DE102017206912A1

DE102017206912A1 - Laserscanner beispielsweise für ein LIDAR-System eines Fahrerassistenzsystems

Info

Publication number: DE102017206912A1
Application number: DE102017206912.0A
Authority: DE
Inventors: Juergen Hasselbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2018-10-25
Also published as: WO2018197246A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserscanner (100), der einen Sendepfad (102) und einen von dem Sendepfad (102) zumindest bereichsweise räumlich getrennten Empfangspfad (104) aufweist. Der Sendepfad (102) und der Empfangspfad (104) treffen dabei aus unterschiedlichen Winkeln (106, 108) auf ein winkelbewegliches Spiegelelement (110) des Laserscanners (100). Eine Winkelstellung (112) des Spiegelelements (110) definiert im Sendepfad (102) einen Scanwinkel (114) eines Laserlichts (116) des Laserscanners (100). Im Empfangspfad (104) kompensiert die Winkelstellung (112) einen Einfallswinkel (118) einer Reflexion (120) des Laserlichts (116).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Laserscanner für ein LIDAR-System, beispielsweise für ein Fahrerassistenzsystem.
Stand der Technik
Ein LIDAR-System kann unter Verwendung eines Laserscanners eine Szenerie optisch abtasten. Dabei wird von dem Laserscanner ein Laserstrahl mit in zumindest einer Achse veränderbarem Scanwinkel in einen Erfassungsbereich ausgesendet. Der Laserstrahl wird an Objekten in dem Erfassungsbereich reflektiert. Basierend auf einem Scanwinkel und einer Laufzeit des Laserstrahls und seiner Reflexion kann das LIDAR-System eine Entfernung und eine Richtung zu dem Objekt berechnen. Dies kann beispielsweise für ein Fahrerassistenzsystem in einem Kraftfahrzeug genutzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Laserscanner gemäß dem Hauptanspruch vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Es wird ein Laserscanner vorgestellt, der einen Sendepfad und einen von dem Sendepfad zumindest bereichsweise räumlich getrennten Empfangspfad aufweist und der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Sendepfad und der Empfangspfad aus unterschiedlichen Winkeln auf ein winkelbewegliches Spiegelelement des Laserscanners treffen. Eine Winkelstellung des Spiegelelements definiert dabei im Sendepfad einen Scanwinkel eines Laserlichts des Laserscanners. Im Empfangspfad kompensiert die Winkelstellung einen Einfallswinkel einer Reflexion des Laserlichts.
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Bei einem Laserscanner wird zumindest ein Laserstrahl durch eine Optik in einen Erfassungsbereich des Laserscanners gelenkt. Über die Zeit wird ein Winkel des Laserstrahls in zumindest einer Raumrichtung verändert, um den Erfassungsbereich in vielen aufeinander abfolgenden Messungen abzutasten. Wenn der Laserstrahl auf ein Objekt, wie beispielsweise einen Gegenstand in dem Erfassungsbereich oder den Boden trifft, wird das Laserlicht des Laserstrahls an dem Objekt gestreut. Ein Teil des gestreuten Laserlichts wird in Richtung des Laserscanners zurückgeworfen. Das zurückgeworfene gestreute Laserlicht wird durch eine Optik des Laserscanners auf einen Detektor des Laserscanners gelenkt.
Das aus einer Laserquelle stammende gerichtete Laserlicht mit seinen bekannten und kontrollierbaren Eigenschaften verhält sich anders, als das von einem Objekt zurückgeworfene Laserlicht. Für beide Arten Laserlicht können jeweils optimierte Optiken und/oder Filter verwendet werden, um eine gute Erfassungsleistung des Laserscanners zu erreichen. Für unterschiedliche Optiken und/oder Filter kann ein Laserscanner mit zwei getrennten Pfaden für das Laserlicht verwendet werden.
Um den Erfassungsbereich abzutasten, wird dem gerichteten Laserlicht beim Senden ein Abstrahlwinkel eingeprägt. Das Laserlicht wird also in einer bestimmten Richtung abgestrahlt und kann auf ein in der Richtung zu dem Laserscanner angeordnetes Objekt treffen. Das von dem Objekt zurückgeworfene Laserlicht kommt am Laserscanner wieder aus der Richtung an. Beim Empfangen kann ein Einfallswinkel des zurückgeworfenen Laserlichts kompensiert werden, um das zurückgeworfene Laserlicht auf den Detektor auszurichten und einen einfachen, nicht bildgebenden Detektortyp mit minimalen Abmessungen verwenden zu können, der auch kostengünstig ist. Für das Einprägen des Abstrahlwinkels und das Kompensieren des Einfallswinkels kann das gleiche Ablenkelement verwendet werden, da der einzuprägende Abstrahlwinkel und der zu kompensierende Einfallswinkel den gleichen Betrag aufweisen. Wenn die Winkel über dasselbe Ablenkelement eingeprägt und wieder kompensiert werden, kann zum Senden und Empfangen derselbe optische Pfad verwendet werden.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden getrennte Pfade für das gerichtete Laserlicht und das gestreute Laserlicht verwendet, wobei die beiden Pfade auf dem gleichen Ablenkelement aus unterschiedlichen Richtungen zusammentreffen, um den Abstrahlwinkel einzuprägen und den Einfallswinkel zu kompensieren.
Unter einem Sendepfad kann ein optischer Pfad beziehungsweise Weg verstanden werden, der dazu optimiert ist, das gerichtete Laserlicht von der Laserlichtquelle in den Erfassungsbereich des Laserscanners zu lenken. Ein Empfangspfad kann ein optischer Pfad beziehungsweise Weg sein, der dazu optimiert ist, das gestreute Laserlicht aus dem Erfassungsbereich zu dem Detektor des Laserscanners zu transportieren. Ein Spiegelelement kann ein Mikrospiegel sein. Das Spiegelelement kann um einen Drehpunkt drehbar gelagert sein, in dem sich der Sendepfad und der Empfangspfad schneiden. Der Drehpunkt kann in einer Spiegelebene des Spiegelelements liegen. Das Spiegelelement kann in einer oder zwei Achsen winkelbeweglich sein. Das Spiegelelement kann ein frontreflektierender Spiegel sein.
Vorteile der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, spezifisch auf das gerichtete Laserlicht beziehungsweise auf das gestreute Laserlicht abgestimmte Filter in den jeweiligen Pfaden zu verwenden. Durch das Kompensieren des Einfallswinkels des gestreuten Laserlichts kann ein nicht bildgebender einfacher Detektor verwendet werden, da das zurückgeworfene Laserlicht immer auf den gleichen Bereich des Detektors gelenkt wird. Eine Größe von Sensorpixeln des Detektors wird dabei nicht durch eine optische Auflösung des Detektors eingeschränkt, was zu einer hohen Empfindlichkeit des Detektors führt.
