-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
-
Bei einem scannenden Lasersystem ist es sinnvoll sowohl einen Ablenkwinkel als auch eine Laserleistung zu überwachen, um beispielsweise eine notwendige Augensicherheit zu gewährleisten. Lasersysteme werden dahingehend klassifiziert, um sicherzustellen, dass die Lasersysteme auch im Fehlerfall nicht gefährlich für das menschliche Auge und die Haut werden. Wenn sich eine Leistung eines Lasers ändert, muss diese Änderung erkannt werden, damit das Lasersystem abgeschaltet wird oder eine Leistung des Lasersystems heruntergeregelt wird, da sonst die Grenzwerte der zugänglichen Strahlung der Augensicherheit überschritten werden. Da in die sehr komplexen Rechnungen für die zulässige Laserleistung aus augensicherheitstechnischer Sicht auch Parameter (Pulsdauer, Pulsabstand, etc.) eines Pulsmusters (zeitlich und örtlich) eine wichtige Rolle spielen, sollten auch diese überwacht werden. Ein kritischer Aspekt bei der Überwachung eines Lasersystems ist ferner auch ein Stehenbleiben eines Spiegels, welches sehr schnell erkannt werden sollte, um den Laser vor einer potentiellen Schädigung abzuschalten oder herunter zu regeln.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung zur Überwachung eines scannenden Lasersystems, eine Laservorrichtung zur Ausführung einer Überwachung eines scannenden Lasersystems und weiterhin ein Verfahren zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
-
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
-
Durch eine optische basierte Messung eines scannenden Lasersystems unter Verwendung eines holografisch optischen Elements kann eine gleichzeitige Überwachung einer Laserleistung, einer Laserpulsung und einem Laserscanwinkel stattfinden.
-
Es wird eine Vorrichtung zur Überwachung eines scannenden Lasersystems vorgestellt, das einen Reflektor zum Reflektieren eines Ausgangsstrahls als einen einen ersten Scanwinkel aufweisenden ersten Strahl, einen einen zweiten Scanwinkel aufweisenden zweiten Strahl, einen einen dritten Scanwinkel aufweisenden dritten Strahl und zumindest einen einen weiteren Scanwinkel aufweisenden weiteren Strahl aufweist, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale umfasst:
- eine Detektoreinrichtung mit zumindest einem Detektorelement; und
- ein holografisches optisches Element, das ausgebildet ist, um zumindest einen der Strahlen auf das zumindest eine Detektorelement zu lenken.
-
Beispielsweise kann die Detektoreinrichtung ein erstes Detektorelement und zumindest ein zweites Detektorelement umfassen und das holografisch optische Element kann ausgebildet sein, um zumindest einen der Strahlen auf das erste Detektorelement und zumindest einen anderen der Strahlen auf das zweite Detektorelement zu lenken.
-
Bei einem scannenden Lasersystem kann es sich um ein System zum Emittieren eines Lichtstrahls einer exakt bestimmten Wellenlänge von äußerst hoher Intensität handeln. Bei einem Reflektor kann es sich um eine Licht reflektierende Oberfläche handeln. Der Reflektor kann ausgebildet sein, um den Ausgangsstrahl als den ersten Strahl, zeitlich dem ersten Strahl nachfolgend als den zweiten Strahl, zeitlich dem zweiten Strahl nachfolgend als den dritten Strahl und zeitlich dem dritten Strahl nachfolgend als den weiteren Strahl zu reflektieren. Bei einem Ausgangsstrahl kann es sich um einen Laserstrahl zu Messzwecken handeln. Bei einem Scanwinkel kann es sich um eine Laserstrahlauslenkung handeln, mit der der Laserstrahl auf eine gewünschte Position ausgerichtet werden kann. Bei einer Detektoreinrichtung kann es sich um eine Einrichtung zur Messung elektronmagnetischer Strahlung handeln, die zumindest ein Detektorelement umfasst. Ein Detektorelement kann ausgebildet sein, um eine Intensität einer auftreffenden Strahlung zu detektieren. Von den Detektorelementen bereitgestellte Detektorsignale können ausgewertet werden, um das scannende Lasersystem zu überwachen, beispielsweise unter Verwendung einer Auswerteeinrichtung. Beispielsweise kann ein zeitliches Muster der Detektorsignale mit einem Referenzmuster verglichen werden, um einen fehlerfreien oder fehlerbehafteten Betrieb des scannenden Lasersystems festzustellen. Bei einem holografisch optischen Element kann es sich um ein optisches Element handeln, dessen Funktionsprinzip auf der Holographie beruht. Das holografisch optische Element kann ausgebildet sein, um die Strahlen vollständig oder teilweise auf die Detektoreinrichtung zu lenken. Wenn das holografisch optische Element ausgebildet ist, um die Strahlen vollständig auf die Detektoreinrichtung zu lenken, kann der Ausgangsstrahl zusätzlich zu einem Nutzstrahl, der einen bildgebenden Strahl repräsentieren kann, von dem Reflektor reflektiert werden. Wenn das holografisch optische Element ausgebildet ist, um die Strahlen teilweise auf die Detektoreinrichtung zu lenken, kann der Ausgangsstrahl dem Nutzstrahl entsprechen. In diesem Fall kann das holografisch optische teilreflektierend ausgeführt sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann das holografische