DE102018113739A1 - Coaxial optical system of a friction-free scanning system for light detection and distance measurement, LIDAR, measurements - Google Patents

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Abstract

Ein Scansystem (100) beinhaltet einen Ablenkspiegel (150) mit einer reflektierenden Oberfläche (151) und einer elastischen Aufhängung (902) des Ablenkspiegels (150). Ein Aktuator (901) ist eingerichtet, um durch elastische Verformung der elastischen Aufhängung (902) resonante Bewegung eines Masse-Filtersystems, welches durch den Ablenkspiegel (150) und die elastische Aufhängung (902) ausgebildet wird, zu aktuieren. Ein Laser (101) ist eingerichtet, um primäres Licht (111) entlang eines Sendestrahls (121) zu emittieren. Ein Detektor (102) ist eingerichtet, um sekundäres Licht (112) entlang eines Empfangsstrahls (122) zu detektieren, wobei der Sendestrahl (131) und Empfangsstrahl (122) entlang eines Überlappabschnitts (125) des Sendestrahls (121) und des Empfangsstrahls (122) ausgerichtet sind, wobei der Überlappabschnitt (125) die reflektierende Oberfläche (151) des Ablenkspiegels (150) umfasst. Ein koaxiales optisches System kann dadurch implementiert werden. LIDAR-Anwendungen sind möglich.A scanning system (100) includes a deflecting mirror (150) having a reflective surface (151) and an elastic suspension (902) of the deflecting mirror (150). An actuator (901) is arranged to actuate by elastic deformation of the elastic suspension (902) resonant motion of a mass filter system formed by the deflection mirror (150) and the elastic suspension (902). A laser (101) is arranged to emit primary light (111) along a transmission beam (121). A detector (102) is arranged to detect secondary light (112) along a receive beam (122), the transmit beam (131) and receive beam (122) being along an overlap portion (125) of the transmit beam (121) and the receive beam (122 ), wherein the overlap portion (125) comprises the reflective surface (151) of the deflecting mirror (150). A coaxial optical system can thereby be implemented. LIDAR applications are possible.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen im Allgemeinen die Lichtdetektion und die Abstandsmessung, LIDAR. Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen insbesondere ein entsprechendes Scansystem, welches reibungsfreie Bewegung eines Ablenkspiegels verwendet und ein koaxiales optisches System aufweist.Various examples of the invention generally relate to light detection and distance measurement, LIDAR. In particular, various examples of the invention relate to a corresponding scanning system which uses frictionless movement of a deflection mirror and has a coaxial optical system.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Lichtdetektion und Abstandsmessung (englisch: „light detection and ranging“, LIDAR; manchmal auch als Laserabstandsmessung oder LADAR bezeichnet) ermöglicht es, 3D-Punktwolken einer Szene bereitzustellen. Objekte können akkurat detektiert werden. Abstandsmessung ist möglich. Gepulstes oder Continuous-Wave-Laserlicht wird entlang eines Sendestrahls gesendet und nach Reflektion an einem Objekt entlang eines Empfangsstrahls detektiert. Dies ermöglicht es, die Entfernung des Objekts zu bestimmen (Z-Position).Light detection and distance measurement (LIDAR, sometimes referred to as laser distance measurement or LADAR) makes it possible to provide 3D point clouds of a scene. Objects can be detected accurately. Distance measurement is possible. Pulsed or continuous wave laser light is transmitted along a transmit beam and detected after reflection on an object along a receive beam. This makes it possible to determine the distance of the object (Z-position).

LIDAR kann in vielbesuchten Gebieten eingesetzt werden. Hier müssen Augensicherheitsbedenken erfüllt werden. Deshalb muss die Laserleistung begrenzt werden, um Beschädigung des menschlichen Auges zu vermeiden. Beispiele beinhalten die Anwendung von LIDAR für Automotive-Anwendungsszenarien.LIDAR can be used in busy areas. Eye safety concerns must be met here. Therefore, the laser power must be limited to avoid damage to the human eye. Examples include the use of LIDAR for automotive application scenarios.

Um die X-Y-Position (laterale Position) des Objekts zu bestimmen, kann das Laserlicht abgelenkt werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um Laserlicht abzulenken. Beispiele beinhalten nicht-mechanisches Strahlablenken unter der Verwendung eines optischen Phasen-kohärenten Arrays (siehe zum Beispiel US20160161600A1 ) oder Flash-LIDAR (siehe zum Beispiel US20170343653A1 ). Solche Techniken sind häufig bestimmten Begrenzungen im Zusammenhang mit der Reichweite ausgesetzt; typische Reichweiten können zwischen 30 m und 100 m für Laserleistungen, die augensicherheitskonform sind, liegen.In order to determine the XY position (lateral position) of the object, the laser light can be deflected. There are several ways to distract laser light. Examples include non-mechanical beam deflection using an optical phase coherent array (see for example US20160161600A1 ) or Flash LIDAR (see for example US20170343653A1 ). Such techniques are often subject to certain limitations related to range; Typical ranges can range from 30 m to 100 m for laser performance that meets eye safety requirements.

Eine zweite Möglichkeit, die verfügbar ist, um Laserlicht abzulenken, beinhaltet mechanisches Ablenken des Strahls. Hier beinhaltet ein Scanner eine Ablenkeiriheit wie beispielsweise einen Spiegel, der dazu verwendet wird, um das Laserlicht abzulenken. Makroskopische Ansätze sind bekannt, in welchen ein Lager - zum Beispiel ein Kugellager - dazu verwendet wird, um den Spiegel zu bewegen, siehe zum Beispiel US20110216304A1 oder EP2541273B1 . Solche Ansätze zum Implementieren von Lagern sind häufig Einschränkungen im Zusammenhang mit der Beständigkeit ausgesetzt. Wenn der Spiegel bewegt wird, resultiert Reibung am Lager in Abnutzung; dies wiederum limitiert die Zeit zwischen Fehlerereignissen. Außerdem sind Lagerbasierte Scanner häufig sperrig. In Automotive-Anwendungsszenarien sind entsprechende Scaneinheiten manchmal auf dem Dach des Fahrzeugs montiert, weil es schwierig ist, diese in das Fahrzeugchassis zu integrieren. Andererseits ermöglichen es makroskopische Ansätze typischerweise, große Spiegel zu verwenden, was hilft, die Reichweite zu vergrößern. Typische Reichweiten können bis zu 250 m für Laserleistungen, die augensicherheitskonform sind, betragen.A second option available to deflect laser light involves mechanically deflecting the beam. Here, a scanner includes a deflector, such as a mirror, which is used to deflect the laser light. Macroscopic approaches are known in which a bearing - for example a ball bearing - is used to move the mirror, see for example US20110216304A1 or EP2541273B1 , Such approaches to implementing bearings are often subject to resistance-related limitations. When the mirror is moved, friction on the bearing results in wear; this in turn limits the time between error events. Also, stock-based scanners are often bulky. In automotive application scenarios, such scanning units are sometimes mounted on the roof of the vehicle because it is difficult to integrate into the vehicle chassis. On the other hand, macroscopic approaches typically allow large mirrors to be used, which helps to increase the range. Typical ranges can be up to 250 m for laser performance that is eye safety compliant.

Eine weitere Unterklasse von mechanischen Strahlablenkungen setzt reibungsfreies Scannen unter Verwendung von Mikrospiegeln und elastischen Aufhängungen ein, die sich elastisch verformen können, um den Spiegel zu bewegen. Siehe zum Beispiel US20100296146A1 oder US20150062677A1 . Manchmal wird reibungsfreies Scannen auch als Festkörper-Scannen bezeichnet.Another subset of mechanical beam deflections employs frictionless scanning using micromirrors and elastic suspensions that can elastically deform to move the mirror. See for example US20100296146A1 or US20150062677A1 , Sometimes, frictionless scanning is also called solid-state scanning.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken des reibungsfreien, mechanischen Ablenkens von Laserlicht für LIDAR. Ein Bedarf besteht für Techniken, die zumindest einige der oben genannten Einschränkungen oder Nachteile beheben oder lindern. Therefore, there is a need for improved techniques of frictionless mechanical deflection of laser light for LIDAR. A need exists for techniques that overcome or mitigate at least some of the above limitations or disadvantages.

Diese Aufgabe wird gelöst von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.This object is achieved by the features of the independent claims. The features of the dependent claims define embodiments.

Ein Scansystem umfasst einen Ablenkspiegel mit einer reflektierenden Oberfläche. Das Scansystem umfasst weiterhin eine elastische Aufhängung des Ablenkspiegels. Das Scansystem umfasst weiterhin einen Aktuator, der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, welches durch den Ablenkspiegel und die elastische Aufhängung ausgebildet ist, zu aktuieren. Das Scansystem umfasst weiterhin einen Laser, der eingerichtet ist, um primäres Licht entlang eines Sendestrahls zu emittieren. Das Scansystem umfasst weiterhin einen Detektor, der eingerichtet ist, um sekundäres Licht entlang eines Empfangsstrahls zu detektieren, wobei der Sendestrahl und der Empfangsstrahl entlang eines Überlappabschnitts ausgerichtet sind. Der Überlappabschnitt umfasst die reflektierende Oberfläche des Ablenkspiegels. Eine Größe der reflektierenden Oberfläche des Ablenkspiegels ist im Bereich von 120 mm2 bis 230 mm2 ist, optional im Bereich von 180 mm2 bis 220 mm2. Eine Divergenz von mindestens einer Achse des primären Lichts entlang des Überlappabschnitts ist im Bereich von 0,09° bis 0,15° beim Ablenkspiegel.A scanning system includes a deflecting mirror with a reflective surface. The scanning system further comprises an elastic suspension of the deflection mirror. The scanning system further includes an actuator configured to actuate, by means of elastic deformation of the elastic suspension, resonant motion of a mass-spring system formed by the deflection mirror and the elastic suspension. The scanning system further includes a laser configured to emit primary light along a transmit beam. The scanning system further includes a detector configured to detect secondary light along a receive beam, wherein the transmit beam and the receive beam are aligned along an overlap portion. The overlapping portion includes the reflective surface of the deflecting mirror. A size of the reflecting surface of the deflecting mirror is in the range of 120 mm 2 to 230 mm 2 , optionally in the range of 180 mm 2 to 220 mm 2 . A divergence from at least one axis of the primary light along the overlap portion is in the range of 0.09 ° to 0.15 ° at the deflecting mirror.

Ein Scansystem umfasst einen Ablenkspiegel mit einer reflektierenden Oberfläche und eine elastische Aufhängung des Ablenkspiegels. Das Scansystem umfasst weiterhin einen Aktuator, der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung resonante Bewegung eines Masse-Federsystems. Das Masse-Federsystem ist ausgebildet durch den Ablenkspiegel und die elastische Aufhängung. Das Scansystem umfasst weiterhin einen Laser, der eingerichtet ist, um primäres Licht entlang eines Sendestrahls zu emittieren. Das Scansystem umfasst weiterhin einen Detektor, der eingerichtet ist, um sekundäres Licht entlang eines Empfangsstrahls zu detektieren, wobei der Sendestrahl und der Empfangsstrahl entlang eines Überlappabschnitts ausgerichtet sind, wobei der Überlappabschnitt die reflektierende Oberfläche des Ablenkspiegels umfasst. Das primäre Licht hat eine schnelle Achse und eine langsame Achse, wobei die schnelle Achse eine größere Divergenz als die langsame Achse hat. Eine Feldbreite der langsamen Achse des primären Lichts entlang der langsamen Achse ist nicht kleiner als 90% einer entsprechenden Breite des Ablenkspiegels senkrecht zu einer optischen Achse des Sendestrahls ist.A scanning system comprises a deflecting mirror with a reflecting surface and an elastic suspension of the deflecting mirror. The scanning system further includes an actuator configured to provide resonant motion of a mass-spring system by means of elastic deformation of the elastic suspension. The mass-spring system is formed by the deflection mirror and the elastic suspension. The scanning system further includes a laser configured to emit primary light along a transmit beam. The scanning system further includes a detector configured to detect secondary light along a receive beam, wherein the transmit beam and the receive beam are aligned along an overlap portion, the overlap portion comprising the reflective surface of the deflecting mirror. The primary light has a fast axis and a slow axis, with the fast axis having a greater divergence than the slow axis. A field width of the slow axis of the primary light along the slow axis is not less than 90% of a corresponding width of the deflection mirror perpendicular to an optical axis of the transmission beam.

Ein Scansystem umfasst einen Ablenkspiegel mit einer reflektierenden Oberfläche und eine elastische Aufhängung des Ablenkspiegels. Das Scansystem umfasst weiterhin einen Aktuator, der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, welches durch den Ablenkspiegel und die elastische Aufhängung ausgebildet ist, zu aktuieren. Das Scansystem umfasst weiterhin einen Laser, der eingerichtet ist, um primäres Licht entlang eines Sendestrahls zu emittieren. Das Scansystem umfasst weiterhin einen Detektor, der eingerichtet ist, um sekundäres Licht entlang eines Empfangsstrahls zu detektieren: Der Sendestrahl und der Empfangsstrahl sind entlang eines Überlappabschnitts ausgerichtet, wobei der Überlappabschnitt die reflektierende Oberfläche des Ablenkspiegels umfasst. Das Scansystem umfasst weiterhin eine Kollimatorlinse die eingerichtet ist, um mindestens eine Achse des primären Lichts zu kollimieren. Die Kollimatorlinse ist in dem Überlappabschnitt angeordnet.A scanning system comprises a deflecting mirror with a reflecting surface and an elastic suspension of the deflecting mirror. The scanning system further includes an actuator configured to actuate, by means of elastic deformation of the elastic suspension, resonant motion of a mass-spring system formed by the deflection mirror and the elastic suspension. The scanning system further includes a laser configured to emit primary light along a transmit beam. The scanning system further includes a detector configured to detect secondary light along a receive beam: the transmit beam and the receive beam are aligned along an overlap portion, the overlap portion comprising the reflective surface of the deflecting mirror. The scanning system further includes a collimator lens configured to collimate at least one axis of the primary light. The collimator lens is disposed in the overlap portion.

Ein Scansystem umfasst einen Ablenkspiegel mit einer reflektierenden Oberfläche. Das Scansystem umfasst weiterhin eine elastische Aufhängung des Ablenkspiegels. Das Scansystem umfasst weiterhin einen Aktuator, der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, welches durch den Ablenkspiegel und die elastische Aufhängung ausgebildet ist, zu aktuieren. Das Scansystem umfasst weiterhin einen Laser, der eingerichtet ist, um primäres Licht entlang eines Sendestrahls zu emittieren. Das Scansystem umfasst weiterhin eine Detektorlinse und einen Detektor, der in einer Fokusebene der Detektorlinse angeordnet ist, und der eingerichtet ist, um sekundäres Licht entlang eines Empfangsstrahls zu detektieren, wobei der Sendestrahl und der Empfangsstrahl entlang eines Überlappabschnitts ausgerichtet sind, wobei der Überlappabschnitt die reflektierende Oberfläche des Ablenkspiegels umfasst: Das Scansystem umfasst weiterhin einen Strahlteiler, der einen Kopplungsspiegel mit einer Reflektivität von mindestens 86% umfasst, und der eingerichtet ist, um den Sendestrahl und den Empfangsstrahl an einem Ende des Überlappabschnitts aufzuspalten, wobei der Kopplungsspiegel zwischen der Detektorlinse und dem Detektor angeordnet ist.A scanning system includes a deflecting mirror with a reflective surface. The scanning system further comprises an elastic suspension of the deflection mirror. The scanning system further includes an actuator configured to actuate, by means of elastic deformation of the elastic suspension, resonant motion of a mass-spring system formed by the deflection mirror and the elastic suspension. The scanning system further includes a laser configured to emit primary light along a transmit beam. The scanning system further comprises a detector lens and a detector disposed in a focal plane of the detector lens and configured to detect secondary light along a receive beam, wherein the transmit beam and the receive beam are aligned along an overlap portion, the overlap portion being the reflective one Surface of the deflection mirror comprises: The scanning system further comprises a beam splitter comprising a coupling mirror with a reflectivity of at least 86%, and which is arranged to split the transmission beam and the receiving beam at one end of the overlapping portion, wherein the coupling mirror between the detector lens and the Detector is arranged.

Die verschiedenen Beispielen können miteinander kombiniert werden, um weitere Beispiele auszubilden. Zum Beispiel wäre es möglich, den Strahlteiler zwischen der Detektorlinse und dem Detektor anzuordnen, selbst wenn die Kollimation der langsamen Achse und der schnellen Achse zwischen dem Laser und dem Strahlteiler durchgeführt wird. Ferner kann die relative Dimensionierung der Transmittivität und der Divergenz, wie obenstehend beschrieben, auch für Szenarien eingesetzt werden, wo zum Beispiel der Strahlteiler zwischen der Detektorlinse und dem Detektor und/oder wo die Kollimatorlinse in dem Überlappabschnitt des Sendestrahls und des Empfangsstrahls angeordnet sind.The various examples can be combined to form further examples. For example, it would be possible to arrange the beam splitter between the detector lens and the detector even if the slow axis and fast axis collimation is performed between the laser and the beam splitter. Further, the relative dimensioning of the transmissivity and divergence as described above may also be used for scenarios where, for example, the beam splitter is located between the detector lens and the detector and / or where the collimator lens is located in the overlap portion of the transmit beam and the receive beam.

