DE102019125906A1

DE102019125906A1 - Emitterarray für Lichtdetektion und -entfernungsmessung, LIDAR

Info

Publication number: DE102019125906A1
Application number: DE102019125906.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Schardt; Markus Rauscher
Original assignee: Blickfeld GmbH
Current assignee: Blickfeld GmbH
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2021-04-01

Abstract

Ein LIDAR-System (100) zur Entfernungsmessung eines Objekts unter Verwendung von Primärlicht (111), das durch das LIDAR-System (100) emittiert wird, und Sekundärlicht (112), das an dem Objekt reflektiert wird, beinhaltet mehrere Laseremitter (101, 211-219), die in einem Emitterarray (200) angeordnet und dazu ausgelegt sind, das Primärlicht (111) entlang mehrerer Sendestrahlen (121, 321-329) zu emittieren. Das LIDAR-System beinhaltet außerdem einen oder mehrere Laserdetektoren (102), die dazu ausgelegt sind, das Sekundärlicht (112) entlang mehrerer Empfangsstrahlen (122, 331-337) zu detektieren, wobei jeder Empfangsstrahl (122, 331-337) mit einem jeweiligen Sendestrahl (121, 321-329) ausgerichtet ist. Das LIDAR-System (100) beinhaltet ferner ein Strahllenkungselement (159), das einen oder mehrere Spiegel (150) und eine oder mehrere elastische Halterungen umfasst, die konfiguriert sind, den einen oder die mehreren Spiegel (150) umzulenken, wobei der eine oder die mehreren Spiegel (150) in den mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) und in den mehreren Empfangsstrahlen (122, 331-337) angeordnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Beispiele betreffen allgemein Lichtdetektion und -entfernungsmessung, LIDAR. Verschiedene Beispiele betreffen insbesondere ein LIDAR-System, das mehrere Laseremitter beinhaltet. Das LIDAR-System kann mehrere Laserdetektoren beinhalten.
HINTERGRUND
Lichtdetektion und -entfernungsmessung (LIDAR; manchmal auch als Laserentfernungsmessung oder LADAR bezeichnet) ermöglicht die Bereitstellung einer 3D-Punktwolke einer Szene. Objekte können akkurat detektiert werden. Eine Entfernungsmessung ist möglich. Gepulstes oder Dauerstrich-Primärlaserlicht wird entlang eines Sende(TX)-Strahls übertragen und nach Reflexion an einem Objekt als Sekundärlicht detektiert, das entlang eines Empfangs(RX)-Strahls läuft. Dies ermöglicht die Bestimmung des Abstands zu dem Objekt (z-Position).
In einer koaxialen Einrichtung sind der TX-Strahl und der RX-Strahl koaxial ausgerichtet. Typischerweise bedeutet dies, dass dasselbe Strahllenkungselement in dem TX-Strahl und dem RX-Strahl für das Scanning angeordnet ist, um eine laterale Auflösung (x-Richtung und y-Richtung) zu erhalten.
Es sind Techniken bekannt, bei denen das Strahllenkungselement einen oder mehrere Spiegel und eine oder mehrere elastische Halterungen, die zum Umlenken des einen oder der mehreren Spiegel konfiguriert sind, beinhaltet. Ein solches Szenario wird häufig als reibungsloses Scanning bezeichnet. Die laterale Auflösung wird durch das zweckmäßige Steuern des einen oder der mehreren Spiegel und der einen oder der mehreren elastischen Halterungen erreicht.
Typischerweise kann die durch ein solches LIDAR-System unter Verwendung von reibungslosem Scanning erreichbare laterale Auflösung durch die Eigenschaften eines Masse-Feder-Systems beschränkt werden, das durch den einen oder die mehreren Spiegel und die eine oder die mehreren elastischen Halterungen gebildet wird. Falls beispielsweise bei oder nahe einer Eigenfrequenz von z. B. Biegung oder Torsion gearbeitet wird, wird die zum Abtasten eines Sichtfeldes (FoV: Field of View) erforderliche Zeit von der Eigenfrequenz abhängen. Manchmal ist die Eigenfrequenz vergleichsweise niedrig, z. B. in der Ordnung von 100 Hz bis 3 kHz; dann ist auch die Scanrate beschränkt. Angesichts der beschränkten Scanrate ist häufig die Anzahl der Scanzeilen reduziert. Dies verringert die laterale Auflösung.
KURZDARSTELLUNG
Dementsprechend besteht ein Bedarf für fortgeschrittene Techniken zum Betreiben von LIDAR-Systemen, die ein Strahllenkungselement beinhalten, das basierend auf reibungslosem Scanning arbeitet. Insbesondere besteht ein Bedarf für fortgeschrittene Techniken, die zumindest manche der oben identifizierten Einschränkungen und Nachteile überwinden oder mindern. Es werden LIDAR-Systeme benötigt, die eine große laterale Auflösung bereitstellen.
Dieser Bedarf wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erfüllt. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.
Ein LIDAR-System verwendet mehrere TX-Strahlen und mehrere RX-Strahlen. Eine koaxiale optische Einrichtung wird für Paare der TX-Strahlen und der RX-Strahlen implementiert. Ein Emitterarray kann verwendet werden, um Primärlicht entlang der mehreren TX-Strahlen zu emittieren.
Diese Techniken können unter Verwendung einer segmentierten Linse kombiniert werden. Die segmentierte Linse kann eine Strahlteilerfunktionalität implementieren. Die segmentierte Linse kann verwendet werden, um die TX-Strahlen und die RX-Strahlen zu trennen. Die segmentierte Linse kann ein oder mehrere RX-Linsensegmente und ein oder mehrere TX-Linsensegmente aufweisen, die auf die RX-Strahlen bzw. die TX-Strahlen einwirken.
Die RX-Linsensegmente der segmentierten Linse können eine außeraxiale Anordnung bezüglich einer Mittelachse nachgelagert zu der segmentierten Linse aufweisen. Dadurch kann ein Versatz des einen oder der mehreren Detektoren bezüglich des einen oder der mehreren Emitter erreicht werden.
Beispielsweise könnte dieser Versatz entlang einer langsamen Achse des Primärlichts vorliegen; das TX-Linsensegment kann verwendet werden, um das Primärlicht entlang dieser langsamen Achse zu kollimieren.
Diese Techniken können mit dem reibungslosen Scanning kombiniert werden. Hier kann ein Masse-Feder-System umfassend einen Spiegel und eine elastische Halterung, die ein oder mehrere Federelemente umfasst, verwendet werden.
Ein LIDAR-System zur Entfernungsmessung eines Objekts unter Verwendung von Primärlicht, das durch das LIDAR-System emittiert wird, und Sekundärlicht, das an dem Objekt reflektiert wird, beinhaltet mehrere Laseremitter, die in einem Emitterarray angeordnet und dazu ausgelegt sind, das Primärlicht entlang mehrerer Sendestrahlen zu emittieren. Das LIDAR-System beinhaltet außerdem einen oder mehrere Laserdetektoren, die dazu ausgelegt sind, das Sekundärlicht entlang mehrerer Empfangsstrahlen zu detektieren. Jeder Empfangsstrahl ist mit einem jeweiligen Sendestrahl ausgerichtet. Das LIDAR-System beinhaltet auch ein Strahllenkungselement, das einen oder mehrere Spiegel und eine oder mehrere elastische Halterungen umfasst, die konfiguriert sind, den einen oder die mehreren Spiegel umzulenken, wobei der eine oder die mehreren Spiegel in den mehreren Sendestrahlen und in den mehreren Empfangsstrahlen angeordnet sind.
