DE102020211151A1 - LiDAR sensor with increased detection area - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen LiDAR-Sensor (1) aufweisend ein Gehäuse (2) mit einem Fenster (3), eine fest im Gehäuse (2) angebrachte Sende- und Empfangseinheit (4) zum Aussenden und zum Empfangen von Laserlicht, sowie eine am Gehäuse (2) drehbar gelagerte Spiegelvorrichtung (5) die ausgebildet ist, einen Lichtpfad (100) von der Sende- und Empfangseinheit (4) in verschiedene erste Richtungen (100) unmittelbar durch das Fenster (3) abzulenken, wobei an dem Gehäuse (2) eine Zusatzspiegeleinheit (6) ortsfest angeordnet ist, so dass der Lichtpfad (100) von der Spiegelvorrichtung (5) zu der Zusatzspiegeleinheit (6) und von der Zusatzspiegeleinheit (6) in verschiedene zweite Richtungen (300) durch das Fenster (3) ablenkbar ist.The present invention relates to a LiDAR sensor (1) having a housing (2) with a window (3), a transmitting and receiving unit (4) fixed in the housing (2) for emitting and receiving laser light, and an am Housing (2) rotatably mounted mirror device (5) which is designed to deflect a light path (100) from the transmitting and receiving unit (4) in different first directions (100) directly through the window (3), with the housing (2nd ) an additional mirror unit (6) is arranged in a stationary manner, so that the light path (100) can be deflected from the mirror device (5) to the additional mirror unit (6) and from the additional mirror unit (6) in different second directions (300) through the window (3). is.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft einen LiDAR-Sensor. Insbesondere handelt es sich dabei um einen rotierend messenden LiDAR-Sensor. Der LiDAR-Sensor weist vorteilhafterweise einen vergrößerten Erfassungsbereich auf.The present invention relates to a LiDAR sensor. In particular, this is a rotating measuring LiDAR sensor. The LiDAR sensor advantageously has an enlarged detection range.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von rotierenden LiDAR-Sensoren bekannt. Zum einen kann eine gesamte Sende- und Empfangseinheit auf einen Rotor montiert werden, um somit Licht in unterschiedliche Richtungen auszusenden und aus unterschiedlichen Richtungen zu empfangen. Solche Systeme haben aber den Nachteil, dass eine Zuführung von Energieversorgungsleitungen sowie Datenübertragungsleitungen aufgrund der Rotation der Sende- und Empfangseinheit schwierig ist. Auch ist eine Entwärmung der Sende- und Empfangseinheit nur aufwendig zu leisten. Daher sind aus dem Stand der Technik LiDAR-Sensoren bekannt, die einen rotierenden Spiegel aufweisen. Sende- und Empfangseinheit sind dabei ortsfest angebracht, so dass die o.g. Probleme vermieden sind. Der Erfassungsbereich des LiDAR-Sensors ist somit durch die Anordnung und Ausgestaltung des rotierenden Spiegels vorgegeben.Various types of rotating LiDAR sensors are known from the prior art. On the one hand, an entire transmission and reception unit can be mounted on a rotor in order to emit light in different directions and receive it from different directions. However, such systems have the disadvantage that it is difficult to feed in power supply lines and data transmission lines due to the rotation of the transmitting and receiving unit. Cooling the transmitting and receiving unit can also only be achieved with great effort. LiDAR sensors that have a rotating mirror are therefore known from the prior art. The transmitter and receiver units are fixed in place, so that the problems mentioned above are avoided. The detection range of the LiDAR sensor is thus predetermined by the arrangement and design of the rotating mirror.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Der erfindungsgemäße LiDAR-Sensor weist einen vergrößerten Erfassungsbereich auf, in dem Totbereiche im Messzeitraum vermieden werden. So ist eine Zusatzspiegeleinheit vorgesehen, durch die eine Messung auch dann möglich ist, wenn eine rotierende Spiegelvorrichtung das Sichtfeld nicht in die Umgebung lenken würde. Mit anderen Worten werden durch die Zusatzspiegeleinheit Fälle vermieden oder zumindest das Auftreten dieser Fälle reduziert, bei denen der Sichtbereich einer Sende- und Empfangseinheit aufgrund der rotierenden Spiegelvorrichtung auf ein Gehäuseteil des LiDAR-Sensors und nicht in die Umgebung gerichtet ist. Somit steht ein vergrößerter Erfassungsbereich zur Verfügung, der entweder dazu verwendet werden kann, den räumlichen Sichtbereich des LiDAR-Sensors zu vergrößern oder einen bestimmten Bereich mehrfach, d.h., mit höherer Abtastrate, abzutasten.The LiDAR sensor according to the invention has an enlarged detection range in which dead areas are avoided in the measurement period. An additional mirror unit is provided, by means of which a measurement is also possible if a rotating mirror device would not steer the field of view into the surroundings. In other words, the additional mirror unit avoids or at least reduces the occurrence of such cases in which the field of view of a transmitting and receiving unit is directed at a housing part of the LiDAR sensor and not at the surroundings due to the rotating mirror device. This means that an enlarged detection area is available, which can either be used to increase the spatial field of view of the LiDAR sensor or to scan a specific area multiple times, i.e. with a higher sampling rate.

Der LiDAR-Sensor weist ein Gehäuse auf, in dem ein Fenster angebracht ist. Eine Sende- und Empfangseinheit ist fest im Gehäuse angebracht. Somit ist insbesondere erreicht, dass keine Relativbewegung zwischen Gehäuse und Sende- und Empfangseinheit möglich ist. Die Sende- und Empfangseinheit dient zum Aussenden und zum Empfangen von Laserlicht.The LiDAR sensor has a housing with a window attached. A transmitter and receiver unit is fixed in the housing. In particular, this means that no relative movement between the housing and the transmitter and receiver unit is possible. The transmitting and receiving unit is used to emit and receive laser light.