optische Element ausgebildet sein, um den ersten Strahl auf das erste Detektorelement, den zweiten Strahl auf das zweite Detektorelement, den dritten der Strahlen auf das erste Detektorelement und den weiteren der Strahlen auf das zweite Detektorelement zu lenken. Somit können zeitlich aufeinanderfolgend abgelenkte Strahlen alternierend auf das erste und das zweite Detektorelement gelenkt werden. Durch eine Auswertung der Detektorsignale kann beispielsweise eine Funktion des Reflektors, beispielsweise eine Bewegung des Reflektors zum Reflektieren des Ausgangsstrahls, überwacht werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann das holografische optische Element ausgebildet sein, um den ersten und den weiteren Strahl auf das erste Detektorelement zu lenken und zumindest den zweiten und den dritten Strahl auf das zweite Detektorelement zu lenken. Beispielsweise können der erste Strahl und der weitere Strahl die äußeren Bildpunkte einer von dem Lasersystem abgetasteten Zeile oder Spalte darstellen. Diese Ausführungsform dient der Überwachung eines maximalen Scanwinkels.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann die Detektoreinrichtung ein drittes Detektorelement umfassen, wobei das holografische optische Element ausgebildet ist, um zumindest einen der Strahlen auf das dritte Detektorelement zu lenken. Durch Hinzufügen eines dritten Detektorelements zu einer Detektoreinrichtung, kann das Lasersystem noch genauer überwacht werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann das holografische optische Element ausgebildet sein, um den ersten und den weiteren Strahl auf das zweite Detektorelement, den zweiten Strahl auf das erste Detektorelement und den dritten Strahl auf das dritte Detektorelement zu lenken. Diese Ausführungsform dient der Überwachung eines maximalen Scanwinkels sowie einer Bewegung des Reflektors zwischen den äußeren Grenzen des maximalen Scanwinkels.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann der Reflektor ausgebildet sein, um den Ausgangsstrahl zumindest als einen einen fünften Scanwinkel aufweisenden fünften Strahl zu reflektieren, wobei der fünfte Scanwinkel zwischen dem vierten Scanwinkel und dem weiteren Scanwinkel liegt, und wobei das holografische optische Element ausgebildet ist, um den zumindest einen fünften Strahl auf das erste Detektorelement oder das zweite Detektorelement zu lenken. Somit kann der Ansatz zur Überwachung des Lasersystems auf eine beliebige Anzahl von Strahlen, beispielsweise auf die eine Zeile oder Spalte abbildende Anzahl von Strahlen ausgeweitet werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann das holografische optische Element ausgebildet sein, um zumindest einen Anteil eines der Strahlen auf das erste Detektorelement und zumindest einen Anteil eines anderen der Strahlen auf das zweite Detektorelement zu lenken. Diese Ausführungsform bietet sich an, wenn ein teildurchlässiges holografisches optisches Element, beispielsweise ein Transmissionshologramm, eingesetzt wird. In diesem Fall kann das holografische optische Element zwischen dem Reflektor und einer zu scannenden Bildebene angeordnet werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann das erste Detektorelement ausgebildet sein, um ansprechend auf ein Detektieren eines Strahls ein erstes Detektorsignal bereitzustellen, und das zweite Detektorelement ausgebildet sein, um ansprechend auf ein Detektieren eines Strahls ein zweites Detektorsignal bereitzustellen. Die Vorrichtung kann eine Auswerteeinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des ersten und des zweiten Detektorsignals ein Überwachungssignal bereitzustellen. Das Überwachungssignal kann beispielsweise einen fehlerfreien oder fehlerbehafteten Betrieb des Lasersystems anzeigen.
-
Es wird eine Laservorrichtung zur Ausführung einer Überwachung eines scannenden Lasersystems vorgestellt, wobei die Laservorrichtung die folgenden Merkmale umfasst:
- ein scannendes Lasersystem umfassend einen Laser zum Aussenden eines Ausgangsstrahls und einen Reflektor zum Reflektieren des Ausgangsstrahls als einen einen ersten Scanwinkel aufweisenden ersten Strahl, einen einen zweiten Scanwinkel aufweisenden zweiten Strahl, einen einen dritten Scanwinkel aufweisenden dritten Strahl und zumindest einen einen weiteren Scanwinkel aufweisenden weiteren Strahl; und
- eine genannte Vorrichtung zur Überwachung des Lasersystems.
-
Es wird ein Verfahren zur Überwachung eines scannenden Lasersystems, das einen Reflektor zum Reflektieren eines Ausgangsstrahls als einen einen ersten Scanwinkel aufweisenden ersten Strahl, einen einen zweiten Scanwinkel aufweisenden zweiten Strahl, einen einen dritten Scanwinkel aufweisenden dritten Strahl und zumindest einen einen weiteren Scanwinkel aufweisenden weiteren Strahl aufweist vorgestellt, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
- Umlenken von zumindest einen der Strahlen auf das erste Detektorelement und von zumindest einem weiteren der Strahlen auf das zweite Detektorelement unter Verwendung eines holografischen optischen Elements.
