DE102017119038A1

DE102017119038A1 - LIDAR-Scanner mit MEMS-Spiegel und wenigstens zwei Scanwinkelbereichen

Info

Publication number: DE102017119038A1
Application number: DE102017119038.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schaller; Christian Raabe
Original assignee: Jenoptik Advanced Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen LIDAR-Scanner (LS), der mit wenigstens zwei kollimierten, an einem MEMS-Spiegel reflektierten Laserstrahlen zwei- oder dreidimensionale Scanwinkelbereiche (B, B) die beliebig in einem Halbraum (R) angeordnet sind, synchron abscannen kann. Die Scanwinkelbereiche (B, B) können innerhalb eines Halbraumes (R) von einander entfernt angeordnet sein, oder aneinandergrenzend bzw. überlappend einen größeren zusammengesetzten Scanwinkelbereich bilden.

Description

Die Erfindung betrifft einen LIDAR-Scanner, der mit kollimierter Laserstrahlung innerhalb eines Halbraumes wenigstens zwei beliebig angeordnete Scanwinkelbereiche insbesondere zeitgleich abscannen kann. Je nach dem Anwendungsbereich können die einzelnen Scanwinkelbereiche innerhalb des Halbraumes zueinander beabstandet oder aneinander angrenzend bzw. einander überlappend, einen zusammengesetzten Scanwinkelbereich bildend, angeordnet sein. Bei der Entfernungsmessung, bei der einzelne Scanpunkte quasi ins Unendliche abgebildet werden, weisen die einzelnen Scanwinkelbereiche durch das Scannen eines zweidimensionalen Scanfeldes eine dreidimensionale oder durch das Scannen einer eindimensionalen Scanlinie eine zweidimensionale Ausdehnung auf. Zueinander beabstandete einzelne Scanwinkelbereiche können z.B. im Bereich der Sicherung von Gebäuden von Interesse sein, wo mögliche Zugänge wie Fenster und Türen, die voneinander auch entfernt beabstandet sind, überwacht werden sollen.
Aneinander angrenzende oder einander überlappende einzelne Scanwinkelbereiche die einen zusammengesetzten Scanwinkelbereich bilden, sind z.B. dort von Interesse, wo ein großer Bereich lückenlos überwacht werden soll. Einsatzgebiete hierfür können z.B. das Flugwesen, die Schifffahrt, die Militärtechnik oder das autonome Fahren von Straßenfahrzeugen sein.
Aus der EP 3 070 497 A1 ist ein LIDAR-Scanner, dort scannende Laser-Radar Vorrichtung, zur time-of-flight-basierten Objektdetektion und Entfernungsmessung beschrieben, die z.B. an einem Fahrzeug montiert sein kann. Das System kann der Fahrzeugelektronik Messsignale bereitstellen, die diese beispielsweise zur Geschwindigkeitssteuerung, zur Auslösung automatisierter Bremsmanöver etc. verwenden kann. Die Vorrichtung weist senderseitig mehrere Lichtemissionsquellen (Laserdioden) auf, deren ausgesandte Strahlen gemeinsam über ein optisches System zur Strahlformung (Kollimierung) und weiter über einen feststehenden Umlenkspiegel auf einen rotierenden Spiegel treffen und von dort in die zu scannende Szene reflektiert werden. Der feststehende Umlenkspiegel (der auch fehlen kann) dient dem Erzielen eines kompakten Geräteaufbaus. Der rotierende Spiegel, der ein zweiseitiger Spiegel oder ein Polygonspiegel sein kann, bewirkt für jeden der ausgesendeten Strahlen einen Scan entlang einer Hauptscanrichtung. Um auch orthogonal zu dieser Hauptscanrichtung eine Ortsauflösung erzielen zu können, sind die einzelnen emittierten Strahlen orthogonal zur Hauptscanrichtung entlang einer dort so genannten Unterscanrichtung angeordnet. Mit den Strahlen der mehreren Laserdioden werden hier nicht mehrere Scanwinkelbereiche gescannt, sondern ein eindimensionaler Scanwinkelbereich wird in Richtung der Unterscanrichtung verbreitert, wobei die Ausdehnung in der Unterscanrichtung durch die Anzahl und den Abstand der Lichtemisionsquellen zueinander vorbestimmt ist und nicht über eine Spiegelauslenkung erreicht wird.