An dem Gehäuse ist außerdem eine drehbar gelagerte Spiegelvorrichtung angebracht. Die Spiegelvorrichtung kann somit gegenüber dem Gehäuse rotieren. Damit ist auch eine Rotation gegenüber der fest am Gehäuse angebrachten Sende- und Empfangseinheit ermöglicht. Ein Lichtpfad von der Sende- und Empfangseinheit ist auf die Spiegelvorrichtung gerichtet, so dass die Spiegelvorrichtung ausgebildet ist, besagten Lichtpfad in verschiedene erste Richtungen unmittelbar durch das Fenster abzulenken. Somit ist ermöglicht, dass der LiDAR-Sensor in den ersten Richtungen Messungen durchführt, um somit einen räumlichen Sichtbereich zu erfassen. Bei diesen Messungen handelt es sich insbesondere um Time-off-Flight-Messungen, d.h., es wird die Laufzeit eines ausgesandten, reflektierten und wiederempfangenen Lasersignals ermittelt. Anhand dieser Laufzeit lässt sich ein Abstand zu einem Objekt in der Umgebung des LiDAR-Sensors ermitteln. Durch die rotierende Spiegelvorrichtung überstreicht der abgelenkte Lichtpfad somit einen vordefinierten Bereich, der durch die Anordnung der Spiegelvorrichtung festgelegt ist. Dieser überstrichende Bereich entspricht den zuvor beschriebenen ersten Richtungen. Alle ersten Richtungen führen von der Spiegelvorrichtung unmittelbar durch das Fenster. Unter unmittelbar ist dabei zu verstehen, dass zwischen Spiegelvorrichtung und Fenster keine weitere Umlenkung mehr erfolgt.A pivoted mirror assembly is also attached to the housing. The mirror device can thus rotate relative to the housing. This also allows rotation with respect to the transmitting and receiving unit fixedly attached to the housing. A light path from the transmitting and receiving unit is directed onto the mirror device, so that the mirror device is designed to deflect said light path in different first directions directly through the window. This enables the LiDAR sensor to carry out measurements in the first directions in order to thus capture a spatial field of view. These measurements are in particular time-off-flight measurements, i.e. the runtime of a transmitted, reflected and received laser signal is determined. This transit time can be used to determine a distance to an object in the vicinity of the LiDAR sensor. As a result of the rotating mirror device, the deflected light path sweeps over a predefined area that is defined by the arrangement of the mirror device. This swept area corresponds to the first directions previously described. All first directions lead from the mirror device directly through the window. Directly means that there is no further deflection between the mirror device and the window.

Befindet sich die Spiegelvorrichtung in einer Ausrichtung, in der der Lichtpfad nicht in eine der ersten Richtungen abgelenkt wird, so kann das Fenster nicht durchdrungen werden und der Sichtbereich der Sende- und Empfangseinheit ist insbesondere auf einen Teil des Gehäuses gerichtet. In diesem Fall läge ein Totbereich vor, in dem der LiDAR-Sensor keine Messungen durchführen kann. Um solche Totbereiche zu minimieren, ist an dem Gehäuse eine Zusatzspiegeleinheit ortsfest angeordnet. Somit ist wiederum eine Relativbewegung zwischen Gehäuse und Zusatzspiegeleinheit vermieden. Besonders vorteilhaft verbleibt somit lediglich die Spiegelvorrichtung als einzig bewegbares Element. Die Zusatzspiegeleinheit ist insbesondere derart angeordnet, dass der Lichtpfad von der Spiegelvorrichtung zu der Zusatzspiegeleinheit ablenkbar ist. Von der Zusatzspiegeleinheit wiederum erfolgt eine Ablenkung in verschiedene zweite Richtungen durch das Fenster. Anstatt dass der Lichtpfad somit von der Spiegelvorrichtung auf einen Teil des Gehäuses gelenkt wird, erfolgt bevorzugt eine Ablenkung auf die Zusatzspiegeleinheit, wodurch weiterhin ein Durchdringen des Fensters ermöglicht ist. Somit kann die Spiegelvorrichtung weiterhin eine Rotationsbewegung durchführen, wobei Totbereiche während dieser Rotationsbewegung, d.h., solche Bereiche, in denen der Lichtpfad mit oder ohne zusätzliche Umlenkung, nicht durch das Fenster hindurchdringen kann, minimiert sind. Damit steht der LiDAR-Sensor pro Umdrehung der Spiegelvorrichtung für einen längeren Zeitraum für Messungen zur Verfügung. Dieser erhöhte Zeitraum lässt sich dazu nutzen, den räumlichen Erfassungsbereich des LiDAR-Sensors zu vergrößern und/oder einen Teilbereich des Erfassungsbereichs des LiDAR-Sensors mehrfach abzutasten. Der LiDAR-Sensor lässt sich somit zur verbesserten Messung einsetzen.If the mirror device is in an orientation in which the light path is not deflected in one of the first directions, the window cannot be penetrated and the field of view of the transmitting and receiving unit is directed in particular at a part of the housing. In this case, there would be a dead zone in which the LiDAR sensor cannot take measurements. In order to minimize such dead zones, an additional mirror unit is stationarily arranged on the housing. Thus, in turn, a relative movement between the housing and the additional mirror unit is avoided. In a particularly advantageous manner, only the mirror device remains as the only movable element. The additional mirror unit is arranged in particular in such a way that the light path can be deflected from the mirror device to the additional mirror unit. The additional mirror unit in turn deflects it in different second directions through the window. Instead of the light path thus being directed from the mirror device to a part of the housing, it is preferably deflected to the additional mirror unit, which also makes it possible to penetrate the window. Thus, the mirror device can continue to perform a rotational movement, wherein dead areas during this rotational movement, ie those areas in which the light path, with or without additional deflection, cannot penetrate through the window, are minimized. With that he stands LiDAR sensor per revolution of the mirror device available for measurements for a longer period of time. This increased period of time can be used to increase the spatial detection range of the LiDAR sensor and/or to scan a sub-area of the detection range of the LiDAR sensor multiple times. The LiDAR sensor can thus be used for improved measurement.

Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The dependent claims relate to preferred developments of the invention.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Spiegelvorrichtung während einer Drehung zumindest einen ersten Winkelbereich sowie einen zweiten Winkelbereich durchläuft. Die Spiegelvorrichtung ist ausgebildet, während des ersten Winkelbereichs den Lichtpfad unmittelbar durch das Fenster abzulenken und während des zweiten Winkelbereichs den Lichtpfad auf die Zusatzspiegeleinheit abzulenken. Mit anderen Worten erfolgt ein Ablenken des Lichtpfads durch das Fenster in den ersten Richtungen. Während des ersten Winkelbereichs und ein Ablenken des Lichtpfads durch das Fenster in die zweiten Richtungen während des zweiten Winkelbereichs. Um die zweiten Richtungen zu realisieren, erfolgt eine zusätzliche Umlenkung über die Zusatzspiegeleinheit.Provision is preferably made for the mirror device to run through at least a first angular range and a second angular range during a rotation. The mirror device is designed to deflect the light path directly through the window during the first angular range and to deflect the light path onto the additional mirror unit during the second angular range. In other words, the light path is deflected through the window in the first directions. During the first angular range and deflecting the light path through the window in the second directions during the second angular range. In order to realize the second directions, an additional deflection takes place via the additional mirror unit.

Bevorzugt betragen der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich zusammen zumindest 270°, bevorzugt zumindest 300°. Auf diese Weise lässt sich der Totbereich wie zuvor beschrieben auf besonders vorteilhafte Weise minimieren.The first angular range and the second angular range together preferably amount to at least 270°, preferably at least 300°. In this way, the dead zone can be minimized in a particularly advantageous manner, as described above.

Bevorzugt sind die ersten Richtungen und die zweiten Richtungen zumindest teilweise identisch. In diesem Fall ist somit ermöglicht, den identischen Bereich von ersten Richtungen und zweiten Richtungen mehrfach abzutasten, d.h., pro Umdrehung der Spiegelvorrichtung wird der identische Bereich der ersten Richtungen und zweiten Richtungen doppelt abgetastet. Somit können relevante Bereiche um den LiDAR-Sensor verbessert erfasst werden. Beispielsweise kann der LiDAR-Sensor als Umgebungssensor eines autonom oder zumindest automatisiert fahrenden Fahrzeugs sein, so dass beispielsweise ein Bereich unmittelbar vor dem Fahrzeug zur Detektion vorausfahrender Fahrzeuge mehrfach pro Umdrehung der Spiegelvorrichtung abgetastet wird.The first directions and the second directions are preferably at least partially identical. In this case, it is thus possible to scan the identical area of the first directions and second directions multiple times, i.e. the identical area of the first directions and second directions is scanned twice per revolution of the mirror device. In this way, relevant areas around the LiDAR sensor can be recorded better. For example, the LiDAR sensor can be used as an environmental sensor of an autonomous or at least automated vehicle, so that, for example, an area immediately in front of the vehicle is scanned several times per revolution of the mirror device to detect vehicles driving ahead.

Bevorzugt ist außerdem vorgesehen, dass die ersten Richtungen und die zweiten Richtungen zumindest teilweise verschieden sind. Auf diese Weise lässt sich ein gesamter Sichtbereich des LiDAR-Sensors vergrößern. Somit kann mittels eines LiDAR-Sensors ein größerer Bereich der Umgebung abgetastet werden, als dies mit einem entsprechenden LiDAR-Sensor aus dem Stand der Technik möglich wäre. Dadurch ist eine Anzahl von LiDAR-Sensoren bei gleichem oder zumindest ähnlichem gesamten Erfassungsbereich reduziert.Provision is also preferably made for the first directions and the second directions to be at least partially different. In this way, an entire field of view of the LiDAR sensor can be enlarged. A larger area of the environment can thus be scanned using a LiDAR sensor than would be possible with a corresponding LiDAR sensor from the prior art. This reduces the number of LiDAR sensors with the same or at least a similar overall detection range.