Figurenlistelist of figures

  • 1 illustriert schematisch ein Scansystem, welches ein koaxiales optisches System und einen reibungsfreien Ablenkspiegel gemäß verschiedenen Beispielen beinhaltet. 1 schematically illustrates a scanning system that includes a coaxial optical system and a frictionless deflection mirror according to various examples.
  • 2 illustriert schematisch eine beispielhafte Implementierung des koaxialen optischen Systems gemäß verschiedenen Beispielen. 2 schematically illustrates an example implementation of the coaxial optical system according to various examples.
  • 3 illustriert schematisch eine Feldbreite des primären Lichts, das entlang eines Sendestrahlengangs des koaxialen optischen Systems gemäß verschiedenen Beispielen gesendet wird. 3 schematically illustrates a field width of the primary light transmitted along a transmission beam path of the coaxial optical system according to various examples.
  • 4 illustriert schematisch eine Feldbreite des primären Lichts, welches entlang eines Sendestrahls des koaxialen optischen Systems gesendet wird, in Bezug auf eine Größe des Ablenkspiegels gemäß verschiedenen Beispielen. 4 schematically illustrates a field width of the primary light transmitted along a transmission beam of the coaxial optical system with respect to a size of the deflection mirror according to various examples.
  • 5 illustriert schematisch eine Feldbreite des primären Lichts, welches entlang eines Sendestrahls des koaxialen optischen Systems gesendet wird, in Bezug auf eine Größe eines Ablenkspiegels gemäß verschiedenen Beispielen. 5 schematically illustrates a field width of the primary light transmitted along a transmission beam of the coaxial optical system with respect to a size of a deflection mirror according to various examples.
  • 6 illustriert schematisch eine Abhängigkeit einer Transmittivität des Sendestrahls in Bezug auf den Empfangsstrahl des koaxialen optischen Systems von einer Divergenz einer langsamen Achse des primären Lichts gemäß verschiedenen Beispielen. 6 schematically illustrates a dependence of a transmission of the transmit beam with respect to the receive beam of the coaxial optical system of a divergence of a slow axis of the primary light according to various examples.
  • 7 illustriert schematisch eine beispielhafte Implementierung des koaxialen optischen Systems gemäß verschiedenen Beispielen. 7 schematically illustrates an example implementation of the coaxial optical system according to various examples.
  • 8 illustriert schematisch einen Multifokus-Linsenkörper gemäß verschiedenen Beispielen. 8th schematically illustrates a multi-focus lens body according to various examples.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Im Folgenden werden die Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist zu verstehen, dass die folgende Beschreibung der Ausführungsformen nicht im engeren Sinne zu verstehen ist. Der Umfang der Erfindung soll nicht durch die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen oder durch die Zeichnungen eingeschränkt werden, die nur zur Veranschaulichung dienen.Hereinafter, the embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood that the following description of the embodiments is not to be construed in a narrow sense. The scope of the invention should not be limited by the embodiments described below or by the drawings, which are given by way of illustration only.

Die Zeichnungen sind als schematische Darstellungen zu betrachten und Elemente, die in den Zeichnungen dargestellt sind, sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr werden die verschiedenen Elemente so dargestellt, dass ihre Funktion und ihr allgemeiner Zweck für einen Fachmann ersichtlich werden. Jede Verbindung oder Kopplung zwischen funktionellen Blöcken, Vorrichtungen, Komponenten oder anderen physikalischen oder funktionellen Einheiten, die in den Zeichnungen oder hierin beschrieben sind, kann auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Kopplung zwischen den Komponenten kann auch über eine drahtlose Verbindung hergestellt werden. Funktionelle Blöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination davon implementiert werden.The drawings are to be regarded as schematic representations and elements shown in the drawings are not necessarily drawn to scale. Rather, the various elements are presented in such a way that their function and their general purpose will become apparent to a person skilled in the art. Any connection or coupling between functional blocks, devices, components or other physical or functional units described in the drawings or herein may also be implemented by indirect connection or coupling. A coupling between the components can also be made via a wireless connection. Functional blocks may be implemented in hardware, firmware, software or a combination thereof.

Nachfolgend werden Techniken der Verwendung eines Ablenkspiegels, um Licht abzulenken, beschrieben. Der Ablenkspiegel hat eine reflektierende Oberfläche. Zum Beispiel kann eine Reflektivität der reflektierenden Oberfläche des Ablenkspiegel größer als 86% sein, optional größer als 90%. Ein Lichtstrahl des Lichts kann durch Reflektion an der reflektierenden Oberfläche abgelenkt werden. Zum Beispiel kann die reflektierende Oberfläche mit Gold oder Silber oder einer anderen reflektierenden Metallbeschichtung oder anderer Beschichtung beschichtet sein. Der Ablenkspiegel kann ausgelenkt werden durch reversible Verformung von mindestens einer Feder einer elastischen Aufhängung des Ablenkspiegels. Angepasste Auslenkung des Ablenkspiegel ermöglicht das Ablenken des Lichts. Die mindestens eine Feder kann reversibel verformt werden, das heißt strukturellen Schaden am Material - zum Beispiel Silizium, wie beispielsweise kristallines Silizium. Als allgemeine Regel kann in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ein oder mehrere Federn verwendet werden, um die elastische Aufhängung zu implementieren.Hereinafter, techniques of using a deflection mirror to deflect light will be described. The deflection mirror has a reflective surface. For example, a reflectivity of the reflective surface of the deflecting mirror may be greater than 86%, optionally greater than 90%. A light beam of the light can be deflected by reflection at the reflecting surface. For example, the reflective surface may be coated with gold or silver or other reflective metal coating or other coating. The deflection mirror can be deflected by reversible deformation of at least one spring of an elastic suspension of the deflection mirror. Adapted deflection of the deflection mirror allows the deflection of the light. The at least one spring can be reversibly deformed, that is structural damage to the material - for example, silicon, such as crystalline silicon. As a general rule, in the various examples described herein, one or more springs may be used to implement the elastic suspension.

Dies bedeutet in anderen Worten, dass Techniken beschrieben werden, die einen Festkörper-reibungsfreien Scanner zum Ablenken von Licht verwenden.In other words, techniques are described that use a solid-state, frictionless scanner to deflect light.

Zum Beispiel können die hierin beschriebenen Techniken das 1D- oder 2D-Ablenken von Licht ermöglichen. Insbesondere kann das Licht gescannt werden. Scannen von Licht kann dem wiederholten Umlenken von Licht unter Verwendung von unterschiedlichen Sendewinkeln entsprechen. Eine Scanrate oder Wiederholrate des Scannens kann durch Ablenkzyklen definiert sein. Dafür kann der Ablenkspiegel entsprechend ausgelenkt werden. Größere Scanbereiche entsprechen größeren Änderungen in den Sendewinkeln während des Scannens; größere Änderungen der Sendewinkel können durch größere Auslenkung des Ablenkspiegels erreicht werden. Dadurch kann ein Gesichtsfeld des Scannens erhöht werden. Es ist möglich, die Sendewinkel durch Auslenken des Ablenkwinkels in Übereinstimmung mit ein oder mehreren Bewegungsfreiheitsgraden eines Masse-Federsystems zu implementieren, welches durch die elastische Aufhängung und den Ablenkspiegel ausgebildet wird. Zum Beispiel kann der Ablenkspiegel rotiert, verkippt, verschoben etc. werden. Beispiele für die Bewegungsfreiheitsgrade, die dazu verwendet werden können, um Licht abzulenken, beinhalten Verbiegung und Torsion von mindestens einer Feder des Masse-Federsystems.For example, the techniques described herein may facilitate 1D or 2D deflection of light. In particular, the light can be scanned. Scanning light may correspond to repeatedly redirecting light using different transmission angles. A scan rate or repetition rate of the scan may be defined by scan cycles. For the deflecting mirror can be deflected accordingly. Larger scan areas correspond to larger changes in the transmission angles during scanning; larger changes in the transmission angle can be achieved by greater deflection of the deflection mirror. This can increase the field of vision of the scan. It is possible to implement the transmission angles by deflecting the deflection angle in accordance with one or more degrees of freedom of movement of a mass-spring system formed by the elastic suspension and the deflection mirror. For example, the deflection mirror can be rotated, tilted, shifted, etc. Examples of the degrees of freedom of movement that can be used to deflect light include bending and torsion of at least one spring of the mass-spring system.

Gemäß verschiedenen Beispielen ist resonante Bewegung des Masse-Federsystems möglich. Insbesondere kann der entsprechende Bewegungsfreiheitsgrad eine entsprechende Resonanzcharakteristik aufweisen - die manchmal auch als Frequenzantwort bezeichnet wird, das heißt Auslenkung als Funktion der Frequenz. Die Resonanzcharakteristik kann ein Maximum von bestimmter Breite im Frequenzraum aufweisen. Es ist möglich, eine Antriebskraft auszuwählen, so dass diese eine Frequenz innerhalb dieses Resonanzmaximums aufweist. Dazu kann ein Aktuator entsprechend gesteuert werden. Mittels resonanter Bewegung können große Änderungen in den Sendewinkeln erreicht werden. Große Scanbereiche können implementiert werden.According to various examples, resonant motion of the mass-spring system is possible. In particular, the corresponding degree of freedom of movement may have a corresponding resonance characteristic - sometimes referred to as frequency response, that is, displacement as a function of frequency. The resonance characteristic may have a maximum of certain width in the frequency space. It is possible to select a driving force to have a frequency within this resonance maximum. For this purpose, an actuator can be controlled accordingly. By means of resonant motion, large changes in the transmission angles can be achieved. Large scan areas can be implemented.

Beispielhafte Aktuatoren, die gesteuert werden können, um die elastische Scaneinheit resonant anzutreiben, beinhalten piezoelektrische Kammantriebe, magnetische Antriebe, piezoelektrische Aktuatoren, etc.Exemplary actuators that may be controlled to resonantly drive the elastic scan unit include piezoelectric comb drives, magnetic drives, piezoelectric actuators, etc.

Als allgemeine Regel können die hierin beschriebenen Techniken Anwendung in unterschiedlichen Anwendungsszenarien finden. Beispielhafte Anwendungsszenarien beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf: LIDAR mit lateraler Auflösung, Spektrometer, Projektoren, Endoskope, etc. Nachfolgend wird aus Gründen der Knappheit Referenz primär auf LIDAR-Anwendungsszenarien gemacht; entsprechende Techniken können auch für andere Anwendungsszenarien eingesetzt werden. As a general rule, the techniques described herein may find application in different application scenarios. Exemplary application scenarios include but are not limited to: LIDAR with lateral resolution, spectrometers, projectors, endoscopes, etc. In the following, for reasons of scarcity, reference is primarily made to LIDAR application scenarios; Appropriate techniques can also be used for other application scenarios.

Der Ablenkspiegel und die elastische Aufhängung können Teil einer Scaneinheit sein. Ein Scansystem (oder einfach Scanner) kann die Scaneinheit, eine Lichtquelle, die eingerichtet ist, um zu scannendes Licht zu emittieren, und/oder einen Detektor, der eingerichtet ist, um sekundäres Licht zu empfangen, umfassen. Das Scansystem kann auch ein oder mehrere Aktuatoren beinhalten, um die elastische Aufhängung zu aktivieren, um derart den Ablenkspiegel auszulenken.The deflecting mirror and the elastic suspension may be part of a scanning unit. A scanning system (or simply a scanner) may include the scanning unit, a light source configured to emit light to be scanned, and / or a detector configured to receive secondary light. The scanning system may also include one or more actuators to activate the resilient suspension so as to deflect the deflecting mirror.

Gemäß verschiedenen Beispielen wäre es möglich, Laserlicht abzulenken. Zum Beispiel kann kohärentes oder inkohärentes Laserlicht benutzt werden. Polarisiertes oder nichtpolarisiertes Laserlicht kann verwendet werden. Gepulster Laser oder Continuous-Wave-Laserlicht kann verwendet werden. Zum Beispiel können kurze Laserpulse mit einer Breite im Bereich von Pikosekunden oder Nanosekunden verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Pulsdauer im Bereich von 0,5 bis 3 Nanosekunden verwendet werden. Das Laserlicht kann eine Wellenlänge im Bereich von 700 bis 1800 Nanometer haben, insbesondere von 1550 Nanometer oder 950 Nanometer. Ein Laserlichtstrahl kann durch verschiedene Ortsraummoden ausgebildet werden (multimodales Laserlicht).According to various examples, it would be possible to deflect laser light. For example, coherent or incoherent laser light can be used. Polarized or non-polarized laser light can be used. Pulsed laser or continuous wave laser light can be used. For example, short laser pulses having a width in the range of picoseconds or nanoseconds can be used. For example, a pulse duration in the range of 0.5 to 3 nanoseconds may be used. The laser light may have a wavelength in the range of 700 to 1800 nanometers, in particular 1550 nanometers or 950 nanometers. A laser light beam can be formed by different spatial modes (multimodal laser light).

Als allgemeine Regel kann eine Lichtquelle unter Verwendung einer Laserdiode implementiert werden. Zum Beispiel kann eine großflächige Laserdiode verwendet werden. Die Laserdiode kann im Ortsraum multimodal sein, indem multimodales Laserlicht bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann eine Kanten-emittierende großflächige Laserdiode verwendet werden.As a general rule, a light source can be implemented using a laser diode. For example, a large-area laser diode can be used. The laser diode can be multimodal in space by providing multimode laser light. For example, an edge emitting large area laser diode may be used.

Als allgemeine Regel kann eine emittierende Fläche (manchmal auch als aktive Fläche bezeichnet) der Laserdiode nicht als Kreis oder Quadrat geformt sein, sondern vielmehr asymmetrisch. Die aktive Fläche kann eine kurze Seite haben, die eine sogenannte schnelle Achse (FA) definiert und kann eine lange Seite haben, die eine sogenannte kurze Achse (SA) definiert. Die FA und die SA können senkrecht zu der Richtung der Propagation des Laserlichts und senkrecht zur optischen Achse (OA) definiert sein. Insbesondere kann eine Divergenz des Laserlichts groß entlang der FA sein und kann klein entlang der SA sein. Die Divergenz definiert jeweils einen Öffnungswinkel des Laserlichts entlang der FA oder der SA. In anderen Worten kann die Breite des Laserlichts sich schnell aufweiten entlang der FA und langsam aufweiten entlang der SA.As a general rule, an emitting surface (sometimes referred to as an active surface) of the laser diode may not be shaped as a circle or square, but rather asymmetrically. The active area may have a short side that has a so-called fast axis ( FA ) and may have a long side which has a so-called short axis ( SA ) Are defined. The FA and the SA may be defined perpendicular to the direction of propagation of the laser light and perpendicular to the optical axis (OA). In particular, a divergence of the laser light can be large along the FA and can be small along the SA his. The divergence defines an opening angle of the laser light along the FA or the SA , In other words, the width of the laser light can expand rapidly along the FA and slowly widen along the SA ,

Als allgemeine Regel ist das Strahlprofil des Laserlichts in der FA und der SA durch die entsprechenden Seitenlängen wSA, wFA der aktiven Fläche, sowie eines Emissionsprofils, welches die Divergenz ΩSA, ΩFA definiert, definiert: w S A × Ω S A : = c S A

Figure DE102018113739A1_0001
w F A × Ω F A : = c F A
Figure DE102018113739A1_0002
As a general rule, the beam profile of the laser light is in the FA and the SA is defined by the respective side lengths W SA , w FA of the active surface and an emission profile which defines the divergence Ω SA , Ω FA : w S A × Ω S A : = c S A
Figure DE102018113739A1_0001
w F A × Ω F A : = c F A
Figure DE102018113739A1_0002

Gleichungen eins und zwei resultieren darin, dass die Divergenz des Laserlichts auch asymmetrisch ist.Equations one and two result in that the divergence of the laser light is also asymmetric.

Als allgemeine Regel können Laserdioden verwendet werden, die die folgenden Eigenschaften haben: w S A = 50 μ m 250 μ m ,

Figure DE102018113739A1_0003
w F A = 1 μ m 15 μ m ,
Figure DE102018113739A1_0004
Ω S A = 10   d e g 30   d e g ,
Figure DE102018113739A1_0005
Ω F A = 25   d e g 45   d e g ,
Figure DE102018113739A1_0006
As a general rule, laser diodes can be used which have the following properties: w S A = 50 μ m - 250 μ m .
Figure DE102018113739A1_0003
w F A = 1 μ m - 15 μ m .
Figure DE102018113739A1_0004
Ω S A = 10 d e G - 30 d e G .
Figure DE102018113739A1_0005
Ω F A = 25 d e G - 45 d e G .
Figure DE102018113739A1_0006

Detektiertes Licht kann an einem Objekt der Umgebung gestreut werden und kann deshalb nicht kohärent sein.Detected light can be scattered on an object of the environment and therefore can not be coherent.

Gemäß verschiedenen Beispielen ist es möglich, dass das Laserlicht, welches gescannt wird, Augensicherheitsregularien erfüllt. Solche Augensicherheitsregularien können eine mittlere Laserleistung, eine maximale Laserleistung, zum Beispiel in Abhängigkeit von einer Pulslänge, etc. spezifizieren. Ein Beispiel für Augensicherheitsregularien, die verwendet werden können, ist beschrieben in BS EN 60825-1:2014, Safety of laser products. Equipment classification and requirements, veröffentlicht am 31. August 2014.According to various examples, it is possible that the laser light being scanned satisfies eye safety regulations. Such eye safety regulations may specify an average laser power, a maximum laser power, for example, as a function of a pulse length, etc. An example of eye safety regulations that can be used is described in BS EN 60825-1: 2014, Safety of laser products. Equipment classification and requirements, published on August 31, 2014.

Verschiedene Techniken basieren auf der Erkenntnis, dass es für solche elastischen Scaneinheiten, die in einem Augensicherheitsregime des Laserlichts eingesetzt werden, schwierig sein kann, Reichweiten oberhalb von 100 m zu erreichen, zum Beispiel für eine Objektreflektivität von 50%. Verschiedene Techniken helfen dabei, die Reichweite auf oberhalb von 100 m zu erhöhen, zum Beispiel um Reichweiten von 100 m bis 200 m zu erreichen.Various techniques are based on the finding that for such elastic scanning units used in an eye safety regime of the laser light, it may be difficult to achieve ranges in excess of 100 m, for example, for an object reflectivity of 50%. Various techniques help to increase the range above 100 m, for example to reach ranges of 100 m to 200 m.

Um die Reichweite zu erhöhen, kann Ortsraumfilterung eingesetzt werden. Ortsraumfilterung betrifft ein Szenario, in dem primäres Laserlicht entlang eines Sendestrahls und über einen Ablenkspiegel hin zu dem Objekt gesendet wird; und sekundäres Laserlicht, das durch das Objekt reflektiert wird, entlang eines Empfangsstrahls und über denselben Ablenkspiegel gesammelt wird. In anderen Worten überlappt der Sendestrahl zumindest teilweise mit dem Empfangsstrahl. Insbesondere können der Sendestrahl und der Empfangsstrahl sich in einem Überlappabschnitt überlappen, der die reflektierende Oberfläche des Ablenkspiegels beinhaltet.To increase the range, spatial filtering can be used. Space filtering refers to a scenario in which primary laser light is transmitted along a transmit beam and via a deflection mirror toward the object; and secondary laser light reflected by the object is collected along a receiving beam and through the same deflecting mirror. In other words, the transmit beam overlaps at least partially with the receive beam. In particular, the transmit beam and the receive beam may overlap in an overlap section that includes the reflective surface of the scan mirror.

