DE102018112410A1 - Laser scanning device for an object detection device of a vehicle and corresponding object detection device - Google Patents

Laser scanning device for an object detection device of a vehicle and corresponding object detection device Download PDF

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Jan Simon
Thomas Schuler
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserscaneinrichtung (12) für eine Objekterfassungsvorrichtung (10) eines Fahrzeugs, wobei die Laserscaneinrichtung (12) eine Laserlichtquelle (16) und eine Ablenkeinheit (24) zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts umfasst. Es ist vorgesehen, dass die Ablenkeinheit (24) einen MEMS-basierten Biegeaktor (20) aufweist.Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Objekterfassungsvorrichtung (10).The invention relates to a laser scanning device (12) for an object detection device (10) of a vehicle, wherein the laser scanning device (12) comprises a laser light source (16) and a deflection unit (24) for generating a scanning movement of the laser light. It is contemplated that the deflection unit (24) comprises a MEMS-based bending actuator (20). The invention further relates to a corresponding object detection device (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserscaneinrichtung für eine Objekterfassungsvorrichtung eines Fahrzeugs, wobei die Laserscaneinrichtung eine Laserlichtquelle und eine Ablenkeinheit zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts umfasst.The present invention relates to a laser scanning device for an object detection device of a vehicle, wherein the laser scanning device comprises a laser light source and a deflection unit for generating a scanning movement of the laser light.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Objekterfassungsvorrichtung für ein Fahrzeug.The invention further relates to a corresponding object detection device for a vehicle.

Das Dokument DE 10 2015 100 910 A1 beschreibt eine Objekterfassungsvorrichtung für Fahrzeuge, deren als Laserscaneinrichtung ausgebildete Sendeeinrichtung eine Laserlichtquelle, einen MEMS-Mikrospiegel als Ablenkeinheit zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Laserlichtquelle und des MEMS-Mikrospiegels umfasst.The document DE 10 2015 100 910 A1 describes an object detection device for vehicles whose transmitting device designed as a laser scanning device comprises a laser light source, a MEMS micromirror as a deflection unit for generating a scanning movement of the laser light and a control device for driving the laser light source and the MEMS micromirror.

Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laserscaneinrichtung sowie eine Objekterfassungsvorrichtung mit Laserscaneinrichtung anzugeben, bei denen die Laserscaneinrichtung besonders kompakt ist.Based on the above-mentioned prior art, the present invention seeks to provide a Laserscaneinrichtung and an object detection device with Laserscaneinrichtung in which the laser scanning device is particularly compact.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Bei der erfindungsgemäßen Laserscaneinrichtung für eine Objekterfassungsvorrichtung eines Fahrzeugs, die eine Laserlichtquelle und eine Ablenkeinheit zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts aufweist, ist vorgesehen, dass die Ablenkeinheit ihrerseits einen MEMS-basierten Biegeaktor aufweist. Dieser Aktor wurde nach eigenen Angaben vom Fraunhofer-Institut für photonische Mikrosysteme (Fraunhofer IPMS) entwickelt. Der MEMS-basierte Biegeaktor wird im Englischen auch als „nanoscopic electristatic drive“, kurz NED bezeichnet. Nach Angaben des Fraunhofer IPMS werden dabei durch bis zu 200 nm dünne Elektrodenspalte enorm hohe Kräfte elektrostatischer Felder mithilfe einer Steuerspannung erzeugt. Diese Kräfte werden durch geeignete Topographien oder Geometrien wiederum in laterale Kräfte transformiert und führen zu einer Verkrümmung von einem oder mehreren entsprechenden Biegebalkenelementen des Aktors. Mit anderen Worten weist der MEMS-basierte Biegeaktor zumindest ein Biegebalkenelement auf. Dieses Biegebalkenelement ist zumindest einseitig fest gelagert.In the inventive laser scanning device for an object detection device of a vehicle, which has a laser light source and a deflection unit for generating a scanning movement of the laser light, it is provided that the deflection unit in turn has a MEMS-based bending actuator. This actuator was developed by the Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems (Fraunhofer IPMS). The MEMS-based bending reactor is also referred to in English as "nanoscopic electristatic drive", short NED. According to the Fraunhofer IPMS, extremely high forces of electrostatic fields are generated by means of a control voltage through electrode gaps of up to 200 nm. These forces are in turn transformed by suitable topographies or geometries into lateral forces and lead to a curvature of one or more corresponding bending beam elements of the actuator. In other words, the MEMS-based bending actuator has at least one bending beam element. This bending beam element is mounted firmly on at least one side.

