DE102017210591A1 - Macroscopic lidar device - Google Patents
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Abstract
Makroskopische Lidar-Vorrichtung (100) aufweisend:
- einen Stator (1); und
- einen Rotor (2); wobei
- auf dem Rotor (2) ein Laser-Element (20) und eine Sendeinrichtung angeordnet sind; wobei
- in bestimmungsgemäßer Anbringlage der Lidar-Vorrichtung (100) an einem Fahrzeug während jeder Halbdrehung des Rotors (2) ein Strahl des Laser-Elements (20) im Wesentlichen dauerhaft in ein nach vorne gerichtetes Sichtfeld (FOV) emittierbar ist.
Macroscopic lidar device (100) comprising:
a stator (1); and
a rotor (2); in which
- On the rotor (2) a laser element (20) and a transmitting device are arranged; in which
- In the intended mounting position of the lidar device (100) on a vehicle during each half-turn of the rotor (2), a beam of the laser element (20) substantially permanently in a forwardly directed field of view (FOV) is emitted.
Description
Die Erfindung betrifft ein eine makroskopische Lidar-Vorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer makroskopischen Lidar-Vorrichtung.The invention relates to a macroscopic lidar device. The invention further relates to a method for producing a macroscopic lidar device.
Stand der TechnikState of the art
Lidar-Makroscanner, bei dem alle optischen Elemente, sowie der Laser und der Detektor auf einem Rotor angeordnet sind, und die einen rotierenden Makrospiegel mit einem Durchmesser im Zentimeterbereich aufweisen, sind bekannt. Dadurch kann im Sendepfad ein Strahl mit einem Durchmesser im Zentimeterbereich über den rotierenden Makrospiegel geführt werden. Vorteilhaft kann mit derartigen Systemen, in denen alle Komponenten „rotieren“, ein horizontales Sichtfeld (engl. field of view, FOV) von 360° systemimmanent abgescannt werden.Lidar macroscanners in which all optical elements, as well as the laser and the detector are arranged on a rotor, and which have a rotating macro mirror with a diameter in the centimeter range, are known. As a result, a beam with a diameter in the centimeter range can be guided over the rotating macro mirror in the transmission path. Advantageously, with systems of this kind in which all components "rotate", a horizontal field of view (FOV) of 360 ° can be scanned systemically.
Dies stellt insbesondere beim Einbau in einer Fahrzeugkarosserie (d.h. nicht auf dem Fahrzeugdach) jedoch gleichzeitig einen Nachteil dar, da bis zu 2/3 der Zeit nicht gemessen werden kann, wenn nämlich der Laser auf dem Rotor in Richtung der Fahrzeugkarosserie zeigt. Zudem entstehen durch die Auswahl eines großen Sichtfelds weitere Nachteile für das System, z.B. werden die Anforderungen an eine Abbildungsoptik oder an optische Filter mit steigendem Einfallswinkel größer. Aus diesem Grund wird oftmals ein kleineres Sichtfeld gewählt, als durch den Einbauort eigentlich möglich wäre.However, this is a disadvantage in particular when installed in a vehicle body (i.e., not on the vehicle roof) because up to 2/3 of the time can not be measured, namely, when the laser on the rotor points toward the vehicle body. In addition, the selection of a large field of view creates further disadvantages for the system, e.g. The requirements for imaging optics or optical filters increase with increasing angle of incidence. For this reason, a smaller field of view is often chosen than would actually be possible by the installation location.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes scannendes makroskopisches Lidar-System bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide an improved scanning macroscopic lidar system.
Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine makroskopische Lidar-Vorrichtung, aufweisend:
- - einen Stator; und
- - einen Rotor; wobei
- - auf dem Rotor ein Laser-Element und eine Sendeinrichtung angeordnet sind; wobei
- - in bestimmungsgemäßer Anbringlage der Lidar-Vorrichtung an einem Fahrzeug während jeder Halbdrehung des Rotors ein Strahl des Laser-Elements im Wesentlichen dauerhaft in ein nach vorne gerichtetes Sichtfeld emittierbar ist.
