DE102018215153A1 - LIDAR device with an adjustable solid-state laser - Google Patents

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Abstract

Offenbart ist eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von einem Abtastbereich mit Strahlen, aufweisend eine Sendeeinheit mit mindestens einem als eine Strahlenquelle ausgestalteten Festkörperlaser, mit einem Lasertreiber zum Betreiben der Strahlenquelle, mit einem beweglichen Spiegel zum Ablenken der durch den Festkörperlaser erzeugten Strahlen und zum Emittieren der Strahlen entlang des Abtastbereiches und aufweisend eine Empfangseinheit mit einem Filter und mit mindestens einem Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Festkörperlaser und dem beweglichen Spiegel ein Güteschalter und eine Monitordiode angeordnet sind, wobei die Monitordiode dazu ausgestaltet ist, eine Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen, zum Anpassen der Pulsfrequenz an eine Position des beweglichen Spiegels, zu ermitteln. Des Weiteren sind ein LIDAR-System sowie eine Auswerteeinheit offenbart.

Figure DE102018215153A1_0000
Disclosed is a LIDAR device for scanning a scanning area with rays, comprising a transmitter unit with at least one solid-state laser designed as a radiation source, with a laser driver for operating the radiation source, with a movable mirror for deflecting the rays generated by the solid-state laser and for emitting the Beams along the scanning area and having a receiving unit with a filter and with at least one detector, characterized in that a Q-switch and a monitor diode are arranged in the beam path between the solid-state laser and the movable mirror, the monitor diode being designed to have a pulse frequency of the beams generated to adjust the pulse frequency to a position of the movable mirror. A LIDAR system and an evaluation unit are also disclosed.
Figure DE102018215153A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine LIDAR (light detection and ranging) -Vorrichtung zum Abtasten von einem Abtastbereich mit Strahlen, aufweisend eine Sendeeinheit mit mindestens einem als eine Strahlenquelle ausgestalteten Festkörperlaser, mit einem Pumplaser und einem Lasertreiber zum Betreiben der Strahlenquelle, mit einem beweglichen Spiegel zum Ablenken der durch den Festkörperlaser erzeugten Strahlen und zum Emittieren der Strahlen entlang des Abtastbereiches und aufweisend eine Empfangseinheit mit einem Filter und mit mindestens einem Detektor. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein LIDAR-System und eine Auswerteeinheit.The invention relates to a LIDAR (light detection and ranging) device for scanning a scanning area with rays, comprising a transmission unit with at least one solid-state laser designed as a radiation source, with a pump laser and a laser driver for operating the radiation source, with a movable mirror for deflecting the beams generated by the solid-state laser and for emitting the beams along the scanning area and having a receiving unit with a filter and with at least one detector. Furthermore, the invention relates to a LIDAR system and an evaluation unit.

Stand der TechnikState of the art

Es sind LIDAR-Vorrichtungen bekannt, welche sich in ihrer Ausleuchtungsmethodik unterscheiden. Die LIDAR-Vorrichtungen können in scannende Vorrichtungen, die zeitlich gesehen immer nur einen kleinen Teil der Umgebung ausleuchten, und Flash-Vorrichtungen, die die Umgebung in einem Zeitpunkt komplett ausleuchten, unterteilt werden.LIDAR devices are known which differ in their illumination methodology. The LIDAR devices can be divided into scanning devices that only illuminate a small part of the surroundings in terms of time, and flash devices that completely illuminate the surroundings at a time.

Scannende LIDAR-Vorrichtungen nutzen üblicherweise einen Laserstrahl dazu, einen Abtastbereich bzw. ein sogenanntes Field of View (FoV) sequentiell auszuleuchten. Es werden rotierende Spiegel oder schwingende µSpiegel eingesetzt, um den Abtastbereich auszuleuchten. Derartige µSpiegel werden heute überwiegend im resonanten Betrieb angesteuert, um eine hohe Geschwindigkeit bei hoher mechanisch/elektrischen Effizienz zu erreichen.Scanning LIDAR devices usually use a laser beam to sequentially illuminate a scanning area or a so-called field of view (FoV). Rotating mirrors or oscillating µ mirrors are used to illuminate the scanning area. Such micromirrors are mainly controlled today in resonant operation in order to achieve high speed with high mechanical / electrical efficiency.