Die Verwendung von MEMS-basierten Biegeaktoren in Laserscaneinrichtungen ermöglicht eine Miniaturisierung durch Kombination von Aktorik, Sensoren und Elektronik. Gleichzeitig sind die Biegeaktoren bezüglich der Umweltverträglichkeit wenig problematisch.The use of MEMS-based bending actuators in laser scanning devices allows miniaturization by combining actuators, sensors and electronics. At the same time, the bending reactors are not very problematic in terms of environmental compatibility.

Die Ablenkeinheit weist zumindest eine optische Komponente beziehungsweise ein optisches Bauelement für das Laserlicht auf, welches als diffraktives Bauelement, reflektives Bauelement, etc. ausgebildet ist. Dabei kann das optische Bauelement direkt von einer Komponente des MEMS-basierten Biegeaktors gebildet sein oder als optisches Bauelement ausgebildet sein, welches am MEMS-basierten Biegeaktor befestigt ist.The deflection unit has at least one optical component or an optical component for the laser light, which is designed as a diffractive component, reflective component, etc. In this case, the optical component can be formed directly by a component of the MEMS-based bending actuator or be formed as an optical component, which is attached to the MEMS-based bending actuator.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Ablenkeinheit daher weiterhin zumindest eine am MEMS-basierten Biegeaktor angeordnete Beugungsgitterstruktur auf. Mittels dieser durch den MEMS-basierten Biegeaktor hin- und herbewegbaren Beugungsgitterstruktur wird die Scanbewegung des Laserlichtstrahls erzeugt. Die Beugungsgitterstruktur ist also eine Beugungsgitterstruktur für den Laserlichtstrahl.Therefore, according to a preferred embodiment of the invention, the deflection unit has at least one diffraction grating structure arranged on the MEMS-based bending reactor. By means of this diffraction grating structure, which can be moved back and forth by the MEMS-based bending actuator, the scanning movement of the laser light beam is generated. The diffraction grating structure is thus a diffraction grating structure for the laser light beam.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Beugungsgitterstruktur als Blazegitter ausgebildet ist. Blazegitter (von engl. to blaze: funkeln), auch Echelettegitter genannt, sind spezielle optische Gitter. Sie sind so optimiert, dass die Beugungseffizienz für eine bestimmte Beugungsordnung maximal wird. Dazu wird möglichst viel Intensität in einer gewünschten Beugungsordnung konzentriert, in den übrigen Ordnungen (insbesondere der nullten Ordnung) hingegen minimiert. Da sich dies nur für jeweils eine Wellenlänge exakt erreichen lässt, wird stets angegeben für welche Blaze-Wellenlänge das Gitter optimiert („geblazed“) ist. Neben der Blaze-Wellenlänge und der Beugungsordnung ist der Blazewinkel die dritte charakteristische Größe eines Blazegitters.It is provided in particular that the diffraction grating structure is formed as Blazegitter. Blaze grids (also known as echelette grids) are special optical grids. They are optimized to maximize the diffraction efficiency for a given diffraction order. For this purpose, as much intensity as possible is concentrated in a desired order of diffraction, while in the other orders (in particular of the zeroth order) it is minimized. Since this can only be achieved exactly for one wavelength, it is always indicated for which blaze wavelength the grating is optimized ("blazed"). In addition to the blaze wavelength and the diffraction order, the blaze angle is the third characteristic size of a blazed grating.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der MEMS-basierte Biegeaktor ein MEMS-basierter Biegeaktor für eine vertikale Auslenkung. Der Begriff „vertikale Auslenkung“ bezieht sich dabei auf die Oberfläche eines die Basis des MEMS-basierten Biegeaktors bildenden Chips oder Halbleitersubstrats. Die Auslenkung/Auslenkungsbewegung verläuft senkrecht zu dieser Oberfläche.According to a further preferred embodiment of the invention, the MEMS-based bending actuator is a MEMS-based bending actuator for vertical deflection. The term "vertical deflection" refers to the surface of a chip or semiconductor substrate forming the base of the MEMS-based bending reactor. The deflection / deflection movement is perpendicular to this surface.