Manchmal wird eine solche Technik der Ortsraumfilterung als ein koaxiales optisches System bezeichnet, weil die OA des Sendestrahls und die OA des Empfangsstrahls aneinander ausgerichtet sind. Als allgemeine Regel kann es einen Versatz zwischen dem Sendestrahl und dem Empfangsstrahl für ein koaxiales optisches System geben, so lange als es einen Überlapp zwischen den Strahlprofilen des Sendestrahls und des Empfangsstrahls gibt. In einem koaxialen optischen System können der Sendestrahl und der Empfangsstrahl zumindest eine gemeinsame Apertur teilen, die zum Beispiel durch den Ablenkspiegel definiert ist.Sometimes such a technique of spatial filtering is referred to as a coaxial optical system because the OA of the transmit beam and the OA of the receive beam are aligned. As a general rule, there may be an offset between the transmit beam and the receive beam for a coaxial optical system, as long as there is an overlap between the beam profiles of the transmit beam and the receive beam. In a coaxial optical system, the transmit beam and the receive beam may share at least one common aperture defined by, for example, the deflection mirror.

Koaxiale optische Systeme ermöglichen es im Allgemeinen den Raumwinkel, aus dem Licht gesammelt und auf den Detektor fokussiert wird, zu begrenzen. Dadurch kann Hintergrundrauschen reduziert werden, indem die Anzahl von Hintergrundphotonen, zum Beispiel aufgrund von Sonnenstrahlen, reduziert wird. Dies ermöglicht es, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu vergrößern; dadurch wird die Reichweite vergrößert.Coaxial optical systems generally allow to limit the solid angle from which light is collected and focused on the detector. Thereby, background noise can be reduced by reducing the number of background photons, for example due to solar rays. This makes it possible to increase the signal-to-noise ratio; this increases the range.

Als allgemeine Regel kann, wird, wenn das koaxiale optische System implementiert wird, ein Strahlteiler verwendet, um den Sendestrahl und den Empfangsstrahl an einem Ende des Überlappabschnitts aufzuspalten. Es gibt verschiedene verfügbare Möglichkeiten, um den Strahlteiler zu implementieren. In einem Beispiel können zwei Prismas verwendet werden, die zusammengeklebt sind und eine Entfernung aufweisen, die Totalreflektion an diesem Übergang des Brechungsindex ermöglichen. Eine weitere Möglichkeit beruht auf einem teilreflektiven Spiegel, zum Beispiel unter Verwendung einer Silberbeschichtung, die eine Reflektivität von weniger als beispielsweise 80% entlang einer Breite des Strahlprofils aufweist. Eine dritte Möglichkeit verwendet einen vollreflektiven Spiegel (Kopplungsspiegel) mit einer Reflektivität von beispielsweise mehr als 90%, optional mehr als 86%, weiter optional mehr als 90%. Die lateralen Abmessungen dieses Kopplungsspiegels - senkrecht zur OA - sind kleiner als die Breite des Empfangsstrahls; daher kann ein Teil des sekundären Lichts am Kopplungsspiegel vorbeilaufen, ohne durch diesen abgelenkt zu werden, und kann deshalb den Detektor erreichen.As a general rule, when the coaxial optical system is implemented, a beam splitter is used to split the transmit beam and the receive beam at one end of the overlap section. There are several ways available to implement the beam splitter. In one example, two prisms may be used that are glued together and have a distance that allows for total reflection at this refractive index transition. Another approach relies on a partially reflective mirror, for example, using a silver coating that has a reflectivity of less than, for example, 80% along a beam profile width. A third possibility uses a fully reflective mirror (coupling mirror) with a reflectivity of, for example, more than 90%, optionally more than 86%, further optionally more than 90%. The lateral dimensions of this coupling mirror - perpendicular to the OA - are smaller than the width of the receiving beam; therefore, a part of the secondary light can pass the coupling mirror without being deflected by it, and therefore can reach the detector.

Der Strahlteiler, der Ablenkspiegel, etc. definieren ein koaxiales optisches System. Das optische System ist im Allgemeinen mit einer Transmittivität assoziiert. Die Transmittivität kann definiert sein als T = P T X P R X ,

Figure DE102018113739A1_0007
das heißt als Verhältnis zwischen (i) Leistung des primären Laserlichts im Sendestrahl gerade stromaufwärts eines Überlappabschnitts zwischen dem Sendestrahl und dem Empfangsstrahl und (ii) Leistung des sekundären Laserlichts im Empfangsstrahl gerade stromabwärts des Überlappabschnitts.The beam splitter, the deflecting mirror, etc. define a coaxial optical system. The optical system is generally associated with a transmissivity. The transmissivity can be defined as T = P T X P R X .
Figure DE102018113739A1_0007
that is, the ratio between (i) power of the primary laser light in the transmit beam just upstream of an overlap portion between the transmit beam and the receive beam and (ii) power of the secondary laser light in the receive beam just downstream of the overlap portion.

In Gleichung (3) werden Verluste in der Umgebung nicht berücksichtigt, das heißt es wird (künstlich) angenommen, dass alles Licht, welches das Scansystem entlang des Sendestrahls verlässt, auch wieder in das Scansystem eintritt entlang des Empfangsstrahls.In equation (3), losses in the environment are not taken into account, that is, it is assumed (artificially) that all the light leaving the scanning system along the transmission beam also re-enters the scanning system along the reception beam.

Die Transmittivität des Sendestrahls in Bezug auf den Empfangsstrahl kann unter den Wert 1 aufgrund von verschiedenen Faktoren reduziert werden:

  • Ein erster Faktor ist der Ablenkspiegel: zum Beispiel können Ablenkspiegel in dem optischen System verwendet werden, die eine Größe aufweisen, die kleiner als die Feldbreite des primären Lichts ist; dann geht primäres Licht verloren und die Transmittivität wird reduziert (Tmirror).
The transmissivity of the transmit beam with respect to the receive beam can be reduced below the value of 1 due to various factors:
  • A first factor is the deflection mirror: for example, deflection mirrors may be used in the optical system having a size smaller than the field width of the primary light; then primary light is lost and the transmissivity is reduced (T mirror ).

Ein zweiter Faktor sind optische Verluste aufgrund der Verwendung von nicht-perfekten optischen Elementen, zum Beispiel von Linsen, unterhalb von 100% Reflektivität der Spiegeloberflächen, etc. (Tlosses). Typischerweise Tlosses = 0,7 to 0,9. Zum Beispiel kann - wenn Gold verwendet wird, um die reflektierende Oberfläche des Kopplungsspiegels und/oder eine reflektierende Oberfläche des Ablenkspiegel zu verwenden - Tmaterial = 0,86 - 0,96 des entsprechenden optischen Elements.A second factor is optical losses due to the use of imperfect optical elements, for example lenses, below 100% reflectivity of the mirror surfaces, etc. (T losses ). Typically T losses = 0.7 to 0.9. For example, if gold is used to use the reflective surface of the coupling mirror and / or a reflective surface of the deflection mirror, T material = 0.86-0.96 of the corresponding optical element.

Ein dritter Faktor ist die Verwendung eines Strahlteilers, was in einer reduzierten Transmittivität resultieren kann (Tsplitter).A third factor is the use of a beam splitter, which can result in reduced transmissivity (T splitter ).

Die Gesamttransmittivität T des koaxialen optischen Systems - das heißt des Sendestrahls 121 gerade stromaufwärts des Überlappabschnitts 125 und des Empfangsstrahls 122 gerade stromabwärts des Überlappabschnitts 125 - wird durch die verschiedenen beeinflussenden Faktoren, die obenstehend identifiziert wurden, bereitgestellt: T = T l o s s e s × T m i r r o r × T s p l i t t e r .

Figure DE102018113739A1_0008
The total transmissivity T of the coaxial optical system - that is the transmission beam 121 just upstream of the overlap section 125 and the receiving beam 122 just downstream of the overlap section 125 - is by the various influencing factors identified above are provided: T = T l O s s e s × T m i r r O r × T s p l i t t e r ,
Figure DE102018113739A1_0008

Eine geringere Transmittivität T limitiert die Reichweite. Verschiedene Techniken basieren auf der Erkenntnis, dass in Gleichung (4) insbesondere die Strahlteilertransmittivität Tsplitter die Gesamttransmittivität T signifikant begrenzen kann und damit die Reichweite. Zum Beispiel kann in Referenzimplementierungen, in denen ein prismatischer Strahlteiler verwendet wird, Tsplitter so klein wie beispielsweise 0,25 sein.A lower transmissivity T limits the range. Various techniques are based on the finding that in equation (4) in particular the beam splitter transmission T splitter can significantly limit the total transmissivity T and thus the range. For example, in reference implementations where a prismatic beam splitter is used, T splitter may be as small as, for example, 0.25.

Um diesen Nachteil zu lindern, wird in verschiedenen Beispielen ein Strahlteiler, der einen Kopplungsspiegel beinhaltet, verwendet. Die Größe des Kopplungsspiegels ist angepasst, so dass eine große Strahlteilertransmittivität bereitgestellt wird und damit eine große Gesamttransmittivität. Dies ermöglicht es, die Reichweite von LIDAR-Messungen zu erhöhen.To alleviate this disadvantage, a beam splitter incorporating a coupling mirror is used in various examples. The size of the coupling mirror is adjusted so as to provide a large beam splitter transmissivity and hence a large overall transmissivity. This makes it possible to increase the range of LIDAR measurements.

In größerem Detail kann in einem solchen Szenario die Transmittivität Tsplitter des Strahlteilers abhängen von der geometrischen Konfiguration des koaxialen optischen Systems, das durch den Kopplungsspiegel und den Ablenkspiegel und optional durch Linsen etc. ausgebildet wird. Insbesondere kann eine laterale Größe des Kopplungsspiegels - senkrecht zu der OA des Sendestrahls und des Empfangsstrahls - die Transmittivität des Strahlteilers bestimmen.In more detail, in such a scenario, the transmissivity T splitter of the beam splitter may depend on the geometric configuration of the coaxial optical system formed by the coupling mirror and deflecting mirror and optionally by lenses, etc. In particular, a lateral size of the coupling mirror-perpendicular to the OA of the transmission beam and of the reception beam-can determine the transmissivity of the beam splitter.

Gemäß verschiedenen Beispielen, die hierin beschrieben werden, ist das koaxiale optische System eingerichtet, um eine Transmittivität von nicht weniger als 0,40, zum Beispiel im Bereich von 0,50 bis 0,85 bereitzustellen. Zum Beispiel kann die Transmittivität ohne Verluste (das heißt Tlosses:=1) im Bereich von 0,70 bis 0,85 liegen. Insbesondere können die lateralen Abmessungen des Kopplungsspiegels und/oder des Ablenkspiegels entsprechend eingestellt werden. Es wurde festgestellt, dass eine solche Transmittivität für eine optimierte Abwägungssituation zwischen (i) Reichweite der LIDAR-Messungen aufgrund von großer Transmittivität und (ii) lateraler Auflösung der LIDAR-Messungen aufgrund von geringer Divergenz bereitstellt.According to various examples described herein, the coaxial optical system is configured to provide a transmissivity of not less than 0.40, for example in the range of 0.50 to 0.85. For example, the transmissivity without losses (ie, T losses : = 1) can range from 0.70 to 0.85. In particular, the lateral dimensions of the coupling mirror and / or the deflection mirror can be adjusted accordingly. It has been found that such a transmissivity provides for an optimized balance between (i) range of LIDAR measurements due to high transmittivity and (ii) lateral resolution of LIDAR measurements due to low divergence.

Gemäß verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen kann der Strahlteiler zwischen einer Detektorlinse, die eingerichtet ist, um sekundäres Licht auf den Detektor zu fokussieren, und dem Detektor angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, eine geringe äußere Abmessung des optischen Systems bereitzustellen.According to various examples described herein, the beam splitter may be disposed between a detector lens configured to focus secondary light on the detector and the detector. This makes it possible to provide a small outer dimension of the optical system.

1 illustriert schematisch ein Scansystem 100 gemäß verschiedenen Beispielen. Das Scansystem 100 beinhaltet ein Steuergerät 101, eine Laserdiode 101, und einen Detektor 102. Das Scansystem 100 definiert ein koaxiales optisches System. 1 schematically illustrates a scanning system 100 according to different examples. The scan system 100 includes a control unit 101 , a laser diode 101 , and a detector 102 , The scan system 100 defines a coaxial optical system.

Die Laserdiode 101 wird durch das Steuergerät 101 gesteuert, um primäres Laserlicht 111 entlang eines Sendestrahls 121 zu emittieren. Der Sendestrahl 121 tritt durch einen Strahlteiler 130 hindurch, tritt dann durch einen Ablenkspiegel 150 hindurch, tritt dann durch ein Gehäusefenster 151 der Scaneinheit hindurch und erreicht dann eine Umgebung 190.The laser diode 101 is through the control unit 101 controlled to primary laser light 111 along a transmission beam 121 to emit. The transmission beam 121 passes through a beam splitter 130 through, then passes through a deflecting mirror 150 through, then passes through a housing window 151 the scanning unit and then reaches an environment 190 ,

Zum Beispiel kann eine großflächige Laserdiode, wie obenstehend beschrieben, eingesetzt werden.For example, a large-area laser diode as described above can be used.

Als allgemeine Regel kann eine reflektierende Oberfläche des Ablenkspiegel 150 eine elliptische Form haben. Die reflektierende Oberfläche kann in einer Ebene angeordnet sein, die einen Normalenvektor aufweist, der einen Winkel in Bezug auf die OA des Sendestrahls 121 einschließt, zum Beispiel einen 45°-Winkel. Eine Projektion der reflektierenden Oberfläche in eine Ebene senkrecht zu der OA kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.As a general rule, a reflective surface of the deflecting mirror 150 have an elliptical shape. The reflective surface may be disposed in a plane having a normal vector that is at an angle with respect to the OA of the transmit beam 121 includes, for example, a 45 ° angle. A projection of the reflective surface in a plane perpendicular to the OA may have a circular cross-section.

Als allgemeine Regel kann gemäß verschiedener hierin beschriebener Beispiele ein Ablenkspiegel 150 verwendet werden, der eine reflektierende Oberfläche einer Größe aufweist, die (i) klein genug ist, um resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, das durch eine elastische Aufhängung des Scanspiegels und den Scanspiegel ausgebildet wird, und die (ii) groß genug ist, um ein primäres Laserlicht mit geringer Divergenz zu ermöglichen und (iii) die groß genug ist, um Ortsraumfilterung unter Verwendung eines koaxialen optischen Systems zu ermöglichen.As a general rule, according to various examples described herein, a deflecting mirror 150 which has a reflective surface of a size that is (i) small enough to resonantly move a mass-spring system formed by an elastic suspension of the scanning mirror and the scanning mirror and (ii) large enough (iii) which is large enough to allow spatial filtering using a coaxial optical system.

Als allgemeine Regel kann die Größe der der reflektierenden Oberfläche des Ablenkspiegels im Bereich von 120 mm2 bis 230 mm2 liegen, optional im Bereich von 180 mm2 bis 220 mm2. Zum Beispiel kann ein elliptischer Querschnitt der reflektierenden Oberfläche radiale Längen entlang der kleinen Halbachse und der großen Halbachse von 12 mm und 16,97 mm = 203 mm2 aufweisen. Dies stellt eine kreisförmige Form einer Projektion der reflektierenden Oberfläche in einer Ebene senkrecht zu der OA des Sendestrahls 121 bereit, wenn die OA um 45° in Bezug auf einen Normalenvektor der reflektierenden Oberfläche gekippt ist.As a general rule, the size of the reflecting surface of the deflecting mirror may be in the range of 120 mm 2 to 230 mm 2 , optionally in the range of 180 mm 2 to 220 mm 2 . For example, an elliptical cross-section of the reflective surface may have radial lengths along the minor semiaxis and semimajor axes of 12 mm and 16.97 mm = 203 mm 2 . This represents a circular shape of a projection of the reflecting surface in a plane perpendicular to the OA of the transmitting beam 121 ready when the OA is tilted 45 ° with respect to a normal vector of the reflecting surface.

Das primäre Laserlicht kann an einem Objekt (nicht in 1 illustriert) gestreut werden, um nicht kohärentes sekundäres Licht 112 zu erzeugen. Das sekundäre Licht 112 - sowie Hintergrundlicht und/oder Interferenzlicht - bewegt sich entlang eines Empfangsstrahls 122 durch das Fenster 151, tritt durch den Spiegel 150 hindurch und erreicht dann den Strahlteiler 130. Der Strahlteiler lenkt das sekundäre Laserlicht 112 hin zu einem Detektor 102.The primary laser light can be applied to an object (not in 1 illustrated) to be noncoherent secondary light 112 to create. The secondary light 112 - And backlight and / or interference light - moves along a receiving beam 122 through the window 151 , enters through the mirror 150 through and then reaches the beam splitter 130 , The beam splitter directs the secondary laser light 112 towards a detector 102 ,

Die OA des Sendestrahls 121 und die OA des Empfangsstrahls 122 sind ausgerichtet; deshalb ist ein koaxiales optisches System implementiert. Sowohl die Sendeapertur des Sendestrahls 121, wie auch die Detektorapertur des Empfangsstrahls 122 werden durch den Ablenkspiegel 150 definiert.The OA of the transmission beam 121 and the OA of the receive beam 122 are aligned; therefore, a coaxial optical system is implemented. Both the transmission aperture of the transmission beam 121 as well as the detector aperture of the receive beam 122 be through the deflecting mirror 150 Are defined.

Als allgemeine Regel kann der Detektor 102 durch eine Lawinen-Fotodiode (Avalanche Photo Diode, APD)-Array oder ein Einzelphotonen-APD-Array implementiert werden.As a general rule, the detector 102 by an Avalanche Photo Diode (APD) array or a single-photon APD array.