Es versteht sich, dass die oben erwähnten Merkmale und jene, die nachstehend erläutert werden, nicht nur in den jeweiligen angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder alleinstehend verwendet werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch ein LIDAR-System gemäß verschiedenen Beispielen.
2 veranschaulicht schematisch einen Laseremitter und eine Kollimatorlinse und ihre relative Anordnung gemäß verschiedenen Beispielen.
3 veranschaulicht schematisch einen Laseremitter und eine Kollimatorlinse und ihre relative Anordnung gemäß verschiedenen Beispielen.
4 veranschaulicht schematisch mehrere Laseremitter und eine Kollimatorlinse und ihre relative Anordnung gemäß verschiedenen Beispielen.
5 veranschaulicht schematisch mehrere Laseremitter und mehrere Kollimatorlinsen und ihre relative Anordnung gemäß verschiedenen Beispielen.
6 veranschaulicht schematisch TX-Strahlen, die mit den mehreren Laseremittern in einem ausgehenden Segment nachgelagert zu den Kollimatorlinsen von 5 assoziiert sind, gemäß verschiedenen Beispielen.
7 veranschaulicht schematisch mehrere Laseremitter und mehrere Kollimatorlinsen und ihre relative Anordnung gemäß verschiedenen Beispielen.
8 veranschaulicht schematisch TX-Strahlen, die mit den mehreren Laseremittern in einem ausgehenden Segment nachgelagert zu den Kollimatorlinsen von 7 assoziiert sind, gemäß verschiedenen Beispielen.
9 veranschaulicht schematisch mehrere Laseremitter und mehrere Kollimatorlinsen und ihre relative Anordnung gemäß verschiedenen Beispielen.
10 veranschaulicht schematisch mehrere Laseremitter und mehrere Strahl-Twister gemäß verschiedenen Beispielen.
11 veranschaulicht schematisch eine segmentierte Linse gemäß verschiedenen Beispielen.
12 veranschaulicht schematisch eine segmentierte Linse gemäß verschiedenen Beispielen.
13 veranschaulicht schematisch eine segmentierte Linse gemäß verschiedenen Beispielen.
14 veranschaulicht schematisch ein Laserdetektormodul gemäß verschiedenen Beispielen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Manche Beispiele der vorliegenden Offenbarung stellen allgemein mehrere Schaltungen oder andere elektrische Vorrichtungen bereit. Alle Bezüge auf die Schaltungen und anderen elektrischen Vorrichtungen und die durch jede von diesen bereitgestellte Funktionalität sollen nicht in dem Sinne beschränkend sein, dass sie nur das hierin Veranschaulichte und Beschriebene einschließen. Während den verschiedenen offenbarten Schaltungen oder anderen elektrischen Vorrichtungen spezielle Bezeichnungen zugeordnet werden, sollen solche Bezeichnungen nicht den Betriebsumfang der Schaltungen und der anderen elektrischen Vorrichtungen beschränken. Solche Schaltungen und anderen elektrischen Vorrichtungen können basierend auf der speziellen Art der gewünschten elektrischen Implementierung auf eine Weise miteinander kombiniert und/oder getrennt werden. Es wird erkannt, dass eine beliebige hierin offenbarte Schaltung oder andere elektrische Vorrichtung eine beliebige Anzahl von Mikrocontrollern, eine Grafikprozessoreinheit (GPU), integrierte Schaltungen, Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM), elektrisch programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software beinhalten kann, die miteinander interagieren, um eine oder mehrere hierin beschriebene Operationen durchzuführen. Zusätzlich können eine oder mehrere beliebige der elektrischen Vorrichtungen dazu ausgelegt sein, einen Programmcode auszuführen, der in einem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium umgesetzt ist, das zum Durchführen einer beliebigen Anzahl der wie offenbarten Funktionen programmiert ist.
Die Zeichnungen sind als schematische Repräsentationen anzusehen, und in den Zeichnungen veranschaulichte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeigt. Stattdessen sind die verschiedenen Elemente so repräsentiert, dass einem Fachmann ihre Funktion und allgemeiner Zweck ersichtlich werden. Eine beliebige Verbindung oder Kopplung zwischen Funktionsblöcken, Vorrichtungen, Komponenten oder anderen physischen oder funktionellen Einheiten, die in den Zeichnungen gezeigt oder hierin beschrieben sind, kann auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Kopplung zwischen Komponenten kann auch über eine drahtlose Verbindung erstellt werden. Funktionsblöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination davon implementiert werden.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es versteht sich, dass die folgende Beschreibung von Ausführungsformen nicht in einem beschränkenden Sinne aufzufassen ist. Der Schutzumfang der Erfindung soll nicht durch die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen oder die Zeichnungen beschränkt werden, die nur als veranschaulichend aufzufassen sind.
Nachfolgend sind LIDAR-Techniken beschrieben. Unter Verwendung von LIDAR-Techniken ist es möglich, den Abstand zu einem Objekt in der Umgebung unter Verwendung der Umlaufzeit (RTT: Round-Trip Time) von Photonen zu bestimmen. Ein Laserimpuls wird abgegeben und jeweiliges Primärlicht läuft in Richtung des Objekts entlang eines jeweiligen TX-Strahls; und Sekundärlicht, das von dem Objekt entlang eines jeweiligen RX-Strahls zurückkehrt, wird detektiert. Ein Abstand zu dem Objekt und eine Tiefenposition des Objekts in der Umgebung können (entlang der z-Achse) bestimmt werden.
Gemäß verschiedenen Beispielen sind Scanning-LIDAR-Techniken beschrieben. Hier wird ein Strahllenkungselement eingesetzt, das dazu ausgelegt ist, das Primärlicht umzulenken. Dadurch wird eine laterale Auflösung erhalten. Beispielsweise könnte 1D- oder 2D-Scanning eingesetzt werden, um eine laterale 1D- oder 2D-Auflösung bereitzustellen.
Allgemein kann das Strahllenkungselement ein oder zwei Spiegel beinhalten. Beispielsweise könnte das Strahllenkungselement einen Polygonspiegel oder einen MEMS-Spiegel beinhalten. Beispielsweise kann ein Spiegel in Richtungen umgelenkt werden; z. B. kann Lissajous-Scanning eingesetzt werden. Es würde möglich sein, zwei Spiegel einzusetzen, die sequenziell angeordnet sind, wobei jeder der beiden Spiegel angetrieben wird, um eine 1 D-Umlenkung zu implementieren. Das Strahllenkungselement stellt unterschiedliche Scanwinkel bereit, die die laterale Auflösung einer LIDAR-Punktwolke definieren (während RTT eine Tiefenauflösung der LIDAR-Punktwolke bereitstellt).
In manchen Beispielen kann das Strahllenkungselement einen oder mehrere Spiegel beinhalten, wobei jeder Spiegel unter Verwendung einer jeweiligen elastischen Halterung montiert ist, die dazu ausgelegt ist, den jeweiligen Spiegel umzulenken. Allgemein können die elastischen Halterungen jeweils ein oder mehrere Federelemente beinhalten. Beispielsweise können Biegungsfedern und/oder Torsionsfedern verwendet werden, die geometrisch so geformt sind, dass sie die Umlenkung des jeweiligen Spiegels durch Biegen bzw. Drehen bereitstellen. Die elastische Halterung und der Spiegel können ein Masse-Feder-System bilden, das mehrere definierte Eigenfrequenzen entsprechender Bewegungsfreiheitsgrade aufweist. Ein resonanter Betrieb ist möglich, bei dem das Masse-Feder-System bei oder nahe einer Eigenfrequenz angetrieben wird. Solche Techniken werden als reibungsloses Scanning bezeichnet.
Gemäß verschiedenen Beispielen beinhaltet ein LIDAR-System eine segmentierte Linse. Die segmentierte Linse kann mehrere Linsenelemente beinhalten. In der vorliegenden Offenbarung wird ein Linsenelement einer Linse allgemein durch die jeweiligen optischen Eigenschaften definiert, zum Beispiel die Fokallänge und die optische Achse. Diese können mit der geometrischen Form von Oberflächen eines oder mehrerer Linsensegmente korrelieren, die jedes Linsenelement bilden.
Die segmentierte Linse kann ein Sendelinsenelement, das mit dem Sendestrahl assoziiert ist, und ein Empfangslinsenelement, das mit dem Empfangsstrahl assoziiert ist, beinhalten. Es würde möglich sein, dass das Sendelinsenelement ein einzelnes Sendelinsensegment beinhaltet, das von zwei Empfangslinsensegmenten des Empfangslinsenelements umgeben ist. Jedes Linsensegment kann durch eine oder mehrere spezifische Oberflächen charakterisiert sein.
Beispielsweise kann das Sendelinsenelement eine Kollimatorlinse zum Kollimieren mindestens einer Achse des Primärlichts implementieren. Beispiele schließen eine zylindrische Linse und eine Bifokallinse ein.
Das Empfangslinsenelement kann eine Fokallinse zum Fokussieren des Sekundärlichts auf einen Detektor implementieren.
Solche oben beschriebenen Konzepte und Konzepte, die nachstehend beschrieben werden, können durch die Verwendung mehrerer TX-Strahlen und mehrerer RX-Strahlen kombiniert werden. Mehrere TX-Strahlen können unter Verwendung mehrerer Lichtquellen erhalten werden, z. B. unter Verwendung mehrerer Laseremitter, die dazu ausgelegt sind, das Primärlicht entlang der mehreren TX-Strahlen zu emittieren. Beispielsweise könnten die mehreren Laseremitter in einem Emitterarray angeordnet sein. Das Array kann sich in eine Dimension oder zwei Dimensionen erstrecken. Das Emitterarray kann eine periodische Anordnung der Laseremitter definieren.
Jeder TX-Strahl der mehreren TX-Strahlen kann mit einem jeweiligen RX-Strahl assoziiert sein. Das heißt, das Primärlicht, das entlang eines gegebenen der mehreren TX-Strahlen läuft, kann an dem Objekt in Sekundärlicht umgewandelt werden, wobei das Sekundärlicht dann entlang des gegebenen der mehreren RX-Strahlen läuft, der mit dem gegebenen der mehreren TX-Strahlen assoziiert ist. Es ist möglich, mehrere Laserdetektoren bereitzustellen, die in einem Detektorarray angeordnet sind, um das Sekundärlicht entlang der mehreren RX-Strahlen zu detektieren.
Durch die Verwendung mehrerer TX-Strahlen und mehrerer RX-Strahlen ist es möglich, mehr Datenpunkte für eine LIDAR-Punktwolke pro Zeiteinheit zu erhalten. Eine laterale Auflösung kann erhöht werden. Beispielsweise können die mehreren TX-Strahlen und die mehreren RX-Strahlen unterschiedliche Richtungen in der Umgebung des LIDAR-Systems abtasten. Das heißt, die mehreren TX-Strahlen können zueinander geneigt sein, sodass sie zu unterschiedlichen Richtungen im Umfeld des LIDAR-Systems ausgerichtet sind.
Zur gleichen Zeit basieren verschiedene Beispiele auf der Erkenntnis, dass die Verwendung mehrerer TX-Strahlen und mehrerer RX-Strahlen die optische Konfiguration und Einrichtung des LIDAR-Systems nicht übermäßig komplizieren sollte. Dementsprechend kann ein und dasselbe Strahllenkungselement für die mehreren TX-Strahlen und die mehreren RX-Strahlen wiederverwendet werden. Insbesondere können der eine oder die mehreren Spiegel des Strahllenkungselements in den mehreren TX-Strahlen sowie in den mehreren RX-Strahlen angeordnet sein. Dies bedeutet, dass - obwohl mehrere TX-Strahlen und mehrere RX-Strahlen verwendet werden - es möglich ist, die koaxiale optische Einrichtung des LIDAR-Systems zu bewahren. Insbesondere können die Paare assoziierter TX-Strahlen und RX-Strahlen koaxial ausgerichtet sein.
1 veranschaulicht schematisch Aspekte bezüglich eines LIDAR-Systems 100. Beispielsweise kann das LIDAR-System 100 in einem Fahrzeug, z. B. einem Personenkraftwagen oder einem Zug, montiert sein.
Das LIDAR-System 100 beinhaltet eine Recheneinheit 90. Die Recheneinheit 90 kann durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) und/oder ein feldprogrammierbares Array (FPGA) und/oder einen Allzweck-Prozessor implementiert werden. Die Recheneinheit 90 kann einen Analog-Digital-Umsetzer und/oder einen oder mehrere Zeit-Digital-Umsetzer beinhalten. Die Recheneinheit 90 ist allgemein dazu ausgelegt, den Betrieb der verschiedenen Komponenten des LIDAR-Systems 100 zu steuern.
Das LIDAR-System 100 beinhaltet einen Laseremitter 101. Der Laseremitter 101 könnte zum Beispiel durch eine Laserdiode implementiert werden. Der Laseremitter 101 kann durch die Recheneinheit 90 gesteuert werden, Primärlicht 111, das mit einem Sende(TX)-Strahl 121 assoziiert ist, abzugeben. Somit ist der Laseremitter 101 der Ursprung des TX-Strahls 121. Das Laserlicht der Laserimpulse 111 kann bei Wellenlängen von 800 bis 1600 nm liegen (zum Beispiel eine Temperaturabhängigkeit zeigend).
Allgemein kann gepulstes oder CW-Laserlicht verwendet werden. Eine heterodyne Detektion würde denkbar sein.
Das Primärlicht 111 läuft durch einen Strahlteiler 130. Der Strahlteiler 130 ist dazu ausgelegt, den TX-Strahl 121 und einen Empfangs(RX)-Strahl 122 zu trennen. Jenseits des Strahlteilers 130 in Richtung des Objekts sind der TX-Strahl 121 und der RX-Strahl 122 zueinander ausgerichtet, z. B. koaxial ausgerichtet; dies ermöglicht eine räumliche Filterung.
Der TX-Strahl 121 und der RX-Strahl 122 laufen durch ein Strahllenkungselement 159. Das Strahllenkungselement 159 ist dazu ausgelegt, eine 2D-Umlenkung des TX-Strahls 121 und des RX-Strahls 122 bereitzustellen. Daher ist das Strahllenkungselement 159 dazu ausgelegt, das Primärlicht 111 und das Sekundärlicht 112 umzuleiten. Es wird Scanning implementiert, z. B. reibungsloses Scanning. Dadurch wird eine laterale Auflösung entlang einer x- und y-Richtung bereitgestellt.
