DE102017221981A1

DE102017221981A1 - Mikrospiegelbasierte Vorrichtung zum Aussenden von Lichtstrahlen

Info

Publication number: DE102017221981A1
Application number: DE102017221981.5A
Authority: DE
Inventors: Christoph HORNEBER; Heiko Ridderbusch; Jan Sparbert; Annette Frederiksen; Bernhard Michel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-06-06

Abstract

Vorrichtung (100) zum Aussenden von Lichtstrahlen (105) umfassend eine Lichtquelle (101), die die Lichtstrahlen (105) aussendet, und einen Mikrospiegel (103) zum Ablenken der Lichtstrahlen (105), dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Bauelement (104) vorgesehen ist, das einen Abstand zum Mikrospiegel (103) aufweist, wobei der Mikrospiegel (103) die Lichtstrahlen (105) in Richtung des optischen Bauelements (104) leitet, wobei die Lichtstrahlen (105) mittels einer Lichteintrittsfläche (106) des optischen Bauelements (104) in das optische Bauelement (104) eindringen und mittels einer Lichtaustrittsfläche (107) des optischen Bauelements (104) aus dem optischen Bauelement (104) austreten, wobei die Lichtaustrittsfläche (107) des optischen Bauelements (104) mindestens eine Krümmung aufweist, sodass die Lichtstrahlen (105) beim Austritt aus der Lichtaustrittsfläche (107) des optischen Bauelements (104) derart abgelenkt werden, dass die Vorrichtung (100) ein vorgegebenes Sichtfeld ausleuchtet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aussenden von Lichtstrahlen, ein Fahrzeug mit solch einer Vorrichtung und ein Verfahren zum Aussenden von Lichtstrahlen.
Es sind Lidarsysteme bekannt, die motorbetriebene Laserscanner umfassen. Diese Laserscanner weisen große Abmessungen und makroskopisch bewegte Elemente auf.
Des Weiteren sind mikrospiegelbasierte Lidarsysteme bekannt, die Mikrospiegel umfassen, die einen Durchmesser von typischerweise 1-3mm aufweisen. Diese Mikrospiegel sind als MEMS-Spiegel realisiert und können zur Strahlablenkung um eine oder zwei ihrer Achsen schwingen.
Nachteilig ist hierbei, dass der Auslenkwinkel der Mikrospiegel beschränkt ist. Gründe hierfür sind beispielsweise die Steifigkeit der Federn, die den Mikrospiegel bewegen, die benötigte Energieaufnahme oder der mechanische Anschlag des Mikrospiegels an umliegende Strukturen. Die Beschränkung des Auslenkwinkels beeinflusst dabei auch das horizontale Sichtfeld des Lidarsensors, das sogenannte horizontale Field of View. Das horizontale Sichtfeld weist dabei einen Winkelbereich von 50-60° auf.
Die Aufgabe der Erfindung ist es ein großes Sichtfeld bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Eine Vorrichtung zum Aussenden von Lichtstrahlen umfasst eine Lichtquelle, die die Lichtstrahlen aussendet und einen Mikrospiegel zum Ablenken der Lichtstrahlen. Erfindungsgemäß ist ein optisches Bauelement vorgesehen, das einen Abstand zum Mikrospiegel aufweist, wobei der Mikrospiegel die Lichtstrahlen in Richtung des optischen Bauelements leitet, wobei die Lichtstrahlen mittels einer Lichteintrittsfläche des optischen Bauelements in das optische Bauelement eindringen und mittels einer Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements aus dem optischen Bauelement austreten. Des Weiteren weist die Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements mindestens eine Krümmung auf, sodass die Lichtstrahlen beim Austritt aus der Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements derart abgelenkt werden, dass die Vorrichtung ein vorgegebenes Sichtfeld ausleuchtet. Mit anderen Worten im Sendepfad ist hinter dem Mikrospiegel beabstandet eine Sekundäroptik angeordnet, sodass sich der Gesamtwinkelbereich des Sichtfelds vergrößert. Diese Sekundäroptik umfasst beispielsweise eine asphärische Fläche.