Im Empfangspfad können ein telezentrisches Objektiv und eine Abbildungsoptik angeordnet sein. Eine Abbildungsebene des Objektivs kann in einer Eingangsebene der Abbildungsoptik angeordnet sein. Die Abbildungsoptik kann auf das Spiegelelement fokussiert sein. In einer Abbildungsebene kann ein Bild des Erfassungsbereichs des Laserscanners projiziert werden. Das Bild kann von der Abbildungsoptik auf das Spiegelelement fokussiert werden. Das Spiegelelement kann einen Bildbereich des Bilds, in den das gerichtete Laserlicht gelenkt wird auf den Detektor lenken.
Der Sendepfad und der Empfangspfad können zumindest Bereichsweise parallel verlaufende optische Achsen aufweisen. Im Sendepfad und/oder im Empfangspfad kann zumindest ein Ablenkelement angeordnet sein, um die jeweilige optische Achse auf das Spiegelelement abzulenken. Das Ablenkelement kann feststehend sein. Das Ablenkelement kann beispielsweise ein Spiegel sein. Das Ablenkelement lenkt den jeweiligen Pfad in Richtung des Spiegelelements ab.
Im Sendepfad kann ein auf das Spiegelelement fokussierendes Ablenkelement angeordnet sein. Das fokussierende Ablenkelement kann dazu ausgebildet sein, den Scanwinkel des Laserlichts in einen lateralen Versatz zu der optischen Achse umzuwandeln. Das Ablenkelement kann eine Kombination aus einer Linse und einem Planspiegel sein. Das Ablenkelement kann auch ein durchgehender Hohlspiegel sein. Ebenso kann das Ablenkelement eine Matrix aus Einzelspiegeln sein. Dabei kann das Ablenkelement für jede Winkelstellung des Spiegelelements einen Einzelspiegel aufweisen. Die Einzelspiegel können je einen Teilbereich einer Ablenkoberfläche ausbilden. Die Einzelspiegel können in Form eines Fresnel-Spiegels angeordnet sein.
Das fokussierende Ablenkelement kann als zumindest ein Teilabschnitt eines Parabolspiegels ausgebildet sein, um den Scanwinkel in einen parallelen lateralen Versatz zu der optischen Achse umzuwandeln. Durch einen Parabolspiegel wird eine sphärische Aberration beim Ablenken des Laserlichts vermieden. Der Parabolspiegel ist dazu ausgebildet, ein paralleles Strahlenbündel auf einen einzigen Brennpunkt zu konzentrieren. Die Nichtlinearität der Parabolfläche kann im Empfangspad durch eine zusätzliche nichtlineare Freiformfläche kompensiert werden, um wiederum ortsfest abzubilden.
Das fokussierende Ablenkelement kann ebenfalls als eine Kombination aus einer Abbildungsoptik beziehungsweise einer optischen Linse und einem Planspiegel ausgebildet sein, um den Scanwinkel in einen parallelen lateralen Versatz zu der optischen Achse umzuwandeln. Die Abbildungsoptik ist wiederum so angeordnet, dass sie fokussierend auf das Spiegelelement wirkt.
Der Scanwinkel kann einen Auftreffpunkt des Laserlichts auf einer Strahlformungseinheit des Laserscanners definieren. Die Strahlformungseinheit kann dazu ausgebildet sein, das von dem Laserscanner emittierte Laserlicht in Abhängigkeit von dem Auftreffpunkt zu formen. Die Strahlformungseinheit kann ergänzend dazu ausgebildet sein, den Scanwinkel zu verstärken. Dadurch kann ein größerer Winkelbereich durch das Laserlicht erreicht werden, als nur durch einen Schwenkbereich des Spiegelelements. Die Strahlformungseinheit kann alternativ oder ergänzend dazu ausgebildet sein, das Laserlicht aufzuweiten. Durch aufgeweitetes Laserlicht kann der Laserscanner robust gegen Verschmutzungen im Sendepfad sein und zusätzlich eine höhere Augensicherheit bei größeren Messdistanzen erreichen.
Die Strahlformungseinheit kann ebenfalls ergänzend dazu ausgebildet sein, den Scanstrahl hinsichtlich seiner Orientierung, aufgrund der Spiegelung an der Ablenkeinheit, zu korrigieren.
Ein ähnlich aufgebautes Element zur Orientierungskorrektur des zu leitenden Strahles kann zusätzlich in den Empfangspad integriert werden, um dort ebenfalls die durch die Spiegelung hervorgerufene Orientierung zu korrigieren.
Die Strahlformungseinheit kann eine Matrix aus Strahlformungselementen aufweisen. Jedes Strahlformungselement kann dazu ausgebildet sein, einen Scanstrahl mit einem festen Raumwinkel zu formen, wenn das Laserlicht auf das Strahlformungselement fällt. Die Strahlformungselemente können als diffraktive optische Elemente ausgeführt sein. Ein diffraktives optisches Element kann beispielsweise ein Hologramm sein. Das diffraktive optische Element kann auch durch eine Mikrostruktur des Strahlformungselements ausgebildet sein. Ebenso können die Strahlformungselemente als Mikrolinsen ausgebildet sein. Die Strahlformungselemente können prinzipiell so aufgebaut werden, dass es aus optisch beugenden, brechenden oder auch streuenden Komponenten/Elementen bestehen.
Die Strahlformungseinheit kann zumindest ein Linsensystem aufweisen, das dazu ausgebildet ist, eine Orientierung des Laserlichts aufgrund der Spiegelung am Ablenkelement zu korrigieren, um eine ortsfeste Abbildung detektorseitig zu erzeugen.
Die Strahlformungseinheit kann dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit von dem Auftreffpunkt aus dem Laserlicht je zumindest zwei divergierende Scanstrahlen zu formen. Dazu kann die Strahlformungseinheit im Bereich des jeweiligen Auftreffpunkts zumindest zwei optische Funktionen aufweisen, um die zumindest zwei Scanstrahlen zu erzeugen. Eine optische Funktion kann in einem diffraktiven optischen Element gespeichert sein.
Ein Detektor des Laserscanners kann Detektorelemente aufweisen. Dabei kann eine Anzahl der Detektorelemente mindestens einer Anzahl der simultan emittierten Scanstrahlen entsprechen. So kann jede Reflexion eines Scanstrahls durch ein eigenes Detektorelement erfasst werden. Ein Detektorelement kann dabei einen oder mehrere Pixel umfassen.
Der Laserscanner kann eine im Sendepfad und im Empfangspfad angeordnete Sende- und Empfangsapertur zum koaxialen Senden des Laserlichts und Empfangen der Reflexion aufweisen. Zwischen der Sende- und Empfangsapertur und dem Spiegelelement kann ein Strahlteiler zum Leiten der Reflexion oder des Laserlichts in den Empfangspfad angeordnet sein. Die Empfangsapertur kann ein Objektiv sein. Durch eine gemeinsame Sende- und Empfangsapertur kann ein Parallaxenfehler verhindert werden, da das Laserlicht am gleichen Punkt empfangen wird, wie es gesendet wird. Ein Strahlteiler kann beispielsweise ein teildurchlässiger oder auch polarisierend wirkender Spiegel sein.
