DE102018219475A1

DE102018219475A1 - Optische Anordnung zum Aussenden mehrerer Lichtstrahlen mit verschiedenen Ausbreitungsrichtungen und LiDAR-Sensor

Info

Publication number: DE102018219475A1
Application number: DE102018219475.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wichmann; Daniel Aquino Maier; Tobias Graf; Marzena FRANEK
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Es wird eine optische Anordnung (12) zum Aussenden mehrerer Lichtstrahlen (31, 32, 33) mit voneinander verschiedenen Ausbreitungsrichtungen umfassend mindestens zwei Lichtquellen (14), ein Linsensystem (15) und einen Scanner (22) bereitgestellt. Die mindestens zwei Lichtquellen (14) sind eingerichtet, Licht entlang paralleler Ausbreitungsrichtungen auszusenden, und sind in einer Fokusebene (40) des Linsensystems (15) derart angeordnet, dass deren ausgesendetes Licht das Linsensystem (15) mit voneinander verschiedenen Ausbreitungsrichtungen verlässt, wobei sich alle Lichtstrahlen (31, 32, 33) nach Passieren des Linsensystems (15) in einer Pupille (42) des Linsensystems (15) treffen, und wobei der Scanner (22) an einem Ort angeordnet ist, an dem sich alle Lichtstrahlen (31, 32, 33) treffen und der Scanner (22) eingerichtet ist, die Lichtstrahlen (31, 32, 33) in mindestens einer Dimension steuerbar abzulenken.Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen LiDAR-Sensor, der eine solche optische Anordnung (12) umfasst.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zum Aussenden mehrerer Lichtstrahlen mit verschiedenen Ausbreitungsrichtungen umfassend mindestens zwei Lichtquellen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen LiDAR-Sensor umfassend eine solche optische Anordnung.
Für LIDAR(Light Detection And Ranging)-Sensoren sind im Stand der Technik verschiedene Konzepte bekannt. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung von sogenannten „Makroscannern“. Hier hat ein beispielsweise rotierender Makrospiegel einen Durchmesser in einer Größenordnung von einigen Zentimetern. Dadurch kann auch ein Lichtstrahl mit einem Durchmesser in dieser Größenordnung über den Spiegel geführt werden. Ein großer Strahldurchmesser hat insbesondere Vorteile in der Einhaltung der Augensicherheit, da ein in den Normen (IEC 60825-1) angenommener Pupillendurchmesser von 7 mm nur einen Bruchteil des Strahls einfangen kann. Außerdem ist ein größerer Strahldurchmesser robuster gegenüber Störungen, wie Regen oder Staub. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von „Mikroscannern“. Hierbei werden kleine Spiegel mit einem Durchmesser in der Größenordnung von einigen Millimetern verwendet, die in MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)-Technologie gefertigt sind und in einer oder zwei Achsen schwingbar oder drehbar gelagert sind, um eine Strahlenablenkung zu realisieren. Vorteilhaft sind hier die kleine Baugröße und das Fehlen von makroskopisch bewegten Elementen. Kleine Spiegeldurchmesser wirken sich jedoch nachteilig auf die Augensicherheit und die Störanfälligkeit aus. Des Weiteren ist es nur schwer möglich diese mikrospiegelbasierten Systeme derart zu betreiben, dass ein gleicher optischer Pfad für den Sende-und Empfangsweg genutzt werden kann. Hierbei kann der Mikrospiegel je nach Größe die Empfangsapertur stark einschränken, wodurch nicht genügend Photonen für eine optimale Ausleuchtung eines Detektors eingesammelt werden können.
Aus US2017/0090031 A1 ist ein System zum räumlichen Erfassen bekannt, bei dem Licht einer Lichtquelle unter Verwendung von optischen Gittern als räumlich dispersiven Elementen abgelenkt wird. Durch das Verwenden von zwei Gittern kann eine Ablenkung in zwei Dimensionen erreicht werden.
LiDAR Systeme messen den Abstand eines Objekts beispielsweise durch eine direkte Laufzeitmessung (direct Time of Flight) des ausgesendeten Lichtpulses. Eine Laserquelle sendet einen Lichtpuls aus, der über eine geeignete Einheit auf ein Objekt abgelenkt wird. Das Objekt reflektiert den Lichtpuls, wobei der reflektierte Lichtpuls von einem Detektor gemessen und ausgewertet wird. Bei Nutzung der Laufzeitmessung kann das System anhand der Zeitpunkte des ausgesendeten und des empfangenen Lichtpulses die Laufzeit und über die Lichtgeschwindigkeit den Abstand des Objekts zum Sender/Detektor ermitteln. Andere Verfahren basieren auf einer indirekten Laufzeitmessung (indirect Time of Flight) durch Modulation der Lichtintensität bzw. der Lichtfrequenz selbst. Ein weiterer Ansatz ist dabei die Kombination aus Frequenzmodulation und kohärenter Detektion (coherent frequency modulated continuous wave (FMCW)).