Alternativ zu dieser Ausgestaltung der Erfindung ist der MEMS-basierte Biegeaktor ein MEMS-basierter Biegeaktor für eine longitudinale Auslenkung. Auch der Begriff „longitudinale Auslenkung“ bezieht sich dabei auf die Oberfläche des die Basis des MEMS-basierten Biegeaktors bildenden Chips oder Halbleitersubstrats. Die Auslenkung/Auslenkungsbewegung liegt dabei also in der Oberfläche oder verläuft parallel zu dieser Oberfläche. As an alternative to this embodiment of the invention, the MEMS-based bending actuator is a MEMS-based bending actuator for longitudinal deflection. The term "longitudinal deflection" also refers to the surface of the chip or semiconductor substrate forming the base of the MEMS-based bending reactor. The deflection / deflection movement is thus in the surface or runs parallel to this surface.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der MEMS-basierte Biegeaktor mehrere miteinander gekoppelte Biegebalkenelemente aufweist. Auf diese Weise können unterschiedliche Bewegungen, insbesondere Hin- und Herbewegungen, generiert werden.According to yet another preferred embodiment of the invention, it is provided that the MEMS-based bending actuator has a plurality of mutually coupled bending beam elements. In this way, different movements, in particular reciprocations, can be generated.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass der MEMS-basierte Biegeaktor bezüglich einer unausgelenkten Position bidirektional auslenkbar ist.It is advantageously provided that the MEMS-based bending actuator can be deflected bidirectionally with respect to an undeflected position.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Laserscaneinrichtung eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Laserlichtquelle und der Ablenkeinheit auf.According to a further preferred embodiment of the invention, the laser scanning device has a control device for controlling the laser light source and the deflection unit.

Bei der erfindungsgemäßen Objekterfassungsvorrichtung für ein Fahrzeug ist vorgesehen, dass diese als Sendeeinrichtung eine Laserscaneinrichtung mit einer Laserlichtquelle und einer Ablenkeinheit zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts sowie eine Empfangseinrichtung mit einem Empfänger zum Empfangen des von der Umgebung reflektierten Lichts und zum Umwandeln des empfangenen Lichts in ein Signal, aus dem ein Empfangssignal ermittelbar ist, aufweist. Dabei weist die Ablenkeinheit zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts einen MEMS-basierten Biegeaktor auf. In the object detection device according to the invention for a vehicle is provided that this as a transmitting device a laser scanning device with a laser light source and a deflection unit for generating a scanning movement of the laser light and a receiving device with a receiver for receiving the reflected light from the environment and for converting the received light in a Signal from which a received signal can be determined has. In this case, the deflection unit for generating a scanning movement of the laser light on a MEMS-based bending actuator.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Objekterfassungsvorrichtung ist vorgesehen, dass die Empfangseinrichtung eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln eines Empfangssignal aus dem Signal des Empfängers aufweist.According to a preferred embodiment of the object detection device according to the invention, it is provided that the receiving device has an evaluation device for determining a received signal from the signal of the receiver.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings with reference to preferred embodiments.

Es zeigt

  • 1 eine schematische Darstellung einer Objekterfassungsvorrichtung mit einer Laserscaneinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 eine Laserscaneinrichtung, deren Ablenkeinheit einen MEMS-basierten Biegeaktor für eine vertikale Auslenkung aufweist,
  • 3 eine Laserscaneinrichtung, deren Ablenkeinheit einen MEMS-basierten Biegeaktor für eine longitudinale Auslenkung aufweist, wobei der Aktor in seiner Ruheposition dargestellt ist und
  • 4 die Laserscaneinrichtung der 3, wobei der MEMS-basierte Biegeaktor in ausgelenkter Position dargestellt ist.
It shows
  • 1 a schematic representation of an object detection device with a laser scanning device according to a preferred embodiment of the invention,
  • 2 a laser scanning device whose deflection unit has a MEMS-based bending actuator for vertical deflection,
  • 3 a laser scanning device whose deflection unit has a MEMS-based bending actuator for a longitudinal deflection, wherein the actuator is shown in its rest position and
  • 4 the laser scanning device of 3 , where the MEMS-based bending actuator is shown in the deflected position.

Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Objekterfassungsvorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug. Die Objekterfassungsvorrichtung 10 umfasst eine als Sendeeinrichtung fungierende Laserscaneinrichtung 12 und eine Empfangseinrichtung 14.The 1 shows an embodiment of an object detection device 10 for a motor vehicle. The object detection device 10 comprises a laser scanning device functioning as a transmitting device 12 and a receiving device 14 ,

Die Laserscaneinrichtung 12 weist eine Laserlichtquelle 16 auf, mit der ein Laserlichtstrahl 18 erzeugt wird. Die Laserlichtquelle 16 sendet den erzeugten Laserlichtstrahl 18 auf eine einen MEMS-basierten Biegeaktor 20 (MEMS: mikro-elektromechanisches System) aufweisende Ablenkeinheit 24 zum Erzeugen einer Scanbewegung (Doppelpfeil 22) des Laserlichts. Hierzu ist die Laserlichtquelle 16 in einem vordefinierten Winkel in Bezug auf ein oder mehrere Biegebalkenelemente des MEMS-basierten Biegeaktors 20 angeordnet.The laser scanner 12 has a laser light source 16 on, with which a laser light beam 18 is produced. The laser light source 16 sends the generated laser light beam 18 to a MEMS-based bending reactor 20 (MEMS: microelectromechanical system) deflection unit 24 for generating a scanning movement (double arrow 22 ) of the laser light. This is the laser light source 16 at a predefined angle relative to one or more bending beam elements of the MEMS-based bender actuator 20 arranged.

