DE102017204546A1

DE102017204546A1 - Lidarsystem

Info

Publication number: DE102017204546A1
Application number: DE102017204546.9A
Authority: DE
Inventors: Klaus Stoppel; Hans-Jochen Schwarz; Stefan Spiessberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-20
Filing date: 2017-03-20
Publication date: 2018-09-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lidarsystem (1) umfassend eine Laserlichtquelle (2) zum Aussenden eines Laserlichts (15), eine Umlenkvorrichtung (3), und einen Strahlteiler (4), wobei das Laserlicht (15) von der Umlenkvorrichtung (3) auf den Strahlteiler (4) lenkbar ist, wobei der Strahlteiler (4) das Laserlicht (15) in zumindest zwei parallele Sendestrahlen (16) aufteilt, wobei sich die Lichtleistung der Sendestrahlen (16) maximal um 50% unterscheidet.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lidarsystem. Das Lidarsystem ist insbesondere in Fahrzeugen verwendbar und ermöglicht ein genaues Erfassen und Vermessen einer Umgebung des Lidarsystems.
Aus dem Stand der Technik sind Lidarsysteme, insbesondere MEMS-Lidarsysteme, bekannt. Bei MEMS-Lidarsystemen ist ein Mikrospiegel vorhanden, der zum Ablenken eines Laserstrahls dient. Auf diese Weise kann der Laserstrahl gezielt in verschiedene Richtungen in die Umgebung gelenkt werden.
Um einen Betrieb des Lidarsystems mit Laserklasse 1 gemäß der Lasersicherheitsnorm IEC 60825 zu erreichen, darf der Laserstrahl nur eine bestimmte Leistung aufweisen, welche von der Wellenlänge und von den ausgesendeten Strahlparametern (Strahldurchmesser, Divergenz, Strahlqualität) abhängt. Für ein typisches MEMS-basiertes System mit einer Wellenlänge von 905 nm, einem Strahldurchmesser von 2 mm und einer Divergenz von 0,15° beträgt diese Leistung beispielsweise 35 W bei 4 ns Pulslänge und 200 kHz Wiederholrate. Ein solcher Laserstrahl ist sehr energiearm und kann beispielsweise keine merklichen Schäden an menschlichen Augen erzeugen. Gleichzeitig ist aber auch die Vermessungsleistung des Lidarsystems verringert. Im Vergleich zu Lidarsystemen ohne Mikrospiegel, auch Makro-Lidarsysteme genannt, ist die Sendeleistung des MEMS-Lidarsystems um ca. den Faktor 10 verringert, da Makro-Lidarsysteme einen Strahldurchmesser des Laserstrahls aufweisen, der im Gegensatz zu einem Laserstrahl des MEMS-Lidarsystems nicht vollständig in eine menschliche Pupille einstrahlen kann. Ein Durchmesser des Laserstrahls eines Makro-Lidarsystems ist deutlich größer als der Durchmesser einer menschlichen Pupille, während der Durchmesser des Laserstrahls eines MEMS-Lidarsystems deutlich geringer ist als der Durchmesser der menschlichen Pupille.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Lidarsystem weist eine verbesserte Reichweite auf, wobei gleichzeitig die Laserklasse 1 erhalten bleibt. Dazu erfolgt ein Aufteilen eines Laserstrahls in eine Vielzahl von parallelen Einzelstrahlen, wobei jeder Einzelstrahl die Voraussetzungen der Laserklasse 1 erfüllt. Die Einzelstrahlen weisen bevorzugt einen Abstand zueinander auf, der größer ist als ein Durchmesser einer menschlichen Pupille, insbesondere größer als 5 mm, bevorzugt größer als 8 mm, besonders bevorzugt größer als 10 mm. Somit beträgt die Gesamtleistung des Lidarsystems die Summe der Einzelleistungen der Einzelstrahlen. Durch das Aussenden der parallelen Einzelstrahlen ist außerdem vorteilhaft, dass eine partielle Verschmutzung der Austrittsstelle der Einzelstrahlen aus dem Lidarsystem nicht zu einem vollständigen Ausfall des Lidarsystems führt. Vielmehr ist durch eine partielle Verschmutzung lediglich ein Teil der Einzelstrahlen abgeschirmt, wobei ein anderer Teil der Einzelstrahlen weiterhin zur Vermessung der Umgebung zur Verfügung steht.
