DE102018202848A1

DE102018202848A1 - Senderoptik für ein abtastendes LiDAR-System, LiDAR-System und Arbeitsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018202848A1
Application number: DE102018202848.6A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jochen Schwarz; Klaus Stoppel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2019-08-29
Also published as: WO2019162004A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Senderoptik (60) für einen abtastendes LiDAR-System (1) zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht (57) in ein Sichtfeld (50), mit einer Lichtquelle (65) zum Erzeugen des Primärlichts (57), wobei die Lichtquelle (65) einen Halbleiterlaser (65-1), einen Festkörperlaser (65-2) und einen Q-Switch (65-3) aufweist, welche in dieser Reihenfolge in einer Ausgaberichtung für das Primärlicht (57) angeordnet und so eingerichtet sind, dass im Betrieb der Halbleiterlaser (65-1) als Dauerstrichpumplaser den Festkörperlaser (65-2) pumpt und der gepumpte Festkörperlaser (65-2) in optischer Kopplung mit dem Q-Switch (65-3) als Primärlichtquelle zur Ausgabe des Primärlichts (57) fungiert.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Senderoptik für einen scannendes oder abtastendes LiDAR-System zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld, ein LiDAR-System vom abtastenden oder scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes sowie eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug.
Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall kommen auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-Systeme (englisch: LiDAR : light detection and ranging).
Bei abtastenden oder scannenden LiDAR-Systemen wird Primärlicht nach der Erzeugung über ein zu erfassendes Sichtfeld geführt. Dabei kommen so genannte Makroscanner zum Einsatz, die einen Rotor und einen Stator aufweisen. Der Rotor beherbergt zumindest einen Teil der Optik, der Sensorik und/oder der Lichtquellen und ist gegenüber dem Stator mittels eines Antriebs steuerbar rotierbar.
Problematisch sind bei herkömmlichen Anordnungen für derartige LiDAR-Systeme das bei Steigerung der zum Ausleuchten eines Sichtfeldes verwendeten Strahlungsintensität vergleichsweise hohe Ausmaß an Baugröße, das Aufkommen an Abwärme sowie die Störanfälligkeit.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Senderoptik für ein LiDAR-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit einem vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand mit hoher Zuverlässigkeit bei vergleichsweise geringem Bauraum und reduziertem Aufkommen an Abwärme ausreichende Strahlungsintensitäten erzeugt werden können. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass eine Senderoptik für ein scannendes oder abtastendes LiDAR-System zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld geschaffen wird, welches ausgebildet ist mit einer Lichtquelle zum Erzeugen des Primärlichts, wobei die Lichtquelle einen Halbleiterlaser, einen Festkörperlaser und einen Q-Switch aufweist, welche in dieser Reihenfolge in einer Ausgaberichtung für das Primärlicht angeordnet und so eingerichtet und miteinander wirkverbunden sind, dass im Betrieb der Halbleiterlaser als Dauerstrichpumplaser den Festkörperlaser pumpt und der von diesem gepumpte Festkörperlaser in optischer Kopplung mit dem Q-Switch als Primärlichtquelle zur Ausgabe des Primärlichts fungiert.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei einer besonders einfachen Ausgestaltungsform der Senderoptik ist der Q-Switch als passiv optisches Element ausgebildet und insbesondere als optisch sättigbarer Absorber. Dabei können verschiedene Materialien einzeln oder in Kombination miteinander zum Einsatz kommen, zum Beispiel - aber nicht nur - aus oder mit V:YAG, aus oder mit Cr⁴⁺:YAG und dergleichen und deren Kombination.
Ein besonders hohes Maß an Steuerbarkeit und Regelbarkeit der erfindungsgemäßen Senderoptik lässt sich erreichen, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltungsform der Q-Switch als aktive Komponente ausgebildet ist. Auch dies kann auf vielfältige Weise realisiert werden, nämlich indem der Q-Switch als ein oder mit einem optoakustischen oder akustooptischen Modulator und/oder als eine oder mit einer Pockelszelle ausgebildet ist.
Auch der zu Grunde liegende Festkörperlaser als gepumpter Laser kann je nach Anwendung in verschiedenen Ausgestaltungsformen verwendet werden.
Im Hinblick auf eine hohe Intensität in dem zu erzielenden Spektralbereich, zum Beispiel dem nahen Infrarot, bieten sich Festkörperlaser in monolithischer Bauform und/oder mit oder aus Nd:GDVO₄, Nd:YVO₄, Nd:KDW oder deren beliebiger Kombination in vorteilhafterweise an.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Festkörperlaser eingerichtet ist, Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 900 nm bis etwa 920 nm und vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich von etwa 905 nm bis etwa 915 nm auszusenden. Gerade in diesen Wellenlängenbereichen ist die Absorptionsproblematik im Hinblick auf atmosphärischen Wassers deutlich reduziert, weil die maßgeblichen Absorptionsbanden des Wassers im IR-Bereich anders gelagert sind.
Auch der zu Grunde liegende Halbleiterlaser wird bevorzugt an eine jeweilige Anwendung angepasst und kann mit einem oder als ein Kantenemitter, zum Beispiel auch im Zusammenhang mit einer VBG-Anordnung und/oder einer VCSEL-Anordnung ausgebildet sein.