Der MEMS-basierten Biegeaktor 20 ist so zu der Laserlichtquelle 16 angeordnet, dass der Laserlichtstrahl 18 direkt auf den MEMS-basierten Biegeaktor 20 trifft, wobei gemäß weiterer Ausführungsbeispiele ein oder mehrere Umlenkspiegel zwischen der Laserlichtquelle 16 und dem MEMS-basierten Biegeaktor 20 angeordnet sind, sodass der Laserlichtstrahl 18 auf den MEMS-basierten Biegeaktor 20 über die Umlenkspiegel gelenkt wird.The MEMS-based bending reactor 20 is so to the laser light source 16 arranged that the laser light beam 18 directly on the MEMS-based bending reactor 20 meets, according to further embodiments, one or more deflection mirrors between the laser light source 16 and the MEMS-based bending actuator 20 are arranged so that the laser light beam 18 on the MEMS-based bending reactor 20 is directed over the deflection mirror.

Die Auslenkbewegung des MEMS-basierten Biegeaktors 20 ist eine um eine erste senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufene Achse und gegebenenfalls auch um eine zur Zeichnungsebene parallele zweite Achse verlaufende Bewegung. Der Laserlichtstrahl 18 wird durch den MEMS-basierten Biegeaktor 20 demnach in zumindest eine Richtung der Umgebung abgelenkt. Diese Richtung kann auch als Abtastwinkel bezeichnet werden.The deflection movement of the MEMS-based bending actuator 20 is one about a first perpendicular to the plane of the drawing axis and possibly also about a parallel to the plane of the second axis running movement. The laser light beam 18 is through the MEMS-based bending actuator 20 thus deflected in at least one direction of the environment. This direction can also be referred to as a scanning angle.

Zur Steuerung der Bewegung des MEMS-basierten Biegeaktors 20 dient eine Steuereinrichtung 26. Die Steuereinrichtung 26 steuert den MEMS-basierten Biegeaktors 20 so, dass dieser zumindest in einer Richtung schwenkbar ist beziehungsweise schwenkt (Doppelpfeil 22).To control the movement of the MEMS-based bender actuator 20 serves a control device 26 , The control device 26 controls the MEMS-based bending actuator 20 such that it is pivotable or pivots in at least one direction (double arrow 22 ).

Die Laserlichtquelle 16 umfasst im Beispiel eine oder mehrere Laserdioden. Die Laserlichtquelle 16 ist mit der Steuereinrichtung 26 so verbunden, dass die Laserlichtquelle 16 mittels der Steuereinrichtung 26 gesteuert wird und durch die Ansteuerung ein gepulster Laserlichtstrahl 18 als Sendelichtstrahl mit einer Frequenz, z.B. 100 kHz ausgesendet wird. Die Steuereinrichtung 26 kann die Laserlichtquelle 16 auch abschalten.The laser light source 16 includes in the example one or more laser diodes. The laser light source 16 is with the control device 26 connected so that the laser light source 16 by means of the control device 26 is controlled and by driving a pulsed laser light beam 18 is emitted as a transmitted light beam with a frequency, eg 100 kHz. The control device 26 can the laser light source 16 also switch off.

Die Empfangseinrichtung 14 weist eine Diode als Empfänger 28 auf, die hier eine Photodiode ist. Mit der Diode als Empfänger 28 wird Licht 30 empfangen, das dem von der Umgebung reflektierten oder zurück gestreuten Laserlichtstrahl 18 entspricht. Das empfangene Licht 30 wird mittels des Empfängers 28 und dessen Beschaltung in ein elektrisches Signal gewandelt. Das elektrische Signal wird dann einer Auswerteeinrichtung 32 der Objekterfassungsvorrichtung 10 zugeführt.The receiving device 14 has a diode as a receiver 28 on, which is a photodiode here. With the diode as receiver 28 becomes light 30 received, which reflects the reflected or backscattered from the environment laser light beam 18 equivalent. The received light 30 is done by means of the recipient 28 and its wiring is converted into an electrical signal. The electrical signal is then an evaluation device 32 the object detection device 10 fed.