- a stator; and
- a rotor; in which
- - On the rotor, a laser element and a transmitting device are arranged; in which
- - In the intended mounting position of the lidar device on a vehicle during each half-turn of the rotor, a beam of the laser element is substantially permanently emitted in a forwardly directed field of view.
Auf diese Weise wird ein scannende, makroskopische Lidar-Vorrichtung bereitgestellt, die zwei Sendepfade aufweist, die während jeder Halbdrehung bzw. jeder vollen Umdrehung des Rotors eine nach vorne gerichtete Laserleistung bereitstellt. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Bildrate der Lidar-Vorrichtung verdoppelt werden, weil eine nutzbare Zeit der Lidar-Vorrichtung voll ausgenutzt ist. Vorteilhaft ist dadurch lediglich ein einziges Laser-Element erforderlich und die Lidar-Vorrichtung eignet sich sehr gut für einen verdeckten Verbau im Chassis eines Fahrzeugs. Im Ergebnis weist die vorgeschlagene Vorrichtung beim Scannen der Umgebung keine bzw. nur eine minimale Totzeit auf.In this way, a scanning, macroscopic lidar device is provided which has two transmission paths which provide forward laser power during each half-rotation or each full revolution of the rotor. In this way, advantageously, a frame rate of the lidar device can be doubled because a useful time of the lidar device is fully utilized. Advantageously, thereby only a single laser element is required and the lidar device is very well suited for concealed installation in the chassis of a vehicle. As a result, the proposed device has no or only a minimal dead time when scanning the environment.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer makroskopischen Lidar-Vorrichtung, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Stators; und
- - Bereitstellen eines Rotors; wobei
- - auf dem Rotor ein Laser-Element und eine Sendeinrichtung angeordnet werden; wobei
- - die Sendeeinrichtung derart ausgebildet wird, dass in bestimmungsgemäßer Anbringlage der Lidar-Vorrichtung an einem Fahrzeug während jeder Halbdrehung des Rotors ein Strahl des Laser-Elements im Wesentlichen dauerhaft in ein nach vorne gerichtetes Sichtfeld (FOV) emittierbar ist.
- - Providing a stator; and
- - Providing a rotor; in which
- - On the rotor, a laser element and a transmitting device are arranged; in which
- - The transmitting device is designed such that in the intended mounting position of the lidar device on a vehicle during each half-turn of the rotor, a beam of the laser element is substantially permanently emitted in a forwardly directed field of view (FOV).
Bevorzugte Ausführungsformen der Lidar-Vorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the lidar device are the subject of dependent claims.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Lidarvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Strahl des Laser-Elements mittels einer Modulationseinrichtung in das nach vorne gerichtete Sichtfeld emittierbar ist. Auf diese Weise können unterschiedliche Modulationseinrichtungen zum Emittieren des Laserstrahls nach vorne genutzt werden.An advantageous development of the lidar device is characterized in that the beam of the laser element can be emitted by means of a modulation device into the field of vision directed to the front. In this way, different modulation means for emitting the laser beam forward can be used.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung sieht vor, dass die Modulationseinrichtung einen nicht-polarisierenden Strahlteiler umfasst. Auf diese Weise wird eine besonders einfache und kostengünstige Variante der Modulationseinrichtung bereitgestellt. An advantageous development of the lidar device provides that the modulation device comprises a non-polarizing beam splitter. In this way, a particularly simple and inexpensive variant of the modulation device is provided.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung sieht vor, dass die Modulationseinrichtung einen Polarisationsrotator und einen polarisierenden Strahlteiler umfasst. Auf diese Weise kann eine Polarisation des Laserstrahls definiert eingestellt und auf diese Weise in Kombination mit dem polarisierenden Strahlteiler eine nach vorne abgestrahlte Laserleistung eingestellt werden. Im Ergebnis wird dadurch eine Leistungsanpassung aufgrund von unterschiedlichen Polarisationen des Laserstrahls mit einer dadurch realisierten unterschiedlichen Reichweite der Lidar-Vorrichtung erreicht.A further advantageous development of the lidar device provides that the modulation device comprises a polarization rotator and a polarizing beam splitter. In this way, a polarization of the laser beam can be set defined and in this way in combination with the polarizing beam splitter, a forwardly emitted laser power can be adjusted. As a result, a power adjustment due to different polarizations of the laser beam is thereby achieved with a different range of the lidar device realized thereby.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsrotator zwischen Extremwerten von horizontaler und vertikaler Polarisation schaltbar ist. Diese Funktionalität kann vorteilhaft mit kann mit einem langsamen und kostengünstigen Polarisationsrotator realisiert werden.A further advantageous development of the lidar device is characterized in that the polarization rotator can be switched between extreme values of horizontal and vertical polarization. This functionality can be advantageously realized with can with a slow and inexpensive polarization rotator.