Im resonanten Betrieb bewegt sich der µSpiegel an den Umkehrpunkten sehr langsam und an der Grundstellung am schnellsten. Dementsprechend ist bei einer konstanten Winkelschrittweite die zeitliche Schussperiode des Lasers nicht konstant und muss anhand der Winkelposition des µSpiegels angepasst werden. Damit ein mit einem µSpiegel ausgestatteter Micro-Scanner Reichweiten von ca. 200 m mit einer Auflösungen < 0,15° erreicht, werden Laserleistungen im Bereich von 50 - 500 Watt benötigt. Zusätzlich wird eine sehr gute Strahlqualität (M2) benötigt, um den Laserstrahl auf einen kleinen Durchmesser zu kollimieren. Damit der Laserstrahl mit 0,15° über einen µSpiegel mit 2,5mm Durchmesser geleitet werden kann, muss die Strahlqualität des Lasers ein M2 < 5 erreichen. Derartige Leistungsfähigkeit kann mit einem Halbleiterlaser derzeit nicht erbracht werden.In resonant mode, the µ level moves very slowly at the reversal points and the fastest at the home position. Accordingly, the temporal firing period of the laser is not constant at a constant angular step size and must be adjusted based on the angular position of the µ mirror. In order for a micro scanner equipped with a µ mirror to achieve ranges of approx. 200 m with a resolution of <0.15 °, laser powers in the range of 50 - 500 watts are required. In addition, a very good beam quality (M 2 ) is required to collimate the laser beam to a small diameter. The beam quality of the laser must reach M 2 <5 so that the laser beam can be guided at 0.15 ° over a µ mirror with a diameter of 2.5 mm. Such performance cannot currently be achieved with a semiconductor laser.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, insbesondere eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welche eine hohe Reichweite bei konstanter Winkelauflösung sowie eine über den gesamten Abtastbereich gleichmäßige Abtastfrequenz aufweist.The object on which the invention is based can be seen, in particular, in proposing a LIDAR device which has a long range with constant angular resolution and a scanning frequency which is uniform over the entire scanning range.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by means of the respective subject of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent subclaims.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von einem Abtastbereich mit Strahlen bereitgestellt. Die Vorrichtung weist eine Sendeeinheit mit mindestens einem als eine Strahlenquelle ausgestalteten Festkörperlaser, mit einem Lasertreiber zum Betreiben der Strahlenquellen und mit einem beweglichen Spiegel zum Ablenken der durch den Festkörperlaser erzeugten Strahlen und zum Emittieren der Strahlen entlang des Abtastbereiches auf. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Empfangseinheit mit einem Filter und mit mindestens einem Detektor auf, wobei im Strahlengang zwischen dem Festkörperlaser und dem beweglichen Spiegel ein Güteschalter und eine Monitordiode angeordnet sind, wobei die Monitordiode dazu ausgestaltet ist, eine Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen, zum Anpassen der Pulsfrequenz an eine Position des beweglichen Spiegels, zu ermitteln.According to one aspect of the invention there is provided a LIDAR device for scanning a scan area with beams. The device has a transmission unit with at least one solid-state laser designed as a radiation source, with a laser driver for operating the radiation sources and with a movable mirror for deflecting the rays generated by the solid-state laser and for emitting the rays along the scanning area. Furthermore, the device has a receiving unit with a filter and with at least one detector, a Q-switch and a monitor diode being arranged in the beam path between the solid-state laser and the movable mirror, the monitor diode being designed to adapt a pulse frequency of the beams generated the pulse frequency at a position of the movable mirror.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein LIDAR-System mit einer LIDAR-Vorrichtung und mit einer Auswerteeinheit zum Regeln von einer Pulsfrequenz von erzeugten Strahlen basierend auf einer Position eines beweglichen Spiegels der LIDAR-Vorrichtung und basierend auf einer durch einen Sensor ermittelten Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen bereitgestellt.According to a further aspect of the invention, a LIDAR system with a LIDAR device and with an evaluation unit for regulating a pulse frequency of generated beams based on a position of a movable mirror of the LIDAR device and based on a pulse frequency of the generated by a sensor Rays provided.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Auswerteeinheit zum Regeln und Steuern einer Pulsfrequenz von erzeugten Strahlen und zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung bereitgestellt.According to a further aspect of the invention, an evaluation unit for regulating and controlling a pulse frequency of generated beams and for operating a LIDAR device is provided.

Um die erzeugten Strahlen mit einer Strahldivergenz von ca. 0,15° mittels µSpiegel (Kantenlänge von etwa 2,5mm) umzulenken, wird beispielsweise eine Strahlqualität von M2 < 5 benötigt. Laser mit hoher Pulsleistung (> 50 W) und guter Strahlqualität (M2 < 5) sind für die Realisierung von Micro-Scanner notwendig, damit eine hohe Reichweite (> 150 m) mit hoher Auflösung (0,15°) ermöglicht wird. Damit ein Micro-Scanner Reichweiten von ca. 200m mit einer Auflösungen < 0,15° erreicht, werden Laserleistungen im Bereich von 50 -500 W benötigt. Da ein einzelner Halbleiterlaser üblicherweise nicht die Strahlqualität von M2 < 5 und die hohe Pulsleistung zur Verfügung stellen kann, ist hier der Einsatz eines beispielsweise passiv gepumpten Festkörperlasers vorteilhaft im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit.In order to deflect the beams generated with a beam divergence of approx. 0.15 ° by means of a micro mirror (edge length of approx. 2.5 mm), a beam quality of M 2 <5 is required, for example. Lasers with high pulse power (> 50 W) and good beam quality (M 2 <5) are necessary for the implementation of micro-scanners so that a long range (> 150 m) with high resolution (0.15 °) is made possible. Laser powers in the range of 50-500 W are required for a micro scanner to achieve ranges of approx. 200 m with a resolution of <0.15 °. Since a single semiconductor laser cannot usually provide the beam quality of M 2 <5 and the high pulse power, the use of a passively pumped solid-state laser, for example, is advantageous in terms of performance.

