DE102016213980A1

DE102016213980A1 - Optische Anordnung für ein LiDAR-System, LiDAR-System und Arbeitsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016213980A1
Application number: DE102016213980.0A
Authority: DE
Inventors: Klaus Stoppel; Thomas Fersch; Siegwart Bogatscher; Hans-Jochen Schwarz; Jan Sparbert; Annette Frederiksen; Reiner Schnitzer; Thorsten BALSLINK
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2018-02-01
Also published as: CN110140060B; WO2018019807A1; CN110140060A; US20190178990A1; EP3491413A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung (10) für ein LiDAR- System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, bei welcher eine Empfängeroptik (30) und eine Senderoptik (60) zumindest sichtfeldseitig (i) mit im Wesentlichen koaxialen optischen Achsen ausgebildet sind und (ii) eine gemeinsame Ablenkoptik (62) aufweisen und detektorseitig eine Detektoroptik (35) ausgebildet ist und Mittel aufweist, direkt über die Ablenkoptik (62) – insbesondere aus dem Sichtfeld (50) – einfallendes Licht auf eine Detektoranordnung (20) zu richten.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung für ein LiDAR-System, ein LiDAR-System sowie eine Arbeitsvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine optische Anordnung für ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes als solches und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen. Des Weiteren wird durch die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug geschaffen.
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).
Bei bekannten LiDAR-Systemen besteht ein Nachteil dahingehend, dass bei koaxialer Anordnung zur Trennung der Strahlengänge der Senderoptik und der Empfängeroptik herkömmlicherweise oft Strahlteiler verwendet werden. Diese führen auf Grund ihres Funktionsprinzips sowohl im Sendepfad, das heißt beim Aussenden von Primärlicht, als auch im Empfangspfad, das heißt beim Aufnehmen von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld, zu Abschwächungen in der Strahlungsintensität und reduzieren damit die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Detektionsvorgangs.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße optische Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass auf die Verwendung eines die Intensität der Strahlung abschwächenden Strahlteilers verzichtet werden kann, so dass es zu keinen Intensitätseinbußen beim Detektionsvorgang kommt. Dies steigert die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Detektionsvorgangs und wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine optische Anordnung für ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes geschaffen wird, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, bei welcher einerseits eine Empfängeroptik und eine Senderoptik zumindest sichtfeldseitig (i) mit im Wesentlichen koaxialen optischen Achsen ausgebildet sind und (ii) eine gemeinsame Ablenkoptik aufweisen und bei welcher andererseits detektorseitig eine Detektoroptik ausgebildet ist und Mittel aufweist, direkt über die Ablenkoptik – insbesondere aus dem Sichtfeld – einfallendes Licht auf eine Detektoranordnung zu richten. Erfindungsgemäß entfällt die Notwendigkeit eines Strahlteilers, weil die detektorseitig vorgesehene Detektoroptik die Fähigkeit besitzt und die entsprechenden Mittel aufweist, in direktem Zusammenwirken mit der Ablenkoptik einfallendes Licht, insbesondere aus dem Sichtfeld, über die Ablenkoptik auf die zu Grunde liegende Detektoranordnung zu richten.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung werden zusätzliche optische Komponenten, die mit einem entsprechenden Verlust behaftet sein können, dadurch vermieden, dass die Ablenkoptik ausgebildet ist und Mittel aufweist, Licht aus dem Sichtfeld direkt auf die Detektoroptik zu richten.
Eine besonders einfach zu steuernde optische Anordnung ergibt sich, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung die Ablenkoptik mit einem ein- oder zweidimensional steuerbar verschwenkbaren und/oder schwingbaren Spiegel, insbesondere Mikrospiegel ausgebildet ist. Dabei ist unter einem schwingbaren Spiegel auch ein zu Schwingungen oder zu schwenkenden Schwingbewegungen anregbarer Spiegel zu verstehen
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist es vorgesehen, dass der Spiegel oder Mikrospiegel steuerbar verschwenkbar und/oder schwingbar ist (i) in einem ersten Winkelbereich zum Einstrahlen von Primärlicht in das Sichtfeld und (ii) in einem zweiten Winkelbereich zum Richten von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld direkt auf die Detektoroptik.
Eine besonders kompakte Bauweise der optischen Anordnung stellt sich gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dann ein, wenn die Detektoroptik in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zu einem Detektorelement der Detektoranordnung ausgebildet ist.
Dabei ist es gemäß einer anderen Weiterbildung der optischen Anordnung vorgesehen, dass die Detektoroptik eine Linse aufweist oder bildet, insbesondere in Form einer Halbkugel oder in Form einer Kombination aus senkrechtem Kreiszylinder und einer Halbkugel an einer Stirnseite des Kreiszylinders, wobei die Detektoranordnung oder ein Sensorelement der Detektoranordnung auf einer einer konvexen Seite der Halbkugel angewandten Seite angeordnet ist.
Besonders geringe Verluste stellen sich bei der optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dann ein, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform die Detektoroptik einen die Detektoranordnung oder ein Detektorelement der Detektoranordnung einbettenden Materialbereich aufweist oder bildet. In diesem Fall werden Verluste generierende Grenzflächen besonders wirkungsvoll vermieden.
Ein besonders hohes Maß an Detektionsgenauigkeit lässt sich erreichen, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung die Detektoranordnung oder ein Sensorelement der Detektoranordnung im Wesentlichen im Brennpunkt oder im Wesentlichen in einer Brennebene der Detektoroptik angeordnet ist.
Für ein schnelles und genaues Ansprechen eines LiDAR-Systems sind Umstände förderlich, die nur geringe Ablenkbereiche für die zu Grunde liegende Ablenkoptik erforderlich machen.
So ist es bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung vorgesehen, dass die Detektoranordnung oder ein Sensorelement der Detektoranordnung und ein Primärlicht bereitstellendes Element, insbesondere eine Lichtquelle, in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zueinander angeordnet sind und/oder in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu detektorseitigen optischen Achsen der Senderoptik und/oder der Empfängeroptik liegen.
