DE102018222416A1 - Baugruppe für einen LiDAR-Sensor und LiDAR-Sensor - Google Patents

Baugruppe für einen LiDAR-Sensor und LiDAR-Sensor Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe (1) für einen LiDAR-Sensor (10) umfassend einen Stator (2); einen Rotor (3); eine Detektoranordnung (50) umfassend mindestens einen ersten Detektor (42); und einen ersten Lichtleiter (4) umfassend einen Eingang (18) und einen Ausgang (19) und lichtleitende Fasern (17), wobei der erste Lichtleiter (4) innerhalb des Rotors (3) angeordnet ist sowie gemeinsam mit dem Rotor (3) drehbar ist, und der erste Lichtleiter (4) eingerichtet ist, einen ersten aus einer Umgebung stammenden Lichtstrahl (7a) über den Eingang (18) an den lichtleitenden Fasern (17) zu empfangen und über die lichtleitenden Fasern (17) aus dem Ausgang (19) in Richtung des ersten Detektors (42) zu leiten.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe für einen LiDAR-Sensor und einen LiDAR-Sensor.
  • Der heutige Stand der Technik von bekannten LiDAR-Systemen unterscheidet sich elementar durch die Ausleuchtungsmethodik. Hierbei sind zum einen scannende Systeme, die zeitlich gesehen nur einen kleinen Teil der Umgebung ausleuchten, und Flash-Systeme, welche die Umgebung innerhalb eines Zeitpunktes komplett ausleuchten, bekannt.
  • Bei einem scannenden LiDAR-System wird das Sichtfeld (Englisch: Field of View (FoV)) zeitlich sequentiell mit einem Punktlaserstrahl oder einer Laserlinie ausgeleuchtet. Bei einem Flash-System wird das komplette Sichtfeld mit einem Laserblitz (Englisch: Flash) ausgeleuchtet und das reflektierte Licht in einem zweidimensionalen Detektor-Array empfangen. Hierbei kommen in der Regel niedrige Frequenzen (z.B. 10 Hz bis 100 Hz) zum Einsatz. Diese Flash-Systeme erreichen nur eine ausreichende Bildauflösung, wenn als Empfangseinheit ein zweidimensionales Detektor-Array mit großer Pixelzahl verwendet wird.
  • Die Größe des Detektor-Arrays entspricht ungefähr 60 % bis 80% der Größe der Empfangslinse, um somit eine ausreichende Winkeldetektion zu erreichen. Damit mittels LiDAR-Systemen eine hohe Detektionsreichweite realisiert werden kann und zugleich die Grenzwerte der Augensicherheit eingehalten werden, ist eine Empfangslinsenapertur > 25 mm nötig. Die Detektorfläche, welche hinter einer 25 mm-Optik angeordnet ist, ist entsprechend 20×20 mm2 groß. Derartig große Fotodetektoren sind sehr kostenintensiv in der Herstellung und derzeit nur in kleinen Stückzahlen verfügbar. Die geforderte Bandbreite, über welche der Detektor verfügen muss, liegt im einstelligen Nanosekundenbereich, um eine ausreichende Distanzauflösung (d. h. eine Entfernungsauflösung < 0,5 m) zu realisieren.
  • Scannende LiDAR-Systeme (sogenannte Makroscanner) verwenden meist ein rotierendes Element (auch Rotor genannt), welches zum Beispiel eine vertikale Laserlinie in die Umgebung aussendet. Für das Empfangen der Laserlinie wird dann ein eindimensionales Detektor-Array (z. B.: ein Liniendetektor) verwendet. Ein Liniendetektor ist kostengünstiger im Vergleich zu einem zweidimensionalen Detektor. Allerdings wird bei einem Linien-Flash-Scanner auch ein aufwendiger Empfänger benötigt, welcher eine ausreichende Auflösung realisieren kann. Die Auflösung in der Vertikalen wird durch die Pixelzahl auf einem Detektor ermöglicht. Durch die hochauflösende Empfangsoptik werden die reflektierenden Objekte im Sichtfeld auf die einzelnen Pixel abgebildet.
  • Um mit einem Makroscanner eine vertikale Bildauflösung im Bereich 0,15 ° bis 0,5 ° zu erreichen, werden einzelne Halbleiterlaser oder Halbleiterlaser-Arrays verwendet. Die Halbleiterlaser sind vertikal in einer Reihe angeordnet und die Anzahl der verwendeten Halbleiterlaser ergeben die Anzahl der Pixelpunkte. Ein Laserpuls eines einzelnen Lasers kann derzeit maximal 80 W bis 120 W Pulsleistung mit Pulslängen von 2 ns bis 50 ns generieren. Um in der Vertikalen ein Sichtfeld von 15 ° mit einer Auflösung von 0,15 ° zu adressieren, werden 100 Sendestrahlen mit je 0,15 ° Feldwinkel erzeugt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass insgesamt 100 Laser verwendet werden müssen, welche das Laserlicht sequentiell aussenden.
  • Bekannte Mikroscanner weisen in der Regel einen MEMS-Spiegel (d. h.: einen Mikrospiegel) auf. Ein MEMS-Spiegel ist in der Auslenkung auf einen mechanischen Kippwinkel von ca. 25 ° begrenzt. Dadurch ergibt sich eine maximale optische Auslenkung des Sendestrahls von etwa +/- 50 °. Die Geschwindigkeit eines MEMS-Spiegels ist von seiner Baugröße abhängig. Bei einer Spiegelfläche von ca. 3 bis 6 mm2 ist eine maximale Frequenz von zum Beispiel < 30 kHz im resonanten Betrieb möglich.
