furthermore, the present invention relates to a working device and in particular a vehicle, which are formed with a LiDAR system according to the invention and for the optical detection of a field of view.
Figurenlistelist of figures
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
-
1 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung im Zusammenhang mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems zeigt. -
2 bis4 zeigen schematische Draufsichten auf Umlenkeinheiten, die bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-System verwendet werden können. -
5 zeigt eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein erfindungsgemäß ausgestaltetes LiDAR-System mit einer Umlenkeinheit mit Langspiegel.
-
1 Fig. 3 is a block diagram schematically showing an embodiment of the optical arrangement according to the invention in connection with an embodiment of a LiDAR system according to the invention. -
2 to4 show schematic top views of deflection units, which can be used in embodiments of the optical arrangement for a LiDAR system according to the invention. -
5 shows a schematic and partially sectioned side view of an embodiment of the optical arrangement according to the invention for an inventively designed LiDAR system with a deflection unit with long mirror.
Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die
Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.Not in every case of their occurrence, the detailed description of the designated elements and components is reproduced.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.The illustrated features and other properties can be isolated in any form from each other and combined with each other, without departing from the gist of the invention.
Das LiDAR-System
Des Weiteren weist das LiDAR-System
Die Steuerung der Lichtquelleneinheit
Die gemeinsame sichtfeldseitige Ablenkoptik
Optional und vorteilhaft ist das sichtfeldseitige Vorsehen einer Aperturoptik
Die Detektoranordnung
Die optische Anordnung
Die Empfängeroptik
Die Empfängeroptik
Bei der optischen Anordnung
Ferner ist bei der optischen Anordnung
Bei den Ausführungsformen der
Der Langspiegel
Der Langspiegel
Der Langspiegel
Der Langspiegel
Bei der Ausführungsform gemäß
Die gesamte optische Anordnung
Die Ortsauflösung kann bei einem LiDAR-System
Besonders platzsparend und mit geringen Kosten können dabei ausgangs- und eingangsseitige miteinander koaxiale Ausführungen aufgebaut werden, bei welchen der ausgangseitige Sendepfad
Der Langspiegel
Dazu wird zum Beispiel ein kollimierter Laserstrahl als Primärlicht
Diese Kombination dieser beiden Anforderungen stellt bei herkömmlichen Anordnungen für LiDAR-Systeme einen Widerspruch dar, da die Aussendung eines größeren Strahls die Empfangsapertur verringert.This combination of these two requirements is a contradiction in conventional arrangements for LiDAR systems because the emission of a larger beam reduces the receive aperture.
Erfindungsgemäß wird nunmehr ein Vorgehen beschrieben, wie bei einem koaxialen LiDAR-System
Wesentliche Merkmale der Erfindung sind dementsprechend:
- - das Ausbilden eines koaxialen LiDAR-Systems
1 , - - das Abbilden einer Linie, indem nämlich ein
Strahl als Primärlicht 57 in einer ersten Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung kollimiert und in einer zweiten Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und insbesondere auch senkrecht zur ersten Richtung divergent geformt wird, - - das Führen des
Laserstrahls als Primärlicht 57 über einen Langspiegel86 als Strahlteiler 80 , - - das Fokussieren der divergenten Achse auf
den Langspiegel 86 oder in der Nähe des Langspiegels86 , insbesondere auf die oder auf eine schmale Seite desLangspiegels 86 , - - das Kollimieren der nicht divergenten Achse, entsprechend der langen Seite des
Langspiegels 86 , - - das Ausbilden der langen Seite des Langspiegels
86 um mindestens einen Faktor2 im Vergleich zur schmalen Seite des Langspiegels86 und/oder - - das Erreichen einer Drehung der Linie im Fernfeld im Vergleich zur Orientierung des
Langspiegels 86 .
- the formation of a coaxial LiDAR system
1 . - - The mapping of a line, namely by a beam as a
primary light 57 collimated in a first direction perpendicular to the propagation direction and divergent in a second direction perpendicular to the direction of propagation and in particular also perpendicular to the first direction, - - guiding the laser beam as a
primary light 57 over along mirror 86 as abeam splitter 80 . - - Focusing the divergent axis on the
long mirror 86 or near thelong mirror 86 , in particular on or on a narrow side of thelong mirror 86 . - - Collimating the non-divergent axis, corresponding to the long side of the long-
mirror 86 . - - Forming the long side of the
long mirror 86 by at least one factor2 in comparison to the narrow side of thelong mirror 86 and or - - The achievement of a rotation of the line in the far field compared to the orientation of the
long mirror 86 ,
Als Vorteile stellen sich unter anderem ein:
- - Es kann ein koaxiales Lasersystem mit geringen Abmessungen verwendet werden, wobei ein Großteil der Geräteapertur für die Detektion von Signalen eingesetzt werden kann.
- - Der ausgesendete
Strahl als Primärlicht 57 besitzt am Ort des Strahlaustrittes bereits einen großen Strahldurchmesser, was für die Augensicherheit wichtig ist. - - Der kollimierte Strahl besitzt dabei ebenfalls einen großen Strahldurchmesser, wodurch das Aussenden eines Strahls mit geringer Divergenz möglich wird.
- - It can be used a coaxial laser system with small dimensions, with a large part of the device aperture can be used for the detection of signals.
- - The emitted beam as a
primary light 57 already has a large beam diameter at the location of the beam exit, which is important for eye safety. - The collimated beam also has a large beam diameter, which makes it possible to emit a beam with little divergence.
Besonders vorteilhaft ist dabei eine Kollimation des Strahls des Primärlichts
Je größer der Strahldurchmesser ist, desto geringer ist die Divergenz.The larger the beam diameter, the lower the divergence.
In der Regel werden sehr geringe Divergenzen angestrebt, wodurch ein großer Strahldurchmesser in dieser Raumrichtung von Vorteil ist. In der anderen Raumrichtung soll der Strahl eine relativ große Divergenz aufweisen, damit sich nach einem gewissen Abstand vom LiDAR-System eine linienförmiger Lichtverteilung oder eine Beleuchtung nach Art einer Linie ergibt.As a rule, very low divergences are sought, whereby a large beam diameter in this spatial direction is advantageous. In the other spatial direction, the beam should have a relatively large divergence, so that after a certain distance from the LiDAR system, a line-shaped light distribution or illumination results in the manner of a line.
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R016 | Response to examination communication |