Ein Festkörperlaser ist insbesondere daher vorteilhaft, da LIDAR-Vorrichtung mit Halbleiterlasern, die Laserpulse im Bereich 1-10ns und Pulsleistungen > 50 W erzeugen, hohe Ansteuerströme von üb 30A benötigen. Um einen derartigen kurzen Strompuls zu erzeugen wird eine aufwendige Aufbautechnik für die Kontaktierung des Lasers benötigt, sodass nur durch geringe induktive Verluste in der Zuleitung Strompulse im Bereich von <10ns erzeugt werden können.A solid-state laser is particularly advantageous because it includes a LIDAR device Semiconductor lasers that generate laser pulses in the 1-10ns range and pulse powers> 50 W require high drive currents of over 30A. In order to generate such a short current pulse, a complex construction technique for contacting the laser is required, so that current pulses in the range of <10 ns can only be generated by small inductive losses in the feed line.

Des Weiteren ist die Wellenlägen der durch Halbleiterlaser erzeugten Strahlen von der Temperatur (0,3nm/K) abhängig. Dies kann bei LIDAR-Vorrichtungen wegen dem Einsatz von Sonnenlichtfiltern nachteilig sein, da die erzeugten Strahlen außerhalb eines Transmissionswellenlängenbereiches des Filters liegen können. Die Wellenlänge eines Festkörperlasers ist über einen relevanten Temperaturbereich im Betrieb nahezu konstant. Durch den Einsatz eines Festkörperlasers kann zudem eine höhere Strahlqualität im Bereich von M2 = 1,1 bis z.B. 10,0 realisiert werden, wodurch das Auflösungsvermögen der LIDAR-Vorrichtung ebenfalls gesteigert werden kann.Furthermore, the wave lengths of the beams generated by semiconductor lasers depend on the temperature (0.3 nm / K). This can be disadvantageous in the case of LIDAR devices because of the use of sunlight filters, since the rays generated can lie outside a transmission wavelength range of the filter. The wavelength of a solid-state laser is almost constant over a relevant temperature range in operation. By using a solid-state laser, a higher beam quality in the range from M 2 = 1.1 to 10.0, for example, can also be achieved, which also increases the resolving power of the LIDAR device.

Der Güteschalter kann beispielsweise in Form eines passiven Q-Switch ausgeführt sein. Ein derartiger Güteschalter kann ein sättigbarer Absorber sein, welcher z.B. einen Cr4+:YAG Kristall enthält. Durch eine kompakte Bauweise des Festkörperlasers in Kombination dem Güteschalter kann eine gepulst betriebene Strahlenquelle mit einer hohen Laserleistung, einem kurzen Laserpuls, einer stabiler Wellenlänge sowie hohen Wiederholfrequenz in einer scannenden LIDAR-Vorrichtung umgesetzt werden.The Q-switch can be designed, for example, in the form of a passive Q switch. Such a Q-switch can be a saturable absorber which contains, for example, a Cr 4 +: YAG crystal. Due to the compact design of the solid-state laser in combination with the Q-switch, a pulsed radiation source with a high laser power, a short laser pulse, a stable wavelength and a high repetition frequency can be implemented in a scanning LIDAR device.

Eine temperaturgesteuerte Wellenlängenstabilisierung an der Strahlenquelle wird somit nicht benötigt, da der verwendete Festkörperlaser eine vernachlässigbare Wellenlängenänderungen (ca. 0,002 nm/K) über die Temperatur aufweist. Der in der Empfangseinheit eingesetzte optische Filter im Empfangspfad kann somit besonders schmalbandig ausgeführt werden. Durch einen schmalbandigen Filter kann Störlicht besonders effizient unterdrückt werden, wodurch die Reichweite der LIDAR-Vorrichtung erhöht wird.Temperature-controlled wavelength stabilization at the radiation source is therefore not required since the solid-state laser used has negligible changes in wavelength (approx. 0.002 nm / K) over the temperature. The optical filter used in the receiving unit in the receiving path can thus be made particularly narrow-band. A narrow-band filter can suppress interference light particularly efficiently, which increases the range of the LIDAR device.

Die Wiederholfrequenz bzw. die Pulsfrequenz der als Festkörperlaser ausgeführten Strahlenquelle kann mittels optischen cw(continuous wave)-Stroms am Pumplaser bzw. des Treibers eingestellt werden. Die Pumpleistung und Pulsenergie ergibt sich aus den Parametern des Güteschalters bzw. des sättigbaren Absorbers und des Pumpvolumens im Kristall des Festkörperlasers. Die Regelschleife für den Festkörperlaser kann durch eine zeitliche Messung der Ist-Pulsfrequenz zur Soll-Pulsfrequenz eingestellt werden. Für die Messung der Ist-Pulsfrequenz am Festkörperlaser ist im Sendepfad eine Monitordiode angeordnet.The repetition frequency or the pulse frequency of the radiation source designed as a solid-state laser can be set by means of optical cw (continuous wave) current on the pump laser or the driver. The pump power and pulse energy result from the parameters of the Q-switch or the saturable absorber and the pump volume in the crystal of the solid-state laser. The control loop for the solid-state laser can be set to the target pulse frequency by measuring the actual pulse frequency over time. A monitor diode is arranged in the transmission path for measuring the actual pulse frequency on the solid-state laser.