Der hier vorgestellte Ansatz kann beispielsweise für ein Automotive LIDAR, im Consumer-Bereich, im Bauwesen, im Handwerkerbereich, bei Zügen, bei Drohnen, in der Industrie, beispielsweise in der Automatisierungstechnik und in der Fertigungsumgebung verwendet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen insbesondere mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Laserscanner beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

1 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners mit bereichsweise räumlich voneinander getrenntem Sendepfad und Empfangspfad gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 zeigt eine Darstellung eines Lichttrichters als Teil einer Strahlformungseinheit für einen Laserscanner gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 zeigt eine Darstellung einer Bi-Fokallinse als Teil einer Strahlformungseinheit für einen Laserscanner gemäß eines Ausführungsbeispiels;
5 zeigt eine Darstellung eines Parabolspiegels und eines Fresnel-Spiegels als Ablenkelement für einen Laserscanner gemäß eines Ausführungsbeispiels;
6 zeigt eine Darstellung eines Strahlauffächerungsarrays als Teil einer Strahlformungseinheit für einen Laserscanner gemäß eines Ausführungsbeispiels;
7 zeigt eine Darstellung eines Scanstrahlarrays als Teil einer Strahlformungseinheit für einen Laserscanner gemäß eines Ausführungsbeispiels;
8 zeigt eine Darstellung eines Linsensystems als Teil einer Strahlformungseinheit zur Korrektur der Sendestrahlorientierung gemäß eines Ausführungsbeispiels; und
9 zeigt eine Darstellung eines Systems/ einer Kombination aus Abbildungslinse und Planspiegel als Ablenkelement für einen Laserscanner gemäß eines Ausführungsbeispiels.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners 100 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Der Laserscanner 100 weist einen Sendepfad 102 und einen zumindest bereichsweise räumlich von dem Sendepfad 102 getrennten Empfangspfad 104 auf. Der Sendepfad 102 und der Empfangspfad 104 treffen aus unterschiedlichen Winkeln 106, 108 auf ein winkelbewegliches Spiegelelement 110 des Laserscanners 100. Eine Winkelstellung 112 des Spiegelelements 110 definiert dabei im Sendepfad 102 einen Scanwinkel 114 eines Laserlichts 116 des Laserscanners 100. Im Empfangspfad 104 kompensiert die Winkelstellung 112 einen Einfallswinkel 118 einer Reflexion 120 des Laserlichts 116.
Das Laserlicht 116 wird von mindestens einer Laserlichtquelle 122 des Laserscanners 100 als mindestens eines Laserstrahls 124 emittiert, trifft auf das Spiegelelement 110, wird seitlich entsprechend des Scanwinkels 114 abgelenkt und über ein feststehendes Ablenkelement 126 in Richtung bzw. parallel einer optischen Sendeachse 128 des Laserscanners 100 abgelenkt. Das Ablenkelement 126 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Planspiegel. Die Sendeachse 128 ist eine konstruktive Mittelachse des Sendepfads 102.
Der Laserscanner 100 ist hier biaxial aufgebaut. Daher ist eine optische Empfangsachse 130 des Laserscanners 100 parallel zu der Sendeachse 128 versetzt. Die Empfangsachse 130 ist eine konstruktive Mittelachse des Empfangspfads 104. Licht aus Richtung der Empfangsachse 130 wird durch eine Empfangsoptik 132 des Laserscanners 100 auf das Spiegelelement 110 fokussiert. Durch die Winkelstellung 112 wird der Einfallswinkel 118 der Reflexion 120 kompensiert und die Reflexion 120 auf einen Detektor 134 des Laserscanners 100 gelenkt.
Das Spiegelelement 110 ist in zumindest einer Achse winkelbeweglich und wird von einer Antriebseinheit 136 des Laserscanners 100 angetrieben. In einem Ausführungsbeispiel ist das Spiegelelement 110 um einen in einer Spiegelebene 138 des Spiegelelements 110 angeordneten Drehpunkt 140 drehbar gelagert.
2 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners 100 mit bereichsweise räumlich voneinander getrenntem Sendepfad 102 und Empfangspfad 104 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Der Laserscanner 100 entspricht dabei im Wesentlichen der Darstellung in 1. Zusätzlich dazu ist hier ein Strahlteiler 200 im Sendepfad 102 und im Empfangspfad 104 angeordnet. Der Strahlteiler 200 ist zwischen einer gemeinsamen Sende- und Empfangsapertur 202 und dem Spiegelelement 110 angeordnet. Der Strahlteiler 200 lenkt das gestreute Laserlicht der Reflexion 120 seitlich ab und lenkt es über einen Umlenkspiegel 204 in den räumlich vom Sendepfad 102 getrennten Empfangspfad 104. Die Sende- und Empfangsapertur 202 ist hier als telezentrisches Objektiv 202 ausgebildet. Eine Abbildungsebene 206 des telezentrischen Objektivs 202 ist in einer Eingangsebene 208 einer Abbildungsoptik 210 des Empfangspfads 104 angeordnet. Diese Abbildungsebene 206 kann vor oder nach dem Umlenkspiegel 204 angeordnet sein. Die reflektierten Strahlen 120 können in dieser Ebene durch eine optische Komponente der Abbildungsoptik 210 wiederum in kollimierte Teilstrahlen transformiert werden. Die Abbildungsoptik 210 fokussiert das in der Abbildungsebene 206 abgebildete Abbild der Reflexion 120 auf das Spiegelelement 110. In die Abbildungsoptik 210 kann wiederum ein Teil einer Strahlformeinheit zur Korrektur der Strahlorientierung integriert werden.
Nach der Winkelkorrektur durch die Winkelstellung des Spiegelelements 110 fällt das Abbild der Reflexion auf den Detektor 134. Zwischen dem Detektor 134 und dem Spiegelelement 110 ist eine Kollimationsoptik 212 angeordnet. Direkt vor dem Detektor 134 können die einfallenden Strahlen zusätzlich über ein µ-LinsenArray auf den Detektor fokussiert werden, was den Füllfaktor des Detektors erhöht, sowie eine zusätzliche Robustheit hinsichtlich Vibrationen und/oder Winkeltoleranzen erhöht.
Eine weitere Erhöhung der Robustheit gegenüber Winkeltoleranzen kann über einen Vorhalt bzw. eine geringfügige Vergrößerung z.B. Faktor 1,5 der Detektorabmaße realisiert werden. Hierdurch ist auch bei leicht abweichenden Winkelstellungen eine Abbildung auf dem Detektor gewährleistet.