Der Vorteil ist hierbei, dass das Sichtfeld der Vorrichtung einen großen Winkelbereich abdeckt.
In einer Weiterbildung umfasst das optische Bauelement eine Teleskopoptik, insbesondere eine Linse.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Baugröße der Vorrichtung für ein Gesamtsystem mit geringer Reichweite klein ist.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements Fresnelstrukturen.
Der Vorteil ist hierbei, dass wenig Bauraum benötigt wird.
In einer Weiterbildung ist die Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements plankonvex ausgestaltet.
In einer weiteren Ausgestaltung verläuft die Lichtaustrittsfläche unsymmetrisch zu einer Mittelachse des optischen Bauelements.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Winkelvergrößerung in unterschiedlichen Bereichen des optischen Bauelements verschieden ist, sodass ein vorgegebenes Sichtfeld gezielt ausgeleuchtet werden kann.
In einer Weiterbildung ist das optische Bauelement reflektiv ausgestaltet.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst eine Vorrichtung zum Aussenden von Lichtstrahlen mit einer Lichtquelle, die die Lichtstrahlen aussendet und einen Mikrospiegel zum Ablenken der Lichtstrahlen. Es ist ein optisches Bauelement vorgesehen, das einen Abstand zum Mikrospiegel aufweist, wobei der Mikrospiegel die Lichtstrahlen in Richtung des optischen Bauelements leitet, wobei die Lichtstrahlen mittels einer Lichteintrittsfläche des optischen Bauelements in das optische Bauelement eindringen und mittels einer Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements aus dem optischen Bauelement austreten. Des Weiteren weist die Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements mindestens eine Krümmung auf, sodass die Lichtstrahlen beim Austritt aus der Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements derart abgelenkt werden, dass die Vorrichtung ein vorgegebenes Sichtfeld vor dem Fahrzeug, vorzugsweise in horizontaler Richtung ausleuchtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aussenden von Lichtstrahlen umfasst das Aussenden von Lichtstrahlen mit Hilfe einer Lichtquelle, das Ablenken der Lichtstrahlen mit Hilfe eines Mikrospiegels und das Ausleuchten eines vorgegebenen Sichtfelds, wobei die Lichtstrahlen mit Hilfe eines optischen Bauelements abgelenkt werden, wobei die Lichtstrahlen mittels einer Lichteintrittsfläche des optischen Bauelements in das optische Bauelement eindringen und mittels einer Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements aus dem optischen Bauelement austreten, wobei die Lichtaustrittsfläche mindestens eine Krümmung aufweist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine Vorrichtung zum Aussenden von Lichtstrahlen,
2 eine Seitenansicht eines optischen Bauelements,
3 einen Verlauf einer nichtlinearen Winkelvergrößerung, und
4 ein Verfahren zum Aussenden von Lichtstrahlen.