Für ein genaues Ausleuchten des Sichtfeldes und ein Detektieren von Licht aus dem Sichtfeld kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung eine Aperturoptik ausgebildet sein, welche sichtfeldseitig der Ablenkoptik vorgeschaltet und dazu ausgebildet ist und Mittel aufweist, Primärlicht von der Ablenkoptik in das Sichtfeld und Licht aus dem Sichtfeld auf die Ablenkoptik zu richten.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine oder als Teil einer Arbeitsvorrichtung, eines Fahrzeugs und dergleichen, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung eine erfindungsgemäße optische Anordnung ausgebildet ist und verwendet wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Arbeitsvorrichtung geschaffen, insbesondere ein Fahrzeug oder dergleichen, welche mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ausgebildet ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
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 zeigt in einem schematischen Blockdiagramm eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems unter Verwendung einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
4 bis 5 zeigen eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung in einem LiDAR-System und deren Abbildungseigenschaften.
6 bis 8 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit verschiedenen Möglichkeiten des Erzeugens und Bereitstellens von Primärlicht.
9 bis 12 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht verschiedene Detektoroptiken sowie deren Abbildungsverhalten, die bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung eingesetzt werden können.
13 bis 16 zeigen Graphen, welche verschiedene Abbildungseigenschaften von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung illustrieren.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 16 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10.
Das LiDAR-System 1 gemäß 1 weist eine Senderoptik 60 auf, welche von einer Lichtquelle 65, z.B. in Form eines Lasers, gespeist wird und Primärlicht 57 – ggf. nach Durchlaufen einer Strahlformungsoptik 66 – in ein Sichtfeld 50 zur Erfassung und/oder Untersuchung eines dort befindlichen Objekts 52 aussendet.
Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 gemäß 1 eine Empfängeroptik 30 auf, welche Licht und insbesondere vom Objekt 52 im Sichtfeld 50 reflektiertes Licht als Sekundärlicht 58 über ein Objektiv 34 als Primäroptik empfängt und über eine Detektoroptik 35 Sekundäroptik an eine Detektoranordnung 20 überträgt.
Die Steuerung der Lichtquelle 65 sowie der Detektoranordnung 20 erfolgt über Steuerleitungen 42 bzw. 41 mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 40.
In der 1 sind die Konzepte der gemeinsamen sichtfeldseitigen Ablenkoptik 32 und der detektorseitigen Detektoroptik 35 schematisch dargestellt.
Die Ablenkoptik 62 als Teil der Primäroptik 34, welche auch als Objektiv bezeichnet werden kann und im Zusammenhang mit der Senderoptik 60 als aussendendes Projektionsobjektiv fungiert, ist dazu ausgebildet, das Primärlicht 57 zu empfangen und in das Sichtfeld 50 mit dem Objekt 52 hinein zu richten.
Im Zusammenhang mit der Empfängeroptik 30 wirkt die gemeinsame sichtfeldseitige Ablenkoptik 62 mit der Detektoroptik 35 als Sekundäroptik derart zusammen, dass das aus dem Sichtfeld 50 empfangene Sekundärlicht 58 in direkter Art und Weise und also ohne Zwischenschaltung eines Strahlteilers auf die Detektoroptik 35 gerichtet wird, um so ohne Zwischenschaltung weiterer optischer Komponenten zur Detektoranordnung 20 zu gelangen. Die Primäroptik 34 wirkt im Zusammenhang mit der Empfängeroptik 30 als empfangendes Projektionsobjektiv.
Optional und vorteilhaft ist das sichtfeldseitige Vorsehen einer Aperturoptik 70 zum geeigneten Ausgeben des Primärlichts 57 und zum bündelnden Empfangen des Sekundärlichts 58.
Die Detektoranordnung 20 kann mit einem oder mehreren Sensorelementen 22 ausgebildet sein.
Die optische Anordnung 10 ist ausgebildet für ein LiDAR-System 1 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes 50, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, und ist ausgebildet mit einer Senderoptik 60 zum Aussenden eines Sendelichtsignals in das Sichtfeld 50, einer Detektoranordnung 20 und einer Empfängeroptik 30 zum optischen Abbilden des Sichtfeldes 50 auf die Detektoranordnung 20.
Die Empfängeroptik 30 und die Senderoptik 60 sind sichtfeldseitig (i) mit im Wesentlichen koaxialen optischen Achsen ausgebildet und weisen eine gemeinsame Ablenkoptik 62 auf.
Die Empfängeroptik 30 weist detektorseitig eine Sekundäroptik 35 auf, welche ausgebildet ist und Mittel umfasst, über die Ablenkoptik 62 aus dem Sichtfeld 50 einfallendes Licht auf die Detektoranordnung 20 zu richten.
Bei der optischen Anordnung 10 ist die Senderoptik 60 allgemein ausgebildet und weist Mittel auf zum Aussenden von Primärlicht 57 in das Sichtfeld 50.
Ferner ist bei der optischen Anordnung 10 die Empfängeroptik 30 ausgebildet und weist Mittel auf zum optischen Abbilden des Sichtfeldes 50 auf die Detektoranordnung 20.
2 zeigt in ähnlicher Weise wie 1 eine andere Ausführungsform eines LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10.
Die bei der Ausführungsform gemäß 2 vorgesehenen Komponenten entsprechen im Wesentlichen den in 1 gezeigten Komponenten. Betont werden in 2 jedoch (a) die räumliche Nähe zwischen der Detektoroptik 35 als Sekundäroptik der Empfängeroptik 30 zur Detektoranordnung 20 und den Sensorelementen 22 einerseits sowie (b) die unmittelbare räumliche Nachbarschaft der Strahlengänge der Senderoptik 60 und der Empfängeroptik 30 und insbesondere die unmittelbare räumliche Nachbarschaft der Detektoranordnung 20 mit den Sensorelementen 22 zur Lichtquelle 65 als das Primärlicht 57 bereitstellendes Element 67 andererseits.
3 zeigt eine konkretere Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10.
Diese Ausführungsform realisiert konkreter das in den 1 und 2 dargestellte Grundprinzip. Es befinden sich die Detektoranordnung 20 mit einem Sensorelement 22 zusammen mit einer Lichtquelle 65 oder im Allgemeinen zusammen mit einem Primärlicht 57 bereitstellenden Element 67 in oder auf einem gemeinsamen Substrat 25, durch welches die Detektorebene 24 definiert wird.
