DE102017200691B4 - Projection apparatus and method for scanning a solid angle area with a laser beam - Google Patents
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Abstract
Projektionsvorrichtung zum Abtasten eines Raumwinkelbereichs mittels eines Laserstrahls (6), umfassend eine Laserlichtquelle (1) zum Erzeugen des Laserstrahls (4), einen um zwei Achsen auslenkbaren Mikrospiegel (2) zum Umlenken des Laserstrahls und eine Aufweitungsoptik (3) zum Aufweiten des abtastbaren Winkelbereichs mit einer optischen Achse (8), längs derer der vom Mikrospiegel (2) umgelenkte Laserstrahl (6) in einer Grundstellung des Mikrospiegels abgestrahlt wird, wobei ein Linsensystem der Aufweitungsoptik (3) so gestaltet ist, dass ein Austrittswinkel (β), unter dem der Laserstrahl (6) die Aufweitungsoptik (3) verlässt, größer ist als ein Ablenkwinkel (a), um den der vom Mikrospiegel (2) umgelenkte Laserstrahl (6) vor der Aufweitungsoptik (3) durch eine Auslenkung des Mikrospiegels (2) aus der optischen Achse (8) herausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitungsoptik (3) eine erste, sammelnde Linsengruppe (10) oder Linse aufweist, die zwischen dem Mikrospiegel (2) und einer zweiten, zerstreuenden Linsengruppe (11) der Aufweitungsoptik angeordnet ist, wobei die erste, sammelnde Linsengruppe (10) oder Linse und die zweite, zerstreuende Linsengruppe (11) so gestaltet sind, dass ein Strahlengang des vom Mikrospiegel (2) umgelenkten Laserstrahls (6) unabhängig vom Ablenkwinkel (a) zwischen der ersten, sammelnden Linsengruppe (10) oder Linse und der zweiten, zerstreuenden Linsengruppe (11) parallel zur optischen Achse (8) verläuft. Projection device for scanning a solid angle range by means of a laser beam (6), comprising a laser light source (1) for generating the laser beam (4), a micromirror (2) deflectable about two axes for deflecting the laser beam, and expansion optics (3) for expanding the scannable angular range with an optical axis (8), along which the laser beam (6) deflected by the micromirror (2) is radiated in a basic position of the micromirror, a lens system of the expansion optics (3) being designed such that an exit angle (β), below which the laser beam (6) leaves the expansion optics (3) is greater than a deflection angle (a) by the laser beam (6) deflected by the micromirror (2) before the expansion optics (3) by a deflection of the micromirror (2) from the optical axis (8) is deflected, characterized in that the expansion optics (3) has a first, collecting lens group (10) or lens, which between the micro-mirror L (2) and a second, dispersing lens group (11) of the expansion optics is arranged, wherein the first, collecting lens group (10) or lens and the second, dispersing lens group (11) are designed so that a beam path of the micromirror (2 ) deflected laser beam (6) regardless of the deflection angle (a) between the first collecting lens group (10) or lens and the second dispersing lens group (11) parallel to the optical axis (8).
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optik und der Laserabtastung und betrifft eine Projektionsvorrichtung, ein Detektionssystem sowie ein Verfahren zum Abtasten eines Raumwinkelbereichs mit einem Laserstrahl.The invention is in the field of optics and laser scanning and relates to a projection apparatus, a detection system and a method for scanning a solid angle range with a laser beam.