Moderne LiDAR Systeme müssen ein großes Sichtfeld (Field of View, FoV) bei hoher Auflösung, also mit einer hohen Anzahl von Bildpunkten abdecken. Des Weiteren sind hohe Scanraten erwünscht. Um einen kompakten Aufbau zu ermöglichen und eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten, soll zudem auf das Anordnen von makroskopischen rotierenden Komponenten verzichtet werden. Mit den bekannten Systemen ist es nicht möglich, diese Anforderungen mit einem kompakten LiDAR System zu erfüllen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine optische Anordnung zum Aussenden mehrerer Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Ausbreitungsrichtungen vorgeschlagen, welche mindestens zwei Lichtquellen, ein Linsensystem und einen Scanner umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Lichtquellen eingerichtet sind, Licht entlang paralleler Ausbreitungsrichtungen auszusenden und in einer Fokusebene des Linsensystems derart angeordnet sind, dass deren ausgesendetes Licht das Linsensystem mit voneinander verschiedenen Ausbreitungsrichtungen verlässt, wobei sich alle Lichtstrahlen nach Passieren des Linsensystems in einer Pupille des Linsensystems treffen, und wobei der Scanner an einem Ort angeordnet ist, an dem sich alle Lichtstrahlen treffen und der Scanner eingerichtet ist, die Lichtstrahlen in mindestens einer Dimension steuerbar abzulenken.
Die optische Anordnung kann insbesondere Teil eines LiDAR Sensors sein, bei dem Lichtstrahlen innerhalb eines Sichtfeldes (Field of View, FoV) ausgesendet werden und von Objekten reflektiertes Licht in umgekehrter Richtung wieder empfangen wird.
Als Lichtquelle wird hierbei eine Vorrichtung angesehen, welche einen Lichtstrahl entlang einer definierten Ausbreitungsrichtung abgegeben kann, wobei als Position der Lichtquelle mit Bezug auf das Linsensystem der Ort angesehen wird, von dem aus ein divergierender Lichtstrahl die Lichtquelle in Richtung des Linsensystems verlässt. Bei Anwendung der idealisierten geometrischen Strahlenoptik ist dies der Punkt, von dem die divergierenden Lichtstrahlen in Richtung des Linsensystems ausgehen. In der realen Optik ist dies kein mathematischer Punkt, sondern ein Bereich mit endlicher Ausdehnung. Die Lichtstrahlen der Lichtquellen können in der idealisierten geometrischen Strahlenoptik als ein divergentes Strahlenbündel angesehen werden, welches einen Hauptstrahl aufweist, der parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls ist. Die Vorrichtung, welche als Lichtquelle angesehen wird, weist einen Emitter auf, der das Licht erzeugt, und umfasst üblicherweise ein oder mehrerer optische Elemente, welche den Lichtstrahl formen. Der Emitter kann beispielsweise als Lichtemittierende Diode (LED) oder als ein Laser ausgeführt sein. Bevorzugt werden Emitter mit Wellenlängen im Bereich von 1300 nm bis 1600 nm und/oder 840 nm bis 1000 nm eingesetzt. Bevorzugt ist der Emitter derart ausgestaltet, dass dieser monochromatisches Licht aussendet.
Das Linsensystem der optischen Anordnung kann aus einer oder aus mehreren optischen Elementen bestehen, und kann bei Anwendung der vereinfachten geometrischen Strahlenoptik als eine Sammellinse mit Fokuslänge F aufgefasst werden. Bevorzugt ist das Linsensystem als telezentrisches Linsensystem ausgeführt, wobei bei objektseitiger Telezentrie, also auf der Seite, auf der die mindestens zwei Lichtquellen angeordnet sind, die Eintrittspupille im Unendlichen liegt. Auf der gegenüberliegenden Ausgangsseite treffen sich die Lichtstrahlen der mindestens zwei Lichtquellen in einer Pupille.
Ein telezentrisches Linsensystem hat hier den Vorteil, dass Crosstalk, also Übersprechen zwischen benachbarten Kanälen bzw. Lichtquellen, minimiert wird und im Idealfall keine Vignettierung bei außeraxialen Punkten stattfindet. Im Spezialfall gleicher numerischer Apertur der Kanäle bzw. Lichtquellen und einem telezentrischen Linsensystem ohne Strahlvignettierung haben die Lichtstrahlen der Lichtquellen in der Pupille eine fast gleiche Ausdehnung. Die Ausdehnung eines Lichtstrahls wird auch als Strahldurchmesser bezeichnet.
Die Lichtquellen können in der Fokusebene des Linsensystems, welche in der Entfernung F auf der Objektseite des Linsensystems liegt, beliebig angeordnet sein. Dabei wird eine Lichtquelle nicht nur dann als in der Fokusebene angeordnet angesehen, wenn diese exakt in der Fokusebene liegt, so dass die Lichtquelle durch das Linsensystem perfekt kollimiert wird. Der Begriff „in der Fokusebene“ soll auch geringe Abweichungen umfassen, so dass die Lichtquellen auch leicht außerhalb der Fokusebene angeordnet werden können, wobei das Licht von etwas außerhalb der Fokusebene liegenden Lichtquellen nicht perfekt kollimiert wird. Bevorzugt weicht die Anordnung einer Lichtquelle von der Fokusebene um weniger als 5 mm und besonders bevorzugt um weniger als 1 mm ab. Innerhalb der Fokusebene können die Lichtquellen beispielsweise entlang einer Linie angeordnet sein. Alternativ hierzu sind beispielsweise zweidimensionale Anordnungen entlang eines Rasters möglich. Die Verteilung der Lichtquellen im Ortsraum im Bereich der Fokalebene des Linsensystems führt zu einem unterschiedlichen Austrittswinkel jedes Lichtstrahls hinter dem Linsensystem. Die zugehörigen Hauptstrahlen der parallel ausgehenden Lichtstrahlen der verschiedenen Lichtquellen schneiden sich dabei in einem gemeinsamen Punkt, der in einer Pupillenebene des Linsensystems liegt.