-
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
-
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Laservorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine Vorrichtung zur Überwachung eines Lasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 einen schematischen Aufbau eines Laserprojektionssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 einen schematischen Aufbau eines Lidarsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 8 eine schematische Darstellung eines ersten Detektorsignals und eines zweiten Detektorsignals gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 9 eine schematische Darstellung eines ersten Detektorsignals und eines zweiten Detektorsignals gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 10 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 11 eine schematische Darstellung eines ersten Detektorsignals und eines zweiten Detektorsignals gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 12 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 13 eine schematische Darstellung von Detektorsignalen gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- Fog. 14 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
-
1 zeigt eine Laservorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Laservorrichtung 100 umfasst ein scannendes Lasersystem 102 sowie eine Vorrichtung 104 zur Überwachung des Lasersystems 102. Das scannende Lasersystem 102 umfasst einen Laser 106 zum Aussenden eines Ausgangsstrahls 108 und einen Reflektor 110 zum Reflektieren des Ausgangsstrahls 108 als zumindest einen einen ersten Scanwinkel aufweisenden ersten Strahl 112. Der Reflektor 110 ist beispielhaft als ein Spiegel ausgeführt.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie es nachfolgend anhand von 5 beschrieben ist, handelt es sich bei dem Ausgangsstrahl 108 um einen zusätzlichen Überwachungsstrahl, der zusätzlich zu einem bildgebenden Strahl von dem Reflektor 110 reflektiert wird. Gemäß einem alternativ Ausführungsbeispiel, wie es nachfolgend anhand von 6 beschrieben ist, handelt es sich bei dem Ausgangsstrahl 108 um den bildgebenden Strahl, von dem ein Anteil zur Überwachung des Lasersystems 102 eingesetzt wird.
-
Die Aufgabe der der Vorrichtung 104 zur Überwachung des Lasersystems 102 ist die Realisierung einer optisch-basierten Überwachung der von der Laservorrichtung 100 ausgesendeten Laserstrahlen, wobei die Überwachung gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele sowohl die Leistung, das zeitliche Verhalten als auch die Scanwinkel der einzelnen Laserstrahlen beinhalten kann. Hierdurch können diese drei Größen auch gleichzeitig überwacht werden und die Messung erfolgt an dem tatsächlich ausgesendeten Licht. Dies stellt einen Unterschied im Vergleich zur Nutzung einer Brückenspannung dar, die nur bei speziell dafür ausgelegten Mikrospiegeln genutzt werden kann. Aus einer solchen Brückenspannung könnte auf den Scanwinkel des Reflektors 110 und daraus wiederum auf die Richtung der Laserstrahlung geschlossen werden. Allerdings unterliegt die Brückenspannung auch Temperatureinflüssen wodurch das Signal verfälscht sein kann.
-
Die Vorrichtung 104 zur optisch-basierten Überwachung eines Lasersystems 102 bietet etliche Vorteile. Zum einen wird eine gleichzeitige Messung von drei Größen, der Leistung, der Zeit und des Winkel, ermöglicht. Ferner ist eine Trennung von Wirk- und Detektionspfad, also ein entkoppeltes System realisierbar. Auch sind keine Leiterbahnen über den Spiegel-Aufhängefedern also den Federn des Reflektors 110 erforderlich. Auf diese Weise kann ein Güteverlust bei resonanten Systemen und eine Degradation der Metallleiterbahnen vermieden werden, wodurch sich die Zyklenfestigkeit und die Lebensdauer erhöht. Die optische Funktion des holografisch optischen Elements ist auch als Off-Axis Geometrie realisierbar und somit flexibel im Bauraum, wodurch sich die Designfreiheit erhöht. Ferner sind holografisch optische Elemente kostengünstig herstellbar, beispielsweise aus Folienmaterial. Vorteilhafterweise kann der hier beschriebene Ansatz auch zusätzlich zur MEMS-Detektion (Brückenspannung) genutzt werden, falls aus Sicherheitsgründen eine redundante Überwachung gefordert ist.
-
2 zeigt eine Vorrichtung 104 zur Überwachung eines Lasersystems. Dabei kann es sich um ein Ausführungsbeispiel der anhand von 1 beschriebenen Vorrichtung handeln. Die Vorrichtung 104 zur Überwachung eines Lasersystems umfasst ein holografisch optisches Element 202, eine Detektoreinrichtung 204, die gemäß Ausführungsbeispiel zumindest zwei Detektorelemente 206, 208 aufweist, sowie optional eine Auswerteeinrichtung 210.
-
Das holografisch optische Element 202 lenkt einen ersten Strahl 212 auf das erste Detektorelement 206 der Detektoreinrichtung 204. Das erste Detektorelement 206 ist dabei ausgebildet, um ansprechend auf ein Detektieren des ersten Strahls 112 ein erstes Detektorsignal 214 bereitzustellen. Das erste Detektorsignal 214 zeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel einen Zeitpunkt eines Auftreffens des ersten Strahls 112 auf das erste Detektorelement 206 und zusätzlich oder alternativ eine Intensität des ersten Strahls 112 an. Das holografisch optische Element 202 lenkt ferner einen zweiten Strahl 216 auf das zweite Detektorelement 208 der Detektoreinrichtung 204. Das zweite Detektorelement 208 ist hierbei ausgebildet, um ansprechend auf ein Detektieren des zweiten Strahls 216 ein zweites Detektorsignal 218 bereitzustellen. Das zweite Detektorsignal 218 zeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel einen Zeitpunkt eines Auftreffens des zweiten Strahls 216 auf das zweite Detektorelement 208 und zusätzlich oder alternativ eine Intensität des zweiten Strahls 216 an.