Aus dem Stand der Technik sind Projektionsvorrichtungen mit einer Laserlichtquelle und einer Ablenkeinrichtung um zwei Achsen bekannt. Dabei ist die Ablenkeinrichtung häufig durch einen 2D MEMS Scanner realisiert. Ein Vorteil scannender Laserprojektion mit 2D MEMS Scannern ist, dass für eine Projektion kein Objektiv erforderlich ist. Dies liegt darin begründet, dass ein Laserstrahl, der ein Objektiv durchläuft, in seinen geometrischen Eigenschaften wie beispielsweise Divergenz, Strahltaille und Rayleigh Range beeinflusst wird. Ohne ein Objektiv sind eine Strahlqualität und eine damit einhergehende Genauigkeit im Wesentlichen nur durch die Eigenschaften des Lasers definiert. Projection devices with a laser light source and a deflection device about two axes are known from the prior art. The deflection device is often realized by a 2D MEMS scanner. An advantage of scanning laser projection with 2D MEMS scanners is that no lens is required for projection. This is due to the fact that a laser beam passing through an objective is influenced in its geometric properties such as divergence, beam waist and Rayleigh range. Without a lens, beam quality and associated accuracy are essentially defined only by the characteristics of the laser.
Die
Beispielsweise betrifft die
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Ein Anwendungsfeld für derartige optische Einrichtungen sind Raumüberwachungs- und Entfernungsmesssysteme im Bereich der Fahrzeugsicherheit, insbesondere für Fahrerassistenzsysteme und Systeme zum autonomen Fahren. Hierzu werden optische Systeme benötigt, mit Hilfe derer ein breiter Raumwinkelbereich mit hinreichender Genauigkeit überwacht werden kann.A field of application for such optical devices are room surveillance and Distance measuring systems in the field of vehicle safety, in particular for driver assistance systems and systems for autonomous driving. For this purpose, optical systems are needed, with the help of which a wide solid angle range can be monitored with sufficient accuracy.
Bei bekannten Systemen ist der abtastbare Raumwinkelbereich durch einen maximalen Auslenkwinkel des 2D-MEMS-Scanner bestimmt. Im Zuge fortschreitender Entwicklungen, besonders im Bereich des autonomen Fahrens, werden jedoch Anforderungen hinsichtlich des abtastbaren Raumwinkels gestellt, die bekannte MEMS-Scanner aufgrund ihres begrenzten maximalen Auslenkwinkels nicht bzw. nicht ausreichend erfüllen können. In gewissem Umfang ist es möglich besondere Scanner zu entwickeln, die einen größeren Winkelbereich durch entsprechende Torsionsschwingungen erschließen. Diese Scanner sind im Gegensatz zu herkömmlichen 2D MEMS Scannern jedoch sehr empfindlich gegenüber externen mechanischen Störungen wie beispielsweise Schock oder Vibrationen und damit für viele Anwendungsfälle ungeeignet.In known systems, the scannable solid angle range is determined by a maximum deflection angle of the 2D MEMS scanner. In the course of ongoing developments, especially in the field of autonomous driving, however, requirements are made with regard to the scannable solid angle, the known MEMS scanners can not meet or not sufficiently due to their limited maximum deflection angle. To a certain extent, it is possible to develop special scanners, which open up a larger angular range by means of corresponding torsional vibrations. However, unlike traditional 2D MEMS scanners, these scanners are very sensitive to external mechanical disturbances such as shock or vibration and therefore unsuitable for many applications.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vergleichbares optisches System zu schaffen, das in der Lage ist, einen möglichst weiten Raumwinkelbereich abzudecken bzw. zu überwachen.The present invention is therefore based on the object to provide a comparable optical system, which is able to cover or monitor the widest possible solid angle range.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Projektionsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch ein Detektionssystem gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.The object is achieved by a projection device with the features of
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Projektionsvorrichtung zum Abtasten eines Raumwinkelbereichs mittels eines Laserstrahls. Die Projektionsvorrichtung umfasst eine Laserlichtquelle zum Erzeugen des Laserstrahls, einen um zwei Achsen auslenkbaren Mikrospiegel zum Umlenken des Laserstrahls und eine Aufweitungsoptik zum Aufweiten des abtastbaren Winkelbereichs. Die Aufweitungsoptik weist eine optische Achse auf, längs derer der vom Mikrospiegel umgelenkte Laserstrahl in einer Grundstellung des Mikrospiegels abgestrahlt wird. Ein Linsensystem der Aufweitungsoptik ist so gestaltet, dass ein Austrittswinkel, unter dem der Laserstrahl die Aufweitungsoptik verlässt, größer ist als ein Ablenkwinkel, um den der vom Mikrospiegel umgelenkte Laserstrahl vor der Aufweitungsoptik durch eine Auslenkung des Mikrospiegels aus der optischen Achse herausgelenkt wird.Accordingly, the invention relates to a projection apparatus for scanning a solid angle range by means of a laser beam. The projection device comprises a laser light source for generating the laser beam, a micromirror deflectable about two axes for deflecting the laser beam, and an expansion optics for expanding the scannable angular range. The expansion optics has an optical axis, along which the laser beam deflected by the micromirror is radiated in a basic position of the micromirror. A lens system of the expansion optics is designed such that an exit angle at which the laser beam exits the expansion optics is greater than a deflection angle by which the laser beam deflected by the micromirror is deflected out of the optical axis ahead of the expansion optics by a deflection of the micromirror.