Durch den Einsatz der Monitordiode kann die Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 1Khz und 1000khz angepasst werden. Die Frequenz der erzeugten Strahlen kann im Bereich von wenigen µsec veränderbar sein. Dies kann durch die Auswertung der Monitordiode durch die Auswerteeinheit und die Ansteuerung des Treibers der Strahlenquelle durch die Auswerteeinheit realisiert werden. Alternativ kann die Monitordiode auch ein anderer Sensor sein, welcher dazu geeignet ist eine Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen zu ermitteln.By using the monitor diode, the pulse frequency of the beams generated can be adjusted, for example, in a frequency range between 1 kHz and 1000 kHz. The frequency of the beams generated can be changeable in the range of a few microseconds. This can be achieved by evaluating the monitor diode by the evaluation unit and controlling the driver of the radiation source by the evaluation unit. Alternatively, the monitor diode can also be another sensor which is suitable for determining a pulse frequency of the beams generated.

Die erzeugten Strahlen sind vorzugsweise mit einer Pulsfrequenz gepulste Laserstrahlen, welche in einem UV- oder einem IR-Frequenzbereich durch den Festkörperlaser erzeugt werden.The beams generated are preferably laser beams pulsed with a pulse frequency, which are generated by the solid-state laser in a UV or an IR frequency range.

Es kann somit die Pulsfrequenz des Festkörperlasers an eine variierende Schwingungsfrequenz des Spiegels oder µSpiegels angepasst werden. Des Weiteren kann die Pulsfrequenz des Festkörperlasers situationsabhängig anpassbar sein, wodurch der Auswerteaufwand der Auswerteeinheit situationsabhängig steuerbar ist.The pulse frequency of the solid-state laser can thus be adapted to a varying oscillation frequency of the mirror or μ-mirror. Furthermore, the pulse frequency of the solid-state laser can be adapted depending on the situation, as a result of which the evaluation effort of the evaluation unit can be controlled depending on the situation.

Nach einer Ausführungsform ist der Güteschalter als ein passiver Güteschalter oder als ein aktiv ansteuerbarer Güteschalter ausgestaltet. Der Güteschalter kann als ein sättigbarer Absorber ausgestaltet sein, welcher ohne eine Ansteuerung die vom Festkörperlaser erzeugten Strahlen durchschaltet.According to one embodiment, the Q-switch is designed as a passive Q-switch or as an actively controllable Q-switch. The Q-switch can be designed as a saturable absorber, which switches through the beams generated by the solid-state laser without activation.

Alternativ oder zusätzlich kann ein aktiver Güteschalter eingesetzt werden. Dieser kann beispielsweise auch ohne einen Regelkreis einen Transmissionszeitpunkt für die erzeugten Strahlen des Festkörperlasers präzise einstellen. Die aktive Güteschaltung kann beispielsweise durch einen Q-Switch in der Ausführungsform eines opto-akustischen Güteschalters, einem sogenannten akustoopitschen Modulator, umgesetzt werden. Ein derartiger Modulator kann in Abhängigkeit der akustischen angelegten Frequenz den erzeugten Laserstrahl aus dem Resonator transmittieren lassen oder diesen blockieren.Alternatively or additionally, an active Q-switch can be used. The latter can, for example, precisely set a transmission time for the beams generated by the solid-state laser even without a control loop. The active Q-switch can be implemented, for example, by a Q-Switch in the embodiment of an opto-acoustic Q-switch, a so-called acousto-optical modulator. Depending on the acoustic frequency applied, such a modulator can have the laser beam generated transmitted from the resonator or block it.