Das erfindungsgemäße Lidarsystem umfasst eine Laserlichtquelle zum Aussenden eines Laserlichts, eine Umlenkvorrichtung und einen Strahlteiler. Die Umlenkvorrichtung ist eingerichtet, das Laserlicht auf den Strahlteiler zu lenken. Bevorzugt handelt es sich bei der Umlenkvorrichtung um einen Mikrospiegel, der insbesondere Teil eines MEMS ist. Der Strahlteiler teilt das Laserlicht in zumindest zwei parallele Sendestrahlen auf. Eine Lichtleistung der Sendestrahlen unterscheidet sich maximal um 50%. Bevorzugt ist die Lichtleistung aller Sendestrahlen gleich. Somit ist mit dem Lidarsystem eine Vielzahl von parallelen, identischen, Sendestrahlen aussendbar. Ein Durchmesser des Laserstrahls des Lidarsystems weist, insbesondere an einem Austrittspunkt aus dem Lidarsystem, einen Durchmesser zwischen 1,0 mm und 8,0 mm, insbesondere zwischen 1,0 mm und 4,0 mm, bevorzugt zwischen 2,0 mm und 3,0 mm, besonders bevorzugt von 2,5 mm auf. Die Divergenz des Laserstrahls kann beispielsweise einen Wert von 1°, 0,5°, 0,25°, 0,15° bis zu 0,0265° einnehmen.
Die kleinste Divergenz des Laserstrahls ist abgeleitet aus der Wellenlänge (Laserwellenlänge 905nm) und der Strahltaille (Spiegeldurchmesser von 2,5mm), daraus errechnet sich der kleinstmöglichste Divergenzwinkel von 0,0265°. Dieser Wert ergibt sich aus dem mathematischen Zusammenhang für die Berechnung des Strahlparameterproduktes. Mit einer Laserwellenlänge von 905nm, einer Strahltaille von 2,5mm und einer Beugungsmaßzahl M² von 1 errechnet sich der Winkel von 0,0265°. Eine Beugungsmaßzahl von 1 ist der kleinste realisierbare Wert, in der Praxis ist ein Wert von 5 realistischer und daraus errechnet sich beispielsweise die bevorzuge Divergenz von 0,15° des Laserstrahls. Diese Daten gelten bevorzugt auch für jeden der Sendestrahlen. Gleichzeitig ist bevorzugt vorgesehen, dass jeder Sendestrahl die Laserklasse 1 gemäß der IEC 60825 erfüllt. Dies führt zu Augensicherheit, da ein einzelner Sendestrahl das menschliche Auge nicht schädigen kann. Gleichzeit ist eine Gesamtausgangsleistung des Lidarsystems erhöht, da diese der Summe der einzelnen Leistungen der Sendestrahlen entspricht.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Strahlteiler zumindest ein Rhomboid-Prisma aufweist. Das Rhomboid-Prisma wiederum weist zwei Teilerflächen auf, wobei ein erster Teil des Laserlichts von der Teilerfläche reflektiert wird und/oder ein zweiter Teil des Laserlichts die Teilerfläche durchdringt. Insbesondere wird durch das Reflektieren erreicht, dass ein Sendestrahl ausgesandt wird. Alternativ kann durch das Reflektieren erreicht werden, dass das Laserlicht zu einer weiteren Teilerfläche gelangt. Ebenso wird durch das Durchdringen insbesondere ein Sendestrahl ausgesandt und/oder das Laserlicht zu einer weiteren Teilerfläche geleitet.
Die Teilerflächen sind mit einer teilreflektierenden oder totalreflektierenden Beschichtung beschichtet. Die totalreflektierende Beschichtung dient zum vollständigen Reflektieren des Laserlichts, ohne dass das Laserlicht durch die Teilerfläche hindurch dringt. Alternativ kann eine vollständige Reflektion durch Totalreflektion erreicht werden. Eine vollständige Reflektion ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Laserlicht auf die erste Teilerfläche innerhalb des Strahlteilers trifft, an der eine Reflektion zu weiteren Teilerflächen erfolgt. Ebenso ist die totalreflektierende Beschichtung dann vorteilhaft, wenn die Teilerfläche eine letzte Teilerfläche innerhalb des Strahlteilers ist, sodass bei einem Durchdringen keinerlei weitere Teilerfläche erreicht werden könnte. Somit wird durch vollständige Reflektion ein Sendestrahl aus dem Strahlteiler ausgekoppelt.
In einer alternativen Ausführungsform weist der Strahlteiler eine erste Seitenfläche und eine gegenüberliegende zweite Seitenfläche auf. Die erste Seitenfläche und die zweite Seitenfläche sind insbesondere parallel zueinander ausgerichtet. Besonders vorteilhaft sind die erste Seitenfläche und/oder die zweite Seitenfläche plane Seiten eines Körpers. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest ein Teilbereich der ersten Seitenfläche teilweise reflektierend ausgebildet ist. Ebenso ist vorgesehen, dass zumindest ein Teilbereich der zweiten Seitenfläche vollständig reflektierend ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist das Laserlicht von der ersten Seitenfläche, insbesondere von dem teilweise reflektierend ausgebildeten Teilbereich, zu der zweiten Seitenfläche reflektierbar und von der zweiten Seitenfläche, insbesondere von dem vollständig reflektierend ausgebildeten Teilbereich, zu der ersten Seite reflektierbar. Dabei ist vorgesehen, dass an der ersten Seitenfläche die Sendestrahlen auskoppelbar sind. Insbesondere ist bei jeder Reflektion von Laserlicht an der ersten Seitenfläche, insbesondere an dem teilweise reflektierend ausgebildeten Teilbereich, ein Teil der Lichtleistung als Sendestrahl auskoppelbar. Die Anzahl an Sendestrahlen entspricht somit der Anzahl an Reflektionen des Laserlichts an der ersten Seitenfläche.