Die Zusatzspiegeleinheit weist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Mehrzahl von Einzelspiegeln auf. Die Mehrzahl von Einzelspiegeln sind zumindest zwei Einzelspiegel, so dass zumindest ein erster Einzelspiegel und zumindest ein zweiter Einzelspiegel vorhanden ist. In diesem Fall wird der Lichtpfad von der Spiegelvorrichtung auf den ersten Einzelspiegel der Zusatzspiegeleinheit abgelenkt. Von dem ersten Einzelspiegel erfolgt ein Ablenken direkt oder über ein weiteres Einzelspiegelelement zu dem zweiten Einzelspiegel. Der zweite Einzelspiegel dient schließlich zum Ablenken durch das Fenster. Zwischen dem ersten Einzelspiegel und dem zweiten Einzelspiegel lässt sich somit eine beliebige Anzahl weiterer Einzelspiegel einfügen. Durch die Verwendung mehrerer Einzelspiegel kann erreicht werden, dass zum einen die Totbereiche während der Rotation der Spiegelvorrichtung weiter minimiert werden, zum anderen ist ein Festlegen der zweiten Richtungen einfach und flexibel ermöglicht. In a preferred embodiment, the additional mirror unit has a plurality of individual mirrors. The plurality of individual mirrors are at least two individual mirrors, so that there is at least one first individual mirror and at least one second individual mirror. In this case, the light path is deflected by the mirror device onto the first individual mirror of the additional mirror unit. Deflection takes place from the first individual mirror directly or via a further individual mirror element to the second individual mirror. Finally, the second individual mirror is used for deflection through the window. Any number of further individual mirrors can thus be inserted between the first individual mirror and the second individual mirror. The use of a plurality of individual mirrors means that, on the one hand, the dead areas during the rotation of the mirror device are further minimized and, on the other hand, the second directions can be set easily and flexibly.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Fenster eine Krümmung oder einen Knick aufweist. Somit ist insbesondere erreicht, dass das Fenster über einen Winkelbereich von zumindest 60°, insbesondere zumindest 90°, der Drehung der Spiegelvorrichtung angeordnet ist. Dadurch erstreckt sich das Fenster über einen Bereich, der ein großes Erfassungsfeld für die ersten Richtungen und/oder die zweiten Richtungen ermöglicht.Provision is preferably made for the window to have a curvature or a kink. In this way, it is achieved in particular that the window is arranged over an angular range of at least 60°, in particular at least 90°, of the rotation of the mirror device. As a result, the window extends over an area that enables a large detection field for the first directions and/or the second directions.

Bevorzugt ist außerdem vorgesehen, dass die Zusatzspiegeleinheit gegenüber einer Rotationsachse der Spiegelvorrichtung verkippt ist. Somit ist die Zusatzspiegeleinheit nicht parallel zu der Rotationsachse orientiert. Auf diese Weise lassen sich die zweiten Richtungen gegenüber den ersten Richtungen abwinkeln, wobei die ersten Richtungen allesamt in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse angeordnet sind, während durch das Abwinkeln die zweiten Richtungen gegenüber besagter Ebene senkrecht zur Rotationsachse abgewinkelt sind. Ein räumlicher Sichtbereich des LiDAR-Sensors lässt sich somit vergrößern. Insbesondere ist die Rotationsachse vertikal orientiert, so dass ein vertikaler Sichtbereich des LiDAR-Sensors durch die entsprechende Abwinkelung der Zusatzspiegeleinheit vergrößert ist.Provision is also preferably made for the additional mirror unit to be tilted with respect to an axis of rotation of the mirror device. Thus, the additional mirror unit is not oriented parallel to the axis of rotation. In this way, the second directions can be angled relative to the first directions, with the first directions all being arranged in a plane perpendicular to the axis of rotation, while the angling causes the second directions to be angled relative to said plane perpendicular to the axis of rotation. A spatial field of view of the LiDAR sensor can thus be enlarged. In particular, the axis of rotation is oriented vertically, so that a vertical field of view of the LiDAR sensor is increased by the corresponding bending of the additional mirror unit.

Die Zusatzspiegeleinheit weist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eine gekrümmte Spiegelfläche auf. Auf diese Weise lassen sich LiDAR-Eigenschaften wie beispielsweise eine Auflösung oder ein Öffnungswinkel der ersten Richtungen und/oder zweiten Richtungen modifizieren.In a further preferred configuration, the additional mirror unit has a curved mirror surface. In this way, LiDAR properties such as a resolution or an opening angle of the first directions and/or second directions can be modified.

Bevorzugt ist schließlich vorgesehen, dass die Sende- und Empfangseinheit eine Laserlichtquelle und einen Detektor aufweist. Laserlichtquelle und Detektor können separate Bauteile sein, alternativ können diese Elemente auch in einer einzelnen Einheit realisiert sein. Die Laserlichtquelle ist ausgebildet, Laserlicht entlang des Lichtpfads auf die Spiegelvorrichtung auszusenden. Der Detektor ist ausgebildet, von einer Umgebung des LiDAR-Sensors reflektiertes Laserlicht zumindest über die Spiegelvorrichtung zu erfassen. Auch das reflektierte Laserlicht wird somit von der Spiegelvorrichtung entlang des Lichtpfads zum Detektor geleitet. Somit lassen sich mittels der Sende- und Empfangseinheit Abstandsmessungen durchführen, die insbesondere auf der Laufzeit des ausgesandten Laserlichts basieren.Finally, it is preferably provided that the transmitting and receiving unit has a laser light source and a detector. Laser light source and detector can be separate components, alternatively these elements can also be implemented in a single unit. The laser light source is designed to emit laser light onto the mirror device along the light path. The detector is designed to detect laser light reflected from surroundings of the LiDAR sensor at least via the mirror device. The reflected laser light is thus also guided by the mirror device along the light path to the detector. Thus, using the transmitter and receiver unit, distance measurements can be carried out, which are based in particular on the propagation time of the emitted laser light.