1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Aussenden von Lichtstrahlen 105 bzw. optischer Strahlung oder Gaußstrahlen. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Lichtquelle 101, einen Kollimator 102, einen Mikrospiegel 103 und ein optisches Bauelement 104. Die Lichtquelle 101 ist dazu eingerichtet Lichtstrahlen 105 auszusenden. Die Lichtquelle 101 ist beispielsweise ein Laser. Der Kollimator 102 erzeugt einen parallelen Strahlenverlauf der Lichtstrahlen 105. Die kollimierten Lichtstrahlen 105 werden auf den Mikrospiegel 103 geleitet und von diesem abgelenkt. Der Mikrospiegel 103 kann entlang einer oder zwei seiner Achsen schwenkbar sein. Das optische Bauelement 104 ist für Lichtstrahlen 105 durchlässig bzw. transparent. Das optische Bauelement 104 weist eine Lichteintrittsfläche 106 und eine Lichtaustrittsfläche 107 auf. Das optische Bauelement 104 umfasst beispielsweise eine refraktive Optik, die eine oder mehrere Linsen aufweist. Dadurch verändert sich der Winkel der Lichtstrahlen 105 nach dem Austritt aus der Lichtaustrittsfläche 107.
2 zeigt eine Seitenansicht des optischen Bauelements 204. Es ist eine Lichteintrittsfläche 206 des optischen Bauelements 204 und eine Lichtaustrittsfläche 207 des optischen Bauelements 204 gezeigt. Die Lichteintrittsfläche 206 des optischen Bauelements 204 ist beispielsweise eben ausgestaltet. Die Lichtaustrittsfläche 207 des optischen Bauelements 204 weist mindestens eine Krümmung auf. Unter dem Begriff Krümmung wird hierbei eine lokale Abweichung einer Kurve von einer Geraden verstanden.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Lichtaustrittsfläche als asphärische Fläche bzw. asphärische Linse ausgestaltet. Eine asphärische Fläche ist dabei eine Fläche, die eine von einer Kugel- oder planen Form abweichende brechende Oberfläche aufweist. Diese asphärische Fläche ist dabei frei formbar. Sie kann symmetrisch oder unsymmetrisch gegenüber einer Symmetrieachse ausgestaltet sein.
Die Krümmung bzw. Krümmungen können mittels sogenanntem Tailored Optical Design berechnet werden. Mittels eines iterativen Verfahrens wird dabei die Form der optischen Oberfläche berechnet, sodass jeder Einstrahlrichtung des Lasers die gewünschte Ausgangsrichtung des Laserstrahls zugeordnet wird. Die Krümmungen führen dazu, dass die erzeugte Winkelvergrößerung des Auslenkwinkels entlang einer ersten Haupterstreckungsrichtung y des optischen Bauelements 204 unterschiedliche Werte aufweist, d. h. der Quotient aus Austrittswinkel des Lichtstrahls aus dem optischen Bauelement 204 zu Eintrittswinkel des Lichtstrahls in das optische Bauelement 204 ist entlang der ersten Haupterstreckungsrichtung y verschieden. Somit weist die Winkelvergrößerung des optischen Bauelements 204 entlang der ersten Haupterstreckungsrichtung y keinen konstanten Wert auf. In einem Ausführungsbeispiel weist der mittlere Bereich des optischen Bauelements 204, d. h. der Bereich der sich um eine Mittelachse bzw. Symmetrieachse 208, die parallel zu einer zweiten Haupterstreckungsrichtung x verläuft, befindet, keine Winkelvergrößerung auf. Die erste Haupterstreckungsrichtung y und die zweite Haupterstreckungsrichtung x sind dabei senkrecht zueinander angeordnet. Ihr Schnittpunkt repräsentiert den Ursprung des optischen Bauelements 204, das sich in positiver Richtung entlang der ersten Haupterstreckungsrichtung y und der zweiten Haupterstreckungsrichtung x erstreckt. Der mittlere Bereich entspricht dem inneren Sichtfeld bzw. inneren Field of View des Lidarsensors, das einen Winkelbereich von 0° bis 10° zur Symmetrieachse 208 aufweist.
Außerhalb des mittleren Bereichs nimmt die Winkelvergrößerung zu. Man kann daher von einer nichtlinearen Winkelvergrößerung sprechen.
Die nichtlineare Winkelvergrößerung des optischen Bauelements 204 wird in zwei Schritten entworfen. Zuerst wird ein optisches Bauelement 204 mit einer festen Winkelvergrößerung entworfen, d. h. der Quotient aus Austrittswinkel zu Eintrittswinkel weist einen festen Faktor auf. Dies entspricht der Winkelvergrößerung im mittleren Bereich. In einem weiteren Schritt wird die Lichtaustrittsfläche 207 des optischen Bauelements 204 derart bearbeitet, dass sie eine Form aufweist, die mit Hilfe eines iterativen Verfahrens berechnet wird, sodass jeder Eingangsstrahlrichtung des Laserstrahls die gewünschte Ausgangsrichtung des Laserstrahls zugeordnet wird. Durch das optische Bauelement 204 wird nicht nur der Ablenkwinkel des Lasers, sondern auch die Spotgröße des Lasers vergrößert.
3 zeigt einen Verlauf 300 einer nichtlinearen Winkelvergrößerung. Auf der Abszisse ist der Eintrittswinkel des Lichtstrahls in die Lichteintrittsfläche des optischen Bauelements und auf der Ordinate der Austrittswinkel des Lichtstrahls aus der Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements aufgetragen.
4 zeigt ein Verfahren 400 zum Aussenden eines Lichtstrahls. Das Verfahren 400 startet mit einem Schritt 410, in dem Lichtstrahlen mit Hilfe einer Lichtquelle, insbesondere eines Lasers ausgesendet werden. In einem folgenden Schritt 420 werden die Lichtstrahlen mit Hilfe eines Mikrospiegels abgelenkt. In einem folgenden Schritt 430 wird ein vorgegebenes Sichtfeld ausgeleuchtet, wobei die Lichtstrahlen mit Hilfe eines optischen Bauelements abgelenkt werden, wobei die Lichtstrahlen mittels einer Lichteintrittsfläche des optischen Bauelements in das optische Bauelement eindringen und mittels einer Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements aus dem optischen Bauelement austreten, wobei die Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements mindestens eine Krümmung aufweist.
Die Vorrichtung zum Aussenden von Lichtstrahlen kann in Lidarsystemen für den Einsatz von autonomen Fahrzeugen, Robotern oder bei der Gestenerkennung eingesetzt werden.

