DE102017208896A1

DE102017208896A1 - LIDAR device for scanning a scanning area with minimal space requirement

Info

Publication number: DE102017208896A1
Application number: DE102017208896.6A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Fiess; Tobias Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2018-11-29
Also published as: EP3631498A1; WO2018215407A1

Abstract

Offenbart ist eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches mit mindestens einem Strahl, aufweisend mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen des mindestens einen Strahls und zum Einkoppeln des mindestens einen Strahls in mindestens einen Lichtwellenleiter, eine Ablenkvorrichtung zum Ablenken des mindestens einen Strahls in den Abtastbereich, aufweisend eine Empfangseinheit zum Empfangen mindestens eines an einem Objekt reflektierten Strahls und zum Ablenken des mindestens einen reflektierten Strahls auf einen Detektor, wobei die Ablenkvorrichtung ein holografisches optisches Element und einen Spatial Light Modulator aufweist.

Disclosed is a LIDAR device for scanning a scanning region having at least one beam, comprising at least one radiation source for generating the at least one beam and for coupling the at least one beam into at least one optical waveguide, a deflection device for deflecting the at least one beam into the scanning region a receiving unit for receiving at least one beam reflected on an object and for deflecting the at least one reflected beam onto a detector, the deflecting device comprising a holographic optical element and a spatial light modulator.

Description

Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches mit mindestens einem Strahl, mit mindestens einer Strahlenquelle zum Erzeugen des mindestens einen Strahls und zum Einkoppeln des mindestens einen Strahls in mindestens einen Lichtwellenleiter, mit einer Ablenkvorrichtung zum Ablenken des mindestens einen Strahls in den Abtastbereich, mit einer Empfangseinheit zum Empfangen mindestens eines an einem Objekt reflektierten Strahls und zum Ablenken des mindestens einen reflektierten Strahls auf einen Detektor.The invention relates to a LIDAR device for scanning a scanning region with at least one beam, with at least one radiation source for generating the at least one beam and for coupling the at least one beam into at least one optical waveguide, with a deflection device for deflecting the at least one beam into the scanning region , comprising a receiving unit for receiving at least one beam reflected on an object and for deflecting the at least one reflected beam onto a detector.

Stand der TechnikState of the art

Übliche LIDAR (Light detection and ranging) -Vorrichtungen bestehen aus einer Sende- und einer Empfangseinrichtung. Die Sendeeinrichtung weist eine Strahlenquelle auf, welche Strahlen kontinuierlich oder gepulst erzeugt. Die erzeugten Strahlen können anschließend über Ablenkvorrichtungen oder über eine ablenkbare Strahlenquelle definiert in einen Abtastbereich emittiert werden. Treffen diese Strahlen auf ein bewegliches oder stationäres Objekt, werden die Strahlen von dem Objekt in Richtung der Empfangseinrichtung reflektiert. Die Empfangseinrichtung kann die reflektierte elektromagnetische Strahlung detektieren und den reflektierten Strahlen eine Empfangszeit zuordnen. Dies kann beispielsweise im Rahmen einer „Time of Flight“-Analyse für eine Ermittlung einer Entfernung des Objektes zu der LIDAR-Vorrichtung verwendet werden. Abhängig von einem Anwendungsbereich kann neben einer kostengünstigen Herstellung und einer Robustheit der LIDAR-Vorrichtung der benötigte Bauraum einen entscheidenden Faktor darstellen.Conventional LIDAR (light detection and ranging) devices consist of a transmitting and a receiving device. The transmitting device has a radiation source which generates beams continuously or pulsed. The generated beams can then be emitted via deflection devices or via a deflectable radiation source defined in a scanning range. When these rays strike a movable or stationary object, the rays are reflected by the object towards the receiving device. The receiving device can detect the reflected electromagnetic radiation and assign a time of reception to the reflected beams. This can be used, for example, as part of a "Time of Flight" analysis for determining a distance of the object to the LIDAR device. Depending on a field of application, in addition to cost-effective production and robustness of the LIDAR device, the required installation space can be a deciding factor.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung zu schaffen, die einen minimalen Bauraumbedarf aufweist.The object underlying the invention can be seen to provide a LIDAR device, which has a minimal space requirement.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by means of the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of each dependent subclaims.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches mit mindestens einem Strahl bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen des mindestens einen Strahls und zum Einkoppeln des mindestens einen Strahls in mindestens einen Lichtwellenleiter auf. Eine Ablenkvorrichtung dient zum Ablenken des mindestens einen eingekoppelten Strahls in den Abtastbereich. Die LIDAR-Vorrichtung weist eine Empfangsoptik zum Empfangen mindestens eines an einem Objekt reflektierten Strahls und zum Ablenken des mindestens einen reflektierten Strahls auf einen Detektor auf. Erfindungsgemäß weist die Ablenkvorrichtung ein holografisches optisches Element und einen Spatial Light Modulator auf.According to one aspect of the invention, a LIDAR device is provided for scanning a scan area with at least one beam. The LIDAR device has at least one radiation source for generating the at least one beam and for coupling the at least one beam into at least one optical waveguide. A deflection device serves to deflect the at least one coupled-in beam into the scanning region. The LIDAR device has receiving optics for receiving at least one beam reflected at an object and for deflecting the at least one reflected beam onto a detector. According to the invention, the deflection device has a holographic optical element and a spatial light modulator.