Figurenlistecharacter list

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

  • 1 eine erste schematische Abbildung eines LiDAR-Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 eine zweite schematische Abbildung des LiDAR-Sensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 3 eine schematische Abbildung eines LiDAR-Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
  • 4 eine schematische Abbildung eines LiDAR-Sensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:
  • 1 a first schematic image of a LiDAR sensor according to a first embodiment of the invention,
  • 2 a second schematic image of the LiDAR sensor according to the first exemplary embodiment of the invention,
  • 3 a schematic illustration of a LiDAR sensor according to a second exemplary embodiment of the invention, and
  • 4 a schematic illustration of a LiDAR sensor according to a third embodiment of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt schematisch einen LiDAR-Sensor 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der LiDAR-Sensor 1 weist eine rotierende Spiegelvorrichtung 5 auf. Derselbe LiDAR-Sensor 1 ist auch in 2 gezeigt, wobei 1 und 2 lediglich in der Orientierung der rotierenden Spiegelvorrichtung 5 unterschiedlich sind, d.h., verschiedene Zeitpunkte während der Rotation der Spiegelvorrichtung 5 zeigen. 1 FIG. 1 schematically shows a LiDAR sensor 1 according to a first exemplary embodiment of the invention. The LiDAR sensor 1 has a rotating mirror device 5 . The same LiDAR sensor 1 is also in 2 shown where 1 and 2 differ only in the orientation of the rotating mirror device 5, ie show different points in time during the rotation of the mirror device 5.

Der LiDAR-Sensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Gehäuse 2 auf. Das Gehäuse 2 wiederum weist ein Fenster 3 auf, durch das Laserlicht von dem LiDAR-Sensor 1 an eine Umgebung aussendbar und durch das Laserlicht von der Umgebung zu dem LiDAR-Sensor 1 gelangen kann. An dem Gehäuse 2 ist außerdem eine Sende- und Empfangseinheit 4 ortsfest angeordnet sowie die besagte rotierende Spiegelvorrichtung 5 drehbar gelagert. Die Spiegelvorrichtung 5 ist derart ausgebildet, dass diese um eine Rotationsachse 400 rotierbar ist, wobei im Betrieb des LiDAR-Sensors 1 die Rotationsachse 400 bevorzugt vertikal ausgerichtet ist.The LiDAR sensor 1 according to the first exemplary embodiment of the invention has a housing 2 . The housing 2 in turn has a window 3 through which the laser light can be emitted from the LiDAR sensor 1 to an environment and through which the laser light can reach the LiDAR sensor 1 from the environment. A transmitting and receiving unit 4 is also arranged in a stationary manner on the housing 2 and said rotating mirror device 5 is rotatably mounted. The mirror device 5 is designed in such a way that it can be rotated about an axis of rotation 400, with the axis of rotation 400 preferably being aligned vertically when the LiDAR sensor 1 is in operation.

Die Sende- und Empfangseinheit 4 weist eine Laserlichtquelle sowie einen Detektor auf. Die Laserlichtquelle dient zum Aussenden von Laserlicht entlang eines Lichtpfads 100 auf die Spiegelvorrichtung 5. Der Detektor dient zum Erfassen von reflektiertem Laserlicht, wobei reflektiertes Laserlicht von der Spiegelvorrichtung 5 entlang des Lichtpfads 100 auf den Detektor geleitet wird. Der genaue Aufbau und die genaue Anordnung von Lichtquelle und Detektor sind für die Erfindung nicht relevant, weswegen diese im Folgenden durch die Sende- und Empfangseinheit 4 zusammengefasst werden.The transmitting and receiving unit 4 has a laser light source and a detector. The laser light source is used to emit laser light along a light path 100 to the mirror device 5. The detector is used to detect reflected laser light, reflected laser light being guided from the mirror device 5 along the light path 100 to the detector. The exact structure and the exact arrangement of the light source and detector are not relevant to the invention, which is why they are summarized below by the transmission and reception unit 4 .

Während der Rotation der Spiegelvorrichtung 5 um die Rotationsachse 400 durchläuft die Spiegelvorrichtung 5 verschiedene Winkelbereiche, wobei ein erster Winkelbereich in 1 gezeigt ist. Dieser erste Winkelbereich ermöglicht ein Ablenken des Lichtpfads 100 durch die Spiegelvorrichtung 5, um somit direkt durch das Fenster 3 zu verlaufen. Mit anderen Worten sendet die Sende- und Empfangseinheit 4 Laserlicht auf die Spiegelvorrichtung aus, die besagtes Laserlicht unmittelbar durch das Fenster 3 in die Umgebung leitet. Gleiches gilt umgekehrt für reflektiertes Laserlicht, das durch das Fenster 3 unmittelbar auf die Spiegelvorrichtung 5 trifft und von dieser zur Sende- und Empfangseinheit 4 geleitet wird. Der Lichtpfad 100 wird somit entlang erster Richtungen 200 unmittelbar durch das Fenster 3 umgelenkt.During the rotation of the mirror device 5 about the axis of rotation 400, the mirror device 5 runs through different angular ranges, with a first angular range in 1 is shown. This first angular range enables the light path 100 to be deflected by the mirror device 5 in order to thus pass directly through the window 3 . In other words, the transmitting and receiving unit 4 emits laser light onto the mirror device, which directs said laser light directly through the window 3 into the environment. The same applies vice versa for reflected laser light, which impinges directly on the mirror device 5 through the window 3 and is guided by it to the transmitting and receiving unit 4 . The light path 100 is thus deflected directly through the window 3 along first directions 200 .

Die ersten Richtungen 200 entsprechen somit einem Bereich, der durch die Ablenkung der Spiegelvorrichtung 5 in den verschiedenen Orientierungen der Spiegelvorrichtung 5 während der Rotation entstehen kann.The first directions 200 thus correspond to an area that can arise as a result of the deflection of the mirror device 5 in the different orientations of the mirror device 5 during the rotation.