Allgemein stehen verschieden Optionen zur Implementierung des Strahllenkungselements 159 zur Verfügung. Beispielsweise könnte ein Scannermodul verwendet werden, das ein dispersives Element gemäß WO 2018/090085 A1 verwendet. Eine weitere Option würde darin bestehen, einen oder mehrere Spiegel 150 (siehe 1) zu verwenden, z. B. einen einzelnen Mikrospiegel, der zwei Freiheitsgrade aufweist, siehe z. B. DE 2013/10 223 937 . Es kann ein galvanischer Spiegel verwendet werden. Noch eine andere Option ist ein Strahllenkungselement 159, das zwei Spiegel beinhaltet, die jeweils ein Freiheitsgrad aufweisen, um jeweils eine 1D-Umlenkung bereitzustellen. Ein Aktor 901 wirkt an dem (den) Spiegel(n) 150 über eine oder mehrere Halterungen 902. Der Aktor 901 wird durch die Recheneinheit 90 gesteuert.
Gemäß verschiedenen Beispielen kann resonantes/reibungsloses Scanning eingesetzt werden. Hier wird die Umlenkung des einen oder der mehreren Spiegel 150 resonant durch den Aktor 901 angetrieben. Das heißt, eine Betriebsfrequenz des Aktors 901 ist mit einer oder mehreren Eigenfrequenzen eines Masse-Feder-Systems ausgerichtet, das durch den einen oder die mehreren Spiegel 150 und die jeweiligen elastischen Halterungen 902 gebildet wird. Die elatische(n) Halterung(en) kann (können) ein oder mehrere Federelemente beinhalten. Typische Eigenfrequenzen können in der Ordnung von 50 Hz bis 4 kHz liegen. Um dies zu erreichen, sind leichte Spiegel 150 erforderlich. Somit sind der eine oder die mehreren Spiegel 150 typischerweise klein. Beispielsweise könnte eine Größe der reflektierenden Oberfläche des einen oder der mehreren Spiegel 150 im Bereich von 10 mm x 12 mm oder sogar bis zu 15 mm x 20 mm liegen. Allgemein kann eine Größe der reflektierenden Oberfläche des einen oder der mehreren Spiegel 150 die RC-Apertur des Strahllenkungselements 159 beschränken, wenn koaxial ausgerichtete TX- und RX-Strahlen 121, 122 verwendet werden. Beispielsweise könnte die Größe der RX-Apertur des Strahllenkungselements 159 im Bereich von 100 mm² bis 250 mm² liegen. Wie oben erwähnt, kann eine räumliche Filterung verwendet werden, indem eine koaxiale Einrichtung des TX-Strahls 121 und des RX-Strahls 122 eingesetzt wird. Das heißt, Licht wird aus der Richtung gesammelt, in die das Primärlicht abgegeben wird und aus der somit das Sekundärlicht erwartet wird.
Eine oder mehrere Kollimatorlinsen können zwischen dem Laser 101 und dem Strahllenkungselement 159 angeordnet sein (in 1 nicht veranschaulicht), d. h. als Vorscanneroptiken.
Das Primärlicht 111 durchquert ein äußeres Gehäuse 151 des LIDAR-Systems 100.
Das Primärlicht 111 wird an einem Objekt in der Fernfeldumgebung des LIDAR-Systems 100 reflektiert. Ein Sekundärlicht 112 wird erzeugt: somit geht das Sekundärlicht 112 von der lateralen Position des Objekts aus, die durch die Richtung definiert ist, in die das Primärlicht 111 abgegeben wird.
Das mit dem RX-Strahl 122 assoziierte Sekundärlicht 112 wird durch einen Detektor 102 detektiert. Der Detektor 102 definiert ein Ende des RX-Strahls 122.
Gemäß verschiedenen Beispielen ist es möglich, mehrere TX-Strahlen und mehrere RX-Strahlen zu verwenden. Ein solches Szenario ist im eingefügten unteren Teil von 1 veranschaulicht. Der untere eingefügte Teil veranschaulicht einen Querschnitt entlang der Linien A-A und B-B von 1 (der Spiegel 150 des Strahllenkungselements 159 ist in der Einfügung von 1 zur Vereinfachung nicht veranschaulicht). Wie aus der Einfügung von 1 ersichtlich ist, ist jeder TX-Strahl 321-327 mit dem jeweiligen RX-Strahl 331-337 assoziiert. Ferner weisen die TX-Strahlen 321-327 eine Neigung bezüglich zueinander auf, genauer gesagt sind sie aufgefächert. Dies wird durchgeführt, um unterschiedliche Gebiete im Umfeld des LIDAR-Systems 100 abzutasten. Die mehreren TX-Strahlen 321-327 könnten als „Kanäle“ des Systems bezeichnet werden.
Wie ferner in 1 und der Einfügung von 1 veranschaulicht, ist der Spiegel 150 des Strahllenkungselements 159 in allen TX-Strahlen 321-327 sowie in allen RX-Strahlen 331-337 angeordnet. Dies unterscheidet sich zu kollinearen Anordnungen, bei denen der Spiegel nur in den TX-Strahlen, aber nicht in den RX-Strahlen angeordnet sein kann. Somit wirkt eine durch den Spiegel 150 bereitgestellte Umlenkung auf die gleiche Weise an allen TX-Strahlen 321-327 und allen RX-Strahlen 331-337 ein. Somit wird die koaxiale Einrichtung für jedes Paar von TX-Strahl 321-327 und RX-Strahlen 331-337 bewahrt.
Als Nächstes werden Einzelheiten bezüglich des Erhaltens einer Anordnung der TX-Strahlen 321-327 und der RX-Strahlen 331-337, wie in 1 veranschaulicht, erläutert. Es wird besprochen, wie eine Neigung der verschiedenen TX-Strahlen 321-327 bezüglich zueinander erhalten werden kann. Entsprechende Techniken sind in 2 und 3 veranschaulicht.
2 veranschaulicht schematisch Aspekte bezüglich eines Laseremitters 211. Der Laseremitter 211 könnte den Laseremitter 101 von 1 implementieren. Wie in 2 veranschaulicht, beinhaltet der Laseremitter 211 einen rechteckigen aktiven Bereich.
Der aktive Bereich bildet einen Resonator. Der Laseremitter 211 könnte ein Randemitter sein, der z. B. den aktiven Bereich an einer gespaltenen Seite eines Halbleiterwafers definiert. Der aktive Bereich weist eine lange Seite und eine kurze Seite auf. Typischerweise weist die kurze Seite räumliche Abmessungen in der Ordnung der Wellenlänge des emittierten Lichts auf, z. B. etwa 0,5 Mikrometer bis 2 Mikrometer. Die lange Seite weist erheblich längere räumliche Abmessungen auf, z. B. im Bereich von 50 bis 200 Mikrometer. Ein solcher Laseremitter, der ein aktives Gebiet mit starker Asymmetrie aufweist, wird häufig als Breitflächen-Laseremitter bezeichnet. Typischerweise sind mehrere räumliche Moden des Primärlichts 111 in die Richtung parallel zu der langen Seite des aktiven Bereichs des Laseremitters 211 enthalten. Photonen werden vom aktiven Bereich des Laseremitters 211 emittiert. Aufgrund der Asymmetrie des aktiven Bereichs des Laseremitters 211 weist das durch den Laseremitter 211 emittierte Primärlicht 111 asymmetrische Divergenzeigenschaften auf. Insbesondere ist es möglich, eine schnelle Achse (FA) 71 und eine langsame Achse (SA) 72 zu definieren. Das Primärlicht 111 weist eine große Divergenz entlang der FA 71 auf, aber weist eine vergleichsweise kleine Divergenz entlang der SA 72 auf. Die Divergenz ist ein Maß für die Zunahme des Querschnitts des Lichtfeldes des Primärlichts 111 pro durchlaufener Distanz.