Die mindestens eine Strahlenquelle kann kontinuierlich oder in einer definierten Pulsfolge mindestens einen elektromagnetischen Strahl erzeugen. Die mindestens eine Strahlenquelle ist hier derart zu dem Lichtwellenleiter angeordnet, dass die erzeugten Strahlen ganz oder teilweise in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden können. Dies bedeutet, dass zumindest ein Teil mindestens eines erzeugten Strahls sich durch einen Kern des Lichtwellenleiters fortsetzen und einem Verlauf des Lichtwellenleiters möglichst verlustfrei folgen kann. Hierdurch kann die mindestens eine Strahlenquelle im Hinblick auf einen minimalen Bauraumbedarf platziert werden, da die erzeugten Strahlen durch den Lichtwellenleiter beliebig geführt werden können. Der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl kann anschließend von der Ablenkvorrichtung abgelenkt werden. Dies geschieht durch eine Kombination eines holografischen optischen Elementes mit einem Spatial Light Modulator bzw. einem räumlichen Modulator für die erzeugten Strahlen. Alternativ kann statt des Spatial Light Modulators ein statischer Spiegel angeordnet sein. Dies kann beispielsweise bei Flash-LIDAR-Vorrichtungen vorteilhaft sein, da keine beweglichen Spiegel notwendig sind. Der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl folgt dem Verlauf des Lichtwellenleiters durch Totalreflektionen an Reflektionsseiten des Lichtwellenleiters. Die Reflektionsseiten stellen Grenzbereiche zwischen dem Kern des Lichtwellenleiters und einem den Kern umgebenden Material des Lichtwellenleiters dar. Die Reflektionsseiten können auch Grenzflächen zwischen zwei Bereichen bzw. Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes sein. Um das Licht aus einem Totalreflexionswinkel abzulenken und einen vorzugsweise nahezu senkrechten Einfall auf den an einer Reflektionsseite des Lichtwellenleiters positionierten Spatial Light Modulator zu realisieren, ist die dem Spatial Light Modulator gegenüberliegende Reflektionsseite des Lichtwellenleiters mit einem holografischen optischen Element versehen. Vorzugsweise kann das holografische optische Element ein Volumenhologramm mit einer optischen Umlenkfunktion sein. Anstatt einer Totalreflektion an einer Reflektionsseite des Lichtwellenleiters kann ein eingekoppelter Strahl auf das holografische optische Element treffen und von diesem unter einem größeren Winkel auf die dem holografischen optischen Element gegenüberliegende Reflektionsseite des Lichtwellenleiters und damit auf den Spatial Light Modulator reflektiert werden. Das holografische optische Element weist durch seine Eigenschaften eine kleine Winkelselektivität auf, sodass eine optische Funktion des holografischen optischen Elementes nur innerhalb eines kleinen Winkelbereiches, wie beispielsweise weniger als 1°, gegeben sein kann. Die erzeugten Strahlen sind vorzugsweise Laserstrahlen, die spektral schmalbandig sein können. Das holografische optische Element kann somit im Hinblick auf eine benötigte Winkelselektivität und die verwendeten Wellenlängen der Strahlenquelle besonders präzise auf die erzeugten Strahlen ausgelegt werden. Innerhalb des definierten Winkelbereiches kann das holografische optische Element reflektierend wirken. Außerhalb des Winkelbereiches kann das holografische optische Element ankommende Strahlen unbeeinflusst transmittieren. Nach einem Umlenken eines ankommenden Strahls durch das holografische optische Element auf den Spatial Light Modulator wird der mindestens eine Strahl von dem Spatial Light Modulator erneut in Richtung des holografischen optischen Elementes reflektiert. Durch einen resultierenden größeren Winkel im Strahlengang kann der mindestens eine Strahl durch das holografische optische Element transmittieren. Alternativ oder zusätzlich können der Transmission durch das holografische optische Element definierte Filterfunktionen und/oder optische Strahlenformungsfunktionen zugewiesen werden.The at least one radiation source can generate at least one electromagnetic beam continuously or in a defined pulse sequence. The at least one radiation source is here arranged in such a way to the optical waveguide, that the generated rays can be wholly or partially coupled into the optical waveguide. This means that at least a part of at least one generated beam can continue through a core of the optical waveguide and follow a course of the optical waveguide as lossless as possible. In this way, the at least one radiation source can be placed with regard to a minimum space requirement, since the generated beams can be arbitrarily guided by the optical waveguide. The at least one beam coupled into the optical waveguide can then be deflected by the deflection device. This is done by a combination of a holographic optical element with a spatial light modulator or a spatial modulator for the generated beams. Alternatively, a static mirror may be arranged instead of the Spatial Light Modulator. This can be advantageous, for example, in the case of flash LIDAR devices, since no movable mirrors are necessary. The at least one beam coupled into the optical waveguide follows the course of the optical waveguide by total reflections on reflection sides of the optical waveguide. The reflection sides represent boundary regions between the core of the optical waveguide and a material of the optical waveguide surrounding the core. The reflection sides can also be interfaces between two regions or materials with different refractive indices. In order to deflect the light from a total reflection angle and to realize a preferably nearly vertical incidence on the Spatial Light Modulator positioned on a reflection side of the optical waveguide, the reflection side of the optical waveguide opposite the Spatial Light Modulator is provided with a holographic optical element. Preferably, the holographic optical element may be a volume hologram having an optical deflection function. Instead of a total reflection on a reflection side of the optical waveguide, a coupled beam can strike the holographic optical element and be reflected by it at a larger angle to the holographic optical element opposite reflection side of the optical waveguide and thus to the Spatial Light modulator. The holographic optical element has a small angular selectivity due to its properties, so that an optical function of the holographic optical element can be given only within a small angular range, such as less than 1 °. The generated beams are preferably laser beams which may be spectrally narrowband. The holographic optical element can thus be designed particularly precisely with respect to the generated beams with regard to a required angular selectivity and the wavelengths of the radiation source used. Within the defined angular range, the holographic optical element can have a reflective effect. Outside the angular range, the holographic optical element can transmit incoming rays uninfluenced. After redirecting an incoming beam through the holographic optical element to the spatial light modulator, the at least one beam is reflected by the spatial light modulator again in the direction of the holographic optical element. Due to a resulting larger angle in the beam path, the at least one beam can transmit through the holographic optical element. Alternatively or additionally, the transmission can be assigned by the holographic optical element defined filter functions and / or optical beam shaping functions.