Mit der Verwendung eines rotierenden Spiegels bedarf es weiterer diskreter Bauteile wie z.B. Halterungen, in denen die Spiegelachse gelagert ist. Die mit der Rotation entstehende Reibung führt zu Verschleiß und dadurch verursachtem Schlupf. Gegenüber monolithischen Baugruppen sind Baugruppen aus diskreten Bauteilen heutzutage in der Regel aufwendiger in der Herstellung und damit teuerer. Außerdem lassen sie sich weniger leicht miniaturisieren und sind in der Regel schwerer.
Völlig verschleißfrei arbeiten MEMS-Spiegel, die monolitisch über Festkörpergelenke mit einem Rahmen verbunden sind, wobei zwei um den Mittelpunkt des MEMS-Spiegels um 180° zueinander versetzt angeordnete Festkörpergelenke mechanisch betrachtet eine Drehachse bilden. Es gibt handelsübliche MEMS-Spiegel, die nur um eine Drehachse, die um zwei zueinander senkrechte Drehachsen oder auch um drei oder mehr Gelenke, die einzelne Aufhängungen bilden, ausgelenkt werden können. Der Auslenkwinkel des MEMS-Spiegels gegenüber dem Rahmen ist dabei aufgrund der Festkörpergelenkverbindung jeweils auf ca. +/-10° um eine unausgelenkten Nullstellung begrenzt. Der reibungsfreie Betrieb, seine hohe erreichbare Betriebsfrequenz und der inzwischen vergleichsweise geringe Preis machen MEMS-Spiegel gerade für dynamische kompakte und robuste Geräte sehr attraktiv.
Bei einer Verwendung von MEMS-Spiegeln für LIDAR-Scanner ist jedoch der begrenzte, kleine Auslenkwinkel von Nachteil. Der maximale Scanwinkelbereich für einen über den MEMS-Spiegel reflektierten Laserstrahl ergibt sich aus dem Vierfachen des maximalen Auslenkwinkels und beträgt somit maximal ca. 40°. Es läge auf der Hand mehrere MEMS-Spiegel zu verwenden, um aus den Scanwinkelbereichen der einzelnen MEMS-Spiegel einen zusammengesetzten größeren Scanwinkelbereich zu erzielen oder um mehrere Scanwinkelbereiche zu schaffen, die voneinander entfernt beabstandet liegen. Dadurch würde jedoch zum einen die Kompaktheit der Vorrichtung leiden und zum anderen müssten technische Maßnahmen getroffen werden, um die MEMS-Spiegel in ihrem Bewegungsablauf zu synchronisieren.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen LIDAR-Scanner zu finden, der unter Verwendung eines MEMS-Spiegels wenigstens zwei Scanwinkelbereiche innerhalb eines Halbraumes entweder voneinander entfernt beabstandet oder aneinandergrenzend bzw. überlappend, d.h. einen zusammengesetzten Scanwinkelbereich bildend, der größer dem Vierfachen des maximalen Auslenkwinkels des MEMS-Spiegels ist, abscannt. Vorteilhaft soll der LIDAR-Scanner in einer modularen Bauweise herstellbar sein und über die Anzahl und Anordnung der Module an die Anzahl und Anordnung der gewünschten Scanwinkelbereiche anpassbar sein. Außerdem sollen vorteilhaft durch das Abdeckelement des MEMS-Spiegels entstehende Reflexe und Fresnelsche Verluste vermieden werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert werden. Hierzu zeigen:

1 ein prinzipielles Beispiel für die Anordnung von Scanwinkelbereichen eines erfindungsgemäßen LIDAR-Scanners,
2 Anordnung von zwei zueinander beabstandeten Scanwinkelbereichen eines LIDAR-Scanners entsprechend einer ersten Ausführung,
3a Anordnung von vier einander teilweise überlappenden Scanwinkelbereichen eines LIDAR-Scanners entsprechend einer zweiten Ausführung,