Die Laserlichtquelle erzeugt den Laserstrahl vorzugsweise in Form von Pulsen. Dabei können Dauer und Intensität der Pulse einstellbar sein und je nach Anwendungsfall angepasst werden. Die Laserlichtquelle kann beispielsweise auch derart einstellbar sein, dass sie Laserstrahlen nur erzeugt, wenn der Mikrospiegel derartig ausgelenkt ist, dass der Laserstrahl in die Aufweitungsoptik fällt. Vorzugsweise besitzt der Mikrospiegel einen Pivotpunkt. Der Pivotpunkt des Mikrospiegels liegt vorzugsweise auf der optischen Achse der Aufweitungsoptik und der Mikrospiegel ist um zwei Achsen, die vorzugsweise orthogonal aufeinander stehen, auslenkbar, um ein räumliches Abtasten zu ermöglichen. Der Mikrospiegel kann durch Schwingungen des Mikrospiegels um die zwei Achsen ausgelenkt werden, um beispielsweise Lissajous-Projektionen zum Abtasten des Raumwinkelbereichs zu realisieren. Zur genauen Erläuterung des räumlichen Abtastens in Form von Lissajous-Figuren sei auf die
Der mit dem Laserstrahl abtastbare Winkelbereich ist also typischerweise weit mehr als doppelt so groß wie ein Auslenkbereich des Mikrospiegels. Mit den vorgeschlagenen Merkmalen ergibt sich also ein ausgesprochen großer abtastbarer Raumwinkelbereich. Vorzugsweise umfasst der abtastbare Raumwinkelbereich dabei alle möglichen Austrittswinkel von bis zu 60°, möglicherweise sogar bis zu 70°, 80° oder 90°.The scanned by the laser beam angle range is therefore typically more than twice as large as a deflection range of the micromirror. With the proposed features thus results in a very large scannable solid angle range. Preferably, the scannable solid angle range includes all possible exit angles of up to 60 °, possibly even up to 70 °, 80 ° or 90 °.
