-
Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastwinkels mit mindestens einem Strahl sowie ein Verfahren zum Betrieb einer LIDAR-Vorrichtung.
-
Stand der Technik
-
Aktuelle LIDAR (Light detection and ranging)-Vorrichtungen nutzen eine Laser bzw. eine Strahlenquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, der anschließend über einen beweglichen Spiegel über einen Abtastbereich abgelenkt werden kann. Üblicherweise wird der Strahl von der Strahlenquelle derart erzeugt, dass der Strahl durch eine Rotationsachse der Ablenkeinheit verläuft und um einen Winkel von ca. 45° senkrecht zu der Rotationsachse abgelenkt wird. Durch die Rotation kann ein Abtastbereich mit einem horizontalen Winkel von 360° um die LIDAR-Vorrichtung herum abgetastet werden. Ein Detektor kann reflektierte Strahlen empfangen und auswerten. Sowohl die Laserquelle, als auch der Detektor können dabei ortsfest angeordnet sein.
-
Bei einer derartigen LIDAR-Vorrichtung verändert der von der Ablenkeinheit reflektierte Strahl jedoch seine Orientierung durch die Rotation der Ablenkeinheit. Wenn beispielsweise ein linienförmiger Strahl erzeugt wird, so lässt sich eine Linienausleuchtung nicht ohne eine Drehung der Linienorientierung über große Raumwinkel realisieren. Bei größeren horizontalen Winkeln wird ein ursprünglich vertikal ausgerichteter linienförmiger Strahl derart durch die Ablenkeinheit bei ihrer Rotation gedreht, dass er horizontal oder diagonal ausgerichtet in den Abtastbereich abgestrahlt wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Verfahren und eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches mit mindestens einem Strahl zu schaffen, der eine konstante Orientierung über den gesamten Abtastbereich aufweist.
-
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
-
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs mit mindestens einem Strahl bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen mindestens eines erzeugten Strahls auf. Ein rotierbarer Spiegel dient zum Ablenken des mindestens einen erzeugten Strahls über den Abstastbereich. Die LIDAR-Vorrichtung weist einen Detektor zum Empfangen mindestens eines an einem Objekt reflektierten Strahls auf, wobei in einem Strahlengang des mindestens einen erzeugten Strahls zwischen der mindestens einen Strahlenquelle und dem rotierbaren Spiegel mindestens ein Schwingspiegel angeordnet ist und der mindestens eine erzeugten Strahl durch den mindestens einen Schwingspiegel abhängig von mindestens einer Rotationsposition des rotierbaren Spiegels auf den rotierbaren Spiegel ablenkbar ist. Die Rotationsposition kann beispielsweise ein Rotationswinkel gegenüber einer Grundstellung des rotierbaren Spiegels sein
-
Durch den mindestens einen Schwingspiegel kann eine in vertikaler Richtung linienförmig ausgeführte Ausleuchtung realisiert werden. Hierfür kann der Schwingspiegel einen punktförmig erzeugten Strahl entlang einer vertikalen Linie kontinuierlich mit einer definierten Frequenz schwenkend ablenken. Die vertikale linienförmige Ausleuchtung des punktförmigen Strahls definiert einen vertikalen Abstastwinkel. Der vertikal entlang einer Linie durch den Schwingspiegel abgelenkte erzeugte Strahl definiert hierbei ein sogenanntes Scanmuster.