Bevorzugt werden im Bereich von 2 bis 160 Lichtquellen angeordnet, besonders bevorzugt werden im Bereich von 2 bis 16 Lichtquellen angeordnet und ganz besonders bevorzugt werden im Bereich von 2 bis 4 Lichtquellen angeordnet. Beispielsweise werden drei Lichtquellen verwendet. Jede der Lichtquellen stellt bei Verwendung in einem LiDAR Sensor einen unabhängigen Kanal für eine Messung dar.
Der Scanner, welcher beispielsweise als 1D oder als 2D Scanner ausgeführt ist, ist in oder in der Nähe der Pupille platziert und lenkt alle Lichtstrahlen ohne Vignettierung und ohne relevanten Ortsversatz beim Scannen ab. Bei einem 1D Scanner kann eine Ablenkung in einer Raumrichtung erfolgen. Bei einem 2D Scanner kann eine Ablenkung entlang zwei verschiedener Raumrichtungen erfolgen, welche beispielsweise senkrecht zueinander gewählt sind.
Bei Verwendung in einem LiDAR-Sensor wird der Scanner dazu verwendet, ein Sichtfeld mit den Lichtstrahlen zu überstreichen bzw. zu scannen. Von Objekten reflektiertes Licht wird vom Scanner in umgekehrter Richtung zurück in Richtung der Lichtquellen geleitet.
Bei dem Scanner kann es sich um einen mechanischen Scanner handeln, bei dem die Lichtstrahlen auf einen Spiegel treffen, der entsprechend der gewünschten Ablenkung in einer Dimension (1D Scanner) oder in zwei Dimensionen (2D Scanner) bewegt wird. Die verschiedenen Lichtstrahlen, welche unter jeweils verschiedenen Winkeln auf den Scanner treffen, werden in verschiedene Richtungen abgelenkt. Bei einem Scanvorgang wird ein Winkel, unter dem der Lichtstrahl abgelenkt wird, kontinuierlich oder in Stufen verändert, so dass der Lichtstrahl nach und nach ein vorgegebenes Sichtfeld überstreicht bzw. abscannt.
Bevorzugt ist der Scanner ein mechanischer 2D Scanner, wobei eine Ablenkung der Lichtstrahlen entlang zwei verschiedener Dimensionen durch mechanisches Verstellen eines Elements, insbesondere eines Spiegelelements, erfolgt. Beispielsweise werden bei einem mechanischen 2D Scanner die Lichtquellen entlang einer Linie angeordnet, so dass diese als verschiedene Kanäle unterschiedliche Winkel in einem vertikalen Sichtfeld (vertical Field of View, vFoV) adressieren. Der mechanische Scanner kann in diesem Beispiel die Lichtstrahlen in vertikaler Richtung um einen Winkel β und in horizontaler Richtung um einen Winkel α ablenken. Eine Drehung des Scanners um den Winkel β führt zu einer Verschiebung der am Scannerspiegel reflektierten Strahlen um einen Betrag ΔvFoV und ermöglicht damit einen Scan aller Kanäle in vertikaler Richtung. Über die Parallelisierung wird ein großes vFoV von mehreren Strahlen abgedeckt, wobei jeder Strahl nur um einen kleinen Winkelbereich ΔvFoV gescannt werden muss, um das gesamte vFoV zu adressieren. Das horizontale Sichtfeld (horizontal Field of View hFoV) wird über einen Scan des Winkels α abgedeckt.
Auf diese Weise kann zur Abdeckung eines großen FoV (z.B. h x v: 120° x 30°) z.B. ein Scanner zum Einsatz kommen, der in horizontaler Richtung große Winkel erlaubt (+/- 30° mechanisch -> +/-60° optisch) aber in vertikaler Richtung nur kleinere Winkel (30°/n=10° = +/-2,5° mechanisch für n=3) zur Verfügung stellen kann. Mit n wird hierbei die Anzahl der in einer Linie angeordneten Lichtquellen bzw. die Anzahl der Kanäle bezeichnet. Denkbar sind auch Varianten, bei denen jeweils das hFoV und das vFoV vertauscht sind.
In einer weiteren Variante können die benachbarten Lichtstrahlen aber auch nur benachbarte Pixel im z.B. vFoV adressieren. Das gesamte vFoV wird über den Scan in der entsprechenden Dimension abgedeckt. Hierbei wird die Anforderung an die Scangeschwindigkeit in z.B. vertikale Richtung reduziert, die Anforderung an den absoluten maximalen Winkel in vertikaler Richtung bleibt aber in etwa erhalten.
Bei vollständiger Parallelisierung einer Achse über einen Array von Lichtstrahlen ist es möglich einen 1D Scanner zu verwenden, welcher entsprechend nur eine Ablenkung in einer Dimension ermöglicht.
Bevorzugt ist der Scanner ein 1D Gitterscanner, bei dem eine Ablenkung der Lichtstrahlen in einer ersten Dimension durch mechanisches Verstellen eines Gitters und eine Ablenkung in einer zweiten Dimension durch ein Verändern der Lichtwellenlänge erfolgt. Das Gitter ist dabei bevorzugt ein Reflexionsgitter, bei dem die Beugungseffizienz für die erste Beugungsordnung optimiert ist. Hierzu kann beispielsweise ein Blazegitter verwendet werden, bei dem der Blaze-Winkel und/oder die Periode angepasst werden. Der Winkel, unter dem die erste Ordnung reflektiert wird, ist dabei von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängig und kann somit durch Verändern der Wellenlänge variiert werden. Bei Einsatz eines derartigen 1D-Gitterscanners erfolgt beispielsweise die Ablenkung im vFoV über einen Wellenlängenscan und eine Ablenkung im hFoV über eine mechanische Auslenkung des Gitters.