1 illustriert einen Überlappabschnitt 125 des Sendestrahls 121 und des Empfangsstrahls 122. Der Überlappabschnitt 125 hat ein Ende am Strahlteiler 130. 1 illustrates an overlap section 125 of the transmission beam 121 and the receiving beam 122 , The overlap section 125 has an end at the beam splitter 130 ,

Die Steuereinheit 90 ist eingerichtet, um den Ablenkspiegel 150 zu aktuieren, um unterschiedliche Scanwinkel zu implementieren. Dazu ist ein Aktuator 901 mit der Steuereinheit 90 gekoppelt. Beispielhafte Aktuatoren 901 beinhalten elektrostatische Antriebe, magnetische Antriebe oder piezoelektrische Antriebe. Der Aktuator 901 ist eingerichtet, um eine Kraft auf ein erstes Ende einer elastischen Aufhängung auszuüben. Dadurch kann eine reversible Verformung einer Feder der elastischen Aufhängung 902 bewirkt werden, was den Ablenkspiegel 150, der mit einem zweiten Ende der elastischen Aufhängung 902, das gegenüber vom ersten Ende ist, gekoppelt ist, auslenkt. Ein Federelement kann sich zwischen den ersten und zweiten Enden erstrecken (in 1 nicht dargestellt).The control unit 90 is set up to the deflecting mirror 150 to actuate to implement different scanning angles. This is an actuator 901 with the control unit 90 coupled. Exemplary actuators 901 include electrostatic drives, magnetic drives or piezoelectric drives. The actuator 901 is adapted to exert a force on a first end of an elastic suspension. This can cause a reversible deformation of a spring of the elastic suspension 902 causes the deflection mirror 150 , which has a second end of the elastic suspension 902 , which is opposite the first end, coupled, deflects. A spring element may extend between the first and second ends (in FIG 1 not shown).

Beispielhafte Implementierungen der elastischen Aufhängung 902 sind beschrieben in US20180143322A1 : 62 und in DE 10 2016 014 001 A1 und in DE102009058762A1 und in US20100290142A1 .Exemplary implementations of the elastic suspension 902 are described in US20180143322A1 : 62 and in DE 10 2016 014 001 A1 and in DE102009058762A1 and in US20100290142A1 ,

Die Steuereinheit 90 kann den Detektor 102 auslesen. Die Steuereinheit 90 kann durch einen applikationsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) und/oder ein feldprogrammierbares Array (FPGA) und/oder einen allgemeinen Prozessor implementiert sein. Die Steuereinheit 90 kann einen Analog-Digitalwandler und/oder einen Zeit-zu-Digitalwandler umfassen.The control unit 90 can the detector 102 read. The control unit 90 may be implemented by an application specific integrated circuit (ASIC) and / or field programmable array (FPGA) and / or general processor. The control unit 90 may comprise an analog-to-digital converter and / or a time-to-digital converter.

Im Beispiel der 1 ist das optische System ein sogenanntes Pre-Scanner optisches System. Dies liegt daran, dass keine Linsen etc. mit einer signifikanten optischen Wirkung auf den Sendestrahl 121 stromaufwärts des Ablenkspiegels 150 entlang des Sendestrahls 121 angeordnet sind (wie der Fall für ein Post-Scanner optisches System wäre, welches hier nicht dargestellt ist). Daher korrespondiert die Divergenz des Sendestrahls 121, die am Ablenkspiegel 150 vorliegt, mit der Divergenz des Sendestrahls 121, der das Scansystem 100 hin zu der Umgebung 190 verlässt. Zusätzliche Strahlformung hinter dem Ablenkspiegel 150 wird in dem Pre-Scanner-optischen System nicht bereitgestellt.In the example of 1 the optical system is a so-called pre-scanner optical system. This is because there are no lenses etc. with a significant optical effect on the transmit beam 121 upstream of the deflecting mirror 150 along the transmission beam 121 are arranged (as would be the case for a post-scanner optical system, which is not shown here). Therefore, the divergence of the transmission beam corresponds 121 at the deflecting mirror 150 is present, with the divergence of the transmission beam 121 that the scanning system 100 towards the environment 190 leaves. Additional beam shaping behind the deflection mirror 150 is not provided in the pre-scanner optical system.

Details in Bezug auf das optische System des Scansystems 100 der 1 sind auch in 2 illustriert.Details regarding the optical system of the scanning system 100 of the 1 are also in 2 illustrated.

2 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit dem Scansystem 100. 2 ist eine Ray-Tracing schematische Ansicht des optischen Systems des Scansystems 100, insbesondere des Sendestrahls 121 und des Empfangsstrahls 122. 2 illustriert eine FA 716 des primären Laserlichts 121 (die SA ist nicht dargestellt). 2 illustrates aspects related to the scanning system 100 , 2 is a ray-tracing schematic view of the optical system of the scanning system 100 , in particular the transmission beam 121 and the receiving beam 122 , 2 illustrates one FA 716 of the primary laser light 121 (the SA is not shown).

In 2 ist eine Kollimatorlinse 211 im Sendestrahl 121 zwischen der Laserdiode 101 und dem Strahlteiler 130, der durch einen Kopplungsspiegel implementiert wird, angeordnet. Eine weitere Kollimatorlinse 201 ist auch im Sendestrahl 121 angeordnet, zwischen der Laserdiode 101 und dem Strahlteiler 130. Die Kollimatorlinse 211 ist eingerichtet, um die FA 716 des primären Lichts 111 zu kollimieren. Die Kollimatorlinse 201 ist eingerichtet, um die SA des primären Lichts 111 zu kollimieren.In 2 is a collimator lens 211 in the transmission beam 121 between the laser diode 101 and the beam splitter 130 arranged by a coupling mirror. Another collimator lens 201 is also in the transmission beam 121 arranged between the laser diode 101 and the beam splitter 130 , The collimator lens 211 is set up for the FA 716 of the primary light 111 to collapse. The collimator lens 201 is set up for the SA of the primary light 111 to collapse.

Ein fester Spiegel 202 lenkt das primäre Licht 111 hin zum Kopplungsspiegel 131 des Strahlteilers 130. 2 illustriert die FA-Feldbreite 321-1, wTX,FA des primären Lichts 111 an Punkt A.A solid mirror 202 directs the primary light 111 towards the coupling mirror 131 of the beam splitter 130 , 2 illustrates the FA -Feldbreite 321-1 . w TX, FA of the primary light 111 at point A.

Der Kopplungsspiegel 131 ist innerhalb des Empfangsstrahls 122, entlang dessen sich das sekundäre Licht 112 bewegt, angeordnet. Das primäre Licht 111 und das sekundäre Licht 112 bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen. Eine OA 199 des Sendestrahls 121 und des Empfangsstrahls 122 ist im Überlappbereich 125 in 2 illustriert.The coupling mirror 131 is within the receive beam 122 along which the secondary light 112 moved, arranged. The primary light 111 and the secondary light 112 move in opposite directions. An OA 199 of the transmission beam 121 and the receiving beam 122 is in the overlap area 125 in 2 illustrated.

2 illustriert die reflektierende Oberfläche 151 des Ablenkspiegels 150. Der Ablenkspiegel 150 schließt einen Winkel von 45° mit der OA 199 ein. Dadurch kann periskopartiges Scannen mittels Rotation um eine Rotationsachse 152 implementiert werden. Um die Rotation um die Rotationsachse 152, wie in 2 illustriert, bereitzustellen, können Techniken angewendet werden, wie sie in DE 10 2016 014 001 beschrieben sind. Als allgemeine Regel können andere Arten der Bewegung des Ablenkspiegels 150 verwendet werden, zum Beispiel eine Verkippung etc. Die genaue Art der elastischen Aufhängung, die zum Bewegen des Ablenkspiegels 150 eingesetzt wird, ist nicht wesentlich für die Funktionsweise der verschiedenen hierin beschriebenen Techniken. 2 illustrates the reflective surface 151 the deflection mirror 150 , The deflecting mirror 150 closes an angle of 45 ° with the OA 199 on. This allows periscope-like scanning by rotation about a rotation axis 152 be implemented. To the rotation around the rotation axis 152 , as in 2 Illustrated to provide techniques can be applied as described in DE 10 2016 014 001. As a general rule, other types of movement of the deflecting mirror 150 used, for example, a tilting etc. The exact type of elastic suspension used to move the deflecting mirror 150 is not essential for the Operation of the various techniques described herein.

Als allgemeine Regel kann die Größe der reflektierenden Oberfläche 151 des Ablenkspiegels 150 im Bereich von 120 mm2 bis 230 mm2 liegen, optional im Bereich von 180 mm2 bis 220 mm2. Dies ermöglicht Resonanzfrequenzen - und damit Scanfrequenzen für die LIDAR-Messungen - im Bereich von 60 Hz bis 500 Hz. Solche Scanfrequenzen sind hilfreich, um akzeptable Wiederholungsraten für LIDAR-Bilder bereitzustellen. Außerdem kann Widerstandsfähigkeit gegen ungewünschte Bewegung des Spiegels aufgrund von niederfrequentem Schock bereitgestellt werden.As a general rule, the size of the reflective surface 151 the deflection mirror 150 in the range of 120 mm 2 to 230 mm 2 , optionally in the range of 180 mm 2 to 220 mm 2 . This allows resonant frequencies - and thus scan frequencies for the LIDAR measurements - in the range of 60 Hz to 500 Hz. Such scanning frequencies are helpful in providing acceptable repetition rates for LIDAR images. In addition, resistance to undesired movement of the mirror due to low-frequency shock can be provided.

2 illustriert auch eine Feldbreite 322, wRX des sekundären Lichts 112. Die Feldbreite 322 wird durch eine Detektorapertur des Empfangsstrahls 122 definiert. Die Größe der Detektorapertur ist definiert durch die Größe des Ablenkspiegels 150. 2 also illustrates a field width 322 . w RX of the secondary light 112 , The field width 322 is through a detector aperture of the receive beam 122 Are defined. The size of the detector aperture is defined by the size of the deflection mirror 150 ,

Die Feldbreite 322 ist größer als die Größe des Kopplungsspiegels 130. Deshalb ist die Transmittivität des Strahlteilers 130 Tsplitter größer als 0. Ein Teil des Lichts erreicht den Detektor 102, durch eine Detektorlinse 252.The field width 322 is greater than the size of the coupling mirror 130 , Therefore, the transmissivity of the beam splitter 130 T splitter greater than 0. Part of the light reaches the detector 102 , through a detector lens 252 ,

Als allgemeine Regel definiert die geometrische Größe des Kopplungsspiegels 131 die Transmittivität des Strahlteilers 130, Tsplitter. Zum Beispiel nimmt die Transmittivität des Strahlteilers 130 Tsplitter ab, wenn die Größe des Kopplungsspiegels 131 entlang der FA 760 senkrecht zur OA 199 größer ist (bei einer festen Feldbreite 322), weil weniger sekundäres Licht 112 den Detektor 130 erreicht.As a general rule defines the geometric size of the coupling mirror 131 the transmissivity of the beam splitter 130 , T splitter . For example, the transmittivity of the beam splitter decreases 130 T splitter off when the size of the coupling mirror 131 along the FA 760 perpendicular to the OA 199 is larger (with a fixed field width 322 ), because less secondary light 112 the detector 130 reached.

Die Detektorlinse 252 hat eine Fokuslänge 102A derart, dass das sekundäre Licht 112 auf den Detektor 130 fokussiert wird. Eine Feldblende 253 ist nahe der Fokusebene der Detektorlinse 252 bereitgestellt.The detector lens 252 has a focus length 102A such that the secondary light 112 on the detector 130 is focused. A field stop 253 is near the focal plane of the detector lens 252 provided.

Die Transmittivität T des Sendestrahls 121 in Bezug auf den Empfangsstrahl 122 in dem koaxialen optischen System, welches in 1 dargestellt ist, wird als das Verhältnis zwischen der Leistung des primären Lichts 111 an einem Punkt A des Sendestrahls 121 und der Leistung des sekundären Lichts 112 an einem Punkt B des Empfangsstrahls 122 definiert, unter der Annahme, dass die Umgebung des Scansystems 100 das Licht vollkommen reflektiert und kein Licht in der Umgebung hinzugefügt wird. Das bedeutet, dass das gesamte primäre Licht 111, welches durch die Umgebung läuft, als sekundäres Licht 112 wieder eintritt.The transmissivity T of the transmission beam 121 in relation to the receiving beam 122 in the coaxial optical system used in 1 is shown as the ratio between the power of the primary light 111 at a point A of the transmission beam 121 and the power of the secondary light 112 at a point B of the receiving beam 122 defines, assuming that the environment of the scanning system 100 the light is completely reflected and no light is added in the environment. That means the entire primary light 111 , which runs through the environment, as a secondary light 112 re-enters.

Nachfolgend wird angenommen, dass die Transmittivität durch die geometrische Konfiguration des koaxialen optischen Systems gesetzt wird. Deshalb wird die Transmittivität eingestellt durch die geometrische Konfiguration des Kopplungsspiegels 131 und des Ablenkspiegels 150 (Tmirror) und die geometrische Konfiguration des Strahlteilers 130 (Tsplitter), siehe Gleichung (4). Andere Verluste werden vernachlässigt, beispielsweise Verluste aufgrund von Sub-100%-Reflektivität des Materials der reflektierenden Oberflächen der Spiegel 131, 150. Das bedeutet, dass in Gleichung (4) angenommen wird Tlosses:=1.Hereinafter, it is assumed that the transmissivity is set by the geometrical configuration of the coaxial optical system. Therefore, the transmissivity is set by the geometric configuration of the coupling mirror 131 and the deflecting mirror 150 (T mirror ) and the geometric configuration of the beam splitter 130 (T splitter ), see equation (4). Other losses are neglected, for example losses due to sub-100% reflectivity of the material of the reflective surfaces of the mirrors 131 . 150 , This means that equation (4) assumes T losses : = 1.

Als nächstes werden Details in Bezug auf das Design des koaxialen optischen Systems beschrieben, um die Transmittivität T im Zusammenhang mit 3 - 6 anzupassen.Next, details regarding the design of the coaxial optical system will be described with respect to the transmissivity T associated with 3 - 6 adapt.

3 illustriert schematisch ein Strahlprofil 701 des primären Lichts 111. 3 illustriert das rechtecksförmige Strahlprofil 701 entlang der SA 715 - mit einer geringen Divergenz - und entlang der FA 716 - mit einer großen Divergenz. 3 schematically illustrates a beam profile 701 of the primary light 111 , 3 illustrates the rectangular beam profile 701 along the SA 715 - with a low divergence - and along the FA 716 - with a big divergence.

Die Feldbreite 321-1 entlang der FA 716 (mit wTX,FA bezeichnet) und die Feldbreite 321-2 entlang der SA 715 (mit wTX,SA bezeichnet) sind dargestellt. Die Feldbreiten 321-1, 321-2 sind durch ein oder mehrere Kollimatorlinsen - zum Beispiel die Kollimatorlinse 201 der 1 - unter den Randbedingungen, die durch die Laserdiode 101 durch Gleichungen (1) und (2) aufgeprägt werden, definiert. Wenn zum Beispiel die Feldbreite 321-1 oder 321-2 durch die Kollimatorlinse 201 reduziert wird, dann nimmt die Divergenz zu, gemäß Gleichung (1).The field width 321-1 along the FA 716 (With w TX, FA designated) and the field width 321-2 along the SA 715 (With w TX, SA are shown) are shown. The field widths 321-1 . 321-2 are through one or more collimator lenses - for example, the collimator lens 201 of the 1 - under the boundary conditions caused by the laser diode 101 are imprinted by equations (1) and (2). If, for example, the field width 321-1 or 321-2 through the collimator lens 201 is reduced, then the divergence increases according to equation (1).

4 illustriert schematisch das Strahlprofile 701 des primären Lichts 111 in Bezug auf die Projektion 151a der reflektierenden Oberfläche 151 in die Ebene senkrecht zu der OA 199. 4 illustriert auch das Strahlprofil 701 des primären Lichts 111 in Bezug auf den Kopplungsspiegel 131 des Strahlteilers 130. 4 schematically illustrates the beam profile 701 of the primary light 111 in terms of projection 151a the reflective surface 151 in the plane perpendicular to the OA 199 , 4 also illustrates the beam profile 701 of the primary light 111 in terms of the coupling mirror 131 of the beam splitter 130 ,

Als allgemeine Regel ist es, wie in 4 dargestellt, möglich, dass die Größe des Kopplungsspiegels 131 nicht größer ist als die Größe des Strahlprofils 701 des primären Lichts 111. Insbesondere kann die Größe des Kopplungsspiegels 131 an die Größe des Strahlprofils 701 des primären Lichts 111 angepasst werden. Zum Beispiel kann die Feldgröße 321-1 im Bereich von 80% bis 120% der entsprechenden Größe 131-1 des Kopplungsspiegels 130 liegen. Zum Beispiel kann die Feldbreite 321-2 im Bereich von 80% bis 120% der entsprechenden Größe 131-2 des Kopplungsspiegels 130 liegen. Dadurch wird reduzierte Transmittivität des Kopplungsspiegels 131 des Strahlteilers 130 für das primäre Licht 111 vermieden.As a general rule, it is as in 4 shown, possible that the size of the coupling mirror 131 is not larger than the size of the beam profile 701 of the primary light 111 , In particular, the size of the coupling mirror 131 to the size of the beam profile 701 of the primary light 111 be adjusted. For example, the field size 321-1 in the range of 80% to 120% of the corresponding size 131-1 of the coupling mirror 130 lie. For example, the field width 321-2 in the range of 80% to 120% of the corresponding size 131-2 of the coupling mirror 130 lie. This reduces the transmittivity of the coupling mirror 131 of the beam splitter 130 for the primary light 111 avoided.