  • Zweidimensionale Mikroscanner mit MEMS-Spiegeln können durch die relativ kleine Spiegelfläche der MEMS-Spiegel nur kleine Laserstrahldurchmesser umlenken. Der Augensicherheitsgrenzwert für die Laserleistung ist bei kleinen Laserstrahldurchmessern wesentlich geringer als bei großen Laserstrahldurchmessern. Mit einem kleinen Laserstrahldurchmesser ist es schwieriger, eine höhere Sendeleistung auszusenden, um Reichweiten von > 100 m zu erreichen. Die hohe Leistungsdichte des Laserstrahls begrenzt daher dieses System für hohe Reichweiten. Ein weiterer Nachteil eines Mikroscanners ist der große und kostenintensive Detektor. Die Größe des Detektors ist identisch mit einer Detektorgröße zur Verwendung in einem Flash-LiDAR-System.
  • Eine Kombination von Mikro- und Makroscannern ermöglicht die Erhöhung der Sendeleistung um mindestens den Faktor 2. Gleichermaßen wird die Verwendung eines eindimensionalen Detektors ermöglicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Baugruppe für einen LiDAR-Sensor. Unter einem „LiDAR-Sensor“ wird ein solcher Sensor, wie er dem Fachmann bekannt ist, und/oder ein wie oben beschriebener LiDAR-Sensor verstanden, welcher eine Laserquelle, eine Sendeeinheit und eine Detektoranordnung aufweist. Unter „Baugruppe“ wird vorliegend eine technisch zusammenhängende Gesamtheit einzelner LiDAR-Komponenten, wie z. B.: Stator und/oder Rotor und/oder Laser und/oder Lichtleiter und/oder Detektoranordnung innerhalb des LiDAR-Sensors verstanden. Die erfindungsgemäße Baugruppe umfasst einen Stator, welcher eine Laserquelle umfassen kann. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Baugruppe einen Rotor sowie eine Detektoranordnung umfassend mindestens einen ersten Detektor. Weiterhin können auch mehrere Detektoren innerhalb der Detektoranordnung vorhanden sein. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Baugruppe einen ersten Lichtleiter mit einem Eingang, welcher insbesondere eingerichtet ist, eine Strahlung, welche von einem Objekt reflektiert und/oder zurückgestreut wird, aufzunehmen, sowie einen Ausgang, welcher insbesondere eingerichtet ist, einen ersten Lichtstrahl auf den ersten Detektor zu leiten, sowie mindestens zwei lichtleitende Fasern. Unter „lichtleitenden Fasern“ werden vorliegend beispielsweise Glasfasern und/oder Kunststoff-Fasern verstanden, solange diese lichtleitenden Fasern im Wesentlichen die Eignung dafür besitzen, einen ersten Lichtstrahl, z.B. einen Laserstrahl, einzukoppeln, entsprechend dessen Propagation weiterzuleiten und wieder auszukoppeln. Der erste Lichtleiter ist innerhalb des Rotors und gemeinsam mit dem Rotor drehbar angeordnet. Der erste Lichtleiter kann also über beliebige Befestigungsmittel mit dem Rotor verbunden sein, solange sich er erste Lichtleiter mit dem Rotor drehen kann. Erfindungsgemäße lichtleitende Fasern können z. B. eine Mantelfläche, oder auch „Cladding-Fläche“ genannt, aufweisen, deren Dicke zwischen 0,5 µm und 4 µm variieren kann. Allerdings ist prinzipiell der Faserkern der lichtleitenden Fasern gemeint, wenn in der Folge die Rede von „lichtleitenden Fasern“ die Rede ist. Der Begriff „Lichtstrahl“ kann gemäß dem Strahlenmodell des Lichts als eine vereinfachte Beschreibung für eine Gesamtheit elektromagnetischer Wellen, wie sie beispielsweise in einem Laser gebündelt sind, welche für das betrachtete System relevant sind, verstanden werden. Ein empfangener erster Lichtstrahl kann beispielsweise mit einer Einkoppeloptik, z. B. mit einer Linse, am Eingang des ersten Lichtleiters in die lichtleitenden Fasern eingekoppelt werden. Nachdem der Lichtstrahl die lichtleitenden Fasern des ersten Lichtleiters passiert hat, kann der erste Lichtstrahl an dem Ausgang auftreten und auf den ersten Detektor geleitet werden. Beispielsweise kann zur Leitung des ersten Lichtstrahls, welcher insbesondere ein Laserstrahl ist, auf den Detektor entsprechend der Propagationsrichtung des Lichtstrahls am Ausgang des Lichtleiters eine Fokussieroptik, z. B. in Form einer Linse angeordnet sein. Weiterhin kann dem Lichtleiterausgang, an welchem der Lichtstrahl aus den lichtleitenden Fasern austritt bzw. ausgekoppelt wird, eine Kollimationsoptik, welcher ein Filter nachgeschaltet ist, welchem wiederum eine Fokussieroptik nachgeschaltet ist, nachgeschaltet sein. Der Detektor kann beispielsweise der Fokussieroptik in Bezug auf eine Propagationsrichtung des ersten Lichtstrahls nachgeschaltet sein. Der erfindungsgemäße Lichtleiter hat insbesondere den Vorteil, dass ein Lichtstrahl durch eine Einkopplung in die lichtleitenden Fasern und anschließende Auskopplung auf einen Detektor oder einzelne kleinere Detektoren, insbesondere Fotodetektoren, umsortierbar ist. Weiterhin kann insbesondere, wenn die lichtleitenden Fasern am Ausgang gebündelt sind, die Fläche eines empfangsseitigen Filters verringert werden, da der Filter nicht unmittelbar vor oder hinter einer großen Empfangsoptik, beispielsweise einer Linse, positioniert sein muss. Weiterhin vorteilhaft ist es durch die erfindungsgemäße Baugruppe möglich, mit wenig Platzbedarf und geringen Genauigkeitsanforderungen den empfangenen ersten Lichtstrahl, beispielsweise einen