Eine weitere vorteilhafte Lidar-Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Polarisationsrotator in Abhängigkeit eines reflektierten Strahls des Laser-Elements in definierten Stellungen schaltbar ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine schnelle Umschaltung der Polarisationsart bereitgestellt, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn ein Augensicherheitsaspekt berücksichtigt werden soll. Dies ist für eine Einstellung von Strahlungsleistung bei einer Erkennung von vor dem Fahrzeug befindlichen Lebewesen bedeutsam.A further advantageous lidar device is characterized in that the polarization rotator can be switched in defined positions as a function of a reflected beam of the laser element. In this way, a rapid switching of the polarization is advantageously provided, which is particularly advantageous if an eye safety aspect is to be considered. This is important for adjustment of radiant power in detection of on-vehicle creatures.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Lidar-Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass der Polarisationsrotator eine Pockelszelle oder ein mechanischer Polarisationsrotator ist. Auf diese Weise können für die Lidar- Vorrichtung vorteilhaft unterschiedliche Arten von Polarisationsrotoren genutzt werden.Further advantageous developments of the lidar device are characterized in that the polarization rotator is a Pockels cell or a mechanical polarization rotator. In this way, advantageously different types of polarization rotors can be used for the lidar device.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Sendepfad und ein Empfangspfad der Lidar-Vorrichtung nicht überlagert sind. Auf diese Art und Weise wird eine biaxiale Ausführung der Lidar-Vorrichtung von bereitgestellt, bei der zwei getrennte Sende- und Empfangsoptiken ausgebildet sind.A further advantageous development of the lidar device is characterized in that a transmission path and a reception path of the lidar device are not superimposed. In this way, a biaxial embodiment of the lidar device of FIG. 12 is provided in which two separate transmitting and receiving optics are formed.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Sendepfad und ein Empfangspfad der Lidar-Vorrichtung überlagert sind. Auf diese Weise wird ein koaxiales System bereitgestellt, bei dem ein gegenüber dem biaxialen System verringerter Parallaxeneffekt realisierbar ist. Vorteilhaft ist bei dieser Variante lediglich ein einzelner Detektor im selben Lichtweg erforderlich, weil eine Sendeoptik auch für den Empfangsweg verwendet werden kann.A further advantageous development of the lidar device is characterized in that a transmission path and a reception path of the lidar device are superimposed. In this way, a coaxial system is provided in which a reduced parallax effect compared with the biaxial system can be realized. Advantageously, only a single detector in the same light path is required in this variant, because a transmission optics can also be used for the reception path.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bauelemente haben dabei gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. Same or functionally identical components have the same reference numerals. The figures are particularly intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily to scale. For better clarity, it can be provided that not all the figures in all figures are marked.
Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die makroskopische Lidar-Vorrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung einer makroskopischen Lidar-Vorrichtung ergeben und umgekehrt.Disclosed device features result analogously from corresponding disclosed method features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the macroscopic lidar device result analogously from corresponding embodiments, features and advantages of the method for producing a macroscopic lidar device and vice versa.