Bevorzugt weisen die zweite Seitenfläche und/oder eine Stirnfläche einen Antireflexbereich auf. An dem Antireflexbereich ist das Laserlicht in den Strahlteiler einkoppelbar. Dies bedeutet, dass das Laserlicht in den Strahlteiler eintritt, ohne reflektiert zu werden. Nach dem Eintreten in den Strahlteiler erfolgt eine Vielzahl von Reflektionen zwischen der ersten Seitenfläche und der zweiten Seitenfläche, um die Sendestrahlen zu generieren. Daher ist vorgesehen, dass das Laserlicht unter einem Winkel gegenüber der ersten Seitenfläche und/oder der zweiten Seitenfläche aufweist, der verschieden von 90° ist. Die Stirnfläche ist bevorzugt eine solche Fläche, die sich zwischen der ersten Seitenfläche und der zweiten Seitenfläche erstreckt.
Bevorzugt weist die erste Seitenfläche eine Vielzahl von einzelnen teilreflektierenden Einzelbeschichtungen auf. Jede Einzelbeschichtung weist einen Reflektionsgrad auf, der von den Reflektionsgraden der übrigen Einzelbeschichtungen unterschiedlich ist. Besonders vorteilhaft sind die Reflektionsgrade abnehmend gestaffelt. Somit wird eine zunehmend größere Menge des Laserlichts als Sendestrahl ausgekoppelt. Dabei ist vorgesehen, dass an jeder Einzelbeschichtung eine Reflektion des Laserlichts sowie eine Auskopplung eines Sendestrahls erfolgt. Durch die abnehmende Staffelung der Reflexionsgrade wird erreicht, dass stets Sendestrahlen mit derselben Leistung oder zumindest mit ähnlichen Leistungen, die sich um nicht mehr als 50% unterscheiden, ausgekoppelt werden.
Die erste Seitenfläche weist alternativ eine teilreflektierende Gesamtbeschichtung auf. Die teilreflektierende Gesamtbeschichtung weist einen sich über eine Abmessung des zumindest einen teilweise reflektierenden Teilbereichs der ersten Seitenfläche kontinuierlich veränderndem Reflektionsgrad auf. Dabei ist vorgesehen, dass der Reflektionsgrad kontinuierlich abnimmt. Auf diese Weise ist wiederum erreichbar, dass alle ausgekoppelten Sendestrahlen stets dieselben Leistungen oder zumindest ähnliche Leistungen, die sich um nicht mehr als 50% unterscheiden, aufweisen. Gleichzeitig kann eine Vielzahl von Reflektionen an der ersten Seitenfläche erfolgen, wodurch eine Vielzahl von Sendestrahlen auskoppelbar ist. Dazu ist kein aufwändiges Vorsehen von Einzelbeschichtungen notwendig. Außerdem sind durch die sich kontinuierlich verändernde Gesamtbeschichtung keine Grenzen vorhanden, unter der ein Laserlicht in den Strahlteiler eingekoppelt werden darf, da eine Reflektion an jeder Stelle an der ersten Seitenfläche erfolgen kann. Es muss insbesondere nicht, wie in der zuvor beschriebenen Alternative der Einzelbeschichtungen, darauf geachtet werden, dass stets nur eine Reflektion pro Einzelbeschichtung erfolgt.
Zwischen den Teilerflächen der Rhomboid-Prismen und/oder an der ersten Seitenfläche ist bevorzugt eine dielektrische Mehrfachschicht vorhanden. Über die dielektrische Mehrfachschicht ist ein Grad der Durchlässigkeit für Laserlicht einstellbar. Dies führt dazu, dass genau einstellbar ist, welche Leistung die ausgekoppelten Sendestrahlen aufweisen. Somit kann erreicht werden, dass alle Sendestrahlen Leistungen aufweisen, die sich maximal um 50% unterscheiden oder insbesondere gleich sind.
Der Strahlteiler ist vorteilhafterweise aus Glas oder optischem Kunststoff hergestellt. Ist der Strahlteiler aus mehreren Rhomboid-Prismen zusammengesetzt, so sind die einzelnen Rhomboid-Prismen bevorzugt durch einen optischen Klebstoff formschlüssig miteinander verbunden.
Bevorzugt ist ein Sendewinkel der Sendestrahlen durch die Umlenkvorrichtung einstellbar. Dabei ist vorgesehen, dass ein erster Sendewinkel ausgehend von einer Nulllauslenkung der Sendestrahlen +/- 25° und ein zu dem ersten Sendewinkel senkrecht messbarer zweiter Sendewinkel ausgehend von der Nulllauslenkung der Sendestrahlen +/- 5° beträgt. Somit kann die Umgebung des Lidarsystems optimal abgetastet werden.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:

1 eine erste schematische Abbildung eines Lidarsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine zweite schematische Abbildung des Lidarsystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine dritte schematische Abbildung des Lidarsystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine schematische Abbildung eines Teils eines Lidarsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 eine schematische Abbildung eines Lidarsystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 eine schematische Abbildung eines Teils eines Lidarsystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
7 eine schematische Abbildung eines Lidarsystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch ein Lidarsystem 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die 2 und 3 zeigen weitere Ansichten des Lidarsystems 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die jeweiligen Blickrichtungen A und B der 2 und 3 sind in 1 dargestellt.