Bei einer Verwendung von Spatial Light Modulatoren als Reflektoren muss üblicherweise der einfallende Strahl in einem relativ kleinen Winkel zur Flächennormale auf das SLM fallen. Der entsprechende Winkel kann beispielsweise 3° bis 10° sein. Es kann somit ein Bauraum mit mehreren cm oder bis mehreren 10cm Länge notwendig sein, der insbesondere aus einer verwendeten Strahlquelle, einer nachfolgenden Strahlaufweitung und einer Freiraumpropagation resultiert. Durch die Einkopplung mindestens eines Strahls über einen Lichtwellenleiter in Kombination mit einem holografischen optischen Element ist eine besonders flache Bauweise für eine Beleuchtungsoptik der LIDAR-Vorrichtung möglich. Des Weiteren führt dies zu einer Vermeidung von Abschattungen und konstruktionsseitigen Konflikten aus einem Belichtungsstrahlengang zum Belichten eines Abtastbereiches und einem Empfangsstrahlengang, der in dem Abtastbereich von einem Objekt reflektiert wurde.When using Spatial Light modulators as reflectors usually the incident beam must fall on the SLM at a relatively small angle to the surface normal. The corresponding angle can be, for example, 3 ° to 10 °. It may thus be necessary a space with several cm or several 10cm in length, resulting in particular from a used beam source, a subsequent beam expansion and a free space propagation. By coupling at least one beam via an optical waveguide in combination with a holographic optical element, a particularly flat construction for an illumination optics of the LIDAR device is possible. Furthermore, this results in avoiding shadowing and design-side conflicts from an exposure beam path for exposing a scan area and a receive beam path reflected from an object in the scan area.

Als mögliche Ausführungsformen für den Spatial Light Modulator können beispielsweise ferroelektrische Flüssigkristalle auf einem Siliziumsubstrat bzw. LCoS, Mikrospiegelarrays als Anordnung von Piston Mirrors und dergleichen verwendet werden. Hierbei können hohe Schaltgeschwindigkeiten erreicht werden.As possible embodiments for the Spatial Light Modulator, for example, ferroelectric liquid crystals on a silicon substrate or LCoS, micromirror arrays as an arrangement of Piston mirrors and the like can be used. This high switching speeds can be achieved.