Eine weitere Ausführungsform des aktiven Güteschalters kann eine Pockels-Zelle sein. Die für den Festkörper einsetzbaren Laserkristalle erzeugen linear polaristiertes Laserlicht in einer Vorzugsrichtung. Eine Pockels-Zelle ist ein doppelbrechender Kristall, welcher in Abhängigkeit der angelegten elektrischen Spannung, linear polarisiertes Licht blockiert oder durchlässt. Bei dem Einsatz eines aktiven Güteschalters kann eine Länge des für den Festkörperlaser eingesetzten Resonators erhöht werden. Die Pulslänge wird dadurch ebenfalls länger als die Pulslänge aus einem Festkörperlaser mit einem passiven Gütegeschalter.Another embodiment of the active Q-switch can be a Pockels cell. The laser crystals that can be used for the solid body generate linearly polarized laser light in a preferred direction. A Pockels cell is a birefringent crystal that blocks or transmits linearly polarized light depending on the applied electrical voltage. If an active Q-switch is used, a length of the resonator used for the solid-state laser can be increased. The pulse length also becomes longer than the pulse length from a solid-state laser with a passive Q-switch.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die LIDAR-Vorrichtung eine Auswerteeinheit auf, welche mit dem Lasertreiber, der Monitordiode und dem beweglichen Spiegel verbunden ist. Die Auswerteeinheit kann als eine Regelschleife ausgestaltet sein, welche automatisiert oder extern gesteuert die Ansteuerung des Lasers basierend auf der Position des beweglichen Spiegels und den Messwerten der Monitordiode durchführt. Hierdurch kann ein automatisierter Ausgleich einer variierbaren Schwenkgeschwindigkeit oder Drehgeschwindigkeit des beweglichen Spiegels anhand einer angepassten Pulsfrequenz umgesetzt werden. According to a further embodiment, the LIDAR device has an evaluation unit which is connected to the laser driver, the monitor diode and the movable mirror. The evaluation unit can be designed as a control loop, which carries out the control of the laser in an automated or externally controlled manner based on the position of the movable mirror and the measured values of the monitor diode. In this way, an automatic compensation of a variable swiveling speed or rotational speed of the movable mirror can be implemented on the basis of an adapted pulse frequency.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist abhängig von einer Position des beweglichen Spiegels eine optimale Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen vorgegeben und die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet die durch die Monitordiode ermittelte Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen mit der optimalen Pulsfrequenz zu vergleichen. Dies kann beispielsweise durch eine Vergleichstabelle realisiert werden. Die optimalen Pulsfrequenzen bzw. die Soll-Pulsfrequenzen können im Vorfeld als eine Tabelle hinterlegt sein und abhängig von der Position des beweglichen Spiegels sein. Basierend auf der Ist-Pulsfrequenz kann somit der Festkörperlaser durch die Auswerteeinheit justiert werden.According to a further embodiment, an optimal pulse frequency of the generated beams is predetermined depending on a position of the movable mirror, and the evaluation unit is set up to compare the pulse frequency of the generated beams determined by the monitor diode with the optimal pulse frequency. This can be achieved, for example, using a comparison table. The optimal pulse frequencies or the desired pulse frequencies can be stored in advance as a table and depend on the position of the movable mirror. The solid-state laser can thus be adjusted by the evaluation unit based on the actual pulse frequency.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, den Lasertreiber und/oder den Güteschalter derart anzusteuern, dass die Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen an die optimale Pulsfrequenz angepasst wird. Es kann somit eine Anpassung des Lasertreibers durch die Auswerteeinheit durchgeführt werden, welche einen optimalen Betrieb der LIDAR-Vorrichtung gewährleistet.According to a further embodiment, the evaluation unit is set up to control the laser driver and / or the Q-switch in such a way that the pulse frequency of the beams generated is adapted to the optimal pulse frequency. The evaluation unit can thus be adapted by the evaluation unit, which ensures optimal operation of the LIDAR device.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Festkörperlaser ein Nd:YAG der mit einem sättigbaren Absorber z.B. Cr4+:YAG monolithischen aufgebaut ist und beispielsweise Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 900 nm - 950 nm emittiert. Durch den Einsatz von verschiedenen Kristalltypen, wie beispielsweise Nd:YVO4, Nd:GDVO4, Nd:KGW und dergleichen, kann die mögliche Wellenlänge des Festkörperlasers, beispielsweise mit Laserwellenlängen von 912nm, 914nm und 911nm, für den Einsatz in der LIDAR-Vorrichtung bereitgestellt werden. Diese Wellenlängen haben den Vorteil, dass nur eine geringe Dämpfung durch Wasserabsorption beim Senden und Empfangen auftritt. Außerdem hat diese Wellenlänge ausreichend Empfindlichkeit bei dem Einsatz von Si-Detektoren. Hierdurch kann der Festkörperlaser besonders vielseitig an unterschiedliche Einsatzbedingungen anpassbar sein.According to a further embodiment, the solid-state laser is an Nd: YAG which is constructed monolithically with a saturable absorber, for example Cr4 +: YAG and for example emits radiation in a wavelength range from 900 nm to 950 nm. By using different crystal types, such as Nd: YVO 4 , Nd: GDVO 4 , Nd: KGW and the like, the possible wavelength of the solid-state laser, for example with laser wavelengths of 912nm, 914nm and 911nm, can be used in the LIDAR device to be provided. The advantage of these wavelengths is that there is little attenuation due to water absorption during transmission and reception. In addition, this wavelength has sufficient sensitivity when using Si detectors. As a result, the solid-state laser can be adapted in a particularly versatile manner to different operating conditions.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Lasertreiber ein Pumplaser, wobei die Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen durch einen cw-Strom am Pumplaser einstellbar ist. Mittels der verwendeten Monitordiode wird eine Regelschleife realisiert die zeitlichen Abstände der Laserschüsse bzw. die Pulsfrequenzen individuell an die Spiegelposition anpasst. Hierdurch kann eine LIDAR-Vorrichtung hergestellt werden, welche mit einem cw-Strom des Lasertreibers eine variabel einstellbare Pulsfolge erzeugt.According to a further embodiment, the laser driver is a pump laser, the pulse frequency of the beams generated being adjustable by a cw current on the pump laser. A control loop is implemented by means of the monitor diode used, the time intervals of the laser shots or the pulse frequencies are individually adapted to the mirror position. In this way, a LIDAR device can be produced which generates a variably adjustable pulse sequence with a cw current of the laser driver.

Nach einem weiteren Ausführungseispiel ist die Monitordiode dazu ausgestaltet, die Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen durch Streulicht oder basierend auf abgezweigten Strahlen zu ermitteln. Dadurch kann die Monitordiode oder ein Sensor zum Ermitteln der Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen direkt oder indirekt im Strahlengang der erzeugten Strahlen positioniert werden. Durch die Messung des Streulichts kann eine besonders einflussarme Messung der Pulsfrequenz durchgeführt werden. Eine Abzweigung der Strahlen kann beispielsweise durch einen sogenannten Beamsampler oder einen teildurchlässigen Spiegel durchgeführt werden. Hierdurch kann eine besonders präzise Messung der Pulsfrequenz durch die Monitordiode realisiert werden, da die abgezweigten Strahlen unmittelbar auf die Monitordiode geleitet werden.According to a further exemplary embodiment, the monitor diode is designed to determine the pulse frequency of the beams generated by scattered light or based on branched beams. As a result, the monitor diode or a sensor for determining the pulse frequency of the beams generated can be positioned directly or indirectly in the beam path of the beams generated. By measuring the scattered light, a particularly low-influence measurement of the pulse frequency can be carried out. The beams can be branched off, for example, by means of a so-called beam sampler or a partially transparent mirror. In this way, a particularly precise measurement of the pulse frequency can be implemented by the monitor diode, since the branched beams are directed directly to the monitor diode.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

  • 1 eine schematische Darstellung eines LIDAR-Systems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine schematische Darstellung eines LIDAR-Systems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
  • 3 ein schematisches Blockdiagramm zum Veranschaulichen der Funktionsweise der Auswerteeinheit.
Preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below on the basis of highly simplified schematic representations. Show here
  • 1 1 shows a schematic illustration of a LIDAR system according to a first exemplary embodiment,
  • 2nd a schematic representation of a LIDAR system according to a second embodiment, and
  • 3rd a schematic block diagram to illustrate the operation of the evaluation unit.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 1 mit einem Fahrzeug 2 und einer fahrzeugexternen Servereinheit 4.The 1 shows a schematic representation of a system 1 with a vehicle 2nd and a server unit external to the vehicle 4th .

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines LIDAR-Systems 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das LIDAR-System 1 weist eine LIDAR-Vorrichtung 2 auf, welche mit einer Auswerteeinheit 4 gekoppelt ist.The 1 shows a schematic representation of a LIDAR system 1 according to a first embodiment. The LIDAR system 1 has a LIDAR device 2nd on which with an evaluation unit 4th is coupled.

Die Auswerteeinheit 4 dient zum Regeln von einer Pulsfrequenz von erzeugten Strahlen 6 basierend auf einer Position eines beweglichen Spiegels 8 der LIDAR-Vorrichtung 2 und basierend auf einer durch einen Sensor 10 ermittelten Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen 6. Die Auswerteeinheit 4 ist mit einem nicht dargestellten Positionsgeber des Spiegels 8 gekoppelt. Alternativ kann die Position des Spiegels 8 basierend auf einer Zeitmessung der Auswerteeinheit 4 abgeschätzt werden. Des Weiteren ist die Auswerteeinheit 4 mit dem Sensor 10 datenleitend verbunden.The evaluation unit 4th is used to regulate a pulse frequency of generated rays 6 based on a position of a movable mirror 8th the LIDAR device 2nd and based on one through a sensor 10th determined pulse frequency of the generated rays 6 . The evaluation unit 4th is with a position sensor of the mirror, not shown 8th coupled. Alternatively, the position of the mirror 8th based on a time measurement of the evaluation unit 4th can be estimated. Furthermore, the evaluation unit 4th with the sensor 10th connected to conduct data.

Der Sensor 10 ist als eine Monitordiode 10 ausgestaltet, welcher über einen teildurchlässigen Spiegel 12 die erzeugten Strahlen 6 im Hinblick auf eine Pulsfrequenz analysieren kann.The sensor 10th is as a monitor diode 10th designed, which over a partially transparent mirror 12th the rays generated 6 can analyze for a pulse rate.

Die Auswerteeinheit 4 kann in Form eines Steuergeräts oder eines Rechners ausgeführt sein. Basierend auf den Daten der Monitordiode 10 und der Position des Spiegels 8 kann die Auswerteeinheit 4 die Ansteuerung eines Lasertreibers 14 durchführen oder angepasst durchführen. Der Lasertreiber 14 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als ein Pumplaser ausgestaltet.The evaluation unit 4th can be in the form of a control unit or a computer. Based on the data from the monitor diode 10th and the position of the mirror 8th can the evaluation unit 4th the control of a laser driver 14 perform or perform customized. The laser driver 14 is designed according to the embodiment as a pump laser.

Der Pumplaser 14 kann über eine Pumplinse 16 den Festkörperlaser 18 zum Emittieren der erzeugten Strahlen 6 anregen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist im Strahlengang der erzeugten Strahlen 6 ein Güteschalter 20 eingebracht, welcher als ein passiver sättigbarer Absorber ausgestaltet ist. Der Übersicht halber ist die elektronische Ansteuerung des Lasertreibers 14 nicht dargestellt.The pump laser 14 can via a pump lens 16 the solid-state laser 18th for emitting the generated rays 6 stimulate. According to the exemplary embodiment, the rays generated are in the beam path 6 a Q-switch 20th introduced, which is designed as a passive saturable absorber. For the sake of clarity, the electronic control of the laser driver 14 not shown.