Das Lidarsystem 1 umfasst eine Laserlichtquelle 2 zum Aussenden von Laserlicht 15, eine Umlenkvorrichtung 3 und einen Strahlteiler 4. Die Umlenkvorrichtung 3 dient zum Umlenken des Laserlichts 15 auf den Strahlteiler 4. Dabei ist die Umlenkvorrichtung beweglich ausgebildet, um ein Leiten des Laserlichts 15 auf den Strahlteiler 4 unter unterschiedlichen Winkeln zu ermöglichen. Dies erlaubt, eine Umgebung des Lidarsystems 1 abzuscannen, indem Laserlicht 15 in unterschiedlichen Richtungen in die Umgebung abgestrahlt wird. Somit kann die Umgebung vollumfänglich erfasst werden.
Der Strahlteiler 4 fungiert als Optik des Lidarsystems 1. So ist vorgesehen, dass das Laserlicht 15 ausschließlich durch den Strahlenteiler 4 in die Umgebung des Lidarsystems 1 ausgesandt werden kann. Der Strahlteiler 4 ist ausgebildet, das Laserlicht 15 in eine Vielzahl von einzelnen Sendestrahlen 16 aufzuteilen, die dann in die Umgebung gesandt werden. Alle Sendestrahlen 16 sind parallel zueinander ausgebildet und weisen optimalerweise dieselbe Lichtleistung auf. Grundsätzlich ist vorgesehen, dass sich die Lichtleistungen der einzelnen Sendestrahlen 16 um maximal 50% unterscheiden.
Der Strahlteiler 4 weist eine Vielzahl von Rhomboid-Prismen 5 auf. Die Rhomboid-Prismen 5 sind aus Glas oder optischem Kunststoff gefertigt und mittels eines optischen Klebers verklebt. Diejenige Außenflächen der Rhomboid-Prismen 5, die aufeinandertreffe und diejenigen Außenflächen, die parallel zu den aufeinandertreffenden Außenflächen angeordnet sind, werden Teilerflächen 17 genannt. An den Teilerflächen 17 erfolgt ein zumindest teilweises Reflektieren des Laserlichts 15 sowie insbesondere ein Durchdringen des Laserlichts 15. Dadurch wird zumindest ein Teil des Laserlichts 15 auf eine weitere Teilerfläche 17 gelenkt und/oder zumindest ein Teil des Laserlichts 15 als Sendestrahl 16 aus dem Strahlteiler 4 ausgekoppelt und die die Umgebung ausgesandt.
In 1 sind drei Teilerflächen 17 vorhanden, die nachfolgend in der Reihenfolge ihres Antreffens durch das Laserlicht 15 als erste, zweite und dritte Teilerfläche 17 beschrieben sind. Die erste Teilerfläche 17 dient zum Einkoppeln des Laserlichts 15 in den Strahlteiler 4. Dazu wird das Laserlicht 15 teilweise reflektiert, das restliche Laserlicht 15 verläuft durch die erste Teilerfläche hindurch und wird als einer der Sendestrahlen 16 aus dem Strahlteiler 4 ausgekoppelt. Danach trifft das Laserlicht 15 auf die zweite Teilerfläche 17, wobei wiederum ein Teil des Laserlichts 15 als Sendestrahl 16 aus dem Strahlteiler 4 ausgekoppelt wird. Das Auskoppeln geschieht hier mittels Reflektion, während der übrige Teil des Laserlichts 15 durch die zweite Teilerfläche 17 hindurch zu der dritten Teilerfläche 17 gelangt. Hier erfolgt ein vollständiges Reflektieren des Laserlichts 15 zum Auskoppeln aus dem Strahlteiler 4 als Sendestrahl 16.
Es ist somit vorgesehen, dass die Teilerflächen 17 unterschiedliche Grade von Reflektivität aufweisen. Dies bedeutet, dass von jeder Teilerfläche 17 ein anderer Anteil des Laserlichts 15 aus dem Strahlteiler 4 ausgekoppelt wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass alle Sendestrahlen 15 dieselbe Lichtleistung aufweisen oder sich in ihrer Lichtleistung um maximal 50% unterscheiden. Besonders vorteilhaft ist zwischen den Teilerflächen 17 der Rhomboid-Prismen 5 eine dielektrische Mehrfachschicht vorhanden. Diese erlaubt ein variables Einstellen einer Lichtdurchlässigkeit der Teilerflächen 17 für Laserlicht 15. Dies führt dazu, dass genau einstellbar ist, welche Lichtleistung die ausgekoppelten Sendestrahlen 16 aufweisen.