Nach einem Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl aus dem Lichtwellenleiter durch die Ablenkvorrichtung auskoppelbar. Die Ablenkvorrichtung ist derart mit dem Lichtwellenleiter verbindbar, dass die in den Lichtwellenleiter eingekoppelten Strahlen durch die Ablenkvorrichtung aus dem Lichtwellenleiter austreten können. An dem holografischen optischen Element wird ein eingekoppelter Strahl unter einem größeren Winkel, relativ zu der jeweiligen Reflektionsseite des Lichtwellenleiters, auf die gegenüberliegende Seite des Lichtwellenleiters reflektiert. Auf der gegenüberliegenden Seite wird der Strahl erneut in Richtung des holografischen optischen Elementes zurück reflektiert. Durch die Abhängigkeit der optischen Funktion des holografischen optischen Elementes von einem Einfallswinkel des Strahls, kann der Strahl bei einem erneuten Auftreffen durch das holografische optische Element ungehindert transmittieren. Hierdurch kann ein in den Lichtwellenleiter eingekoppelter Strahl quer zu einer Ausdehnung des Lichtwellenleiters aus diesem ausgekoppelt und zum Belichten eines Abtastbereiches verwendet werden.According to one embodiment of the LIDAR device, the at least one beam coupled into the optical waveguide can be coupled out of the optical waveguide by the deflection device. The deflection device can be connected to the optical waveguide such that the beams coupled into the optical waveguide can exit the optical waveguide through the deflection device. At the holographic optical element, a coupled beam is reflected at a larger angle relative to the respective reflection side of the optical waveguide to the opposite side of the optical waveguide. On the opposite side, the beam is again reflected back towards the holographic optical element. Due to the dependence of the optical function of the holographic optical element on an angle of incidence of the beam, the beam can transmit unimpeded upon a renewed impact by the holographic optical element. In this way, a beam coupled into the optical waveguide can be decoupled from the waveguide transversely to an extension of the optical waveguide and used to expose a scanning region.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl aus dem Lichtwellenleiter durch die Ablenkvorrichtung unter unterschiedlichen Abtastwinkeln auskoppelbar. Der Spatial Light Modulator der Ablenkvorrichtung weist eine Vielzahl an Pixeln auf, die einen eingekoppelten ankommenden Strahl unter definierten und veränderlichen Winkeln reflektieren können. Somit kann der Spatial Light Modulator die Aufgabe eines beweglichen Spiegels übernehmen. Hierdurch können die für einen üblichen schwenkbaren Ablenkspiegel benötigten Komponenten, wie beispielsweise Rotationseinheit, Antriebseinheiten, Parabolspiegel und dergleichen entfallen und der benötigte Bauraum für die LIDAR-Vorrichtung reduziert werden.According to a further exemplary embodiment of the LIDAR device, the at least one beam coupled into the optical waveguide can be decoupled from the optical waveguide by the deflection device at different scan angles. The Spatial Light Modulator of the deflection device has a plurality of pixels that can reflect a coupled incoming beam at defined and varying angles. Thus, the Spatial Light Modulator can take over the task of a movable mirror. As a result, the components required for a conventional pivotable deflection mirror, such as rotation unit, drive units, parabolic mirrors and the like can be omitted and the space required for the LIDAR device can be reduced.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist die Ablenkvorrichtung zumindest bereichsweise mit einer Reflektionsseite des Lichtwellenleiters strahlenleitend verbindbar. Die Ablenkvorrichtung kann beispielsweise an einen Kern des Lichtwellenleiters formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig anbringbar sein. Alternativ kann die Ablenkvorrichtung an einem lichtleitenden Substrat formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig anbringbar sein. Hierdurch kann die Ablenkvorrichtung an einer beliebigen Stelle eines Lichtwellenleiters angebracht sein, sodass beispielsweise der Lichtwellenleiter austauschbar ausgeführt sein kann. Diese Verbindungsart ermöglicht auch ein nachträgliches Austauschen der jeweiligen Komponenten und kann eine Montage der LIDAR-Vorrichtung vereinfachen.According to a further exemplary embodiment of the LIDAR device, the deflection device can be connected in a radiation-conducting manner at least in regions to a reflection side of the optical waveguide. The deflection device can be attached to a core of the optical waveguide in a form-fitting, cohesive or force-fit manner, for example. Alternatively, the deflection device can be attached to a light-conducting substrate in a form-fitting, cohesive or force-fit manner. As a result, the deflection device can be mounted at any point of an optical waveguide, so that, for example, the optical waveguide can be made interchangeable. This type of connection also allows for subsequent replacement of the respective components and can facilitate assembly of the LIDAR device.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist die Ablenkvorrichtung zumindest bereichsweise integral mit dem Lichtwellenleiter strahlenleitend verbindbar. Alternativ oder zusätzlich zum kraftschlüssigen oder formschlüssigen Verbinden der Ablenkvorrichtung mit dem Lichtwellenleiter, kann die Ablenkvorrichtung stoffschlüssig mit dem Lichtwellenleiter verbunden sein. Dies kann beispielsweise durch nachträgliches Kleben der Komponenten realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich können zumindest einige der Komponenten, wie beispielsweise das holografische optische Element bereits bei einer Herstellung des Lichtwellenleiters in einen äußeren Mantel des Lichtwellenleiters integriert werden.According to a further exemplary embodiment of the LIDAR device, the deflection device can be connected in a radiation-conducting manner, at least in regions, integrally with the optical waveguide. Alternatively or In addition to the non-positive or positive connection of the deflection device with the optical waveguide, the deflection device can be materially connected to the optical waveguide. This can be realized for example by subsequent gluing of the components. Alternatively or additionally, at least some of the components, such as, for example, the holographic optical element, can already be integrated into an outer jacket of the optical waveguide during manufacture of the optical waveguide.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist mindestens ein optisches Element in einem Strahlengang des mindestens einen ausgekoppelten Strahls angeordnet. Nachdem ein eingekoppelter Strahl durch die Ablenkvorrichtung aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt wurde, kann dieser durch mindestens eine Optik bzw. mindestens ein optisches Element nachträglich geformt werden. Der mindestens eine ausgekoppelte Strahl kann beispielsweise derart abgelenkt werden, dass die LIDAR-Vorrichtung einen größeren Abstrahlwinkel aufweisen kann. Somit kann ein größerer Abtastbereich belichtet werden. Mehrere ausgekoppelte Strahlen können alternativ oder zusätzlich zu einem linienförmigen Strahl geformt werden, welcher zum Belichten des Abtastbereiches genutzt werden kann.According to a further exemplary embodiment of the LIDAR device, at least one optical element is arranged in a beam path of the at least one outcoupled beam. After a coupled-in beam has been coupled out of the optical waveguide by the deflection device, it can be subsequently formed by at least one optical system or at least one optical element. For example, the at least one outcoupled beam can be deflected in such a way that the LIDAR device can have a larger emission angle. Thus, a larger scanning area can be exposed. Multiple outcoupled beams may be formed alternatively or in addition to a line-shaped beam that may be used to expose the scan area.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist das mindestens eine optische Element ein umgekehrtes Kepler-Teleskop. Es können zwei fokussierende Linsen unterschiedlicher Brennweiten derart zueinander angeordnet werden, dass eine erste Brennebene der ersten Linse und eine zweite Brennebene der zweiten Linse zusammenfallen. Hierdurch kann ein Kepler-Teleskop realisiert werden. Wenn eine Brennweite der zweiten Linse größer ist als die Brennweite der ersten Linse, ist die optische Anordnung ein umgekehrtes Kepler-Teleskop, welcher zu einer Strahlaufweitung verwendet werden kann. Insbesondere kann hierdurch ein Abtastwinkel und damit auch der Abtastbereich der LIDAR-Vorrichtung vergrößert werden.According to a further preferred embodiment of the LIDAR device, the at least one optical element is an inverted Kepler telescope. Two focusing lenses of different focal lengths can be arranged relative to each other such that a first focal plane of the first lens and a second focal plane of the second lens coincide. As a result, a Kepler telescope can be realized. If a focal length of the second lens is greater than the focal length of the first lens, the optical arrangement is a reversed Kepler telescope which can be used for beam broadening. In particular, in this way a scanning angle and thus also the scanning range of the LIDAR device can be increased.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung weist das optische Element zwei Linsen auf, die eine gemeinsame Brennebene haben. Eine Auslegung der LIDAR-Vorrichtung kann vereinfacht werden, wenn die Brennebene der ersten Linse und die Brennebene der zweiten Linse deckungsgleich sind. Der mindestens eine aus dem Lichtwellenleiter durch die Ablenkvorrichtung ausgekoppelte Strahl kann hierdurch gemäß einem Verhältnis der zweiten Brennweite und der ersten Brennweite in einem Austrittswinkel aufgeweitet bzw. abgelenkt werdenAccording to a further embodiment of the LIDAR device, the optical element has two lenses which have a common focal plane. An interpretation of the LIDAR device can be simplified if the focal plane of the first lens and the focal plane of the second lens are congruent. The at least one beam coupled out of the optical waveguide by the deflection device can thereby be widened or deflected at an exit angle in accordance with a ratio of the second focal length and the first focal length