3b perspektivische Darstellung der Strahlachsen des LIDAR-Scanners nach 3a,
3c Draufsicht auf die Strahlachsen des LIDAR-Scanners nach 3a,
3d seitliche Ansicht der Strahlachsen des LIDAR-Scanners nach 3a,
3e graphische Darstellung zur Erläuterung der Überlappungsbereiche,
4 Strahlverlauf in einem LIDAR-Scanner mit einem MEMS-Spiegel mit einer Planplatte als Abdeckelement,
5 Strahlverlauf in einem LIDAR-Scanner mit einem MEMS-Spiegel mit einer Halbkugelschale als Abdeckelement und
6 Strahlverlauf eines Laserstrahls in einem LIDAR-Scanner mit Umlenkspiegeln.

In 1 ist ein prinzipielles Beispiel für die Anzahl und Anordnung von Scanwinkelbereichen B₁ bis B_n anhand zweier der Scanwinkelbereiche B1, B2 innerhalb eines Halbraumes R eines erfindungsgemäßen LIDAR-Scanners LS gezeigt. Es soll darstellen, dass weder die Anzahl noch deren Anordnung begrenzt ist. Der LIDAR-Scanner LS, umfasst wie in 3b beispielhaft dargestellt, grundsätzlich wenigstens zwei Laserstrahlquellen 1.1,..., 1.n, die jeweils einen Laserstrahl S₁ ,..., S_n mit einer Strahlachse A₁ ,..., A_n aussenden und denen jeweils in ihrer Abstrahlrichtung ein Kollimator 2.1,..., 2.n und gemeinsam ein mikromechanischer Spiegel (nachfolgend MEMS-Spiegel) 3 mit einem transparenten Abdeckelement 4 nachgeordnet ist. Jeweils eine der Laserstrahlquellen 1.1,..., 1.n bildet mit jeweils einem der Kollimatoren 2.1,..., 2.n vorteilhaft ein gleiches Modul, sodass über die Anzahl und die Ausrichtung der Module die Lage der scannbaren Scanwinkelbereiche B₁ ,..., B_n leicht an gegebene Anforderungen anpassbar ist.
Zum Verständnis der Funktionsweise des LIDAR-Scanners LS wird dem MEMS-Spiegel 3 in unausgelenkter Stellung ein kartesisches Koordinatensystem zugeordnet. Dieses wird aufgespannt durch eine Flächennormale N im Mittelpunkt MP der Spiegelfläche des MEMS-Spiegels 3, nachfolgend nur MEMS-Spiegel 3, als z - Achse, und zwei zueinander senkrecht verlaufende Richtungen auf der Spiegelfläche des MEMS-Spiegels 3, als x - und y - Achse, in deren Richtung im Falle eines Zweiachsspiegels Drehachsen X und Y verlaufen.
Bei dem MEMS-Spiegel 3 kann es sich um einen sogenannten Einachsspiegel handeln, mit zwei Festkörpergelenken entlang der x-Achse, die eine Drehachse X bilden. Er ist nur um die x - Achse in zwei Drehrichtungen +/-, um einen ersten Auslenkwinkel α_x auslenkbar.
Alternativ kann der MEMS-Spiegel 3 ein sogenannter Zweiachsspiegel sein, der sowohl um die x - Achse als auch um die y-Achse auslenkbar ist. Grundsätzlich können der erste Auslenkwinkel α_x , um die x-Achse, und ein zweiter Auslenkwinkel α_y , um die y-Achse, unterschiedlich groß oder gleich groß und auch kleiner als ein jeweils maximaler Auslenkwinkel sein.
Üblich für einen Zweiachsspiegel ist die Anordnung von vier Festkörpergelenken, die eine Drehachse X und eine Drehachse Y in Form einer kardanischen Aufhängung definieren, wie in 3b angedeutet.
Der MEMS-Spiegel 3 kann auch z.B. drei um 120° zueinander versetzt angeordnete Festkörpergelenke oder auch noch mehr Festkörpergelenke aufweisen, die, da sie sich nicht paarweise gegenüberliegen, keine Achsen bilden. Durch die Auslenkung der einzelnen Festkörpergelenke kann der MEMS-Spiegel 3 ebenso wie ein Zweiachsspiegel jede gegenüber der z-Achse gekippte Position einnehmen, bei der die Festkörpergelenke ihren jeweils maximalen Auslenkwinkel nicht überschreiten. Die Auslenkung erfolgt hier in einer Art Taumelbewegung bei der MEMS-Spiegel 3 gegenüber der x - Achse in zwei Drehrichtungen jeweils um einen ersten Auslenkwinkel α_x und gegenüber der y - Achse in zwei Drehrichtungen jeweils um einen zweiten Auslenkwinkel α_y ausgelenkt wird. Eine Verdrehung des MEMS-Spiegels 3 um die x- bzw. y- Achse stellt den Sonderfall dar, in dem die Spiegelfläche um eine erste und eine zweite Drehachse X, Y gedreht wird. Der Betrag des maximalen Auslenkwinkels eines Festkörpergelenkes und entsprechend einer der Achsen ist durch die Geometrie, die Dimensionierung und die Materialeigenschaften des Festkörpergelenks bestimmt und bei handelsüblichen MEMS-Spiegeln auf ca. 10° in beide Richtungen, in die das Festkörpergelenk um seine unausgelenkte Stellung verwunden werden kann, begrenzt. So können die Festkörpergelenke gleiche aber auch unterschiedlich große maximale Auslenkwinkel aufweisen.