Die Objekterfassungsvorrichtung 10 misst die Entfernungen zu erfassten Objekten über eine Flugzeitmessung, also eine Messung nach dem ToF-Prinzip (ToF: Time of Flight). Dabei wird das gepulste Laserlicht der Laserlichtquelle 16 über den MEMS-basierten Biegeaktor 20 abgelenkt. Eine solche Objekterfassungsvorrichtung 10 wird auch als LIDAR-Vorrichtung (LIDAR: light detection and ranging) bezeichnet.The object detection device 10 Measures the distances to recorded objects via a time of flight measurement, ie a measurement according to the ToF principle (ToF: Time of Flight). In this case, the pulsed laser light of the laser light source 16 via the MEMS-based bending reactor 20 distracted. Such an object detection device 10 is also referred to as LIDAR device (LIDAR: light detection and ranging).

Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Laserscaneinrichtung 12, deren Ablenkeinheit 24 einen MEMS-basierten Biegeaktor 20 mit einem Biegebalkenelement aufweist, das auf einem Chip 34 als Basis angeordnet ist. Das Biegebalkenelement ist der aktive Teil des Aktors 20, wobei dieses Biegebalkenelement bezüglich der Chipoberfläche longitudinal auslenkbar ist. Die Auslenkung/Auslenkungsbewegung liegt dabei also in der Oberfläche beziehungsweise verläuft parallel zu dieser Oberfläche. Der MEMS-basierte Biegeaktor 20 ist somit ein longitudinal auslenkbarer Biegeaktor 36. Dieser wird auch L-NED Aktor genannt (L-NED: longitudinal nanoscopic electristatic drive). Am freien Ende des Biegeaktors 20, 36 ist ein als Beugungsgitterstruktur 38 ausgebildetes optisches Element angeordnet, welches mit der Bewegung des Biegeaktors 20, 36 verschwenkt wird (Doppelpfeil 22). Trifft nun der Laserlichtstrahl 18 der Laserlichtquelle 16 auf diese Beugungsgitterstruktur 38, so kann mittels der Bewegung des MEMS-basierten Biegeaktors 20, 36 der Laserlichtstrahl 18 bewegt werden. Der Laserlichtstrahl 18 hat im Beispiel nach der Wechselwirkung mit der Beugungsgitterstruktur 38 eine linien- beziehungsweise strichförmige Laserkontur 40, sodass durch eine Bewegung in nur einer Bewegungsrichtung (Doppelpfeil 42) quer zur Längsausdehnung der Laserkontur 40 eine Scanfläche 44 vom Laserlichtstrahl 18 überstrichen beziehungsweise abgescannt wird.The 2 shows a first embodiment of the laser scanning device 12 , whose deflection unit 24 a MEMS-based bending reactor 20 having a bending beam element on a chip 34 is arranged as a base. The bending beam element is the active part of the actuator 20 , wherein this bending beam element is longitudinally deflectable with respect to the chip surface. The deflection / deflection movement is thus in the surface or runs parallel to this surface. The MEMS-based bending reactor 20 is thus a longitudinally deflectable bending actuator 36 , This is also called L-NED actuator (L-NED: longitudinal nanoscopic electristatic drive). At the free end of the bender actuator 20 . 36 is a diffraction grating structure 38 formed optical element, which with the movement of the bending actuator 20 . 36 is pivoted (double arrow 22 ). Now hits the laser light beam 18 the laser light source 16 on this diffraction grating structure 38 Thus, by means of the movement of the MEMS-based bending actuator 20 . 36 the laser light beam 18 to be moved. The laser light beam 18 has in the example after the interaction with the diffraction grating structure 38 a linear or line-shaped laser contour 40 , so that by a movement in only one direction of movement (double arrow 42 ) transverse to the longitudinal extent of the laser contour 40 a scan area 44 from the laser light beam 18 is scanned or scanned.