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung koppelt die mindestens eine Strahlenquelle den mindestens einen Strahl über eine Erzeugungsoptik in den mindestens einen Lichtwellenleiter ein. Der mindestens eine erzeugte Strahl kann dadurch unabhängig von einer Strahlenquelle optimal in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Der mindestens eine erzeugte Strahl kann derart in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden, dass er unter einem optimalen Winkel durch Totalreflektionen an den Reflektionsseiten des Lichtwellenleiters von dem Lichtwellenleiter geführt wird. Die Reflektionsseiten des Lichtwellenleiters können auch Grenzflächen zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlichen Brechungsindizes sein. Hierdurch können auch Fertigungstoleranzen und montagebedingte Abweichungen zwischen der Strahlenquelle und dem Lichtwellenleiter ausgeglichen werden. Die Erzeugungsoptik kann hier aus einem oder mehreren optischen Elementen, wie beispielsweise Linsen, bestehen. Die optischen Elemente können auch teilweise oder ganz in den Lichtwellenleiter integriert sein oder zumindest teilweise mit dem Lichtwellenleiter verbunden sein.According to a further preferred embodiment of the LIDAR device, the at least one radiation source couples the at least one beam via a generating optical system into the at least one optical waveguide. The at least one generated beam can thereby be coupled optimally into the optical waveguide independently of a radiation source. The at least one generated beam can be coupled into the optical waveguide in such a way that it is guided by the optical waveguide at an optimum angle by total reflections on the reflection sides of the optical waveguide. The reflection sides of the optical waveguide can also be interfaces between two regions with different refractive indices. As a result, manufacturing tolerances and assembly-related deviations between the radiation source and the optical waveguide can be compensated. The generating optics can here consist of one or more optical elements, such as lenses. The optical elements can also be partially or completely integrated into the optical waveguide or at least partially connected to the optical waveguide.