Das Ablenkelement 126 ist hier als Teilfläche eines Parabolspiegels ausgebildet. Ein Brennpunkt des Parabolspiegels 126 liegt in der Spiegelebene 138 des Spiegelelements 110. Der Parabolspiegel 126 ist dazu ausgebildet, das unter verschiedenen Winkeln aus dem Brennpunkt einfallende Laserlicht 116 in paralleles Laserlicht umzuwandeln. Mit anderen Worten wandelt der Parabolspiegel 126 den Scanwinkel in einen lateralen Versatz um.
Das Laserlicht 116 trifft in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nach dem Parabolspiegel 126 auf eine Strahlformungseinheit 214. Ein Teil der Strahlformungseinheit 214 kann auch zwischen dem Spiegelelement 110 und dem Ablenkelement 126 angeordnet sein. Beispielsweise kann zwischen dem Spiegelelement 110 und dem Ablenkelement 126 ein Winkelverstärker angeordnet sein, der den Scanwinkel proportional verstärkt. Hier weist die Strahlformungseinheit 214 einen dem Parabolspiegel 126 nachgelagerten Strahlvervielfältiger 216 auf, der dazu ausgebildet ist, aus dem Laserlicht 116 zumindest zwei Scanstrahlen 218 zu formen.
Der Strahlvervielfältiger 216 bildet die Scanstrahlen 218 in der Abbildungsebene 206 der Sende- und Empfangsapertur 202 ab. ist Die Scanstrahlen 218 durchdringen den Strahlteiler 200 und werden von der Sende- und Empfangsapertur 202 mit einer durch den Scanwinkel bestimmten Richtung in einen Erfassungsbereich des Laserscanners 100 projiziert. Im Erfassungsbereich können die Scanstrahlen 218 auf ein Objekt 220 treffen. Am Objekt 220 werden die Scanstrahlen 118 gestreut und gestreutes Laserlicht wird als Reflexion 120 durch die Sende- und Empfangsapertur 202 empfangen. Die Reflexion 120 wird jeweils aus der gleichen Richtung empfangen, in welche die Scanstrahlen 218 emittiert werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Strahlvervielfältiger 216 als Matrix beziehungsweise Array aus Strahlformungselementen aufgebaut. Dabei erzeugt jedes Strahlformungselement einen Scanstrahl 218, der sich im Winkel geringfügig von einem benachbarten Scanstrahl 218 unterscheidet. Dadurch divergieren die Scanstrahlen 218. Das Laserlicht 116 trifft immer zumindest auf zwei der Strahlformungselemente. Von den getroffenen Strahlformungselementen geht dann ein Bündel geringfügig divergierender Scanstrahlen 218 aus.
Wenn sich die Winkelstellung des Spiegelelements 110 ändert, ändert sich der Scanwinkel. Ein Auftreffpunkt des Laserlichts 116 auf der Strahlformungseinheit 214 ändert sich mit dem Scanwinkel. Dadurch trifft das Laserlicht 116 auf zumindest ein anderes Strahlformungselement, während zumindest eines der vorhergehend getroffenen Strahlformungselemente nicht mehr getroffen wird. Der Strahlvervielfältiger 216 emittiert weiterhin zumindest zwei Scanstrahlen 218, wobei sich die Zusammensetzung des Strahlenbündels mit dem Scanwinkel verändert.
In einem Ausführungsbeispiel wird zur Strahlvervielfältigung ein einzelner Scanstrahl mit großem Durchmesser pro Winkelstellung erzeugt. Die Auflösung wird dabei lediglich durch den Detektor 134 realisiert, anstatt über den Strahlvervielfältiger 216. Dabei wird der große Strahl über mehrere Pixel am Detektor 134 aufgelöst.
In einem Ausführungsbeispiel ist dem Strahlvervielfältiger 216 im Sendepfad 102 ein Strahlerweiterer 222 vorgeschaltet. Der Strahlerweiterer 222 weitet das Laserlicht 116 auf, um einen vergrößerten Strahlquerschnitt zu erhalten. Durch den vergrößerten Strahlquerschnitt kann eine Vielzahl an gleichzeitig emittierten Scanstrahlen 218 erzeugt werden.
Mit anderen Worten zeigt 2 eine Prinzipdarstellung eines Offset-Koaxial LIDARs mit Teil-Flash beziehungsweise Zone-Flash.
Ein Makroscanner kann ein in mindestens einer Achse rotierend bewegliches System sein. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise horizontale Auflösungen von bis zu 360° realisieren. Durch große Sendeaperturen beziehungsweise Empfangsaperturen sind sowohl ein hohes Maß an Augensicherheit als auch eine sehr hohe Reichweite beziehungsweise Messdistanz erzielbar. Große Abmessungen von Sendeapertur und Empfangsapertur wirken sich ebenfalls positiv auf die Unempfindlichkeit gegen Regentropfen sowie Staubpartikel und Schmutzpartikel aus. Dafür weisen diese Systeme eine große Baugröße, eine geringe Framerate sowie eine geringe mögliche Auflösung in der nicht rotierenden Achse auf.
Ein koaxialer Scanner weist eine gemeinsame Sende- und Empfangsoptik auf. Bei einem biaxialen System sind der Sendepfad sowie der Empfangspfad komplett voneinander getrennt aufgebaut. Das koaxiale Makroscanner System kann in horizontaler Richtung rotierend beweglich sein. Die vertikale Auflösung kann mit einer Mehrzahl von Sendequellen erreicht werden. Die biaxiale Bauweise weist einen sogenannten Parallaxenfehler auf.
Als Mikroscanner können Systeme bezeichnet werden, welche die Sendestrahlablenkung mittels eines sich alternierend bewegenden Mikrospiegels realisieren. Da bei dieser Bauart von Laser-Scannern lediglich ein sehr kleiner Mikrospiegel bewegt wird, werden Mikroscanner oftmals als Solid-State Systeme bezeichnet. Diese Systeme zeichnen sich durch ihre relativ kleine Bauform, hohe Frameraten und kompakt realisierbaren Strahlablenkungen in horizontaler sowie vertikaler Richtung, beispielsweise über einen 2D-Mikrospiegel aus. Dafür sind die maximale Winkelauslenkung hinsichtlich des maximal möglich scanbaren Sichtfelds und die mögliche Strahlaufweitung aufgrund der Spiegel-Abmessungen begrenzt. Weiterhin sind die Augensicherheit und die Robustheit gegen Verschmutzung der Sendeapertur beziehungsweise Empfangsapertur reduziert. Koaxiale Mikroscanner können im Idealfall detektorseitig mit lediglich einer einzigen Fotodiode realisiert werden, was ein hohes Potential an Kostenersparnis durch die geringere Detektorfläche ermöglicht. Dies ist aufgrund der für jeden Scanpunkt eindeutigen Spiegelstellung möglich. Bei biaxialen Systemen ist die Auflösung mittels eines Detektorarrays zu bewerkstelligen, welches das gesamte abzuscannende Sichtfeld eindeutig je Messpunkt zuordenbar macht.