-
Die Auswerteeinrichtung 210 ist dazu ausgebildet, um unter Verwendung des ersten Detektorsignals 214 und des zweiten Detektorsignals 216 ein Überwachungssignal 220 bereitzustellen. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele ist die Auswerteeinrichtung 210 dazu ausgebildet, um zum Bereitstellen des Überwachungssignals 220 die Detektorsignale 214, 216 miteinander und/oder mit Referenzwerten zu vergleichen und/oder miteinander zu kombinieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 210 dazu ausgebildet, um ein zeitliches Muster der Detektorsignale 214, 216 mit einem oder mehreren Referenzmustern zu vergleichen, um das Überwachungssignal 220 bereitzustellen. In diesem Fall ist die Auswerteeinrichtung 210 beispielsweise ausgebildet, um ein Überwachungssignal 220 bereitzustellen, dass einen fehlerfreien Betrieb des Lasersystems anzeigt, wenn eine Übereinstimmung zwischen dem zeitlichen Muster der Detektorsignale 214, 216 und einem Referenzmuster besteht. Entsprechend kann ein Überwachungssignal 220 bereitgestellt werden, das einen fehlerbehafteten Betrieb des Lasersystems anzeigt, wenn sich eine Abweichung zwischen dem zeitlichen Muster der Detektorsignale 214, 216 und einem Referenzmuster ergibt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird aus einer Charakteristik der Abweichung auf eine Fehlerart geschlossen und über das Überwachungssignal 220 angezeigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiele ist die Auswerteeinrichtung 210 zusätzlich oder alternativ dazu ausgebildet, um zum Bereitstellen des Überwachungssignals 220 eine Pulsfolge zumindest eines der Detektorsignale 214, 216 mit einer erwarteten Pulsfolge zu vergleichen. Im Fehlerfall kann beispielsweise ein zeitlicher Abstand zwischen zwei Pulsen von einem erwarteten zeitlichen Abstand abweichen oder es kann zumindest ein erwarteter Puls ausfallen. Neben dem hier vorgestellten Ansatz zu Überwachung eines Lasersystems, bestehen weitere Möglichkeiten den Scanwinkel des Reflektors oder Mikrospiegels zu überwachen. Diese können als optionale Ergänzung zu dem hier vorgestellten Ansatz angesehen werden. Beispielsweise kann ein Sensierprinzip verwenden werden, das auf dem piezoresistiven Wirkprinzip basiert. Bei der Auslenkung der Spiegelplatte wird Druck bzw. Zug auf die Aufhängefedern und damit auf die dort aufgebrachten Silizium Planarwiderstände aufgebracht. Durch den piezoresistiven Effekt ergibt sich eine Widerstandsänderung welche dann elektrisch ausgewertet werden kann. Hierzu können Wheatstone-Brückenschaltungen verwendet werden, um ein Signal zu erhalten, das proportional zur Widerstandsänderung und damit zur Spiegelauslenkung ist. Auch kann eine kapazitive Lagedetektionen eingesetzt werden, die aber einen hohen Signalverarbeitungsaufwand bedingen (Trägerfrequente Modulation & Demodulation) und auch Probleme mit der Kanaltrennung bei biaxialen Scannern haben können.
-
Im Gegensatz zu konventionellen Optiken wird bei holographisch optischen Elementen, wie dem holographischen optischen Element 202, welche als Volumenhologramme realisiert werden, die Strahlumlenkung nicht durch Brechung vorgegeben, sondern durch Beugung am Volumengitter. Die holographisch optischen Elemente lassen sich sowohl in Transmission als auch in Reflexion fertigen und durch die freie Wahl von Einfalls- und Ausfalls- bzw. Beugungswinkel ermöglichen sie neue Bauformen. Das holographische Beugungsgitter wird dabei in eine dünne Folie belichtet. Durch die Volumenbeugung kann den holographisch optischen Elementen zusätzlich noch eine charakteristische Wellenlängen- und Winkelselektivität oder auch Filterfunktion zugeordnet werden. Abhängig von der Aufnahmebedingung (Wellenlänge, Winkel) wird nur Licht aus definierten Richtungen und mit definierten Wellenlängen an der Struktur gebeugt.
-
Prinzipiell sind je nach Anwendung verschiedene Kombinationen und Erweiterungen der vorgestellten Ausführungsformen denkbar. Dabei können die Anzahl der Hologramme sowie die Anzahl der Detektoren und deren Zuordnung zueinander variiert werden und den zu überwachenden Größen angepasst werden. Es kann somit mehr als ein holographisches optisches Element 202 und zusätzlich oder alternativ mehr als eine Detektoreinrichtung 204 eingesetzt werden.
-
3 zeigt einen schematischen Aufbau eines Laserprojektionssystems 300. Das Laserprojektionssystem 300 umfasst zunächst einen roten Laser 302, einen grünen Laser 304 und einen blauen Laser 306. Diese verschieden farbigen Laser 302, 304, 306 werden eingesetzt, um einen kombinierten Ausgangsstrahl 108 an einen Abtastspiegel 308, beispielsweise in Form eines Mikrospiegels, zu senden. Der Abtastspiegel 308 lenkt den Ausgangsstrahl 108 auf eine Projektionsfläche 310, um einen bestimmten Bildpunkt auf der Projektionsfläche zu realisieren.