Dabei sind das Sensorelement 22 und das das Primärlicht 57 bereitstellende Element 67 in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zueinander angeordnet. Dies hat zur Folge, dass die Ablenkoptik 62 z.B. in Form eines steuerbar schwenkbaren oder schwingbaren Mikrospiegels 63 nur um unmittelbar benachbarte Winkelbereiche und/oder um Winkelbereiche geringer Ausdehnung verschwenkt werden muss, um dadurch das Sichtfeld 50 mit dem darin enthaltenen Objekt 52 – gegebenenfalls vermittelt durch die Aperturoptik 70 – mit Primärlicht 57 zu beaufschlagen und/oder Sekundärlicht 58 aus dem Sichtfeld 50 auf die Detektoranordnung 20 mit dem Sensorelement 22 zu richten.
Zu diesem Zweck weist die Detektoroptik 35 die Form einer Linse 36 mit einem Halbkugelsegment 37 und einem Zylindersegment 38 mit gemeinsamer Symmetrieachse 39 auf. Das Halbkugelsegment 37 ist direkt – z.B. materialeinstückig – an der von der Detektorabordnung 20 abgewandten Stirnseite oder -fläche des Zylindersegments angebracht.
Die unterschiedlich markierten Strahlen für das Sekundärlicht 58 entsprechen unterschiedlichen Abständen 71 zwischen Aperturoptik 70 und dem Objekt 52. Bei Ausführungsformen ohne Aperturoptik 70 ist der Abstand 71 zwischen dem Objekt 52 im Sichtfeld 50 und der Ablenkoptik 62 maßgeblich.
In 3 kommt der mit dem Bezugszeichen 72-1 bezeichnete Strahl des Sekundärlicht 58 von einem gering entfernten Objekt 52 des Sichtfeldes 50, wogegen der mit 72-3 bezeichnete Strahl des Sekundärlicht 58 von einem weiter entfernt liegenden Objekt 52 des Sichtfeldes 50 stammt. Das Sekundärlicht 58 benötigt für das Überwinden einer größeren Distanz mehr Zeit, in dieser verschenkt der Spiegel 63 der Ablenkoptik um einen größeren Winkel. Mithin ist der Strahl 72-3 stärker abgelenkt als der Strahl zu 72-1.
Die Ablenkoptik 62 und insbesondere deren Spiegel 63 besitzen einen ersten Winkelbereich 64-1, welcher der Abbildung des Sekundärlichts 58 aus dem Sichtfeld 50 auf die Detektoranordnung 20 dient, und einen zweiten Winkelbereich 64-2, welcher der Verteilung des Primärlichts 57 aus dem das Primärlicht 57 bereitstellenden Element 67 in das Sichtfeld 50 hinein dient.
Die 4 und 5 zeigen schematisch die Abbildungsverhältnisse bei einer Ausführungsform eines LiDAR-Systems 1 mit einer Ausführungsform der optischen Anordnung 10 aus 3 mit der Abstandsabhängigkeit, und zwar für eine eindimensional bewegte Ablenkoptik 62 jeweils auf der rechten Seite und für ein zweidimensional bewegte Ablenkoptik auf der jeweils linken Seite. 4 gibt eine einfache Draufsicht, 5 eine Explosionsdarstellung.
In 4 und 5 ist der Lauf des Sekundärlichts 58 in Bezug auf die Linsen 36 und die Detektoranordnung 20 mit dünnen Sensorelementen 22 gezeigt. Dargestellt sind der Ort 74 der Laserapertur und die Strahlposition 75 nach dem Bündeln oder Kollimieren.
Die 6 bis 8 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10 mit Fokus auf die unterschiedlichen Realisationen des Erzeugens des Primärlichts 57.
Bei der Ausführungsform gemäß 6 wird das das Primärlicht 57 erzeugende Element 67 gebildet von einer Lichtquelle 65 selbst, zum Beispiel einer Laserlichtquelle, einer Laserdiode oder dergleichen.
Bei der Ausführungsform gemäß 7 wird eine externe Lichtquelle 65 verwendet, die Primärlicht 57 erzeugt und auf ein Spiegelelement als das Primärlicht 57 bereitstellende Element 67 im Substrat 25 richtet.
Bei der Ausführungsform gemäß 8 ist das das Primärlicht 57 bereitstellende Element 67 ein Durchgangsloch im Substrat 25, wobei sich auf dessen der Detektoranordnung 20 abgewandten oder Rückseite die eigentliche Lichtquelle 65 befindet.
Die 9 bis 12 zeigen schematisch Abbildungsverhältnisse bei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. Dargestellt sind jeweils Graphen, auf deren Abszisse ein bestimmtes Abstandsmaß und in Abhängigkeit davon auf der Ordinate die Strahlposition des Sekundärlichts 58 auf Sensorelementen 22 einer Detektoranordnung 20 hinter der Detektoroptik 35 dargestellt sind.
Angegeben sind auch jeweils Kennzeichnungen für einen geringen Abstand 72-1, einen mittleren Abstand 72-2 und einen großen Abstand 72-3 des Objekts 52 im Sichtfeld 50.
Die 9 und 12 zeigen jeweils schematisch eine Detektoroptik 35 mit zwei Linsen 36 und die jeweilig herrschenden Abbildungsverhältnisse.
Die 10 und 11 zeigen eine Anordnung mit nur einer Linse 36 zum Aufbau der Detektoroptik 35.
Die 13 und 14 zeigen in Form von Graphen die bei Detektoroptiken mit einer Linse 36 und mit zwei Linsen 36 vorliegenden relativen Lichtleistungen, die am jeweiligen Sensorelement 22 auftreten, und zwar in Abhängigkeit vom Abstand des Objekts 52.
Die 15 und 16 zeigen entsprechend die relative Leistung am Sensorelement 22 der Detektoranordnung 20 in Abhängigkeit vom Lochabstand, welcher auf der Abszisse auftragen ist, und zwar mit Codierung für geringe Abstände 72-1, mittlere Abstände 72-2 und große Abstände 72-3 vom Objekt 52 im Sichtfeld 50.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Bisherige LiDAR-Architekturen 1 verwenden oft koaxiale Anordnungen von Senderpfad 60 und Empfängerpfad 30. Der Sender selbst besteht z.B. aus einer modulierten Laserdiode als Lichtquelle 65. Im einfachsten Fall werden z.B. kurze Pulse mit hoher bis sehr hoher Spitzenleistung erzeugt. Die Detektoranordnung 29 weist eine einzelne oder mehrere AP-Dioden (avalanche photo diode) als Sensorelement 22 auf. Auch PIN-Dioden sind verbreitet. Silizium- und Germaniumdioden sind preiswerter als Dioden aus Verbundhalbleitern (z.B. InGaAs), ermöglichen jedoch nur eine weniger effiziente Detektion von Strahlung mit Wellenlängen von über ca. 900 nm.
Bei der koaxialen Anordnung ist herkömmlicherweise oft ein Strahlteiler notwendig, der die Laserleistung beispielsweise im Verhältnis 1:1 (50%) in verschiedene Richtungen ablenkt. D.h., der Sendestrahl durchdringt eine optionale Optik und den Strahlteiler bevor er durch eine Ablenkeinheit 62 in die Richtung zum Sichtfeld 50 oder FOV (field of view) gelenkt wird, in welchem die Distanz, die Präsenz oder die Reflexionseigenschaften eines dort vermuteten Objekts 52 gemessen werden soll.
Die Richtung des Objekts 52 als Ziel kann durch die Stellung der Ablenkeinheit 62 festgestellt werden. Je nach Ausführungsform ist eine weitere Optik vorgesehen. Der vom Objekt 52 reflektierte Strahl folgt als Sekundärlicht 58 dem gleichen Pfad wie das Primärlicht 57 im Sendepfad 60. Dies ist dann der Fall, wenn sich die Ablenkeinheit 62 während der Messung nur vernachlässigbar wenig bewegt hat. Diese Bedingung ist im Allgemeinen erfüllt.
Der herkömmlich verwendete Strahlteiler lenkt einen Teil des Empfangsstrahls auf einen Empfänger, eventuell ist eine weitere Optik erforderlich.
Aspekte der herkömmlichen Konstellation sind:

– Nur der interessante Ausschnitt des FOV 50 wird auf den Empfänger projiziert. Durch diese Vorselektion wird die Rauschleistung auf dem Empfänger durch Störquellen (Bremslichter, Scheinwerfer, Sonnenlicht) reduziert.
– Die Ablenkeinheit richtet den Empfangsstrahl immer auf dieselbe Stelle des Detektors. Dadurch kann u.U. der Detektor sehr klein ausgeführt werden (Einzeldiode) oder eine bessere Empfangsdiode verwendet werden (InGaAs).
– Durch den Strahlteiler wird ein Teil der Sendeleistung in das Gehäuse abgelenkt anstatt auf das Ziel gerichtet. Dadurch muss für den Sender eine höhere Sendeleistung vorgesehen werden. Der abgelenkte Strahl kann den Empfänger stören.
– Auch die Empfangsleistung wird durch den Strahlteiler verringert. Dies ist ein kritischer Punkt, da die Empfangsleistung i.d.R. sehr gering ist und eine weitere Verringerung sehr nachteilig für das Systemverhalten ist.

In einem System mit separierter Konstellation hingegen muss die Feststellung der Zielrichtung entweder durch die Ablenkeinheit oder den Empfänger erfolgen. Wird der Erscheinungswinkel des Ziels durch die Stellung der Ablenkeinheit bestimmt bzw. vorgegeben, genügt prinzipiell eine einzelne, große Photodiode, auf die das gesamte FOV projiziert wird. Dieser Ansatz hat den Nachteil, dass sehr viel Umgebungslicht auf den Detektor gerichtet wird. Alternativ kann der Empfänger aus einem Photodiodenarray oder einer Photodiodenzeile aufgebaut werden. Dadurch wird das FOV in Teile zerlegt und eine einzelne Photodiode nur von einem Teil des FOV und somit von nur einem Teil des Umgebungslichtes belichtet.
Aspekte dieses Vorgehens sind:

– Die optischen Empfangs- und Sendepfade können unabhängig voneinander, gemäß ihrer individuellen Anforderungen realisiert werden, kein Kompromiss ist erforderlich.
– Ein sehr großes Empfängerdiodenarray ist notwendig. Es kann deswegen nicht aus Verbundhalbleitern kosteneffizient hergestellt werden. Dies verhindert den Einsatz großer, augensicherer Wellenlängen. Ein solches Array benötigt außerdem sehr viel elektrische Energie, wodurch aufwendige Kühlmaßnahmen erforderlich werden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in einem koaxialen LiDAR-System 1 einen Strahlteiler überflüssig zu machen. Das System bietet die genannten Vorteile eines herkömmlichen koaxialen Systems ohne dessen Nachteile. Außerdem werden große und teure Detektoren überflüssig.
Ein Kern der Erfindung ist die Fokussierung der von einem Mikrospiegel 63 ausgehenden Empfangspulsleistung auf einen kleinen Bereich oder Punkt in einer Ebene 24.
Die Trennung von Sendepfad 60 und Empfangspfad 30 wird durch eine Ablenkoptik 62 und insbesondere von einem schnell schwingenden Mikrospiegel 63 übernommen. Der Strahl des Sekundärlichts 58 wird weiter durch eine Detektoroptik 35 fokussiert, die sich direkt vor der Detektoranordnung 20 befindet.
Insbesondere sind die Sendeeinheit, z.B. im Sinne eines das Primärlicht 57 bereitstellenden Elementes 67, und die Empfangseinheit, z.B. im Sinne der Detektoranordnung 20 mit einem Sensorelement 22, sehr nahe beieinander angeordnet.
Vorteile der Erfindung sind:

– Es ist kein Strahlteiler erforderlich. Dadurch geht keine Empfangsleistung verloren. Die volle Sendeleistung wird emittiert.
– Eine einzelne, kleine Photodiode oder eine Photodiodenzeile oder ein Photodiodenarray können bei der Detektoranordnung 20 verwendet werden.
– Die Möglichkeit, mit einer einzelnen Empfangsdiode (InGaAs) auszukommen, ermöglicht die Nutzung großer, augensicherer Wellenlängen, z.B. im Bereich von etwa 1550 nm, auf wirtschaftliche Art.
– Auf ein großes Empfängerarray kann verzichtet werden.
– Bei geeigneter Ausführung der Detektoroptik 35 kann ein optisches Null-Meter-Signal bereitgestellt werden.
– Eine Linse 36 der Detektoroptik 35 kann sehr platzsparend direkt auf den Detektor aufgebracht werden.