Anstatt eines Gitters können auch ein oder mehrere holographisch optische Elemente (HOE) eingesetzt werden. Die HOEs und Zentralwellenlängen der Lichtquellen können so ausgelegt/gewählt werden, dass jedes HOE einer Zentralwellenlänge zugeordnet ist. Dazu müssen die Zentralwellenlängen weit genug auseinanderliegen, dies bewirkt das jedes HOE nur für die entsprechende Zentralwellenlänge und eine kleine Bandbreite darum effektiv ist. Dadurch kann für jede Zentralwellenlänge ein definierter Winkel adressiert werden um welchen mit einer Wellenlängenänderung kleiner Bandbreite gescannt werden kann. Vorteil der Verwendung von HOEs ist, dass der zentrale Ausgangswinkel für jede Zentralwellenlänge unabhängig festgelegt werden kann und das mehrere HOEs in einen einzigen Träger (z.B. bestimmte Kunststoffe) von geringer Ausdehnung geschrieben werden können.
Denkbar ist aber auch eine umkehrte Anordnung, bei der eine Ablenkung im hFoV über einen Wellenlängenscan und eine Ablenkung im vFoV über eine mechanische Auslenkung des Gitters erfolgt. Eine eventuelle Verzerrung des FoV, z.B. durch eine Abhängigkeit der Winkel der Beugungsordnungen vom absoluten Winkel des horizontalen FoV, kann herauskalibriert werden.
Der Scanner kann beispielsweise auch als ein 2D-Gitterscanner ausgestaltet sein, bei dem zwei Dimensionen mechanisch adressierbar sind und eine Dimension zusätzlich über ein Verändern der Wellenlänge, beispielsweise durch einen Wellenlängenscan, adressiert werden kann. Dabei kann die Dimension des Wellenlängenscans parallel zu einer der zwei mechanisch adressierbaren Dimensionen sein oder entlang einer anderen Richtung verlaufen.
Der Scanner kann als ein makroskopisches bewegliches Element, beispielsweise als ein rotierender Spiegel oder alternativ als MEMS-Element (Micro-Electro-Mechanical Systems) realisiert sein, bei dem beispielsweise ein Biegebalken angesteuert wird und ein Verändern des Strahlwinkels erlaubt. Der makroskopische rotierende Spiegel kann beispielsweise als Galvo, als Polygonspiegel oder als kardanischer Spiegel ausgestaltet sein.
Das Gitter eines Gitterscanners kann beispielsweise als Reflexionsgitter, als Hologramm, als Prägung oder auch als ein aktives, schaltbares Gitter in Form eines LCD (liquid crystal display) ausgestaltet sein. Die Geometrie des Gitters kann beispielsweise ein Blazegitter, ein binäres Gitter, ein Sinus-Gitter oder ein Freiform-Gitter, ein aperiodisches Gitter oder ein holographisches Gitter wie ein Volumenhologramm sein.
Die Drehachse bzw. die Drehachsen eines mechanischen Scanners sind in einer Ausführungsform zentrisch, also auf der optischen Achse gelegen. In weiteren Ausführungsformen liegen die Drehachsen des mechanischen Scanners nicht zentrisch auf der optischen Achse.
Je exakter der Scanner in der Pupille positioniert werden kann, desto besser wird die Qualität der Abbildung. Falls die Pupille des Linsensystems nicht zugänglich ist, kann hinter der Linse eine Relais-Optik eingefügt werden, die die Pupille bzw. die Pupillenebene an eine Relais-Position abbildet, welche besser zugänglich ist. Der Scanner wird dann an dieser Relais-Position angeordnet. Die Relais-Optik kann zum Beispiel aus zwei Sammellinsen in einer 4f-Konfiguration aufgebaut sein, wobei die beiden Sammellinsen jeweils eine identische Fokuslänge f aufweisen und voneinander in einer Entfernung von 2f angeordnet sind. Die Fokuslänge der Relais-Optik kann sich von der Fokuslänge F des Linsensystems unterscheiden oder mit dieser identisch sein. Die Relais-Optik wird um eine Fokuslänge f entfernt von der Pupille des Linsensystems angeordnet.
Bevorzugt ist das durch die Lichtquellen ausgesendete Licht jeweils monochromatisch. Dabei kann jede der Lichtquellen jeweils Licht der gleichen Wellenlänge aussenden. Alternativ hierzu können die einzelnen Lichtquellen jeweils Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge aussenden.
Alternativ ist es bevorzugt, dass das durch die Lichtquellen ausgesendete Licht jeweils mehrere verschiedene Wellenlängen umfasst. Dabei kann das Licht mehrere diskrete einzelne Wellenlängen umfassen oder einen oder mehrere kontinuierliche Wellenlängenbereiche abdecken. Auch hier ist es möglich, dass verschiedene Lichtquellen ein identisches Spektrum aufweisen oder verschiedene Lichtquellen jeweils Licht mit unterschiedlichem Spektrum aussenden.
Des Weiteren ist es möglich Mischformen zu verwenden, bei denen mindestens eine Lichtquelle monochromatisches Licht aussendet und mindestens eine Lichtquelle Licht mit mehreren Wellenlängen aussendet.
Bevorzugt verwendet mindestens eine Lichtquelle bzw. ein Kanal mehrere Wellenlängen über einen Bereich, der größer ist als die Wellenlängen-Scanbandbreite eines Gitterscanners. Damit werden bereits ohne einen aktiven Wellenlängen-Scan die verschiedenen, auf das Gitter treffenden Wellenlängen in unterschiedliche Winkelbereiche gelenkt. Die Abdeckung des gesamten FoV erfolgt wieder über mechanischen und/oder einen Wellenlängen Scan.
