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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung einer Empfängeroptik und/oder einer Senderoptik für ein abtastendes Lidar-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, ein Lidar-System als solches sowie eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug.
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Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall kommen vermehrt auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-Systeme (englisch: LiDAR : light detection and ranging).
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Bei bekannten LiDAR-Systemen besteht ein Nachteil dahingehend, dass bei Verwendung einer rotierenden Optik zum Abtasten des Sichtfeldes das einlaufende Linienbild nach Durchlaufen des optischen Pfades der Empfängeroptik das projizierte Bild in der Ebene der Detektoranordnung ebenfalls rotiert ist. Für eine sichere Detektion ist daher eine flächenmäßig stärker ausgedehnte Detektoranordnung erforderlich. Dies erhöht den Bauraum und die Kosten eines zu Grunde liegenden Lidar-Systems.
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Aus der
DE 26 09 242 A1 ist eine Detektoranordnung zur Feststellung von Strahlungsenergie und insbesondere eine Abtastoptik für eine solche Anordnung bekannt.
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Aus der
JP H09-021 872 A ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein einen Lichtstrom reflektierenden Spiegel und eine Bilddrehprisma derart zueinander angeordnet sind, dass die Beziehung zwischen dem Spiegel und einem Drehwinkel immer den spezifizierten Wert beibehält, um so ein Vergrößern des Erfassungsbereichs ohne Verringerung des Auflösungsvermögens in Drehrichtung zu ermöglichen.
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Aus der
DE 30 05 427 A1 ist ein rundumsuchendes Ortungssystem für bewegte Objekte mit einer Einrichtung zur Veränderung der gegenstandsseitigen optischen Achse in Elevation und Azimut, mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in Azimutalrichtung mit Einrichtungen zur Bestimmung des Elevations- und Azimutalwinkels der optischen Achse, mit einer Empfangsoptik und mit einem in deren Brennebene angeordneten, strahlungsempfindlichen Detektor bekannt.
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Aus der
DE 600 23 762 T2 ist ein rotierendes Laserbestrahlungssystem bekannt, das eine Laserlichtquelle, eine Entfernungsmesseinheit, eine Drehvorrichtung zum Aussenden eines Laserstrahls aus der Laserlichtquelle und ein Entfernungsmesslichts von der Entfernungsmesseinheit auf eine Referenzebene durch rotierendes Ausstrahlen umfasst.
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Aus der
EP 0 977 068 A2 ist eine rotierende Abbildungsvorrichtung bekannt, die ein uneingeschränktes 360-Grad-Panoramabild aufnehmen kann ohne Drehen einer Kamera, und wobei ein empfangenes Bild sich nicht dreht. Hierfür wird Bildlicht aus der Seite mittels eines Objektivspiegels in Richtung einer Drehachse gespiegelt und mittels einer Umkehreinheit, welche drei Spiegel umfasst, umgekehrt. Hierbei ist das Verhältnis der Rotationswinkelgeschwindigkeiten des Objektivspiegels und der Umkehreinheit mit den drei Spiegeln auf 2:1 eingestellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße optische Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei reduziertem Bauraum und verringerter Ausdehnung einer Detektoranordnung dennoch eine zuverlässige Erfassung eines Sichtfeldes gewährleistet ist. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass eine optische Anordnung einer Empfängeroptik für ein abtastendes LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes geschaffen wird, welche ausgebildet ist mit einer rotierbaren optischen Ablenkeinheit und mit einer rotierbaren Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit. Dabei ist die Ablenkeinheit dazu eingerichtet, unter Rotation um eine Rotationsachse (i) Sekundärlicht aus dem zu Grunde liegenden Sichtfeld aus einer ersten Richtung eines optischen Pfads der Empfängeroptik abtastend optisch zu erfassen und (ii) das Sekundärlicht in eine zweite Richtung des optischen Pfads der Empfängeroptik in einem von 0° verschiedenen Winkel zur Bilddreh- oder Bildumkehreinheit zu richten. Des Weiteren ist die optische Bilddreh- oder Bildumkehreinheit dazu eingerichtet, unter auf die Rotation der Ablenkeinheit abgestimmter Rotation um eine Rotationsachse von der Ablenkeinheit empfangenes Sekundärlicht derart bildgedreht in eine Richtung des optischen Pfades der Empfängeroptik zu richten, dass sich ein durch das Sekundärlicht repräsentiertes Bild in einer zur Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit ausgangsseitigen Ebene senkrecht zum optischen Pfad nicht dreht. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird also eine Abstimmung der Rotation der Ablenkeinheit im Verhältnis zur Rotation der Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit derart geschaffen, dass sich beide Rotationen kompensieren und das Bild in der Detektorebene ruht und sich nicht dreht. Dies ermöglicht eine Reduktion der flächenmäßigen Ausdehnung einer zu Grunde liegenden Detektoranordnung, insbesondere bis hin zu einem eindimensional ausgestalteten Liniendetektor. Dadurch werden Bauraum und Kosten reduziert.
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Das erfindungsgemäße Konzept - nämlich das Vorsehen einer rotierbaren Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit zusätzlich zur rotierbaren optischen Ablenkeinheit - kann im Umkehrschluss auch in vorteilhafter Weise alternativ oder zusätzlich in einer optischen Anordnung für eine Senderoptik für ein abtastendes Lidar-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes eingesetzt werden. In diesem Fall ist die Ablenkeinheit dazu eingerichtet, unter Rotation um eine Rotationsachse (i) über die Bilddreh- oder Bildumkehreinheit Primärlicht aus einer ersten Richtung eines optischen Pfades der Empfängeroptik aufzunehmen und (ii) das Primärlicht in eine zweite Richtung des optischen Pfades der Empfängeroptik in einem von 0° verschiedenen Winkel optisch abtastend in das Sichtfeld zu richten. Ferner ist gemäß dieser alternativen Sichtweise der vorliegenden Erfindung die Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit dazu eingerichtet, unter auf die Rotation der Ablenkeinheit abgestimmter Rotation um eine Rotationsachse von einer Lichtquelleneinheit empfangenes Primärlicht derart bildgedreht zur Ablenkeinheit zu richten, dass sich ein durch das Primärlicht repräsentiertes Bild - insbesondere einer Lichtquelle allgemein oder einer Linienlichtquelle - in einer zur Ablenkeinheit ausgangsseitigen Ebene senkrecht zum optischen Pfad nicht dreht. Entsprechend kann bei einer Linienausleuchtung des zu Grunde liegenden Sichtfeldes eine ruhende und sich also nicht drehende Linienorientierung der abgebildeten Lichtquelle zum Ausleuchten des Lichtfeldes genutzt werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnungen kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die jeweilige rotierbare optische Ablenkeinheit einen planaren Drehspiegel mit einer Spielfläche aufweist.
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Alternativ dazu ist die Verwendung eines Prismenspiegels mit mehreren Spiegelflächen als Drehspiegel möglich. Ein derartiger Prismenspiegel hat die Form eines Prismas mit polygonal ausgestalteten Grund- und Deckelflächen und mit quadratischen oder rechteckigen Seitenflächen, die als Spiegelflächen dienen.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist die jeweilige Rotationsachse der Ablenkeinheit und insbesondere eines jeweiligen Drehspiegels parallel ausgerichtet zur zweiten Richtung des optischen Pfades der Ablenkeinheit, parallel ausgerichtet zur Richtung des optischen Pfades der Bilddreh- oder Bildumkehreinheit und/oder - in einem von 90° verschiedenen Winkel - insbesondere von 45° - ausgerichtet in Bezug auf eine jeweilige aktive Spiegelfläche eines jeweiligen Drehspiegels.
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Die der Erfindung jeweils zu Grunde liegende Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit kann auf vielfältige Weise durch optische Komponenten gebildet werden. Besonders einfache Verhältnisse stellen sich ein, wenn gemäß bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung die Bilddreh- oder Bildumkehreinheit ausgebildet ist mit
- - einem bilddrehenden oder bildumkehrenden optischen Prisma, insbesondere Reflexionsprisma,
- - einem optischen Umkehrprisma,
- - einem Doveprisma,
- - einem Schmidt-Pechan-Prisma,
- - einem Amici-Prisma,
- - einem Porro-Prisma und/oder
- - einem Abbe-König-Prisma.
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Im Zusammenhang mit Empfängeroptiken für Lidar-Systeme ist es von besonderem Vorteil, wenn die zu Grunde liegende optische Anordnung ausgebildet ist mit einer Detektoranordnung mit einem oder mit mehreren Sensorelementen in einer Linienanordnung mit einer Linienorientierung, welche insbesondere abgestimmt ist auf eine durch die Ablenkeinheit und/oder durch die Bilddreh- oder Bildumkehreinheit gegebene Orientierung eines Bildes.
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Entsprechend ist es bei einer Senderoptik besonders vorteilhaft, wenn die jeweils zu Grunde liegende optische Anordnung ausgebildet ist mit einer Lichtquelleneinheit mit einer oder mit mehreren Lichtquellen in einer Linienanordnung und mit einer Linienorientierung, welche insbesondere abgestimmt ist auf eine durch die Ablenkeinheit und/oder durch die Bilddreh- oder Bildumkehreinheit gegebene Orientierung eines in das Sichtfeld zu projizierenden Bildes.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist diese ausgebildet mit einer Rotationseinrichtung, welche zur abgestimmten steuerbaren Rotation der rotierbaren optischen Ablenkeinheit und der Bilddreh- oder Bildumkehreinheit eingerichtet ist, insbesondere mit entgegengesetztem Dresen und/oder mit einer Rotationsgeschwindigkeit der Bilddreh- oder Bildumkehreinheit, welche die Hälfte der Rotationsgeschwindigkeit der Ablenkeinheit ist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Lidar-System als solches.
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Dieses ist zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug eingerichtet und dazu mit einer Senderoptik zum Ausleuchten eines Sichtfeldes mit Primärlicht sowie mit einer Empfängeroptik zum Empfangen von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld ausgebildet.
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Dabei können die Empfängeroptik oder die Senderoptik mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist die gemeinsame erfindungsgemäße Ausgestaltung der optischen Anordnungen für die Empfängeroptik und für die Senderoptik des Lidar-Systems.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lidar-Systems sind die Senderoptik und die Empfängeroptik strahlausgangsseitig bzw. strahleingangsseitig koaxial zueinander ausgebildet sind.
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Zusätzlich oder alternativ können die Senderoptik und die Empfängeroptik eine gemeinsame rotierbare optische Ablenkeinheit und eine gemeinsame Bilddreh- und Bildumkehreinheit aufweisen.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lidar-Systems sind die Senderoptik und die Empfängeroptik vollständig biaxial zueinander ausgebildet.
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Ferner können die Senderoptik und die Empfängeroptik voneinander getrennte rotierbare optische Ablenkeinheiten und/oder voneinander getrennte Bilddreh- und Bildumkehreinheiten aufweisen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug geschaffen, welche mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Lidar-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ausgebildet sind.
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Figurenliste
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
- 1 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung im Zusammenhang mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems zeigt.
- 2 bis 4 zeigen schematisch den Aufbau und die Wirkungsweise herkömmlicher optischer Anordnungen, die bei Lidar-Systemen verwendet werden können.
- 5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung für eine Empfängeroptik eines Lidar-Systems.
- 6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung für eine Senderoptik eines Lidar-Systems.
- 7 bis 9 zeigen schematisch den Aufbau und die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung, die bei Lidar-Systemen und deren Empfängeroptik bzw. Senderoptik verwendet werden können.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10.
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Das LiDAR-System 1 gemäß 1 weist eine Senderoptik 60 mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10S auf, welche von einer Lichtquelleneinheit 65, z.B. mit einem Laser als Linienlichtquelle 65-1 mit Linienorientierung 65-2, gespeist wird und Primärlicht 57 erzeugt - ggf. nach Durchlaufen einer Strahlformungsoptik 66 - in ein Sichtfeld 50 zur Erfassung und/oder Untersuchung einer Szene 53 und eines dort befindlichen Objekts 52 aussendet.
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Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 gemäß 1 eine Empfängeroptik 30 mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10E auf, welche Licht und insbesondere vom Objekt 52 im Sichtfeld 50 reflektiertes Licht als Sekundärlicht 58 über ein Objektiv 34 als Primäroptik empfängt und über eine Detektoroptik 35 als Sekundäroptik an eine Detektoranordnung 20 mit Detektor- oder Sensorelementen 22 überträgt.
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Die Steuerung der Lichtquelleneinheit 65 sowie der Detektoranordnung 20 erfolgt über Steuerleitungen 42 bzw. 41 mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 40.
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Die gemeinsame sichtfeldseitige Ablenkoptik 62 kann als Teil einer Primäroptik 34 der Empfängeroptik 30 aufgefasst werden und weist die erfindungsgemäße Ausgestaltung der optischen Anordnung 10 mit einem Umlenkspiegel 63 und mit einer entsprechenden Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80 auf, die in 1 rein schematisch dargestellt sind.
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Optional und vorteilhaft ist das sichtfeldseitige Vorsehen einer Aperturoptik 70 zum geeigneten Ausgeben des Primärlichts 57 und zum bündelnden Empfangen des Sekundärlichts 58.
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Die Detektoranordnung 20 kann mit einem oder mehreren Sensorelementen 22 ausgebildet sein, welche auch entsprechend der Linienorientierung 65-2 der Linienlichtquelle 65-1 nach Art eines Liniendetektors angeordnet sein können und eine entsprechende Linienorientierung 25-2 aufweisen.
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Die optische Anordnung 10 ist ausgebildet für ein LiDAR-System 1 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes 50, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, und ist ausgebildet mit einer Senderoptik 60 zum Aussenden eines Sendelichtsignals in das Sichtfeld 50, einer Detektoranordnung 20 und einer Empfängeroptik 30 zum optischen Abbilden des Sichtfeldes 50 auf die Detektoranordnung 20.
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Die Empfängeroptik 30 und die Senderoptik 60 sind sichtfeldseitig mit im Wesentlichen koaxialen optischen Achsen oder optischen Pfaden 31 bzw. 61 ausgebildet und weisen eine gemeinsame Ablenkoptik 62 auf.
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Die Empfängeroptik 30 weist detektorseitig eine Sekundäroptik 35 auf, welche ausgebildet ist und Mittel umfasst, über die Ablenkoptik 62 aus dem Sichtfeld 50 einfallendes Licht inhärent auf die Detektoranordnung 20 zu richten.
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Bei der optischen Anordnung 10 ist die Senderoptik 60 allgemein ausgebildet und weist Mittel auf zum Aussenden von Primärlicht 57 in das Sichtfeld 50.
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Ferner ist bei der optischen Anordnung 10 die Empfängeroptik 30 ausgebildet und weist Mittel auf zum optischen Abbilden des Sichtfeldes 50 auf die Detektoranordnung 20.
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Kernaspekte der vorliegenden Erfindung sind in 1 rein schematisch dargestellt. Diese bestehen insbesondere aus dem Vorsehen der rotierbaren optischen Ablenkeinheit 62 und insbesondere eines rotierbaren Ablenkspiegels 63 sowie des Vorsehens der optischen Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80, die zu einer auf einander abgestimmten Rotation antreibbar sind, insbesondere mittels einer Rotationseinrichtung, so dass durch Abstimmen der Rotation ein in das Sichtfeld 50 über das Primärlicht 57 projiziertes Bild der Linienlichtquelle 65-1 der Senderoptik 60 bzw. das aus dem Sichtfeld 50 erfasste Bild trotz der Rotation des abtastenden Ablenkspiegels 63 im Sichtfeld 50 bzw. in der Ebene der Detektoranordnung 20 nicht rotiert.
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2 bis 4 zeigen schematisch den Aufbau und die Wirkungsweise herkömmlicher optische Anordnungen 10', 10E', 10S', die bei Lidar-Systemen 1' herkömmlicherweise verwendet werden können.
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Die Bezugszeichen in Klammern beziehen sich dabei jeweils auf eine herkömmliche Senderoptik 60', die übrigen Bezugszeichen beziehen sich auf eine herkömmliche Empfängeroptik 30'.
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Bei einer herkömmlichen Empfängeroptik 30' fällt Sekundärlicht 58 aus dem die Szene 53 enthaltenden Sichtfeld 50 entlang des optischen Pfad 31 zunächst auf den einzelnen Ablenkspiegel 63 der Ablenkeinheit 62, der um eine Rotationsachse 100 rotiert wird und der in einem Winkel von 45° mit seiner Flächennormalen zur Ausrichtung des optischen Pfad 31 orientiert ist. Durch Reflexion an der Spiegelfläche des Ablenkspiegels 63 wird das Sekundärlicht 58 auf die Ebene der Detektoranordnung 20 gerichtet, um dort detektiert zu werden.
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Die 3 und 4 geben eine schematische und perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten Anordnung eines herkömmlichen Lidar-Systems 1'. Es sind 2 Stellungen des Ablenkspiegels 63 zu erkennen, die durch Rotation um die Achse 100 zu verschiedenen Zeiten eingenommen werden. Aufgrund der Rotation des Ablenkspiegels 63 ergeben sich unterschiedliche Orientierungen 25-2 des Bildes 25-1 der Linienlichtquelle 65-1 in der xy-Ebene, welche parallel ausgerichtet ist zur Ebene der Detektoranordnung 20.
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In der in 3 dargestellten Situation ist das Bild 25-1 mit einer Orientierung 25-2 parallel zur y-Achse ausgerichtet. Bei der in 4 dargestellten Situation ist das Bild 25-1 der Linienlichtquelle 65-1 mit einer Orientierung 24-2 parallel zur x-Achse ausgerichtet. Bei der Rotation des Ablenkspiegels 63 erfolgt eine entsprechende Rotation des Bildes 25-1, so dass in der Ebene der Detektoranordnung 20 vom Bild 25-1 eine Fläche überstrichen wird, wodurch eine flächenhaft ausgedehnte Detektoranordnung 20 erforderlich wird.
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Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß vermieden.
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5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10E für eine Empfängeroptik 30 eines erfindungsgemäßen Lidar-Systems 1.
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Zusätzlich zu den in den 2 bis 4 dargestellten herkömmlicherweise vorgesehenen optischen Elementen ist der Ablenkeinheit 62 und dem um die Drehachse 100 rotierbaren Ablenkspiegel 63 optisch nachgeschaltet eine Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80, zum Beispiel nach Art eines rotierbaren Reflexionprismas 81, ausgebildet. Erfindungsgemäß sind im Betrieb die Rotation des Ablenkspiegels 63 der rotierbaren Ablenkeinheit 62 und der rotierbaren Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80 so aufeinander abgestimmt, dass bei der Abbildung aus der Szene 53 des Sichtfeldes 50 die Orientierung 25-2 des Bildes in der Ebene der Detektoranordnung 20 ruht und nicht rotiert. Durch diese Maßnahme erscheinen linienhafte Urbilder in der Detektorebene ebenfalls linienhaft und in Ruhe und es ist keine flächenartige ausgedehnte Detektoranordnung 20 erforderlich. Ein Liniendetektor ist ausreichend, wodurch Bauraumkosten gespart werden.
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6 zeigt entsprechend eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10S für eine Senderoptik 60 eines erfindungsgemäßen Lidar-Systems 1.
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Von der Lichtquelleneinheit 65 mit mindestens einer Linienlichtquelle 64-1 ausgehend wird Primärlicht 57 über die Strahlformungsoptik 66 zunächst durch die rotierbare Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80, gegebenenfalls wieder im Sinne eines rotierbaren Reflexionprismas 81, und dann durch die in ihrer Rotation abgestimmte Ablenkeinheit 62 mit einem rotierbaren Ablenkspiegel 63 mit Rotationsachse 100 geschickt, wodurch das Primärlicht 57 in die Szene 53 des Sichtfeldes 50 gerichtet wird.
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Erfindungsgemäß wird durch die abgestimmte Rotation der Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80 und der Ablenkeinheit 62 erreicht, dass eine Linienorientierung 65-2 der Linienlichtquelle 65-1 im Sichtfeld 50 ortsfest verbleibt, das heißt das Bild der Linienlichtquelle 65-1 rotiert im Sichtfeld nicht.
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7 bis 9 zeigen schematisch den Aufbau und die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10E, 10S, die bei Lidar-Systemen 1 und deren Empfängeroptik 30 bzw. Senderoptik 60 verwendet werden können.
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Im Ergebnis ist zu erkennen, dass - bei Interpretation der optischen Anordnung 10E als optische Anordnung für eine Empfängeroptik 30 mit optischem Pfad 31 - die Orientierung 25-2 des Bildes 25-1 der Linienlichtquelle 65-1 parallel ausgerichtet bleibt zur y-Richtung, und zwar unabhängig von den in den 8 und 9 dargestellten Orientierungen des rotierbaren Ablenkspiegels 63.
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Bei Interpretation der optischen Anordnung 10S als optische Anordnung für eine Senderoptik 60 ergibt sich, dass das Bild der Orientierung 65-2 der Linienlichtquelle 65-1 im Sichtfeld 50 trotz der Rotation des Ablenkspiegels 63 um die Drehachse 100 aufgrund der kompensierenden Rotation der Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80 nicht rotiert.
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Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
- Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere abtastende oder scannende LiDAR-Systeme 1, welche ein rotierendes optisches Element verwenden, um eine Ortsauflösung zu erzielen.
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Bei derartigen LiDAR-Systemen kommen im Wesentlichen zwei Ansätze zum Einsatz.
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Beim ersten Ansatz rotiert das gesamte System mit Laserquelle und Detektor. Dies hat den Nachteil, dass eine Leistungsversorgung und eine Datenübertragung des Elementes bzw. mit dem drehenden Element realisiert werden müssen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit Verbesserungen eines zweiten Ansatzes. Dieser umgeht die Nachteile des ersten Ansatzes, indem zur Erzielung einer Ortsauflösung lediglich eine Strahlablenkungsoptik mit einer Ablenkeinheit rotiert, wobei zumindest der Detektor ortsfest ist.
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Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auch auf Lidar-Systeme 1, bei welchen das empfangene Licht als Sekundärlicht 58 unter einem Winkel von ca. 45° auf die Ablenkeinheit 62 trifft, welche das Licht auf einen Detektor 20 ablenkt.
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Des Weiteren wird der Laserstrahl als Primärlicht 57 bevorzugt räumlich in einer Linie ausgesendet. Durch die Linienbeleuchtung kann empfangsseitig über eine abbildende Optik und ein geeignetes Detektorarray 20 eine Ortsauflösung realisiert werden, wie dies im Zusammenhang mit 2 dargestellt ist, wobei hier die abbildende Optik nicht explizit gezeigt wird.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung wird sich die Linie herkömmlicherweise allerdings am Ort des Detektorarrays 20 je nach Blickrichtung des Lidar-Systems 1 drehen, wie dies im Zusammenhang mit den 3 und 4 dargestellt ist.
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Dies hat den Nachteil, dass eine flächenmäßig vergleichsweise große und damit teure Detektoranordnung 20 eingesetzt werden muss.
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Es ist somit eine Aufgabe, welche der Erfindung zu Grunde liegt, die herkömmlicherweise auftretende Drehung der linienförmigen Abbildung auf Detektoranordnung 20 zu verhindern, damit eine flächenmäßig geringer ausgedehnte und damit kostengünstigere Detektoranordnung 20, insbesondere ausgebildet als Zeilendetektor oder als Zeilenarray, kommen kann.
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Ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung ist das Einfügen eines bilddrehenden Prismas nach der Strahlablenkung empfangsseitig in der Empfängeroptik 30, also im Detektionspfad 31 der Empfängeroptik 30 eines LiDAR-Systems 1, bei welchem lediglich eine Strahlablenkungseinheit rotiert und folglich ein Laser als Lichtquelle 65-1 einer Lichtquelleneinheit 65 und die Detektoranordnung 20 Detektor ortsfest verbleiben und sich nicht mitdrehen.
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Die Rotationsgeschwindigkeit des bilddrehenden Prismas wird dabei in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit der Ablenkeinheit so gewählt, dass sich die abbildende Linie in der Ebene der Detektoranordnung 20 nicht mehr dreht.
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Durch diese Maßnahme kann ein Lidar-System 1 mit einer Detektorzeile 20 anstelle eines komplexen und flächenhaft ausgedehnten Detektorarrays realisiert werden, womit sich die Herstellungskosten sowie die Systemkomplexität reduzieren.
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Grundsätzlich können sämtliche bilddrehenden oder bildrotierenden Prismen 81 zur Kompensation eingesetzt werden. Nachfolgend wird an einem konkreten Beispiel unter Verwendung eines Doveprismas 81 die Erfindung beschrieben.
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Alternativ können neben einem Doveprisma auch andere bildrotierende Elemente verwendet werden, zum Beispiel ein Schmidt-Pechan-Prisma, ein Amici-Prisma, ein Porro-Prisma, Abbe-König-Prisma.
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Der prinzipielle Aufbau ist in 5 dargestellt.