Laserstrahl, innerhalb des Rotors zu detektieren. Weiterhin kann mithilfe des ersten Lichtleiters, welcher in der Baugruppe des ersten LiDAR-Sensors angeordnet ist, die Anzahl der gewählten Laserquellen und Detektoren für das vertikale Sichtfeld in einem großen Winkelbereich, wie beispielsweise 6 ° bis 60 °, skaliert werden. Dies ermöglicht den Aufbau unterschiedlicher Sensoren mit unterschiedlich großen Sichtweiten oder einer unterschiedlich großen Bildauflösung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Baugruppe. Außerdem ist die erfindungsgemäße Baugruppe aufgrund des verwendeten Lichtleiters, welcher im Wesentlichen aus lichtleitenden Fasern aufgebaut ist, eine klein-bauende und kompakte Einheit, wobei die entsprechende Herstellung weniger aufwendig wird. Weiterhin wird durch die empfangsseitige Lichtleiteranordnung kein Detektor, welcher viele Pixel aufweist, benötigt, da die Bildauflösung im vertikalen Sichtfeld durch eine zeitliche Synchronisation von Laserschüssen mittels einer Spiegelposition, beispielsweise innerhalb eines Makroscanners und/oder Mikroscanners, realisiert werden kann. Insbesondere kann bei dem erfindungsgemäßen Lichtleiter ab einer vordefinierten Anzahl von lichtleitenden Fasern, insbesondere fünf lichtleitender Fasern, eine eingangsseitige Aufspaltung der Faserenden, wobei die Faserenden insbesondere in einer Linie angeordnet sein können, vorgenommen werden. Ausgangsseitig kann hingegen eine Bündelung der Fasern, wobei die Fasern beispielsweise ein mittleres Faserende hexagonal umgeben und als eine zweidimensional dichteste Zylinderpackung angeordnet sind, vorliegen. Durch eine derartige Anordnung der lichtleitenden Faserenden am Ausgang kann aufgrund einer damit verbundenen Kompaktierung des Laserlichts auf einen runden Querschnitt, ebenso eine Verringerung der Detektor-Oberfläche innerhalb des LiDAR-Systems, insbesondere bei LiDAR-System mit Linienausleuchtung, realisiert werden. Insbesondere kann mit einer derartigen ausgangsseitigen lichtleitenden Faserenden-Anordnung das Laserlicht ausgangsseitig mit einem verhältnismäßig großen Abstrahlwinkel divergent emittiert werden und mittels einer Linsenoptik kollimiert werden. Dadurch wird es möglich, zwischen einer Kollimationslinse und einer Fokussieroptik einen Bandpassfilter zu integrieren, der eine sehr schmale Bandbreite aufweist. Da der empfangene Lichtstrahl nur mit wenig Winkelversatz durch einen Filter geleitet werden kann, ist eine Verringerung der Filterbandbreite möglich. Durch ein schmaleres Filter verbessert man die Störlichtunterdrückung und die Reichweite des Sensors erhöht sich. Außerdem ist die Fläche des Filters im Gegensatz zu einem Filter, welcher direkt hinter einer Empfangsoptik, beispielsweise einer Linse, verbaut ist, geringer. Dies spart weitere Kosten für die Herstellung eines Sensors ein.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die erfindungsgemäße Baugruppe einen zweiten Lichtleiter, welcher die vorbeschriebenen Merkmale und Vorteile des ersten Lichtleiters entsprechend aufweist. Der zweite Lichtleiter ist eingerichtet, einen zweiten aus der Umgebung empfangenen Lichtstrahl auf einen zweiten, vom ersten Detektor räumlich separierten Detektor zu leiten. Ferner ist der zweite Lichtleiter innerhalb des Rotors angeordnet und, ebenso wie der erste Lichtleiter, gemeinsam mit dem Rotor drehbar angeordnet. Der zweite Lichtleiter kann, ebenso wie der erste Lichtleiter, eine eingangsseitige Aufspaltung der lichtleitenden Fasern aufweisen und ebenso eine ausgangsseitige Bündelung der Faserenden aufweisen. Neben dem zweiten Lichtleiter kann auch ein dritter, vierter und/oder fünfter usw. Lichtleiter vorgesehen sein, welcher die Eigenschaften und die Merkmale sowie die Vorteile des ersten erfindungsgemäßen Lichtleiters entsprechend aufweisen kann. Insbesondere kann sich der erste Lichtleiter linienförmig erstrecken. Weiterhin kann der zweite Lichtleiter parallel zu dieser linienförmigen Erstreckung des ersten Lichtleiters angeordnet sein. Die jeweiligen ersten und zweiten Detektoren der erfindungsgemäßen Detektoranordnung können jeweils an den Ausgängen der ersten und zweiten Lichtleiter angeordnet sein.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe können der erste und zweite Lichtleiter einen gemeinsamen Eingang und räumlich voneinander separierte Ausgänge aufweisen. Insbesondere kann der gemeinsame Eingang eine Rechteckform aufweisen, innerhalb derer eine Auffächerung der lichtleitenden Fasern erfolgt. Diese Rechteckform des Eingangs des ersten Lichtleiters kann mit der Rechteckform des Eingangs des zweiten Lichtleiters verbunden werden, um die eingangsseitige Detektionsoberfläche entsprechend zu vergrößern. Die Ausgänge sind insbesondere voneinander separiert. Insbesondere können die Ausgänge gebündelte umfassen, wobei die Ausgänge ein Kabel umfassen, welches insbesondere einen zylindrischen Querschnitt umfasst, in welchem die lichtleitenden Fasern in einer dichtesten Packung angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine große eingangsseitige Detektionsoberfläche aufgrund der Auffächerung geschaffen werden, während die empfangenen Lichtstrahlen