Die Steuerbarkeit und eine entsprechend gute Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erzielen, wenn zur Steuerung des Betriebs der Lichtquelle in einem Strahlengang der Senderoptik ausgangsseitig von der Lichtquelle und/oder ausgangsseitig vom Q-Switch ein Monitorelement zum Erfassen des Primärlichts oder eines Teils davon ausgebildet ist. Bei dem Monitorelement kann es sich um ein jegliches optisches Element handeln, welches geeignet ist, die Strahlungsintensität und deren zeitlichen Verlauf zu erfassen und ein dafür repräsentatives Signal zu erzeugen, welches einem Steuervorgang oder einem Regelvorgang zu Grunde gelegt werden kann, insbesondere im Zusammenwirken mit einer übergeordneten Steuereinheit, einem Treiber und dergleichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren auch ein LiDAR-System vom scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes als solches und ist insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder für ein Fahrzeug und deren Betrieb ausgebildet.
Das LiDAR-System ist ausgebildet, mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Senderoptik zum Erzeugen und zum Aussenden von Primärlicht in das Sichtfeld und mit einer Empfängeroptik zum Empfangen aus dem Sichtfeld stammenden Sekundärlichts.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsforme des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems weist einen Stator und einen gegenüber dem Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor auf. Zumindest ein Teil der Senderoptik und insbesondere eine Ablenkoptik und/oder eine Strahlformungsoptik oder Teile davon und/oder zumindest ein Teil der Empfängeroptik können im Rotor aufgenommen sein.
Jedoch ist es im Hinblick auf eine Vereinfachung des Aufbaus und/oder der Steuerung und Versorgung der lichterzeugenden Komponenten von besonderem Vorteil, wenn gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen LiDAR Systems die Lichtquelle und insbesondere der Halbleiterlaser, der Festkörperlaser und der Q-Switch außerhalb des Rotors angeordnet sind.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Lichtquelle auch außerhalb des Stators angeordnet ist.
Für eine weitere Bauraumverringerung und eine bessere thermische Entkopplung der für das Aussenden und Empfangen des Primärlichts bzw. des Sekundärlichts relevanten Komponenten im Zusammenhang mit Stator und Rotor ist es von besonderem Vorteil, wenn der zu Grunde liegende Halbleiterlaser außerhalb des Stators angeordnet ist, und zwar mit dem gepumpten Festkörperlaser und dem Q-Switch innerhalb des Stators, wobei ein Lichtleiter zur optischen Einkopplung der Strahlung des Halbleiterlasers in den Festkörperlaser ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Kernaspekt der vorliegenden Erfindung werden auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes geschaffen.
Figurenliste
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.

1 ist ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit.
2 und 3 zeigen in schematischen und seitlichen Querschnittsansichten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Senderoptiken, die bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar-Systems eingesetzt werden können.
4 und 5 zeigen in schematischen und seitlichen Querschnittsansichten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar-Systems mit Rotor und Stator unter Verwendung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Senderoptik.
6 zeigt in einer schematischen und seitlichen Querschnittsansicht eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik zu Verwendung in einem erfindungsgemäßen Lidar-System.
7 und 8 zeigen in schematischen und seitlichen Querschnittsansichten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar-Systems mit Rotor und Stator unter Verwendung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Senderoptik, bei welchen das Primärlicht bzw. das Pumplicht außerhalb von Rotor und Stator erzeugt und dann dem Stator über einen Lichtleiter zugeführt wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
1 zeigt nach Art eines Blockdiagramms in schematischer Weise ein erfindungsgemäßes LiDAR-System 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik 60.
Das in 1 dargestellte LiDAR-System 1 besteht neben einer Steuer- und Auswerteeinheit 40 aus der dem Betrieb des LiDAR-Systems 1 zu Grunde liegenden optischen Anordnung 10 mit einer Lichtquelle 65 als Teil einer erfindungsgemäß ausgestalteten Senderoptik 60 und einer Empfängeroptik 30 mit einer Detektoranordnung 20. Die Steuerung des Betriebs des LiDAR-Systems 1 sowie die Auswertung der durch das LiDAR-System 1 empfangenen Signale kann durch die übergeordnete Steuer- und Auswerteeinheit 40 erfolgen, die hier zur optischen Anordnung 10 separat ausgebildet ist. Ein derartiger Aufbau ist jedoch nicht zwingend.
Im Betrieb wird durch Steuerung und Veranlassung mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 40 über eine Steuerleitung 42 die Lichtquelle 65 zur Erzeugung und Ausgabe primären Lichts oder Primärlichts 57 veranlasst. Das primäre Licht 57 wird mittels einer Strahlformungsoptik 66, welche zum Beispiel eine Zylinderlinse zum Erzielen einer Linienausleuchtung aufweisen kann, entsprechend dem Anwendungsfall moduliert und dann gegebenenfalls mittels einer Ablenkoptik 62 in ein Sichtfeld 50 einer Szene 53 mit einem darin enthaltenen Objekt 52 ausgesandt.
Die bevorzugte Linienausleuchtung im Sichtfeld 50 ist im Zusammenhang zu sehen mit einer dabei erforderlichen hohen Intensität, und zwar verglichen mit niedrigeren Intensitäten, die bei einer punktweisen Ausleuchtung üblicherweise eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist die erfindungsgemäß ausgestaltete Senderoptik 60 eben gerade von Vorteil, weil mit vergleichsweise einfachen Mitteln in flexibler Weise die erforderlichen Strahlungsintensitäten bereitgestellt werden können.