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Der am Target oder Objekt 52 in der Szene 53 des Sichtfeldes 50 reflektierte Laserstrahl wird als Sekundärlicht 58 um 90° durch einen Ablenkspiegel 63 abgelenkt.
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Die sich bei diesem Vorgang drehende Abbildung wird mit einem sich ebenfalls drehenden bilddrehenden Prisma 81, hier in Form eines Doveprismas, stabilisiert.
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Ein nachfolgendes Objektiv 35 liefert zusammen mit einer Detektorzeile 20 eine Ortsauflösung.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird also als ein zusätzliches Kernelement nach dem Ablenkspiegel ein bildrotierendes Prisma eingefügt, wie dies auch im Zusammenhang mit 6 gezeigt ist.
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Durch eine angepasste Drehgeschwindigkeit dieses Prismas zum Ablenkspiegel 63 kann die Drehung des Bildes aus dem Sichtfeld 50, also insbesondere der Linie, korrigiert werden und es entsteht eine feststehende und nicht rotierende Abbildung, wie dies im Zusammenhang mit den 7 und 8 gezeigt ist.
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Das Doveprisma 81 muss in dem hier vorliegenden Fall mit der halben Drehgeschwindigkeit des Ablenkspiegels 63 rotieren, da ein Doveprisma 81 das Bild mit der doppelten Rotationsgeschwindigkeit dreht.
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Der hier dargestellte Fall ist zur besseren Verständlichkeit vereinfacht dargestellt. Tatsächlich wird in vorteilhafter Weise noch eine abbildende Optik eingesetzt. Diese wird vorzugsweise zwischen Detektor 20 und bilddrehendem Prisma 81 eingebracht.
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Allerdings könnte diese auch an anderen Stellen im Strahlengang 31 platziert sein.
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Alternativ könnte der Ablenkspiegel 63 mehrere Spiegelflächen besitzen, nach Art eines symmetrischen Prismas mit einer polygonartigen Querschnittsfläche. Dies hat den Vorteil, dass ein Bildausschnitt während eines Umlaufes des Ablenkspiegels öfter ausgewertet werden kann, zum Beispiel vier Mal. Dafür reduziert sich das Sichtfeld ebenfalls, zum Beispiel etwa ebenfalls um einen Faktor vier.
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Auch im Sendepfad 61 könnte diese Erfindung - beispielsweise bei einem koaxialen Konzept mit Strahlteiler - verwendet werden, um ein Drehen der ausgesendeten Linie zu verhindern.
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2 zeigt eine Seitenansicht des Detektionspfades 31 der Empfängeroptik 30 eines abtastenden oder scannenden LiDAR-Systems 1' herkömmlicher Art. Die Ablenkeinheit 62 rotiert, die Detektoranordnung 20 rotiert nicht.
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Die 3 und 4 zeigen die herkömmliche Detektion einer Linie über einen 45°-Spiegel 63 bei einer Detektionsrichtung bei 0° in 3 und bei 90° in 4. Die an der Detektoranordnung 20 empfangene Linie wird durch die Ablenkeinheit 62 gedreht, wie dies auch aus den Vergrößerungen in den 3 und 4 hervorgeht.
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Die 5 und 6 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht den prinzipiellen Aufbau einer Empfängeroptik 30 und einer Senderoptik 60 mit Strahlengang 31 bzw. 61 gemäß der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt eine Seitenansicht des Detektionspfades 31 der Empfängeroptik 30 eines erfindungsgemäß ausgestalteten abtastenden oder scannenden LiDAR-Systems 1 mit Doveprisma.
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Die 8 und 9 beschreiben in analoger Weise wie die 3 und 4 bei einem herkömmlichen Lidar-System 1' die erfindungsgemäß vorgenommene Detektion einer Linie über einen 45°-Spiegel 63 bei einer Detektionsrichtung bei 0° in 8 und bei 90° in 9, wobei durch das erfindungsgemäß zusätzlich ausgebildete Doveprisma 81 unter halber Rotationsgeschwindigkeit des Ablenkspiegels 63 die Bilddrehung kompensiert wird. Das an der Detektoranordnung 20 empfangene Bild der Linie erscheint unter der Gesamtabbildung in der Empfängeroptik 30 trotz der rotierenden Ablenkeinheit 62 ortsfest und nicht gedreht, wie dies auch in den in den 8 und 9 eingefügten Vergrößerungen gezeigt ist.