In den 1, 2 und 3 ist durch strichlierte Linien schematisch ein alternativer Verlauf des Laserlichts 15 dargestellt. Der alternative Verlauf zeigt ein Ablenken des Laserlichts 15 durch die Umlenkvorrichtung 3. Durch ein derartiges Ablenken lassen sich ein horizontaler Sendewinkel und ein vertikaler Sendewinkel der Sendestrahlen 16 einstellen. Unter solchen Winkeln werden die Sendestrahlen relativ zu einer Oberfläche des Strahlteilers 4 ausgesandt. Durch Veränderung der Sendewinkel mittels der Umlenkvorrichtung 3 ist erreichbar, dass die Sendestrahlen 16 in unterschiedlichen Richtungen in die Umgebung ausgesandt werden, sodass die Umgebung mittels der Sendestrahlen scannend abtastbar ist.
Jedes Rhomboid-Prisma 5 weist eine Länge l, eine Höhe h und ein Tiefe t auf. Außerdem beträgt eine Distanz zwischen Reflektionspunkt des Laserlichts 15 an der Umlenkvorrichtung 3 und Reflektoinspunkt des Laserlichts 15 an der ersten Teilerfläche 17, an der das Laserlicht 15 in den Strahlteiler 4 eingekoppelt wird, den Abstand a. Anhand von vorgegebenen Austrittswinkeln, die die Sendestrahlen 16 relativ zu der Oberfläche des Strahlteilers 4 aufweisen sollen, an denen die Sendestrahlen 16 aus dem Strahlteiler 4 austreten und anhand des Abstands a lassen sich die Parameter Länge I, Höhe h und Tiefe t durch trigonometrische Funktionen bestimmen. Somit können die Dimensionen der einzelnen Rhomboid-Prismen optimal an die Voraussetzungen des Lidarsystems 1 angepasst werden.
4 zeigt eine schematische Abbildung eines Teils eines Lidarsystems 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere ist lediglich eine Optik in Form eines Strahlteilers 4 dargestellt, durch die Laserlicht 15 von der Laserlichtquelle 2 in eine Umgebung aussendbar ist. In 4 sind eine Laserlichtquelle 2 und eine Umlenkvorrichtung 3, die analog wie in 1 dargestellt angeordnet sind, nicht gezeigt. Insbesondere unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel von dem dritten Ausführungsbeispiel nur darin, dass in dem dritten Ausführungsbeispiel der Strahlteiler 4 ein weiteres Rhomboid-Prisma 5 aufweist. Dieses zusätzliche Rhomboid-Prisma 5 ist den in 1 gezeigten Rhomboid-Prismen 5 vorangestellt, sodass das Laserlicht 15 von der Ablenkvorrichtung 3 zunächst auf einer Teilerfläche 17 des neu hinzugekommenen Rhomboid-Prismas trifft. Diese Teilerfläche 17 ist dabei totalreflektierend ausgebildet, sodass hier kein Sendestrahl 16 ausgekoppelt wird. Anschließend wird das Laserlicht 15 auf die Teilerflächen 17 der übrigen Rhomboid-Prismen gelenkt, sodass wiederum drei Sendestrahlen 16 auskoppelbar sind. Somit sind wiederum dieselben Effekte und Eigenschaften vorhanden, wie im ersten Ausführungsbeispiel.
5 zeigt eine schematische Abbildung eines Lidarsystems 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Lidarsystem 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel umfasst ebenso wie in dem ersten Ausführungsbeispiel eine Laserlichtquelle 2, eine Umlenkvorrichtung 3 und einen Strahlteiler 4. Dabei zeigt 4 schematisch und beispielhaft das Aussenden von drei parallelen Sendestrahlen 16, die aus dem Strahlteiler 4 austreten, wenn der Strahlteiler 4 mit dem Laserlicht 15 der Laserlichtquelle 2 beleuchtet wird.
Der Strahlteiler 4 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Körper, der bevorzugt aus Glas oder optischem Kunststoff gefertigt ist. Insbesondere unterscheidet sich das Lidarsystem 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel lediglich in dem Strahlenteiler 4 von Lidarsystemen 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und zweiten Ausführungsbeispiel. Die übrigen Komponenten, d.h. die Laserlichtquelle 2 und die Umlenkvorrichtung 3 sind insbesondere identisch zu den jeweiligen Komponenten in dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Der Strahlteiler 4 weist eine erste Seitenfläche 6 und eine zweite Seitenfläche 7 auf. Die erste Seitenfläche 6 dient zum Auskoppeln der Sendestrahlen 16. Die zweite Seitenfläche 7 dient zum Einkoppeln des Laserlichts 15 und zum reflektieren des Laserlichts 15. Dazu weist die zweite Seitenfläche 7 einen vollständig reflektierenden Bereich 12 und einen Antireflexbereich 13 auf. Insbesondere sind der Antireflexbereich 13 und der vollständig reflektierende Bereich 12 unmittelbar benachbart an dem Strahlteiler 4 angeordnet. Über den Antireflexbereich 13 kann das Laserlicht verlustfrei und gleichzeitig aufwandsarm in den Strahlteiler eingekoppelt werden. In einer Alternative kann der Antireflexbereich auch in einer Stirnfläche 14 angeordnet werden, wobei die Stirnfläche 14 zwischen erster Seitenfläche 6 und zweiter Seitenfläche 7 angeordnet ist.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die erste Seitenfläche 6 eine Vielzahl von einzelnen teilreflektierenden Einzelbeschichtungen 8, 9, 10 aufweist. Alle teilreflektierenden Einzelbeschichtungen weisen einen unterschiedlichen Reflektionsgrad auf. Somit sind bei jeder Reflektion an den Einzelbeschichtungen 8, 9, 10 gleichzeitig auch Sendestrahlen 16 auskoppelbar. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine der Reflektionsgrad des jeweiligen Einzelbereichs 8, 9, 10 mit zunehmendem Abstand von dem Antireflexbereich 13 abnimmt. Auf diese Weise ist erreicht, dass jeder Sendestrahl 16 dieselbe Lichtleistung aufweist, oder sich von den Lichtleistungen anderer Sendestrahlen 16 um maximal 50% unterscheidet.