Das aus dem Sichtfeld 50 und von der Szene 53 und dem Objekt 52 reflektierte Licht wird auch als sekundäres oder Sekundärlicht 58 bezeichnet und in der Empfängeroptik 30 mittels eines Objektivs 34 aufgenommen, gegebenenfalls von einer im Strahlengang 31 der Empfängeroptik 30 vorgesehenen Sekundäroptik 35, die zu Beispiel auch Filter sein oder aufweisen kann, weiterbehandelt und dann an eine Detektoranordnung 20 mit einem oder mit mehreren Detektorelementen 22 übertragen. Die Detektorelemente 22 der Detektoranordnung 20 erzeugen ihrerseits durch das Sekundärlicht 58 repräsentierende Signale, die mittels einer Steuer- und Messleitung 41 an die Steuer- und Auswerteeinheit 40 übertragen werden.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 40 gemäß 1 kann zum Beispiel aus einem übergeordneten Steuersystem 100, welches mittels eines Busses 101 mit einer Sendeeinheit 70, einer Empfangseinheit 80 und einer Korrelationseinheit 90 verbunden ist, bestehen.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lidar-Systems 1 weist die erfindungsgemäß ausgestaltete Senderoptik 60 in ihrem Strahlengang 61 zuerst eine Lichtquelle 65 zur Erzeugung des Primärlichts 57 auf. Zur Steuerung des Erzeugungsvorgangs für das Primärlicht 57 ist im Strahlengang 61 der Senderoptik 60 ein Monitorelement 65-4, zum Beispiel in Form einer Monitordiode als Lichtdetektionselement ausgebildet. Mit diesem Monitorelement 65-4 können die Strahlungsintensität und deren zeitlicher Verlauf erfasst und als entsprechende repräsentative Signale über die Steuer-/Erfassungsleitung 65-5 und die Steuerleitung 42 an die übergeordnete Steuer- und Auswerteeinheit 40 oder alternativ auch zu einem später noch zu beschreibenden Treiber 65-9, wie er in den 7 und 8 dargestellt ist, zurückgeführt werden.
Die Lichtquelle 65 selbst weist erfindungsgemäß einen Halbleiterlaser 65-1 als Pumplaser, einen vom Halbleiterlaser 65-1 gepumpten oder pumpbaren Festkörperlaser 65-2 und einen mit dem Festkörperlaser 65-2 optisch gekoppelten oder koppelbaren Q-Switch 65-3 auf. Endständig ist die Anordnung aus Festkörperlaser 65-2 und Q-Switch 65-3 lichteingangsseitig bzw. lichtausgangsseitig mit Spiegelschichten 65-7, die auch als Resonatorspiegel oder Resonatorspiegelschicht bezeichnet werden können, ausgebildet.
Die 2 und 3 zeigen in schematischen und seitlichen Querschnittsansichten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Senderoptiken 60, die bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar-Systems 1 eingesetzt werden können.
Die dort gezeigte Lichtquelle 65 weist bei beiden Ausführungsformen in ihrem Strahlengang 61 einen Halbleiterlaser 65-1 als Pumplaser, einen von diesem pumpbaren oder gepumpten Festkörperlaser 65-2 sowie einen mit dem Festkörperlaser 65-2 optisch gekoppelten Q-Switch 65-3 auf. Die Anordnung aus Festkörperlaser 65-2 und Q-Switch 65-3 weist lichteingangsseitig, also auf der linken Seite in 2 und 3, eine eingangsseitige Spiegelschicht als ersten Resonatorspiegel und lichtausgangsseitig, also auf der rechten Seite in 2 und 3, eine ausgangsseitige Spiegelschicht als zweiten Resonatorspiegel auf. Zur Strahlformung des vom Halbleiterlaser 65-1 ausgesandten Lichts und zu dessen Anpassung an die Eintrittsseite der Anordnung aus Festkörperlaser 65-2 und Q-Switch 65-3 ist im Strahlengang 61 der Senderoptik 60 der 2 und 3 zwischen dem Halbleiterlaser 65-1 und dem Festkörperlaser 65-2 eine so genannte Pumpoptik 65-6 ausgebildet, die im einfachsten Fall aus einer einzelnen Linse bestehen kann.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 befindet sich im Strahlengang 61 der Senderoptik 60 lichtausgangsseitig ein teildurchlässiger Umlenkspiegel 65-8, mit welchem ein Teil des Primärlichts 57 aus dem Strahlengang 61 der Senderoptik 60 ausgekoppelt und einem Monitorelement 65-4 zur Überwachung der Intensität des Primärlichts 57 und seines zeitlichen Verlaufs zugeführt wird.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 befindet sich im Strahlengang 61 auf der Lichtausgangsseite des Halbleiterlasers 65-1 und somit zwischen Halbleiterlaser 65-1 und Pumpoptik 65-6 ein VBG-Gitter 65-10.
Bei beiden Ausführungsformen der 2 und 3 befindet sich lichtausgangsseitig, also den 2 und 3 auf der rechten Seite, im Strahlengang 61 der Senderoptik 60 eine Kombination aus Ablenkoptik 62 und Strahlformungsoptik 66, durch welche das Primärlicht 57 letztlich das Lidar-System 1 zum Ausleuchten des in 1 dargestellten Sichtfeldes 50 verlässt.