In einer möglichen Ausführungsform kann der Mikrospiegel Teil eines MEMS-Bauelements sein, vorzugsweise Teil eines 2D-MEMS. Mikrospiegelaktoren, die dabei verwendet werden können, gehören zur Klasse der MEMS- (Micro Eletro Mechanical System) bzw. MOEMS- (Micro Opto Electro Mechanical System) -Bauelemente und sind aufgrund ihrer sehr kleinen Bauweise vorteilhaft, da sie einerseits in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden können und wegen ihrer kleinen Ausführungsform auch Resonanzfrequenzen bis zu 50 kHz und darüber hinaus aufweisen können. Der Mikrospiegel kann einen Durchmesser von z.B. mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm, und/oder einen Durchmesser von bis zu 2,5 mm, vorzugsweise maximal 2 mm, aufweisen. Der Mikrospiegel des MEMS-Bauelements kann elektrostatisch, piezo-elektrisch, magnetisch, mechanisch oder auf eine andere Art angetrieben werden.In one possible embodiment, the micromirror may be part of a MEMS device, preferably part of a 2D MEMS. Micromirror actuators that can be used belong to the class of MEMS (Micro Eletro Mechanical System) or MOEMS (Micro Opto Electro Mechanical System) components and are advantageous because of their very small construction, since they are produced on the one hand in large quantities at low cost can be because of their small embodiment and resonant frequencies up to 50 kHz and beyond. The micromirror may have a diameter of, for example, at least 0.5 mm, preferably at least 1 mm, and / or a Diameter of up to 2.5 mm, preferably at most 2 mm. The micromirror of the MEMS device can be driven electrostatically, piezoelectrically, magnetically, mechanically or in another way.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform kann das Linsensystem eine sogenannte Fisheye-Optik sein. Fisheye-Objektive sind beispielsweise aus der Fotografie hinlänglich bekannt. Der von der Laserlichtquelle erzeugte Laserlichtstrahl durchläuft die Fisheye-Optik jedoch entgegen der Richtung eines Lichtstrahls bei Nutzung eines Fisheye-Objektivs in der Fotografie. Vorteilhaft ist bei der vorliegend beschriebenen Ausführungsform ein aufweitender Teil des Fish-eye-Objektivs. Vorzugsweise kann die Fisheye-Optik drei Linsen umfassen, besonders vorzugsweise eine plankonkave, eine konvexkonkave und eine weitere plankonkave Linse, die entlang der optischen Achse angeordnet sind. Die aufweitenden Eigenschaften der Fisheye-Optik können in der Richtung des von dem Mikrospiegel durch die Fisheye-Optik abgelenkten Laserstrahls einen abtastbaren Raumwinkel von mindestens 160° ermöglichen.In another possible embodiment, the lens system may be a so-called fisheye optic. Fisheye lenses are well known, for example, from photography. However, the laser light beam generated by the laser light source passes through the fisheye optics counter to the direction of a light beam using a fisheye lens in the photograph. It is advantageous in the presently described embodiment, an expanding part of the fish-eye lens. Preferably, the fish-eye optics may comprise three lenses, more preferably a plano-concave, a convex-concave and another plano-concave lens, arranged along the optical axis. The expanding properties of the fisheye optics can enable a scannable solid angle of at least 160 ° in the direction of the laser beam deflected by the micromirror through the fisheye optics.
Die Aufweitungsoptik kann den Laserstrahl beim Durchlaufen der Aufweitungsoptik aufweiten. Dies kann nach dem Verlassen der Aufweitungsoptik, abhängig vom Austrittswinkel, zu Spotgrößen und Spotformen des Laserstrahls führen, die Verzerrungen aufweisen und zu daraus folgenden Messungenauigkeiten führen. In einer weiteren Ausführung kann deshalb zwischen der Laserlichtquelle und dem Mikrospiegel eine Strahlformungsoptik derart angeordnet sein, dass der von der Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl vor dem Umlenken durch den Mikrospiegel die Strahlformungsoptik durchläuft. Die Strahlformungsoptik kann mittels hintereinander gereihten Linsen geometrische Strahlparameter des Laserstrahls, insbesondere eine Divergenz, eine Rayleigh-Länge und einen Taillendurchmesser derart beeinflussen, dass eine Strahlqualität des Laserstrahls, insbesondere nach dem Verlassen der Aufweitungsoptik, verbessert werden kann. Somit kann erreicht werden, dass die Spotgrößen und -formen des Laserstrahls als Funktion des Ablenkwinkels im Wesentlichen gleichbleibend ist.The expansion optics can expand the laser beam as it passes through the expansion optics. After leaving the expansion optics, this can lead to spot sizes and spot shapes of the laser beam, which have distortions and lead to measurement inaccuracies, depending on the exit angle. In a further embodiment, a beam-shaping optical system can therefore be arranged between the laser light source and the micromirror such that the laser beam generated by the laser light source passes through the beam-shaping optical system before being deflected by the micromirror. The beam shaping optics can influence geometric beam parameters of the laser beam, in particular a divergence, a Rayleigh length and a waist diameter, by means of successively lined lenses in such a way that a beam quality of the laser beam, in particular after leaving the expansion optics, can be improved. Thus, it can be achieved that the spot sizes and shapes of the laser beam as a function of the deflection angle is substantially constant.
In einer weiteren möglichen Ausführung kann die Aufweitungsoptik eine erste, sammelnde Linsengruppe oder Linse und eine zweite, zerstreuende Linsengruppe aufweisen. Die erste, sammelnde Linsengruppe oder Linse kann zwischen dem Mikrospiegel und der zweiten, zerstreuenden Linsengruppe angeordnet sein. Die erste, sammelnde Linsengruppe oder Linse kann so ausgebildet sein, dass ein Strahlengang des vom Mikrospiegel umgelenkten Laserstrahls unabhängig vom Ablenkwinkel zwischen der ersten, sammelnden Linsengruppe oder Linse und der zweiten, zerstreuenden Linsengruppe parallel zur optischen Achse verläuft. Die erste, sammelnde Linsengruppe oder Linse kann somit ein Kollimator sein. Dies hat den Vorteil, dass in einem Bereich, in dem der Laserstrahl parallel zur optischen Achse verläuft, weitere optische Bauelemente wie beispielsweise Strahlteiler und/oder Polarisationsfilter eingebaut werden können.In another possible embodiment, the expansion optics may comprise a first collecting lens group or lens and a second dispersive lens group. The first collecting lens group or lens may be disposed between the micromirror and the second dispersive lens group. The first collecting lens group or lens may be formed such that a beam path of the laser beam deflected by the micromirror is parallel to the optical axis independent of the deflection angle between the first collecting lens group or lens and the second dispersive lens group. The first collecting lens group or lens may thus be a collimator. This has the advantage that in a region in which the laser beam is parallel to the optical axis, further optical components such as beam splitters and / or polarizing filters can be installed.
Ein vorteilhaftes Detektionssystem kann eine Projektionsvorrichtung beschriebener Art umfassen und einen Detektor zum Detektieren von durch Streuung des Laserstrahls an einer Oberfläche eines Hindernisses innerhalb des abgetasteten Raumwinkelbereichs entstandenem Nachweislicht aufweisen. In guter Näherung kann für viele streuende Oberflächen angenommen werden, dass die Nachweislichtverteilung eine Cosinus-Verteilung (Lambert-Verteilung) ist. Somit kann eine Oberfläche, die sich im Raumwinkelbereich befindet, mit dem Detektor nachweisbar sein. Unter Verwendung gepulster Laser kann beispielsweise ein Laufzeitmessverfahren (TOF, time-of-flight) oder ein Phasendetektionsverfahren angewendet werden, mit Hilfe derer der Abstand der reflektierenden bzw. streuenden Oberfläche zum Detektor bestimmt werden kann. Die unabhängige Messung der Winkelstellung des Mikrospiegels und damit des Austrittswinkels des Laserstrahls in Verbindung mit der Abstandsbestimmung erlaubt die Lokalisierung der Oberfläche im Raumwinkelbereich.An advantageous detection system may comprise a projection device of the type described and a detector for detecting detection light produced by scattering of the laser beam on a surface of an obstacle within the scanned solid angle range. To a good approximation, it can be assumed for many scattering surfaces that the detection light distribution is a cosine distribution (Lambert distribution). Thus, a surface located in the solid angle range can be detectable with the detector. Using pulsed lasers, it is possible, for example, to use a time-of-flight method (TOF) or a phase detection method by means of which the distance of the reflecting or scattering surface from the detector can be determined. The independent measurement of the angular position of the micromirror and thus the exit angle of the laser beam in conjunction with the distance determination allows the localization of the surface in the solid angle range.