In den Figuren zeigt:
-
1 eine prinzipielle Darstellung einer Draufsicht auf eine herkömmliche scannende makroskopische Lidar-Vorrichtung; -
2 und3 schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der vorgeschlagenen makroskopischen Lidar-Vorrichtung ; -
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorgeschlagenen makroskopischen Lidar-Vorrichtung; -
5 und6 Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der vorgeschlagenen makroskopischen Lidar-Vorrichtung; und -
7 eine prinzipielle Darstellung des Ablaufs einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer makroskopischen Lidar-Vorrichtung.
-
1 a schematic representation of a plan view of a conventional scanning macroscopic lidar device; -
2 and3 schematic representations of a first embodiment of the proposed macroscopic Lidar device; -
4 a schematic representation of another embodiment of the proposed macroscopic Lidar device; -
5 and6 Representations of another embodiment of the proposed macroscopic lidar device; and -
7 a schematic representation of the sequence of an embodiment of a method for producing a macroscopic Lidar device.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, ein effizienter betreibbares makroskopisches, scannendes Lidarsystem bereit zu stellen.A key concept of the present invention is, in particular, to provide an efficiently operable macroscopic, scanning lidar system.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Lidar-Vorrichtung derart ausgebildet wird, dass während jeder Halbdrehung das Sichtfeld der Lidar-Vorrichtung permanent nach vorne gerichtet ist. Dies wird durch nachfolgend näher erläuterte unterschiedliche technische Mittel bereitgestellt.This is accomplished by forming the lidar device such that during each half-turn the field of view of the lidar device is permanently directed forward. This is going through explained in more detail below provided different technical means.
In der einfachsten (nicht in Figuren dargestellt) Variante wird für die makroskopische Lidar-Vorrichtung ein nicht-polarisierender Strahlteiler bereitgestellt, der einen Laser-Strahl jeweils hälftig auf beide Richtungen aufteilt, sodass jeweils beide Richtungen des Sichtfelds durch einen scannenden Laserstrahl ausgeleuchtet sind.In the simplest (not shown in figures) variant, a non-polarizing beam splitter is provided for the macroscopic lidar device, which divides a laser beam in half in both directions, so that both directions of the field of view are illuminated by a scanning laser beam.
Die
Auf diese Weise kann mit der makroskopischen Lidar-Vorrichtung
Der Polarisationsrotator
Langsame Polarisationsrotatoren
Im Falle des schnellen Umschaltens der Polarisation kann für die Lidar-Vorrichtung
Die Austrittsleistung kann durch dieses Umschalten (z.B. durch ein sinusförmiges Ansteuersignalmuster) über das horizontale Sichtfeld FOV hinweg kontinuierlich variiert werden.The leakage power can be varied continuously through this switching (e.g., through a sinusoidal drive signal pattern) across the horizontal field of view FOV.
Die vorgeschlagenen Lidar-Vorrichtung
Eine schematische Skizze eines biaxialen Systems zeigt
Man erkennt, dass in der biaxialen Lidar-Vorrichtung
Im Ergebnis ist dadurch ermöglicht, dass mittels der Polarisation des Laserstrahls zwei unterschiedliche Strahlengänge realisiert werden, wobei jeweils ein Sendepfad und ein Empfangspfad identisch sind.As a result, this makes it possible to realize two different beam paths by means of the polarization of the laser beam, wherein in each case one transmission path and one reception path are identical.
Das an einem Ziel (nicht dargestellt) reflektierte Laserlicht wird in der Zeit zwischen t = 0 und t = Umdrehungszeit/2 mittels der als Empfangslinse fungierenden ersten Sendelinse
Dies wird dadurch erreicht, dass der emittierte Laserstrahl, der vom polarisierenden Strahlteiler
In
Mit den oben erläuterten Varianten der vorgeschlagenen Lidar-Vorrichtung
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Vorteilhaft ist die Reihenfolge des Schrittes
Der Fachmann erkennt, dass eine Vielzahl von Abwandlungen der Erfindung möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Advantageous is the order of the
Those skilled in the art will recognize that a variety of modifications of the invention are possible without departing from the gist of the invention.
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Legal Events
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---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication |