DE102018204858B4

DE102018204858B4 - LiDAR-System

Info

Publication number: DE102018204858B4
Application number: DE102018204858.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Baier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: US11520016B2; CN110320505A; US20190302239A1; DE102018204858A1

Abstract

LiDAR-System (1), umfassend:eine Optikanordnung, die eine erste Linse (2), die vorzugsweise statisch angeordnet ist, und eine zweite Linse (3), die bezogen auf die erste Linse (2) vorzugsweise drehbeweglich gelagert ist, aufweist,wobei die erste Linse (2) und die zweite Linse (3) auf einem gemeinsamen optischen Pfad liegen, wobeimindestens eine der ersten Linse (2) oder der zweiten Linse (3) dafür eingerichtet ist, in Rotation versetzbar zu sein, um eine Strahlablenkung von dem optischen Pfad in mindestens eine Raumrichtung zu bewirken,dadurch gekennzeichnet, dassmindestens die erste Linse (2) oder die zweite Linse (3) mindestens eine gewölbte Oberfläche (5, 6) auf dem optischen Pfad aufweist und die gewölbte Oberfläche (5, 6) einer Linse (2, 3) eine konvex gewölbte Oberfläche (5) ist, die der anderen Linse (2, 3) zuwendbar ist; undwobei die konvex gewölbte Oberfläche (5) angrenzend an eine ebenfalls auf dem optischen Pfad liegende konkav gewölbte Oberfläche (6) der anderen Linse (2, 3) angeordnet ist, so dass die konvex gewölbte Oberfläche (5) in die konkav gewölbte Oberfläche (6) eingreift.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System, das eine Optikanordnung umfasst, die eine erste Linse, die vorzugsweise statisch angeordnet ist, und eine zweite Linse, die bezogen auf die erste Linse vorzugsweise drehbeweglich gelagert ist, aufweist, wobei die erste Linse und die zweite Linse auf einem gemeinsamen optischen Pfad liegen.
Stand der Technik
Die Abkürzung LiDAR steht für Light detection and ranging. Das LiDAR-Verfahren basiert, wie RADAR-Sensoren, auf der Aussendung von elektromagnetischen Strahlen in die Umgebung. Ein LiDAR-Sensor kann als eine Art Scanner umgesetzt sein und erlaubt eine Distanzmessung zu Objekten in der Umgebung. LiDAR wird zunehmend in Kraftfahrzeugen verwendet, um beispielsweise Verkehr in der Umgebung zu untersuchen. Beispielsweise kann mittels LiDAR der Abstand zu oder die Geschwindigkeit von Objekten wie zum Beispiel Autos in der Umgebung bestimmt werden. Häufig umfasst ein LiDAR-System mindestens eine Lichtquelle, die oftmals eine Laserquelle ist, und einen Detektor. Die Lichtquelle sendet Lichtstrahlen, also beispielsweise Laserstrahlen, in Richtung eines Objekts, zum Beispiel eines Autos, aus und der Detektor empfängt den von dem Objekt reflektierten Lichtstrahl. So kann zum Beispiel auch die Position des Objekts ermittelt werden, um einen Zusammenstoß zu vermeiden. Das LiDAR-System kann also, wenn es zum Beispiel in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, effektiv die Fahrsicherheit des Kraftfahrzeugs erhöhen. Zudem können LiDAR-Sensoren für die präzise Umgebungserfassung beim autonomen Fahren verwendet werden.
Scannende LiDAR-Systeme verwenden meist ein rotierendes Element, um eine horizontale Ortsauflösung zu erzielen. Hierbei gibt es zwei übliche Ansätze. Beim ersten Ansatz rotiert das gesamte System mit Laserquelle und Detektor. Dies hat den Nachteil, dass mindestens eine Leistungsversorgung und mindestens eine Datenübertragung auf dem drehenden Element realisiert werden muss. Der zweite Ansatz umgeht die Nachteile des ersten Ansatzes, indem lediglich eine Strahlablenkungsoptik rotiert, wobei die Laserquelle, oft auch kurz als Laser bezeichnet, und meist auch der Detektor ortsfest sind.
Bei gängigen Systemen ist die Strahlablenkungsoptik ein Spiegel, wie aus der DE102012021831A1 und der DE102013012789A1 bekannt, wobei die Hauptstrahlrichtung (also die ursprüngliche Strahlrichtung des Lasers) nicht genutzt werden kann, da der Laser im Strahlengang des Sendestrahls sitzt. Daher wird der horizontale Scanbereich meist entweder um 90° gedreht, wie aus der DE102012021831A1 bekannt, oder die Einstrahlrichtung aus der horizontalen Ebene heraus gekippt, beispielsweise mit einem Spiegel, wie einem Polygonspiegel.
Die EP 2 304 489 B1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Laserabtastung, insbesondere eine Vorrichtung zur Abtastung eines Raumbereichs vor einem LiDAR-System mittels eines fokussierten Laserstahls. Die Vorrichtung umfasst im optischen Strahlengang ein erstes und ein zweites drehbar gelagertes Deflektorelement, wobei über die Drehung mindestens eines der Deflektorelemente eine Ablenkung der hindurchtretenden Strahlung erfolgt. Durch Drehung des drehbeweglich gelagerten Linsenkörpers kann zur Steuerung der Strahlablenkung der Winkel zwischen den Außenflächen variiert werden, es erfolgt also eine Prismenverstellung.
Aus der US 7 123 394 B2 ist eine Einrichtung zur Laserstrahlablenkung für optische Messsysteme umfassend ein optisches Element zur Ablenkung eines einfallenden Laserstrahls und eine Antriebseinheit zur Erzeugung einer Rotationsbewegung zwischen dem optischen Element und dem einfallenden Laserstrahl, um den Laserstrahl in verschiedene aufeinander folgende Richtungen abzulenken, bekannt. Das optische Element umfasst mindestens zwei Segmente zur Ablenkung des einfallenden Laserstrahls um jeweils einen festen Ablenkwinkel.
Aus der US 2016 / 0 274 223 A1 ist eine Objekterfassungsvorrichtung bekannt umfassend eine Lichtquelle, die mehrere Lichtemissionseinheiten umfasst, die in einer Unterabtastrichtung angeordnet sind; einen Deflektor, der Licht von der Lichtquelle ablenkt; und einen optischen Detektor, der mehrere Lichtempfangseinheiten enthält, die in der Unterabtastrichtung angeordnet sind, um den mehreren Lichtemissionseinheiten zu entsprechen, und Licht empfängt, das von dem Deflektor abgelenkt und von einem Objekt reflektiert wird.
Aus der US 6 343 767 B1 ist ein Raketensucher bekannt, aufweisend eine Kuppel mit einer optischen Anordnung. Die optische Anordnung umfasst ein erstes Prisma, das zur Drehung um eine optische Achse angebracht ist, und ein zweites Prisma, das zur Drehung um die optische Achse angebracht ist. Eine erste Motoranordnung dient dem Drehen des ersten Prismas um die optische Achse und eine zweite Motoranordnung dem Drehen des zweiten Prismas um die optische Achse. Eine Steuerung ist vorgesehen, um den ersten und den zweiten Motor zu aktivieren, um den Strahl in einem Winkel phi zu lenken und den Strahl in einem Winkel theta zu nicken.
Mangel an manchen LiDAR-Systemen gemäß dem Stand der Technik ist, dass aus der Drehung des horizontalen Scanbereichs ein asymmetrisches Verhalten bezüglich der Empfangsapertur entsteht. Das heißt, mit zunehmendem Rotationswinkel des Spiegels verringert sich die Empfangsfläche, also die projizierte Fläche des Spiegels. Zusätzlich wird aus diesem Grund oftmals ein größerer Spiegel benötigt.
Ein weiterer Mangel an einigen LiDAR-Systemen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist die Verzerrung des vertikalen Scans über der Rotation, wenn der Laser aus der horizontalen Ebene herausgekippt wird. Dies wird insbesondere dann deutlich, wenn große horizontale Ablenkwinkel (beispielsweise >50°) mit einem großen vertikalen Einstrahlwinkel (beispielsweise >20°) kombiniert werden. Zum Randbereich hin kippt die vertikale Scanrichtung zur Horizontalen, wodurch das vertikale Sichtfeld reduziert wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein LiDAR-System zur Verfügung gestellt, welches eine Optikanordnung umfasst, die eine erste Linse, die vorzugsweise statisch angeordnet ist, und eine zweite Linse, die bezogen auf die erste Linse vorzugsweise drehbeweglich gelagert ist, aufweist, wobei die erste Linse und die zweite Linse auf einem gemeinsamen optischen Pfad liegen, wobei mindestens eine der ersten Linse oder der zweiten Linse dafür eingerichtet ist, in Rotation versetzbar zu sein, um eine Strahlablenkung von dem optischen Pfad in mindestens eine Raumrichtung zu bewirken.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße LiDAR-System hat den Vorteil, dass durch Rotation mindestens einer Linse der Optikanordnung eine Strahlablenkung in eine Raumrichtung realisierbar ist. Hierdurch kann mit dem Laser in der Strahlablenkungsebene auf die Optikanordnung gestrahlt werden und trotzdem in diese Hauptstrahlrichtung elektromagnetische Strahlung aus dem LiDAR-System austreten.
Da nur eine Linse rotiert werden muss, ergibt sich eine geringe bewegte Rotationsmasse. Auf dem Rotor werden nur passive Komponenten benötigt. Somit ist keine Energie- beziehungsweise Datenverbindung auf den Rotor notwendig. Die Empfangsapertur zeigt vorteilhafterweise ein symmetrisches Verhalten, zu den Rändern hin abnehmend. Eine Kombination von horizontaler und vertikaler Scanrichtung wird ermöglicht. Sende- und empfangsseitig weist das LiDAR-System vorteilhafterweise seine besten Eigenschaften im Zentrum des Sichtfelds auf. Das Linsensystem hat keine oder höchstens geringe Auswirkungen auf die Strahlform. Ein koaxialer und biaxialer Aufbau ist möglich. Ist mindestens eine Linse statisch angeordnet, kann deren Außenoberfläche als Begrenzung zur Umwelt dienen, sodass keine weiteren optischen Verluste bei einem Durchgang durch eine Abdeckung oder Gehäuse des LiDAR-Systems in Kauf genommen werden müssen, wie es sonst der Fall wäre. Das LiDAR-System kann ein Automotive LiDAR-System sein, also zum Einbau in ein Kraftfahrzeug, oder auch in ein anderes scannendes System, das eine hohe Anforderung an die Strahlform benötigt, geeignet sein.
Erste Linse und zweite Linse dienen in diesem Sinne nicht der Beschreibung einer Rangordnung oder Reihenfolge der Linsen in der Optikanordnung, sondern nur deren eindeutiger Unterscheidbarkeit, also zur besseren Klarheit. Alternativ kann die erste Linse also einfach nur als Linse und die zweite Linse als weitere Linse der Optikanordnung bezeichnet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Die erste Linse ist vorzugsweise eine statisch angeordnete Linse. Die zweite Linse ist vorzugsweise eine zur ersten Linse drehbeweglich gelagerte Linse. In manchen Ausführungsformen ist die erste Linse eine zur zweiten Linse drehbeweglich gelagerte Linse. In manchen Ausführungsformen ist die zweite Linse eine statische Linse. In manchen Ausführungsformen sind sowohl die erste Linse als auch die zweite Linse zueinander drehbeweglich gelagerte Linsen. Eigenschaften und Vorteile, die im Folgenden für die zweite Linse als drehbewegliche Linse beschrieben werden, können mutatis mutandis auch Eigenschaften und Vorteile der ersten Linse sein, wenn in Ausführungsformen die erste Linse drehbeweglich zur zweiten Linse eingerichtet ist. Eigenschaften und Vorteile, die im Folgenden für die erste Linse als statische Linse beschrieben werden, können mutatis mutandis auch Eigenschaften und Vorteile der zweiten Linse sein, wenn in Ausführungsformen die zweite Linse statisch angeordnet ist.
In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite Linse in mindestens eine Raumrichtung drehbeweglich gelagert ist. So kann eine Winkelbeziehung zwischen Oberflächen der ersten Linse und Oberflächen der zweiten Linse variierbar sein, um die Strahlablenkung zu bewirken. Das bedeutet, dass durch die Rotation der zweiten Linse eine Winkelstellung zwischen mindestens einer Oberfläche der ersten Linse und mindestens einer Oberfläche der zweiten Linse veränderbar ist, was die Strahlablenkung bewirkt. In einigen Ausführungsformen ist eine einfache Lagerung der zweiten Linse vorgesehen. So kann auf einfache Weise eine drehbewegliche Lagerung in eine Raumrichtung ermöglicht werden. Manche Ausführungsformen sehen jedoch eine kardanische Lagerung der zweiten Linse vor. Dann ist die zweite Linse in zwei Raumrichtungen drehbeweglich gelagert. Eine kardanische Lagerung ist eine Lagerung in zwei sich schneidenden und zueinander in einem rechten Winkel angeordneten Drehlagern. Dadurch kann eine flexible Drehpositionierung der zweiten Linse sichergestellt werden.
Weiterhin ist vorgesehen, dass mindestens die erste oder die zweite Linse mindestens eine gewölbte Oberfläche auf dem optischen Pfad aufweist. Es ist die gewölbte Oberfläche einer Linse eine konvex gewölbte Oberfläche, die der anderen Linse zuwendbar ist. Die konvex gewölbte Oberfläche kann also, abhängig von einer Rotationsstellung der drehbeweglichen Linse, vorzugsweise eine Innenfläche einer der beiden Linsen bilden. Die konvex gewölbte Oberfläche ist also für einige Rotationsstellungen der drehbeweglichen Linse derart auf dem optischen Pfad angeordnet, dass ein Lichtstrahl auf dem optischen Pfad zunächst eine der beiden Linsen durchlaufen muss, bis er durch die konvex gewölbte Oberfläche hindurchtritt, und anschließend die andere der beiden Linsen durchlaufen muss. Ist die konvex gewölbte Oberfläche durch geeignete Wahl der Rotationsstellung zwischen den Linsen angeordnet, kann die konvex gewölbte Oberfläche durch die Körper der beiden Linsen vor Umwelteinflüssen geschützt sein.
Vorgesehen ist, dass die konvex gewölbte Oberfläche angrenzend an eine ebenfalls auf dem optischen Pfad liegende konkav gewölbte Oberfläche der anderen Linse angeordnet ist. Es greift die konvex gewölbte Oberfläche in die konkav gewölbte Oberfläche ein. Als Grundprinzip ist vorzugsweise die Kombination der statischen und der drehbeweglichen Linse verwirklicht, wobei sich die gekrümmten Flächen der Linsen gegenüberstehen. Man erhält beim Strahldurchgang durch beide Linsen das Verhalten eines Prismas, das je nach Rotationswinkel der drehbeweglichen Linse unterschiedliche Brechungswinkel aufweist und somit zu einer vom Rotationswinkel abhängigen Strahlablenkung führt. So ist eine platzsparende Konstruktion der prismenartigen Optikanordnung möglich.
In einigen Ausführungsformen ist zwischen der konkav gewölbten Oberfläche und der konvex gewölbten Oberfläche ein Spalt gebildet. Das kann sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Optikanordnung und die Drehbarkeit der drehbeweglichen Linse auswirken. Ein Einfluss des Spalts auf die Strahlform kann durch Anpassung der Krümmungsradien aufgehoben werden. Bevorzugt ist der Spalt ein radial konstanter Spalt. Vorzugsweise sind die Krümmungsradien der konvexen und/oder der konkaven Oberfläche also dafür angepasst, den radial konstanten Spalt zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse bereitzustellen. Bevorzugt ist also ein Krümmungsradius der konkaven Oberfläche zur Korrektur eines Spalts zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse angepasst. Dies kann sich auch vorteilhaft bezüglich der Robustheit des Systems auswirken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Linse die konkav gewölbte Oberfläche aufweist und die zweite Linse die konvex gewölbte Oberfläche aufweist. Die zweite Linse kann als Kreissegment ausgeführt sein. Dann kann eine Drehachse in einer Aufsicht auf das Kreissegment senkrecht durch den Mittelpunkt eines gedachten Vollkreises, auf dem das Kreissegment liegt, angeordnet sein. Ein bevorzugtes Kreissegment ist ein Halbkreis. Prinzipiell sind beide Linsen sowohl statisch als auch drehbeweglich realisierbar, wobei die Drehachse in allen Ausführungsformen dieselbe ist. In anderen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die erste Linse die konvex gewölbte Oberfläche aufweist und die zweite Linse die konkav gewölbte Oberfläche aufweist.
In einigen Ausführungsformen liegt die erste Linse auf dem optischen Pfad, von einer Lichtquelle kommend, vor der zweiten Linse. Das bedeutet, dass in einem solchen Aufbau der Sendelichtstrahl vorzugsweise zuerst auf die statische Linse trifft und dann durch die drehbewegliche Linse abgelenkt wird. Hierbei ist die Optikanordnung vorzugsweise so eingerichtet, dass nur eine plane Oberfläche der drehbeweglichen, vorzugsweise zweiten, Linse eine Strahlablenkung bewirkt. Dadurch ist der maximale Scanwinkel begrenzt. In anderen Ausführungsformen liegt die zweite Linse auf dem optischen Pfad, von einer Lichtquelle kommend, vor der ersten Linse. Das heißt, der Aufbau kann auch gespiegelt vorgenommen werden, wobei der Sendestrahl zuerst auf die drehbewegliche Linse und dann auf die statische Linse trifft. In dieser Anordnung sind bei gleichem Rotationswinkel der drehbeweglichen Linse deutlich größere Scanwinkel erreichbar. Zudem ist der absolut erreichbare Scanwinkel bei dieser Anordnung ebenfalls deutlich größer. Die Empfangsapertur ist hauptsächlich durch die Linse begrenzt, die empfangsseitig zuerst durchlaufen wird. Eine Vergrößerung der Empfangsapertur steht in Wechselwirkung mit dem benötigten Bauraum.
Bevorzugt ist, dass jeweils mindestens eine weitere Oberfläche der ersten Linse oder der zweiten Linse auf dem optischen Pfad plan ausgeführt ist. Vorzugsweise ist eine Außenoberfläche der ersten Linse und/oder eine Außenoberfläche der zweiten Linse eine plane Oberfläche. Die Außenoberfläche wird auf dem optischen Pfad als erste Oberfläche oder als letzte Oberfläche der beiden Linsen durchlaufen, anders als die weiter oben beschriebenen Innenoberflächen.
Bei manchen Ausführungsformen des LiDAR-Systems weist die Optikanordnung einen Schwingspiegel auf, um eine Änderung des optischen Pfads zu ermöglichen. Vorzugsweise ist der Schwingspiegel statisch im LiDAR-System angeordnet. Bevorzugt ist, dass der Schwingspiegel dafür eingerichtet ist, den Lichtstrahl auf dem optischen Pfad in die zweite Scanrichtung umzulenken. Wird durch die erste Scanrichtung ein Scannen in einer horizontalen Ebene ermöglicht, dient die zweite Scanrichtung vorzugsweise einem Scannen in einer vertikalen Ebene. Da sowohl der Schwingspiegel, als auch die beiden Linsen nur einen sehr geringen Einfluss auf die Strahlform haben, kann die Optikanordnung vorzugsweise eine Strahlformungseinheit, die mindestens ein optisches Element (zum Beispiel Linsen) aufweist, vor dem Schwingspiegel aufweisen, um die gewünschten Strahleigenschaften für den Scan zu generieren. Bevorzugt ist also, dass das LiDAR-System die Strahlformungseinheit aufweist, die dafür eingerichtet ist, Strahleigenschaften einzuprägen, bevor der Lichtstrahl auf ein Strahlablenkungselement des LiDAR-Systems trifft. Bevorzugte Strahlablenkungselemente sind der Schwingspiegel und/oder weitere Linsen zusätzlich zu der ersten Linse und der zweiten Linse. Vorzugsweise ist ein Detektor für den Lichtstrahl in Verlaufsrichtung des optischen Pfads dem Schwingspiegel nachgelagert, was ein Loch in der Empfangsapertur verursacht. Dies erlaubt eine mindestens teilweise koaxiale Anordnung. In alternativen Ausführungsformen ist eine biaxiale Anordnung vorgesehen. Dann wird die Empfangseinheit in eine andere Ebene verlagert. Dies setzt wiederum größere Linsen voraus, was zu einer Vergrößerung des Bauraums führt. Ein weiterer Effekt ist ein geringeres Empfangssignal, da der Empfangspfad nicht mehr auf der Sendeachse liegt und durch diesen axialen Versatz den beleuchteten Spot unter einem Winkel betrachtet. Ein bevorzugter Schwingspiegel ist ein Galvospiegel. Alternativ können auch andere Schwingspiegelkonzepte wie beispielsweise ein µ-Spiegel verwendet werden.
Bevorzugt ist, dass die erste Linse zwei oder mehr zueinander angewinkelt angeordnete Facetten aufweist, um ein Sichtfeld zu parallelisieren und/oder zu vergrößern. Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass die erste Linse aus zwei der mehr Teillinsen gebildet ist, die jeweils eine Facette darstellen. In Ausführungsformen der Erfindung sind einer Innenfläche der zweiten Linse zwei oder mehr zueinander angewinkelt angeordnete Facetten zugeordnet, um ein Sichtfeld zu parallelisieren und/oder zu vergrößern. Es sind dann vorzugsweise mehrere separate Teillinsen der ersten Linsen als Facetten angeordnet, besonders vorzugsweise drei Facetten. Die Facetten sind vorzugsweise voneinander in Winkelabständen um die zweite Linse herum angeordnet, besonders vorzugsweise benachbart zu der konvex gewölbten Oberfläche der zweiten Linse. Die Optikanordnung ist vorzugsweise so eingerichtet, dass eine Anzahl von statischen Lichtquellen, die der Anzahl von Facetten entspricht, derart angeordnet ist, dass jede Lichtquelle durch je eine Facette hindurchstrahlen kann. Vorzugsweise sind die Lichtquellen so gesteuert, dass nur eine oder zwei der Lichtquellen zu einem Zeitpunkt während der Rotation der drehbeweglichen, vorzugsweise zweiten, Linse gemeinsam aktiv sind. Besonders bevorzugt sind zwei Lichtquellen zeitgleich aktiv. Besonders bevorzugte Lichtquellen in dem LiDAR-System sind Laserquellen. Durch die Verwendung mehrerer Lichtquellen, die dafür angeordnet sind, aus unterschiedlichen Winkeln in die Optikanordnung, insbesondere die Facetten, einzustrahlen, kann ein größerer Scanwinkel erreicht werden. Durch mehrfachen Aufbau beziehungsweise mehrere Facetten bei der statischen Linse kann das System bei einer drehbeweglichen Linse teilweise parallelisiert werden. Das führt dazu, dass die Empfangsapertur hauptsächlich durch die Facetten begrenzt ist.
Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass mindestens eine der beiden Linsen stabförmig ist. Stabförmig bedeutet vorzugsweise zylinderförmig, besonders vorzugsweise kreiszylinderförmig. So kann eine Optikanordnung mit hoher Symmetrie bereitgestellt werden, was erlauben kann, einen großen Scanwinkel mit annähernd gleichbleibender Strahlgeometrie abzutasten. Bei einer zylinderförmigen Ausführung der Linsen wird der Scanwinkel in der zweiten Raumrichtung nicht beeinflusst. Somit kann beispielsweise durch einen statisch angeordneten Schwingspiegel zuerst ein auf einer Linie oszillierender Strahl erzeugt werden, der danach durch die Linsen zusätzlich in eine weitere Raumrichtung abgelenkt wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst das LiDAR-System mehrere Laser-Detektor-Paare. Vorzugsweise sieht das LiDAR-System mehrere Laser als Lichtquellen vor, die unter unterschiedlichen Einstrahlwinkeln in die Optikanordnung einstrahlen, vorzugsweise auf den Schwingspiegel. So kann ein größeres vertikales Sichtfeld und/oder eine höhere Auflösung für das LiDAR-System bereitgestellt werden. Zudem kann vorzugsweise die maximale Auslenkung des Schwingspiegels reduziert werden.
Ein bevorzugter Detektor ist ein Zeilendetektor, besonders vorzugsweise ein APD-Array. Ein APD-Array kann im Vergleich zu einer Einzel-APD mit gleicher Detektorfläche ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis erreichen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist ein LiDAR-System 1 gemäß einer ersten Ausführungsform in einer schematischen Aufsicht gezeigt. Das LiDAR-System 1 umfasst eine Optikanordnung. Die Optikanordnung weist eine erste Linse 2 auf. Die erste Linse 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel statisch angeordnet. Die Optikanordnung weist eine zweite Linse 3 auf. Die zweite Linse 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel bezogen auf die erste Linse 2 drehbeweglich gelagert. Die erste Linse 2 und die zweite Linse 3 liegen auf einem gemeinsamen optischen Pfad. Der optische Pfad ist der Pfad, den ein Lichtstrahl zurücklegt, der von einer Lichtquelle 4 des LiDAR-Systems 1, hier einem Laser, ausgesendet wird. Eine gestrichelte Linie deutet in 1 und auch allen folgenden Figuren eine Abstrahlrichtung des Lichtstrahls, ausgehend von der Lichtquelle 4, an. Die Abstrahlrichtung wird hier auch als Hauptstrahlrichtung bezeichnet. Die Lichtquelle 4 ist bezogen auf die erste Linse 2 statisch angeordnet. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich also mit der Optimierung eines LiDAR-Systems 1 nach dem eingangs erwähnten zweiten Ansatz, bei dem lediglich die Strahlablenkungsoptik rotiert, in diesem Fall die zweite Linse 3 der Optikanordnung, wobei der Laser, also die Lichtquelle 4, und meist auch ein Detektor, der in 1 nicht gezeigt ist, ortsfest sind.
Die Optikanordnung des LiDAR-Systems 1 erlaubt, mittels der ersten Linse 2 und der zweiten Linse 3 eine Strahlablenkung von dem optischen Pfad in eine Raumrichtung zu bewirken. Hierdurch kann mit dem Laser, der Lichtquelle 4, in der Strahlablenkungsebene auf die Optikanordnung gestrahlt und trotzdem die Hauptstrahlrichtung genutzt werden. Man erhält beim Strahldurchgang durch beide Linsen 2, 3 das Verhalten eines Prismas, das je nach Rotationswinkel der zweiten Linse 3 unterschiedliche Brechungswinkel aufweist und somit zu einer vom Rotationswinkel der zweiten Linse 3 abhängigen Strahlablenkung führt.
Vom Laser, der Lichtquelle 4, kommend durchläuft im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Lichtstrahl auf dem optischen Pfad zunächst die erste Linse 2 und dann die zweite Linse 3. Die zweite Linse 3 ist dafür eingerichtet, in Rotation versetzbar zu sein, um eine Strahlablenkung von dem optischen Pfad in mindestens eine Raumrichtung zu bewirken. Die zweite Linse 3 ist zu diesem Zweck in eine Raumrichtung drehbeweglich gelagert, sodass eine Winkelbeziehung zwischen Oberflächen der ersten Linse 2 und Oberflächen der zweiten Linse 3 variierbar ist, um die Strahlablenkung zu bewirken. Die Lagerung erfolgt im vorliegenden Fall durch ein einfaches Drehlager, das die Rotation in einer Ebene parallel zur Scanebene des Lichtstrahls erlaubt.
Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die drehbeweglich gelagerte, zweite Linse 3 eine konvex gewölbte, also ausbauchende, Oberfläche 5 auf. Die konvex gewölbte Oberfläche 5 ist der statischen, ersten Linse 2 zugewandt. Zwischen der konkav gewölbten Oberfläche 6 und der konvex gewölbten Oberfläche 5 ist ein Spalt gebildet. Die konvex gewölbte Oberfläche 5 ist eine Innenoberfläche der zweiten Linse 3. Genauer gesagt, ist die konvex gewölbte Oberfläche 5 angrenzend an eine ebenfalls auf dem optischen Pfad liegende konkav gewölbte Oberfläche 6 der ersten Linse 2 angeordnet, sodass die konvex gewölbte Oberfläche 5 in die konkav gewölbte Oberfläche 6 eingreift. Ein Krümmungsradius der konvex gewölbten Oberfläche 5 entspricht hier also genau einem Krümmungsradius der konkav gewölbten Oberfläche 6. Manche nicht gezeigten Ausführungsformen sehen aber vor, dass der Krümmungsradius der konvex gewölbten Oberfläche 5 von dem Krümmungsradius der konkav gewölbten Oberfläche 6 abweicht, um den Spalt zwischen der ersten Linse 2 und der zweiten Linse 3 zu korrigieren. In nicht gezeigten Ausführungsformen weist die erste Linse 2 die konvex gewölbte Oberfläche 5 auf und die zweite Linse 3 weist die konkav gewölbte Oberfläche 6 auf.
Wie in 1 gezeigt ist, ist mindestens eine weitere Oberfläche 7, 8 der ersten Linse 2 auf dem optischen Pfad plan ausgeführt. Die plane Oberfläche 7 der ersten Linse 2 ist eine Außenoberfläche der ersten Linse 2, in die der Lichtstrahl, auf dem optischen Pfad von der Lichtquelle 4 kommend, als erstes eintritt, bevor er die erste Linse 2 und die zweite Linse 3 durchläuft.
Wie in 1 gezeigt ist, weist auch die zweite Linse 3 als eine weitere Oberfläche auf dem optischen Pfad eine plane Oberfläche 8 auf. Die plane Oberfläche 8 der zweiten Linse 3 ist eine Außenoberfläche der zweiten Linse 3, durch die der Lichtstrahl, auf dem optischen Pfad von der Lichtquelle 4 kommend, als letztes austritt, nachdem er die erste Linse 2 und die zweite Linse 3 durchlaufen hat. Die plane Oberfläche 8 der zweiten Linse 3 und die konvex gewölbte Oberfläche 5 bilden eine Kontur der zweiten Linse 3, in einer Aufsicht entlang einer Drehachse 9 der zweiten Linse 3. In der Aufsicht entlang der Drehachse 9 ist die zweite Linse 3 halbkreisförmig. Die Drehachse 9 der zweiten Linse 3 verläuft in der Aufsicht durch einen Mittelpunkt der planen Oberfläche 8 der zweiten Linse 3 und der planen Oberfläche 8 der zweiten Linse 3. Die Drehachse der zweiten Linse 3 verläuft in der Aufsicht durch einen Kreismittelpunkt eines Kreises, dessen halber Kreisumfang von der konvex gewölbten Oberfläche 5 beschrieben ist.
Im Aufbau kann der Sendestrahl, also der vom Laser, der Lichtquelle 4, kommende Lichtstrahl, zuerst auf die statische plan-konkave, erste Linse 2 treffen und dann durch die drehbewegliche konvex-plane, zweite Linse 3 abgelenkt werden. Hierbei sorgt nur die plane Fläche, also plane Oberfläche 8, der drehbeweglichen Linse, also hier der zweiten Linse 3, für eine Strahlablenkung, wodurch der maximale Scanwinkel begrenzt ist.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt. Es nutzt dieselben Komponenten wie das erste Ausführungsbeispiel. Jedoch ist im zweiten Ausführungsbeispiel die statisch angeordnete erste Linse 2 im optischen Pfad hinter der drehbeweglich gelagerten zweiten Linse 3 angeordnet, von der Lichtquelle 4 aus betrachtet. Das heißt, der Lichtstrahl, der von der Lichtquelle 4 ausgesendet wird, durchläuft zuerst die zweite Linse 3 und dann die erste Linse 2. Dieses Ausführungsbeispiel kann verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel große Ablenkwinkel erreichen.
Lichtquelle 4, erste Linse 2, zweite Linse 3 und ein Detektor 10 sind wie im ersten Ausführungsbeispiel koaxial zueinander auf einer gemeinsamen spiegelsymmetrischen Anordnungsachse angeordnet. Die Anordnungsachse ist deckungsgleich mit dem von der Lichtquelle 4 in die Hauptstrahlrichtung ausgehenden Lichtstrahl bis hin zur zweiten Linse 3. Die Drehachse 9 der zweiten Linse 3 verläuft senkrecht zur Anordnungsachse und durch die Anordnungsachse hindurch. Eine Symmetrieachse der ersten Linse 2 verläuft senkrecht zur Anordnungsachse und durch die Anordnungsachse hindurch. Das zweite Ausführungsbeispiel kann deshalb im Vergleich zu anderen Ausführungsformen kompakt gebaut sein.
Das in 3 schematisch veranschaulichte dritte Ausführungsbeispiel des LiDAR-Systems 1 weist im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen in 1 und 2 statt einer Lichtquelle 4 drei Lichtquellen 4a-c auf, die zueinander angewinkelt angeordnet sind, sodass sie zueinander angewinkelte Lichtstrahlen in einer gemeinsamen Ebene emittieren.
In dem in 3 gezeigten LiDAR-System 1 weist die erste Linse 2 drei zueinander angewinkelt angeordnete Facetten 11a-c auf. Die drei Facetten 11a-c sind als drei identische Teillinsen ausgeführt, die bezüglich ihrer Flächen jeweils so gestaltet sind, wie die erste Linse 2 im ersten Ausführungsbeispiel. Jede Teillinse bildet also quasi eine eigenständige erste Linse 2. Die drei zueinander angewinkelt angeordneten Facetten 11a-c haben den Zweck, ein Sichtfeld des LiDAR-Sensors zu parallelisieren und zu vergrößern. Während Rotation der zweiten Linse 3 sind vorzugsweise jeweils nur zwei der drei Lichtquellen 4a-c gleichzeitig aktiv. In diesem Beispiel ist das LiDAR-System 1 derart gesteuert, dass jeweils zwei einander benachbarte Lichtquellen 4a-c gleichzeitig aktiv sind.
In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des LiDAR-Systems 1 in einer Seitenansicht senkrecht zur Aufsicht schematisch veranschaulicht. Die Optikanordnung des LiDAR-Systems 1 weist einen Schwingspiegel 12 auf, der im optischen Pfad nach der Lichtquelle 4 und vor der ersten Linse 2 und der zweiten Linse 3 angeordnet ist. Der Schwingspiegel ermöglicht eine Änderung des optischen Pfads. So wird eine weitere Scanrichtung bereitgestellt, senkrecht zur Scanrichtung aus den ersten drei Ausführungsbeispielen. Die erste Linse 2 und die zweite Linse 3 haben hier keinen Einfluss auf die Scanrichtung des vom Schwingspiegel 12 abgelenkten Lichtstrahls, aufgrund der Durchtrittsrichtung des Lichtstrahls durch die erste Linse 2 und die zweite Linse 3 und deren zylinderförmigen Ausführung.
Gemäß des vierten Ausführungsbeispiels in 4 ist der Detektor 10 auf dem optischen Pfad hinter dem Schwingspiegel 12 angeordnet, für den einfallenden Lichtstrahl, wenn er von einem zu scannenden Objekt (nicht gezeigt) reflektiert worden ist. Die Detektionsrichtung des Detektors 10 liegt senkrecht zur Abstrahlrichtung der Lichtquelle 4. In der Empfangsapertur ist, bedingt durch den Schwingspiegel 12, ein Loch verursacht, da der Schwingspiegel 12 den Detektor 10 zur ersten Linse 2 und zweiten Linse 3 hin teilweise abschattet. Hier wird dies auch als teilweise koaxiale Anordnung bezeichnet, denn die Lichtquelle 4 liegt seitlich zu der Anordnungsachse zwischen Detektor 10 und Schwingspiegel 12. Für den Detektor 10 ist eine Fokussieroptik 13 vorgesehen, um den einfallenden Lichtstrahl auf den Detektor 10 zu fokussieren. Die Fokussieroptik 13 ist im optischen Pfad zwischen Schwingspiegel 12 und Detektor 10 auf der Anordnungsachse positioniert.
Das vierte Ausführungsbeispiel kann in Abwandlungen mit mehreren Laser-Detektor-Paaren ausgeführt sein. Dann sind mehrere Laser vorgesehen, die unter unterschiedlichen Einstrahlwinkeln auf den Schwingspiegel 12 gerichtet sind. Zudem kann das vierte Ausführungsbeispiel insbesondere mit dem ersten Ausführungsbeispiel, dem zweiten Ausführungsbeispiel oder dem dritten Ausführungsbeispiel kombiniert werden, um ein LiDAR-System 1 mit zwei Scanrichtungen bereitzustellen. Die erste Scanrichtung nutzt dabei die Brechung durch die erste Linse 2 und die zweite Linse 3, während die zweite Scanrichtung den Schwingspiegel 12 nutzt, die erste Linse 2 und die zweite Linse 3 aber keinen Einfluss auf die zweite Scanrichtung haben. In weiteren nicht gezeigten Ausführungsformen weist das LiDAR-System 1 eine Strahlformungseinheit auf, die dafür eingerichtet ist, Strahleigenschaften einzuprägen, bevor der Lichtstrahl auf ein Strahlablenkungselement des LiDAR-Systems 1 trifft. In manchen nicht gezeigten Ausführungsformen ist beispielsweise eine Strahlformung vor dem Schwingspiegel 12 vorgesehen. Auch dann ist eine koaxiale Umsetzung des LiDAR-Systems 1 möglich. In nicht gezeigten Ausführungsformen ist zudem eine biaxiale Umsetzung des LiDAR-Systems 1 vorgesehen. Der oder die Detektoren 10 liegen dann in einer zum Sendepfad versetzten anderen Ebene.
In den vier gezeigten Ausführungsformen sind die erste Linse 2 und die zweite Linse 3 stabförmig, genauer gesagt zylinderförmig. Bei einer zylinderförmigen Ausführung der Linsen 2, 3 wird der Scanwinkel in der zweiten Raumrichtung bei entsprechendem Aufbau nicht beeinflusst, wie anhand des dritten Ausführungsbeispiels weiter oben erläutert. Somit kann beispielsweise durch den statisch angeordneten Schwingspiegel 12 zuerst ein auf einer Linie oszillierender Lichtstrahl erzeugt werden, der danach durch die Linsen 2, 3 zusätzlich in eine weitere Raumrichtung abgelenkt wird.
Es sollte verstanden werden, dass das LiDAR-System 1 neben den hier beschriebenen Komponenten, wie beispielsweise Lichtquelle 4a-c, Detektor 10, erste Linse 2, zweite Linse 3 und Schwingspiegel 12, noch weitere Komponenten aufweisen kann, wie beispielsweise ein Schutzglas zur Verkapselung des LiDAR-Systems 1, Strahlformungsoptiken, o. ä.. Diese weiteren Komponenten sind aus Gründen der Vereinfachung jedoch weder in den Figuren gezeigt, noch voranstehend beschrieben worden.
Voranstehend wird also ein LiDAR-System 1 beschrieben, welches eine Optikanordnung umfasst, die eine erste Linse 2, die vorzugsweise statisch angeordnet ist, und eine zweite Linse 3, die bezogen auf die erste Linse 2 vorzugsweise drehbeweglich gelagert ist, aufweist, wobei die erste Linse 2 und die zweite Linse 3 auf einem gemeinsamen optischen Pfad liegen. Mindestens eine der ersten Linse 2 oder der zweiten Linse 3 ist dafür eingerichtet, in Rotation versetzbar zu sein, um eine Strahlablenkung von dem optischen Pfad in mindestens eine Raumrichtung zu bewirken. Vorzugsweise wird durch Rotation mindestens einer Linse 2, 3 eine Strahlablenkung an mindestens einer planen Oberfläche 7, 8 der ersten Linse 2 oder der zweiten Linse 3 in mindestens eine Raumrichtung generiert.

Claims

LiDAR-System (1), umfassend: eine Optikanordnung, die eine erste Linse (2), die vorzugsweise statisch angeordnet ist, und eine zweite Linse (3), die bezogen auf die erste Linse (2) vorzugsweise drehbeweglich gelagert ist, aufweist, wobei die erste Linse (2) und die zweite Linse (3) auf einem gemeinsamen optischen Pfad liegen, wobei mindestens eine der ersten Linse (2) oder der zweiten Linse (3) dafür eingerichtet ist, in Rotation versetzbar zu sein, um eine Strahlablenkung von dem optischen Pfad in mindestens eine Raumrichtung zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die erste Linse (2) oder die zweite Linse (3) mindestens eine gewölbte Oberfläche (5, 6) auf dem optischen Pfad aufweist und die gewölbte Oberfläche (5, 6) einer Linse (2, 3) eine konvex gewölbte Oberfläche (5) ist, die der anderen Linse (2, 3) zuwendbar ist; und wobei die konvex gewölbte Oberfläche (5) angrenzend an eine ebenfalls auf dem optischen Pfad liegende konkav gewölbte Oberfläche (6) der anderen Linse (2, 3) angeordnet ist, so dass die konvex gewölbte Oberfläche (5) in die konkav gewölbte Oberfläche (6) eingreift.
LiDAR-System (1) nach Anspruch 1, wobei die zweite Linse (2) in mindestens eine Raumrichtung drehbeweglich gelagert ist, sodass eine Winkelbeziehung zwischen Oberflächen der ersten Linse (2) und Oberflächen der zweiten Linse (3) variierbar ist, um die Strahlablenkung zu bewirken.
LiDAR-System (1) nach Anspruch 1, wobei ein Krümmungsradius der konkaven Oberfläche (6) zur Korrektur eines Spalts zwischen der ersten Linse (2) und der zweiten Linse (3) angepasst ist.
LiDAR-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Linse (2) die konkav gewölbte Oberfläche (6) aufweist und die zweite Linse (3) die konvex gewölbte Oberfläche (5) aufweist.
LiDAR-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Linse (2) die konvex gewölbte Oberfläche (5) aufweist und die zweite Linse (3) die konkav gewölbte Oberfläche (6) aufweist.
LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine weitere Oberfläche (7, 8) der ersten Linse (2) oder der zweiten Linse (3) auf dem optischen Pfad plan ausgeführt ist.
LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Optikanordnung einen Schwingspiegel (12) aufweist, um eine Änderung des optischen Pfads zu ermöglichen.
LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das LiDAR-System (1) eine Strahlformungseinheit aufweist, die dafür eingerichtet ist, Strahleigenschaften einzuprägen, bevor der Lichtstrahl auf ein Strahlablenkungselement des LiDAR-Systems (1) trifft.
LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Linse (2) zwei oder mehr zueinander angewinkelt angeordnete Facetten (11 a-c) aufweist, um ein Sichtfeld zu parallelisieren und/oder zu vergrößern.
LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der beiden Linsen (2, 3) stabförmig ist.
LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das LiDAR-System (1) mehrere Laser-Detektor-Paare umfasst.