Bevorzugt sind Lichtquellen als Transceiver ausgeführt, welche eingerichtet sind, Licht auszusenden und wieder zu empfangen. Alternativ dazu werden in der optischen Anordnung zusätzlich Empfänger angeordnet, welche Licht empfangen und in ein elektrisches Signal umsetzen können, wobei bevorzugt jeder Lichtquelle ein entsprechender Empfänger zugeordnet wird.
Bevorzugt weist jede Lichtquelle bzw. jeder Transceiver mindestens einen eigenen Emitter auf, welcher bevorzugt als Laser oder als LED ausgeführt ist. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, einen Emitter zu verwenden, dessen Leistung auf die verschiedenen Transceiver aufgeteilt wird. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass eine Lichtquelle bzw. ein Transceiver mehrere Emitter aufweist, so dass beispielsweise unterschiedliche Wellenlängen kombiniert werden können.
Bevorzugt weisen die Transceiver eine koaxiale Führung der Signalpfade in Sende- und Empfangsrichtung auf. Alternativ hierzu können der Signalpfad für das Aussenden der Lichtstrahlen und der Signalpfad für das Empfangen von Licht biaxial geführt werden, wobei hierdurch der Ort der Auskopplung des Lichts aus der Lichtquelle bzw. aus dem Transceiver und der Ort des Empfangs von Licht voneinander separiert werden.
Bevorzugt sind die Transceiver als FMCW (frequency modulated continuous wave), als dToF (direct time of flight) oder iToF (indirect time of flight) Transceiver ausgeführt.
Beispielsweise ist der Transceiver für eine kohärente FMCW Interferometrie in koaxialer Anordnung ausgestaltet. Der grundlegende Aufbau entspricht dabei bevorzugt einem Mach-Zehnder Interferometer, welches einen Teil des Laserstrahls als Lokaloszillator (d.h. als Referenz) abkoppelt und diesen Anteil mit dem Empfangslicht zur Interferenz bringt. Für die koaxiale Anordnung gibt es ein selektives Element, welches dafür sorgt, dass Sende- und Empfangspfad optisch getrennt werden, obwohl über dasselbe Element aus- bzw. eingekoppelt wird. Das selektive Element kann z.B. in einer faser-basierten Ausführungsform als Zirkulator realisiert werden. Es ist aber auch eine Ausführungsform mit nur einem Koppler bzw. Strahlteilern möglich.
Alternativ hierzu kann ein Transceiver mit kohärenter FMCW Interferometrie als biaxiale Anordnung ausgestaltet werden, wobei im Unterschied zur koaxialen Anordnung der Sende- und Empfangspfad vollständig getrennt sind (biaxiale Anordnung) und kein selektives Element notwendig ist.
In einem weiteren Beispiel ist der Transceiver mit einem Signalpfad für coaxiales dTOF/iTOF ausgestaltet. Hier wird entgegen des FMCW Ansatzes kein Referenzpfad benötigt. Der Laserstrahl wird durch ein selektives Element geschickt, welches den Sende- und Empfangspfad voneinander separiert. Dies kann durch vielfältige Art und Weise ausgeführt werden.
In einer Variante eines Signalpfades für bi-axiales dTOF/iTOF werden der Sende- und der Empfangspfad getrennt, so dass kein selektives Element benötigt wird.
Jeder Signalpfad kann als faser-basierte Lösung oder auch als integrierte Lösung (photonic integrated circuit, PIC) realisiert werden. Auch eine Lösung als Freistrahlaufbau ist denkbar (unter Verwendung von z.B. Strahlteilern).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, einen LiDAR-Sensor umfassend mindestens eine der beschriebenen optischen Anordnung bereitzustellen. Die optische Anordnung des LiDAR-Sensors umfasst bevorzugt Transceiver als Lichtquellen und umfasst bevorzugt zusätzliche weitere Komponenten, um die Transceiver und den Scanner anzusteuern sowie um die erhaltenen Signale auszuwerten.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße optische Anordnung ermöglicht die Konstruktion von LiDAR Sensoren, bei denen der Sichtbereich (Field of View) in verschiedene Kanäle unterteilt werden kann, welche jeweils durch eine eigene Lichtquelle bzw. einen eigenen Transceiver adressiert werden. Dies ermöglicht eine parallele Verarbeitung und damit eine Verbesserung der Scangeschwindigkeit und/oder eine Verbesserung der Auflösung.
Des Weiteren ist es möglich, lediglich einen 1D Scanner zu verwenden, wie beispielsweise einen Spiegel, welche nur in einer Richtung gekippt bzw. gedreht werden kann. Um das gesamte FoV in zwei Dimensionen zu adressieren wird eine Vielzahl von Lichtquellen bzw. Kanälen entlang einer Linie angeordnet, welche senkrecht zur Rotationsebene des Spiegels verläuft. Dies erlaubt den Einsatz von großen 1D MEMS Spiegeln mit einem Durchmesser von 1 cm oder mehr, welche als 2D Scanner nicht zur Verfügung stehen.
Bei Kombination mit einem Gitterscanner erlaubt die vorgeschlagene optische Anordnung eine einfache Möglichkeit des Multiplexings, beispielsweise über die Wellenlänge oder den Einfallswinkel. Im Gegensatz zu mechanischen Scannern sind Gitterscanner, bei denen die Wellenlänge der Lichtquellen variiert wird, nicht über ein Trägheitsmoment limitiert. Dies erlaubt eine Verbesserung der Scanfrequenz und ermöglicht ein Scannen beliebiger Punktmuster.