-
Der rotierbare Spiegel kann anschließend die vertikal linienförmige Ausleuchtung horizontal über einen definierten horizontalen Abtastwinkel ablenken und somit eine horizontale Ausleuchtung ermöglichen. Der vertikale Abtastwinkel und der horizontale Abtastwinkel bilden hierbei den Abtastbereich. Damit die vertikale Linienform des Strahls entlang des horizontalen Abtastwinkels erhalten bleibt und nicht rotiert, kann der Schwingspiegel die Ablenkung des mindestens einen erzeugten Strahls auf die Rotationsposition des rotierbaren Spiegels anpassen. Hierdurch kann während einer Umdrehung des rotierbaren Spiegels der mindestens eine erzeugte Strahl mitgedreht werden. Insbesondere kann hierdurch die vertikale Linienform der Ausleuchtung über den gesamten Abtastbereich unter Beibehaltung einer Linienorientierung emittiert werden. Es wird das Scanmuster über alle Raumwinkel mit derselben Orientierung abgestrahlt. Die LIDAR-Vorrichtung kann im Hinblick auf eine Strahlenführung von der Strahlenquelle in den Abtastbereich und zurück zum Detektor koaxial oder biaxial ausgeführt sein.
-
Nach einer Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung ist der mindestens eine erzeugte Strahl durch mindestens einen zweidimensionalen Schwingspiegel abhängig von der mindestens einen Rotationsposition des rotierbaren Spiegels auf den rotierbaren Spiegel ablenkbar. Vorzugsweise kann ein in zwei Richtungen kontrolliert schwingbarer Spiegel verwendet werden. Ein derartiger zweidimensionaler Schwingspiegel kann durch geeignete Veränderung der Amplituden beider Schwingungsrichtungen mindestens einen erzeugten Strahl bzw. erzeugten Laserpunkt oder einen erzeugten linienförmigen Strahl angepasst auf den rotierbaren Spiegel ablenken. Vorzugsweise erfolgt die Änderung der Amplituden sinusförmig, wobei eine Phasenverschiebung von 90° zwischen einer ersten Schwingungsrichtung und einer zweiten Schwingungsrichtung optimal sein kann. Andere Phasenverschiebungen sind abhängig von Systemanforderungen ebenfalls möglich. Durch die angepasste Ablenkung auf den rotierbaren Spiegel kann das Scanmuster der LIDAR-Vorrichtung konstant bleiben.
-
Nach einer weiteren Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung ist der mindestens eine erzeugte Strahl durch mindestens zwei hintereinander angeordnete eindimensionale Schwingspiegel abhängig von der mindestens einen Rotationsposition des rotierbaren Spiegels auf den rotierbaren Spiegel ablenkbar. Alternativ oder zusätzlich zu einem zweidimensionalen Schwingspiegel kann eine Kombination aus mindestens zwei eindimensional schwingbaren Spiegeln zum Korrigieren der Veränderung des Scanmusters entlang eines horizontalen Abtastwinkels verwendet werden. Die beiden eindimensionalen Spiegel können beispielsweise um 90° zueinander versetzte Schwingungsrichtungen zum Ablenken des mindestens einen erzeugten Strahls aufweisen. Vorzugsweise können die beiden Schwingspiegel einen möglichst geringen Abstand zueinander aufweisen. Hierdurch sind zusätzliche optische Elemente zum Fokussieren eines Strahls von einem Schwingspiegel auf den zweiten Schwingspiegel nicht notwendig.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung ist zwischen den mindestens zwei eindimensionalen Schwingspiegeln mindestens eine Optik zum Formen des mindestens einen erzeugten Strahls angeordnet. Durch eine zwischen den Schwingspiegeln angeordnete Optik kann der Abstand zwischen den Schwingspiegeln vergrößert werden. Vorteilhafterweise kann der mindestens eine erzeugte und durch eine Auslenkung des ersten Schwingspiegels auf den zweiten Schwingspiegel reflektierte Strahl auf den zweiten Schwingspiegel durch die mindestens eine Optik fokussiert werden. Der zweite Schwingspiegel kann anschließend den erzeugten Strahl auf den rotierbaren Spiegel ablenken, wodurch der mindestens eine erzeugte Strahl in den Abtastbereich emittiert werden kann. Durch eine Beabstandung beider Schwingspiegel können die Schwingspiegel mechanisch entkoppelt werden. Durch die mindestens eine Optik kann zumindest der zweite Schwingspiegel kleiner ausgeführt sein.