Der Spiegel 8, die Monitordiode 10, der Lasertreiber 14, die Pumplinse 16, der Festkörperlaser 18 und der Güteschalter 20 sind Bestandteile der Sendeeinheit der LIDAR-Vorrichtung 2.The mirror 8th who have favourited Monitor Diode 10th , the laser driver 14 who have favourited Pump Lens 16 , the solid-state laser 18th and the Q-switch 20th are components of the transmitter unit of the LIDAR device 2nd .

Die LIDAR-Vorrichtung 2 weist darüber hinaus eine schematisch dargestellte Empfangseinheit auf, welche aus einem Detektor 22 und einem Filter 24 besteht. Der Detektor 22 kann als ein Detektorarray ausgestaltet sein und dient zum Detektieren von reflektierten Strahlen 26. Durch den Filter können Sonnenstrahlung und Störreflexe unterdrückt werden.The LIDAR device 2nd also has a schematically illustrated receiving unit, which consists of a detector 22 and a filter 24th consists. The detector 22 can be designed as a detector array and is used to detect reflected rays 26 . The filter can suppress solar radiation and interference reflections.

Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines LIDAR-Systems 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist hier der Güteschalter 21 als ein aktiver Güteschalter ausgeführt. Der Güteschalter 21 ist als ein Q-Switch in der Ausführungsform eines sogenannten akusto-opitschen Modulators ausgeführt. Dieser ist mit der Auswerteeinheit 4 ebenfalls gekoppelt und kann von der Auswerteeinheit 4 gezielt zum Transmittieren der erzeugten Strahlen 6 angesteuert werden.The 2nd shows a schematic representation of a LIDAR system 1 according to a second embodiment. In contrast to the first embodiment, here is the Q-switch 21 executed as an active Q-switch. The quality switch 21 is designed as a Q switch in the embodiment of a so-called acousto-optical modulator. This is with the evaluation unit 4th also coupled and can be from the evaluation unit 4th targeted to transmit the generated rays 6 can be controlled.

In der 3 ist ein schematisches Blockdiagramm zum Veranschaulichen der Funktionsweise der Auswerteeinheit 2 dargestellt. Das LIDAR-System 1 ist hier vereinfacht illustriert.In the 3rd is a schematic block diagram to illustrate the operation of the evaluation unit 2nd shown. The LIDAR system 1 is illustrated here in simplified form.

Basierend auf den Messwerten der Monitordiode 10 wird die Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen 6 bestimmt 28.Based on the measured values of the monitor diode 10th becomes the pulse frequency of the generated rays 6 definitely 28.

Parallel hierzu wird die Position des Spiegels 8 ermittelt 30. Der Spiegel 8 kann als ein µSpiegel ausgeführt sein oder als ein rotierender oder schwenkender Spiegel.In parallel, the position of the mirror 8th determined 30. The mirror 8th can be designed as a µ mirror or as a rotating or pivoting mirror.

In der Auswerteeinheit 4 ist eine Vergleichstabelle hinterlegt, welche optimierte Pulsfrequenzen aufweist, die von der Position des Spiegels 8 abhängen. Basierend auf der jeweils gegenwärtigen Position des Spiegels 8 kann ein optimaler Wert für eine Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen aus der Vergleichstabelle entnommen werden 32. Alternativ kann die optimale Pulsfrequenz über einen Algorithmus ermittelbar sein.In the evaluation unit 4th is a comparison table, which has optimized pulse frequencies, which depend on the position of the mirror 8th depend. Based on the current position of the mirror 8th an optimal value for a pulse frequency of the generated rays can be taken from the comparison table 32. Alternatively, the optimal pulse frequency can be determined using an algorithm.

Die optimale Pulsfrequenz wird als eine Soll-Pulsfrequenz genutzt und mit einer Ist-Pulsfrequenz verglichen, welche anhand der Monitordiode 10 ermittelt wird. Abhängig von der Abweichung der Ist-Pulsfrequenz von der Soll-Pulsfrequenz erfolgt eine Anpassung 34 der Ansteuerung des Lasertreibers 14 durch die Auswerteeinheit 4.The optimal pulse frequency is used as a target pulse frequency and compared with an actual pulse frequency, which is based on the monitor diode 10th is determined. An adjustment is made depending on the deviation of the actual pulse frequency from the target pulse frequency 34 the control of the laser driver 14 through the evaluation unit 4th .

Die Pfeile veranschaulichen die Bewegungsrichtung des Spiegels 8 und den Abtastbereich bzw. den Field of View FOV.The arrows illustrate the direction of movement of the mirror 8th and the scan area or field of view FOV.