In allen Ausführungen des LIDAR-Scanners LS sind die wenigstens zwei Laserstrahlquellen 1.1,..., 1.n so zueinander und zu dem MEMS-Spiegel 3 angeordnet, dass die Strahlachsen A₁ ,..., A_n der ausgesendeten Laserstrahlen S₁ ,...,S_n , wie in 3b beispielhaft dargestellt, gegenüber der Flächennormalen N des MEMS-Spiegels 3 geneigt und auf den Mittelpunkt MP des MEMS-Spiegels 3 gerichtet sind, und dass benachbarte Laserstrahlen S₁ ,...,S_n einen Winkel ϕ₁ ,...,ϕ_m miteinander einschließen. Die Strahlachsen A₁ ,..., A_n' der reflektierten Laserstrahlen 1.1',..., 1.n', die jeweils die Mittelachse eines Scanwinkelbereiches B₁ ,..., B_n darstellen, weisen so den gleichen Winkel ϕ₁ ,...,ϕ_m zueinander auf wie die ihnen zugeordneten Laserstrahlen 1.1,..., 1.n. Die Laserstrahlquellen 1.1,..., 1.n können beliebig innerhalb eines Halbraumes, der an den unausgelenkten MEMS-Spiegels 3, oder korrekter gesagt, an dessen Spiegelfläche angrenzt, mit ihrer Abstrahlrichtung direkt oder indirekt über wenigstens einen stationären Umlenkspiegel 5.1 auf den Mittelpunkt MP des MEMS-Spiegels 3 gerichtet, angeordnet sein, sodass auch die Scanwinkelbereiche B₁ ,..., B_n beliebig innerhalb des Halbraumes R angeordnet sein können. Dabei können die Winkel ϕ₁ ,...,ϕ_m zwischen den Mittelachsen A₁',..., A_n' jeweils zweier benachbarter Laserstrahlen S₁ ,..., S_n gleich oder auch unterschiedlich groß sein und in jeder den Mittelpunkt MP einschließenden, zur Flächennormalen N geneigten Ebene E₁ ,...,E_n liegen. Die Laserstrahlen S₁ ,..., S_n können aus allen vier Quadranten des Halbraumes R auf den MEMS-Spiegel 3 gerichtet sein. Im Halbraum R entstehen somit beliebig viele Scanwinkelbereiche B₁ ,...,B_n die absolut synchron und mit unveränderter Winkellage zueinander, zeitgleich oder zeitlich nacheinander, abgescannt werden können.
Vorteilhaft wird ein MEMS-Spiegel 3 verwendet, der einen Zweiachsspiegel darstellt und entlang der x-Achse eine körperliche Drehachse X und entlang der y-Achse eine körperliche Drehachse Y aufweist. Durch die Auslenkung des MEMS-Spiegels 3 um die Drehachse X werden die reflektierten Laserstrahlen S_1' ,..., S_n' jeweils entlang einer Hauptscanrichtung HR gescannt. Durch die Auslenkung des MEMS-Spiegels 3 um die Drehachse Y werden die reflektierten Laserstrahlen S_1' ,..., S_n' jeweils entlang einer Nebenscanrichtung NR gescannt.
In einer ersten Ausführung eines LIDAR-Scanners LS mit einem zweiachsigen MEMS-Spiegels 3, gezeigt in 2, liegen die Strahlachsen A₁ , A₂ , A₃ in einer zur ersten Drehachse X geneigten, die zweite Drehachse Y einschließenden Einfallsebene E₁ . Die Winkel ϕ₁ bzw. ϕ₂ zwischen den Strahlachsen A₁ und A₂ bzw. A₂ und A₃ wurden größer gewählt als das Vierfache des ersten Auslenkwinkels α_x , sodass die Scanwinkelbereiche B₁ , B₂ , B₃ voneinander beabstandet sind, um innerhalb des Halbraumes R verschiedene Überwachungsbereiche, denen die Scanwinkelbereiche B₁ ,B₂ , B₃ zugeordnet sind, überwachen zu können. Die Winkel ϕ₁ , ϕ₂ liegen hier in der Einfallsebene E₁ . Durch eine Veränderung der Winkel ϕ₁ und ϕ₂ kann die erste Ausführung des LIDAR-Scanners LS wie folgt modifiziert werden. Werden die Winkel ϕ₁ und ϕ₂ so gewählt, dass sie gleich dem Vierfachen des ersten Auslenkwinkels +/- α_x sind, dann grenzen die Scanwinkelbereiche B₁ , B₂ aneinander und sie überlappen sich, wenn sie kleiner als das Vierfache des ersten Auslenkwinkels +/- α_x sind.
In einer zweiten Ausführung eines LIDAR-Scanners LS mit einem zweiachsigen MEMS-Spiegel 3, dargestellt in den 3a bis 3d, liegen die Strahlachsen A₁ , A₂ in einer zur ersten Drehachse X geneigten, die zweite Drehachse Y einschließenden ersten Einfallsebene E₁ und die Strahlachsen A₃ , A₄ in einer zur ersten Drehachse X geneigten, die zweite Drehachse Y einschließenden zweiten Einfallsebene E₂ . Die jeweils in einer der Ebenen E₁ , E₂ liegenden Strahlachsen A₁ und A₂ bzw. A₃ und A₄ schließen einen Winkel ϕ₁ bzw. ϕ₂ miteinander ein. Die Winkel ϕ₁ bzw. ϕ₂ sind hier kleiner als das Vierfache des ersten Auslenkwinkels α_x , sodass die benachbart zueinander angeordneten Scanwinkelbereiche B₁ ,..., B_n einen vergrößerten Scanwinkelbereich B₁₂ bilden mit jeweils einem Überlappungsbereich Ü zwischen zwei in der Hauptscanrichtung HR benachbarten Scanwinkelbereichen B₁ ,..., B_n ,. In 3e ist schematisch der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit co zweier benachbarter reflektierter Laserstrahlen S_1' , S_2' , bei Auslenkung des MEMS-Spiegels 3 um den ersten Auslenkwinkel +/- α_x . grafisch dargestellt. Durch den Überlappungsbereich Ü ist es möglich beim Betreiben des LIDAR-Scanners LS die Laserstrahlquellen 1.1, 1.2 so abzuschalten, dass von einer z.B. sinusförmigen Auslenkbewegung zum Scannen nur der relativ lineare Bereich genutzt wird.
Die zweite Einfallsebene E₂ ist um einen Neigungswinkel gegenüber der ersten Einfallebene E₁ geneigt. Der Neigungswinkel stellt für die Strahlachsen A₁ und A₃ bzw. A₂ und A₄ den Winkel ϕ₃ bzw. ϕ₄ dar, den sie miteinander einschließen. Der Neigungswinkel entspricht dem Vierfachen des Auslenkwinkels α_y sodass die Scanwinkelbereiche B₁ und B₃ bzw. B₂ und B₄ , die in der Nebenscanrichtung NR zueinander benachbart angeordnet sind, aneinandergrenzen.
Die zweite Ausführung des LIDAR-Scanners LS kann insbesondere durch die Anzahl der Strahlachsen A₁ ,...A_n pro Ebene E₁ ,...,E_n und die Anzahl der Ebenen E₁ ,...,E_n und damit durch die Anzahl und Anordnung der Module modifiziert werden, wobei die Winkel ϕ₁ ,..., ϕ_m , jeweils innerhalb einer Ebene vorteilhaft so groß sind, dass sich die Scanwinkelbereiche B₁ ,...,B_n in der Hauptscanrichtung HR darstellt, überlappen und wobei die Neigungswinkel zwischen den Ebenen vorteilhaft so groß sind, dass die Scanwinkelbereiche B₁ ,...,B_n in der Nebenscanrichtung NR darstellt, aneinandergrenzen.
Für alle der vorgenannten Ausführungen eines LIDAR-Scanners LS sind die Laserstrahlquellen 1.2,..., 1.n vorteilhaft Impulslaserdioden. Sie strahlen jeweils einen Laserstrahl S₁ ,..., S_n mit unterschiedlich großen Abstrahlwinkeln in einer fast- und einer slow-axis ab, wobei die Bildgröße der Austrittsfläche der Impulslaserdioden stark rechteckig ist. So ist die Bildgröße in Richtung der slow-axis mit 80 bis 200 µm ca. das 10 - bis 200 - fache der Bildgröße in Richtung der fast-axis mit 1 bis 10 µm.
Als Kollimatoren 2.1, 2.2 werden in diesem Fall vorteilhaft anamorphotische Kollimatoren verwendet, die für in zwei zueinander senkrechten Ebenen gelegene Fächer von Lichtstrahlen unterschiedliche Brennweiten aufweisen und den Strahlquerschnitt des Laserstrahls Laserstrahl S₁ ,..., S_n in seiner Form und Größe an die Größe und Form des MEMS-Spiegels 3 anpassen.
Das Abdeckelement 4 kann für alle vorgenannten Ausführungen eines LIDAR-Scanners LS z.B. eine Planplatte 4.1, wie in 4 gezeigt, oder besonders vorteilhaft eine Halbkugelschale 4.2, wie in 5 und als eine Ausführung der Abdeckelementes beispielhaft in den 3c, 3d dargestellt, sein.