Das zu Grunde liegende Prinzip ist z.B. in 3 gezeigt.
Komponenten der Erfindung können auf einer Ebene 24, genannt Detektorebene, aufgebaut werden. Diese kann flach oder gewölbt sein. Entweder eine Leiterplatte (PCB) oder ein Halbleiterchip sind denkbar.
Ein zeitlich kurzer Laserpuls wird von einer kleinen Fläche auf der Detektorebene emittiert. Der Laserstrahl wird über eine Ablenkeinheit 62 auf einen Punkt oder ein Objekt 52 im Sichtfeld 50 oder FOV gerichtet.
Zusätzliche Aperturoptiken 70 sind denkbar.
Die vom Objekt 52 reflektierte bzw. diffus gestreute Lichtleistung wird durch die Aperturoptik 70 kollimiert und wieder auf die Ablenkoptik 62 als Ablenkeinheit gerichtet.
Die Ablenkeinheit 62 ist z.B. ein mindestens in einer Ebene schwingender Spiegel 63.
Während der Pulslaufzeit vom Spiegel 63 zum Objekt 52 und zurück hat sich die Spiegelstellung geringfügig verändert, da der Spiegel 63 kontinuierlich und schnell schwingt. Der Empfangspuls wird dadurch auf einen Ort auf der Detektorebene 24 projiziert, der von der Emitterfläche verschieden ist. Eine geringe Entfernung des Objekts 52 führt zu einer schwachen Ablenkung des Empfangsstrahls, Strahl 72-1 in 3. Eine größere Entfernung des Objekts 52 führt zu einer stärkeren Ablenkung, Strahl 72-3 in 3.
Die Ablenkung ist abhängig von der Schwingfrequenz des Spiegels 63, des Abstandes 71 zwischen Objekt 63 und Spiegel 63, des Abstandes zwischen Detektorebene 24 und Spiegel 63 und ggf. von der Apertur.
Ohne weitere Maßnahmen würde der auf die Detektorebene 24 projizierte Empfangsstrahl eine Linie möglicher Projektionsorte beschreiben, je nach Objektdistanz 71.
Der Empfangsstrahl des Sekundärlichts 58 muss auf ein Sensorelement 22 gerichtet werden. Werden die oben genannten Parameter auf eine große Ablenkung hin gewählt, würde der projizierte Strahl somit sehr lang werden und große Detektoren erforderlich machen. Im gegensätzlichen Fall, d.h. bei der Wahl der Parameter auf kleine Ablenkungen, würden Reflexionen an nahen Objekten 52 dazu führen, dass der Empfangsstrahl wieder auf die Emitterfläche trifft und nicht detektiert werden könnte.
Abhilfe schafft die Einführung einer Detektoroptik 35, die vor dem oder direkt auf den Detektorbaustein als Detektoranordnung 20 aufgebracht wird.
Bei 3 handelt es sich um eine Linse 36 mit einem halbkugelförmigen Linsenteil 37 mit zylindrischem Unterbau oder Sockel 28.
3 zeigt ein Schnittbild einer achsensymmetrischen Linse 36.
Andere Geometrien und Ausführungsformen der Detektoroptik 35 sind denkbar.
Wird die Linse 36 entsprechend ausgeführt, werden alle eintreffenden Strahlen unabhängig der ihnen entsprechenden Objektdistanzen 71 auf eine sehr kleine Fläche gerichtet. Die Selektion des FOV-Ausschnittes mit der damit einhergehenden Reduktion der Umgebungslichtintensität findet somit durch den Mikrospiegel 63 statt.
4 zeigt die Draufsicht auf die Detektorebene 24. 5 ergänzt 4 mit einer Explosionsdarstellung. Die einzelnen Elemente aus 5 ergeben übereinandergesetzt die Darstellung in 4. Die weitere Erläuterung erfolgt unter Bezugnahme auf 5 von oben nach unten.

(1) Die jeweils rechte Seite stellt den Fall eines Spiegels 63 dar, der in nur einer Ebene schwingt; eindimensionaler oder 1D-Fall. Die linken Seiten behandeln den Fall eines Spiegels 63, der sich auch in eine orthogonale Richtung bewegt und den Strahl aus der Ebene mit y = 0 ablenkt; zweidimensionaler oder 2D-Fall. Der 1D-Fall ist näherungsweise auch gegeben, wenn die vertikale Frequenz sehr viel kleiner als die horizontale Frequenz gewählt wird.
(2) In der Mitte befindet sich die Laserapertur. Verschiedene Ausführungsformen derselben werden später erläutert.
(3) Die Darstellung der Strahlbewegung ist die Gesamtheit aller möglichen Projektionsorte des empfangenen Laserstrahls. Je nach Entfernung des Objekts 52 wird der Empfangsstrahl mehr oder weniger weit ausgelenkt. Die Legende auf der rechten Seite schlüsselt die Distanzinformation unter Verwendung der Bezugszeichen 72-1, 72-2, 72-3 für nahe, mittlere bzw. weite Entfernungen auf.

Im Fall einer eindimensionalen Auslenkung des Spiegels 63 tritt keine Ablenkung in y-Richtung auf. Beim zweidimensionalen Fall wird ebenso eine Ablenkung in die orthogonale Richtung erfolgen (links).
Diese Darstellung zeigt die durch die Linse unbeeinflussten Strahlpositionen.

(4) Zwei Ausführungsformen von Linsen 36 sind gezeigt. Links die bereits in 3 erläuterte kuppelförmige Linse 36, rechts eine in y-Richtung ausgedehntere Linse 36 ähnlicher Form. Die linke Linse 36 ist in der Lage, auch die vertikale Auslenkung durch den 2D-Spiegel 63 zu kompensieren. Eine breitere Linse 63 könnte die Kollimation unabhängiger von fehlerbehafteter Justage machen.
(5) Die Empfangsstrahlposition 75 nach erfolgter Kollimation ist idealerweise punktförmig, unabhängig von der Objektdistanz 71.
(6) Die Detektorfläche ist derart geformt und dimensioniert, dass alle Empfangsstrahlen unabhängig von der Objektdistanz 71 darauf fokussiert werden.