auf unterschiedliche Detektoren der Detektionsanordnung geleitet werden können, um die vorstehend beschriebenen Vorteile zu erreichen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe beträgt eine Anzahl der lichtleitenden Fasern des ersten und/oder zweiten Lichtleiters 5 bis 1000. Bevorzugt kann die Anzahl auch 30 bis 800 und besonders bevorzugt 50 bis 500 betragen. Hierbei gibt es bei einem Ausfall einer einzelnen Faser keine Lücken in der Linie, da die lichtleitenden Fasern Lichtstrahlen aller reflektierten und empfangenen Lichtstrahlen in vertikaler Richtung durchmischen und dadurch einen Abstrahlwinkel von zum Beispiel 25 ° bis 80 ° verursachen. Durch die angepasste Empfangsoptik der vorliegenden Erfindung kann ein Empfangswinkel von 12 °bis 25 ° realisiert werden. Eine größere Anzahl von Fasern, beispielsweise 50 bis 500 Fasern, bewirkt eine ausreichende Redundanz, zum Beispiel bei Ausfall einzelner Fasern. Die Fasern sind zur Verbindung zwischen empfangenen Lichtstrahlen aus der Umgebung und dem Detektor der Baugruppe des LiDAR-Sensors insbesondere gewinkelt. Die Winkelung beträgt beispielsweise 80° bis 120°, insbesondere 90°. Beispielsweise sind die lichtleitenden Fasern innerhalb des Lichtleiters gebündelt, um eine möglichst dichte Packung zu ergeben. Dies bedeutet, dass die lichtleitenden Fasern zum Beispiel zylindrisch und/oder in einer viereckigen Form komprimiert sind. Insbesondere ist ein aus einer derartigen Form resultierender Querschnitt auch für den Ausgang vorgesehen. Dieser Querschnitt kann sich insbesondere über 70% des ersten und/oder zweiten Lichtleiters erstrecken, ehe eine Aufweitung zum Empfang der lichtleitenden Fasern bezüglich des Eingangs erfolgen kann. Zusätzlich oder alternativ beträgt ein Durchmesser der lichtleitenden Fasern des ersten und/oder zweiten Lichtleiters 10 bis 150 µm. Bei einem kleineren Durchmesser kann die Einkoppeleffizienz zu gering sein, wobei ein größerer Durchmesser als der vorgegebene Bereich einen Verlust der Kompaktheit der Bauweise zur Folge haben kann. Weitere Durchmesser, welche für die erfindungsgemäße Baugruppe in Frage kommen, sind beispielsweise 10 µm bis 80 µm, bevorzugt 30 µm bis 70 µm und/oder 100 µm bis 150 µm, besonders bevorzugt 120 µm bis 140 µm. Insbesondere kann durch einen erfindungsgemäßen Lichtleiter in vorstehend beschriebener Weise ein empfangener Lichtstrahl beliebig und auch in komprimierter Weise zu einem Detektor geführt werden. Dadurch können die Detektoren der Detektoranordnung beabstandet von einem Lasertreiber, welcher in einer erfindungsgemäßen Baugruppe vorgesehen sein kann, angeordnet werden. Dadurch wird ein elektrisches Übersprechen der Detektorelektronik mit geringem konstruktivem Aufwand reduziert, da ein Detektor in einem größeren Abstand von einem Lasertreiber angeordnet sein kann als es bei bekannten LiDAR-Sensoren der Fall ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann eine Laserquelle auf dem Stator und/oder in dem Rotor angeordnet sein. Auf diese Weise kann mittels einer erfindungsgemäßen Baugruppe, welche eine beliebige Detektoranordnung aufgrund des ersten Lichtleiters ermöglicht, variabel für unterschiedliche LiDAR-Systeme eingesetzt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Baugruppe kann ein Rotor eine Sendeeinheit mit einem Mikrospiegel und/oder einem Polygonspiegel umfassen. Weiterhin kann eine Lichtquelle außerhalb des Rotors, insbesondere auf dem Stator, platziert werden, während die Lichtquelle über einen Ablenkspiegel, welcher insbesondere auf dem Stator angeordnet ist, Lichtstrahlen auf den Mikrospiegel und/oder Polygon-Spiegel leiten kann. Damit kann auf einfache Weise eine vertikale Auflösung bezüglich eines Sichtfeldes durch eine simple Verwendung eines Ablenkspiegels erzeugt werden. Durch eine Kombination eines Mikrospiegels und einer makroskopischen Sendeoptik wird es möglich, einen Sendestrahldurchmesser zu vergrößern. Durch den vergrößerten Sendestrahldurchmesser kann am Ausgang des LiDAR-Sensors mehr Laserleistung ausgesandt werden, ohne einen Augensicherheitsgrenzwert zu überschreiten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Baugruppe weist der Eingang, welcher insbesondere eine Querschnittsfläche der lichtleitenden Fasern senkrecht zur Lichteinstrahlrichtung bzw. eine Stirnfläche des ersten Lichtleiters mit einer z.B. linearen Anordnung der lichtempfangenden Enden der lichtleitenden Fasern, auf den die Wellenfront des Lichtstrahls auftrifft, darstellt, des ersten Lichtleiters eine Rechteckform mit einer Kantenlänge von 2 bis 25 mm auf. Besonders bevorzugt beträgt die Kantenlänge 5 bis 10 mm. Beispielsweise kann eine Auffächerung der lichtleitenden Fasern am Ausgang erfolgen. Insbesondere erstrecken sich die lichtleitenden Fasern über die volle Länge des ersten und/oder zweiten Lichtleiters. Insbesondere können die lichtleitenden Fasern am Eingang in einer Linie mit gegenseitigem Kontakt als „Kette“ angeordnet sein. Insbesondere ist mit anderen Worten die Anordnung der kreisförmigen Enden der lichtleitenden Fasern gemeint. Hierbei kann jede lichtleitende Faser am Ausgang in direktem Kontakt zu ihrem Nachbarn stehen.