Während der Rotation der Spiegelvorrichtung 5 können auch Totbereiche auftreten, in denen ein Ablenken des Lichtpfads 100 durch das Fenster 3 nicht möglich ist, so dass der Lichtpfad 100 auf einen Gehäuseteil des Gehäuses 2 abgelenkt würde. Um solche Totbereiche zu minimieren, ist eine Zusatzspiegeleinheit 6 vorgesehen. Insbesondere in 2 ist die Wirkweise der Zusatzspiegeleinheit 6 dargestellt.Dead areas can also occur during the rotation of the mirror device 5 , in which it is not possible for the light path 100 to be deflected through the window 3 , so that the light path 100 would be deflected onto a housing part of the housing 2 . In order to minimize such dead areas, an additional mirror unit 6 is provided. In particular 2 the operation of the additional mirror unit 6 is shown.

2 zeigt eine Orientierung der Spiegelvorrichtung 5, die bei herkömmlichen LiDAR-Sensoren 1 zu einem Totbereich führen würde, da der Lichtpfad 100 durch die Spiegelvorrichtung 5 unmittelbar auf einen Gehäusebereich des Gehäuses 2 gelenkt würde. Durch die Zusatzspiegeleinheit 6 ist allerdings erreicht, dass der Lichtpfad 100 dennoch durch das Fenster 3 umgelenkt werden kann. Dazu lenkt die Spiegelvorrichtung 5 den Lichtpfad 100 auf die Zusatzspiegeleinheit 6, wobei von dort eine Ablenkung durch das Fenster 3 in zweite Richtungen 300 erfolgt. In dem ersten Ausführungsbeispiel sind die ersten Richtungen 200 und die zweiten Richtungen 300 vorteilhafterweise zumindest bereichsweise unterschiedlich, so dass ein Sichtbereich des LiDAR-Sensors 1 insgesamt erhöht ist. Damit sind zum einen Totbereiche vermieden, zum anderen ist die Leistungsfähigkeit des LiDAR-Sensors verbessert. 2 FIG. 1 shows an orientation of the mirror device 5 that would lead to a dead zone in conventional LiDAR sensors 1, since the light path 100 would be directed through the mirror device 5 directly onto a housing area of the housing 2. However, the additional mirror unit 6 means that the light path 100 nevertheless can be deflected through the window 3. For this purpose, the mirror device 5 directs the light path 100 onto the additional mirror unit 6, with deflection from there through the window 3 in second directions 300 taking place. In the first exemplary embodiment, the first directions 200 and the second directions 300 are advantageously different at least in certain areas, so that a visual range of the LiDAR sensor 1 is increased overall. On the one hand, this avoids dead areas and, on the other hand, the performance of the LiDAR sensor is improved.

Um einen maximalen Erfassungsbereich des LiDAR-Sensors 1 zu ermöglichen, ist bevorzugt außerdem vorgesehen, dass das Fenster 3 bzgl. der Rotation der Spiegelvorrichtung 5 einen Winkelbereich von zumindest 60°, insbesondere von zumindest 90°, überdeckt. Mit anderen Worten ist das Fenster 3 gekrümmt und erstreckt sich bzgl. der Rotationsachse 400 um zuvor beschriebenen Winkelbereich. Das Fenster kann alternativ auch geknickt sein, wobei die Krümmung vorteilhaft ist, um optische Beeinflussungen an den Knickstellen zu vermeiden.In order to enable a maximum detection range of the LiDAR sensor 1, it is preferably also provided that the window 3 covers an angular range of at least 60°, in particular of at least 90°, with respect to the rotation of the mirror device 5. In other words, the window 3 is curved and extends with respect to the axis of rotation 400 by the previously described angular range. Alternatively, the window can also be kinked, with the curvature being advantageous in order to avoid optical influences at the kinks.

Die Zusatzspiegeleinheit 6 kann, wie in 1 und 2 gezeigt, ein planes Spiegelelement sein. Ebenso ist auch möglich, die Zusatzspiegeleinheit 6 mit einer gekrümmten Spiegelfläche zu versehen, insbesondere um Parameter des LiDAR-Sensors wie eine Auflösung oder einen Erfassungsbereich zu justieren.The additional mirror unit 6 can, as in 1 and 2 shown to be a planar mirror element. It is also possible to provide the additional mirror unit 6 with a curved mirror surface, in particular to adjust parameters of the LiDAR sensor such as a resolution or a detection range.

In den 1 und 2 ist außerdem eine Alternative gezeigt, in der die ersten Richtungen 200 und die zweiten Richtungen 300 allesamt in derselben Ebene liegen, nämlich in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse 400. Bezüglich besagter Rotationsachse 400 kann die Spiegeleinheit 6 auch verkippt orientiert sein, so dass die Zusatzspiegeleinheit 6 nicht in einer Ebene parallel zur Rotationsachse 400 angeordnet ist. In diesem Fall weisen die ersten Richtungen 200 und die zweiten Richtungen 300 zumindest bereichsweise einen Unterschied bzgl. der vertikalen Ausrichtung auf. Während die ersten Richtungen 200 weiterhin innerhalb der Zeichenebene, d.h., der Ebene senkrecht zur Rotationsachse 400 angeordnet sind, sind die zweiten Richtungen 300 gewinkelt zu besagter Ebene orientiert. Somit lässt sich ein vertikaler Erfassungsbereich des LiDAR-Sensors 1 erhöhen.In the 1 and 2 an alternative is also shown in which the first directions 200 and the second directions 300 all lie in the same plane, namely in a plane perpendicular to the axis of rotation 400. The mirror unit 6 can also be oriented tilted with respect to said axis of rotation 400, so that the additional mirror unit 6 is not arranged in a plane parallel to the axis of rotation 400 . In this case, the first directions 200 and the second directions 300 have a difference with regard to the vertical orientation, at least in regions. While the first directions 200 continue to be within the plane of the drawing, ie the plane perpendicular to the axis of rotation 400, the second directions 300 are oriented at an angle to said plane. A vertical detection range of the LiDAR sensor 1 can thus be increased.