Im Rahmen der Erfindung können auch mehrere Strahlenquellen verwendet werden, die parallel oder sequenziell in einen oder mehrere Lichtwellenleiter erzeugte Strahlen einkoppeln können. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine Strahlenquelle über entsprechende Erzeugungsoptik mindestens einen erzeugten Strahl in mehrere Lichtwellenleiter einkoppeln.Within the scope of the invention, it is also possible to use a plurality of radiation sources which can couple beams generated in parallel or sequentially into one or more optical waveguides. Alternatively or additionally, at least one radiation source can couple at least one generated beam into a plurality of optical waveguides via corresponding generation optics.

Im Folgenden wird anhand von einer stark vereinfachten schematischen Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt

1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

In the following, a preferred embodiment of the invention is explained in more detail with reference to a highly simplified schematic representation. This shows

1 a schematic representation of a LIDAR device according to a first embodiment,

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Strahlenquelle 2 auf. Die Strahlenquelle 2 ist hier ein Infrarotlaser 2, welcher kohärente Laserstrahlen 3 erzeugt. Die Strahlenquelle 2 ist derart positioniert, dass die erzeugten Strahlen 3 über eine Erzeugungsoptik 4 in einen Lichtwellenleiter 6 eingekoppelt werden. Ein in den Lichtwellenleiter 6 eingekoppelter Strahl 5 wird an Reflektionsseiten 8, 10 des Lichtwellenleiters 6 vollständig reflektiert und folgt dadurch einem Verlauf des Lichtwellenleiters 6. Im Verlauf des Lichtwellenleiters 6 ist an einer Reflektionsseite 8 des Lichtwellenleiters 6 ein holografisches optisches Element 12 angeordnet. Das holografische optische Element 12 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Volumenhologramm 12, welches winkelselektive optische Funktionen aufweist. Unter einem Winkel von beispielsweise kleiner als 1° relativ zu der Reflektionsseite 8 weist das Volumenhologramm 12 eine optische Umlenkfunktion auf. Somit können die auf das Volumenhologramm 12 einfallenden Strahlen 5 eine Winkelabweichung von ±0.5° von einem Akzeptanzwinkel des Volumenhologramms 12 aufweisen. Der Winkel der einfallenden Strahlen 5 muss kleiner als ein Totalreflexionswinkel des Lichtwellenleiters 6 sein. Ein eingekoppelter Strahl 5 wird bei einem Auftreffen auf das Volumenhologramm 12 durch die optische Umlenkfunktion unter einem größeren Winkel relativ zu der Reflektionsseite 8 in Richtung der gegenüberliegenden Reflektionsseite 10 umgelenkt bzw. reflektiert.The 1 shows a schematic representation of a LIDAR device 1 according to a first embodiment. The LIDAR device 1 has a radiation source 2 on. The radiation source 2 here is an infrared laser 2 , which is coherent laser beams 3 generated. The radiation source 2 is positioned so that the generated beams 3 via a production optics 4 in an optical fiber 6 be coupled. One in the optical fiber 6 coupled beam 5 gets at reflection pages 8th . 10 of the optical fiber 6 completely reflected and thus follows a course of the optical waveguide 6 , In the course of the optical waveguide 6 is on a reflection page 8th of the optical fiber 6 a holographic optical element 12 arranged. The holographic optical element 12 is a volume hologram according to the embodiment 12 which has angle-selective optical functions. At an angle of, for example, less than 1 ° relative to the reflection side 8th has the volume hologram 12 an optical deflection function. Thus, those on the volume hologram 12 incident rays 5 an angular deviation of ± 0.5 ° from an acceptance angle of the volume hologram 12 exhibit. The angle of the incident rays 5 must be less than a total reflection angle of the optical fiber 6 be. A coupled beam 5 is when hitting the volume hologram 12 by the optical deflection function at a larger angle relative to the reflection side 8th in the direction of the opposite reflection side 10 deflected or reflected.