Weiterhin limitiert, wie in 4 dargestellt, die Größe der reflektierenden Oberfläche 151 des Ablenkspiegels 150 die Apertur des Sendestrahls 121, für die SA 715. Insbesondere ist die entsprechende Größe 151a-1 der Projektion 151a der reflektierenden Oberfläche 151 kleiner als die Feldbreite 321-2 des primären Lichts 111 entlang der SA 715. Nicht alles primäre Licht 111 wird durch den Ablenkspiegel 150 reflektiert - was die Spiegeltransmittivität Tmirror < 1 reduziert (nichtreflektiertes Licht ist durch die Pfeile in 4 hervorgehoben). Andererseits ist die Divergenz vergleichsweise gering, weil die Feldbreite 321-2 entlang der SA 715 groß ist, siehe Gleichung (1). Ortsraummoden des primären Lichts 111, die eine vergleichsweise geringe Divergenz haben, werden aufgrund der Ausrichtung des Zentrums der Projektion 151a der reflektierenden Oberfläche 151 des Ablenkspiegels 150 mit der OA 199 selektiert; Ortsraummoden des primären Lichts 111, die eine vergleichsweise große Divergenz haben, werden an den Pfeilen abgeschnitten.Furthermore limited as in 4 represented, the size of the reflective surface 151 the deflection mirror 150 the aperture of the transmission beam 121 . for the SA 715 , In particular, the appropriate size 151a-1 the projection 151a the reflective surface 151 smaller than the field width 321 - 2 of the primary light 111 along the SA 715 , Not all primary light 111 is through the deflecting mirror 150 reflected - which reduces the mirror transmissivity T mirror <1 (unreflected light is indicated by the arrows in FIG 4 highlighted). On the other hand, the divergence is comparatively small because the field width 321-2 along the SA 715 is large, see equation (1). Local modes of the primary light 111 which have a comparatively small divergence, are due to the orientation of the center of the projection 151a the reflective surface 151 the deflection mirror 150 with the OA 199 selected; Local modes of the primary light 111 , which have a comparatively large divergence, are cut off at the arrows.

Als generelle Regel kann es nicht einfach möglich sein, einen Verlust von primärem Licht 111 an den Spiegeln 131, 150 zu kompensieren. Dies liegt daran, dass die maximale Sendeleistung der Laserdiode 101 limitiert sein kann.As a general rule, it may not be easy to experience a loss of primary light 111 at the mirrors 131 . 150 to compensate. This is because the maximum transmission power of the laser diode 101 may be limited.

Als allgemeine Regel wäre es möglich, dass die Laserdiode 101 bei Sendeleistungen zumindest primären Lichts 111 betrieben wird, die innerhalb von 20% des thermischen Abbruchpunkts liegen. Der thermische Abbruchpunkt kann mit Sendeleistungen assoziiert sein, die im irreversiblen Schaden an der Integrität der Laserdiode 101 resultieren.As a general rule, it would be possible for the laser diode 101 at transmission powers of at least primary light 111 operating within 20% of the thermal breakpoint. The thermal breakpoint may be associated with transmit power resulting in irreversible damage to the integrity of the laser diode 101 result.

In 4 ist die Größe des Kopplungsspiegels 131 an die Größe des Strahlprofils 701 des primären Lichts 111 angepasst. Deshalb wird die Transmittivität nicht durch Verluste des primären Lichts 111 am Kopplungsspiegel 111 reduziert.In 4 is the size of the coupling mirror 131 to the size of the beam profile 701 of the primary light 111 customized. Therefore, the transmissivity is not due to losses of the primary light 111 at the coupling mirror 111 reduced.

In 4 definiert die Größe der Projektion 151a, Asmirror die Detektorapertur des Empfangsstrahls 122. Deshalb definiert die Größe der Projektion 151a die Feldbreite 322 des Sekundärlichts 112.In 4 defines the size of the projection 151a , A smirror the detector aperture of the receive beam 122 , Therefore defines the size of the projection 151a the field width 322 of the secondary light 112 ,

Wie in 4 dargestellt ist, ist die Größe 158 der Projektion 151a entlang der SA 751 kleiner als die Größe 131-2 des Kopplungsspiegels 131 entlang der SA 751. Deshalb geht primäres Licht 111 am Ablenkspiegel 150 verloren. A* ist die Fläche des Strahlprofils 701, die innerhalb der Projektion 151a zum Liegen kommt, das heißt, die durch den Ablenkspiegel 150 reflektiert wird (gestrichelte Linien in 4, 701*).As in 4 is shown is the size 158 the projection 151a along the SA 751 smaller than the size 131-2 of the coupling mirror 131 along the SA 751 , That is why the primary light goes 111 at the deflecting mirror 150 lost. A * is the area of the beam profile 701 that are within the projection 151a comes to rest, that is, through the deflecting mirror 150 is reflected (dashed lines in 4 . 701 * ).

Deshalb ist die Transmittivität des primären Lichts 112 entlang des Sendestrahls 121 in solchen Szenarien gegeben durch: T T X = T m i r r o r = A A c m i r r o r w T X , S A A c m i r r o r ,

Figure DE102018113739A1_0009
wobei Acmirror die Fläche des Kopplungsspiegels 131 ist, das heißt Acmirror= wTX,SA × wTX,FA.That is why the transmittance of the primary light 112 along the transmission beam 121 in such scenarios given by: T T X = T m i r r O r = A * A c m i r r O r α w T X . S A A c m i r r O r .
Figure DE102018113739A1_0009
where A cmirror is the area of the coupling mirror 131 is, that is A cmirror = w TX, SA × w TX, FA .

Sekundäres Licht 122 wird über die gesamte Fläche der Projektion 151a gesammelt. Also definiert die Größe der Projektion 151a, Asmirror in Bezug auf die Größe des Kopplungsspiegels Acmirror die Strahlteilertransmittivität Tsplitter, und die Transmittivität des sekundären Lichts 112 entlang des Empfangsstrahls 122 ist gegeben durch: T R X = T s p l i t t e r = 1 A * A s m i r r o r .

Figure DE102018113739A1_0010
Secondary light 122 is over the entire area of the projection 151a collected. So defines the size of the projection 151a , A smirror in terms of the size of the coupling mirror A cmirror the beam splitter transmissivity T splitter , and the transmissivity of the secondary light 112 along the receiving beam 122 is given by: T R X = T s p l i t t e r = 1 - A * A s m i r r O r ,
Figure DE102018113739A1_0010

Schließlich ist die Gesamttransmittivität gegeben durch: T = T T X × T R X = T s p l i t t e r × T m i r r o r = A * A c m i r r o r ( 1 A * A s m i r r o r ) .

Figure DE102018113739A1_0011
Finally, the total transmissivity is given by: T = T T X × T R X = T s p l i t t e r × T m i r r O r = A * A c m i r r O r ( 1 - A * A s m i r r O r ) ,
Figure DE102018113739A1_0011

Wie schon betont ist Gleichung (7) unter der Annahme, dass die Größe der reflektierenden Fläche 131 des Kopplungsspiegels 130 angepasst ist an die Größe des Strahlprofils 701.As already emphasized, equation (7) is based on the assumption that the size of the reflecting surface 131 of the coupling mirror 130 adapted to the size of the beam profile 701 ,

5 illustriert schematisch das Strahlprofil 701 des primären Lichts 111 in Bezug auf die Projektion 151a der reflektierenden Oberfläche 151 in die Ebene senkrecht zu der OA 199. 5 illustriert auch das Strahlprofil 701 des primären Lichts 111 in Bezug auf den Kopplungsspiegel 131 des Strahlteilers 130. 5 schematically illustrates the beam profile 701 of the primary light 111 in terms of projection 151a the reflective surface 151 in the plane perpendicular to the OA 199 , 5 also illustrates the beam profile 701 of the primary light 111 in terms of the coupling mirror 131 of the beam splitter 130 ,

Das Szenario der 5 korrespondiert im Allgemeinen mit dem Szenario der 4. Jedoch ist im Szenario der 5 die Kollimatorlinse 201 eingerichtet, um die Feldbreite 321-2 des primären Lichts 111 entlang der SA 715 zu reduzieren. Dann ist die Feldbreite 321-2 kleiner als die entsprechende Größe 151a-1 der Projektion 151a der reflektierenden Oberfläche 151 des Ablenkspiegels 150. Deshalb ist die Spiegeltransmittivität Tmirror = 1. Primäres Laserlicht 111 geht nicht am Spiegel 150 verloren. Andererseits ist die Divergenz des primären Lichts 111 entlang der SA 715 groß, weil die Feldbreite 321-2 klein ist, siehe Gleichung (1).The scenario of 5 generally corresponds to the scenario of 4 , However, in the scenario the 5 the collimator lens 201 set up to the field width 321-2 of the primary light 111 along the SA 715 to reduce. Then the field width 321-2 smaller than the corresponding size 151a - 1 the projection 151a the reflective surface 151 the deflection mirror 150 , Therefore, the mirror transmissivity T mirror = 1. Primary laser light 111 do not go at the mirror 150 lost. On the other hand, the divergence of the primary light 111 along the SA 715 big, because the field width 321-2 is small, see equation (1).

In 4 und 5 ist eine Aufhängung des Kopplungsspiegels 131 aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt.In 4 and 5 is a suspension of the coupling mirror 131 not shown for the sake of simplicity.

Weiterhin folgt von einem Vergleich der 4 und 5, dass der Kopplungsspiegel 131 in dem Szenario der 5 kleiner dimensioniert werden kann, als in dem Szenario der 4, aufgrund der reduzierten Feldbreite 321-2. Insbesondere kann die Länge 131-2 der entsprechenden Seite des Kopplungsspiegels 131 reduziert werden. Deshalb ist in dem Szenario der 5 die Transmittivität Tsplitter des Strahlteilers 130 größer als für das Szenario der 4, siehe Gleichung (4).Furthermore follows from a comparison of 4 and 5 that the coupling mirror 131 in the scenario of 5 be sized smaller can, as in the scenario of 4 , due to the reduced field width 321-2 , In particular, the length can be 131-2 the corresponding side of the coupling mirror 131 be reduced. That is why in the scenario the 5 the transmissivity T splitter of the beam splitter 130 larger than for the scenario of 4 , see equation (4).

Wie anhand der oben stehenden Diskussion der 4 und 5 verstanden werden kann, gibt es eine Korrelation zwischen (i) Transmittivität des Sendestrahls 121 in Bezug auf den Empfangsstrahl 122 und (ii) Divergenz des primären Lichts 111: es gibt eine allgemeine Tendenz, dass eine größere Transmittivität in einer größeren Divergenz des primären Lichts 111 resultiert. Dies ist in 6 dargestellt.As with the above discussion of 4 and 5 can be understood, there is a correlation between (i) transmissivity of the transmit beam 121 in relation to the receiving beam 122 and (ii) divergence of the primary light 111 There is a general tendency for greater transmittivity in a greater divergence of primary light 111 results. This is in 6 shown.

6 illustriert eine Abhängigkeit der Transmittivität 601-604 T des optischen Systems als Funktion der Divergenz 610. In 6 ist diese Abhängigkeit für verschiedene Größen der reflektierenden Oberfläche 151 des Ablenkspiegels 150 dargestellt. Die Abhängigkeit von 6 wird aus Gleichung (7) erhalten. 6 ist unter der Annahme das Tlosses:=1, das heißt dass keine Verluste aufgrund von Imperfektionen von optischen Elementen als solche auftreten. 6 illustrates a dependence of the transmittivity 601 - 604 T of the optical system as a function of divergence 610 , In 6 this dependence is for different sizes of reflective surface 151 the deflection mirror 150 shown. The dependence on 6 is obtained from equation (7). 6 Assuming T losses : = 1, that is, no losses due to imperfections of optical elements as such.

Als Referenz illustriert 6 die Transmittivität T 609 für einen herkömmlichen Prisma-basierten Strahlteiler. Ein Prisma-basierter Strahlteiler hat typischerweise Tsplitter,ref=0.25. Deshalb stellt die horizontale gestrichelte Linie der Transmittivität 609 eine Referenz eines bestenfalls für ein solches Szenario unter Verwendung eines Prisma-basierten Strahlteilers dar. Die Referenztransmittivität hängt nicht von der Divergenz des primären Lichts 111 ab.Illustrated as reference 6 the transmissivity T 609 for a conventional prism-based beam splitter. A prism-based beam splitter typically has T splitter, ref = 0.25. Therefore, the horizontal dashed line represents the transmittivity 609 a reference of at best for such a scenario using a prism-based beam splitter. The reference transmissivity does not depend on the divergence of the primary light 111 from.

Davon verschieden, wenn ein kommerzielles optisches System gemäß verschiedenen Beispielen verwendet wird, resultieren größere Größen der reflektierenden Oberfläche 151 Asmirror in größeren Transmittivitäten 601-604, weil die Transmittivität des Strahlteilers zunimmt, vergleiche Gleichung (7). Diese Abhängigkeit ist durch den vertikalen gepunkteten Pfeil in 6 hervorgehoben.Other than that, when a commercial optical system according to various examples is used, larger sizes of the reflective surface result 151 A smirror in larger transmissions 601 - 604 because the transmissivity of the beam splitter increases, compare equation (7). This dependence is indicated by the vertical dotted arrow in 6 highlighted.

Als allgemeine Regeln:

  1. (A) Die laterale Auflösung des LIDAR-Bilds kann besser für kleinere Divergenzen sein. Dies liegt daran, dass der Spot des primären Laserlichts eine kleinere Zielfläche des Objekts für kleinere Divergenzen beleuchtet. Deshalb nimmt die Mittelung im Ortsraum für zunehmende Divergenzen zu. Deshalb ist es allgemein erstrebenswert, dass koaxiale optische System auszubilden, so dass dieses links im Plot der 6 liegt.
  2. (B) Eine kleinere Transmittivität resultiert in einem kleineren Signal am Detektor 102. Ein kleineres Signal limitiert die Reichweite, weil immer weniger Photonen des sekundären Laserlichts 112 den Detektor 102 erreichen. Damit wird eine bessere Reichweite der LIDAR-Messungen für größere Transmittivitäten erzielt. Deshalb ist es allgemein erstrebenswert, dass koaxiale optische System auszubilden, so dass dieses oben im Plot der 6 liegt.
As general rules:
  1. (A) The lateral resolution of the LIDAR image may be better for smaller divergences. This is because the spot of the primary laser light illuminates a smaller target area of the object for smaller divergences. Therefore, the averaging in the space increases for increasing divergences. Therefore, it is generally desirable to form coaxial optical systems so that this is left in the plot of the 6 lies.
  2. (B) A smaller transmissivity results in a smaller signal at the detector 102 , A smaller signal limits the range, because fewer and fewer photons of the secondary laser light 112 the detector 102 to reach. This achieves a better range of LIDAR measurements for larger transmissions. Therefore, it is generally desirable to form coaxial optical system so that this is the top of the plot 6 lies.

Aus 6 ist ersichtlich, dass es eine Abwägungssituation zwischen (A) lateraler Auflösung/geringer Divergenz und (B) Reichweite/großer Transmittivität gibt.Out 6 It can be seen that there is a trade-off situation between (A) lateral resolution / low divergence and (B) range / high transmittivity.

Das Regime 671 in 6 korrespondiert mit dem Szenario der 4: wenn die Feldbreite 321-2, wTX,SA zunimmt, geht mehr und mehr primäres Licht 121 am Ablenkspiegel 150 (Pfeile in 4) verloren - daher nimmt die Transmittivität 601-604 ab, vergleiche Gleichung (5) und Gleichung (1). Andererseits, wenn die Feldbreite 321-2, wTX,SA zunimmt, nimmt die Divergenz 610 ab.The regime 671 in 6 corresponds to the scenario of 4 : if the field width 321-2 . w TX, SA increases, more and more primary light goes 121 at the deflecting mirror 150 (Arrows in 4 ) - therefore the transmittivity decreases 601 - 604 compare equation (5) and equation (1). On the other hand, if the field width 321-2 . w TX, SA increases, the divergence decreases 610 from.

Das Regime 673 in 7 korrespondiert mit dem Szenario der 5: wenn die Feldbreite 321-2 zunimmt, nimmt die Divergenz 610 ab; andererseits, wenn die Feldbreite 321-2 zunimmt, wird der Kopplungsspiegel 131 größer und größer und wiederum Tsplitter nimmt ab - siehe Gleichung (7) - und zusammen mit Tsplitter nimmt die Transmittivität ab.The regime 673 in 7 corresponds to the scenario of 5 : if the field width 321-2 increases, the divergence decreases 610 from; on the other hand, if the field width 321 - 2 increases, the coupling mirror becomes 131 larger and larger and again T splitter decreases - see equation (7) - and together with T splitter decreases the transmissivity.

Das Übergangsregime 672 zwischen den Regimen 671 und 672 korrespondiert mit einem Szenario, in dem die Feldbreite 321-2 des primären Lichts 111 entlang der SA 715 ungefähr die Größe der entsprechenden Breite 131-2 hat. In dem Modell der 6 ist das Regime 671 durch eine lineare Änderung der Transmittivität 601-604 mit der Divergenz 610 charakterisiert. Das Regime 673 ist durch eine sub-lineare Änderung der Transmittivität 601-604 mit der Divergenz 610 charakterisiert.The transitional regime 672 between the regimes 671 and 672 corresponds to a scenario in which the field width 321-2 of the primary light 111 along the SA 715 about the size of the corresponding width 131-2 Has. In the model of 6 is the regime 671 by a linear change in the transmissivity 601 - 604 with the divergence 610 characterized. The regime 673 is due to a sub-linear change in the transmissivity 601 - 604 with the divergence 610 characterized.

Das Übergangsregime 672 ist ein Sweet Spot der Abwägesituation zwischen (A) lateraler Auflösung/geringer Divergenz und (B) Reichweite/großer Transmittivität. Dies liegt daran, dass eine weitere Zunahme in (B) Reichweite/großer Transmittivität einhergeht mit erhöhten Kosten im Zusammenhang mit einer über die Maßen erhöhten Divergenz, das heißt einer über die Maßen reduzierten lateralen Auflösung. Gleichzeitig reduziert eine weitere (A) Reduktion der Divergenz, das heißt eine weitere Zunahme in der Ortsraumauflösung, die (B) Transmittivität und damit die Reichweite stark.The transitional regime 672 is a sweet spot of the weighing situation between (A) lateral resolution / low divergence and (B) range / high transmittivity. This is because a further increase in (B) range / large transmissivity is associated with increased costs associated with excessively increased divergence, that is, excessively reduced lateral resolution. At the same time, a further (A) reduction of the divergence, that is to say a further increase in the spatial resolution, greatly reduces the (B) transmittivity and thus the range.