Durch die Zusatzspiegeleinheit 6 lässt sich, wie beschrieben, ein Totbereich während der Messung des LiDAR-Sensors verringern. Während der Rotation der Spiegelvorrichtung 5 ist somit ein erster Winkelbereich vorhanden, in dem sich die ersten Richtungen 100 ausbilden sowie ein zweiter Winkelbereich, indem sich die zweiten Richtungen 300 ausbilden. Der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich betragen zusammen bevorzugt zumindest 270°, insbesondere zumindest 300°. Auf diese Weise ist der Totbereich vorteilhafterweise minimiert.As described, the additional mirror unit 6 can reduce a dead zone during the measurement of the LiDAR sensor. During the rotation of the mirror device 5 there is thus a first angular range in which the first directions 100 are formed and a second angular range in which the second directions 300 are formed. The first angular range and the second angular range together are preferably at least 270°, in particular at least 300°. In this way, the dead zone is advantageously minimized.

3 zeigt einen LiDAR-Sensor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist lediglich die Zusatzspiegeleinheit 6 modifiziert. Durch eine andere Ausrichtung als im ersten Ausführungsbeispiel ist im zweiten Ausführungsbeispiel erreicht, dass die zweiten Richtungen 300 zumindest abschnittsweise gleich zu den ersten Richtungen 200 sind. Dadurch wird ein gewisser Bereich des Erfassungsbereichs des LiDAR-Sensors 1, nämlich der Bereich, in dem die ersten Richtungen 200 und die zweiten Richtungen 300 überlappen, pro Rotation der Spiegelvorrichtung 5 mehrfach abgetastet. Somit ist eine Genauigkeit der Erfassung an diesem Bereich erhöht. Ansonsten ist der LiDAR-Sensor analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet. 3 shows a LiDAR sensor 1 according to a second exemplary embodiment of the invention. In contrast to the first exemplary embodiment, only the additional mirror unit 6 is modified. Due to a different orientation than in the first exemplary embodiment, in the second exemplary embodiment, the second directions 300 are at least partially the same as the first directions 200 . As a result, a certain area of the detection area of the LiDAR sensor 1, namely the area in which the first directions 200 and the second directions 300 overlap, is scanned multiple times per rotation of the mirror device 5 . Thus, an accuracy of detection at this area is increased. Otherwise, the LiDAR sensor is designed analogously to the first exemplary embodiment.

4 zeigt schließlich ein drittes Ausführungsbeispiel des LiDAR-Sensors 1. Der Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel und zu dem zweiten Ausführungsbeispiel ist wiederum lediglich durch die Zusatzspiegeleinheit 6 gebildet, da im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel und zum zweiten Ausführungsbeispiel der LiDAR-Sensor 1 im dritten Ausführungsbeispiel als Zusatzspiegeleinheit 6 einen ersten Einzelspiegel 6a und einen zweiten Einzelspiegel 6b aufweist. 4 finally shows a third exemplary embodiment of the LiDAR sensor 1. The difference to the first exemplary embodiment and to the second exemplary embodiment is again only formed by the additional mirror unit 6, since in contrast to the first exemplary embodiment and the second exemplary embodiment, the LiDAR sensor 1 in the third exemplary embodiment is Additional mirror unit 6 has a first individual mirror 6a and a second individual mirror 6b.

Im dritten Ausführungsbeispiel ist somit vorgesehen, dass der Lichtpfad 100 von der Sende- und Empfangseinheit 4 zu der rotierenden Spiegelvorrichtung 5 gelangt und von dort zum ersten Einzelspiegel 6a umgelenkt wird. Am ersten Einzelspiegel 6a erfolgt eine Umlenkung zum zweiten Einzelspiegel 6b, wobei von dort eine Umlenkung durch das Fenster 3 erfolgt, um somit die zweiten Richtungen 300 zu realisieren. Durch die Verwendung mehrerer Einzelspiegel 6a, 6b als Zusatzspiegeleinheit 6 ist somit eine flexible Anordnung der Zusatzspiegeleinheit 6 im Gehäuse 2 ermöglicht, wobei einerseits ein Totbereich weiterhin minimiert werden kann, andererseits eine flexible Orientierung der zweiten Richtungen 300 ermöglicht ist.In the third exemplary embodiment, it is therefore provided that the light path 100 travels from the transmitting and receiving unit 4 to the rotating mirror device 5 and is deflected from there to the first individual mirror 6a. A deflection to the second individual mirror 6b takes place at the first individual mirror 6a, with a deflection from there taking place through the window 3 in order to thus realize the second directions 300. The use of several individual mirrors 6a, 6b as additional mirror unit 6 thus enables a flexible arrangement of the additional mirror unit 6 in the housing 2, whereby on the one hand a dead area can be further minimized and on the other hand a flexible orientation of the second directions 300 is made possible.