-
Das Laserprojektionssystem 300 umfasst ferner einen Lasertreiber 312, eine Energieversorgung 314, einen Spiegeltreiber 316, einen Positionssensor 318, einen Video- und Signalprozessor 320 sowie einen Signalgenerator 322 zum Durchführen einer Kontrollschleife. Der Video- und Signalprozessor 320 liest ein Videoeingangssignal 324 ein und steht in Kontakt mit dem Lasertreiber 312 und mit dem Signalgenerator 322 zum Durchführen einer Kontrollschleife. Der Video- und Signalprozessor 320 steuert unter Verwendung des Videoeingangssignals 324 den Lasertreiber 312 an, der wiederrum den roten Laser 302, grünen Laser 304 und blauen Laser 306 ansteuert. Der Signalgenerator 322 zum Durchführen einer Kontrollschleife steuert den Spiegeltreiber 316 an, der den Abtastspiegel 308 antreibt. Der Abtastspiegel 308 treibt den Positionssensor 318 wiederrum an, wobei der Signalgenerator 322 zum Durchführen einer Kontrollschleife unter Verwendung eines Signals des Positionssensors 318 dem Video- und Signalprozessor 320 signalisiert den Durchgang zu Wiederholen.
-
In vielen technischen Anwendungsbereichen kommen scannende Lasersysteme zum Einsatz. Beispielhafte Anwendungen sind Laserprojektionsvorrichtungen und Lidar-Sensoren fürs automatisierte Fahren. Beide Systeme verwenden einen oder mehrere Laser, die durch einen schwingenden Reflektor oder einen Mikrospiegel abgelenkt werden und so das gesamte Field of View (FoV) abscannen. So gibt es aber auch scannende Lasersysteme, die nicht mit einem Mikrospiegel, sondern mit einem Makrospiegel arbeiten.
-
Bei diesen scannenden Lasersystemen ist es sinnvoll sowohl den Scanwinkel als auch die Laserleistung zu überwachen. Beispielsweise ist dies für die Gewährleistung der Augensicherheit notwendig. Alle Lasersysteme müssen nach der IEC 60825-1 klassifiziert werden, wobei sichergestellt wird, dass die Systeme auch im Fehlerfall nicht gefährlich für das menschliche Auge sowie die menschliche Haut werden. Wenn sich die Laserleistung ändert, also beispielsweise eine höhere Leistung ausgesendet wird, muss dies erkannt werden, damit das System abgeschaltet wird, da sonst die Grenzwerte der zulässigen Strahlung der Augensicherheit überschritten werden. Da in die sehr komplexen Rechnungen für die zulässige Laserleistung aus augensicherheitstechnischer Sicht auch die Parameter des zeitlichen und örtlichen Pulsmusters eingehen und eine wichtige Rolle spielen, sollten auch diese überwacht werden. Ein kritischer Aspekt ist hierbei auch das Stehenbleiben des Reflektors oder Mikrospiegels, welches insbesondere im µs-Bereich sehr schnell erkannt werden muss, um den Laser vor einer potentiellen Schädigung abzuschalten. Bei Projektoren ist es wichtig die gerade gesendete Strahlrichtung zu kennen, damit eine Synchronisation mit der Ansteuerung der Laserdioden für den geraden geschriebenen Pixel möglich ist.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellt das Laserprojektionssystem 300 ein scannendes Lasersystem dar, das wie anhand von 1 beschrieben, von einer Vorrichtung zur Überwachung des scannenden Lasersystems überwacht werden kann. In diesem Fall kann der Abtastspiegel 308 dem anhand von 1 genannten Reflektor des Lasersystems entsprechen.
-
4. zeigt einen schematischen Aufbau eines Lidarsystems 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Lidarsystem umfasst eine Anwendungsspezifische-Integrierte-Schaltung 402 (ASIC), einen Lasertreiber 404, einen 2D-Mikrospiegel 406, der beispielsweise auch als ein 2×1D-Mikrospiegel ausgeführt sein kann, und ein Detektorfeld 408.
-
Der Lasertreiber 404 sendet einen Ausgangsstrahl 108 aus, der an dem 2D-Mikrospiegel 406 umgelenkt wird. Der umgelenkte erste Strahl 112 trifft auf ein Objekt 410 in einer Umgebung des Lidarsystems 400. Das Objekt 410 reflektiert einen Teil des ersten Strahls 112, wobei der zurückgeworfene erste Strahl 112 durch eine Empfängerlinse 412 gebündelt wird und nun auf das Detektorfeld 408 trifft. Das zurückfallende Licht ersten Strahls 112 des Lasertreibers von der Oberfläche eines Objekts, lässt Rückschlüsse auf eine Geschwindigkeit und eine Position des Objekts zu.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellt das Lidarsystem 400 ein scannendes Lasersystem dar, das wie anhand von 1 beschrieben, von einer Vorrichtung zur Überwachung des scannenden Lasersystems überwacht werden kann. In diesem Fall kann der Mikrospiegel 406 dem anhand von 1 genannten Reflektor des Lasersystems entsprechen.
-
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 104 zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Dabei ist von dem scannenden Lasersystem lediglich ein Reflektor 110 gezeigt. Der Reflektor 110 ist als schwingender Reflektor ausgeführt. Die Vorrichtung 104 umfasst ein holografisch optisches Element 202 und eine Detektoreinrichtung 204 mit einem ersten 206 und einen zweiten Detektorelement 208.