Ein Mikroscanner kann auch koaxial mit einer Strahlaufweitung basierend auf Mikrooptik ausgeführt werden. Die Strahlaufweitung ist dabei für große Messdistanzen ausreichend, ohne gleichzeitig den Scanwinkel des Sendestrahls zu reduzieren und bietet genügende Augensicherheit. Durch die Verwendung mikrooptischer Elemente kann dabei die allgemeine Problematik der Gegenläufigkeit von Strahlaufweitung und Ablenkwinkel umgangen werden.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden makroskopisch bewegliche Bauteile vermieden, da kein rotierendes System vorhanden ist und eine kleine Bauform beispielsweise durch µ-Spiegel verwendet wird. So wird eine hohe mechanische Robustheit erreicht. Die große Sendeapertur 202 bewirkt bei dem hier vorgestellten Laserscanner 100 eine hohe Augensicherheit und eine hohe Robustheit gegen Partikel, Staub und Dreck. Die große Empfangsapertur 202 bewirkt eine hohe Reichweite. Durch den koaxialen Strahlengang werden Parallaxenfehler vermieden. Es erfolgt eine Entkopplung zwischen dem maximal erforderlichen Auslenkwinkel des Spiegels 110 und dem maximal möglichem Sichtfeld (FoV) des Systems. Dabei ist der Auslenkwinkel minimal und das Sichtfeld maximal. Durch mehrere gleichzeitige Messungen wird die Messrate erhöht. Trotz des koaxialen Strahlengangs ergibt sich eine sehr starke Entkopplung der Sendeseite zur Empfangsseite bei gleichzeitiger minimaler Detektorfläche.
Durch den hier vorgestellten Systemansatz mit dem als Mikrospiegel 110 ausgeführten Spiegelelement 110 kann dessen Ablenkwinkel minimal gehalten werden und trotzdem kann ein großes Sichtfeld abgescannt werden. Dabei wird der Sendestrahl 116 aus Augensicherheitsgründen aufgeweitet, um größere Messdistanzen zu realisieren. Dieser wird vor Verlassen des Systems unter Verwendung einer Matrix 216 beziehungsweise eines Arrays in ein Strahlenbündel aus einzelnen Strahlen 218 übersetzt, was eine teilweise simultane Ausleuchtung des Sichtfelds durch einen sogenannten Teil-Flash ermöglicht. Empfangsseitig wird das reflektierte Strahlenbündel 120 auf den Mikrospiegel 110 fokussiert und auf einem kleinen Detektorarray 134 beziehungsweise einer Detektormatrix aufgelöst. Dabei weist das Detektorarray 134 mindestens die gleiche Pixel-Anzahl auf, wie zeitgleich im Strahlenbündel Strahlen 218 ausgesendet werden.
Über den Parallelversatz zwischen dem Sendepfad 102 und dem Empfangspfad 104 sind beide Pfade größtenteils von einander entkoppelt und lassen sich separat auf die jeweiligen Erfordernisse optimieren. Aufgrund dieses Versatzes können zusätzlich Winkelungenauigkeiten durch Vibrationen oder ein Hystereseverhalten des Spiegelelements 110 beziehungsweise µ-Spiegels in eine axiale Sendestrahlparallelverschiebung transformiert werden, was sich lediglich in einem Intensitätsverlust aber nicht in einer Winkeländerung des Scanwinkels niederschlägt. Bei bisherigen Systemen resultieren kleine Winkeländerungen am µ-Spiegel in signifikanten Winkelabweichungen für großen Messdistanzen.
Durch die Entkopplung des Sendepfads 102 und des Empfangspfads 104 ist eine separate Optimierung möglich. Gleichzeitig wird über den Koaxial-Ansatz eine sendeseitige Strahlaufweitung und eine empfangsseitige Kollimierung erreicht. Durch die sendeseitige Strahlaufweitung und die empfangsseitiger Fokussierung auf den µ-Spiegel 110 sind eine sehr große Sendeapertur 202 und eine sehr große Empfangsapertur 202 möglich. Da die notwendige detektorseitiger Auflösung nur proportional zur Anzahl parallel geschossener Scanpunkte im Feld ist, ist eine kleine Detektorgröße möglich. Bei bisherigen biaxialen Systemen ist eine direkte Korrelation zwischen der Detektorgröße und dem möglichen Sichtfeld beziehungsweise FoV gesetzmäßig. Durch das koaxiale Abstrahlen und Empfangen weist der hier vorgestellte Laserscanner 100 keinen Parallaxenfehler auf.
Der hier vorgestellte Aufbau führt zu einer Kompensation beziehungsweise Tolerierung von Winkelabweichungen beziehungsweise Unsicherheiten des vibrationsempfindlichen und erschütterungsempfindlichen µ-Spiegels 110. Winkelabweichungen resultieren nur in einem parallelem Axial-Versatz und einem geringen sendeseitigem Intensitätsverlust. Es ergeben sich definierte Scan-Strahlpositionen im Field of View (FoV) durch eine quasi statische Feldabtastung. Es ist eine sehr geringe Auslenkung des µ-Spiegels 110 notwendig, was zu einer verringerten mechanischen Belastung für die bewegliche Ablenkeinheit 110 führt.
Im Sendepfad 102 erfolgt in einem Ausführungsbeispiel eine Kombination aus einer Strahlvervielfachung, einer Strahlaufweitung und einer Aufteilung. Dabei wird durch die Scan-Strahl-Multiplikation ein Teilflash erreicht, was einen Einsatz eines SPAD Detektorarrays 134 ermöglicht und potentiell zu einer Kostenersparnis führt. Weiterhin ist durch den Teilflash eine hohe Bildrate möglich.
Es ist keine hochgenaue Fokussierung und Positionierung auf mikrooptische Elemente notwendig. Durch Vibrationen des µ-Spiegels können bei mikrooptischen Elementen schnell Aberrationen und ungewünschte Beugungseffekte auftreten.
Aufgrund der konstruktiven Auslegung mit empfängerseitig kollimiert achsparallelem Strahlengang ist ein sehr schmalbandiges optisches Filter einsetzbar
Im Folgenden wird das teilkoaxiale System beziehungsweise Offset-Koaxiale System unterteilt in einen Sendepfad 102 und einen Empfangspfad 104 beschrieben. Der Sendepfad 102 ist zu der eigentlichen ersten optischen Achse parallel versetzt. Dabei ist die Sendeseite Off-Axis und die Empfangsseite ist On-Axis. Der Empfangspfad 104 wird über Spiegelkombinationen 204 wieder zurückgelenkt, auf den Mikrospiegel 110 fokussiert und auf den Detektor 134 projiziert.