Ferner kann das Detektionssystem eine Optik für den Detektor aufweisen, die so gestaltet ist, dass das Nachweislicht auf eine Stelle des Detektors fällt, die von einer Richtung des die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahls und/oder von einem Ort des Hindernisses unabhängig ist. Dies kann eine kompakte Bauweise des Detektionssystems ermöglichen, da Detektorarrays vermieden werden können und ein einzelner Detektor ausreichend ist.Furthermore, the detection system may have optics for the detector, which is designed such that the detection light falls on a point of the detector which is independent of a direction of the laser beam leaving the expansion optics and / or of a location of the obstacle. This may allow a compact design of the detection system because detector arrays can be avoided and a single detector is sufficient.
Die Optik für den Detektor kann insbesondere einen Kollimator zum Fokussieren des Nachweislichts auf den Detektor aufweisen. Der Brennpunkt des Kollimators kann in der Detektorebene liegen und somit gewährleisten, dass das Nachweislicht auf nur eine Stelle des Detektors fällt. Ferner kann eine Blende beispielsweise zwischen dem Detektor und dem Kollimator angeordnet sein, sodass ein maximaler Nachweiswinkel des Nachweislichts definiert werden kann.The optics for the detector may in particular comprise a collimator for focusing the detection light onto the detector. The focal point of the collimator may lie in the detector plane and thus ensure that the detection light falls on only one point of the detector. Furthermore, a diaphragm can be arranged, for example, between the detector and the collimator, so that a maximum detection angle of the detection light can be defined.
In einer weiteren Ausführung kann das Detektionssystem innerhalb der Aufweitungsoptik oder zwischen dem Mikrospiegel und der Aufweitungsoptik einen Strahlteiler zum Auskoppeln des Nachweislichts aufweisen. Besonders vorteilhaft kann eine Anordnung des Strahlteilers zwischen der ersten, sammelnden Linsengruppe oder Linse und der zweiten, zerstreuenden Linsengrupe sein, da ein Strahlengang des umgelenkten Laserstrahls hier parallel zur optischen Achse verläuft. So kann ein Teil des in die Aufweitungsoptik eintretenden Nachweislichts von dem Strahlteiler auf den Detektor abgelenkt werden. Typischerweise ist der Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler. Der polarisierende Strahlteiler kann einen Teil der passierenden Laserstrahlen durchlassen und einen weiteren Teil ablenken. Abgelenkte Strahlen können den polarisierenden Strahlteiler verlassen und danach beispielsweise absorbiert werden.In a further embodiment, the detection system can have a beam splitter for decoupling the detection light within the expansion optics or between the micromirror and the expansion optics. Particularly advantageous may be an arrangement of the beam splitter between the first, collecting lens group or lens and the second, dispersing lens group, since a beam path of the deflected laser beam here runs parallel to the optical axis. Thus, part of the detection light entering the expansion optics can be deflected by the beam splitter onto the detector. Typically, the beam splitter is a polarizing beam splitter. The polarizing beam splitter can pass a portion of the passing laser beams and deflect another part. Deflected beams can leave the polarizing beam splitter and then be absorbed, for example.
Vorteilhaft kann ferner ein Polarisationsfilter in einem Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle und dem Strahlteiler angeordnet sein. Der Polarisationsfilter kann derart ausgebildet sein, dass er nur oder vornehmlich einen polarisierten Anteil des Laserstrahls transmittieren lässt, der vom polarisierenden Strahlteiler nicht reflektiert wird, sodass Störlicht im Strahlteiler vermeidbar sein kann. Dies hat den Vorteil, dass in den Detektor nur oder vorrangig Nachweislicht gelenkt werden kann und eine Messgenauigkeit erhöht werden kann.Advantageously, a polarization filter can furthermore be arranged in a beam path between the laser light source and the beam splitter. The polarization filter can be designed in such a way that it transmits only or predominantly a polarized portion of the laser beam that is not reflected by the polarizing beam splitter, so that stray light in the beam splitter can be avoidable. This has the advantage that in the detector only or primarily detection light can be directed and a measurement accuracy can be increased.