Laserapertur
Bei der Ausführungsform gemäß 6 wird die Laserapertur durch einen Laserbaustein gebildet, der als Lichtquelle 65 in der Detektorebene 24 integriert wird.
Der Laser kann als externes Bauteil auf das Substrat 25 (PCB/Halbleitermaterial, „die“, „chip“) aufgebracht und auf dem Substrat 25 beschaltet werden.
Gegebenenfalls kann die Beschaltung direkt auf dem Substrat 25 erfolgen. Der Laser kann direkt aus dem Halbleitermaterial herausgearbeitet werden. Dabei kann jedoch ein hohes Maß elektromagnetischer Störungen (EMV, EMI) durch hochenergetische Schaltungselemente auf der Detektorebene 24 verursacht werden.
Gemäß 7 kann die Apertur aus einer verspiegelten Fläche auf dem Substrat 25 bestehen, die mit einem Laser 65 bestrahlt wird.
Gemäß 8 kann das Substrat 25 mit einer Öffnung oder einem Loch am Ort der Apertur versehen werden, das der Laserstrahl von der Rückseite aus durchdringt.
In diesem Fall und im Fall der 7 wird die EMV-Problematik durch einen möglichen großen Abstand zwischen Laser 65 und Sensorelement 22 umgangen.
Im Folgenden werden Simulationsergebnisse dargestellt.
Strahlengang
Die 9 bis 12 zeigen den simulierten Strahlengang für einzelne Strahlen (ray tracing). Alle Strahlen werden von einer als punktförmig angenommenen Ablenkeinheit 62 emittiert (rechts). Die Objektentfernung 71 ist mit 72-1 nah, 72-2 mittel, 72-3 fern kodiert dargestellt.
Aus den Abbildungen der 11 und 12 wird ersichtlich, dass alle Strahlen auf eine kleine Fläche fokussiert werden. Das Prinzip ist auf eine größere Zahl Linsen 26 erweiterbar, dadurch werden die Fokuspunkte kleiner.
Die 9 bis 12 zeigen also simulierte Strahlengänge für eine Einlinsenkonfiguration – 9 und 12 – und für eine Zweilinsenkonfiguration – 10 und 11.
9 und 10 zeigen, dass die Strahlen des Sekundärlichts 58 von einer punktförmigen Ablenkeinheit 62 (rechts) ausgehen und auf die Detektorebene 24 (links) treffen.
11 und 12 zeigen die Linse 26 im Detail für eine Ein- bzw. für eine Zweilinsenkonfiguration.
Parameter

– Abstand zwischen Spiegel 63 und Detektorebene 24: 3 cm oder 5 cm für eine Linse bzw. zwei Linsen 36
– Aperturdurchmesser = 100μm, Linsendurchmesser = (1,25 mm bzw. 0,35 mm)
– Sockelhöhe = 0,9 mm bzw. 0,3 mm)
– Spiegelschwingfrequenz = 30 kHz
– Linsenmaterial: Polycarbonat mit n = 1,6

Diskussion der Minimalreichweite
Die 13 und 14 zeigen die auf die Sensorfläche eintreffende Leistung in Abhängigkeit von der Objektdistanz 71. Die dargestellten Werte sind bezogen auf die vom Spiegel 63 ausgehende Leistung. Die zu 100 % fehlende Leistung wird von der Kugellinse 37 bei zu flachem Einfallswinkel abgelenkt. Empfangsstrahlen für sehr nahe Objekte 52 werden durch den Spiegel 63 nicht ausreichend abgelenkt und fallen wieder auf die Laserapertur, etwas weiter entfernte Objekte 52 erzeugen Strahlen, die sehr flach auf die Linse 36 treffen und dadurch gedämpft werden.
Einfallende Strahlen weisen immer eine gewisse Ausdehnung auf. Außerdem erzeugen sehr nahe Ziele 52 ein sehr starkes Rückstreusignal. Aus diesen Gründen werden im realen Fall auch sehr nahe Objekte 52 detektiert werden können.
Außerdem können sehr starke Empfangssignale den Detektor übersteuern. In diesem Fall wäre eine Dämpfung des Empfangssignals sogar vorteilhaft.
Linsenform
Gezeigt wurden kuppelförmige und pillenförmige Linsen 37 mit Sockel 38.
Die konkrete Ausführungsform der Detektoroptik 35 kann entsprechend dem Anwendungsfall angepasst werden. Wichtig ist dabei, dass die Detektoroptik 35 möglichst alle einfallenden Strahlen des Sekundärlichts 58 auf einen oder mehrere möglichst kleine Areale fokussiert, möglichst punktförmig.
Mögliche Ausführungsformen der Detektoroptik sind unter anderem:

– Es ist eine plankonvexe Linse 37 mit Sockel 38 möglich.
– Bisher wurden maximal eine Linse 36 und ein Sensorelement 22 pro Seite dargestellt. Denkbar ist die Erweiterung der Linsen- und Detektoranzahl in x-Richtung in 4 (Mikrolinsenarray/Detektorzeile).
– In Figur wurde jeweils nur eine Linse 36 oberhalb der Apertur dargestellt. Gegebenenfalls ist eine Anordnung von Linsen in einer Richtung ausreichend. In diesem Fall könnte nur die Schwingbewegung der Ablenkeinheit 62 in eine Richtung ausgewertet werden.
– Ein holographisches Element würde die Ablenkung ohne eine gekrümmte Oberfläche bewerkstelligen.
– Ein asymmetrisch geformtes Element könnte die blinde Minimalreichweite verbessern, indem im Bereich der Öffnung ein flacherer Winkel zum Einfallsstrahl geboten wird.