Der Mittelpunkt beziehungsweise Rotationspunkt des µ-Spiegels 110 stellt bezüglich der Horizontalen die eigentliche erste optische Achse dar, welche für den Empfangspfad 104 verwendet wird.
Die Lichtquelle 122, wie beispielsweise ein Laser, wird je nach Axial-Parallel-Versatz Variante entweder auf den µ-Spiegel 110 kollimiert oder fokussiert.
Bei dem Linsensystem 202 für Sendepfad 102 und Empfangspfad 104 kann ein telezentrisches Objektiv 202 verwendet werden, damit sämtliche konvergierende Strahlen in einer Ebene 206 fokussiert werden.
Der absolute Parallelabstand der ersten optischen Achse zum Sendestrahl 116 beziehungsweise der zweiten optischen Achse ist über den µ-Spiegel 110 Ablenkwinkel und den absoluten Offset der beiden optischen Achsen eindeutig zueinander bestimmt und hängt direkt äquidistant miteinander zusammen.
Je nach verwendeter Variante des Axial-Parallel Versatzes kann noch ein Linsensystem geschaltet werden, um die korrekte Zuordnung des µ-Spiegel Winkels zum Offset zu gewährleisten.
Der µ-Spiegel 110 kann mit sehr kleinen Abmessungen ausgelegt werden, da im Idealfall lediglich ein Fokuspunkt abgelenkt wird.
Die verwendete Laserquelle 122 kann für ein oder mehrere LIDAR-Systeme gemeinsam verwendet werden. Zum Beispiel kann über einen „Switch“ das Sendelicht 124 eines leistungsfähigen Faserlasers 122 auf mehrere Messsysteme aufgeteilt werden.
Anhand des Ablenkwinkels des µ-Spiegels 110 und des jeweiligen Axial-Versatzes wird eine Parallelverschiebung der sendeseitigen optischen Achse realisiert. Der Sendestrahl 116 wird optional aufgeweitet und/oder vervielfältigt beziehungsweise aufgefächert, sodass er parallel zur optischen Achse verläuft. Dies geschieht über mehrere mögliche Varianten.
Der Sendestrahl 116 kann dann entweder kegelförmig beziehungsweise punktsymmetrisch oder auch elliptisch aufgeweitet werden. Das Aufweitungsmodul 222 beziehungsweise die Aufweitungskomponente 222 ist als Array aufgebaut. Aufgrund der deutlich größeren Abmessungen der einzelnen Arrayelemente bezüglich des eintreffenden Strahls 116 und der in Flächenwinkel, Neigung etc. an den Sendestrahl 116 angepassten Geometrie, kann eine Winkelungenauigkeit des µ-Spiegels 110 in einen Axial-Parallel Versatz transformiert werden.
Die nachgeschaltete Strahl-Multiplikationskomponente 216 ist ebenfalls als Array mindestens gleicher Größe aufgebaut und kann aus der gleichen Anzahl an Arrayelementen beziehungsweise Makropixel bestehen, wie die Komponente 222 der Strahlaufweitung. Die Pixel der Strahl-Multiplikationskomponente 216 sind zu den Pixeln der Strahl-Aufweitungskomponente 222 ausgerichtet. Die Strahlaufweitung sorgt dabei für gleichmäßiges homogenes Ausleuchten des Pixels. Das Pixel kann auch mit etwas Überlapp ausgeleuchtet werden. Mittels dieses Überlapps können die vom µ-Spiegel 110 generierten Winkelungenauigkeiten kompensiert und von der eigentlichen Scan-Strahl Position im Feld entkoppelt werden. Bei einem außermittigen Auftreffen resultiert nur ein Intensitätsverlust. Das Modul Strahl-Multiplikation wirkt lichtaustrittseitig wie eine Vielzahl an Streu- bzw. Sammellinsen und generiert simultan die Anzahl n divergenter Punktlichtquellen je Arrayelement, wodurch eine Matrix an ScanStrahlen 218 aufgefächert wird. Die Lichtquellen werden über die gemeinsame Sende- und Empfangsapertur 202 einzeln kollimiert und jeweils in unterschiedliche Feldwinkel abgelenkt. Hierbei ist der Scan-Strahldurchmesser größer verglichen zum ursprünglichen Sendestrahl 116 - in Hinblick auf Augensicherheit und größerer möglicher Reichweite.
Im Empfangspfad 104 kommt die Anzahl n an Sendestrahlen 120 aus Feldwinkeln, jeweils identisch den Sendewinkeln eindeutig zuordenbar, zurück. Aus Unendlich kommen die Sendestahlen 120 als parallele Strahlenbündel zurück. Der Durchmesser der einzelnen empfangenen Strahlen 120 kann deutlich größer als die Empfangsapertur 202 sein, wodurch diese gänzlich mit Licht aus den einzelnen Feldwinkeln geflutet wird.
Hinter, beziehungsweise in der Darstellung links der Empfangsapertur 202 treffen die Strahlen 120 auf einen Strahlteiler 200, beispielsweise 50/50 oder polarisierend, der alle Strahlen 120 des gesamten Field of View FoV auf einen 45° Umlenkspiegel 204 lenkt und wieder auf die erste optische Achse spiegelt. Die konvergenten Strahlen 120 aus unterschiedlichen Feldwinkeln werden auf einer Ebene 206 fokussiert und zum Beispiel über ein µ-Linsenarray jeweils kollimiert. Der große Vorteil hierbei ist, dass nun sämtliche Strahlen 120 in einem einzigen Winkel, also parallel zur optischen Achse verlaufen, was den Einsatz eines sehr engen optischen Filters an dieser Stelle oder auch direkt vor dem Detektor 134 ermöglicht.
Über eine nachgeschaltete Sammellinse 210 werden sämtliche Empfangsstrahlen 120 auf den µ-Spiegel 110 fokussiert und optional auf eine weitere Sammellinse 212 mit kleinerer Brennweite gelenkt, damit wiederum kleine Strahldurchmesser realisiert werden können und das Strahlenbündel auf einem Detektorarray 134 mit möglichst geringen Abmessungen abbildbar ist. Das Detektorarray 134 weist zumindest die Größe beziehungsweise Auflösung der parallel geschossenen Sendestrahlen 218 auf.
Sämtliche sequentiellen Sendeschüsse und somit empfangenen reflektierten Strahlenbündel können, aufgrund der Gesamtsystemanordnung und des eindeutigen Zusammenhangs des µ-Spiegel-Winkels zur Bildhöhe der jeweiligen Empfangsstrahl-Matrix, auf ein und demselben Detektorarray 134 abgebildet werden.