Tritt das Laserlicht 15 durch den Antireflexbereich 13 in den Strahlteiler 4 ein, so wird das Laserlicht 15 auf eine erste Einzelbeschichtung 8 der ersten Seitenfläche 6 geleitet. Damit sichergestellt ist, dass das Laserlicht 15 auf die erste Einzelbeschichtung 8 trifft, ist die Umlenkvorrichtung 3 entsprechend anzusteuern. Insbesondere ist ein Winkelbereich beschränkt, innerhalb dessen das Laserlicht 15 abgelenkt werden darf, um nach dem Antireflexbereich 13 auf die erste Einzelbeschichtung 8 zu treffen.
An der ersten Einzelbeschichtung 8 wird das Laserlicht 15 einerseits reflektiert, andererseits verlässt das Laserlicht 15 den Strahlteiler 4 und wird somit als Sendestrahl 16 ausgekoppelt. Der reflektierte Teil des Laserlichts 15 wird von dem vollständig reflektierenden Bereich 12 der zweiten Wand 7 reflektiert und zu der zweiten Einzelbeschichtung 9 gelenkt. Hier erfolgen wiederum eine teilweise Reflektion und eine teilweise Auskopplung des Laserlichts 15. Die Auskopplung führt zu einem weiteren Sendestrahl 16, während das reflektierte Laserlicht erneut auf den vollständig reflektierenden Bereich 12 trifft. Von dort aus wird das Laserlicht 15 zu der dritten Einzelbeschichtung 10 gelenkt. Die dritte Einzelbeschichtung 10 ist analog zu der ersten Einzelbeschichtung 8 und/oder zweiten Einzelbeschichtung 9 ausgebildet.
Das Laserlicht 15 wird daher mehrmals zwischen der ersten Seitenfläche 6 und der zweiten Seitenfläche 7 reflektiert. Durch den vollständig reflektierenden Bereich 12 ist sichergestellt, dass eine Auskopplung von Sendestrahlen 16 ausschließlich an der ersten Seitenfläche 6 erfolgt. Diese Auskopplungen weisen allesamt identische oder lediglich um 50 % abweichende Lichtleistungen auf. Um diese zu erreichen, ist der Reflektionsgrad der Einzelbeschichtungen 8, 9, 10 unterschiedlich. Insbesondere sinkt der Reflektionsgrad der Einzelbeschichtungen 8, 9, 10 mit wachsendem Abstand der Einzelbeschichtungen 8, 9, 10 zu dem Antireflexbereich 13 an. Somit ist mit jeder Reflektion an der ersten Seitenfläche 6 ein größerer Teil des Laserlichts 15 auskoppelbar, sodass der Lichtleistungsverlust des Laserlichts 15 aufgrund vorhergehender Auskopplungen von Sendestrahlen 16 kompensiert ist. Die Sendestahlen 16 weisen somit alle identische oder um maximal 50% verschiedene Lichtleistungen auf.
Um eine derartige Kombination von mehreren Reflektionen zu erhalten, muss das Laserlicht 15 ausgehend von der Umlenkvorrichtung 3 unter einem Winkel ungleich 90° auf die zweite Seitenfläche 7, insbesondere auf den Antireflexbereich 13, gelenkt werden. Wird das Laserlicht 15 auf die Stirnfläche 14 gelenkt, weil sich dort der Antireflexbereich 13 befindet, so muss weiterhin ein Winkel zwischen Laserlicht 15 und zweiter Seitenfläche vorhanden sein, der nicht 90° beträgt. Nur bei solchen Winkeln wird erreicht, dass sich das Laserlicht 15 aufgrund der Reflektionen an erster Seitenfläche 6 und zweiter Seitenfläche 7 innerhalb des Strahlteilers 4 ausbreitet. Durch die Wahl des Winkels zwischen Laserlicht 15 und der zweiten Seitenfläche 7 ist außerdem einstellbar, dass das Laserlicht an jeder der Einzelbeschichtungen 8, 9, 10 genau einmal reflektiert wird. Dies ist notwendig um sicherzustellen, dass die Sendestrahlen 16 stets dieselbe oder eine um maximal 10% verschiedene Lichtleistung aufweisen.