Die 4 und 5 zeigen in schematischen und seitlichen Querschnittsansichten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar-Systems 1 mit Rotor 200 und Stator 100 unter Verwendung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Senderoptik 60.
Der Rotor 200 ist mittels einer Welle relativ zum ruhenden Stator 100 mittels Rotation 6 um eine Drehachse 5 drehbar angeordnet. Dies hat den Zweck, dass im Betrieb des Lidar-Systems das Primärlicht 57 abtastend das in 1 dargestellte Sichtfeld 50 überstreichen kann.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform befindet sich die Senderoptik 60 im Wesentlichen vollständig im Rotor 200 und rotiert also im Betrieb des Lidar-Systems mit. Die Senderoptik 60 gemäß 4 hat im Wesentlichen denselben Aufbau wie die Senderoptik 60 gemäß 2 und befindet sich hier im unteren Bereich des Rotors 200.
Im oberen Bereich des Rotors 200 befindet sich die Empfängeroptik 30 mit einem Objektiv 34 als Primäroptik und mit einer Sekundäroptik 35, die zum Beispiel von einem Filter gebildet sein kann. Des Weiteren ist schematisch eine Detektoranordnung 20 zum Nachweis des Sekundärlichts 58 ausgebildet.
Die Ausführungsform der Senderoptik 60 gemäß 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Senderoptik 60 gemäß 4 darin, dass sämtliche Komponenten im Zusammenhang mit der Lichtquelle 65 vom Rotor 200 zum Stator 100 übertragen wurden. Das bedeutet im Detail, dass der Halbleiterlaser 65-1, die Pumpoptik 65-6, der Festkörperlaser 65-2, der Q-Switch 65-3 der teildurchlässige Spiegel 65-8 und das Monitorelement 65-4 am oder im Stator 100 montiert sind.
Der teildurchlässige Umlenkspiegel 65-8 lenkt den Großteil des Primärlichts 57 aus dem Strahlengang 61 durch die Welle 7 hindurch in den Rotor 200, in welchem sich ein Umlenkspiegel 65-8' befindet, der das Primärlicht 57 auf die Strahlformungsoptik 66 und die Ablenkoptik 62 richtet, die ihrerseits das Primärlicht 57 in das in 1 dargestellte Sichtfeld 50 richten.
6 zeigt in einer schematischen und seitlichen Querschnittsansicht eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik 60 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Lidar-System 1.
Die Ausgestaltungsform der Senderoptik 60 aus 6 entspricht im Wesentlichen der Ausgestaltungsform der Senderoptik 60 aus 2 - ohne Berücksichtigung eines Monitorelements 65-4 - und mit der Besonderheit, dass der lichtausgangsseitige Resonatorspiegel 65-7 bei dieser Ausführungsform gebildet wird von einem planen oder konvexen Auskoppelspiegel, der separat vorgesehen ist und keine endständige Beschichtung des Q-Switchs bildet.
Die 7 und 8 zeigen in schematischen und seitlichen Querschnittsansichten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar-Systems 1 mit Rotor 200 und Stator 100 unter Verwendung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Senderoptik 60, bei welchen das Primärlicht 57 bzw. das Pumplicht außerhalb von Rotor 200 und Stator 100 erzeugt und dann dem Stator 100 über einen Lichtleiter 66-2 zugeführt werden.
Demzufolge befinden sich bei der Ausführungsform gemäß 7 die Lichtquelle 65 mit dem Halbleiterlaser 65-1, dessen Treiber 65-9, dem Festkörperlaser 65-2 und der Q-Switch 65-3 komplett außerhalb von Stator 100 und Rotor 200. Die Strahlformungsoptik 66 wird bei der Ausführungsform gemäß 7 gebildet von einer lichteingangsseitigen Koppeloptik 66-1 zur Einkopplung des Primärlichts 57 in einen vorgesehenen Lichtleiter 66-2. Der Lichtleiter 66-2 ist ausgebildet und eingerichtet, das von der Lichtquelle 65 aufgenommene Primärlicht 57 in den Stator 100 zu führen. Zur Einkopplung des Primärlichts 57 in den Stator 100 ist als weiterer Teil der Strahlformungsoptik 66 eine Kollimationsoptik 66-3 ausgebildet, die das Primärlicht auf den Umlenkspiegel 65-8' führt. Von dort gelangt das Primärlicht 57 durch die Ablenkoptik 62 in das in 1 dargestellte Sichtfeld 50.
Bei der in 8 dargestellten Ausführungsform ist aus der Lichtquelle 65 die Anordnung aus Festkörperlaser 65-2 und Q-Switch 65-3 in den Stator 100 verlagert. Der Lichtleiter 66-2 wird als Teil der Strahlformungsoptik 66 verwendet, das Pumplicht aus dem Halbleiterlaser 65-1 mittels der ebenfalls im Stator 100 befindlichen Koppeloptik 65-6 in den Festkörperlaser 65-2 zum Pumpen einzukoppeln. Der Umlenkspiegel 65-8' ist in diesem Fall teildurchlässig ausgebildet, so dass ein Teil des die Anordnung aus Festkörperlaser 65-2 und Q-Switch 65-3 verlassenden Primärlichts 57, welches durch die Welle geführt den Rotor 200 erreicht, im Rotor 200 zum Nachweis und zur Steuerung auf das Monitorelement 65-4 trifft.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Der heutige Stand der Technik von bekannten LiDAR-Systemen unterscheidet sich in der Art und Weise der Ausleuchtung des Sichtfeldes.
Es gibt zum einem die abtastenden oder scannenden Systeme, die zeitlich gesehen immer nur einen kleinen Teil der Umgebung oder des Sichtfeldes ausleuchten und die Flashsysteme, die die Umgebung und das Sichtfeld zu einem Zeitpunkt komplett ausleuchten.
Bei scannenden LiDAR-Systemen wird das Sichtfeld oder FoV (FoV : field of view) zeitlich sequentiell mit einem Punkt-Laserstrahl oder einer Laserlinie ausgeleuchtet.
Bei einem Flash-System wird das komplette FoV mit einem Laserblitz ausgeleuchtet (Flash) und das reflektierte Licht in einem Detektorarray empfangen. Hier wird in der Regel mit sehr niedrigen Frequenzen gearbeitet (z.B. von etwa 10 Hz bis etwa 100Hz).
Während bei reinen Flashsystemen auch Festkörperlaser in Betracht kommen, wird bei scannenden Systemen mit Halbleiterlasern ausgestattet.
Flashsysteme mit Festkörperlasern arbeiten in der Regel mit Wellenlängen von mehr als 1000 nm und insbesondere im Bereich von 1064 nm bis 1550 nm.
Scannende LiDAR-Systeme - zum Beispiel im Sinne so genannter Makroscanner - verwenden meist ein rotierendes Element, welches z.B. eine vertikale Laserlinie in die Umgebung aussendet und diese damit überstreicht. Da hier nur ein kleiner Bereich des FoV mit einem Laserblitz ausgeleuchtet wird, muss der Laser mit einer hohen Frequenz betrieben werden, z.B. im Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 1000 kHz.
Um mit einer Linienausleuchtung Reichweiten von zum Beispiel 200 m und Auflösungen im Bereich unterhalb von 0,15° zu erreichen, werden Laserleistungen nahe dem Kilowatt benötigt.
Da ein einzelner Halbleiterlaser diese Leistungen nicht bereitstellen kann, heute verfügbare Halbleiterlaser erreichen Leistungen von etwa 70 W bis etwa 120 W bei einer Pulsdauer im Bereich von etwa 1 ns bis etwa 3 ns, müssen eine Mehrzahl Halbleiterlaser parallel geschaltet werden, z.B. mit einer Anzahl von etwa 10 bis 15 Stück.
Die Halbleiterlaser werden beispielsweise mit jeweils einem Lasertreiber kontaktiert. Die benötigten Pulsströme liegen im Bereich von etwa 30 A bis etwa 60 A. Damit die Zuleitungsverluste gering werden, müssen die Halbleiterlaser sehr nahe an den Treibern positioniert werden. Je näher ein Laser am Treiber positioniert werden kann, desto geringer sind die Verluste, die durch die Zuleitungsinduktivität verursacht werden.
Es werden elektrisch-optische Wirkungsgrade im Bereich von etwa 5 % bis etwa 10 % erreicht. Systeme mit Anzahl von 10 bis 15 Halbleiterlasern und 1000 W Sendeleistung erzeugen dann in etwa 10 W bis etwa 20 W Abwärme. Der Pitch von Lasertreiber zu Lasertreiber, der im Bereich von etwa 3 mm bis etwa 5 mm liegen kann, bestimmt hierbei überwiegend die Baugröße der Sendeeinheit eines bekannten LIDAR-Systems.
Problematisch beim Stand der Technik ist, dass Halbleiterlaser mit Laserpulsen mit einer Pulsdauer im Bereich von etwa 1 ns bis etwa 3 ns eine spezielle Treiberschaltung und aufwändige Aufbautechnik benötigen, um derart kurze Pulse zu erzeugen.
Zudem werden die Halbleiterlaser typischerweise bei hohen Strömen betrieben um viel Leistung zu erhalten. Bei hohen Strömen sinkt allerdings der elektrooptische Wirkungsgrad und es entsteht störende Abwärme. Wenn eine hohe Leistung benötigt wird, werden heute mehrere Halbleiterlaser parallel betrieben. Das Licht muss dann je nach Konzept mit aufwändiger Optik zusammengeführt werden. Halbleiterlaser ändern ihre Wellenlägen mit der Temperatur. Dies ist in LiDAR-Systemen wegen der Kombination mit dem Sonnenlichtfilter sehr störend, da die Wellenlänge aus dem Filterbereich herauslaufen kann.
Die hier beschriebenen Mängel beim Stand der Technik lassen sich mit der vorgestellten Erfindung entweder vermeiden oder reduzieren.
Durch die in der Erfindung ausgewählten Kristalltypen - z.B. von ND:YVO₄, ND:GDVO₄ und ND:KDW - ist es möglich, mit den Laserwellenlängen 912 nm, 914 nm und 911 nm eine Strahlquelle 65 für ein LiDAR-System 1 zu realisieren.
Diese Wellenlängen liegen in dem erfindungsgemäß bevorzugten Bereich von etwa 900 nm bis etwa 920 nm und vorzugsweise im Bereich von etwa 905 nm bis etwa 915 nm und haben den Vorteil, dass beim Senden und Empfangen durch Wasserabsorption nur eine geringe Dämpfung auftritt, weil die IR-Absorptionsbanden des Wassers anders gelagert sind. Außerdem treffen diese Wellenlängen auf eine ausreichende Empfindlichkeit bei der Verwendung von Si-Detektoren.
Mit der Erfindung lässt sich sehr einfach eine hohe Wiederholfrequenz von Laserpulsen des Primärlichts 57 erzeugen. Dies ist insbesondere bei Verwendung eines Single-Photon-Avalanche-Detektors, zum Beispiel im Sinne einer SPAD, in der Empfängeroptik 30 notwendig, um ein TCSPC-basiertes Time-of-Flight-System (ToF) zu schaffen (TCSPC : time-correlated single-photon counting).
Außerdem kann der Festkörperlaser 65-2 durch relativ einfache konstruktive Anpassungen Laserpulse im Kilowattbereich mit Pulslängen von etwa 0,5 ns bis etwa 2 ns erzeugen. Pulslänge und Pulsenergie werden durch die Länge des Laserresonators und durch das Transmissionsvermögen des sättigbaren Absorbers als Q-Switch 65-3 vorgegeben.
Durch die kompakte Bauart des Festkörperlasers 5 und 60-2 und den integrierten Q-Switch 5 und 60-3, z.B. in der Ausführung als sättigbarer Absorber und/oder mit den Kristallmaterialien Cr⁴⁺:YAG oder V:YAG, kann ein Pulslaser mit einer hohen Laserleistung, einem kurzen Laserpuls, einer stabiler Wellenlänge sowie hohen Wiederholfrequenz in einem scannenden LIDAR-System verwendet werden.
Durch die Kombination von einem einzigen Halbleiterlaser 65-1 im Dauerstrichbetrieb oder CW-Betrieb, die elektrisch-optische Effizienz von Halbleiterlasern liegt bei etwa 50% im CW- und QCW-Betrieb, mit einem Festköperlaser mit einer optisch-optischen Effizienz im Bereich von etwa 25 % bis etwa 50%, wird ein hoher elektrisch-optischer Wirkungsgrad im Bereich von etwa 12 % bis etwa 25 % erzeugt.
Der Gesamtwirkungsgrad kann also etwa doppelt so hoch sein wie mit einem bekannten scannenden LiDAR-System. Ein hoher Wirkungsgrad ist systembedingt notwendig, da eine aktive Kühlung in einem Automotiv-LiDAR nur schwer realisierbar ist.
Durch die Erfindung werden parasitäre Einkopplungen elektromagnetischer Felder, die durch die Erzeugung von kurzen Strompulsen am Lasertreiber 65-9 entstehen, also bei Lidar-Systemen mit einer Vielzahl von Halbleiterlasern, nahezu komplett verhindert. Die Erzeugung der kurzen Laserpulse erfolgt im Festkörperlaserresonator zum Beispiel mittels eines sättigbaren Absorbers als Q-Switch 65-3.
Das laseraktive Material z.B. ND:YVO speichert Photonen und der sättigbare Absorber schaltet als Q-Switch 65-3, ab erreichter Strahldichte, den Laserresonator für weinige Nanosekunden frei. Abhängig von der Länge des Resonators und der optischen Parameter - zum Beispiel der Spiegelreflektivität und der Dotierung der Lasermaterialien - können die Pulslänge und Pulsenergie im Lidar-System 1 eingestellt werden.
Eine temperaturgesteuerte Wellenlängenstabilisierung wird im oder am Sendelaser, also dem zu Grunde liegenden Halbleiterlaser 65-1, nicht benötigt, weil der verwendete Festkörperlaser sehr wenig Wellenlängenänderung über die Temperatur aufweist, zum Beispiel mit Werten im Bereich von weniger als 0,1 nm pro 100 K. Dadurch kann das optische Filter, zum Beispiel als Teil der Sekundäroptik 35, im Empfangspfad der Empfängeroptik 30 sehr schmalbandig gewählt werden. Durch ein schmalbandiges Filter wird nur - wenn überhaupt - ein sehr geringer Anteil an Störlicht an der Detektoranordnung 20 und den Detektoren 22 empfangen. Folglich kann die Reichweite des LiDAR-Systems 1 erhöht werden.
Der Halbleiterlaser 65-1 als Pumplaser kann bei einem 360° scannenden LiDAR-System 1 im Dauerstrich- oder CW-Betrieb betrieben werden und bei einem z.B. 180° scannenden Lidar-System 1 im Quasidauerstrichbetrieb (Quasidauerstrichbetrieb =QCW-Betrieb) betrieben werden. Zum Beispiel ergibt sich für 180° FoV und einer Bildfrequenz von 10Hz eine Pulslänge von etwa 50 ms. Da der Halbleiterlaser 65-1 mit dem Treiber 65-9 im CW-Betrieb oder QCW-Betrieb (Pulse >10ms) betrieben werden kann, können die Zuleitungsinduktivitäten vernachlässigt werden. Eine aufwendige Aufbautechnik, z.B. für niederinduktive Beschaltungen, wird nicht benötigt. Folglich ist der zu Grunde liegende Lasertreiber 65-9 einfacher zu realisieren und die Verlustleitung wird verringert.