Ein weiterer Vorteil ist, dass bei Ausführungsformen, bei denen durch die Verwendung mehrerer Lichtquellen ein „Kamm“ von Lichtstrahlen über z.B. den gesamten vFoV aufgespannt wird, die Winkel zwischen den benachbarten Lichtstrahlen klein sind und somit sehr schnell gescannt werden kann.
Des Weiteren erlaubt die vorgeschlagene optische Anordnung eine besonders kompakte Anordnung der für einen LiDAR Sensor benötigten Komponenten.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1a eine schematische Darstellung eines LiDAR Sensors nach dem Stand der Technik,
1b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen LiDAR Sensors,
2 eine erste Ausführungsform einer optischen Anordnung,
3 eine zweite Ausführungsform einer optischen Anordnung,
4a eine erste Ausführungsform einer Transceiver-Konfiguration,
4b eine zweite Ausführungsform einer Transceiver-Konfiguration und
4c eine dritte Ausführungsform einer Transceiver-Konfiguration.

1a zeigt eine schematische Darstellung eines LiDAR Sensors 10' mit einem Transceiver 20' nach dem Stand der Technik. Der Transceiver 20' umfasst einen Sender 24' zur Erzeugung von Licht und einen Empfänger 26' zum Detektieren von Licht. Der LiDAR Sensor 10' umfasst einen Scanner 22' zur Abtastung des zweidimensionalen Sichtfelds (Field of View, FoV), um dreidimensionale Bilder zu generieren. Dazu wird ein Lichtstrahl 30' des Senders 24' durch den Scanner 22' abgelenkt und die abgelenkten Lichtstrahlen 60' werden über ein Objekt 28 gescannt.
Vom Objekt 28 reflektiertes Licht kann in umgekehrter Richtung den Scanner 22' zum Empfänger 26' durchlaufen.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1b zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen LiDAR Sensors 10. Der LiDAR Sensor 10 umfasst in dem in 1b dargestellten Beispiel eine optische Anordnung 12 mit drei Kanälen, wobei jedem Kanal ein Transceiver 20 zugeordnet ist. Jeder der Transceiver 20 ist zum Senden und Empfangen von Licht eingerichtet und dient daher als eine Lichtquelle 14, vergleiche 2 und 3. Jeder Transceiver 20 sendet dabei einen Lichtstrahl 31, 32, 33 aus. Des Weiteren können die Transceiver 20 weitere Komponenten enthalten, welche eine Analog/Digital-Wandlung eines empfangenen Signals ausführen. Zusätzlich können die Transceiver 20 eingerichtet sein, die Signalverarbeitung zur Entfernungsbestimmung durchzuführen. Die optische Anordnung 12 des LiDAR Sensors 10 umfasst des Weiteren ein Linsensystem 15 und einen Scanner 22 zur Abtastung des zweidimensionalen Sichtfelds (Field of View, FoV), um dreidimensionale Bilder zu generieren. Zur Beschleunigung des Scanvorgangs und/oder zur Erhöhung der Scanauflösung ist das Sichtfeld des LiDAR Sensors 10 in drei Teilsichtfelder 71, 72, 73 aufgeteilt, wobei jeweils einer der Lichtstrahlen 31, 32, 33 über den Scanner 22 derart abgelenkt wird, dass dieser das jeweilige Teilsichtfeld 71, 72, 73, überstreicht. Dazu werden die Lichtstrahlen 31, 32, 33 der Transceiver 20 über das Linsensystem 15 auf den Scanner 22 geleitet. Die drei in dem dargestellten Beispiel auf den Scanner 22 gelenkten Lichtstrahlen 31, 32, 33 werden als abgelenkte Lichtstrahlen 61, 62, 63 über ein Objekt 28 gescannt, wobei jeder der drei abgelenkten Lichtstrahlen 61, 62, 63 einem der Teilsichtfelder 71, 72, 73 zugeordnet ist. Vom Objekt 28 reflektiertes Licht kann in umgekehrter Richtung den Scanner 22 in Richtung der Transceiver 20 durchlaufen und so von den Transceivern 20 empfangen werden.
Eine Auswertung des empfangen Lichts kann in einem kohärenten FMCW (frequency modulated continuous wave) Verfahren erfolgen, bei dem über eine sich zeitlich ändernde optische Frequenz des Lasers eine Beat- (d.h. Schwebungs-)frequenz zwischen gesendetem und empfangenem reflektierten Signal erzeugt wird. Da diese Beatfrequenz laufzeitabhängig ist, lässt sie eine Entfernungsbestimmung zu. Zum anderen kann eine Bestimmung der Entfernung über das klassische dToF (direct Time of Flight) Verfahren erfolgen, bei dem ein kurzer Puls (im Bereich von ns) ausgesendet wird und die Laufzeit des reflektierten Lichts gemessen wird. Auch sind iToF Verfahren (indirekt ToF, sowohl kohärent als auch nicht kohärent sindmöglich, bei denen die Amplitude oder Phase des Lichts moduliert wird (Sinusförmig oder mit einem Code), so dass über Korrelation (analog oder digital) des Empfangenen und bekannten ausgesendeten Signals ein Laufzeitunterschied und damit eine Entfernung bestimmt werden kann.
2 zeigt eine erste Ausführungsform einer optischen Anordnung 12 mit einem Linsensystem 15 und einem Scanner 22. Die in dem Beispiel der 2 dargestellte optische Anordnung 12 weist drei Kanäle und damit drei Lichtquellen 14 auf, welche hier entlang einer Linie in einer Fokusebene 40 des Linsensystems 15 angeordnet sind. Weitere Ausführungsformen können eine davon abweichende Anzahl von Lichtquellen 14 und eine andere Anordnung dieser aufweisen.