Auf der gegenüberliegenden Reflektionsseite 10 des Lichtwellenleiters 6 ist ein Spatial Light Modulator 14 angeordnet. Das Volumenhologramm 12 und der Spatial Light Modulator 14 bilden zusammen eine Ablenkvorrichtung 16 der LIDAR-Vorrichtung 1. Der Spatial Light Modulator 14 weist eine Vielzahl an Pixeln auf, die einen Strahl in definierte Richtungen reflektieren können. Die jeweiligen Pixel können je nach Abtastrate und Anforderung der LIDAR-Vorrichtung 1 einzeln oder gemeinsam angesteuert werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Spatial Light Modulator 14 ein LCoS (liquid cristall on silicium). Der Spatial Light Modulator 14 dient hier als ein kompakter Ablenkspiegel mit einer Vielzahl an Pixeln bzw. Mikrospiegeln. Der mindestens eine von dem Volumenhologramm 12 auf den LCoS 14 umgelenkte Strahl wird von dem LCoS 14 erneut in Richtung des Volumenhologramms 12 reflektiert. Der ankommende Strahl weist durch das Umlenken und das erneute Reflektieren an dem LCoS 14 einen größeren Winkel relativ zu der Reflektionsseite 8 des Lichtwellenleiters 6 auf. Der vom LCoS 14 reflektierte Strahl 7 kann wegen der Winkelselektivität der optischen Funktion des Volumenhologramms 12 durch das Volumenhologramm 12 ungehindert transmittieren. Hierdurch wird der mindestens eine Strahl 7 aus dem Lichtwellenleiter 6 ausgekoppelt. Die Ablenkvorrichtung 16 koppelt den Strahl 7 quer zu einem Verlauf des Lichtwellenleiters 6 aus. An das Volumenhologramm 12 grenzt ein optisches Element 18. Das optische Element 18 ist hier ein umgekehrtes Kepler-Teleskop 18, welches aus einer ersten Linse 20 und einer zweiten Linse 22 besteht. Die zweite Linse 22 weist eine größere Brennweite auf als die erste Linse 20. Somit dient das optische Element 18 einer Strahlaufweitung des ausgekoppelten Strahls 7. Nach einem Passieren des ausgekoppelten Strahls 7 durch das optische Element 18 wird der ausgekoppelte Strahl 7 zu mindestens einem emittierten Strahl 9. Durch das optische Element 18 weist der emittierte Strahl 9 einen größeren Abstrahlwinkel auf als der mindestens eine ausgekoppelte Strahl 7. Zur Verdeutlichung der Funktion des LCoS 14 und des optischen Elementes 18 sind mehrere unter verschiedenen Winkeln ausgekoppelten Strahlen 7 und anschließend emittierten Strahlen 9 gestrichelt dargestellt. Durch das LCoS 14 kann ein Abtastwinkel mit den emittierten Strahlen 9 belichtet werden. Zusätzlich kann der Lichtwellenleiter 6 mit der Ablenkvorrichtung 16 rotiert oder geschwenkt werden, um einen zweiten Abtastwinkel und damit einen räumlichen Abtastbereich belichten zu können.On the opposite reflection side 10 of the optical fiber 6 is a Spatial Light Modulator 14 arranged. The volume hologram 12 and the Spatial Light Modulator 14 together form a deflection device 16 the LIDAR device 1 , The Spatial Light Modulator 14 has a plurality of pixels that can reflect a beam in defined directions. The respective pixels may vary depending on the sampling rate and request of the LIDAR device 1 individually or jointly controlled. According to the embodiment, the spatial light modulator 14 an LCoS (liquid crystal on silicon). The Spatial Light Modulator 14 serves as a compact deflection mirror with a multitude of pixels or micromirrors. The at least one of the volume hologram 12 on the LCoS 14 redirected beam is from the LCoS 14 again in the direction of the volume hologram 12 reflected. The incoming beam points through the redirecting and re-reflecting at the LCoS 14 a larger angle relative to the reflection side 8th of the optical fiber 6 on. The one from the LCoS 14 reflected beam 7 can because of the angular selectivity of the optical function of the volume hologram 12 through the volume hologram 12 transmit unimpeded. As a result, the at least one beam 7 from the optical fiber 6 decoupled. The deflection device 16 couples the beam 7 transverse to a course of the optical waveguide 6 out. To the volume hologram 12 borders an optical element 18 , The optical element 18 Here is an inverted Kepler telescope 18 which consists of a first lens 20 and a second lens 22 consists. The second lens 22 has a larger focal length than the first lens 20 , Thus, the optical element serves 18 a beam expansion of the decoupled beam 7 , After passing the decoupled beam 7 through the optical element 18 becomes the decoupled beam 7 to at least one emitted beam 9 , Through the optical element 18 indicates the emitted beam 9 a larger radiation angle than the at least one decoupled beam 7 , To clarify the function of the LCoS 14 and the optical element 18 are several rays coupled out at different angles 7 and then emitted rays 9 shown in dashed lines. Through the LCoS 14 can be a scanning angle with the emitted rays 9 be exposed. In addition, the optical fiber can 6 with the deflection device 16 be rotated or pivoted to expose a second scanning angle and thus a spatial scanning.