Der Strahlteiler 4 ist bevorzugt quaderförmig ausgebildet. Die erste Seitenfläche 6 und die zweite Seitenfläche 7 sind insbesondere parallel zueinander sowie senkrecht zu der Stirnfläche 14 angeordnet. Somit ist einfach und aufwandsarm eine Vielzahl von parallelen Sendestrahlen 16 erzeugbar.
6 zeigt schließlich eine schematische Abbildung eines Teils eines Lidarsystems 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wiederum ist lediglich eine Optik in Form eines Strahlteilers 4 dargestellt, durch die Laserlicht 15 von der Laserlichtquelle 2 in eine Umgebung aussendbar ist. In 6 sind eine Laserlichtquelle 2 und eine Umlenkvorrichtung 3, die analog wie in 5 dargestellt angeordnet sind, nicht gezeigt.
Grundsätzlich sind das dritte Ausführungsbeispiel und das vierte Ausführungsbeispiel identisch. Ein Unterschied besteht lediglich in der ersten Seitenfläche 6. Während im dritten Ausführungsbeispiel mehrere Einzelbeschichtungen 8, 9, 10 mit unterschiedlichen Reflektionsgraden vorhanden waren, ist im vierten Ausführungsbeispiel eine Gesamtbeschichtung 11 vorhanden. Die Gesamtbeschichtung 11 weist einen sich verändernden Reflektionsgrad auf.
Sollen sehr viele Sendestrahlen 16 generiert werden, so ist das dritte Ausführungsbeispiel insofern nachteilig, dass jeweils eine entsprechende Einzelbeschichtung 8, 9, 10 pro Sendestrahl 16 bereitzustellen ist. Dies bedeutet eine aufwändige Fertigung des Strahlteilers 4 und schränkt die Bewegungsfreiheit der Ablenkung des Laserlichts 16 durch die Ablenkvorrichtung 3 ein, da stets sicherzustellen ist, dass das Laserlicht auf alle Einzelbeschichtungen 8, 9, 10 nur einmal trifft. Daher ist im vierten Ausführungsbeispiel die Gesamtbeschichtung 11 vorhanden.
Die Gesamtbeschichtung 11 erfüllt dieselbe Funktion wie die Einzelbeschichtungen 8, 9, 10. Allerdings ist die Gesamtbeschichtung 11 derart ausgebildet, dass sich der Reflektionsgrad kontinuierlich ändert. Insbesondere nimmt der Reflektionsgrad mit zunehmendem Abstand von dem Antireflexbereich 13 kontinuierlich ab. Somit werden dieselben Effekte erreicht wie mit den Einzelbeschichtungen 8, 9, 10. Gleichzeitig ist eine Fertigung des Strahlteilers 4 vereinfacht und eine Bewegungsfreiheit beim Ablenken des Laserlichts 15 ist auch bei einer sehr großen Vielzahl von Sendestrahlen 16 nicht wie bei Verwendung von Einzelbeschichtungen 8, 9, 10 eingeschränkt.
Bezüglich aller Ausführungsbeispiele ist vorgesehen, dass ein Sendewinkel der Sendestrahlen 16 durch die Umlenkvorrichtung 3 derart einstellbar ist, dass ein erster Sendewinkel und ein zweiter Sendewinkel erreicht werden kann. Der erste Sendewinkel ist bevorzugt ein horizontaler Sendewinkel, während der zweite Sendewinkel ein vertikaler Sendewinkel ist. Erster Sendewinkel und zweiter Sendewinkel sind daher senkrecht zueinander messbar. Der erste Sendewinkel beträgt ausgehen von einer Nulllauslenkung der Sendestrahlen 16 +/- 30°, während der zweite Sendewinkel ausgehend von der Nulllauslenkung der Sendestrahlen 16 +/- 10° beträgt. Somit ist eine Umgebung umfassend erfassbar.