  • Alternativ sind die lichtleitenden Fasern in isolierten Zweiergruppen in einer Linie angeordnet, welche also nicht in Kontakt mit ihrem Zweiergruppen-Nachbarn stehen. Beispielsweise können die lichtleitenden Fasern am Eingang mit einem Faserträger, welcher beispielsweise aus Glas gefertigt ist, verbunden werden. Beispielsweise sind die hierin verwendeten lichtleitenden Fasern Glasfasern, welche insbesondere einen Erweichungspunkt Tg zwischen 400 °C und 500 °C aufweisen. Hierbei verfügt der Faserträger beispielsweise über einen höheren Tg, wie vorhin beschrieben (z. B. 500 °C damit keine Deformation des Trägers stattfindet). Es kann zu einem Formschluss zwischen Trägermaterial und lichtleitendem Material kommen. Deswegen muss z. B.: in diesem Fall kein Klebstoff für die Montage verwendet werden. Ferner können diese vorgenannten Merkmale zusätzlich oder alternativ für den zweiten und weiteren Lichtleiter gelten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Lichtleiter konfiguriert, den ersten Lichtstrahl mindestens einmal umzulenken. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn der Detektor insbesondere senkrecht zur Empfangsrichtung des ersten Lichtleiters angeordnet ist. Allgemein kann der erste Lichtleiter eine Krümmung von 80 ° bis 120 ° aufweisen, um das Licht in den Detektor zu leiten, um somit Licht in die benötigte Richtung umzuleiten. Bevorzugt umfasst der erste Lichtleiter hierzu eine Krümmung von 90 °. Wenn der erste Lichtleiter eine Krümmung aufweist, dann weisen selbstverständlich die darin geführten lichtleitenden Fasern ebenfalls eine Krümmung auf. Eine derartige Krümmung kann verwendet werden, um das in den ersten und/oder zweiten Lichtleiter eingekoppelte Licht an eine entsprechende Position, beispielsweise den Detektor der Detektoranordnung, zu führen. Dies bedeutet beispielsweise im Falle des ersten Lichtleiters eine Führung des Lichtstrahls aus der Umgebung des LiDAR-Sensors zum Detektor. Vorzugsweise kann der erste und/oder der zweite Lichtleiter mehr als eine, insbesondere zwei Krümmungen aufweisen, wobei der Lichtstrahl hierfür zweifach umgelenkt werden kann. Hierdurch kann ferner Bauraum bei der Herstellung des Sensors gespart werden.
  • Aufgrund der im vorigen Absatz genannten vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der erste Detektor außerhalb des Rotors angeordnet sein. Dadurch, dass der erste Detektor der Detektoranordnung außerhalb des Rotors platziert werden kann, kann die Kühlung und Temperierung von Lichtquellen des LiDAR-Sensors und des Detektors wesentlich vereinfacht werden. Ferner kann insbesondere auch eine Sendeoptik eines LiDAR-Sensors innerhalb der erfindungsgemäßen Baugruppe mittels eines Lichtleiters realisiert werden. In diesem Fall werden in einen Eingang, welcher einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, über eine Einkoppeloptik Lichtstrahlen in den Lichtleiter eingekoppelt und über einen Ausgang in dem die lichtleitenden Fasern aufgefächert sind mit Hilfe einer Linsenoptik in eine Umgebung bzw. bezüglich eines Lichtfeldsensors ausgesendet. Auf diese Art und Weise kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau eines Lichtleiters ein Laser und/oder ein Detektor der Detektoranordnung außerhalb des Rotors, z.B. auf dem Stator, positioniert werden. Dadurch wird die aufwändige Übertragung für Strom und Daten für einen Empfänger und/oder Sender auf den beweglichen Teil des Sensors überflüssig. Dies reduziert Kosten und Komplexität des LIDAR-Sensors. Des Weiteren kann die Temperierung der jeweiligen Komponenten verbessert werden. Die Temperierung eines rotierenden Teils von bekannten Makroscannern ist üblicherweise ein zentrales Problem. Das rotierende Teil des LiDAR-Sensors kann überwiegend nur durch die im Gerät zirkulierte Luft gekühlt werden. Dadurch ist die Wärmeabfuhr stark eingeschränkt. Durch die begrenzte Wärmeabfuhr wird die Performance eingeschränkt, da diese sehr stark von der Anzahl Laserschüsse und der Laserleistung abhängt. Die Effizienzsteigerung wird durch eine einfache Temperierung durch die verbesserte Wärmeabfuhr auf den Stator ermöglicht. Zusätzlich oder alternativ können räumlich voneinander separierte Eingänge von Lichtleitern vorgesehen werden sein, deren lichtleitenden Fasern in einem gemeinsamen Ausgang gebündelt werden. Eine derartige Anordnung kann als Erstanordnung bezeichnet werden. Eine zur Erstanordnung insbesondere strukturidentische Komplementäranordnung kann dem Ausgang der Erstanordnung nachgeschaltet werden, wobei die lichtleitenden Fasern der Komplementäranordnung einen gemeinsamen Eingang aufweisen, welcher der Struktur des Ausgangs der Erstanordnung entspricht. Ferner entsprechen die Ausgänge der Komplementäranordnung strukturgemäß den Eingängen der Erstanordnung. Auf diese Weise können mit den erfindungsgemäßen lichtleitenden Fasern Lichtstrahlen, welche aus der Erstanordnung in die Komplementäranordnung übergehen, auf eine statorseitige Detektoranordnung mit mehr als einem Detektor geleitet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Filter zwischen dem ersten Detektor und dem Ausgang des ersten Lichtleiters angeordnet sein. Der Filter dient insbesondere einer Optimierung der Steilheit der Anstiegsflanken, welche die Zeit zwischen Start- und Empfangszeit des Lichtes definieren. Beispielsweise kann der Filter einen Balanced-Detektor umfassen. Mittels eines Balanced-Detektors kann insbesondere die Dynamik des Detektors der Detektionseinheit verbessert werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen LiDAR-Sensor umfassend die Baugruppe gemäß dem ersten Erfindungsaspekt. Ein derartiger LiDAR-Sensor kann beispielsweise ein Flash-betriebener LiDAR-Sensor und/oder ein mirkroscannender LiDAR-Sensor und/oder ein makroscannender LiDAR-Sensor sein.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen ersten Lichtleiters;