-
Nach einer weiteren Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung ist im Strahlengang des mindestens einen erzeugten Strahls zwischen dem rotierbaren Spiegel und dem mindestens einen Schwingspiegel mindestens eine Optik angeordnet. Hierdurch kann eine linienförmige Projektion des Scanmusters verbessert werden, da der mindestens eine erzeugte Strahl präzise auf den rotierbaren Spiegel fokussiert wird.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung ist der rotierbare Spiegel ein auf einem Rotor angeordneter Spiegel, wobei auf dem Rotor eine dem Spiegel nachgeordnete Optik zum Formen des mindestens einen erzeugten Strahls positioniert ist. Auf dem Rotor sind hierdurch nur passive Teile der LIDAR-Vorrichtung angeordnet. Eine elektrische Anbindung oder eine Datenverbindung zum Rotor wird somit nicht benötigt. Alternativ oder zusätzlich zu einer Anordnung mindestens einer Optik zwischen einem Schwingspiegel und dem rotierbaren Spiegel kann die mindestens eine Optik auch im Strahlengang dem rotierbaren Spiegel nachgeschaltet sein. Hierdurch kann der mindestens eine erzeugte Strahl optimal auf einen definierten Abstand eines zu belichtenden Objektes zu der LIDAR-Vorrichtung fokussiert werden. Vorzugsweise ist der mindestens eine Schwingspiegel konzentrisch mit einer Rotationsachse des Rotors und mit dem rotierbaren Spiegel angeordnet.
-
Nach einer weiteren Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung ist eine Schwingungsfrequenz des mindestens einen Schwingspiegels höher ist als eine Rotationsfrequenz des rotierbaren Spiegels. Da der mindestens eine erzeugte Strahl bzw. Laserpunkt durch den mindestens einen Schwingspiegel auf die Rotation des rotierbaren Spiegels synchronisiert wird, trifft der mindestens eine erzeugte Strahl immer in einer optimalen Ausrichtung auf den rotierbaren Spiegel. Dadurch bleiben die Orientierung und die Scanrichtung des mindestens einen erzeugten Strahls unter allen Abstrahlwinkeln unverändert. Durch eine höhere Frequenz des mindestens einen Schwingspiegels gegenüber dem rotierbaren Spiegel kann ein linienförmiges Scanmuster realisiert werden, welches unabhängig von unterschiedlichen horizontalen Abtastwinkeln konstant bleiben kann. Insbesondere kann hierdurch ein horizontaler 360° Abtastwinkel realisiert werden.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung weist der mindestens eine erzeugte Strahl eine Punktform auf. Der mindestens eine erzeugte Strahl kann sowohl punktförmig sein als auch ein Punktmuster bilden. Hierdurch kann die Erzeugungsoptik beispielsweise Strahlteiler, diffraktive optische Elemente oder dergleichen aufweisen, die mindestens einen von der Strahlenquelle erzeugten Strahl aufteilen bzw. in mehrere Strahlen auffächern können. Die einzelnen Strahlen bilden hierbei vorzugsweise einzelne Strahlenpunkte, die zum Belichten des Abtastbereiches verwendet werden können. Es kann der Abtastbereich durch ein Punktraster gepulst oder kontinuierlich belichtet werden. Hierdurch kann die LIDAR-Vorrichtung auch koaxial aufgebaut sein und gleichzeitig erzeugte Strahlen senden und reflektierte Strahlen empfangen. Hierzu können die erzeugten Strahlen und die reflektierten Strahlen zumindest einen geringfügigen Versatz zueinander aufweisen und vorzugsweise an unterschiedlichen Bereichen auf der Ablenkeinheit auftreffen. Eine Reihenfolge der einzelnen Strahlen bleibt hierbei konstant, da der mindestens eine Schwingspiegel die erzeugten Strahlen entsprechend der Rotationsposition des rotierbaren Spiegels ablenkt und eventuelle Abweichungen kompensieren kann.