Handelsübliche MEMS-Spiegel 3 weisen üblicherweise eine Planplatte 4.1 als Abdeckelement 4 auf. Für große Auftreffwinkel erhöht sich aufgrund der Fresnelschen Verluste der Anteil der Laserstrahlen S₁ ,..., S_n , der an der Planplatte 4.1 reflektiert wird, womit es zu einem Energieverlust der Laserstrahlen S₁ ,..., S_n kommt und zudem störende Reflexe auftreten können. Die reflektierten Laserstrahlen S_1' ,..., S_n' treffen während der Auslenkung über den Scanwinkelbereich B₁ ,..., B_n unter einem sich ständig ändernden Auftreffwinkel auf die Planplatte 4.1, sodass es hier nicht nur bei größeren Auftreffwinkeln zu einem Energieverlust kommt, sondern sich auch der transmittierte und der reflektierte Anteil des reflektierten Laserstrahls S_1' ,..., S_n' bei seinem Durchtritt durch die Planplatte 4.1 ständig ändert, was zu Energieschwankungen des reflektierten Laserstrahls S_1' ,..., S_n' führt.
Völlig unabhängig vom Auftreffwinkel des Laserstrahls S₁ ,..., S_n auf den MEMS-Spiegel 3 treffen der Laserstrahl S₁ ,..., S_n und der reflektierte Laserstrahl S_1' ,..., S_n' , genauer deren Strahlachsen A₁ ,..., A_n , und A1,..., A_n' immer lotrecht auf das Abdeckelement 4 auf, wenn das Abdeckelement 4 eine monozentrische Halbkugelschale 4.2 ist. Dadurch ist der transmittierte Anteil des hindurchtretenden Laserstrahls S₁ ,..., S_n ebenso wie der des hindurchtretenden reflektierten Laserstrahls S_1' ,..., S_n' nicht nur größtmöglich, sondern unterliegt auch keinen Schwankungen.
Im Falle der Planplatte 4.1 als Abdeckelement 4, die keine Brechkraft besitzt, verlässt der Laserstrahl S₁ ,..., S_n den Kollimator 2.1,..., 2.n vollständig kollimiert. Auch wenn die Wandstärke der Halbkugelschale 4.2 im unteren 1/10 mm - Bereich liegt und deren Radius um 10 mm beträgt bedarf es keiner Korrektur der durch die Brechkraft der Halbkugelschale 4.2 bewirkten Strahlformung. Das heißt ihre strahlformende Wirkung ist dann vernachlässigbar, sodass der Kollimator 2.1,..., 2.n vollständig kollimierend ausgeführt sein kann.
Vorteilhafterweise wird die Halbkugelschale 4.2, die eine negative Brechkraft aufweist, mit einer robusten Wandstärke, z.B. durch Spritzguss hergestellt und hat somit eine erheblich strahlformende Wirkung. Die Halbkugelschale 4.2 ist so den MEMS-Spiegel 3 überdeckend angeordnet, dass der Mittelpunkt ihres Grundkreises auf der Oberfläche des MEMS-Spiegels 3 in dessen Mittelpunkt MP liegt. Die negative Brechkraft der Halbkugelschale 4.2 wird in diesem Fall beim Design der Kollimatoren 2.1,..., 2.n mit einberechnet, sodass die Laserstrahlen S₁ ,..., S_n die Kollimatoren 2.1,..., 2.n jeweils konvergierend verlassen und erst die reflektierten Laserstrahlen S_1' ,..., S_n' nach dem zweiten Durchtritt der Halbkugelschale 4.2 vollständig kollimiert sind. Damit wirkt die Halbkugelschale 4.2 gemeinsam mit jeweils einem der Kollimatoren 2.1,..., 2.n für jeweils einen der Laserstrahlen S₁ ,..., S_n und dem zugeordneten reflektierten Laserstrahl S_1' ,..., S_n' kollimierend.