Die 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Laserscaneinrichtung 12, deren Ablenkeinheit 24 einen MEMS-basierten Biegeaktor 20 mit einem Biegebalkenelement aufweist, welches ebenfalls auf einem Chip 34 als Basis angeordnet ist. Das Biegebalkenelement ist auch hier der aktive Teil des Aktors 20, wobei dieses Biegebalkenelement bezüglich der Chipoberfläche vertikal auslenkbar ist. Die Auslenkung/Auslenkungsbewegung verläuft also quer beziehungsweise senkrecht zu dieser Oberfläche. Der MEMS-basierte Biegeaktor 20 ist somit ein vertikal auslenkbarer Biegeaktor 46. Dieser wird auch V-NED Aktor genannt (V-NED: vertical nanoscopic electristatic drive). Auf dem Biegeaktor 20, 46 ist wieder ein als Beugungsgitterstruktur 38 ausgebildetes optisches Element angeordnet. In 3 ist der MEMS-basierte Biegeaktor 46 für eine longitudinale Auslenkung in Ruheposition dargestellt. Der Laserlichtstrahl 18 hat auch in diesem Beispiel nach der Wechselwirkung mit der Beugungsgitterstruktur 38 eine linien- beziehungsweise strichförmige Laserkontur 40.The 3 shows a second embodiment of the laser scanning device 12 , whose deflection unit 24 a MEMS-based bending reactor 20 having a bending beam element which is also on a chip 34 is arranged as a base. The bending beam element is also the active part of the actuator here 20 , wherein this bending beam element is vertically deflectable with respect to the chip surface. The deflection / deflection movement thus runs transversely or perpendicular to this surface. The MEMS-based bending reactor 20 is thus a vertically deflectable bending actuator 46 , This is also called V-NED actuator (V-NED: vertical nanoscopic electristatic drive). On the bending actuator 20 . 46 is again on as a diffraction grating structure 38 formed optical element arranged. In 3 is the MEMS-based bending reactor 46 shown for a longitudinal deflection in rest position. The laser light beam 18 also has in this example after the interaction with the diffraction grating structure 38 a linear or line-shaped laser contour 40 ,

Die 4 zeigt die Laserscaneinrichtung 12 der 3, wobei der MEMS-basierte Biegeaktor 20, 46 in ausgelenkter Position dargestellt ist. Auch hier wird das als Beugungsgitterstruktur 38 ausgebildete optisches Element mit der Bewegung des Biegeaktors 20, 36 verschwenkt. Trifft nun der Laserlichtstrahl 18 der Laserlichtquelle 16 auf diese Beugungsgitterstruktur 38, so kann mittels der Bewegung des MEMS-basierten Biegeaktors 20, 46 der Laserlichtstrahl 18 bewegt werden. Durch die linienbeziehungsweise strichförmige Laserkontur 40 des Laserlichtstrahls 18 nach der Wechselwirkung mit der Beugungsgitterstruktur 38 kann durch eine Bewegung in nur einer Bewegungsrichtung quer zur Längsausdehnung der Laserkontur 40 eine Scanfläche 44 vom Laserlichtstrahl 18 überstrichen beziehungsweise abgescannt werden.The 4 shows the laser scanner 12 of the 3 , wherein the MEMS-based bending actuator 20 . 46 is shown in the deflected position. Again, this is called the diffraction grating structure 38 formed optical element with the movement of the bending actuator 20 . 36 pivoted. Now hits the laser light beam 18 the laser light source 16 on this diffraction grating structure 38 Thus, by means of the movement of the MEMS-based bending actuator 20 . 46 the laser light beam 18 to be moved. Through the liniebeziehungsweise line-shaped laser contour 40 of the laser light beam 18 after interaction with the diffraction grating structure 38 can by a movement in only one direction of movement transverse to the longitudinal extent of the laser contour 40 a scan area 44 from the laser light beam 18 be scanned or scanned.

Im Folgenden werden wesentliche Aspekte der Erfindung noch einmal mit anderen Worten wiedergegeben: In the following, essential aspects of the invention are reproduced in other words again:

Im MEMS-basierten Biegeaktor 20 werden durch bis zu 200 nm dünnen Elektrodenspalte enorm hohe Kräfte elektrostatischer Felder mithilfe einer Steuerspannung erzeugt. Diese Kräfte werden durch geeignete Topographien (V-NED) oder Geometrien (L-NED) wiederum in laterale Kräfte transformiert und führen zu einer Verkrümmung von Biegebalken:

  • • NED sind: MEMS-basierte Biegeaktoren 20, die eine der bimorphen Aktorik (piezoelektrische oder thermomechanische Effekte) vergleichbare Funktionsweise besitzen. Sie werden in Oberflächenmikromechanik (V-NED) oder Volumenmikromechanik (L-NED) auf oder in Silizium-Substraten gefertigt.
  • • Novum: Durch das Antriebsprinzip ist die Auslenkung der NED-Aktoren wesentlich größer als der Elektrodenspalt. Es können daher große Auslenkungen mit geringen Steuerspannungen erzeugt werden. Ziel ist es: enorm kleine Elektrodenabstände und die damit verbundenen enorm hohen Kräfte elektrostatischer Felder für elektrostatische Aktoren 20 zugänglich zu machen.
  • • NED-Aktoren können: quasistatisch, resonant aber auch digital - d. h. mit diskreten Auslenkungszuständen - betrieben werden.
In the MEMS-based bending reactor 20 By means of electrode gaps of up to 200 nm, enormously high forces of electrostatic fields are generated by means of a control voltage. These forces are again transformed into lateral forces by suitable topographies (V-NED) or geometries (L-NED) and lead to a bending of the bending beam:
  • • NEDs are: MEMS-based bending actuators 20 , which have one of the bimorph Aktorik (piezoelectric or thermo-mechanical effects) comparable operation. They are manufactured in surface micromechanics (V-NED) or volume micromechanics (L-NED) on or in silicon substrates.
  • • Novelty: Due to the drive principle, the deflection of the NED actuators is considerably larger than the electrode gap. It can therefore be generated large deflections with low control voltages. The goal is: enormously small electrode distances and the associated enormous forces of electrostatic fields for electrostatic actuators 20 to make accessible.
  • • NED actuators can be: quasi-static, resonant, but also digital - ie with discrete deflection states.

Freiheitsgrade der BewegungDegrees of freedom of movement

  • • Krümmung: Durch die zylindrische Verkrümmung der NED-Aktoren kann eine Auslenkung des freien Balkenendes erzeugt werden. Anstatt einer einfachen Balkenform kann der NED-Aktor als rotationssymmetrische Platte gestaltet werden. Dadurch erhält man eine Aktorplatte, die sich sphärisch verkrümmt.• Curvature: The cylindrical curvature of the NED actuators can cause a deflection of the free end of the beam. Instead of a simple beam form, the NED actuator can be designed as a rotationally symmetrical plate. This results in an actuator plate that warps spherically.
  • • Bidirektional: Durch geeignete Elektrodentopographien bzw. -geometrien können die Aktoren in eine positive oder eine negative Richtung ausgelenkt werden. Eine Kombination von Topographien bzw. Geometrien oder eine Anordnung der Aktorzellen auf beiden Oberflächen des Biegeaktors ermöglicht Bewegungen in beide Richtungen (bidirektional).• Bidirectional: The actuators can be deflected in a positive or a negative direction by means of suitable electrode topographies or geometries. A combination of topographies or geometries or an arrangement of the actuator cells on both surfaces of the bending actuator allows movements in both directions (bidirectional).
  • • Kippung und Linearbewegung: Durch zwei mechanisch gekoppelte NED-Aktoren kann eine einfache Kippbewegung erzeugt werden. Werden mehrere NED-Aktorpaare geeignet miteinander verbunden, so sind Linearbewegungen möglich.• Tilting and linear movement: Two mechanically coupled NED actuators can be used to generate a simple tilting movement. If several NED actuator pairs are properly connected, linear movements are possible.

MEMS-basierte Biegeaktoren 20MEMS-based bending actuators 20

  • (a) ermöglichen eine Integration von Elektronik in die Biegeaktoren 20 und die Integration von den Biegeaktoren 20 in CMOS-Schaltkreise. Es ergibt sich somit die folgende Perspektive: Starke Integration von Aktoren, Sensoren und Elektronik innerhalb eines Halbleiterbauelements.(a) allow integration of electronics into the bending actuators 20 and the integration of the bending actuators 20 in CMOS circuits. This results in the following perspective: Strong integration of actuators, sensors and electronics within a semiconductor device.
  • (b) sind kompatibel mit der sogenannten RoHS-Richtlinie (RoHS: Restriction of Hazardous Substance), also der EU-Richtlinie 2011/65/EU beziehungsweise entsprechender Richtlinien/Gesetze anderer Rechtsordnungen. Sie ermöglichen somit RoHS-konforme Biegeaktorik und zeigen eine Alternative zu den gegenwärtig aus RoHS ausgenommenen Funktionskeramiken auf.(b) are compatible with the so-called RoHS (Restriction of Hazardous Substances) directive, ie EU Directive 2011/65 / EU or corresponding directives / laws of other legal systems. They thus enable RoHS-compliant bender actuation and show an alternative to the functional ceramics currently excluded from RoHS.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