Deshalb können als allgemeine Regel die Kollimation des primären Lichts 111 und die Größe des Ablenkspiegels 150 im Übergangsregime 672 gesetzt werden, zwischen einer linearen und einer sub-linearen Abhängigkeit der Transmittivität 601-604 von der Divergenz 610.Therefore, as a general rule, the collimation of the primary light 111 and the size of the deflection mirror 150 in the transitional regime 672 between a linear and a sub-linear dependence of the transmittivity 601 - 604 from the divergence 610 ,

Als weitere allgemeine Regel kann die SA-Feldbreite 321-2, wTX,SA des primären Lichts 111 gerade vor/stromaufwärts des Spiegels 150 nicht kleiner als 90% der entsprechenden Breite 158 der reflektierenden Oberfläche 151 senkrecht zu der OA 199, das heißt der Projektion 151a sein. Außerdem kann die SA-Feldbreite 321-2 des primären Lichts 111 gerade vor/stromaufwärts des Spiegels 150 nicht größer als 120% der entsprechenden Breite 158 der reflektierenden Oberfläche 151 senkrecht zu der OA 199 sein, um exzessiven Verlust von primärem Licht 111 (reduzierte Transmittivität gemäß Gleichung (5)), der nicht einfach durch die in der Sendeleistung limitierte Laserdiode 101 kompensiert werden kann, zu vermeiden. As another general rule, the SA -Feldbreite 321-2 . w TX, SA of the primary light 111 just before / upstream of the mirror 150 not smaller than 90% of the corresponding width 158 the reflective surface 151 perpendicular to the OA 199 that is the projection 151a his. In addition, the SA -Feldbreite 321-2 of the primary light 111 just before / upstream of the mirror 150 not greater than 120% of the corresponding width 158 the reflective surface 151 perpendicular to the OA 199 to be excessive loss of primary light 111 (reduced transmissivity according to equation (5)), which is not simply due to the limited in the transmission power laser diode 101 can be compensated to avoid.

Über solche allgemeinen Regeln für die relative Dimensionierung der verschiedenen Teile des optischen Systems des Scansystems 100 hinaus gehend, ist es auch möglich, quantitative Lehren aus 6 abzuleiten. Insbesondere, wie bereits obenstehend erwähnt, ist es für resonant angetriebene Ablenkspiegel 150 häufig hilfreich, die Masse des Ablenkspiegels 150 zu limitieren. Im Detail, wenn die Masse des Ablenkspiegels 150 zunimmt, nimmt eine Resonanzfrequenz der entsprechenden Bewegung ab. Andererseits wurde beobachtet, dass Resonanzfrequenzen unterhalb beispielsweise 60 Hz oder 80 Hz die Erfordernisse für bestimmte Anwendungsszenarien nicht erfüllen können, beinhaltend Automotive-Anwendungsszenarien. Dies liegt an einer reduzierten Wiederholrate von LIDAR-Bildern, sowie einer erhöhten Suszeptibilität für Schock.About such general rules for the relative sizing of the different parts of the optical system of the scanning system 100 Going out, it is also possible to make quantitative lessons 6 derive. In particular, as already mentioned above, it is for resonantly driven deflection mirrors 150 Often helpful, the mass of the deflecting mirror 150 to limit. In detail, when the mass of the deflecting mirror 150 increases, a resonant frequency of the corresponding movement decreases. On the other hand, it has been observed that resonant frequencies below, for example, 60 Hz or 80 Hz can not meet the requirements for certain application scenarios, including automotive application scenarios. This is due to a reduced repetition rate of LIDAR images, as well as increased susceptibility to shock.

Eine typische Implementierung des Ablenkspiegels 150 basiert auf mikroelektromechanischen (MEMS) Fertigungstechniken. Zum Beispiel kann ein Material des Ablenkspiegels 150 Silizium sein, zum Beispiel einkristallines Silizium. Zum Beispiel kann Lithographie und Nassätzen und/oder Trockenätzen, zum Beispiel reaktives Ionenstrahlätzen zur Fertigung des Ablenkspiegels 150 eingesetzt werden. Auf einer Spiegelrückseite können manchmal Flossen und Kavitäten bereitgestellt werden, um eine reduzierte Masse bei einer großen strukturellen Steifigkeit bereitzustellen; dies wird manchmal als Rückseitenverstärkung bezeichnet. Dann wurde innerhalb eines solchen Ansatzes der MEMS-Fertigung des Ablenkspiegels 150 beobachtet, dass reflektierende Oberflächen 151 des Ablenkspiegels 150, die größer als beispielsweise 220 mm2 sind, in einer Resonanzfrequenz resultieren, die unter zum Beispiel 60 Hz bis 80 Hz fällt. Andererseits folgt aus 6, dass Flächen der reflektierenden Oberfläche 151 des Ablenkspiegels 150 die signifikant kleiner als 180 mm2 sind, die Divergenz notwendigerweise oberhalb von 0,15° resultieren. Bei spezifizierten Reichweiten von LIDAR-Messungen von 150 m bis 250 m sind Divergenzen oberhalb von 0,15° typischerweise inakzeptabel in Bezug auf die reduzierte laterale Auflösung bei diesen Reichweiten. Deshalb folgt aus 6, dass es in einem koaxialen optischen System unter Verwendung eines reibungsfreien, resonant getriebenen Ablenkspiegels es erstrebenswert ist, eine reflektierende Oberfläche 151 zu implementieren, die eine Größe im Bereich von 180 mm2 bis 220 mm2 aufweist (es wird angemerkt, dass die Projektion 151a der reflektierenden Oberfläche 151 in die Ebene senkrecht zu der OA des optischen Systems kleiner sein kann). Außerdem kann die Divergenz im Bereich von 0,09° bis 0,15° liegen. Kleinere Divergenzen können nicht erstrebenswert sein, aufgrund der reduzierten Transmittivität. Außerdem können kleinere Divergenzen auch nicht benötigt werden, aufgrund des inhärent Reichweiten-limitierten Designs der LIDAR-Messungen bei ungefähr 150 m bis 250 m, was einer Spotbreite von ungefähr 43 cm bei 250 m für eine Divergenz von 0,10° entlang der SA 715 entspricht. Die Transmittivität kann im Bereich von 0,7 bis 0,85 bei Tlosses:=1 sein, wie in 6 dargestellt. Wenn angenommen wird, dass die Verluste aufgrund von Imperfektionen Tlosses ≈ 0,57 betragen, dann kann angenommen werden, dass die Transmittivität nicht kleiner als T=0,4 ist. Dies ist immer noch signifikant größer als die Referenztransmittivität 609 Tsplitter,ref= 0,25.A typical implementation of the deflection mirror 150 based on microelectromechanical (MEMS) manufacturing techniques. For example, a material of the deflecting mirror 150 Be silicon, for example, single-crystal silicon. For example, lithography and wet etching and / or dry etching, for example, reactive ion beam etching for fabricating the deflection mirror 150 be used. On a mirror backside, fins and cavities can sometimes be provided to provide a reduced mass with great structural rigidity; this is sometimes referred to as backside reinforcement. Then, within such an approach, the MEMS fabrication of the deflection mirror became 150 observed that reflective surfaces 151 the deflection mirror 150 greater than, for example, 220 mm 2 , result in a resonant frequency falling below, for example, 60 Hz to 80 Hz. On the other hand follows 6 in that surfaces of the reflective surface 151 the deflection mirror 150 which are significantly smaller than 180 mm 2 , the divergence necessarily results above 0.15 °. At specified ranges of LIDAR measurements from 150 m to 250 m, divergences above 0.15 ° are typically unacceptable with respect to the reduced lateral resolution at these ranges. Therefore follows out 6 in that, in a coaxial optical system using a frictionless, resonantly driven deflection mirror, it is desirable to have a reflective surface 151 to implement, which has a size in the range of 180 mm 2 to 220 mm 2 (it is noted that the projection 151a the reflective surface 151 may be smaller in the plane perpendicular to the OA of the optical system). In addition, the divergence may be in the range of 0.09 ° to 0.15 °. Smaller divergences can not be desirable because of the reduced transmissivity. Also, minor divergences may not be needed due to the inherently limited range design of the LIDAR measurements at approximately 150 m to 250 m, which corresponds to a spot width of approximately 43 cm at 250 m for a divergence of 0.10 ° along the SA 715 equivalent. The transmissivity can range from 0.7 to 0.85 at T losses : = 1, as in 6 shown. Assuming that the losses due to imperfections are T losses ≈ 0.57, then it can be assumed that the transmissivity is not less than T = 0.4. This is still significantly greater than the reference transmittance 609 T splitter, ref = 0.25.

Wie erkannt werden wird, wurden obenstehend in Bezug auf 4 - 6 primär Begrenzungen des koaxialen optischen Systems in Bezug auf die SA 715 diskutiert. Zum Beispiel kann die Feldbreite 321-1 des primären Lichts 111 entlang der FA 716 viel kleiner sein, als die Feldbreite 321-2 des primären Lichts 112 entlang der SA 716, beim Kopplungsspiegel 131 und beim Ablenkspiegel 150. Insbesondere kann, wie in 4 und 5 illustriert, die Feldbreite 321-1 des primären Lichts 111 entlang der FA 716 kleiner als 50% der entsprechenden Breite 159 der Projektion 151a der reflektiven Oberfläche 151 des Ablenkspiegels 150 in die Ebene senkrecht zu der OA 199 sein. Typischerweise ist die Qualität des Laserlichts, dass durch die Laserdiode 101 entlang der FA 716 emittiert wird, viel besser als die Qualität des Laserlichts, dass durch die Laserdiode 101 entlang der SA 715 emittiert wird. cFA << cSA, siehe Gleichungen (1) und (2). Deshalb ist es möglich, die Feldbreite 321-1 des primären Lichts 111 entlang der FA 716 zu begrenzen, während die geringe Divergenz des primären Lichts 111 entlang der FA 716 beibehalten wird. Eine Kollimatorlinse zum Kollimieren der FA 716 kann innerhalb des Gehäuses der Laserdiode 111 integriert sein.As will be appreciated, with reference to FIG 4 - 6 primarily limitations of the coaxial optical system with respect to SA 715 discussed. For example, the field width 321-1 of the primary light 111 along the FA 716 be much smaller than the field width 321-2 of the primary light 112 along the SA 716 , at the coupling mirror 131 and at the deflecting mirror 150 , In particular, as in 4 and 5 Illustrates the field width 321-1 of the primary light 111 along the FA 716 less than 50% of the corresponding width 159 the projection 151a the reflective surface 151 the deflection mirror 150 in the plane perpendicular to the OA 199 his. Typically, the quality of the laser light is that through the laser diode 101 along the FA 716 is emitted much better than the quality of the laser light that passes through the laser diode 101 along the SA 715 is emitted. c FA << c SA , see equations (1) and (2). That is why it is possible to change the field width 321-1 of the primary light 111 along the FA 716 limit, while the low divergence of the primary light 111 along the FA 716 is maintained. A collimator lens for collimating the FA 716 can be inside the housing of the laser diode 111 be integrated.

Das koaxiale optische System des Scansystems 100 gemäß dem Beispiel der 2 ist nur eine beispielhafte Implementierung. Andere Konfigurationen des koaxialen optischen Systems sind vorstellbar. Eine weitere beispielhafte Implementierung des optischen Systems des Scansystems 100 ist im Zusammenhang mit 7 illustriert. Auch für das optische System, welches in 7 illustriert ist, oder andere Implementierung des koaxialen optischen Systems, können die Techniken, die allgemein in Bezug auf 3 - 6 beschrieben sind, sofort angewendet werden.The coaxial optical system of the scanning system 100 according to the example of 2 is just an example implementation. Other configurations of the coaxial optical system are conceivable. Another exemplary implementation of the optical system of the scanning system 100 is related to 7 illustrated. Also for that optical system, which in 7 is illustrated, or other implementation of the coaxial optical system, the techniques that are generally related to 3 - 6 described are applied immediately.

7 illustriert Aspekte in Bezug auf das Scansystem 100. 7 ist eine Ray-Tracing schematische Abbildung des optischen Systems des Scansystems 100, insbesondere des Sendestrahls 121 und des Empfangsstrahls 122. 7 illustriert eine FA 716 des primären Laserlichts 121 (die SA ist nicht dargestellt). 7 illustrates aspects related to the scanning system 100 , 7 is a ray tracing schematic of the optical system of the scanning system 100 , in particular the transmission beam 121 and the receiving beam 122 , 7 illustrates one FA 716 of the primary laser light 121 (the SA is not shown).

Das Szenario der 7 korrespondiert generell mit dem Szenario der 2. Beispielsweise illustriert auch das Szenario der 7 ein koaxiales optisches System.The scenario of 7 generally corresponds to the scenario of 2 , For example, the scenario illustrates the 7 a coaxial optical system.

Im Beispiel der 7 ist der Strahlteiler 130 zwischen der Detektorlinse 252 und dem Detektor 102 angeordnet (während im Beispiel der 2 die Detektorlinse 252 zwischen dem Strahlteiler 130 und dem Detektor 102 angeordnet ist).In the example of 7 is the beam splitter 130 between the detector lens 252 and the detector 102 arranged (while in the example of the 2 the detector lens 252 between the beam splitter 130 and the detector 102 is arranged).

Eine solche Anordnung des Strahlteilers 130, wie sie in 7 dargestellt ist, hat verschiedene Effekte. Beispielsweise kann es möglich sein, die Laserdiode 101 und den Detektor 102 in ein gemeinsames Gehäuse zu integrieren. Dadurch kann die Robustheit gegen Umwelteinflüsse wie beispielsweise Feuchtigkeit etc. erhöht werden. Außerdem kann ein Packaging mit einer reduzierten Abmessung erzielt werden.Such an arrangement of the beam splitter 130 as they are in 7 has different effects. For example, it may be possible to use the laser diode 101 and the detector 102 to integrate into a common housing. As a result, the robustness against environmental influences such as moisture etc. can be increased. In addition, packaging with a reduced dimension can be achieved.

Im Szenario der 7 ist eine Linse 702 illustriert. Die Linse 702 wirkt auf die SA 715 des primären Lichts 111 und wirkt nicht oder wirkt nicht signifikant auf die FA 716 des primären Lichts 111. Die Linse 702 kollimiert nicht die SA 715 des primären Lichts 111. Vielmehr ist die Linse 702 in einer ersten Implementierung eingerichtet, um eine Strahlbreite des primären Lichts 111 entlang der SA 715 hin zum Strahlteiler 130 zu reduzieren; während in einer zweiten Implementierung die Linse 702 eingerichtet ist, um eine Strahlbreite des primären Lichts 111 entlang der SA 715 hin zum Strahlteiler aufzuweiten.In the scenario of 7 is a lens 702 illustrated. The Lens 702 acts on the SA 715 of the primary light 111 and does not work or does not significantly affect the FA 716 of the primary light 111 , The Lens 702 does not collapse the SA 715 of the primary light 111 , Rather, the lens 702 in a first implementation, set a beam width of the primary light 111 along the SA 715 towards the beam splitter 130 to reduce; while in a second implementation the lens 702 is set to a beam width of the primary light 111 along the SA 715 expand to the beam splitter.

Das primäre Licht 111, welches in die Linse 702 eintritt, muss nicht kollimiert sein, es kann divergent sein, zum Beispiel zumindest entlang der SA 715.The primary light 111 which is in the lens 702 must not be collimated, it may be divergent, for example at least along the SA 715 ,

In Erwägung eines Szenarios, in welchem die Feldbreite 321-2 des primären Lichts 111 hin zum Kopplungsspiegel 131 des Strahlteilers 130 abnimmt. Zum Beispiel wäre es möglich, dass der Kopplungsspiegel 131 in einer Bildebene der Linse 702 angeordnet ist - während die Laserdiode 101 in einer Objektebene der Linse 702 angeordnet ist. Dann kann die entsprechende Breite 131-2 des Kopplungsspiegels entlang der SA 715 reduziert werden, zusammen mit einer reduzierten Feldbreite 321-2 des primären Lichts 111. Dies wiederum erhöht die Transmittivität des optischen Systems T der Scaneinheit 100, weil die Strahlteilertransmittivität Tsplitter erhöht wird, vergleiche Gleichung (6). Insbesondere kann die Transmittivität 601-604 über die Abhängigkeiten, wie sie in 6 dargestellt sind, hinaus erhöht werden.Considering a scenario in which the field width 321 - 2 of the primary light 111 towards the coupling mirror 131 of the beam splitter 130 decreases. For example, it would be possible for the coupling mirror 131 in an image plane of the lens 702 is arranged - while the laser diode 101 in an object plane of the lens 702 is arranged. Then the appropriate width 131-2 of the coupling mirror along the SA 715 be reduced, along with a reduced field width 321 - 2 of the primary light 111 , This in turn increases the transmissivity of the optical system T of the scanning unit 100 because the beam splitter transmissivity T splitter is increased, see equation (6). In particular, the transmissivity 601 - 604 about the dependencies, as in 6 are increased beyond.

Um hoch divergentes primäres Licht 111 entlang der SA 715, welches die Scaneinheit 100 hin zur Umgebung 190 beim Ablenkspiegel 150 verlässt, zu vermeiden, ist die Kollimatorlinse 201 für die SA 715 im Sendestrahl 121 hinter dem Strahlteiler 130 angeordnet, das heißt die Kollimatorlinse 201 ist im Überlappabschnitt 125 angeordnet.To highly divergent primary light 111 along the SA 715 which the scan unit 100 towards the environment 190 at the deflecting mirror 150 leaves to avoid is the collimator lens 201 for the SA 715 in the transmission beam 121 behind the beam splitter 130 arranged, that is, the collimator lens 201 is in the overlap section 125 arranged.