-
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der mindestens eine erzeugte Strahl eine Linienform auf. Der erzeugte Strahl kann abhängig von einem Einsatzbereich und den daraus resultierenden Anforderungen durch die Erzeugungsoptik beliebig geformt werden. Beispielsweise kann der Strahl linienförmig ausgeführt sein. Der Strahl weist eine zweidimensionale Linienform auf, mit welcher der Abtastbereich abgetastet werden kann. Vorteilhafterweise kann eine Erzeugungsoptik in Form einer Zylinderlinse oder eine Kombination aus einer Zylinderlinse mit weiteren optischen Elementen zum Formen eines erzeugten Strahls zu einem linienförmigen erzeugten Strahl verwendet werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs mit mindestens einem Strahl bereitgestellt. In einem ersten Schritt wird mindestens ein Strahl erzeugt und auf mindestens einen ersten Schwingspiegel abgestrahlt. Der mindestens eine Strahl wird anschließend durch den mindestens einen ersten Schwingspiegel angepasst auf eine Rotationsposition eines rotierbaren Spiegels auf den rotierbaren Spiegel abgelenkt. Der rotierbare Spiegel lenkt den mindestens einen erzeugten Strahl horizontal entlang des Abtastbereichs ab. Mindestens ein an einem Objekt reflektierter Strahl wird von einem Detektor empfangen und registriert.
-
Der mindestens eine erzeugte Strahl kann durch den mindestens einen ersten Schwingspiegel basierend auf einer hochfrequenten Ablenkung ein Scanmuster bilden, welches zum Belichten des Abtastbereichs verwendet werden kann und durch den rotierbaren Spiegel entlang eines horizontalen Abtastwinkels abgelenkt werden kann. Der mindestens eine Schwingspiegel kann hierbei nicht nur zum Bilden eines Scanmusters verwendet werden, sondern auch zum Ausgleichen einer Rotation des Scanmusters bei einem Belichten des horizontalen Abtastwinkels. Somit kann eine Orientierung des mindestens einen Strahls bei einem Belichten des Abtastbereiches durch den mindestens einen Schwingspiegel korrigiert, beeinflusst oder konstant ausgerichtet werden.
-
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1a und 1b schematische Darstellungen einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit einem rotierbaren Spiegel in einer ersten Rotationsposition und
- 2a und 2b schematische Darstellungen einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit einem rotierbaren Spiegel in einer zweiten Rotationsposition.
-
In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
-
Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Realisierung eines vertikal ausgerichteten linienförmigen Scanmusters. Alternativ oder zusätzlich können auch beliebig gekippte Scanrichtungen oder Scanmuster generiert werden.
-
1a und 1b veranschaulichen anhand schematischer Darstellungen jeweils eine LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einem rotierbaren Spiegel 2 in einer ersten Rotationsposition. Die erste Rotationsposition ist hierbei ein initialer Rotationswinkel von 0° relativ zu einer Strahlenquelle 4. Der rotierbare Spiegel 2 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel stationär auf einem nicht gezeigten drehbaren Rotor positioniert.
-
Die Strahlenquelle 4 erzeugt mindestens einen erzeugten Strahl 5. Der mindestens eine erzeugte Strahl 5 ist vorzugsweise ein Laserstrahl 5. Der mindestens eine erzeugte Strahl 5 ist hierbei punktförmig ausgeführt. Der mindestens eine erzeugte Strahl 5 wird von der Strahlenquelle 4 auf einen Schwingspiegel 6 gestrahlt. Der Schwingspiegel 6 lenkt den mindestens einen erzeugten Strahl 5 auf den rotierbaren Spiegel 2. Nach einer Reflektion des mindestens einen erzeugten Strahls 5 an dem rotierbaren Spiegel wird der mindestens eine Strahl in einen Abtastbereich A emittiert. Ein Schirm S dient hilfsweise zum Verdeutlichen einer Auslenkung des mindestens einen erzeugten Strahls 5 und zur Veranschaulichung eines erzeugten Scanmusters M.