Claims

Vorrichtung (100) zum Aussenden von Lichtstrahlen (105) umfassend • eine Lichtquelle (101), die die Lichtstrahlen (105) aussendet, und • einen Mikrospiegel (103) zum Ablenken der Lichtstrahlen (105), dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Bauelement (104) vorgesehen ist, das einen Abstand zum Mikrospiegel (103) aufweist, wobei der Mikrospiegel (103) die Lichtstrahlen (105) in Richtung des optischen Bauelements (104) leitet, wobei die Lichtstrahlen (105) mittels einer Lichteintrittsfläche (106) des optischen Bauelements (104) in das optische Bauelement (104) eindringen und mittels einer Lichtaustrittsfläche (107) des optischen Bauelements (104) aus dem optischen Bauelement (104) austreten, wobei die Lichtaustrittsfläche (107) des optischen Bauelements (104) mindestens eine Krümmung aufweist, sodass die Lichtstrahlen (105) beim Austritt aus der Lichtaustrittsfläche (107) des optischen Bauelements (104) derart abgelenkt werden, dass die Vorrichtung (100) ein vorgegebenes Sichtfeld ausleuchtet.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement (104) eine Teleskopoptik, insbesondere eine Linse, umfasst.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (107) des optischen Bauelements (104) Fresnelstrukturen umfasst.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (107) des optischen Bauelements (104) plankonvex ausgestaltet ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (107) unsymmetrisch zu einer Mittelachse des optischen Bauelments (104) verläuft.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement (104) reflektiv ist.
Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren (400) zum Aussenden von Lichtstrahlen mit den Schritten: • Aussenden (410) von Lichtstrahlen mit Hilfe einer Lichtquelle, • Ablenken (420) der Lichtstrahlen mit Hilfe eines Mikrospiegels und • Ausleuchten (430) eines vorgegebenen Sichtfelds, wobei die Lichtstrahlen mit Hilfe eines optischen Bauelements abgelenkt werden, wobei die Lichtstrahlen mittels einer Lichteintrittsfläche des optischen Bauelements in das optische Bauelement eindringen und mittels einer Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements aus dem optischen Bauelement austreten, wobei die Lichtaustrittsfläche des optischen Bauelements mindestens eine Krümmung aufweist.