Gegenüber einem Lidar-System mit vielen Halbleiterlasern, die eine homogene Ausleuchtung erzeugen, hat das bevorzugte erfindungsgemäße Lidar-System 1 einen verhältnismäßig geringen Aufwand hinsichtlich der verwendeten Optiken und weist auch sonst weniger Komponenten auf. Bekannte Lidar-Systeme mit mehreren Lasern benötigen eine aufwendige optische Aufbautechnik, weil für jeden Laser eine präzise Ausrichtung zur Sendeoptik oder die Sendeoptik zum Laser nötig ist, um eine homogene gleichmäßige Ausleuchtung zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Senderoptik 60 und somit die gesamte Sendeeinheit können mit einem reduzierten Bauvolumen realisiert werden, da nur ein einziger Halbleiterlaser 65-1 als Pumplaser zum Beispiel mit etwa 4 W bis etwa 20 W CW-Leistung benötigt wird. Der Festkörperlaser 65-2, aufgefasst als Sendelaser, der eine Eintrittsfläche von etwa 2 mm x 2 mm und eine Länge von etwa 5 mm bis etwa 15 mm hat, benötigt zusätzlich zur Strahlformung eine Strahlformungsoptik 66, z.B. mit 2 bis 3 Zylinderlinsen.
Durch den in der Erfindung benötigten CW-Betrieb eines Halbleiterlasers 65-1 werden keine hochfrequenten elektromagnetischen Störsignale erzeugt. Die kurzen optischen Pulse von etwa 2 ns bis etwa 10 ns werden rein optisch erzeugt und nicht durch kurze Strompulse im Treiber 65-9 für den Halbleiterlaser 65-1. Dies hat einen enormen Vorteil gegenüber bekannten Konzepten, da die benötigte Auswertelektronik (z.B. ASIC, FPGA, A/D-Wandler,...) im LiDAR-System 1 nicht durch parasitäre hochfrequente elektromagnetische Pulse beeinflusst oder gestört werden kann.
Die Wiederholfrequenz wird mittels optischer CW-Leistung am Halbleiterlaser 65-1 als Pumplaser eingestellt. Diese ergibt sich aus den Parametern des sättigbaren Absorbers und des Pumpvolumens im Kristall. Die zeitliche Regelschleife wird durch eine zeitliche Messung der Ist-Frequenz zur SollFrequenz als Systemanforderung eingestellt. Für die Messung der aktuellen Wiederholfrequenz am Festkörperlaser 65-2 wird im Sendepfad, also im Strahlengang 61 der Senderoptik 60, eine Monitordiode oder allgemein ein Monitorelement 65-4 benötigt, wie dies im Zusammenhang mit den 1 und 2 dargestellt ist.
Der Aufbau mit Halbleiterlaser 65-1, Festkörperlaser 65-2 und Monitordiode 65-4 kann hierbei komplett auf einem rotierenden Rotor 200 integriert sein, wie dies im Zusammenhang mit 4 dargestellt ist.
Eine weitere Ausführungsform des Halbleiterlasers 65-1 als Pumplaser sieht ein wellenlängenstabilisierendes VBG-Gitter 65-10 vor, wie dies im Zusammenhang mit 3 gezeigt ist. Durch das VBG-Gitter 5 und 60-10 kann der Pumplaser 65-1 in einem Arbeitstemperaturbereich von z.B. etwa 10°C bis etwa 105°C betrieben werden, und zwar ohne nennenswerte Änderung der Pumpwellenlänge. Dadurch kann der Pumplaser 65-1 den Festkörperlaser 65-2 im optimalen Absorptionsspektrum treffen und arbeitet mit optimaler optischoptische Effizienz. Bei sehr niedrigen Temperaturen im Bereich von etwa -40°C bis etwa +10°C kann das System durch eine Erwärmung auf den Temperaturbereich gebracht werden und benötigt keine aktive Kühlung, wie dies im Zusammenhang mit 3 dargestellt ist.
Mögliche Alternativen:

1. Der Festkörperlaser 65-2 als Sendelaser wird nicht mehr auf dem drehenden rotierenden Spiegelsystem und dem Rotor 200 platziert. Da der Laserstrahl des Primärlichts 57 aus dem Festkörperlaser einen kleinen Durchmesser von weniger als 2 mm und einen niedrigen Divergenzwinkel von weniger als 2° hat, wird es möglich, den Strahl in der Mitte der Achse eines rotierenden Spiegelsystems und des Rotors 200 zu führen, wie dies im Zusammenhang mit 5 beschrieben ist.
2. Der Q-Switch 65-3 als passiver Güteschalter, zum Beispiel als sättigbarer Absorber, der ohne Ansteuerung die Laserpulse durchschaltet, kann durch einen aktiven Güteschalter ersetzt werden. Ein aktiver Güteschalter kann die Pulsfrequenz ohne Regelkreis exakt einstellen, wie dies im Zusammenhang mit der Anordnung aus 6 dargestellt ist. Die aktive Güteschaltung kann z.B. durch einen Q-Switch 65-3 in der Ausführungsform eines optoakustischen Güteschalters - einen so genannter AOM oder akustooptischen Modulator - umgesetzt werden. Der AOM lässt in Abhängigkeit der akustischen angelegten Frequenz den Laserstrahl aus dem Resonator oder blockt ihn. Eine weitere Ausführungsform des aktiven Güteschalters ist die Pockelszelle. Die in der Erfindung verwendeten Laserkristalle erzeugen linear polarisiertes Laserlicht in einer Vorzugsrichtung. Eine Pockelszelle ist ein doppelbrechender Kristall, welcher in Abhängigkeit der angelegten elektrischen Spannung, linear polarisiertes Licht blockt oder durchlässt. Da ein aktiver Güteschalter als Q-Switch 65-3 im Wesentlichen etwas größer ist, wird dadurch der Resonator des Festkörperlasers 65-2 verlängert. Die Pulslänge des Laserpulses wird das Schaltverhalten und die Abmessungen der Pockelszelle bestimmt.