Der LiDAR-Sensor 1 lässt sich insbesondere in autonom oder zumindest automatisiert fahrenden Fahrzeugen verwenden. Aufgrund des minimierten Totbereichs ist somit eine leistungsfähigere Messung ermöglicht, als dies im Stand der Technik der Fall ist.The LiDAR sensor 1 can be used in particular in autonomous or at least automated vehicles. Because of the minimized dead zone, a more powerful measurement is thus made possible than is the case in the prior art.

Claims (10)

LiDAR-Sensor (1) aufweisend ein Gehäuse (2) mit einem Fenster (3), eine fest im Gehäuse (2) angebrachte Sende- und Empfangseinheit (4) zum Aussenden und zum Empfangen von Laserlicht, sowie eine am Gehäuse (2) drehbar gelagerte Spiegelvorrichtung (5) die ausgebildet ist, einen Lichtpfad (100) von der Sende- und Empfangseinheit (4) in verschiedene erste Richtungen (100) unmittelbar durch das Fenster (3) abzulenken, wobei an dem Gehäuse (2) eine Zusatzspiegeleinheit (6) ortsfest angeordnet ist, so dass der Lichtpfad (100) von der Spiegelvorrichtung (5) zu der Zusatzspiegeleinheit (6) und von der Zusatzspiegeleinheit (6) in verschiedene zweite Richtungen (300) durch das Fenster (3) ablenkbar ist.LiDAR sensor (1) having a housing (2) with a window (3), a transmitting and receiving unit (4) fixed in the housing (2) for emitting and receiving laser light, and one rotatable on the housing (2). Mounted mirror device (5) which is designed to deflect a light path (100) from the transmitting and receiving unit (4) in different first directions (100) directly through the window (3), with an additional mirror unit (6 ) is arranged stationary, so that the light path (100) from the mirror device (5) to the additional mirror unit (6) and from the additional mirror unit (6) in different second directions (300) through the window (3) can be deflected. LiDAR-Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelvorrichtung (5) während einer Drehung zumindest einen ersten Winkelbereich sowie einen zweiten Winkelbereich durchläuft, wobei die Spiegelvorrichtung (5) ausgebildet ist, während des ersten Winkelbereichs den Lichtpfad (100) unmittelbar durch das Fenster (3) abzulenken und während des zweiten Winkelbereichs den Lichtpfad (100) auf die Zusatzspiegeleinheit (6) abzulenken.LiDAR sensor (1) after claim 1 , characterized in that the mirror device (5) runs through at least a first angular range and a second angular range during a rotation, wherein the mirror device (5) is designed to deflect the light path (100) directly through the window (3) during the first angular range and to deflect the light path (100) onto the additional mirror unit (6) during the second angular range. LiDAR-Sensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich zusammen zumindest 270°, insbesondere zumindest 300°, betragen.LiDAR sensor (1) after claim 2 , characterized in that the first angular range and the second angular range together amount to at least 270°, in particular at least 300°. LiDAR-Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Richtungen (200) und die zweiten Richtungen (300) zumindest teilweise identisch sind.LiDAR sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first directions (200) and the second directions (300) are at least partially identical. LiDAR-Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Richtungen (200) und die zweiten Richtungen (300) zumindest teilweise verschieden sind.LiDAR sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first directions (200) and the second directions (300) are at least partially different. LiDAR-Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzspiegeleinheit (6) zumindest zwei Einzelspiegel (6A, 6B) aufweist, so dass der Lichtpfad (100) von der Spiegelvorrichtung (5) auf einen ersten Einzelspiegel (6A) der Zusatzspiegeleinheit (6), von dem ersten Einzelspiegel (6A) direkt oder über andere Einzelspiegel zu einem zweiten Einzelspiegel (6B) der Zusatzspiegeleinheit (6) und von dem zweiten Einzelspiegel (6B) durch das Fenster (3) lenkbar ist,LiDAR sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the additional mirror unit (6) has at least two individual mirrors (6A, 6B), so that the light path (100) from the mirror device (5) onto a first individual mirror (6A ) of the additional mirror unit (6), from the first individual mirror (6A) directly or via other individual mirrors to a second individual mirror (6B) of the additional mirror unit (6) and from the second individual mirror (6B) through the window (3), LiDAR-Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (3) über einen Winkelbereich von zumindest 60°, insbesondere zumindest 90°, der Drehung der Spiegelvorrichtung (5) angeordnet ist.LiDAR sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the window (3) is arranged over an angular range of at least 60°, in particular at least 90°, of the rotation of the mirror device (5). LiDAR-Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzspiegeleinheit (6) gegenüber einer Rotationsachse (400) der Spiegelvorrichtung (5) verkippt ist, so dass die Zusatzspiegeleinheit (6) nicht parallel zu der Rotationsachse (400) orientiert ist.LiDAR sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the additional mirror unit (6) is tilted relative to an axis of rotation (400) of the mirror device (5), so that the additional mirror unit (6) is not parallel to the axis of rotation (400) is oriented. LiDAR-Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzspiegeleinheit (6) eine gekrümmte Spiegelfläche aufweist.LiDAR sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the additional mirror unit (6) has a curved mirror surface. LiDAR-Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit (4) eine Laserlichtquelle und einen Detektor aufweist, wobei die Laserlichtquelle ausgebildet ist, Laserlicht auf die Spiegelvorrichtung (5) auszusenden und wobei der Detektor ausgebildet ist, von einer Umgebung des LiDAR-Sensors reflektiertes Laserlicht zumindest über die Spiegelvorrichtung (5) zu erfassen.LiDAR sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitting and receiving unit (4) has a laser light source and a detector, the laser light source being designed to emit laser light onto the mirror device (5) and the detector being designed is to detect laser light reflected from surroundings of the LiDAR sensor at least via the mirror device (5).
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