3 zeigt eine Darstellung eines Winkelverstärkers 300 als Teil einer Strahlformungseinheit 214 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Winkelverstärker 300 ist hier als Lichttrichter 300 ausgeführt und kann beispielsweise in einem Laserscanner, wie er in 2 dargestellt ist verbaut werden. Der Lichttrichter 300 ist ein verspiegelter Hohlleiter. Der Hohlleiter weist einen quadratischen Querschnitt auf. Der Querschnitt verjüngt sich von einer Eingangsseite 302 zu einer Ausgangsseite 304. Aufgrund der Verjüngung wird einfallendes Licht 116 in immer steiler werden Winkeln an den Wänden des Lichttrichters 300 reflektiert, wodurch ein Ausfallswinkel β proportional zu einem Einfallswinkel α vergrößert wird.
In einem Ausführungsbeispiel erfolgt eine µ-Spiegel Winkelverstärkung, um einen möglicherweise bauraumbedingten größeren notwendigen Axialversatz der optischen Achsen zu realisieren.
Die Winkelverstärkung kann beispielsweise durch einen Lichttrichter 300 beziehungsweise pyramidenstupfförmigen Hohlleiter aus Spiegeln erfolgen. Hier wirkt sich die Spiegelung an den Innenseiten des Lichttrichters 300 auf eine Vergrößerung des Lichtaustrittswinkels β verglichen mit dem Lichteintrittswinkel α aus.
4 zeigt eine Darstellung einer Bi-Fokallinse 400 als Strahlformungseinheit 214 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Die Bi-Fokallinse 400 weist einen Innenbereich 402 und einen den Innenbereich 402 umschließenden Außenring 404 auf. Der Innenbereich 402 und der Außenring 404 weisen unterschiedliche Brennweiten auf. Dadurch werden bei der hier dargestellten Bi-Fokallinse 400 Lichtstrahlen die durch den Innenbereich 402 fallen, weniger stark gebrochen, als Lichtstrahlen, die durch den Außenring 404 fallen.
Bi-Fokallinsen 400 können in Kombination eines Teleskopaufbaus verwendet werden. Dabei ist für eine große Winkelauslenkung der Randbereich 404 für den Sendepfad kürzer brennweitig ausgeführt. Das Zentrum 402 hingegen ist für den Empfangspfad länger brennweitig ausgeführt, um die Einzelstrahlen des einfallenden Strahlenbündels im Durchmesser zu verkleinern, wodurch geringere Abmessungen des Detektors erreicht werden können. Die Winkelverstärkung kann auch durch Flüssiglinsen erfolgen, welche zwischen zwei Fokusstellungen umschaltbar sind.
5 zeigt eine Darstellung eines Fresnel-Spiegels 500 als Ablenkelement 126 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Bei dem Fresnel-Spiegel 500 ist eine parabelförmige Spiegeloberfläche in kontinuierlicher Bauform 502 und in einer segmentierten Bauform mittels parabolischer Teilspiegel 504 dargestellt. Die Teilspiegel 504 sind übereinander angeordnet, wobei die spiegelnden Oberflächen in Zwischenräumen zwischen den Teilspiegeln 504 angeordnet sind. Das Laserlicht 116 durchdringt den Fresnel-Spiegel 500 und wird in den Zwischenräumen an den spiegelnden Oberflächen gespiegelt.
Der sendeseitige Axial-Parallel-Versatz kann beispielsweise über Off-Axis Parabolspiegel 502, Stufenspiegel 504 oder ein customized Spiegel „Array“ 504 eingestellt werden.
6 zeigt eine Darstellung eines Strahlerweiterers 222 als Teil einer Strahlformungseinheit 214 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Strahlerweiterer 222 kann als Strahlauffächerungsarray 222 bezeichnet werden und kann beispielsweise wie in 2 verwendet werden. Das Strahlauffächerungsarray 222 weist in Zeilen und Spalten angeordnete Auffächerungszellen 600 auf. Jede Auffächerungszelle 600 weist beispielsweise drei Teilbereiche 602, 604, 606 auf. Jeder Teilbereich 602, 604, 606 weist eine unterschiedliche Lichtdurchlässigkeit auf. Das Laserlicht 116 fällt auf einer Rückseite des ersten Teilbereichs 602 in eine Auffächerungszelle 600 ein. Im ersten Teilbereich wird ein Drittel des Lichts transmittiert und zwei Drittel des Lichts werden in einen Lichtleiter 608 hinter den Teilbereichen 602, 604, 606 reflektiert. Im zweiten Teilbereich 604 wird die Hälfte des verbleibenden Lichts transmittiert und die andere Hälfte wieder in den Lichtleiter 608 reflektiert. Im dritten Teilbereich 606 wird alles verbleibende Licht aus dem Lichtleiter 608 transmittiert.
Die Strahlaufweitung, Vervielfachung und/oder Aufteilung für jede einzelne µ-Spiegel Stellung kann beispielsweise über ein Teleskop, Zylinderlinsen und/oder Prismen erreicht werden. Dabei können die Prismen in Totalreflexion betrieben werden, wobei die größtmögliche µ-Spiegel-Winkelungenauigkeit kompensierbar ist. Ebenso können die Prismen mit unterschiedlich reflektierender Segmentierung der Lichteintrittsflächen und Lichtaustrittsflächen ausgeführt sein. Die Strahlaufweitung, Vervielfachung oder Aufteilung kann auch durch eine Kombination aus Linsen und Prismen erreicht werden. Das Modul der Strahlaufweitung, Vervielfachung und/oder Aufteilung kann auch als Array aufgebaut sein.
7 zeigt eine Darstellung eines Strahlvervielfältigers 216 als Teil einer Strahlformungseinheit 214 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Der Strahlvervielfältiger 216 kann als Scanstrahlarray 216 bezeichnet werden und kann beispielsweise wie in 2 verwendet werden. Das Scanstrahlarray 216 weist in Zeilen und Spalten angeordnete Strahlformungselemente 700 auf. Jedes Strahlformungselement 700 ist dazu ausgebildet, aus einfallendem Laserlicht einen Scanstrahl zu erzeugen. Dabei unterscheiden sich benachbarte Scanstrahlen geringfügig in ihrem Abstrahlwinkel im Feld, aufgrund des unterschiedlichen Abstands zur optischen Achse 128, sodass sie nach Austritt aus der Sende-/ Empfangsapertur 202 divergieren. Ein Auftreffpunkt 702 des Laserlichts ist dabei so groß, dass er auf mehrere der Strahlformungselemente 700 fällt. So werden immer mehrere Scanstrahlen erzeugt. Hier liegen beispielhaft neun Strahlformungselemente 700 innerhalb des Auftreffpunkts 702.