-
Der Reflektor 110 ist ausgebildet, um einen Nutzstrahl 500, beispielsweise einen bildgebenden Strahl, zeitlich aufeinanderfolgend zumindest als einen einen ersten Winkel aufweisenden ersten Bildstrahl 502, einen einen zweiten Winkel aufweisenden zweiten Bildstrahl 504 und einen einen dritten Winkel aufweisenden dritten Bildstrahl 506 zu reflektieren, beispielsweise auf eine zu scannende Fläche. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird zur Überwachung des Lasersystems ferner ein Ausgangsstrahl 108 von dem Reflektor 110 reflektiert. Dabei reflektiert der Reflektor 110 den Ausgangsstrahl als einen einen ersten Scanwinkel aufweisenden ersten Strahl 112, einen einen zweiten Scanwinkel aufweisenden zweiten Strahl 216, einen einen dritten Scanwinkel aufweisenden dritten Strahl 510 und zumindest einen einen weiteren Scanwinkel aufweisenden weiteren Strahl 512. Das holografische optische Element 202 ist ausgebildet, um die Strahlen 112, 216, 510, 512 entsprechend der holografischen Eigenschaften des holografischen optischen Elements 202 auf die Detektoreinrichtung 204 zu lenken. Das erste Detektorelement 206 ist ausgebildet, um beim Detektieren eines der Strahlen 112, 216, 510, 512 ein erstes Detektorsignal 214 bereitzustellen. Das zweite Detektorelement 208 ist ausgebildet, um beim Detektieren eines der Strahlen 112, 216, 510, 512 ein zweites Detektorsignal 218 bereitzustellen.
-
Der Ausgangsstrahl 108, der unter einem anderen Winkel als der Nutzstrahl 500 auf den schwingenden Reflektor 110 trifft, führt die Messfunktion durch. Dieser Ausgangsstrahl 108, auch als Messstrahl oder Ausgangsteilstrahl bezeichnet, kann entweder zuvor vom Nutzstrahl 500 abgezwackt worden sein oder ein eigener Laserstrahl mit flexibler Wellenlänge sein. Der Ausgangsstrahl 108 trifft dann auf das holografisch optische Element 202, welches unterschiedliche optische Funktionen enthält. So ist das holografisch optische Element 202 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den ersten 112 und den dritten Strahl 510 auf das erste Detektorelement 206 zu lenken und zumindest den zweiten 216 und den weiteren Strahl 512 auf das zweite Detektorelement 208 zu lenken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das holografisch optische Element 202 in der Darstellung vier Bereiche, wobei der erste und der dritte Bereich eine Umlenkung auf das erste Detektorelement 206 und der zweite und vierte Bereich eine Umlenkung auf das zweite Detektorelement 208 realisiert. Das holografisch optische Element 202 kann allerdings deutlich mehr als vier Bereiche aufweisen. Das erste Detektorelement 206 ist dabei ausgebildet, um ansprechend auf ein Detektieren des ersten Strahls 112 das erste Detektorsignal 214 bereitzustellen. Das zweite Detektorelement 208 ist ausgebildet, um ansprechend auf ein Detektieren des weiteren Strahls 512 das zweite Detektorsignal 218 bereitzustellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Überwachung eines scannenden Lasersystems kann durch den Ausgangsstrahl 108 allerdings nur auf einen Scanwinkel, nicht aber auf die Leistung des Nutzstrahls 500 geschlossen werden.
-
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 104 zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dabei ist von dem scannenden Lasersystem lediglich ein Reflektor 110 gezeigt. Der Reflektor 110 ist als schwingender Reflektor ausgeführt. Die Vorrichtung 104 umfasst das holografisch optische Element 202 und die Detektoreinrichtung 204 mit dem ersten 206 und dem zweiten Detektorelement 208. Im Unterschied zu dem anhand von 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel dient der Ausgangsstrahl 108 zusätzlich als bildgebender Strahl. Der Reflektor 110 ist ausgebildet, um den Ausgangsstrahl 108 als einen einen ersten Scanwinkel aufweisenden ersten Strahl 112, einen einen zweiten Scanwinkel aufweisenden zweiten Strahl 216, einen einen dritten Scanwinkel aufweisenden dritten Strahl 510 und einen einen weiteren Scanwinkel aufweisenden weiteren Strahl 512 zu reflektieren.
-
In dieser Ausführungsform einer Überwachung eines scannenden Lasersystems befindet sich das holografisch optische Element 202 im Nutzstrahlbereich und realisiert ebenfalls die zuvor beschriebene Funktion der Ausführungsform aus 5. So ist das holografisch optische Element 202 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um einen Teil des ersten Strahls 112 und einen Teil des dritten Strahls 510 auf das erste Detektorelement 206 zu lenken und zumindest einen Teil des zweiten Strahls 216 und einen Teil des weiteren Strahl 512 auf das zweite Detektorelement 208 zu lenken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das holografisch optische Element 202 vier Bereiche, wobei der erste und der dritte Bereich eine Umlenkung auf das erste Detektorelement 206 und der zweite und vierte Bereich eine Umlenkung auf das zweite Detektorelement 208 realisiert. Die Beugungseffizienz des holografisch optischen Elements 202 kann hierbei so gewählt werden, dass nur ein kleiner Teil vom Ausgangsstrahl 108 ausgekoppelt wird, wodurch es zu weniger Verlusten kommt. Ferner kann die Detektion sicher durchgeführt werden. Durch eine Kenntnis der Beugungseffizienz des holografisch optischen Elements 202 kann die Laserleistung überwacht werden.
-
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 104 zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 104 eignet sich beispielsweise zur Überwachung eines Reflektorstillstands eines Reflektors des zu überwachenden Lasersystems. Die schematische Darstellung der Vorrichtung umfasst dabei ein holografisch optisches Element 202 und eine Detektoreinrichtung 204. Das holografisch optische Element 202 umfasst eine Mehrzahl, hier beispielhaft 13 Bereiche zur Lenkung einer Mehrzahl von Strahlen auf die Detektoreinrichtung 204, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein erstes Detektorelement 206 und ein zweites Detektorelement 208 umfasst.