    • 2 ein Ausführungsbeispiel dreier erfindungsgemäßer Lichtleiter, welche einen gemeinsamen Eingang aufweisen;
    • 3 ein Ausführungsbeispiel eines Ausgangs eines erfindungsgemäßen Lichtleiters;
    • 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LiDAR-Sensors;
    • 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LiDAR-Sensors;
    • 6 eine dem erfindungsgemäßen Lichtleiter nachgeschaltete Optik;
    • 7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LiDAR-Sensors;
    • 8 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LiDAR-Sensors;
    • 9 ein Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbildes eines erfindungsgemäßen LiDAR-Sensors;
    • 10 ein Ausführungsbeispiel einer Erstanordnung erfindungsgemäßer Lichtleiter;
    • 11 ein Ausführungsbeispiel einer Komplementäranordnung komplementärer Lichtleiter; und
    • 12 ein Ausführungsbeispiel für einen Empfangspfad eines erfindungsgemäßen LiDAR-Sensors.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen ersten Lichtleiters 4. Hierbei ist der Ausgang 19 dargestellt, wobei innerhalb des Ausgangs 19 die lichtleitenden Fasern 17 als dichteste Packung angeordnet sind. Insbesondere ist der Querschnitt des Ausgangs bis zu einer Aufweitung der lichtleitenden Fasern 17 konstant. An dem Eingang 18, welcher zum Beispiel als Faserzeile ausgestaltet sein kann, des Ausführungsbeispiels des ersten Lichtleiters 4 werden die lichtleitenden Fasern 17, welche am Ausgang 19 gebündelt sind, aufgefächert und in einer Linie (Faserzeile) zum Empfang eines ersten Lichtstrahls 7a angeordnet. Hierbei berühren sich die benachbarten lichtleitenden Fasern 17 jeweils gegenseitig und bilden eine Kette. Mit anderen Worten werden die lichtleitenden Fasern 17 am Eingang 18 aufgefächert, während die lichtleitenden Fasern 17 auf einer Strecke bis einschließlich zum Ausgang 19 gebündelt sind.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel dreier erfindungsgemäßer Lichtleiter 4a bis 4c. Die Eingänge 18a bis 18c der ersten bis dritten Lichtleiter 4, 15, 58 sind miteinander verbunden, wobei die lichtleitenden Fasern 17 aufgrund der gemeinsam miteinander verbundenen Eingänge 18a bis 18c eine gemeinsame ununterbrochene Linie bilden. Nach den Eingängen 18a bis 18c verlaufen die zusammengeführten Faserbündel der Lichtfasern 17 der jeweiligen Lichtleiter 4, 15, 58 parallel zueinander und münden in räumlich separierten Ausgängen 19a bis 19c.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Eingangs 18. Hierbei sind die lichtleitenden Fasern 17 zwischen zwei Faserträgern 23 angeordnet.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines ersten LiDAR-Sensors 10. Der erste LiDAR-Sensor 10 umfasst eine erfindungsgemäße Baugruppe 1. Die erfindungsgemäße Baugruppe 1 umfasst einen Stator 2 sowie einen Rotor 3. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Baugruppe 1 einen Sendepfad mit einer Laserquelle 5, deren ausgehender Lichtstrahl 7 zunächst über einen Umlenkspiegel 21 auf einen Mikrospiegel 41 gelenkt wird, der um eine Drehachse 6 des LiDAR-Sensors 10 beweglich ist. Von dem Mikrospiegel 41 gelangt der Lichtstrahl zu einer Fokussieroptik 9, wonach der Lichtstrahl 7 über die Fokussieroptik 9 auf ein Objekt, welches hier nicht gezeigt ist, gesendet wird. Von diesem Objekt kann der Lichtstrahl reflektiert werden und auf einer Empfangsoptik 13 eines Sendepfades, welcher innerhalb der erfindungsgemäßen Baugruppe oberhalb der schwarzen Linie gezeigt ist, empfangen werden. Nach der Empfangsoptik 13 trifft der Lichtstrahl auf den Eingang 18 des erfindungsgemäßen ersten Lichtleiters 4. Von dort aus wird der reflektierte Lichtstrahl 7 über den Lichtleiter 4 auf eine Kollimationsoptik 43 projiziert, von der der Lichtstrahl 7 zu einem Filter 12 gelangt und nach Passieren zu einer Fokussieroptik 9. Nach Passieren der Fokussieroptik 9 gelangt der Lichtstrahl auf den ersten Detektor 42, wobei der erste Detektor 42 außerhalb des Stators 3 angeordnet ist. Hierbei wird durch die Krümmung des ersten Lichtleiters 4, wobei die Krümmung 90 ° beträgt, der Lichtstrahl auf die Kollimieroptik geleitet, nachdem er den ersten Lichtleiter 4 verlassen hat.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweiten LiDAR-Sensors 20 mit einer erfindungsgemäßen Baugruppe 1. Der zweite LiDAR-Sensor 20 unterscheidet sich von dem ersten LiDAR-Sensor 10 dadurch, dass er anstatt eines Mikrospiegels 41 über einen rotierenden Polygon-Spiegel 44 verfügt, wobei der rotierende Polygon-Spiegel 44 eingerichtet ist, einen Lichtstrahl 7 bezüglich eines Sichtfeldes in vertikaler Richtung auszusenden.