Für die schematische Darstellung der 2 wird die geometrische Strahlenoptik verwendet. Das Linsensystem 15 wird hierbei durch eine Sammellinse 16 repräsentiert, welche eine erste Fokuslänge F aufweist. In einer realen Umsetzung würde beispielsweise ein Objektiv als Linsensystem 15 verwendet werden. Die Fokusebene 40 des Linsensystems 15 befindet sich auf der Objektseite des Linsensystems 15 in einer Entfernung, welche der ersten Fokuslänge F entspricht. Alle Lichtquellen 14 sind in der Fokusebene 40 angeordnet und senden jeweils einen Lichtstrahl 31, 32, 33 aus (in einigen Ausführungsformen kann es aber auch von Vorteil sein, dass die Lichtquellen leicht außerhalb der Fokusebene liegen und damit nicht perfekt kollimiert sind). Im Rahmen der zur schematischen Darstellung genutzten geometrischen Strahlenoptik ist jeder Lichtstrahl 31, 32, 33 als ein Strahlenbündel mit drei Strahlen dargestellt, wobei der mittlere der Strahlen jeweils den Hauptstrahl 31', 32', 33' darstellt, der die Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Lichtstrahls 31, 32, 33 angibt. Alle Strahlen eines Strahlenbündels haben ihren Ursprung in der Lichtquelle 14. Die Strahlen der jeweiligen Strahlenbündel verlaufen dabei divergent von der jeweiligen Lichtquelle 14 aus, das heißt, dass das jeweilige Strahlenbündel am Ort der Lichtquelle 14 den geringsten Strahldurchmesser aufweist. Der Strahldurchmesser wächst mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle 14 an. Das Linsensystem 15 wird dabei so definiert, dass die Hauptstrahlen 31', 32', 33' der Lichtstrahlen 31, 32, 33 objektseitig parallel zu einer optischen Achse 80 des Linsensystems 15 sind (telezentrische Optik). Da die die Strahlenbündel der Lichtstrahlen 31, 32, 33 jeweils von einer Lichtquelle 14 stammen, welche sich in der Fokusebene 40 des Linsensystems 15 befindet, verlaufen nach Passieren des Linsensystems 15 alle Strahlen der Strahlenbündel der Lichtstrahlen 31, 32, 33 jeweils parallel zueinander. Die Hauptstrahlen 31', 32', 33 der Lichtstrahlen 31, 32, 33 schneiden sich dabei in der Mitte der Pupille 42 des Linsensystems 15, und weisen einen jeweils anderen Ausbreitungswinkel auf. Im Spezialfall gleicher numerischer Apertur der Kanäle bzw. der Lichtquellen 14 und einem telezentrischen Linsensystem 15 ohne Strahlvignettierung haben die Strahlbündel der Lichtstrahlen 31, 32, 33 in der Pupille 42 eine identische Ausdehnung bzw. einen identischen Strahldurchmesser.
Auf der den Lichtquellen 14 gegenüberliegenden Seite des Linsensystems 15 ist der Scanner 22 angeordnet. Der Scanner 22 befindet sich an der Position der Pupille 42 des Linsensystems 15. Da der Scanner 22 exakt in der Pupille 42 platziert ist, kann dieser alle Lichtstrahlen 31, 32, 33 ohne Vignettierung und ohne relevanten Ortsversatz beim Scannen ablenken.
Der Scanner 22 kann dazu insbesondere als ein 2D Scanner ausgebildet sein, welcher die Lichtstrahlen 31, 32, 33 entlang zwei verschiedener Dimensionen bzw. Richtungen ablenken kann. Dabei kann der Scanner 22 als ein bewegtes mechanisches Element wie beispielsweise ein Spiegel ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Scanner 22 als ein Gitter ausgestaltet sein, wobei eine Ablenkung entlang einer Dimension durch Verändern der Wellenlänge des durch die Lichtquellen 14 ausgesandten Lichts erreicht wird.
3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der optischen Anordnung 12. Im Gegensatz zu der mit Bezug zur 2 beschriebenen ersten Ausführungsform ist der Scanner 22 nicht am Ort der Pupille 42 des Linsensystems 15 angeordnet, sondern befindet sich weiter weg. Über eine Relais-Optik 19 wird die Pupille 42 an eine Relais-Position 44 abgebildet, welche mechanisch besser zugänglich ist. Der Scanner 22 ist an dieser Relais-Position 44 angeordnet. Die Relais-Optik 19 ist in dem in der 3 dargestellten Beispiel aus zwei Sammellinsen 16 in einer 4f-Konfiguration aufgebaut, wobei die beiden Sammellinsen 16 jeweils eine identische zweite Fokuslänge f aufweisen und voneinander in einer Entfernung angeordnet sind, welche dem doppelten der zweiten Fokuslänge f entspricht. Die zweite Fokuslänge f der Relais-Optik 19 kann sich von der ersten Fokuslänge F des Linsensystems 15 unterscheiden oder mit dieser identisch sein. Die Relais-Optik 19 wird um eine Länge, die der zweiten Fokuslänge f entspricht, entfernt von der Pupille 42 des Linsensystems 15 angeordnet.