-
Das holografisch optische Element 202 ist ausgebildet, um den ersten Strahl 112 auf das erste Detektorelement 206, den zweiten Strahl 216 auf das zweite Detektorelement 208, den dritten Strahl 510 auf das erste Detektorelement 206 und den weiteren der Strahlen 512 auf das zweite Detektorelement 208 zu lenken.
-
Somit können zeitlich aufeinanderfolgen auf das holografisch optische Element 202 treffende Strahlen alternierend auf das erste Detektorelement 206 und das zweite Detektorelement 208 gelenkt werden.
-
Durch eine geschickte Ausführung der verschiedenen Bereiche des holografisch optischen Elements 202 sind unterschiedliche Messmöglichkeiten gegeben. Dabei werden im holographischen Material örtlich getrennt unterschiedliche optische Funktionen realisiert. Die unterschiedlichen optischen Funktionen (Anzahl n) lenken abwechselnd Licht auf die zwei lichtsensitiven Detektorelemente 206, 208 (Anzahl n). Im dargestellten Beispiel sind dabei zwei optische Funktionen örtlich getrennt im auch als Hologramm bezeichneten holografisch optischen Element 202 gespeichert und Licht wird auf das erste Detektorelement 206 und das zweites Detektorelement 208 gelenkt.
-
8 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Detektorsignals 214 und eines zweiten Detektorsignals 218. Gemäß einem Ausführungsbeispiel repräsentiert das erste Detektorsignal 214 das von dem in 7 gezeigten ersten Detektorelement bereitgestellte Signal und das zweite Detektorsignal 218 das von dem in 7 gezeigten zweiten Detektorelement bereitgestellte Signal. Die gezeigten Pulse der Detektorsignale 214, 218 repräsentieren von den Detektorelementen detektierte Strahlen.
-
Ein, beispielsweise durch Frequenz und Pulsung der Detektorsignale 214, 218 gegebenes, Signalmuster der Detektorsignale 214, 218 kann verwendet werden, um das Lasersystem zu überwachen. Das in 8 gezeigte Signalmuster repräsentiert dabei die Detektorsignale 214, 218 bei Normalbetrieb des Lasersystems. Hierbei werden zeitlich getrennte Pulse mit definierter Frequenz des scannenden Strahls detektiert. Gemäß diesem Ausführungsbeispiele weisen die Detektorsignale 214, 218 die gleiche Pulsfrequenz auf und die Pulse der Detektorsignale 214, 218 wechseln sich zeitlich ab, sodass mittig zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des ersten Detektorsignals 214 ein Puls des zweiten Detektorsignals 218 liegt.
-
9 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Detektorsignals 214 und eines zweiten Detektorsignals 218. Gemäß einem Ausführungsbeispiel repräsentiert das erste Detektorsignal 214 das von dem in 7 gezeigten ersten Detektorelement bereitgestellte Signal und das zweite Detektorsignal 218 das von dem in 7 gezeigten zweiten Detektorelement bereitgestellte Signal.
-
Im Unterschied zu 8 sind die Detektorsignale 214, 218 gemäß diesem Ausführungsbeispiel im Fehlerfall dargestellt.
-
Tritt ein Fehler auf, und der Reflektor bleibt stehen, ändert sich die zeitliche Abfolge der beiden Detektorsignale 214, 218. Über die Änderung der periodischen Abfolge der beiden Detektorsignale 214, 218 kann ein Reflektorstillstand, aber auch eine andere Störung detektiert werden. Beispielsweise kann auch erkannt werden, wenn der Reflektor mit einer zu geringen Frequenz schwingt. In dieser Darstellung schwingt der Reflektor am Anfang der Messung zu langsam bzw. mit einer zu geringen Frequenz und bleibt schließlich im Verlauf der Messung gänzlich stehen.
-
Ein zu langsames Schwingen des Reflektors wird gemäß einem Ausführungsbeispiel dadurch erkannt, dass die Frequenz der Detektorsignale 214, 218 von einer erwarteten Frequenz abweicht, hier zu klein ist. Ein Stillstehen des Reflektors wird gemäß einem Ausführungsbeispiel dadurch erkannt, dass eines der Detektorsignale 214, 218 keine Pulse aufweist. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Strahlen aufgrund des stillstehenden Reflektors nur noch auf das erste Detektorelement geleitet.
-
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 104 zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 104 eignet sich beispielsweise zur Überwachung eines maximalen Scanwinkels des zu überwachenden Lasersystems. Die schematische Darstellung der Vorrichtung umfasst dabei ein holografisch optisches Element 202 und eine Detektoreinrichtung 204. Das holografisch optische Element 202 umfasst eine Mehrzahl, hier beispielhaft 13 Bereiche zur Lenkung einer Mehrzahl von Strahlen auf die Detektoreinrichtung 204, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein erstes Detektorelement 206 und ein optionales zweites Detektorelement 208 umfasst.
-
Im Gegensatz zur 7 wird in diesem Ausführungsbeispiel am Randbereich des holografisch optischen Elements 202 eine andere optische Funktion gespeichert. Im Zentralbereich des holografisch optischen Elements 202, also zwischen dem zweiten und dem elften Bereich, werden die Strahlen, beispielsweise der zweite Lichtstrahl 216 und der dritte Lichtstrahl 510 auf das zweite Detektorelement 208 gelenkt. Lediglich am Randbereich des holografisch optischen Elements 202, also im ersten Bereich sowie im letzten Bereich, werden die Strahlen, hier der erste Lichtstrahl 112 und der weitere Lichtstrahl 512 vom holografisch optischen Element 202 auf das erste Detektorelement 206 gelenkt.