2 veranschaulicht auch Aspekte bezüglich einer Kollimatorlinse 221, die mit dem Laseremitter 211 assoziiert ist. Wie in 2 veranschaulicht, ist die Kollimatorlinse 221 dazu ausgelegt, das Primärlicht 111 entlang der FA 71 zu kollimieren. Dementsprechend könnte die Kollimatorlinse 221 als eine FA-Kollimatorlinse 221 bezeichnet werden. Die linke Seite in 2 ist eine Draufsicht des Laseremitters 211 und der Kollimatorlinse 221; während die rechte Seite in 2 eine Seitenansicht ist. Wie in 2 veranschaulicht, ist die Kollimatorlinse 221, z. B. eine Mittelachse 228 der Kollimatorlinse 221, am Laseremitter 211 zentriert. Während sich das Primärlicht 111 entlang des TX-Strahls 321 und durch die Kollimatorlinse 221 ausbreitet, wird es dementsprechend kollimiert, aber nicht umgeleitet. Dies ist in der rechten Seite der 2 veranschaulicht. Wie veranschaulicht, ist ein eingehendes Segment 391 des TX-Strahls 321 parallel zu einem ausgehenden Segment 392 des TX-Strahls 321. Dies ist im Szenario in 3 anders.
3 veranschaulicht schematisch Aspekte bezüglich der Kollimatorlinse 221. 3 entspricht im Wesentlichen dem Szenario von 2. Im Szenario von 3 gibt es jedoch einen Versatz 228A zwischen der Mittelachse 228 der Kollimatorlinse 22 und dem Laseremitter 211. Somit fällt das Primärlicht 111, das entlang des TX-Strahls 321 läuft, auf die Kollimatorlinse 221 an einer außeraxialen Position ein, wie in der rechten Seite von 3 veranschaulicht. Dies bewirkt eine Umlenkung. Dementsprechend ist im Szenario von 3 das eingehende Segment 391 des TX-Strahls 321 bezüglich des ausgehenden Segments 392 des TX-Strahls 321 geneigt.
Dieser in Verbindung mit 2 und 3 beschriebene Effekt wird hierin in verschiedenen Beispielen verwendet, um eine Neigung der verschiedenen TX-Strahlen 321-327 bezüglich zueinander zu erhalten. Genauer gesagt würde es möglich sein, den Versatz 228A der Mittelachse 228 von Kollimatorlinsen - z. B. FA-Kollimatorlinsen oder SA-Kollimatorlinsen - bezüglich den eingehenden Segmenten 391 der TX-Strahlen 321-327 bezüglich zueinander zu variieren. Entsprechende Konzepte sind in Verbindung mit 4 und 5 veranschaulicht.
4 veranschaulicht Aspekte bezüglich eines Emitterarrays 200. In dem Beispiel von 4 sind mehrere Laseremitter 211-213 in einer festen geometrischen Beziehung zueinander angeordnet. Wie in 4 veranschaulicht, sind die Laseremitter 211-213 entlang einer Richtung, die ihrer kurzen Seite entspricht, d. h. entlang der FA 71 des emittierten Primärlichts 111, bezüglich zueinander versetzt angeordnet. Der Abstand zwischen Emittern ist in dem Szenario von 4 fest, könnte jedoch allgemein variieren.
4 veranschaulicht auch Aspekte bezüglich einer Integration der Laseremitter 211-213 in einen gemeinsamen Stapel 201. Der Stapel 201 weist einen unteren Teil 291 auf; typischerweise beinhaltet der untere Teil elektrische Kontakte. Der Stapel 201 könnte über den unteren Teil 291 an einer Leiterplatte angebracht sein. Der Stapel 201 könnte in einem TO90- oder TO56-Package enthalten sein. Der Stapel 201 könnte als ein nackter Die bereitgestellt sein. Der Stapel 201 könnte lithografisch definiert sein. Häufig wird eine solche Anordnung als Laserbarren bezeichnet. In einer solchen Anordnung ist es allgemein nicht möglich, Laseremitter 211-213 des Stapels 201 einzeln anzutreiben. Das heißt, falls ein Steuersignal zum Abgeben eines Laserimpulses bereitgestellt wird, werden Laserimpulse von allen Laseremittern 211-213 des Stapels 201 abgegeben.
4 veranschaulicht auch Aspekte bezüglich einer Kollimatorlinse 221. Die Kollimatorlinse 221 ist dazu ausgelegt, das Primärlicht 111 entlang der FA 71 für alle Laseremitter 211-213 im Stapel 201 zu kollimieren. Somit ist die FA-Kollimatorlinse 221 in allen TX-Strahlen 321-323 angeordnet, die mit den Laseremittern 211-213 assoziiert sind, die den lithografisch definierten Stapel in dem gemeinsamen Stapel 201 bilden. Dementsprechend weisen alle der Laseremitter 211-213 einen anderen Versatz 228A bezüglich der Mittelachse 228 der FA-Kollimatorlinse 221 auf. Dies resultiert in Neigungen der mit den Laseremittern 211-213 assoziierten TX-Strahlen 321-323 an den ausgehenden Segmenten 392, wie in der rechten Seite von 4 gezeigt. Das Konzept von 4 kann erweitert werden. Ein entsprechendes Szenario ist in 5 veranschaulicht.
In 5 beinhaltet das Array 200 neun Laseremitter 211-219. Die Laseremitter 211-213 sind in einem gemeinsamen Stapel 201 angeordnet, bilden eine erste Teilmenge und sind mit der FA-Kollimatorlinse 221 assoziiert; die Laseremitter 214-216 sind in einem Stapel 202 angeordnet und mit der FA-Kollimatorlinse 221 assoziiert; und die Laseremitter 217-219 sind in einem Stapel 203 angeordnet und mit der FA-Kollimatorlinse 223 assoziiert. Es ist möglich, den Versatz der Mittelachse 228 bezüglich aller Laseremitter 211-219 zu variieren. Genauer gesagt kann der Versatz auch unter Berücksichtigung eines Inter-FA-Kollimatorlinsenabstands zwischen den Kollimatorlinsen 221-223 angepasst werden. Dann sind die mit den Laseremittern 211-219 assoziierten TX-Strahlen 321-329 wie in der rechten Seite von 5 veranschaulicht angeordnet. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist es somit möglich, die Anzahl von FA-Kollimatorlinsen 221-223 unter die Anzahl von Laseremittern 211-219 zu reduzieren, indem dieselbe Kollimatorlinse 221-223 für mehrere benachbarte TX-Strahlen 321-329 wiederverwendet wird.