Generell wäre es möglich, die Kollimatorlinse 201 und die Detektorlinse 252 separat zu implementieren. Jedoch sind im Beispiel der 7 die Kollimatorlinse 201 und die Detektorlinse 252 in einen gemeinsamen Multifokus-Linsenkörper 800 (vergleiche 9) integriert, der in einer ersten Region 801 eine Fokuslänge zum Fokussieren des sekundären Lichts 112 auf den Detektor 102 bereitstellt und in einer zweiten Region 802 Kollimation des primären Lichts 111 (vergleiche 8) bereitstellt. Der Multifokus-Linsenkörper 800 kann in Regionen 801 und 802 segmentiert sein. Die Region 801 umgibt die Region 802. Wie erkannt werden wird, wird sekundäres Licht 112, das auf die Region 802 einfällt, in jedem Fall verloren gehen aufgrund von Reflektion am Kopplungsspiegel 131. Deshalb beeinflusst das Bereitstellen der Kollimatorlinse 201 im Überlappabschnitt 125 für sich genommen die Transmittivität des Sendestrahls 121 in Bezug auf den Empfangsstrahl 122 nicht signifikant. Indem die Linsen 201, 252 in den gemeinsamen Linsenkörper 800 integriert werden, kann ein besonders kompaktes Design des optischen Systems erreicht werden.Generally it would be possible to use the collimator lens 201 and the detector lens 252 to implement separately. However, in the example of 7 the collimator lens 201 and the detector lens 252 into a common multifocal lens body 800 (see 9 ) integrated in a first region 801 a focal length for focusing the secondary light 112 on the detector 102 and in a second region 802 Collimation of the primary light 111 (see 8th ). The multifocus lens body 800 can in regions 801 and 802 be segmented. The region 801 surrounds the region 802 , As will be appreciated, secondary light becomes 112 that is on the region 802 is lost, in any case lost due to reflection at the coupling mirror 131 , Therefore, providing the collimator lens affects 201 in the overlap section 125 taken individually, the transmissivity of the transmission beam 121 in relation to the receiving beam 122 not significant. By the lenses 201 . 252 in the common lens body 800 can be integrated, a particularly compact design of the optical system can be achieved.

Weiterhin kann, durch Bereitstellen der Linse 702, die Divergenz des primären Lichts 111 entlang der SA 715 erhöht werden. Deshalb kann die Distanz zwischen der Laserdiode 101 und der Kollimatorlinse 201 reduziert werden. Eine reduzierte Distanz zwischen der Laserdiode 101 und der Kollimatorlinse 201 ermöglicht wiederum eine kürzere Fokuslänge der Detektorlinse 252. Dies ermöglicht wiederum geringe Abmessungen des koaxialen optischen Systems. Zum Beispiel kann das koaxiale optische System in ein kleineres Gehäuse integriert werden.Furthermore, by providing the lens 702 , the divergence of the primary light 111 along the SA 715 increase. Therefore, the distance between the laser diode 101 and the collimator lens 201 be reduced. A reduced distance between the laser diode 101 and the collimator lens 201 in turn allows a shorter focal length of the detector lens 252 , This in turn allows for small dimensions of the coaxial optical system. For example, the coaxial optical system can be integrated into a smaller housing.

Ein vergleichbarer Effekt kann auch erzielt werden, wenn die Linse 702 das primäre Licht 111 direkt aufweitet, das heißt wenn die SA Feldbreite 321-2 des primären Lichts direkt aufgeweitet wird. Dies kann einer virtuellen Bildebene entsprechen. Hier kann die Distanz zwischen der Linse 702 und der virtuellen Bildebene mindestens 20% der Distanz zwischen der Linse 702 und der Kollimatorlinse 201 betragen, um eine genügend große Aufweitung der SA Feldbreite 321-2 zu erreichen.A comparable effect can also be achieved when the lens 702 the primary light 111 directly widened, that is when the SA field width 321-2 of the primary light is widened directly. This can correspond to a virtual image plane. Here is the distance between the lens 702 and the virtual image plane at least 20% of the distance between the lens 702 and the collimator lens 201 amount to a sufficiently large expansion of the SA field width 321-2 to reach.

Weiterhin wurden als allgemeine Regel obenstehend Szenarien beschrieben, in denen die Linse 702 selektiv auf das primäre Licht 111 entlang der SA 715 einwirkt. Jedoch wäre es in anderen Beispielen auch möglich, dass die Linse 702 auf die FA 716 einwirkt, zusätzlich oder alternativ zu der SA 715.Furthermore, as a general rule above scenarios have been described in which the lens 702 selective to the primary light 111 along the SA 715 acts. However, in other examples it would also be possible to use the lens 702 on the FA 716 acts, in addition or alternatively to the SA 715 ,

Zusammenfassend wurden obenstehend Techniken beschrieben, die die Implementierung einer augensicherheitskonformen LIDAR-Sensoreinheit ermöglichen, die ein Scansystem beinhaltet, welches ein koaxiales optisches System implementiert. Ein resonant getriebener Ablenkspiegel wird eingesetzt.In summary, techniques have been described above that enable the implementation of an eye safety compliant LIDAR sensor unit that incorporates a scanning system that implements a coaxial optical system. A resonantly driven deflection mirror is used.

Zusammenfassend wurden die folgenden Beispiele obenstehend beschrieben:

  • Beispiel 1. Scansystem (100), welches umfasst:
    • - einen Ablenkspiegel (150) mit einer reflektierenden Oberfläche (151),
    • - eine elastische Aufhängung (902) des Ablenkspiegels (150),
    • - einen Aktuator (901), der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung (902) resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, welches durch den Ablenkspiegel (150) und die elastische Aufhängung (902) ausgebildet ist, zu aktuieren,
    • - einen Laser (101), der eingerichtet ist, um primäres Licht (111) entlang eines Sendestrahls (121) zu emittieren, und
    • - einen Detektor (102), der eingerichtet ist, um sekundäres Licht (112) entlang eines Empfangsstrahls (122) zu detektieren, wobei der Sendestrahl (121) und der Empfangsstrahl (122) entlang eines Überlappabschnitts (125) ausgerichtet sind, wobei der Überlappabschnitt (125) die reflektierende Oberfläche (151) des Ablenkspiegels (150) umfasst,
    wobei eine Größe (158, 159) der reflektierenden Oberfläche (151) des Ablenkspiegels (150) im Bereich von 120 mm2 bis 230 mm2 ist, optional im Bereich von 180 mm2 bis 220 mm2 ist, und wobei eine Divergenz (610) von mindestens einer Achse des primären Lichts (111) entlang des Überlappabschnitts (125) im Bereich von 0,09° bis 0,15° beim Ablenkspiegel (150) ist.
  • Beispiel 2. Das Scansystem (100) nach Beispiel 1, welches weiterhin umfasst:
    • wobei eine Transmittivität (601-604) des primären Lichts (111) beim Sendestrahl (121) stromaufwärts des Überlappabschnitts (125) in Bezug auf das sekundäre Licht (112) beim entsprechenden Strahl (122) stromabwärts des Überlappabschnitts (125) nicht geringer als 0,40 ist.
  • Beispiel 3. Scansystem (100), welches umfasst
    • - einen Ablenkspiegel (150) mit einer reflektierenden Oberfläche (151),
    • - eine elastische Aufhängung (902) des Ablenkspiegels (150),
    • - einen Aktuator (901), der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung (902) resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, welches durch den Ablenkspiegel (150) und die elastische Aufhängung (902) ausgebildet ist, zu aktuieren,
    • - einen Laser (101), der eingerichtet ist, um primäres Licht (111) entlang eines Sendestrahls (121) zu emittieren, und
    • - einen Detektor (102), der eingerichtet ist, um sekundäres Licht (112) entlang eines Empfangsstrahls (122) zu detektieren, wobei der Sendestrahl (121) und der Empfangsstrahl (122) entlang eines Überlappabschnitts (125) ausgerichtet sind, wobei der Überlappabschnitt (125) die reflektierende Oberfläche (151) des Ablenkspiegels (150) umfasst,
    wobei das primäre Licht (111) eine schnelle Achse (716) und eine langsame Achse (715) hat, wobei die schnelle Achse (716) eine größere Divergenz (610) als die langsame Achse (715) hat, wobei eine Feldbreite (321-2) der langsamen Achse des primären Lichts (111) entlang der langsamen Achse (715) nicht kleiner als 90% einer entsprechenden Breite (151a, 158) des Ablenkspiegels (150) senkrecht zu einer optischen Achse (199) des Sendestrahls (121) ist.
  • Beispiel 4. Scansystem (100) nach Beispiel 3, wobei die Feldbreite (321-2) der langsamen Achse des primären Lichts (111) nicht größer als 120% der entsprechenden Breite (151a, 158) des Ablenkspiegel (150) senkrecht zur optischen Achse (199) des Sendestrahls (121) ist.
  • Beispiel 5. Scansystem (100) nach Beispiel 3 oder 4, wobei eine Feldbreite (321-1) der schnellen Achse des primären Lichts (111) entlang der schnellen Achse (716) nicht größer als 50% einer entsprechenden Breite (151a, 159) des Ablenkspiegels (150) senkrecht zu einer optischen Achse (199) des Sendestrahls (121) ist.
  • Beispiel 6. Scansystem (100), welches umfasst:
    • - einen Ablenkspiegel (150) mit einer reflektierenden Oberfläche (151),
    • - eine elastische Aufhängung (902) des Ablenkspiegels (150),
    • - einen Aktuator (901), der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung (902) resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, welches durch den Ablenkspiegel (150) und die elastische Aufhängung (902) ausgebildet ist, zu aktuieren,
    • - einen Laser (101), der eingerichtet ist, um primäres Licht (111) entlang eines Sendestrahls (121) zu emittieren,
    • - einen Detektor (102), der eingerichtet ist, um sekundäres Licht (112) entlang eines Empfangsstrahls (122) zu detektieren, wobei der Sendestrahl (121) und der Empfangsstrahl (122) entlang eines Überlappabschnitts (125) ausgerichtet sind, wobei der Überlappabschnitt (125) die reflektierende Oberfläche (151) des Ablenkspiegels (150) umfasst, und
    • - eine Kollimatorlinse (201) die eingerichtet ist, um mindestens eine Achse (715, 716) des primären Lichts (111) zu kollimieren,
    wobei die Kollimatorlinse (201) in dem Überlappabschnitt (125) angeordnet ist.
  • Beispiel 7. Scansystem (100) nach Beispiel 6, welches weiterhin umfasst:
    • - einen Strahlteiler (130), der einen Kopplungsspiegel (131) mit einer Reflektivität von mindestens 86% umfasst, und der eingerichtet ist, um den Sendestrahl (121) und den Empfangsstrahl (122) an einem Ende des Überlappabschnitts (125) aufzuspalten, und
    • - eine Linse (702), die im Sendestrahl (121) zwischen dem Laser (101) und dem Strahlteiler (130) angeordnet ist,
    wobei die Linse (702) eingerichtet ist, um eine Feldbreite (321-2) des primären Lichts (111) entlang mindestens einer Achse (715, 716) des primären Lichts (111) hin zum Strahlteiler (130) zu verengen oder aufzuweiten.
  • Beispiel 8. Scansystem (100) nach Beispiel 6 oder 7, welches weiterhin umfasst:
    • - eine Detektorlinse (252), die eingerichtet ist, um das sekundäre Licht (112) auf den Detektor (102) zu fokussieren,
    wobei die Kollimatorlinse und die Detektorlinse (252) in einen Multifokussegmentierten (801, 802) Linsenkörper (800) integriert sind.
  • Beispiel 9. Scansystem (100) nach Beispielen 7 und 8, wobei der Kopplungsspiegel (131) zwischen der Detektorlinse (252) und den Detektor (102) angeordnet ist.
  • Beispiel 10. Scansystem (100), welches umfasst:
    • - einen Ablenkspiegel (150) mit einer reflektierenden Oberfläche (151),
    • - eine elastische Aufhängung (902) des Ablenkspiegels (150),
    • - einen Aktuator (901), der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung (902) resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, welches durch den Ablenkspiegel (150) und die elastische Aufhängung (902) ausgebildet ist, zu aktuieren,
    • - einen Laser (101), der eingerichtet ist, um primäres Licht (111) entlang eines Sendestrahls (121) zu emittieren,
    • - eine Detektorlinse (252),
    • - einen Detektor (102), der in einer Fokusebene der Detektorlinse (252) angeordnet ist, und der eingerichtet ist, um sekundäres Licht (112) entlang eines Empfangsstrahls (122) zu detektieren, wobei der Sendestrahl (121) und der Empfangsstrahl (122) entlang eines Überlappabschnitts (125) ausgerichtet sind, wobei der Überlappabschnitt (125) die reflektierende Oberfläche (151) des Ablenkspiegels (150) umfasst, und
    • - einen Strahlteiler (130) der einen Kopplungsspiegel (131) mit einer Reflektivität von mindestens 86% umfasst, und der eingerichtet ist, um den Sendestrahl (121) und den Empfangsstrahl (122) an einem Ende des Überlappabschnitts (125) aufzuspalten,
    wobei der Kopplungsspiegel (131) zwischen der Detektorlinse (252) und dem Detektor (102) angeordnet ist.
  • Beispiel 11. Scansystem (100) nach einem der voranstehenden Beispiele, wobei der Laser (101) durch eine großflächige Laserdiode mit einer asymmetrischen aktiven Fläche, die eine schnelle Achse (716) des primären Lichts (111) und eine langsame Achse (715) des primären Lichts. (111) definiert, implementiert ist.
  • Beispiel 12. Scansystem (100) nach Beispiel 12, wobei die großflächige Laserdiode bei einer Sendeleistung innerhalb von 20% des thermischen Abbruchpunkts betrieben wird, wenn das primäre Licht (111) emittiert wird.
  • Beispiel 13. Scansystem (100) gemäß einem der voranstehenden Beispiele, wobei der Sendestrahl (121) und Empfangsstrahl (122) ein Pre-Scanner-koaxiales optisches System mit koaxialen optischen Achsen (199) des Sendestrahls (121) und des Empfangsstrahls (122) implementieren.
  • Beispiel 14. Scansystem (100) gemäß einem der voranstehenden Beispiele, wobei der Aktuator (901) eingerichtet ist, um die resonante Bewegung bei Frequenzen im Bereich von 60 Hz bis 500 Hz zu aktuieren.
  • Beispiel 15. Scansystem (100) gemäß einem der voranstehenden Beispiele, wobei eine Detektorapertur des Empfangsstrahls und eine Sendeapertur des Sendestrahls beide durch den Ablenkspiegel (150) implementiert werden.
  • Beispiel 16. Scansystem (100) gemäß einem der voranstehenden Beispiele, wobei der Laser (101) und der Detektor (102) in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.
In summary, the following examples have been described above:
  • Example 1. Scanning system ( 100 ), which comprises:
    • - a deflecting mirror ( 150 ) with a reflective surface ( 151 )
    • - an elastic suspension ( 902 ) of the deflection mirror ( 150 )
    • an actuator ( 901 ) which is adapted to be deformed by means of elastic deformation of the elastic suspension ( 902 ) resonant motion of a mass-spring system, which by the deflection mirror ( 150 ) and the elastic suspension ( 902 ) is designed to actuate
    • a laser ( 101 ), which is set up to receive primary light ( 111 ) along a transmission beam ( 121 ) to emit, and
    • a detector ( 102 ), which is adapted to secondary light ( 112 ) along a receive beam ( 122 ) to detect where the transmit beam ( 121 ) and the receiving beam ( 122 ) along an overlap section ( 125 ), wherein the overlapping section ( 125 ) the reflective surface ( 151 ) of the deflection mirror ( 150 ),
    where one size ( 158 . 159 ) of the reflective surface ( 151 ) of the deflection mirror ( 150 ) is in the range of 120 mm 2 to 230 mm 2 , optionally in the range of 180 mm 2 to 220 mm 2 , and wherein a divergence ( 610 ) of at least one axis of the primary light ( 111 ) along the overlap section ( 125 ) in the range of 0.09 ° to 0.15 ° at the deflection mirror ( 150 ).
  • Example 2. The scan system ( 100 ) according to Example 1, which further comprises:
    • where a transmissivity ( 601 - 604 ) of the primary light ( 111 ) at the transmission beam ( 121 ) upstream of the overlap section ( 125 ) with respect to the secondary light ( 112 ) at the corresponding beam ( 122 ) downstream of the overlap section ( 125 ) is not less than 0.40.
  • Example 3. Scanning system ( 100 ), which includes
    • a deflecting mirror ( 150 ) with a reflective surface ( 151 )
    • - an elastic suspension ( 902 ) of the deflection mirror ( 150 )
    • an actuator ( 901 ) which is adapted to be deformed by means of elastic deformation of the elastic suspension ( 902 ) resonant motion of a mass-spring system, which by the deflection mirror ( 150 ) and the elastic suspension ( 902 ) is designed to actuate
    • a laser ( 101 ), which is set up to receive primary light ( 111 ) along a transmission beam ( 121 ) to emit, and
    • a detector ( 102 ), which is adapted to secondary light ( 112 ) along a receive beam ( 122 ), the transmit beam ( 121 ) and the receiving beam ( 122 ) along an overlap section ( 125 ), wherein the overlapping section ( 125 ) the reflective surface ( 151 ) of the deflection mirror ( 150 ),
    where the primary light ( 111 ) a fast axis ( 716 ) and a slow axis ( 715 ), where the fast axis ( 716 ) a greater divergence ( 610 ) as the slow axis ( 715 ), where one field width ( 321-2 ) of the slow axis of the primary light ( 111 ) along the slow axis ( 715 ) not less than 90% of a corresponding width ( 151a . 158 ) of the deflection mirror ( 150 ) perpendicular to an optical axis ( 199 ) of the transmission beam ( 121 ).
  • Example 4. Scanning system ( 100 ) according to Example 3, wherein the field width ( 321-2 ) of the slow axis of the primary light ( 111 ) not greater than 120% of the corresponding width ( 151a . 158 ) of the deflecting mirror ( 150 ) perpendicular to the optical axis ( 199 ) of the transmission beam ( 121 ).
  • Example 5. Scanning system ( 100 ) according to example 3 or 4, wherein one field width ( 321-1 ) of the fast axis of the primary light ( 111 ) along the fast axis ( 716 ) not greater than 50% of a corresponding width ( 151a . 159 ) of the deflection mirror ( 150 ) perpendicular to an optical axis ( 199 ) of the transmission beam ( 121 ).
  • Example 6. Scanning system ( 100 ), which comprises:
    • a deflecting mirror ( 150 ) with a reflective surface ( 151 )
    • - an elastic suspension ( 902 ) of the deflection mirror ( 150 )
    • an actuator ( 901 ) which is adapted to be deformed by means of elastic deformation of the elastic suspension ( 902 ) resonant motion of a mass-spring system, which by the deflection mirror ( 150 ) and the elastic suspension ( 902 ) is designed to actuate
    • a laser ( 101 ), which is set up to receive primary light ( 111 ) along a transmission beam ( 121 ) to emit,
    • a detector ( 102 ), which is adapted to secondary light ( 112 ) along a receive beam ( 122 ), the transmit beam ( 121 ) and the receiving beam ( 122 ) along an overlap section ( 125 ), wherein the overlapping section ( 125 ) the reflective surface ( 151 ) of the deflection mirror ( 150 ), and
    • a collimator lens ( 201 ) which is adapted to at least one axis ( 715 . 716 ) of the primary light ( 111 ) to collimate,
    the collimator lens ( 201 ) in the overlapping section ( 125 ) is arranged.
  • Example 7. Scanning System ( 100 ) according to Example 6, which further comprises:
    • a beam splitter ( 130 ), which has a coupling mirror ( 131 ) with a reflectivity of at least 86%, and which is arranged to control the transmission beam ( 121 ) and the receiving beam ( 122 ) at one end of the overlap section ( 125 ), and
    • - a lens ( 702 ), which are in the transmission beam ( 121 ) between the laser ( 101 ) and the beam splitter ( 130 ) is arranged
    the lens ( 702 ) is set to a field width ( 321-2 ) of the primary light ( 111 ) along at least one axis ( 715 . 716 ) of the primary light ( 111 ) to the beam splitter ( 130 ) to narrow or widen.
  • Example 8. Scanning System ( 100 ) according to Example 6 or 7, which further comprises:
    • a detector lens ( 252 ) which is adapted to the secondary light ( 112 ) on the detector ( 102 ) to focus
    the collimator lens and the detector lens ( 252 ) into a multi-focus segmented ( 801 . 802 ) Lens body ( 800 ) are integrated.
  • Example 9. Scanning System ( 100 ) according to Examples 7 and 8, wherein the coupling mirror ( 131 ) between the detector lens ( 252 ) and the detector ( 102 ) is arranged.
  • Example 10. Scanning System ( 100 ), which comprises:
    • a deflecting mirror ( 150 ) with a reflective surface ( 151 )
    • - an elastic suspension ( 902 ) of the deflection mirror ( 150 )
    • an actuator ( 901 ) which is adapted to be deformed by means of elastic deformation of the elastic suspension ( 902 ) resonant motion of a mass-spring system, which by the deflection mirror ( 150 ) and the elastic suspension ( 902 ) is designed to actuate
    • a laser ( 101 ), which is set up to receive primary light ( 111 ) along a transmission beam ( 121 ) to emit,
    • a detector lens ( 252 )
    • a detector ( 102 ), which in a focal plane of the detector lens ( 252 ) is arranged and which is adapted to secondary light ( 112 ) along a receive beam ( 122 ), the transmit beam ( 121 ) and the receiving beam ( 122 ) along an overlap section ( 125 ), wherein the overlapping section ( 125 ) the reflective surface ( 151 ) of the deflection mirror ( 150 ), and
    • a beam splitter ( 130 ) of a coupling mirror ( 131 ) with a reflectivity of at least 86%, and which is arranged to control the transmission beam ( 121 ) and the receiving beam ( 122 ) at one end of the overlap section ( 125 ),
    where the coupling mirror ( 131 ) between the detector lens ( 252 ) and the detector ( 102 ) is arranged.
  • Example 11. Scanning System ( 100 ) according to one of the preceding examples, wherein the laser ( 101 ) by a large-area laser diode with an asymmetric active surface, which has a fast axis ( 716 ) of the primary light ( 111 ) and a slow axis ( 715 ) of the primary light. ( 111 ) is implemented.
  • Example 12. Scanning System ( 100 ) according to Example 12, wherein the large-area laser diode is operated at a transmission power within 20% of the thermal termination point when the primary light ( 111 ) is emitted.
  • Example 13. Scanning System ( 100 ) according to one of the preceding examples, wherein the transmission beam ( 121 ) and receiving beam ( 122 ) a pre-scanner coaxial optical system with coaxial optical axes ( 199 ) of the transmission beam ( 121 ) and the receiving beam ( 122 ) to implement.
  • Example 14. Scanning System ( 100 ) according to one of the preceding examples, wherein the actuator ( 901 ) is arranged to actuate the resonant motion at frequencies in the range of 60 Hz to 500 Hz.
  • Example 15. Scanning System ( 100 ) according to one of the preceding examples, wherein a detector aperture of the receive beam and a transmit aperture of the transmit beam both through the deflection mirror ( 150 ).
  • Example 16. Scanning System ( 100 ) according to one of the preceding examples, wherein the laser ( 101 ) and the detector ( 102 ) are integrated in a common housing.