Die Laserstrahlen S₁ ,..., S_n können, von den Laserstrahlquellen 1.1,..., 1.n kommend, direkt auf den MEMS-Spiegel 3 gerichtet sein oder aber sie werden, um eine möglichst kompakte Bauform des LIDAR-Scanners LS zu erreichen, wie in 6 dargestellt, über jeweils einen oder einen gemeinsamen, den Kollimatoren 2.1,..., 2.n in Abstrahlrichtung nachgeordneten, Umlenkspiegel 5.1 in eine zur Normalen N des MEMS-Spiegels 3 geneigte Einfallsebene E₁ ,...,E_n umgelenkt, wobei ihr ursprünglicher Winkel ϕ₁ ,...,ϕ_m zueinander erhalten bleibt. Indem die Laserstrahlquellen 1.1,..., 1.n so angeordnet werden, dass sie die Laserstrahlen S₁ ,..., S_n in einer zum MEMS-Spiegel 3 parallelen Ebene abstrahlen, kann der LIDAR-Scanner 3 in einer sehr kompakten Bauform ausgeführt werden. Auch die reflektierten Laserstrahlen S_1' ,..., S_n' können direkt in den Raumwinkelbreich R gerichtet werden, oder über einen weiteren stationären Umlenkspiegel 5.2 geführt werden. Damit kann zusätzlich Einfluss auf die Lage der Scanwinkelbereiche B₁ ,...B_n genommen werden Der stationäre Umlenkspiegel 5.1 und der weitere stationäre Umlenkspiegel 5.2 können als prismatischer Körper ausgeführt sein. Insbesondere über die doppelte Faltung der Strahlengänge lässt sich eine sehr kompakte Bauform des LIDAR-Scanners LS erzielen. Die reflektierten Laserstahlen S_1' ,..., S_n' lassen sich mittels des weiteren Umlenkspiegels 5.2 bzw. mehrerer weiterer Umlenkspiegel 5.2 in jede gewünschte vorgegebene Richtung verlegen.
Bezugszeichenliste

1.1,..., 1.n: Laserstrahlquelle
2.1,..., 2.n: Kollimator
3: MEMS-Spiegel
4: Abdeckelement
4.1: Planplatte
4.2: Halbkugelschale
5.1: stationärer Umlenkspiegel
5.2: weiterer stationärer Umlenkspiegel
S₁,..., S_n: Laserstrahl
S_1',..., S_n': reflektierter Laserstrahl
A₁,..., A_n: Strahlachse (des Laserstrahls)
B₁,..., B_n: Scanwinkelbereich (des reflektierten Laserstrahls)
B₁₂: vergrößerter Scanwinkelbereich
A_1',...,A_n': Strahlachse (des reflektierten Laserstrahls)
X: erste Drehachse
Y: zweite Drehachse
α_x: erster Auslenkwinkel (um die erste Drehachse X)
α_y: zweiter Auslenkwinkel (um die zweite Drehachse Y)
(ϕ₁,...,ϕ_m ): Winkel (zwischen den Strahlachsen der Laserstrahlen)
ω: Winkelgeschwindigkeit
MP: Mittelpunkt (des MEMS-Spiegels)
R: Halbraum
E₁,..., E_n: Einfallsebene
Ü: Überlappungsbereich
b: Breite (des Überlappungsbereiches)
N: Flächennormale (des MEMS-Spiegels auf dessen Mittelpunkt)
HR: Hauptscanrichtung
NR: Nebenscanrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3070497 A1 [0003]

Claims

LIDAR-Scanner, umfassend wenigstens zwei Laserstrahlquellen (1.1,..., 1.n), die jeweils einen Laserstrahl (S₁,..., S_n) mit einer Strahlachse (A₁,..., A_n) aussenden und in deren Abstrahlrichtung jeweils ein Kollimator (2.1,..., 2.n) und gemeinsam ein bewegbarer Spiegel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Spiegel ein MEMS-Spiegel (3) mit einem transparenten Abdeckelement (4) ist, der in einem gedachten kartesischen Koordinatensystem, aufgespannt durch eine Flächennormale (N) im Mittelpunkt (MP) des MEMS-Spiegels (3) als z - Achse und zwei zueinander senkrecht verlaufende Richtungen auf der Oberfläche des MEMS-Spiegels (3), als x - und y - Achse, entweder um die x - Achse in zwei Drehrichtungen jeweils um einen ersten Auslenkwinkel (α_x) oder gegenüber der x - Achse in zwei Drehrichtungen jeweils um einen ersten Auslenkwinkel (α_x) und gegenüber der y - Achse in zwei Drehrichtungen jeweils um einen zweiten Auslenkwinkel (α_y) auslenkbar ist, die wenigstens zwei Laserstrahlquellen (1.1,..., 1.n) so zueinander und zu dem MEMS-Spiegel (3) angeordnet sind, dass benachbarte Strahlachsen der Strahlachsen (A₁,..., A_n) jeweils einen Winkel (ϕ₁,...,ϕ_m ) miteinander einschließen und geneigt gegenüber der Flächennormalen (N) des MEMS-Spiegels (3) auf den Mittelpunkt (MP) des MEMS-Spiegels (3) gerichtet sind, sodass die Strahlachsen (A₁',..., A_n') der reflektierten Laserstrahlen (1.1'..., 1.n'), die jeweils die Mittelachse eines Scanwinkelbereiches (B₁,..., B_n) darstellen, jeweils den Winkel (φ₁,...,φ_m) zueinander aufweisen, wobei die Scanwinkelbereiche (B₁,..., B_n) beliebig innerhalb eines an den unausgelenkten MEMS-Spiegel (3) angrenzenden Halbraumes (R) angeordnet sein können.