In 5 sind die FA-Kollimatorlinsen 221-223 bezüglich den Laseremittern 211-219 so angeordnet, dass die Neigungen der ausgehenden Segmente 392 der TX-Strahlen 321-329 an der einen oder den mehreren FA-Kollimatorlinsen 221-223 aufgefächert sind. Dies ist in 6 veranschaulicht. Der Abstand zwischen benachbarten TX-Strahlen 321-329 erhöht sich an den ausgehenden Segmenten 392 nachgelagert zu den Kollimatorlinsen. Dies ist nur eine mehrerer möglicher Konfigurationen. Eine andere Konfiguration ist in 7 und 8 veranschaulicht. Hier entspricht 7 im Wesentlichen 5; in 7 ist jedoch der Versatz der Mittelachse 228 der FA-Kollimatorlinse 221 bezüglich den Laseremittern 211-213 im Vergleich zu dem Szenario von 5 invertiert. Gleichermaßen ist der Versatz der Mittelachse 228 der FA-Kollimatorlinse 223 bezüglich den Laseremittern 217-219 im Vergleich zu dem Szenario von 5 invertiert. Dann sind, wie in 8 veranschaulicht, die TX-Strahlen 321-329 an den ausgehenden Segmenten eingefächert und schneiden sich in einem Überlappungsgebiet 393.
Das Szenario von 8 bietet den Vorteil, in der Lage zu sein, eine gemeinsam genutzte SA-Kollimatorlinse 229 wiederzuverwenden, die in dem Überlappungsgebiet 393 der TX-Strahlen 321-329 angeordnet ist, wie in 8 veranschaulicht. Die SA-Kollimatorlinse 229 ist nachgelagert zu den FA-Kollimatorlinsen 221-223 entlang der TX-Strahlen 321-329 angeordnet. Sie ist dazu ausgelegt, das Primärlicht 111 entlang der SA 72 zu kollimieren. Das Verwenden einer einzelnen SA-Kollimatorlinse 229 macht die gesamte optische Einrichtung kompakter und robuster.
Wie ersichtlich ist, sind die Laserdioden 211-219 in dem Szenario von 5 und 7 entlang der FA 71 versetzt. Dies liegt an der typischen Konfiguration der Stapel 201-203. Eine solche Einrichtung ist auch dabei hilfreich, die TX-Strahlen 321-329 zu erhalten, die die Neigungen zueinander aufweisen und entlang der SA 72 ausgerichtet sind. Andererseits ist es schwierig, eine solche Konfiguration herzustellen. Insbesondere weisen die Stapel 201-203 die unteren Teile 291 auf, und die unteren Teile 291 der Stapel 201-203 sind übereinander angeordnet (siehe 5 und 7). Dies kann durch die Verwendung mehrerer Leiterplatten gelöst werden. In einem solchen Szenario müssen die Leiterplatten jedoch horizontal und vertikal bezüglich zueinander mit der Genauigkeit des optischen Systems ausgerichtet sein. Dies kompliziert die Herstellung. Dementsprechend ist es wünschenswert, eine solche Einrichtung von TX-Strahlen 321-329 unter Verwendung mehrerer Stapel 201-203 und einer einzelnen Leiterplatte zu implementieren. Eine solche Einrichtung ist in 9 veranschaulicht.
9 veranschaulicht schematisch Aspekte bezüglich der Platzierung der Stapel 201-203 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 209. Die Stapel 201-203 sind auf einer gemeinsamen Leiterplatte 209 mit einem Versatz entlang der SA 72 platziert. Dementsprechend erstreckt sich das Emitterarray 200 entlang der SA 72. Im Vergleich zu dem Szenario von 5 oder 7 wird somit eine einfachere und weniger fehlerbehaftete Zusammensetzung möglich.
In dem Beispiel von 9 erstreckt sich das Emitterarray 200 genauer gesagt entlang sowohl der FA 71 als auch der SA 72 (im Vergleich zu dem Szenario von 5 und 7, bei dem sich das Emitterarray 200 nur entlang der FA 71 erstreckt). Dies ist allgemein optional. Beispielsweise können anstelle von gestapelten Emittern einzelne Emitter verwendet werden.
Infolge der Anordnung der Laseremitter 211-219, wie im unteren Teil von 9 veranschaulicht, sind die TX-Strahlen 321-329 auch über die FA 71 und die SA 72 am ausgehenden Segment 392 verteilt. Manchmal kann ein solcher 2D-Versatz zwischen den TX-Strahlen 321-329 unerwünscht sein. Falls beispielsweise eine einzelne gemeinsam genutzte SA-Kollimatorlinse 229 verwendet wird, muss diese Kollimatorlinse in einem solchen Szenario möglicherweise groß bemessen werden. Um dieses Problem zu mindern, können Techniken, wie in Verbindung mit 10 veranschaulicht, eingesetzt werden.
10 veranschaulicht Aspekte bezüglich eines Emitterarrays 200. Das Szenario von 10 entspricht im Wesentlichen dem Szenario von 9 (insbesondere sind die FA-Kollimatorlinsen 221-223 in 10 wie in 9 angeordnet; zur Vereinfachung sind sie jedoch in der Ansicht von 10 weggelassen).
10 veranschaulicht auch Aspekte bezüglich Strahl-Twistern 301-303. Die Strahl-Twister 301-303 sind mit den verschiedenen Laseremittern 211-219 assoziiert. In dem Beispiel von 10 gibt es einen Strahl-Twister 301-303 pro Stapel 201-203; d. h. für jede FA-Kollimatorlinse 221-223 (in 10 nicht gezeigt) gibt es einen Strahl-Twister 301-303. Die Strahl-Twister 301-303 können in den TX-Strahlen 321-329 nachgelagert zu den FA-Kollimatorlinsen 221-223 am ausgehenden Segment 392 und vorgelagert zu der SA-Kollimatorlinse 229 angeordnet sein.
Als Nächstes wird die Funktion der Strahl-Twister 301-303 erläutert. Unter Verwendung der Strahl-Twister 301-303 ist es möglich, das Primärlicht 111 um eine Achse zu drehen, die mit der Ausbreitungsrichtung des Primärlichts 111 (z-Achse) ausgerichtet ist. Das heißt, das Primärlicht 111 wird um die Drehachse senkrecht zu sowohl der FA 71 als auch der SA 72 gedreht (senkrecht zu der Zeichnungsebene von 10). Diese Drehung ist im mittleren Teil von 10 durch die Pfeile veranschaulicht. Die FA 71 und die SA 72 sind somit invertiert. Die im unteren Teil von 10 gezeigte räumliche Anordnung der TX-Strahlen 321-329 wird erhalten. Wie dort veranschaulicht, sind die TX-Strahlen 321-329 entlang der FA 71 auf eine ähnliche Weise wie in 6 und 8 versetzt. Dies ermöglicht erneut ein wie in 8 veranschaulichtes Szenario, bei dem die TX-Strahlen 321-329 entlang der FA 71 eingefächert sind, sodass eine gemeinsam genutzte SA-Kollimatorlinse 229 in dem Überlappungsgebiet 393 der TX-Strahlen 321-329 angeordnet sein kann.
Obenstehend wurden verschiedene Techniken in Verbindung mit den Laseremittern und den assoziierten TX-Strahlen beschrieben. Wie in Verbindung mit 1 erläutert, ist es möglich, eine koaxiale Einrichtung zu verwenden, bei der die RX-Strahlen koaxial mit den TX-Strahlen ausgerichtet sind. In einem solchen Szenario wird der Strahlteiler 130 benötigt. Der Strahlteiler 130 wird verwendet, um die TX-Strahlen von den RX-Strahlen zu trennen, um in der Lage zu sein, die RX-Strahlen in Richtung des Detektors 102 zu lenken. Allgemein stehen verschieden Optionen zur Implementierung des Strahlteilers 130 zur Verfügung. Eine Option würde darin bestehen, einen halbreflektierenden Spiegel zu verwenden, der sich über die gesamte Breite des Lichtfeldes des eingehenden Sekundärlichts 112 entlang der verschiedenen RX-Strahlen erstreckt. Das eingehende Sekundärlicht kann in Richtung des Detektors 102 reflektiert werden; während das eingehende Primärlicht 111, das an der anderen Seite des halbreflektierenden Spiegels einfällt, den halbreflektierenden Spiegel durchqueren kann. Eine andere Option ist auf einen größenbeschränkten Spiegel angewiesen, der laterale Abmessungen aufweist, die kleiner sind als das gesamte Ausmaß des Lichtfeldes des eingehenden Sekundärlichts 112. Aufgrund dieser beschränkten Ausmaße kann das Primärlicht 111 durch den Spiegel laufen, während nur ein Anteil des Sekundärlichts 112 eingefangen und in Richtung des Detektors 102 gelenkt wird. Noch eine andere Option ist auf eine segmentierte Linse angewiesen. Ein solches Szenario ist in 11 veranschaulicht.
11 veranschaulicht Aspekte bezüglich einer segmentierten Linse 600. Die segmentierte Linse 600 implementiert einen Strahlteiler 130, um einen TX-Strahl 121 von einem RX-Strahl 122 zu trennen. 11 ist eine grafische Darstellung einer Strahlverfolgung des Primärlichts 111, das entlang des TX-Strahls 121 läuft, und des Sekundärlichts 112, das entlang des RX-Strahls 122 läuft.
Obwohl in 11 nur ein einzelner TX-Strahl 121 und ein einzelner RX-Strahl 122 veranschaulicht sind, können die Techniken von 11 direkt bei einem Szenario angewendet werden, bei dem mehrere TX-Strahlen und mehrere RX-Strahlen verwendet werden. Wie in 10 und 7 veranschaulicht ist, können insbesondere diese mehreren TX-Strahlen 321-329 (und dementsprechend auch die mehreren RX-Strahlen) entlang der FA 71 versetzt sein, d. h. in die und aus der Zeichnungsebene von 11. Die segmentierte Linse 600 ist in dem Überlappungsgebiet 393 angeordnet.
Die segmentierte Linse 600 beinhaltet ein Sendelinsenelement 610, das mit dem TX-Strahl 321 assoziiert ist, und ein Empfangslinsenelement 620, das mit dem RX-Strahl 331 assoziiert ist. In diesen Beispielen wird das Sendelinsenelement 610 durch ein einzelnes Sendelinsensegment 611 implementiert, das angeordnet ist, um das Primärlicht 111 entlang der SA 72 zu kollimieren; und das Empfangslinsenelement 620 wird durch zwei Empfangslinsensegmente 621, 622 implementiert (das Empfangslinsensegment 622 ist in der Ansicht von 11 verdeckt, aber in 12 sichtbar). Das Empfangslinsenelement 620 ist dazu ausgelegt, den RX-Strahl auf den Detektor 102 zu fokussieren, wie in 1A angegeben.
Eine geometrische Mittellinie 300 der segmentierten Linse 600 fällt mit einer Mittellinie des TX-Strahls 321 zusammen.
Das Sendelinsensegment 611 beinhaltet eine erste Oberfläche 612; die Empfangslinsensegmente 621, 622 beinhalten zweite Oberflächen 623, 624. Außerdem ist eine flache Rückfläche 630 gezeigt.
Die optische Achse des Sendelinsenelements 610 ist mit der Mittellinie 300 ausgerichtet; die optische Achse des Empfangslinsenelements 620 ist von der Mittellinie 300 versetzt.
Das Sendelinsenelement 610 implementiert die SA-Kollimatorlinse 229. Das Sendeelement 610 kann ein Bifokallinsenelement oder ein zylindrisches Linsenelement sein.
Wie durch die gepunktet-gestrichelte Linie angegeben, weist ein ausgehendes Segment (Sekundärlicht 112 nachgelagert zu der segmentierten Linse 600) des RX-Strahls 331 eine Neigung 530 bezüglich der Mittellinie 300 und bezüglich eines eingehenden Segments (Sekundärlicht 112 vorgelagert zu der segmentierten Linse 600) des RX-Strahls 331 auf. Die Neigung 530 besteht entlang der SA 72. Die Neigung 530 wird durch die zweiten Oberflächen 624, 623 erreicht, die keine Rotationssymmetrie bezüglich der Mittellinie 300 besitzen. Mit anderen Worten weisen das Sendelinsenelement 610 und das Empfangslinsenelement 620 separate optische Achsen auf (die entlang der SA 72 versetzt sind). Dies implementiert den Strahlteiler 130.
Gemäß der Neigung 530 ist ein Detektor 401 (z. B. entsprechend dem Detektor 102, siehe 1) außeraxial bezüglich der Mittellinie 300 platziert. Der Detektor 401 kann mit einem Abstand d senkrecht zu der Mittellinie 300 und entlang der SA 72 bezüglich des Laseremitters 211 gemäß der Neigung 530 des RX-Strahls 331 angeordnet sein. Das Empfangslinsenelement 620 ist dazu ausgelegt, den RX-Strahl auf ein Pinhole (Nadelloch) 409 des Detektors 401 zu fokussieren (es kann mehrere Pinholes geben, eines für jeden RX-Strahl 122; in 1 nicht gezeigt).
12 und 13 sind weitere Ansichten der Konfiguration von 11. Es ist ein fester Spiegel 309 veranschaulicht, um die TX-Strahlen (zur Vereinfachung nicht veranschaulicht) umzuleiten. Es sind keine Strahl-Twister für die RX-Strahlen erforderlich, wie veranschaulicht. Es gibt mehrere Detektoren 401-404, die entlang der FA 71 versetzt sind, um die mehreren RX-Strahlen zu detektieren, die mit den mehreren TX-Strahlen (entlang der FA 71 aufgefächert; siehe 10) assoziiert sind.
12 und 13 veranschaulichen außerdem die Form der Oberflächen 612, 623, 624. Wie in 12 und 13 veranschaulicht, ist das jeweilige Sendelinsensegment 611 von den Empfangslinsensegmenten 621-622 umgeben. Die durch die Oberflächen 623, 624 erreichte außeraxiale Anordnung befindet sich entlang der SA 72, siehe 11-13. 13 veranschaulicht, dass die zweite Oberfläche 623 (die zweite Oberfläche 624 ist in 13 nicht sichtbar) keine Rotationssymmetrie bezüglich der Mittellinie 300 besitzt.
14 veranschaulicht schematisch ein entsprechendes Laserdetektormodul 900, das ein einzelnes Gehäuse 950 umfasst, das die verschiedenen Laseremitter 211-212 und Detektoren 401-402 beinhaltet (in 5 ist zur Vereinfachung ein Emitterarray 200 gezeigt, das nur 2 Laseremitter 211-212 beinhaltet, es würde aber möglich sein, mehr Laseremitter zu verwenden; gleichermaßen beinhaltet das Detektorarray nur zwei Detektoren 401-402, aber es würde möglich sein, mehr Detektoren zu verwenden).