Ebenso ist für Ausführungsbeispiele 1 bis 3 vorgesehen, dass ein Abstand der einzelnen Sendestrahlen 16 am Austrittspunkt aus dem Strahlteiler 4 bevorzugt 5 mm, bevorzugt mindestens 8 mm, besonders bevorzugt mindestens 10 mm, beträgt. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Abstand der Sendestrahlen 16 größer als ein üblicher Durchmesser einer menschlichen Pupille ist, was den zuvor genannten Werten entspricht. Somit ist sichergestellt, dass maximal ein einziger Sendestrahl in ein menschliches Auge gelangen kann. Bei Ausführungsbeispiel 4 lassen sich auf einfache Weise sehr viele Strahlen generieren wodurch der Abstand der Einzelstrahlen auch kleiner 5 mm betragen kann. Außerdem ist vorgesehen, dass jeder Sendestrahl 16 an einem Austrittspunkt aus dem Strahlteiler 4, einen Durchmesser zwischen 1,0 mm und 8,0 mm, insbesondere zwischen 1,0 mm und 4,0 mm, bevorzugt zwischen 2,0 mm und 3,0 mm, besonders bevorzugt von 2,5 mm, aufweist. Eine Divergenz der Sendestrahlen 16 beträgt dabei maximal 1,0°, insbesondere 0,5°, bevorzugt 0,25°, besonders bevorzugt 0,15°. Gleichzeitig ist bevorzugt vorgesehen, dass jeder Sendestrahl 16 die Laserklasse 1 gemäß der IEC 60825 erfüllt. Dies führt zu Augensicherheit, da ein einzelner Sendestrahl 16 das menschliche Auge nicht schädigen kann. Gleichzeitig ist aufgrund der Vielzahl von Sendestrahlen 16 eine optische Leistung des Lidarsystems 1 im Vergleich zu herkömmlichen Systemen mit nur einem einzigen Sendestrahl 16 erhöht.
7 zeigt schematisch eine Abbildung eines Lidarsystems 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird derselbe Strahlteiler 4 verwendet wie in dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 5 gezeigt ist. Im Unterschied u dem dritten Ausführungsbeispiel sind die Lichtquelle 2 und die Umlenkvorrichtung 3 in einer zentralen Einheit zusammengefasst.
Der Strahlteiler 4 ist auf einer Scheibe 18 angebracht. Die Scheibe 18 kann insbesondere eine Frontscheibe eines Fahrzeugs oder ein Scheinwerferglas sein. Durch die Verwendung des Strahlteilers 4 ist vorteilhafterweise ermöglicht, dass ein Volumen einer Box 19, in der sämtliche Komponenten des Lidarsystems 1 eingebracht sind, sehr kompakt ist. Somit lässt sich ein vorhandener Bauraum für das Lidarsystem reduzieren. Gleichzeitig ist ein sicheres und zuverlässiges Vermessen der Umgebung ermöglicht.

Claims

Lidarsystem (1) umfassend • eine Laserlichtquelle (2) zum Aussenden eines Laserlichts (15), • eine Umlenkvorrichtung (3), und • einen Strahlteiler (4), • wobei das Laserlicht (15) von der Umlenkvorrichtung (3) auf den Strahlteiler (4) lenkbar ist, • wobei der Strahlteiler (4) das Laserlicht (15) in zumindest zwei parallele Sendestrahlen (16) aufteilt, • wobei sich die Lichtleistung der Sendestrahlen (16) maximal um 50% unterscheidet.
Lidarsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (4) zumindest ein Rhomboid-Prisma (5) aufweist, wobei das Rhomboid-Prisma (5) zwei Teilerflächen (17) aufweist, wobei ein erster Teil des Laserlichts (15) von der Teilerfläche (17) reflektiert wird und/oder ein zweiter Teil des Laserlichts (15) die Teilerfläche (17) durchdringt.
Lidarsystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilerflächen (17) mit einer teilreflektierenden oder totalreflektierenden Beschichtung beschichtet sind.
Lidarsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (4) eine erste Seitenfläche (6) und eine gegenüberliegende zweite Seitenfläche (7) aufweist, wobei zumindest ein Teilbereich der ersten Seitenfläche (6) teilweise reflektierend und zumindest ein Teilbereich der zweite Seitenfläche (7) vollständig reflektierend ausgebildet sind, und wobei an der ersten Seitenfläche (6) die Sendestrahlen (16) auskoppelbar sind.
Lidarsystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seitenfläche (7) und/oder eine Stirnfläche (14), die sich zwischen der ersten Seitenfläche (6) und der zweiten Seitenfläche (7) erstreckt, einen Antireflexbereich (13) aufweisen, an dem das Laserlicht (15) in den Strahlteiler (4) einkoppelbar ist.
Lidarsystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenfläche (6) eine Vielzahl von einzelnen teilreflektierenden Einzelbeschichtungen (8, 9, 10) mit unterschiedlichen Reflektionsgraden aufweist.
Lidarsystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenfläche (6) eine teilreflektierende Gesamtbeschichtung (11) mit sich über eine Abmessung des teilweise reflektierenden Teilbereichs der ersten Seitenfläche (6) kontinuierlich veränderndem Reflektionsgrad aufweist.
Lidarsystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Teilerflächen (17) der Rhomboid-Prismen (5) und/oder an der ersten Seitenfläche (6) eine dielektrische Mehrfachschicht vorhanden ist.
Lidarsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (4) aus Glas oder optischem Kunststoff hergestellt ist.
Lidarsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sendewinkel der Sendestrahlen (16) durch die Umlenkvorrichtung (3) einstellbar ist, wobei ein erster Sendewinkel ausgehend von einer Nulllauslenkung der Sendestrahlen (16) +/- 30° und ein zu dem ersten Sendewinkel senkrecht messbarer zweiter Sendewinkel ausgehend von der Nulllauslenkung der Sendestrahlen (16) +/- 10° beträgt.