Somit werden im hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem einfallenden Laserstrahl gleichzeitig neun Scanstrahlen erzeugt. Bei einem größeren Auftreffpunkt 702 können auch mehr Strahlformungselemente innerhalb des Auftreffpunkts 702 liegen. Wenn die Strahlformungselemente 700 größer sind, können auch weniger Strahlformungselemente 700 innerhalb des Auftreffpunkts liegen. Wenn der Auftreffpunkt 702 durch eine Änderung des Scanwinkels auf dem Scanstrahlarray 216 wandert, wandert das Laserlicht über die Strahlformungselemente 700 hinweg. Dadurch verändert sich eine Zusammensetzung des Bündels an emittierten Scanstrahlen mit jeder Änderung des Scanwinkels.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Laserlichtquelle gepulst betrieben. Von Puls zu Puls wird der Scanwinkel verändert und der Auftreffpunkt 702 des Laserlichts wandert auf dem Strahlvervielfältiger 216. Dabei wird ein und dasselbe Strahlformungselement 700 während mehrerer aufeinanderfolgender Pulse getroffen und erzeugt jeweils seinen Scanstrahl mit genau demselben Abstrahlwinkel. Im dargestellten Beispiel wird jeder Scanstrahl dreimal erzeugt. Dadurch kann der gleiche Raumpunkt dreimal hintereinander abgetastet werden, wodurch eine Messgenauigkeit beziehungsweise Zuverlässigkeit erhöht werden kann.
Der Detektor des Laserscanners benötigt im dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich eine Matrix aus 3x3 Bildpunkten, da über die Scanwinkelkompensation jeder Bildpunkt genau einem Scanstrahl zugeordnet werden kann. Beim Wandern des Auftreffpunkts 702 über das Scanstrahlarray 216 ist dabei dem gleichen Scanstrahl ein unterschiedlicher Bildpunkt zugeordnet. So kann auch mit einem defekten Bildpunkt gemessen werden.
Der Strahlvervielfältiger 216 kann als Scan-Strahl Multiplikationsmodul 216 bezeichnet werden und kann beispielsweise diffraktive optische Elemente oder Hologramme aufweisen. Das Modul Scan-Strahl Multiplikation kann als ein zum Array der Strahlaufweitung passendes Array ausgeführt sein. Das Modul kann aber auch mittels refraktiven und/oder streuenden Elementen realisiert werden. Dabei kann das Array 216 je µ-Spiegel Winkelstellung ein optisches Element beziehungsweise Hologramm aufweisen.
8 zeigt eine Darstellung eines Systems zur Korrektur der Laserlichtsorientierung als Teil einer Strahlformungseinheit 214 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Die durch die Spiegelung am Ablenkelement hervorgerufene Ablenkung des Laserlichts 116 kann über ein solches System korrigiert bzw. der Einfallswinkel 118 an den Scanwinkel 114 angeglichen werden.
9 zeigt die Darstellung eines Linsen-Planspiegel-Systems als Ablenkeinheit 126. Durch eine Linse 900, die fokussierend zum Spiegelelement bzw. dessen Drehpunkt angeordnet ist, kann der Scanwinkel 114 des divergenten Laserlichts 116 kollimiert und über einen nachgeschalteten Planspiegel 902 in äquidistante Parallelstrahlen zur Sendeachse 128 bzw. Empfangsachse 130 überführt werden.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Laserscanner (100), mit einem Sendepfad (102) und einem von dem Sendepfad (102) zumindest bereichsweise räumlich getrennten Empfangspfad (104), dadurch gekennzeichnet, dass der Sendepfad (102) und der Empfangspfad (104) aus unterschiedlichen Winkeln (106, 108) auf ein winkelbewegliches Spiegelelement (110) des Laserscanners (100) treffen, wobei eine Winkelstellung (112) des Spiegelelements (110) im Sendepfad (102) einen Scanwinkel (114) eines Laserlichts (116) des Laserscanners (100) definiert und die Winkelstellung (112) im Empfangspfad (104) einen Einfallswinkel (118) einer Reflexion (120) des Laserlichts (116) kompensiert.
Laserscanner (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Empfangspfad (104) ein telezentrisches Objektiv (102) und eine Abbildungsoptik (210) angeordnet sind, wobei eine Abbildungsebene (206) des Objektivs (202) in einer Eingangsebene (208) der Abbildungsoptik (210) angeordnet ist, und die Abbildungsoptik (210) auf das Spiegelelement (110) fokussiert ist.
Laserscanner (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendepfad (102) und der Empfangspfad (104) zumindest bereichsweise parallel verlaufende optische Achsen (128, 130) aufweisen, wobei im Sendepfad (102) und/oder im Empfangspfad (104) zumindest ein Ablenkelement (126, 204) angeordnet ist, um die jeweilige optische Achse (128, 130) auf das Spiegelelement (110) abzulenken.
Laserscanner (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Sendepfad (102) ein auf das Spiegelelement (110) fokussierendes Ablenkelement (126) angeordnet ist, wobei das fokussierende Ablenkelement (126) dazu ausgebildet ist, den Scanwinkel (114) des Laserlichts (116) in einen lateralen Versatz zu der optischen Achse (128) umzuwandeln.
Laserscanner (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das fokussierende Ablenkelement (126) als eine Kombination aus einer optischen Linse (900) und einem Planspiegel (902) ausgebildet ist, um den Scanwinkel (114) in einen parallelen lateralen Versatz zu der optischen Achse (128) umzuwandeln.
Laserscanner (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanwinkel (114) einen Auftreffpunkt (702) des Laserlichts (116) auf einer Strahlformungseinheit (214) des Laserscanners (100) definiert, wobei die Strahlformungseinheit (214) dazu ausgebildet ist, das von dem Laserscanner (100) emittierte Laserlicht (116) in Abhängigkeit von dem Auftreffpunkt (702) zu formen.
Laserscanner (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit (214) eine Matrix aus Strahlformungselementen (700) aufweist, wobei jedes Strahlformungselement (700) dazu ausgebildet ist, einen Scanstrahl (218) mit einem festen Raumwinkel zu formen, wenn das Laserlicht (116) auf das Strahlformungselement (700) fällt.
Laserscanner (100) gemäß Anspruch 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit (214) zumindest ein Linsensystem aufweist, das dazu ausgebildet ist, eine Orientierung des Laserlichts (114) aufgrund der Spiegelung am Ablenkelement (126, 204) zu korrigieren, um eine ortsfeste Abbildung detektorseitig zu erzeugen.
Laserscanner (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit (214) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Auftreffpunkts (702) aus dem Laserlicht (116) je zumindest zwei divergierende Scanstrahlen (118) zu formen.
Laserscanner (100) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor (134) des Laserscanners (100) Detektorelemente aufweist, wobei eine Anzahl der Detektorelemente zumindest einer Anzahl der simultan emittierten Scanstrahlen (218) entspricht.
Laserscanner (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner (100) eine im Sendepfad (102) und im Empfangspfad (104) angeordnete Sende- und Empfangsapertur (202) zum koaxialen Senden des Laserlichts (116) und Empfangen der Reflexion (120) aufweist, wobei zwischen der Sende- und Empfangsapertur (202) und dem Spiegelelement (110) ein Strahlteiler (200) zum Leiten der Reflexion (120) in den Empfangspfad (104) angeordnet ist.