ObjekterfassungsvorrichtungObject detecting device 1010 LaserscaneinrichtungLaser scanning device 1212 Empfangseinrichtungreceiver 1414 LaserlichtquelleLaser light source 1616 LaserlichtstrahlLaser Beam 1818 MEMS-basierter BiegeaktorMEMS-based bending reactor 2020 Doppelpfeildouble arrow 2222 AblenkeinheitDeflector 2424 Steuereinrichtungcontrol device 2626 Empfängerreceiver 2828 Lichtlight 3030 Auswerteeinrichtung evaluation 3232 Chipchip 3434 MEMS-basierter Biegeaktor für eine longitudinale AuslenkungMEMS-based bending actuator for a longitudinal deflection 3636 BeugungsgitterstrukturDiffraction grating structure 3838 strichförmige Laserkonturline-shaped laser contour 4040 Doppelpfeildouble arrow 4242 Scanbereichscan area 4444 MEMS-basierter Biegeaktor für eine vertikale AuslenkungMEMS-based bending actuator for vertical deflection 4646

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102015100910 A1 [0003]DE 102015100910 A1 [0003]

Claims (10)

Laserscaneinrichtung (12) für eine Objekterfassungsvorrichtung (10) eines Fahrzeugs, wobei die Laserscaneinrichtung (12) eine Laserlichtquelle (16) und eine Ablenkeinheit (24) zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit (24) einen MEMS-basierten Biegeaktor (20) aufweist.Laser scanning device (12) for an object detection device (10) of a vehicle, wherein the laser scanning device (12) comprises a laser light source (16) and a deflection unit (24) for generating a scanning movement of the laser light, characterized in that the deflection unit (24) has a MEMS based bending actuator (20). Laserscaneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit (24) weiterhin zumindest eine am MEMS-basierten Biegeaktor (20) angeordnete Beugungsgitterstruktur (38) aufweist.Laser scanning device after Claim 1 , characterized in that the deflection unit (24) further comprises at least one diffraction grating structure (38) arranged on the MEMS-based bending actuator (20). Laserscaneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungsgitterstruktur (38) als Blazegitter ausgebildet ist.Laser scanning device after Claim 2 , characterized in that the diffraction grating structure (38) is formed as Blazegitter. Laserscaneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-basierte Biegeaktor (20) ein MEMS-basierter Biegeaktor (36) für eine vertikale Auslenkung ist.Laser scanning device according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the MEMS-based bending actuator (20) is a MEMS-based bending actuator (36) for vertical deflection. Laserscaneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-basierte Biegeaktor (20) ein MEMS-basierter Biegeaktor (46) für eine longitudinale Auslenkung ist.Laser scanning device according to one of Claims 1 to 3 characterized in that the MEMS-based bending actuator (20) is a MEMS-based bending actuator (46) for longitudinal deflection. Laserscaneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-basierte Biegeaktor (20) bezüglich einer unausgelenkten Position bidirektional auslenkbar ist.Laser scanning device according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the MEMS-based bending actuator (20) is bidirectionally deflectable with respect to an undeflected position. Laserscaneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-basierte Biegeaktor (20) mehrere miteinander gekoppelte Biegebalkenelemente aufweist.Laser scanning device according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the MEMS-based bending actuator (20) comprises a plurality of mutually coupled bending beam elements. Laserscaneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (26) zur Ansteuerung der Laserlichtquelle (16) und der Ablenkeinheit (24).Laser scanning device according to one of Claims 1 to 7 , characterized by a control device (26) for controlling the laser light source (16) and the deflection unit (24). Objekterfassungsvorrichtung (10) für ein Fahrzeug, mit einer Laserscaneinrichtung (12) als Sendeeinrichtung, die eine Laserlichtquelle (16) und eine Ablenkeinheit (24) zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts umfasst und einer Empfangseinrichtung (14) mit einem Empfänger (28) zum Empfangen des von der Umgebung reflektierten Lichts (30) und zum Umwandeln des empfangenen Lichts (30) in ein Signal, aus dem ein Empfangssignal ermittelbar ist, wobei die Laserscaneinrichtung (12) als Laserscaneinrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.An object detection apparatus (10) for a vehicle, comprising a laser scanning device (12) as a transmitting device comprising a laser light source (16) and a deflection unit (24) for generating a scanning movement of the laser light, and a receiving device (14) having a receiver (28) for receiving the reflected light from the environment (30) and for converting the received light (30) into a signal from which a received signal can be determined, wherein the laser scanning device (12) as a laser scanning device (12) according to one of Claims 1 to 8th is trained. Objekterfassungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (14) eine Auswerteeinrichtung (32) zum Ermitteln eines Empfangssignal aus dem Signal des Empfängers (28) aufweist.Object detection device according to Claim 9 , characterized in that the receiving device (14) has an evaluation device (32) for determining a received signal from the signal of the receiver (28).
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