-
Der Schwingspiegel 6 ist gemäß der Ausführungsform ein zweidimensionaler Schwingspiegel 6. Der Schwingspiegel 6 kann somit in zwei Richtungen zum Ablenken des mindestens einen erzeugten Strahls 5 kontrolliert verschwenkt werden. Durch eine erste Schwingrichtung bzw. eine vertikale Schwingungsrichtung kann der mindestens eine erzeugte Strahl 5 durch den Schwingspiegel 6 mit einer Frequenz entlang einer vertikalen Linie abgelenkt werden. Die Frequenz ist hierbei höher als eine Rotationsgeschwindigkeit des rotierbaren Spiegels 2. Durch eine entsprechend hohe Frequenz des Schwingspiegels 6 kann ein Scanmuster M durch den Schwingspiegel 6 belichtet werden, welches durch den rotierbaren Spiegel 2 entlang eines horizontalen Ablenkwinkels abgelenkt wird. Der mindestens eine punktförmige erzeugte Strahl 5 wird hierbei mit der Frequenz des Schwingspiegels 6 entlang des Scanmusters M durch den Schwingspiegel 6 ausgelenkt, wodurch ein näherungsweise-stationäres Scanmuster M erzeugt werden kann. Das Scanmuster M kann hierbei kontinuierlich oder abhängig von definierten Rotationspositionen durch mindestens einen punktförmigen erzeugten Strahl 5 erzeugt und in den Abtastbereich A ausgesendet werden.
-
Die 1a zeigt hierbei einen erzeugten Strahl 5 mit einer derartigen Auslenkung des Schwingspiegels 6, dass der erzeugte und in den Abtastbereich A emittierte Strahl 5 an einer tiefsten vertikalen Position des Scanmusters M ist. In der 1b ist der Schwenkspiegel 6 entgegengesetzt ausgelenkt, sodass der erzeugte Strahl 5 an einer höchsten vertikalen Position des Scanmusters M ausgelenkt ist. Der Schwingspiegel 6 lenkt hierbei kontinuierlich den mindestens einen erzeugten Strahl 5 zwischen der tiefsten und der höchsten Position des Scanmusters M ab und erzeugt hierdurch das Scanmuster M.
-
Mit dem Scanmuster M wird der Abtastbereich A abgetastet. Sofern Objekte 8 oder Gegenstände 8 im Abtastbereich A angeordnet sind, können die erzeugten Strahlen 5 an den Objekten 8 reflektiert oder gestreut werden. Die reflektierten oder gestreuten Strahlen 9 können anschließend von einem Detektor 10 der LIDAR-Vorrichtung 1 empfangen und registriert bzw. ausgewertet werden.
-
2a und 2b veranschaulichen anhand schematischer Darstellungen jeweils die LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit dem rotierbaren Spiegel 2 in einer zweiten Rotationsposition. Die zweite Rotationsposition ist hierbei ein Rotationswinkel von 90° relativ zu der Strahlenquelle 4 bzw. relativ zu dem initialen Rotationswinkel von 0°.
-
Durch die Rotationsposition des rotierbaren Spiegels 2 würde sich das Scanmuster M verdrehen oder verzerren. Hierbei kann der Schwingspiegel 6 durch eine zweite Schwingungsrichtung bzw. die horizontale Schwingungsrichtung kombiniert mit der vertikalen Schwingungsrichtung den mindestens eine erzeugten Strahl 5 derart schrägt bzw. diagonal auslenken, dass das Scanmuster M weiterhin seine Orientierung behält. Hierdurch kann der Schwingspiegel 6 abhängig von der Rotationsposition des rotierbaren Spiegels 2 den mindestens einen erzeugten Strahl 5 angepasst ablenken und die Ausrichtung des Scanmusters M konstant halten.
-
In der 2a ist hierbei eine Auslenkung des Schwingspiegels 6 zum Belichten der tiefsten Position des Scanmusters M und in der 2b zum Belichten der höchsten Position des Scanmusters M veranschaulicht.