  • 6 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer dem ersten Lichtleiter 4 nachgeschalteten Optik, welche zwischen dem ersten Lichtleiter 4 und dem Detektor 42 angeordnet ist. Der Lichtstrahl 7, welcher den ersten Lichtleiter 4 am Ausgang 19 verlässt, passiert eine Kollimationslinse 43 und wird in kollimierter Form über einen Filter 12 geleitet, wonach der Lichtstrahl 7 eine Fokussieroptik 9 passiert, wodurch der Lichtstrahl 7 auf den ersten Detektor 42 geleitet wird. Insbesondere ist der erste Detektor 42 in der Brennweite der Fokussieroptik angeordnet.
  • 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines dritten LiDAR-Sensors 30. Der dritte LiDAR-Sensor 30 weist eine erfindungsgemäße Baugruppe 1 auf, welche sich von der Baugruppe 1 aus 6 dadurch unterscheidet, dass drei Laserquellen 5a bis 5c im Rotor angeordnet sind, welche eingerichtet sind, drei Lichtstrahlen 7a bis 7c in ein Sichtfeld zu senden. Die dazu reflektierten korrespondierten Lichtstrahlen 7a bis 7c werden detektorseitig über einen ersten bis dritten Lichtleiter 4, 15, 58 empfangen. Die ersten bis dritten Lichtleiter sind parallel zueinander angeordnet und weisen einen gemeinsamen Eingang auf. Ferner werden die reflektierten Lichtstrahlen 7a bis 7c zu den ersten bis dritten Detektoren über die in 6 beschriebene optische Anordnung geleitet.
  • 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines vierten LiDAR-Sensors 40 der vorliegenden Erfindung. Der vierte LiDAR-Sensor 40 unterscheidet sich vom dritten LiDAR-Sensor 30 aus 8 dadurch, dass die erfindungsgemäße Baugruppe 1 einen Polygonspiegel 44 zur vertikalen Abtastung eines Sichtfeldes aufweist.
  • 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Blockschaltbild für einen Betrieb der Komponenten der vorstehend beschriebenen LiDAR-Sensoren 10, 20, 30, 40 mit der erfindungsgemäßen Baugruppe 1. Mittels einer Steuereinheit 52 kann zur gleichen Zeit die Bestimmung eines Start-Triggers durch die Spiegelposition 53 sowie die Detektorauswahl 51 bezüglich der Detektoranordnung 50 mit dem ersten bis dritten Detektor 42a bis 42c stattfinden. Über einen Offset 57 kann der Lasertreiber aktiviert werden, welcher die Laserquellen 5 betätigt und über einen Strahlteiler 58 eine Monitordiode 54 beschickt sowie den Strahl 7 auf den Polygon-Spiegel 44 lenkt, um diesen ins Sichtfeld zu steuern. Mittels einer Monitordiode 54 wird ein Referenzstrahl des ausgesandten Strahls 7 aufgenommen und für die Time-Off Leitmessung 55 berücksichtigt. Ferner wird in der Time-off Leitmessung 55 das detektierte Signal der Detektoranordnung 50 berücksichtigt.
  • 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Erstanordnung 4d von erfindungsgemäßen Lichtleitern 4, 15, 58. Hierbei weisen der erste bis dritte Lichtleiter 4, 15, 58 räumlich voneinander separierte Eingänge 18a, 18b, 18 c auf, während die Lichtleiter 4, 15, 58 einen gemeinsamen Ausgang 19 aufweisen. Die lichtleitenden Fasern 17 am Ausgang 19 der jeweiligen ersten bis dritten Lichtleiter sind als konzentrische Ringe 29a bis 29c angeordnet.
  • 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Komplementäranordnung 4e komplementärer lichtleitender Fasern 39a, 39b, 39c, welche die Erstanordnung 4d aus 10 bei einer Lichtleitung ergänzen. Die Komplementäranordnung 4e kann hierbei ergänzend zur Erstanordnung 4d im Empfangspfad eines erfindungsgemäßen LiDAR-Sensors angeordnet sein.
  • 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Empfangspfades 69 eines erfindungsgemäßen LiDAR-Sensors 10, 20, 30, 40. Hierbei können erste bis dritte Lichtstrahlen 7a, 7b, 7c innerhalb des Rotors 3 empfangen werden und innerhalb des Stators 2, welcher von dem Rotor 3 durch die Trennlinie 68 getrennt ist, detektiert werden. Die Lichtstrahlen 7a, 7b, 7c werden durch die Erstanordnung 4d empfangen und über eine Kollimationsoptik 43, einen Filter 12 und eine Fokussieroptik in die in 11 beschriebene Komplementäranordnung 4e eingekoppelt. Über die Komplementäranordnung 4e gelangen die ersten bis dritten Lichtstrahlen 7a bis 7c schließlich zu den ersten bis dritten Detektoren 42a bis 42c.
  • Beispiele
  • Nachfolgend wird beispielsweise die Bildrate für eine Beispielsmessung berechnet. Diese erfolgt mit der Formel:
    Hierbei ist
    • f: die Bildrate in Hz;
    • Nh: die Anzahl der Schüsse im horizontalen FoV;
    • Nv: die Anzahl der Schüsse im vertikalen FoV; und Δt: der Eindeutigkeitsbereich zur maximalen Messdauer (Time of Light) @180 m/c, wobei
    • c: die Lichtgeschwindigkeit ist) mit Δt = 1,2 µs.
    f = 1 / ( Nh ⋅ Nv ⋅ Δ t ) .
    Figure DE102018222416A1_0001
  • Mit der Anforderung einer Auflösung von 0,15° in horizontaler und vertikaler Richtung bei 360 ° und einem Sichtfeld von 24 ° und 180 m Reichweite ergeben sich Nh= 2400. Nv = 160 → Frequenz  f = 2,17  Hz .
    Figure DE102018222416A1_0002
  • Diese Bildrate ist nicht ausreichend und daher muss die Reichweite der Auflösung verringert werden. Eine Alternative ist es, mit fünf Lasern parallel winkelversetzt zu schießen, damit eine höhere Bildrate von ca. 10 Hz mit der entsprechenden Auflösung erreicht wird.