Zur weiteren Erhöhung der Messgenauigkeit und der Vermeidung von Störlicht können in den Strahlengang vor dem Detektor weitere optische Bauelemente, zum Beispiel ein Kantenfilter oder ein Interferenzfilter, eingebaut werden. Zur Unterdrückung von Tageslicht ist es auch möglich, die Zeitstruktur des Lasers auszunutzen.To further increase the measurement accuracy and the avoidance of stray light, further optical components, for example an edge filter or an interference filter, can be installed in the beam path in front of the detector. To suppress daylight, it is also possible to exploit the time structure of the laser.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Detektionssystem eine Auswerteeinrichtung umfassen, die zum Zuordnen eines momentanen Ausgangssignals des Detektors zu der momentanen Auslenkung des Mikrospiegels und zum Ermitteln einer momentanen Richtung des die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahls eingerichtet sein kann. So kann ein den Laserstrahl streuendes Hindernis im Raumwinkelbereich auf einer Winkelgeraden, die entlang der momentanen Richtung des die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahls liegt, lokalisiert werden. Um einen Abstand des Hindernisses entlang der Winkelgeraden zu ermitteln, kann die Auswerteeinrichtung ferner einen Zeitpunkt eines Aussendens des Laserstrahls durch die Laserlichtquelle einem momentanen Eingangssignal des Detektors zuordnen.In an advantageous embodiment, the detection system may include an evaluation device, which may be set up to allocate a current output signal of the detector to the instantaneous deflection of the micromirror and to determine a current direction of the laser beam leaving the expansion optics. Thus, an obstacle scattering the laser beam in the solid angle region can be located on an angular straight line which lies along the instantaneous direction of the laser beam leaving the expansion optics. In order to determine a distance of the obstacle along the angular straight line, the evaluation device can also assign a time of a transmission of the laser beam by the laser light source to a current input signal of the detector.
In einer weiteren Ausführungsform können optische Materialien, beispielsweise CaF2 oder MgF2, die im nahen Infrarot-Bereich (NIR) lichtdurchlässig sind, für die Linsen und Detektoren verwendet werden. Auf diese Weise kann eine Beleuchtung von Oberflächen im NIR-Wellenlängenbereich, z.B. zwischen 0,8 µm -4 µm, möglich sein. In diesem Wellenlängenbereich ist der Nachweis vieler organischer Materialien möglich.In another embodiment, optical materials, such as
Bei dem beschriebenen Detektionssystem mit der Aufweitungsoptik und der typischerweise zum Aussenden von Laserpulsen eingerichteten Laserlichtquelle kann es sich z.B. um ein LIDAR-System handeln. LIDAR-Systeme senden Laserimpulse aus und detektieren zurückgestreutes Licht. LIDAR-Systeme können in vielfältigen Anwendungsbereichen vorteilhaft sein, beispielsweise bei Fahrerassistenzsystemen für die Sensorik bei autonomem Fahren, Geschwindigkeitsmessungen von Fahrzeugen oder dem Nachweis von Wolken- oder Staubteilchen in der Luft, da sie genaue Messergebnisse generieren. Ein Detektionssystem mit dem erfindungsgemäßen Aufbau und einer Ausgestaltung als LIDAR-System ist besonders aufgrund des weiten, abtastbaren Raumwinkelbereichs, einer hohen Messgenauigkeit des LIDARS und dennoch kompakter Bauweise vorteilhaft.In the described detection system with the expansion optics and the laser light source typically configured to emit laser pulses, it can be e.g. to trade a LIDAR system. LIDAR systems emit laser pulses and detect backscattered light. LIDAR systems can be advantageous in a variety of applications, for example, in driver assistance systems for sensors in autonomous driving, speed measurements of vehicles or the detection of cloud or dust particles in the air, since they generate accurate measurement results. A detection system with the structure according to the invention and an embodiment as LIDAR system is particularly advantageous because of the wide, scannable solid angle range, a high measurement accuracy of the LIDAR and yet compact design.