Durch die Verwendung des festen Spiegels 309 ist es möglich, zwei PCB-Platinen 951-952 für das Detektorarray bzw. das Emitterarray 200 zu verwenden, die in parallelen Ebenen angeordnet sind. Dies macht das Anbringen der verschiedenen Vorrichtungen einfach und fehlersicher. Eine einzelne angebrachte Vorrichtung, die von oben (z-Richtung) einwirkt, kann verwendet werden.
Es ist zu beachten, dass in 14 die Strahl-Twister 301 und die Schnellachsenkollimatoren 221 nur schematisch veranschaulicht sind. Zur Vereinfachung ist nur ein einzelner TX-Strahl 321 veranschaulicht.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleuten nach dem Lesen und Verstehen der Patentschrift Äquivalente und Modifikationen ersichtlich werden. Die vorliegende Erfindung schließt alle derartigen Äquivalente und Modifikationen ein und ist nur durch den Schutzumfang der angehängten Ansprüche beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/090085 A1 [0036]
DE 2013/10223937 [0036]

Claims

LIDAR-System (100) zur Entfernungsmessung eines Objekts unter Verwendung von Primärlicht (111), das durch das LIDAR-System (100) emittiert wird, und Sekundärlicht (112), das an dem Objekt reflektiert wird, wobei das LIDAR-System (100) Folgendes umfasst: - mehrere Laseremitter (101, 211-219), die in einem Emitterarray (200) angeordnet und dazu ausgelegt sind, das Primärlicht (111) entlang mehrerer Sendestrahlen (121, 321-329) zu emittieren, - einen oder mehrere Laserdetektoren (102), die dazu ausgelegt sind, das Sekundärlicht (112) entlang mehrerer Empfangsstrahlen (122, 331-337) zu detektieren, wobei jeder Empfangsstrahl (122, 331-337) mit einem jeweiligen Sendestrahl (121, 321-329) ausgerichtet ist, - ein Strahllenkungselement (159), das einen oder mehrere Spiegel (150) und eine oder mehrere elastische Halterungen umfasst, die konfiguriert sind, den einen oder die mehreren Spiegel (150) umzulenken, wobei der eine oder die mehreren Spiegel (150) in den mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) und in den mehreren Empfangsstrahlen (122, 331-337) angeordnet sind.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Laseremitter (101, 211-219) dazu ausgelegt sind, das Primärlicht (111) mit einer ersten Divergenz entlang einer schnellen Achse (71) senkrecht zu den mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) und mit einer zweiten Divergenz entlang einer langsamen Achse (72) senkrecht zu der schnellen Achse (71) und zu den mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) zu emittieren, wobei die zweite Divergenz kleiner ist als die erste Divergenz, wobei das LIDAR-System (100) ferner Folgendes umfasst: - eine oder mehrere erste Kollimatorlinsen (221-223), die nachgelagert zu den Laseremittern (101, 211-219) entlang der Sendestrahlen (121, 321-329) angeordnet und dazu ausgelegt sind, das Primärlicht (111) entlang der schnellen Achse (71) zu kollimieren, wobei Mittelachsen (228) der einen oder der mehreren ersten Kollimatorlinsen (221-223) einen variierenden Versatz (228A) bezüglich eingehender Segmente (391) der Sendestrahlen (121, 321-329) aufweisen, um Neigungen ausgehender Segmente (392) der Sendestrahlen (121, 321-329) bezüglich zueinander zu definieren.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 2, wobei die Neigungen der ausgehenden Segmente (392) der Sendestrahlen (121, 321-329) an der einen oder den mehreren ersten Kollimatorlinsen (221-223) in Richtung eines Überlappungsgebiets (393) der mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) eingefächert sind.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 3, das ferner Folgendes umfasst: - eine zweite Kollimatorlinse (229), die nachgelagert zu der einen oder den mehreren ersten Kollimatorlinsen (221-223) entlang der Sendestrahlen (121, 321-329) an dem Überlappungsgebiet (393) der mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) angeordnet und dazu ausgelegt ist, das Primärlicht (111) entlang der langsamen Achse (72) zu kollimieren.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 4, wobei das LIDAR-System (100) ferner Folgendes umfasst: - eine segmentierte Linse (600), die ein erstes Linsenelement (610) und ein zweites Linsenelement (620) umfasst, wobei die zweite Kollimatorlinse (229) durch das erste Linsenelement (610) definiert wird, wobei eine Fokallinse durch das zweite Linsenelement (620) definiert wird, wobei die Fokallinse in den mehreren Empfangsstrahlen (122, 331-337) angeordnet ist.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 5, wobei das erste Linsenelement (610) ein erstes Linsensegment (611) umfasst, das von mehreren zweiten Linsensegmenten (621-622) des zweiten Linsenelements (620) umgeben ist.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein ausgehendes Segment des Sekundärlichts (112) bezüglich der segmentierten Linse (600) eine Neigung (530) bezüglich eines eingehenden Segments des Sekundärlichts (112) bezüglich der segmentierten Linse (600) aufweist, wobei die Neigung (530) entlang der langsamen Achse (72) des Primärlichts an der segmentierten Linse (600) verläuft.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 7, wobei das erste Linsenelement (610) eine erste optische Achse aufweist, die von einer zweiten optischen Achse des zweiten Linsenelements (620) gemäß der Neigung (530) versetzt ist.
LIDAR-System (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei eine jeweilige der einen oder der mehreren ersten Kollimatorlinsen (221-223) in einer Teilmenge der mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) angeordnet ist, wobei die Teilmenge der mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) zwei oder mehr benachbarte Sendestrahlen (121, 321-329) beinhaltet.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 9, wobei die zwei oder mehr benachbarten Sendestrahlen (121, 321-329) der Teilmenge der mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) mit einer Teilmenge der Laseremitter (101, 211-219) assoziiert sind, wobei die Laseremitter (101, 211-219) der Teilmenge einen lithografisch definierten Stapel (201) bilden.
LIDAR-System (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, das ferner Folgendes umfasst: - mehrere Strahl-Twister (301-303), die in den Sendestrahlen (121, 321-329) angeordnet und dazu ausgelegt sind, das Primärlicht (111) um eine Drehachse senkrecht zu sowohl der schnellen Achse (71) als auch der langsamen Achse (72) zu drehen.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 11, wobei die mehreren Strahl-Twister (301-303) nachgelagert zu der einen oder den mehreren ersten Kollimatorlinsen (221-223) entlang der mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) angeordnet sind.
LIDAR-System (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Laseremitter (101, 211-219) dazu ausgelegt sind, das Primärlicht (111) mit einer ersten Divergenz entlang einer schnellen Achse (71) senkrecht zu den mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) und mit einer zweiten Divergenz entlang einer langsamen Achse (72) senkrecht zu der schnellen Achse (71) und zu den mehreren Sendestrahlen (121, 321-329) zu emittieren, wobei die zweite Divergenz kleiner ist als die erste Divergenz, wobei sich das Emitterarray (200) zumindest entlang der langsamen Achse (72) erstreckt.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 13, wobei sich das Emitterarray (200) entlang der langsamen Achse (72) und der schnellen Achse (71) erstreckt.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 13 oder 14, wobei Stapel (201-203) der Laseremitter (101, 211-219) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (209), entlang der langsamen Achse (72) versetzt, platziert sind.
LIDAR-System (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das LIDAR-System (100) mehrere Detektoren (102, 401-404) beinhaltet, die in einem Detektorarray angeordnet sind.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 16, wobei die mehreren Detektoren (102, 401-404) um einen Abstand (d) von den mehreren Laseremittern versetzt sind.