  • Frequenz des Mikrospiegels in der Vertikalen für eine Bildfrequenz =10 Hz. tv = tu/Nh
    Figure DE102018222416A1_0003
  • Hierbei sind tv die Zeit für eine Vertikalbewegung des Spiegels, tu die Zeit für eine Umdrehung des Rotors und Nh die Anzahl der Schüsse im horizontalen FoV.
  • Mit einer Bildrate von 10 Hz → Auflösung 0,15 ° t v = 0,1  s/2400 → tv = 41,6   μ s → Periodendauer des Spiegels  ( hin und zuruck ) = 2 x tv = 82,2   μ s
    Figure DE102018222416A1_0004
     →  Frequenz des Mikrospiegels=1/Perdiodendauer=12 khz .
    Figure DE102018222416A1_0005
  • Frequenz des Polygonspiegels in der Vertikalen für eine Bildfrequenz von 10 Hz tv = tu/Nh .
    Figure DE102018222416A1_0006
  • Anforderung: Bildfrequenz 10 Hz → Auflösung 0,15 ° mit 12 und 100 Polygonelementen. tv = 0,1 /2400=41 ,6  μ s → entspricht Bewegzeit eines Polygons tP=41 ,6  μ s .
    Figure DE102018222416A1_0007
     → Polygonspiegel mit 12 Facetten : f=1/ ( NP ⋅ tP ) = 2  kHz = 2000  U/sec= 120000  
    Figure DE102018222416A1_0008
     → Polygonspiegel mit 100 Facetten : f=1/ ( NP ⋅ tP ) = 1  kHz = 240  U/sec=1440 U/min . 
    Figure DE102018222416A1_0009
  • Hierbei ist tP die Zeit für ein Polygonelement und NP die Anzahl von Polygonelementen.
  • Um eine Auflösung von 0,15° bei einer Reichweite von 180 m mit 10 Hz Bildfrequenz zu erreichen, werden fünf Laser benötigt. Der Polygonspiegel sollte 12 bis 100 Facetten besitzen. Bei zwölf Facetten ist die benötigte Drehzahl 120000 U/min und bei 100 Facetten ist die benötigte Drehzahl 14400 U/min.

Claims (12)

  1. Baugruppe (1) für einen LiDAR-Sensor (10, 20, 30, 40) umfassend: • einen Stator (2); • einen Rotor (3); • eine Detektoranordnung (50) umfassend mindestens einen ersten Detektor (42a); und • einen ersten Lichtleiter (4) umfassend einen Eingang (18) und einen Ausgang (19) und lichtleitende Fasern (17), wobei der erste Lichtleiter (4) innerhalb des Rotors (3) angeordnet ist sowie gemeinsam mit dem Rotor (3) drehbar ist, und der erste Lichtleiter (4) eingerichtet ist, einen ersten aus einer Umgebung stammenden Lichtstrahl (7a) über den Eingang (18) an den lichtleitenden Fasern (17) zu empfangen und über die lichtleitenden Fasern (17) aus dem Ausgang (19) in Richtung des ersten Detektors (42a) zu leiten.
  2. Baugruppe (1) nach Anspruch 1 umfassend einen zweiten Lichtleiter (15), wobei der zweite Lichtleiter (15) eingerichtet ist, einen zweiten aus der Umgebung empfangenen Lichtstrahl (7b) auf einen zweiten, vom ersten Detektor (42a) räumlich separierten Detektor (42b) zu leiten und der zweite Lichtleiter (15) innerhalb des Rotors (3) angeordnet ist und gemeinsam mit dem Rotor (3) drehbar ist.
  3. Baugruppe (1) nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Lichtleiter (4, 15) einen gemeinsamen Eingang (18) und räumlich voneinander separierte Ausgänge (19a, 19b, 19c) aufweisen.
  4. Baugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl der lichtleitenden Fasern (17) des ersten und/oder zweiten Lichtleiters (4, 15) jeweils 5 bis 1000 beträgt und/oder ein Durchmesser der lichtleitenden Fasern (17) des ersten und/oder zweiten Lichtleiters (4, 15) 10 µm bis 150 µm beträgt.
  5. Baugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Laserquelle (5) auf dem Stator (2) und/oder in dem Rotor (3) angeordnet ist.
  6. Baugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rotor (3) eine Sendeeinheit mit einem Mikrospiegel (41) und/oder einen Polygonspiegel (44) umfasst.
  7. Baugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Eingang des ersten Lichtleiters (4) eine Rechteckform mit einer Kantenlänge von 2 mm bis 25 mm aufweist.
  8. Baugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Lichtleiter (4) konfiguriert ist, den ersten Lichtstrahl (7a) mindestens einmal umzulenken.
  9. Baugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Detektor (42a) außerhalb des Rotors (3) angeordnet ist.
  10. Baugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche ferner umfassend eine Erstanordnung (4d) von Lichtleitern (4, 15, 58), wobei die Lichtleiter (4, 15, 58) räumlich separierte Eingänge (18a bis 19c) und einen gemeinsamen Ausgang (19) aufweisen, und eine Komplementäranordnung (4e), deren Lichtleiter (4, 15, 58) räumlich separierte Ausgänge (19a, 19b, 19c) und einen gemeinsamen Eingang (18) aufweisen, wobei die Komplementäranordnung (4e) eingerichtet ist, den aus der Erstanordnung (4d) austretenden Lichtstrahl (7a-7c) auf eine Mehrzahl von räumlich separierten Detektoren (42a-42c) zu leiten.
  11. Baugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Filter zwischen dem ersten Detektor (42a) und dem Ausgang (19) des ersten Lichtleiters (4) angeordnet ist.
  12. LiDAR-Sensor (10, 20, 30, 40) umfassend eine Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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