Für ein Scannen bzw. Abtasten eines verhältnismäßig großen Raumwinkelbereichs ist ein Verfahren vorteilhaft, das mit einer Projektionsvorrichtung oder einem Detektionssystem der oben beschriebenen Art durchgeführt wird und bei dem der Laserstrahl durch die Laserlichtquelle erzeugt wird, auf den Mikrospiegel gerichtet wird und nach einer Reflexion durch den Mikrospiegel durch die Aufweitungsoptik fällt, wobei der Mikrospiegel zum Schwingen angeregt wird, sodass der Raumwinkelbereich durch den die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahl gescannt wird.For scanning a relatively large solid angle range, a method performed with a projection device or a detection system of the type described above, in which the laser beam is generated by the laser light source, is directed to the micromirror, and after reflection by the laser Micro mirror passes through the expansion optics, wherein the micromirror is excited to vibrate, so that the solid angle range is scanned by the laser beam leaving the expansion optics.
Dieses Verfahren eignet sich z.B. zum Detektieren und Lokalisieren von Hindernissen innerhalb des genannten Raumwinkelbereichs und/oder für eine Analyse von Oberflächen solcher Hindernisse, wenn es mit der beschriebenen Detektionsvorrichtung durchgeführt wird und wenn durch Streuung des vorzugsweise gepulsten Laserstrahls an einer Oberfläche innerhalb des gescannten Raumwinkelbereichs verursachtes Nachweislicht durch den Detektor detektiert wird und ein Ausgangssignal des Detektors durch Erfassen einer momentanen Auslenkung des Mikrospiegels jeweils einer momentanen Richtung des die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahls zugeordnet und zum Bestimmen eines Abstandes zur Oberfläche durch eine Laufzeit- oder Phasenmessung verwendet wird.This method is suitable e.g. for detecting and locating obstacles within said solid angle range and / or for analyzing surfaces of such obstacles when performed with the described detection device and detecting detection light caused by scattering of the preferably pulsed laser beam at a surface within the scanned solid angle range by the detector and an output signal of the detector is detected by detecting a momentary displacement of the micromirror respectively of a current direction of the laser beam leaving the expansion optics and used for determining a distance to the surface by a transit time or phase measurement.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung mit optionaler Strahlformungsoptik, -
2 eine schematische Darstellung der Projektionsvorrichtung mit der Strahlformungsoptik und einer ersten, sammelnden Linsengruppe, -
3 eine perspektivische Ansicht der Projektionsvorrichtung mit der Strahlformungsoptik und der ersten, sammelnden Linsengruppe und einem Strahlteiler, -
4 eine schematische Darstellung der Projektionsvorrichtung mit der Strahlformungsoptik, der ersten, sammelnden Linsengruppe und dem Strahlteiler, -
5 eine schematische Darstellung der Projektionsvorrichtung mit der Strahlformungsoptik, der ersten, sammelnden Linsengruppe, einem polarisierenden Strahlteiler und einem Polarisationsfilter, -
6 eine schematische Darstellung eines Detektionssystems mit einer Strahlformungsoptik, einer ersten, sammelnden Linsengruppe, einem Strahlteiler, einer Optik für den Detektor und einem Detektor und -
7 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt desDetektionssystems aus 6 .
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1 a schematic representation of a projection device with optional beam shaping optics, -
2 1 is a schematic representation of the projection device with the beam-shaping optical system and a first, collecting lens group, -
3 3 is a perspective view of the projection apparatus with the beam shaping optics and the first collecting lens group and a beam splitter, -
4 a schematic representation of the projection device with the beam shaping optics, the first, collecting lens group and the beam splitter, -
5 a schematic representation of the projection device with the beam shaping optics, the first, collecting lens group, a polarizing beam splitter and a polarizing filter, -
6 a schematic representation of a detection system with a beam shaping optics, a first, collecting lens group, a beam splitter, an optic for the detector and a detector and -
7 an enlarged section of the detection system from6 ,
In
In
Im gezeigten Beispiel trifft der Laserstrahl
Das Detektionssystem in
In
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