Sofern ein Objekt 24 in dem Abtastbereich positioniert ist, können die emittierten Strahlen 9 an dem Objekt 24 reflektiert oder zu der LIDAR-Vorrichtung 1 zurück gestreut werden. Hierdurch werden die emittierten Strahlen 9 zu reflektierten Strahlen 11. Die an dem Objekt 24 reflektierten bzw. gestreuten Strahlen 11 können anschließend von einer Empfangsoptik 26 empfangen werden. Die Empfangsoptik 26 ist in der Figur zur Veranschaulichung als eine Linse 26 dargestellt. Die Empfangsoptik 26 kann aus mehreren Linsen, Filtern und diffraktiven optischen Elementen bestehen. Der mindestens eine reflektierte Strahl 11 wird von der Empfangsoptik 26 empfangen und auf einen nachfolgend positionierten Detektor 28 gelenkt. Der Detektor 28 weist eine Vielzahl an Detektorpixeln auf, die den reflektierten Strahl 11 empfangen können und in ein analoges Detektorsignal wandeln. Das analoge Detektorsignal kann anschließend von einer Auswerteeinheit 30 digitalisiert und beispielsweise im Rahmen einer „Time-of-Flight“-Analyse ausgewertet werden.If an object 24 is positioned in the scanning region, the emitted rays 9 on the object 24 reflected or to the LIDAR device 1 be scattered back. This will cause the emitted rays 9 to reflected rays 11 , The on the object 24 reflected or scattered rays 11 can then be received by a receiving optics 26 be received. The receiving optics 26 is in the figure for illustrative purposes as a lens 26 shown. The receiving optics 26 can consist of several lenses, filters and diffractive optical elements. The at least one reflected beam 11 is from the receiving optics 26 received and on a subsequently positioned detector 28 directed. The detector 28 has a plurality of detector pixels, which are the reflected beam 11 can receive and convert to an analog detector signal. The analog detector signal can then be provided by an evaluation unit 30 be digitized and evaluated, for example, in the context of a "time-of-flight" analysis.

Claims

LIDAR device (1) for scanning a scanning region with at least one beam (9), with at least one radiation source (2) for generating at least one beam (3) and for coupling the at least one beam (3) into at least one optical waveguide (6) with a deflection device (16) for deflecting the at least one beam (7, 9) into the scanning region, with receiving optics (26) for receiving at least one beam (11) reflected at an object (24) and for deflecting the at least one reflected beam Beam (11) to a detector (28), characterized in that the deflection device (16) comprises a holographic optical element (12) and a Spatial Light Modulator (14).

LIDAR device after Claim 1 in which the at least one beam (5) coupled into the optical waveguide (6) can be coupled out of the optical waveguide (6) by the deflection device (16).

LIDAR device after Claim 1 or 2 in which the at least one beam (5) coupled into the optical waveguide (6) can be coupled out of the optical waveguide (6) by the deflection device (16) at different scanning angles.

LIDAR device after one of the Claims 1 to 3 , Wherein the deflection device (16) at least partially with a reflection side (8, 10) of the optical waveguide (6) is radiation-conducting connectable.

LIDAR device after one of the Claims 1 to 3 , Wherein the deflection device (16) at least partially integral with the optical waveguide (6) is radiation-conducting connectable.

LIDAR device after one of the Claims 1 to 5 , wherein at least one optical element (18) is arranged in a beam path of the at least one coupled-out beam (7).

LIDAR device after Claim 6 wherein the at least one optical element (18) is an inverted Kepler telescope (18).

LIDAR device after Claim 7 wherein the optical element (18) comprises two lenses (20, 22) having a common focal plane.

LIDAR device after one of the Claims 1 to 8th , wherein the at least one radiation source (2) couples the at least one beam (3) via a generating optical system (4) in the at least one optical waveguide (6).