LIDAR-Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Spiegel (3) entlang der x-Achse eine erste körperliche Drehachse (X) und entlang der y-Achse eine zweite körperliche Drehachse (Y) aufweist, wobei ein vom MEMS-Spiegel (3) reflektierter Laserstrahl (1.1',..., 1.n') bei einer Auslenkung um die erste Drehachse (X) jeweils in einer Hauptscanrichtung (HA) und bei Auslenkung um die zweite Drehachse (Y) jeweils in einer Nebenscanrichtung (NH) geführt wird.
LIDAR-Scanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Strahlachsen (A₁,..., A_n) in einer zur ersten Drehachse (X) geneigten, die zweite Drehachse (Y) einschließenden Einfallsebene (E₁) liegen und der Winkel (ϕ₁,...,ϕ_m ) jeweils größer als das Vierfache des ersten Auslenkwinkels (α_x) ist, sodass die wenigstes zwei Scanwinkelbereiche (B₁,..., B_n) voneinander beabstandet sind, um innerhalb des Halbraumes (R) verschiedene Überwachungsbereiche, denen jeweils einer der wenigstens zwei Scanwinkelbereiche (B₁,...,B_n) zugeordnet ist, überwachen zu können.
LIDAR-Scanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Strahlachsen (A₁,..., A_n) in einer zur ersten Drehachse (X) geneigten, die zweite Drehachse (Y) einschließenden Einfallsebene (E₁) liegen und der Winkel (ϕ₁,...,ϕ_m ) zwischen den wenigstens zwei der Strahlachsen (A₁,..., A_n) jeweils kleiner als das Vierfache des ersten Auslenkwinkels (α_x) ist, sodass die in der Hauptscanrichtung (HA) zueinander benachbart angeordneten Scanwinkelbereiche (B₁,..., B_n), einen vergrößerten Scanwinkelbereich (B₁₂) mit jeweils einem Überlappungsbereich (Ü) zwischen zwei der benachbarten Scanwinkelbereiche (B₁,..., B_n) bilden.
LIDAR-Scanner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlachsen (A₁,...., A_n) in wenigstens zwei zur ersten Drehachse (X) geneigten, die zweite Drehachse (Y) einschließenden Einfallsebenen (E₁,...,E_n) liegen, die miteinander jeweils den Winkel (ϕ₁,...,ϕ_m ) einschließen und der Winkel (ϕ₁,...,ϕ_m ) gleich dem Vierfachen des zweiten Auslenkwinkels (α_y) ist, sodass die in der Nebenscanrichtung (NR) zueinander benachbart angeordneten Scanwinkelbereiche (B₁,...., B_n), aneinandergrenzen.
LIDAR-Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquellen (1.2,..., 1.n) Impulslaserdioden sind.
LIDAR-Scanner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimatoren (2.1,..., 2.n) anamorphotische Kollimatoren sind, die den Strahlquerschnitt der Laserstrahlen (S₁,..., S_n) jeweils auf die Größe des MEMS-Spiegels (3) anpassen.
LIDAR-Scanner nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (4) eine monozentrische Halbkugelschale (4.2) ist, die so den MEMS-Spiegel 3 überdeckend angeordnet ist, dass der Mittelpunkt ihres Grundkreises auf dem MEMS-Spiegel 3 in dessen Mittelpunkt MP liegt.
LIDAR-Scanner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbkugelschale (4.2) gemeinsam mit jeweils einem der Kollimatoren (2.1,..., 2.n) jeweils einen der Laserstrahlen (S₁,..., S_n) vollständig kollimiert.
LIDAR-Scanner nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem MEMS - Spiegel (3) in Abstrahlrichtung der Laserstrahlquellen (1.1,..., 1.n) gemeinsam oder jeweils ein Umlenkspiegel (5.1) vorgeordnet und / oder in Reflexionsrichtung ein oder mehrere weitere Umlenkspiegel (5.2) nachgeordnet sind.
LIDAR-Scanner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Umlenkspiegel (5.1) und die weiteren Umlenkspiegel (5.2) durch einen prismatischen Körper gebildet sind.