3. Das Konzept gemäß 5 zeichnet sich insbesondere durch folgende Vorteile aus:
- - Ein kleineres Gehäuse ist ausreichend, weil das Lasermodul, also die Lichtquelle 65, außerhalb der eigentlichen Anordnung aus Stator 100 und Rotor 200 positioniert werden kann.
- - Es liegt ein geringerer Wärmeeintrag im Lidar-System 1 vor, weil der Lasertreiber 65-9, Halbleiterlaser 65-1 und Festkörperlaser 65-2 voneinander separiert sind, sich in einem Gehäuse befinden und ein Lasermodul außerhalb der Anordnung aus Stator 100 und Rotor 200 bilden. Das Lasermodul, also die Lichtquelle 65 insgesamt, kann an einem Platz mit geringerer Umgebungstemperatur, guter Wärmeableitung und geringen Umwelteinflüssen verbaut werden.
- - Der Rotor 200 besitzt eine geringere räumliche Ausdehnung und eine geringere Masse. Vorteile eines kleineren Rotors 200 sind, dass er unempfindlicher ist gegen von außen einwirkende Stoßkräfte, dass die Lagerung des Rotors 200 einfacher und kostengünstiger realisiert werden kann, dass der Antriebmotor

Claims

Senderoptik (60) für ein abtastendes LiDAR-System (1) zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht (57) in ein Sichtfeld (50), - mit einer Lichtquelle (65) zum Erzeugen des Primärlichts (57), - wobei die Lichtquelle (65) einen Halbleiterlaser (65-1), einen Festkörperlaser (65-2) und einen Q-Switch (65-3) aufweist, welche in dieser Reihenfolge in einer Ausgaberichtung für das Primärlicht (57) angeordnet und so eingerichtet sind, - dass im Betrieb der Halbleiterlaser (65-1) als Dauerstrichpumplaser den Festkörperlaser (65-2) pumpt und der gepumpte Festkörperlaser (65-2) in optischer Kopplung mit dem Q-Switch (65-3) als Primärlichtquelle zur Ausgabe des Primärlichts (57) fungiert.
Senderoptik (60) nach Anspruch 1, bei welcher der Q-Switch (65-3) passiv, als optisch sättigbarer Absorber, aus oder mit V:YAG und/oder aus oder mit Cr⁴⁺:YAG ausgebildet ist.
Senderoptik (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Q-Switch (65-3) aktiv, als ein oder mit einem optoakustischen Modulator und/oder als eine oder mit einer Pockelszelle ausgebildet ist.
Senderoptik (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Festkörperlaser (65-2) - eingerichtet ist, Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 900 nm bis etwa 920 nm und vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich von etwa 905 nm bis etwa 915 nm auszusenden, - monolithisch ausgebildet ist und/oder - mit oder aus Nd:GDVO₄,Nd:YVO₄, Nd:KDW oder einer beliebigen Kombination daraus aufgebaut ist.
Senderoptik (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Halbleiterlaser (65-1) mit oder als Kantenemitter, VBG-Anordnung und/oder VCSEL-Anordnung ausgebildet ist.
Senderoptik (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher zur Steuerung des Betriebs der Lichtquelle (65) in einem Strahlengang (61) der Senderoptik (60) ausgangsseitig von der Lichtquelle (65) und/oder ausgangsseitig vom Q-Switch (65-3) ein Monitorelement (65-4) zum Erfassen des Primärlichts (57) oder eines Teils davon ausgebildet ist.
LiDAR-System (1) vom abtastenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50) für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug, - mit einer Senderoptik (60) zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht (57) in das Sichtfeld (50) und - mit einer Empfängeroptik (30) zum Empfangen aus dem Sichtfeld (50) stammenden Sekundärlichts (58), - wobei die Senderoptik (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
LiDAR-System (1) nach Anspruch 7, - mit einem Stator (100) und einem gegenüber dem Stator (100) um eine Rotationsachse (5) rotierbaren Rotor (200), - wobei zumindest ein Teil der Senderoptik (60) eine Ablenkoptik (62) und/oder eine Strahlformungsoptik (66) oder Teile davon, und/oder zumindest ein Teil der Empfängeroptik (30) im Rotor (200) aufgenommen sind.
LiDAR-System (1) nach Anspruch 8, wobei - die Lichtquelle (65) und/oder der Halbleiterlaser (65-1), der Festkörperlaser (65-2) und der Q-Switch (65-3) außerhalb des Rotors (200) angeordnet sind und/oder - zumindest ein Teil der Lichtquelle (65) außerhalb des Stators (100) angeordnet ist, insbesondere mit dem Halbleiterlaser (65-1) außerhalb des Stators (100), dem Festkörperlaser (65-2) und dem Q-Switch (65-3) innerhalb des Stators (100) und einem Lichtleiter (66-2) zur optischen Einkopplung der Strahlung des Halbleiterlasers (65-1) in den Festkörperlaser (65-2).
Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug, mit einem LiDAR-System (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).