Claims (10)

LIDAR-Vorrichtung (2) zum Abtasten von einem Abtastbereich (FOV) mit Strahlen (6), aufweisend eine Sendeeinheit mit mindestens einem als eine Strahlenquelle (18) ausgestalteten Festkörperlaser (18), mit einem Lasertreiber (14) zum Betreiben der Strahlenquelle (18), mit einem beweglichen Spiegel (8) zum Ablenken der durch den Festkörperlaser (18) erzeugten Strahlen (6) und zum Emittieren der Strahlen (6) entlang des Abtastbereiches (FOV) und aufweisend eine Empfangseinheit mit einem Filter (24) und mit mindestens einem Detektor (22), dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Festkörperlaser (18) und dem beweglichen Spiegel (8) ein Güteschalter (20, 21) und eine Monitordiode (10) angeordnet sind, wobei die Monitordiode (10) dazu ausgestaltet ist, eine Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen (6), zum Anpassen der Pulsfrequenz an eine Position des beweglichen Spiegels, zu ermitteln.LIDAR device (2) for scanning a scanning area (FOV) with beams (6), comprising a transmission unit with at least one solid-state laser (18) designed as a radiation source (18), with a laser driver (14) for operating the radiation source (18 ), with a movable mirror (8) for deflecting the beams (6) generated by the solid-state laser (18) and for emitting the beams (6) along the scanning range (FOV) and comprising a receiving unit with a filter (24) and with at least a detector (22), characterized in that a Q-switch (20, 21) and a monitor diode (10) are arranged in the beam path between the solid-state laser (18) and the movable mirror (8), the monitor diode (10) being designed for this purpose , to determine a pulse frequency of the generated rays (6) for adapting the pulse frequency to a position of the movable mirror. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Güteschalter (20, 21) als ein passiver Güteschalter (20) oder als ein aktiv ansteuerbarer Güteschalter (21) ausgestaltet ist.LIDAR device after Claim 1 The quality switch (20, 21) is designed as a passive quality switch (20) or as an actively controllable quality switch (21). LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die LIDAR-Vorrichtung (2) eine Auswerteeinheit (4) aufweist, welche mit dem Lasertreiber (14), der Monitordiode (10) und dem beweglichen Spiegel (8) verbunden ist.LIDAR device after Claim 1 or 2nd , wherein the LIDAR device (2) is an evaluation unit (4), which is connected to the laser driver (14), the monitor diode (10) and the movable mirror (8). LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei abhängig von einer Position des beweglichen Spiegels (8) eine optimale Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen (6) vorgegeben ist und die Auswerteeinheit (4) dazu eingerichtet ist die durch die Monitordiode (10) ermittelte Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen (6) mit der optimalen Pulsfrequenz zu vergleichen.LIDAR device after Claim 3 Depending on a position of the movable mirror (8), an optimal pulse frequency of the generated rays (6) is predetermined and the evaluation unit (4) is set up for this purpose, the pulse frequency of the generated rays (6) determined by the monitor diode (10) with the optimal one Compare pulse rate. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Auswerteeinheit (4) dazu eingerichtet ist, den Lasertreiber (14) und/oder den Güteschalter (21) derart anzusteuern, dass die Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen (6) an die optimale Pulsfrequenz angepasst wird.LIDAR device after Claim 3 or 4th The evaluation unit (4) is set up to control the laser driver (14) and / or the Q-switch (21) in such a way that the pulse frequency of the beams (6) generated is adapted to the optimal pulse frequency. LIDAR-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Festkörperlaser (18) Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 900 nm bis etwa 950 nm aussendet, wobei der Festkörperlaser (18) Strahlung vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich von etwa 910 nm bis etwa 915 nm aussendet, und wobei der Festkörperlaser (18) aus einem Nd:GDVO4, Nd:YVO4 oder Nd:KGW aufgebaut ist.LIDAR device according to one of the preceding Claims 1 to 5 , wherein the solid-state laser (18) emits radiation in a wavelength range from approximately 900 nm to approximately 950 nm, the solid-state laser (18) preferably emits radiation in a wavelength range from approximately 910 nm to approximately 915 nm, and wherein the solid-state laser (18) emits an Nd: GDVO4, Nd: YVO4 or Nd: KGW. LIDAR-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Lasertreiber (14) ein Pumplaser ist, wobei die Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen (6) durch einen cw-Strom am Pumplaser einstellbar ist.LIDAR device according to one of the preceding Claims 1 to 6 , The laser driver (14) being a pump laser, the pulse frequency of the beams (6) generated being adjustable by a cw current on the pump laser. LIDAR-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Monitordiode (10) dazu ausgestaltet ist, die Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen (6) durch Streulicht oder basierend auf abgezweigten Strahlen zu ermitteln.LIDAR device according to one of the preceding Claims 1 to 7 The monitor diode (10) is designed to determine the pulse frequency of the beams (6) generated by scattered light or based on branched beams. LIDAR-System (1) mit einer LIDAR-Vorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer Auswerteeinheit (4) zum Regeln von einer Pulsfrequenz von erzeugten Strahlen (6) basierend auf einer Position eines beweglichen Spiegels (8) der LIDAR-Vorrichtung (2) und basierend auf einer durch einen Sensor (10) ermittelten Pulsfrequenz der erzeugten Strahlen (6).LIDAR system (1) with a LIDAR device (2) according to one of the preceding claims and with an evaluation unit (4) for regulating a pulse frequency of generated beams (6) based on a position of a movable mirror (8) of the LIDAR Device (2) and based on a pulse frequency of the generated rays (6) determined by a sensor (10). Auswerteeinheit (4) zum Regeln und Steuern einer Pulsfrequenz von erzeugten Strahlen (6) und zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.Evaluation unit (4) for regulating and controlling a pulse frequency of generated beams (6) and for operating a LIDAR device (2) according to one of the Claims 1 to 8th .
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