-
11 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Detektorsignals 214 und eines zweiten Detektorsignals 218. Gemäß einem Ausführungsbeispiel repräsentiert das erste Detektorsignal 214 das von dem in 10 gezeigten ersten Detektorelement bereitgestellte Signal und das zweite Detektorsignal 218 das von dem in 10 gezeigten zweiten Detektorelement bereitgestellte Signal. Die gezeigten Pulse der Detektorsignale 214, 218 repräsentieren von den Detektorelementen detektierte Strahlen.
-
Wird der maximale Scanwinkel nicht erreicht, wird am ersten Detektorelement auch kein Signal detektiert und das erste Detektorsignal 214 weist keinen Puls auf. Zusätzlich bietet das zweite Detektorelement die Möglichkeit, das zeitliche Verhalten im Zentralbereich des Bildes zu überwachen. In einer weiteren Ausführungsform besteht aber auch die Möglichkeit auf das zweite Detektorelement und somit auch auf das zweite Detektorsignal 218 zu verzichten und nur das erste Detektorelement zu nutzen.
-
Gemäß diesem Ausführungsbeispiele weist das erste Detektorsignal 214 in einem erwarteten zeitlichen Abstand Pulse auf. Dies zeigt an, dass der maximale Scanwinkel erreicht wird. Im Fehlerfall würde das erste Detektorsignal 214 keinen oder nur einen Puls aufweisen.
-
12 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 104 zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 104 eignet sich beispielsweise zur Überwachung eines maximalen Scanwinkels und zusätzlich einer dazwischen liegenden Bewegung eines Reflektors des zu überwachenden Lasersystems. Die schematische Darstellung der Vorrichtung umfasst dabei ein holografisch optisches Element 202 und eine Detektoreinrichtung 204. Das holografisch optische Element 202 umfasst eine Mehrzahl von Bereichen zur Lenkung einer Mehrzahl von Strahlen auf die Detektoreinrichtung 204, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein erstes Detektorelement 206, ein zweites Detektorelement 208 sowie ein drittes Detektorelement 1200 umfasst.
-
Bei diesem Ansatz sind drei verschiedene optische Funktionen im holografisch optischen Element 202 gespeichert, welche örtlich getrennt den Ausgangsstrahl auf drei unterschiedliche Detektorelemente 206, 208, 1200 lenken. Im dargestellten Beispiel wird durch das zweite Detektorelement 208 der maximale Scanwinkel detektiert, sprich der erste Strahl 112 und der weitere Strahl 512 werden am Randbereich des holografisch optischen Elements 202, also im ersten Bereich sowie im zwölften Bereich, zum zweiten Detektorelement 208 gelenkt. Im Zentralbereich des holografisch optischen Elements 202, also zwischen dem zweiten und dem elften Bereich, werden die Lichtstrahlen, beispielsweise hier der zweite Lichtstrahl 216 und der dritte Lichtstrahl 512, abwechselnd auf das erste Detektorelement 206 und das dritte Detektorelement 1200 gelenkt, so dass ein Ausfall des Reflektors schnell detektiert werden kann.
-
13 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Detektorsignals 214, eines zweiten Detektorsignals 218 und eines dritten Detektorsignals 1300. Gemäß einem Ausführungsbeispiel repräsentiert das erste Detektorsignal 214 das von dem in 12 gezeigten ersten Detektorelement bereitgestellte Signal, das zweite Detektorsignal 218 das von dem in 12 gezeigten zweiten Detektorelement bereitgestellte Signal und das dritte Detektorsignal 1300 das von dem in 12 gezeigten dritten Detektorelement bereitgestellte Signal. Die gezeigten Pulse der Detektorsignale 214, 218, 1300 repräsentieren von den Detektorelementen detektierte Strahlen.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Frequenz und Pulsung der Detektorsignale 214, 216, 1300 zur Überwachung eines maximalen Scanwinkels und einer dazwischenliegenden Bewegung des Reflektors verwendet. Hierbei werden in den Detektorsignalen 214, 216, 1300 zeitlich getrennte Pulse mit definierter Frequenz des scannenden Strahls detektiert.
-
Unter Verwendung der Detektorsignale 214, 1300 kann eine Bewegung des Reflektors überwacht werden, wie es beispielsweise anhand der 8 und 9 beschrieben ist. Unter Verwendung des zweiten Detektorsignals 218 kann überwacht werden, ob der Reflektor den gesamten Scanwinkel abfährt. Wenn der Reflektor die maximalen Auslenkungen nicht erreicht, wird zumindest einer der Pulse des zweiten Detektorsignals 218 nicht erscheinen, wie es anhand von 11 beschrieben ist.
-
14 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 1400 zur Überwachung eines scannenden Lasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1400 zur Überwachung eines scannenden Lasersystems umfasst einen Schritt 1402, wobei zumindest einer der Strahlen auf zumindest ein Detektorelement, beispielsweise einer der Strahlen auf das erste Detektorelement und zumindest einer der weiteren Strahlen auf das zweite Detektorelement, unter Verwendung eines holografischen optischen Elements umgelenkt wird. In einem optionalen Schritt 1404 werden die Detektorsignale der Detektorelemente ausgewertet, um ein Überwachungssignal bereitzustellen.
-
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