Detektorleistung
In den 15 und 16 ist die auf die Detektorebene 24 einfallende Leistung in Abhängigkeit des Abstands von der Öffnung aufgetragen, für den Fall einer einzelnen Linse 36 (links) und für zwei Linsen 36 (rechts). Wieder geht Leistung für sehr nahe Objekt 52 scheinbar verloren. Die Leistung für weiter entfernte Objekte 52 kann durch Anpassung der Linsengeometrie nahezu beliebig auf der Detektoroberfläche verteilt werden.
Im Fall der 15 für eine einzelne Linse 36 wird die gesamte Leistung auf eine Fläche mit ca. 600 μm Durchmesser verteilt.
Im Fall der 16 für zwei Linsen 236 sind zwei Detektoren á 200 μm Durchmesser notwendig.
Eine Erweiterung auf mehr als zwei Linsen 36 ist möglich.
Erhöhung der Pulsfolgefrequenz
In 13 ist angedeutet, dass Strahlen von sehr weit entfernten Objekten 52 gedämpft und nicht mehr auf die Detektoranordnung 20 gerichtet werden. Dies kann ein sehr nützlicher Effekt sein. Bei herkömmlichen LiDAR-Systemen muss nämlich mit einem erneuten Scanvorgang (= Aussenden eines Laserstrahls) gewartet werden, bis auch die Empfangspulse von sehr weit entfernten Objekten 52 empfangen wurden, die sich eigentlich jenseits der spezifizierten Maximaldistanz befinden.
Bei einem erfindungsgemäßen LiDAR-System 1 würden Strahlen von sehr weit entfernten Objekten 52 auf einen Punkt in der Detektorebene 24 gerichtet, an dem sich kein Sensorelement 22 befindet. Somit wäre eine höhere Pulsfolgefrequenz möglich, die Systemdynamik könnte erhöht werden.

Claims

Optische Anordnung (10) für ein LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug, bei welcher – eine Empfängeroptik (30) und eine Senderoptik (60) zumindest sichtfeldseitig (i) mit im Wesentlichen koaxialen optischen Achsen ausgebildet sind und (ii) eine gemeinsame Ablenkoptik (62) aufweisen und – detektorseitig eine Detektoroptik (35) ausgebildet ist und Mittel aufweist, direkt über die Ablenkoptik (62) – insbesondere aus dem Sichtfeld (50) – einfallendes Licht auf eine Detektoranordnung (20) zu richten.
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1, bei welcher die Ablenkoptik (62) ausgebildet ist und Mittel aufweist, Licht (58) aus dem Sichtfeld (50) direkt auf die Detektoroptik (35) zu richten.
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Ablenkoptik (62) mit einem ein- oder zweidimensional steuerbar verschwenkbaren und/oder schwingbaren Spiegel (63), insbesondere Mikrospiegel ausgebildet ist.
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 3, bei welcher der Spiegel (63) oder Mikrospiegel steuerbar verschwenkbar und/oder schwingbar ist (i) in einem ersten Winkelbereich (64-1) zum Einstrahlen von Primärlicht (57) in das Sichtfeld (50) und (ii) in einem zweiten Winkelbereich (64-2) zum Richten von Sekundärlicht (58) aus dem Sichtfeld (50) direkt auf die Detektoroptik (35).
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Detektoroptik (35) in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zu einem Detektorelement (22) der Detektoranordnung (20) ausgebildet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, – bei welcher die Detektoroptik (35) eine Linse (36) aufweist oder bildet, insbesondere in Form einer Halbkugel (37) oder in Form einer Kombination aus einem senkrechtem Kreiszylinder (38) und einer Halbkugel (37) an einer Stirnseite des Kreiszylinders (38), – wobei die Detektoranordnung (20) oder ein Sensorelement (22) der Detektoranordnung (20) auf einer einer konvexen Seite der Halbkugel (37) angewandten Seite angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Detektoroptik (35) einen die Detektoranordnung (20) oder ein Detektorelement (22) der Detektoranordnung (20) einbettenden Materialbereich aufweist oder bildet.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Detektoranordnung (20) oder ein Sensorelement (22) der Detektoranordnung (20) im Wesentlichen im Brennpunkt oder im Wesentlichen in einer Brennebene der Detektoroptik (35) angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Detektoranordnung (20) oder ein Sensorelement (22) der Detektoranordnung (20) und ein Primärlicht (57) bereitstellendes Element (67), insbesondere eine Lichtquelle (65), in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zueinander angeordnet sind und/oder in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu detektorseitigen optischen Achsen der Senderoptik (60) und/oder der Empfängeroptik (30) liegen.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Aperturoptik (70), welche sichtfeldseitig der Ablenkoptik (62) vorgeschaltet und dazu ausgebildet ist und Mittel aufweist, Primärlicht (57) von der Ablenkoptik (62) in das Sichtfeld (50) und Licht aus dem Sichtfeld (50) auf die Ablenkoptik (62) zu richten.
LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug, mit einer optischen Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug oder Roboter, mit einem LiDAR-System (1) nach Anspruch 11 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).