Obwohl bestimmte Ausführungsformen ausdrücklich obenstehend beschrieben wurden, werden andere Ausführungsformen einem Fachmann durch das Lesen und Verstehen der Beschreibung klar werden. Alle solche Implementierungen werden als unter den Gegenstand der vorliegenden Erfindung fallend angenommen, welcher lediglich durch die beigefügten Patentansprüche limitiert ist.Although particular embodiments have been expressly described above, other embodiments will become apparent to those skilled in the art upon a reading and understanding of the specification. All such implementations are deemed to fall within the scope of the present invention, which is limited only by the appended claims.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 20170343653 A1 [0004]US 20170343653 A1 [0004]
  • US 20110216304 A1 [0005]US 20110216304 A1 [0005]
  • EP 2541273 B1 [0005]EP 2541273 B1 [0005]
  • US 20100296146 A1 [0006]US 20100296146 A1 [0006]
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  • US 20180143322 A1 [0058]US 20180143322 A1 [0058]
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  • DE 102009058762 A1 [0058]DE 102009058762 A1 [0058]
  • US 20100290142 A1 [0058]US 20100290142 A1 [0058]

Claims (10)

Scansystem (100), welches umfasst: - einen Ablenkspiegel (150) mit einer reflektierenden Oberfläche (151), - eine elastische Aufhängung (902) des Ablenkspiegels (150), - einen Aktuator (901), der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung (902) resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, welches durch den Ablenkspiegel (150) und die elastische Aufhängung (902) ausgebildet ist, zu aktuieren, - einen Laser (101), der eingerichtet ist, um primäres Licht (111) entlang eines Sendestrahls (121) zu emittieren, und - einen Detektor (102), der eingerichtet ist, um sekundäres Licht (112) entlang eines Empfangsstrahls (122) zu detektieren, wobei der Sendestrahl (121) und der Empfangsstrahl (122) entlang eines Überlappabschnitts (125) ausgerichtet sind, wobei der Überlappabschnitt (125) die reflektierende Oberfläche (151) des Ablenkspiegels (150) umfasst, wobei eine Größe (158, 159) der reflektierenden Oberfläche (151) des Ablenkspiegels (150) im Bereich von 120 mm2 bis 230 mm2 ist, optional im Bereich von 180 mm2 bis 220 mm2 ist, und wobei eine Divergenz (610) von mindestens einer Achse des primären Lichts (111) entlang des Überlappabschnitts (125) im Bereich von 0,09° bis 0,15° beim Ablenkspiegel (150) ist.A scanning system (100) comprising: - a deflecting mirror (150) having a reflective surface (151), - an elastic suspension (902) of the deflecting mirror (150), - an actuator (901) adapted to deform by means of elastic deformation the elastic suspension (902) actuate resonant motion of a mass-spring system formed by the deflection mirror (150) and the elastic suspension (902), - a laser (101) adapted to receive primary light (111) along a transmit beam (121), and - a detector (102) arranged to detect secondary light (112) along a receive beam (122), the transmit beam (121) and the receive beam (122) passing along a beam Overlap portion (125) are aligned, wherein the overlap portion (125) the reflective surface (151) of the deflection mirror (150), wherein a size (158, 159) of the reflective surface (151) of the deflection mirror (150) in Be range from 120 mm 2 to 230 mm 2 , optionally in the range of 180 mm 2 to 220 mm 2 , and wherein a divergence (610) of at least one axis of the primary light (111) along the overlap portion (125) in the range of 0.09 ° to 0.15 ° at the deflecting mirror (150). Scansystem (100) nach Patentanspruch 1, welches weiterhin umfasst: wobei eine Transmittivität (601-604) des primären Lichts (111) beim Sendestrahl (121) stromaufwärts des Überlappabschnitts (125) in Bezug auf das sekundäre Licht (112) beim entsprechenden Strahl (122) stromabwärts des Überlappabschnitts (125) nicht geringer als 0,40 ist,Scan system (100) Claim 1 which further comprises: a transmittivity (601-604) of the primary light (111) at the transmitting beam (121) upstream of the overlapping portion (125) with respect to the secondary light (112) at the corresponding beam (122) downstream of the overlapping portion (125 ) is not less than 0.40, Scansystem (100), welches umfasst - einen Ablenkspiegel (150) mit einer reflektierenden Oberfläche (151), - eine elastische Aufhängung (902) des Ablenkspiegels (150), - einen Aktuator (901), der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung (902) resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, welches durch den Ablenkspiegel (150) und die elastische Aufhängung (902) ausgebildet ist, zu aktuieren, - einen Laser (101), der eingerichtet ist, um primäres Licht (111) entlang eines Sendestrahls (121) zu emittieren, und - einen Detektor (102), der eingerichtet ist, um sekundäres Licht (112) entlang eines Empfangsstrahls (122) zu detektieren, wobei der Sendestrahl (121) und der Empfangsstrahl (122) entlang eines Überlappabschnitts (125) ausgerichtet sind, wobei der Überlappabschnitt (125) die reflektierende Oberfläche (151) des Ablenkspiegels (150) umfasst, wobei das primäre Licht (111) eine schnelle Achse (716) und eine langsame Achse (715) hat, wobei die schnelle Achse (716) eine größere Divergenz (610) als die langsame Achse (715) hat, wobei eine Feldbreite (321-2) der langsamen Achse des primären Lichts (111) entlang der langsamen Achse (715) nicht kleiner als 90% einer entsprechenden Breite (151a, 158) des Ablenkspiegels (150) senkrecht zu einer optischen Achse (199) des Sendestrahls (121) ist.Scanning system (100) comprising a deflection mirror (150) having a reflective surface (151), an elastic suspension (902) of the deflection mirror (150), an actuator (901) adapted to actuate by elastic deformation of the elastic suspension (902) resonant motion of a mass-spring system formed by the deflection mirror (150) and the elastic suspension (902), a laser (101) arranged to emit primary light (111) along a transmission beam (121), and a detector (102) arranged to detect secondary light (112) along a receive beam (122), the transmit beam (121) and the receive beam (122) being aligned along an overlap portion (125), the overlap portion (125) comprises the reflecting surface (151) of the deflecting mirror (150), wherein the primary light (111) has a fast axis (716) and a slow axis (715), the fast axis (716) having a greater divergence (610) than the slow axis (715), wherein a field width (321-2) of the slow axis of the primary light (111) along the slow axis (715) is not less than 90% of a corresponding width (151a, 158) of the deflection mirror (150) perpendicular to an optical axis (199). of the transmission beam (121). Scansystem (100) nach Anspruch 3, wobei die Feldbreite (321-2) der langsamen Achse des primären Lichts (111) nicht größer als 120% der entsprechenden Breite (151a, 158) des Ablenkspiegel (150) senkrecht zur optischen Achse (199) des Sendestrahls (121) ist.Scan system (100) Claim 3 wherein the field width (321-2) of the slow axis of the primary light (111) is not greater than 120% of the corresponding width (151a, 158) of the deflection mirror (150) perpendicular to the optical axis (199) of the transmit beam (121). Scansystem (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine Feldbreite (321-1) der schnellen Achse des primären Lichts (111) entlang der schnellen Achse (716) nicht größer als 50% einer entsprechenden Breite (151a, 159) des Ablenkspiegels (150) senkrecht zu einer optischen Achse (199) des Sendestrahls (121) ist.Scan system (100) Claim 3 or 4 wherein a field width (321-1) of the fast axis of the primary light (111) along the fast axis (716) is not greater than 50% of a corresponding width (151a, 159) of the deflection mirror (150) perpendicular to an optical axis (199 ) of the transmission beam (121). Scansystem (100), welches umfasst - einen Ablenkspiegel (150) mit einer reflektierenden Oberfläche (151), - eine elastische Aufhängung (902) des Ablenkspiegels (150), - einen Aktuator (901), der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung (902) resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, welches durch den Ablenkspiegel (150) und die elastische Aufhängung (902) ausgebildet ist, zu aktuieren, - einen Laser (101), der eingerichtet ist, um primäres Licht (111) entlang eines Sendestrahls (121) zu emittieren, - einen Detektor (102), der eingerichtet ist, um sekundäres Licht (112) entlang eines Empfangsstrahls (122) zu detektieren, wobei der Sendestrahl (121) und der Empfangsstrahl (122) entlang eines Überlappabschnitts (125) ausgerichtet sind, wobei der Überlappabschnitt (125) die reflektierende Oberfläche (151) des Ablenkspiegels (150) umfasst, und - eine Kollimatorlinse (201) die eingerichtet ist, um mindestens eine Achse (715, 716) des primären Lichts (111) zu kollimieren, wobei die Kollimatorlinse (201) in dem Überlappabschnitt (125) angeordnet ist.Scanning system (100) comprising a deflection mirror (150) having a reflective surface (151), an elastic suspension (902) of the deflection mirror (150), an actuator (901) adapted to actuate by elastic deformation of the elastic suspension (902) resonant motion of a mass-spring system formed by the deflection mirror (150) and the elastic suspension (902), a laser (101) arranged to emit primary light (111) along a transmission beam (121), a detector (102) arranged to detect secondary light (112) along a receive beam (122), the transmit beam (121) and the receive beam (122) being aligned along an overlap portion (125), the overlap portion (125) comprises the reflecting surface (151) of the deflecting mirror (150), and a collimator lens (201) arranged to collimate at least one axis (715, 716) of the primary light (111), the collimator lens (201) being disposed in the overlap portion (125). Scansystem (100) nach Anspruch 6, welches weiterhin umfasst: - einen Strahlteiler (130), der einen Kopplungsspiegel (131) mit einer Reflektivität von mindestens 86% umfasst, und der eingerichtet ist, um den Sendestrahl (121) und den Empfangsstrahl (122) an einem Ende des Überlappabschnitts (125) aufzuspalten, und - eine Linse (702), die im Sendestrahl (121) zwischen dem Laser (101) und dem Strahlteiler (130) angeordnet ist, wobei die Linse (702) eingerichtet ist, um eine Feldbreite (321-2) des primären Lichts (111) entlang mindestens einer Achse (715, 716) des primären Lichts (111) hin zum Strahlteiler (130) zu verengen oder aufzuweiten.Scan system (100) Claim 6 , which further comprises: - a beam splitter (130) comprising a coupling mirror (131) with a reflectivity of at least 86%, and which is arranged to transmit the transmission beam (121) and splitting the receive beam (122) at an end of the overlap portion (125); and a lens (702) disposed in the transmit beam (121) between the laser (101) and the beam splitter (130); Lens (702) is arranged to narrow or widen a field width (321-2) of the primary light (111) along at least one axis (715, 716) of the primary light (111) toward the beam splitter (130). Scansystem (100) nach Anspruch 6 oder 7, welches weiterhin umfasst: - eine Detektorlinse (252), die angeordnet ist, um das sekundäre Licht (112) auf den Detektor (102) zu fokussieren, wobei die Kollimatorlinse und die Detektorlinse (252) in einen Multifokussegmentierten (801, 802) Linsenkörper (800) integriert sind.Scan system (100) Claim 6 or 7 and further comprising: a detector lens (252) arranged to focus the secondary light (112) onto the detector (102), the collimator lens and the detector lens (252) arranged in a multi-focus segmented (801, 802) lens body (800) are integrated. Scansystem (100) nach Anspruch 7 und 8, wobei der Kopplungsspiegel (131) zwischen der Detektorlinse (252) und den Detektor (102) angeordnet ist.Scan system (100) Claim 7 and 8th wherein the coupling mirror (131) is disposed between the detector lens (252) and the detector (102). Scansystem (100), welches umfasst: - einen Ablenkspiegel (150) mit einer reflektierenden Oberfläche (151), - eine elastische Aufhängung (902) des Ablenkspiegels (150), - einen Aktuator (901), der eingerichtet ist, um mittels elastischer Verformung der elastischen Aufhängung (902) resonante Bewegung eines Masse-Federsystems, welches durch den Ablenkspiegel (150) und die elastische Aufhängung (902) ausgebildet ist, zu aktuieren, - einen Laser (101), der eingerichtet ist, um primäres Licht (111) entlang eines Sendestrahls (121) zu emittieren, - eine Detektorlinse (252), - einen Detektor (102), der in einer Fokusebene der Detektorlinse (252) angeordnet ist, und der eingerichtet ist, um sekundäres Licht (112) entlang eines Empfangsstrahls (122) zu detektieren, wobei der Sendestrahl (121) und der Empfangsstrahl (122) entlang eines Überlappabschnitts (125) ausgerichtet sind, wobei der Überlappabschnitt (125) die reflektierende Oberfläche (151) des Ablenkspiegels (150) umfasst, und - einen Strahlteiler (130) der einen Kopplungsspiegel (131) mit einer Reflektivität von mindestens 86% umfasst, und der eingerichtet ist, um den Sendestrahl (121) und den Empfangsstrahl (122) an einem Ende des Überlappabschnitts (125) aufzuspalten, wobei der Kopplungsspiegel (131) zwischen der Detektorlinse (252) und dem Detektor (102) angeordnet ist.Scanning system (100) comprising: a deflection mirror (150) having a reflective surface (151), an elastic suspension (902) of the deflection mirror (150), an actuator (901) adapted to actuate by elastic deformation of the elastic suspension (902) resonant motion of a mass-spring system formed by the deflection mirror (150) and the elastic suspension (902), a laser (101) arranged to emit primary light (111) along a transmission beam (121), a detector lens (252), a detector (102) disposed in a focal plane of the detector lens (252) and arranged to detect secondary light (112) along a receive beam (122), the transmit beam (121) and the receive beam (122 ) are aligned along an overlap portion (125), the overlap portion (125) comprising the reflective surface (151) of the deflecting mirror (150), and - A beam splitter (130) comprising a coupling mirror (131) having a reflectivity of at least 86%, and which is arranged to split the transmission beam (121) and the receiving beam (122) at one end of the overlapping portion (125) Coupling mirror (131) between the detector lens (252) and the detector (102) is arranged.
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