4a, 4b und 4c zeigen verschiedene Ausführungsformen einer Transceiver-Konfiguration, welche jeweils beispielhaft Transceiver 20 umfassen. Jeder der Transceiver 20 umfasst einen Austrittspunkt, welche eine Lichtquelle 14 darstellt, und einen Eintrittspunkt 50 für Licht, wobei der Austrittspunkt bzw. die Lichtquelle 14 in den optischen Anordnungen 12 jeweils derart angeordnet wird, dass dieser in der Fokusebene 40 des Linsensystems 15 liegt, vergleiche 1b. Für alle Varianten kann die Auskopplung bzw. der Empfang eines an einem Objekt 28 rückgestreuten Signals über eine Freistrahlanordnung mit einer Auskoppeloptik, über eine optische Faser oder im Falle von photonisch integrierten Systemen über Grating- oder sogenannte Edge Coupler erfolgen. Ein Signalpfad, welche die zur Aufbereitung des ausgesendeten Lichts und für die Verarbeitung des empfangenen Lichts erforderlichen Komponenten enthält, ist in den 4a, 4b und 4c jeweils mit dem Bezugszeichen 48 gekennzeichnet.
In der ersten Ausführungsform der 4a sind die Transceiver 20 jeweils als eine koaxiale Anordnung ausgestaltet, so dass der Eintrittspunkt 50 und die Lichtquelle 14 bzw. der Austrittspunkt jeweils auf einer gemeinsamen Achse liegen. Des Weiteren ist in dem ersten Ausführungsbeispiel für jeden der Transceiver 20 ein eigener Emitter in Form eines Lasers 46 vorgesehen.
In der zweiten Ausführungsform der 4b sind die Transceiver 20 jeweils als biaxiale Anordnung ausgestaltet, so dass der Eintrittspunkt 50 und die Lichtquelle 14 bzw. der Austrittspunkt jeweils auf unterschiedlichen Achsen liegen. Auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel ist für jeden der Transceiver 20 ein eigener Emitter in Form eines Lasers 46 vorgesehen.
In der dritten Ausführungsform der 4c sind wie in der ersten Ausführungsform der 4a die Transceiver 20 jeweils als eine koaxiale Anordnung ausgestaltet, so dass der Eintrittspunkt 50 und die Lichtquelle 14 bzw. der Austrittspunkt jeweils auf einer gemeinsamen Achse liegen. Abweichend von der ersten Ausführungsform der 4a ist jedoch für alle Transceiver 20 ein gemeinsamer Emitter in Form eines einzigen Lasers 46 vorgesehen.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0090031 A1 [0003]

Claims

Optische Anordnung (12) zum Aussenden mehrerer Lichtstrahlen (31, 32, 33) mit voneinander verschiedenen Ausbreitungsrichtungen umfassend mindestens zwei Lichtquellen (14), ein Linsensystem (15) und einen Scanner (22), wobei die mindestens zwei Lichtquellen (14) eingerichtet sind, Licht entlang paralleler Ausbreitungsrichtungen auszusenden, und in einer Fokusebene (40) des Linsensystems (15) derart angeordnet sind, dass deren ausgesendetes Licht das Linsensystem (15) mit voneinander verschiedenen Ausbreitungsrichtungen verlässt, wobei sich alle Lichtstrahlen (31, 32, 33) nach Passieren des Linsensystems (15) in einer Pupille (42) des Linsensystems (15) treffen, und wobei der Scanner (22) an einem Ort angeordnet ist, an dem sich alle Lichtstrahlen (31, 32, 33) treffen und der Scanner (22) eingerichtet ist, die Lichtstrahlen (31, 32, 33) in mindestens einer Dimension steuerbar abzulenken.
Optische Anordnung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner (22) an der Pupille (42) des Linsensystems (15) angeordnet ist oder dass die Pupille (42) des Linsensystems (15) über eine Relais-Optik (19) an eine Relais-Position (44) abgebildet wird, wobei sich der Scanner (22) an dieser Relais-Position (44) befindet.
Optische Anordnung (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner (22) ein mechanischer 1D Scanner ist, wobei eine Ablenkung der Lichtstrahlen (31, 32, 33) entlang einer Dimensionen durch mechanisches Verstellen eines Spiegelelements erfolgt, oder ein mechanischer 2D Scanner ist, wobei eine Ablenkung der Lichtstrahlen (31, 32, 33) entlang zwei verschiedener Dimensionen durch mechanisches Verstellen eines Spiegelelements erfolgt.
Optische Anordnung (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner (22) ein 1D Gitterscanner oder ein 1D Scanner umfassend ein holographisch optisches Element ist, bei dem eine Ablenkung der Lichtstrahlen (31, 32, 33) in einer ersten Dimension durch mechanisches Verstellen eines Gitters oder des holographisch optischen Elements und eine Ablenkung in einer zweiten Dimension durch ein Verändern der Lichtwellenlänge erfolgt.
Optische Anordnung (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner (22) ein 2D Gitterscanner oder ein 2D Scanner umfassend ein holographisch optisches Element ist, bei dem eine Ablenkung der Lichtstrahlen in zwei Dimension durch mechanisches Verstellen eines Gitters oder eines holographisch optischen Elements und eine Ablenkung in einer Dimension durch ein Verändern der Lichtwellenlänge erfolgt.
Optische Anordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Lichtquellen (14) ausgesendete Licht jeweils monochromatisch ist.
Optische Anordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Lichtquellen (14) ausgesendete Licht jeweils mehrere verschiedene Wellenlängen umfasst.
Optische Anordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Lichtquellen (14) als Transceiver (20) ausgeführt sind, welche eingerichtet sind, Licht auszusenden und wieder zu empfangen.
Optische Anordnung (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transceiver (20) als FMCW (frequency mdoulated continuous wave), als dToF (direct time of flight) oder iToF (indirect time of flight) Transceiver ausgeführt sind.
LiDAR-Sensor (10) umfassend mindestens eine optische Anordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.