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Die vorliegende Erfindung betrifft einen LIDAR-Sensor und ein Verfahren zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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LIDAR-Sensoren können auf unterschiedlichen Ausleuchtungsmethoden basieren. Zum einen sind abtastende LIDAR-Sensoren bekannt, die zeitlich gesehen immer nur einen kleinen Teil des Sichtfeldes (engl. field of view, FOV) eines LIDAR-Sensors ausleuchten. Zum anderen sind Flash-LIDAR-Sensoren bekannt, die das Sichtfeld in einem Zeitpunkt komplett ausleuchten.
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Aus der
DE 10 2017 202 634 A1 ist ein Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung bekannt, wobei der Lidar-Sensor eine Lichtquelle zur Emission elektromagnetischer Strahlung, einen Ablenkspiegel zum Ablenken der emittierten elektromagnetischen Strahlung um wenigstens einen Winkel in die Umgebung, einen optischen Empfänger zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung, die vom Objekt reflektiert wurde, und einen Spiegel zum Umlenken der empfangenen elektromagnetischen Strahlung auf den optischen Empfänger aufweist. Hierbei weist der Spiegel ein Loch auf, wobei das Loch auf einer Hauptstrahlachse der Lichtquelle angeordnet ist. Der Ablenkspiegel ist als mikromechanischer Ablenkspiegel ausgebildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfelds. Der LIDAR-Sensor weist eine Sendeeinheit mit wenigstens einem Laser zur Aussendung von Primärlicht und einem Sendeumlenkspiegel zur Umlenkung des ausgesendeten Primärlichts in das Sichtfeld auf. Der LIDAR-Sensor weist weiterhin eine Empfangseinheit mit wenigstens einem Detektor zum Detektieren von im Sichtfeld von einem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Sekundärlicht und einem Empfangsumlenkspiegel zur Umlenkung von aus dem Sichtfeld empfangenen Sekundärlicht in Richtung des Detektors auf. Der LIDAR-Sensor weist weiterhin einen um wenigstens eine Achse schwenkbar ausgebildeten Abtastspiegel mit zwei zu einer Achse parallel ausgerichteten Spiegelflächen auf, wobei die zwei Spiegelflächen derart am Abtastspiegel angeordnet sind, dass die erste Spiegelfläche der zweiten Spiegelfläche abgewandt ist. Der LIDAR-Sensor weist weiterhin ein Positioniererfassungssystem auf, welches dazu ausgebildet ist, eine Position des Abtastspiegels zu erfassen. Der Abtastspiegel ist hierbei derart angeordnet, dass von dem wenigstens einen Laser ausgesendetes Primärlicht auf die erste Spiegelfläche trifft und von der ersten Spiegelfläche in Richtung des Sendeumlenkspiegels reflektiert, und dass von dem Empfangsumlenkspiegel umgelenktes Sekundärlicht auf die zweite Spiegelfläche trifft und von der zweiten Spiegelfläche in Richtung des Detektors reflektiert.
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Mittels eines LIDAR-Sensors kann ein Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld des LIDAR-Sensors zum Beispiel auf der Basis einer Signallaufzeit (Time of Flight, TOF) bestimmt werden. Die Sendeeinheit kann dazu ausgebildet sein, das Primärlicht als punktförmigen Strahl oder als Strahl in Form einer Linie oder in Form eines Musters, eines sogenannten Ausleuchtungsmusters, auszugeben. Insbesondere kann der wenigstens eine Laser dazu ausgebildet sein, das Primärlicht als punktförmigen Strahl oder als Strahl in Form einer Linie oder in Form eines Ausleuchtungsmusters auszusenden. Das Sichtfeld des LIDAR-Sensors kann mittels des ausgesendeten Primärlichts abgetastet werden. Die Ausdehnung des Sichtfelds kann hierbei durch einen horizontalen und einen vertikalen Abtastwinkel, sowie durch die Reichweite des Primärlichts vorgegeben sein. Bei einem abtastenden LIDAR-Sensor wird das Primärlicht in unterschiedliche Abtastwinkel ausgesendet und wieder empfangen. Aus diesen winkelabhängigen Einzelmessungen kann anschließend ein Umgebungsbild abgeleitet werden. Das Aussenden des Primärlichts in unterschiedliche Abtastwinkel erfolgt insbesondere mittels des Abtastspiegels. Die zwei Spiegelflächen des Abtastspiegels sind insbesondere genau zu einer, mit anderen Worten derselben Achse des schwenkbar ausgebildeten Abtastspiegels parallel ausgerichtet. Die erste Spiegelfläche ist insbesondere um einen Winkel von 180° versetzt zur zweiten Spiegelfläche angeordnet. Die erste Spiegelfläche weist insbesondere von der zweiten Spiegelfläche weg. Die erste Spiegelfläche kann auch als Vorderseite und die zweite Spiegelfläche als Rückseite des Abtastspiegels bezeichnet werden, oder umgekehrt. Die erste und die zweite Spiegelfläche können jeweils eine reflektierende Oberfläche aufweisen. Der Sendeumlenkspiegel ist insbesondere feststehend angeordnet. Der Empfangsumlenkspiegel ist insbesondere feststehend angeordnet. Der Detektor kann als eine einzelne Detektordiode ausgebildet sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Empfangseinheit auch mehrere Detektoren aufweisen. Der wenigstens eine Detektor kann als Detektorarray ausgebildet sein.
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Die Position des Abtastspiegels und somit der Winkel unter dem Primärlicht in das Sichtfeld ausgesendet wird, kann mittels des Positioniererfassungssystem erfasst werden. Der Auslenkungswinkel des Abtastspiegels um die wenigstens eine Achse kann mittels des Positioniererfassungssystem erfasst werden. Das Positioniererfassungssystem kann ein in den Abtastspiegel integriertes Positioniererfassungssystem sein. Das Positioniererfassungssystem kann ein in den Abtastspiegel nicht-integriertes Positioniererfassungssystem sein. Das Positioniererfassungssystem kann hierfür beispielsweise außerhalb des Abtastspiegels angeordnet sein.
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Der LIDAR-Sensor kann weiterhin eine Prozessoreinheit aufweisen. Die Prozessoreinheit kann dazu ausgebildet sein, detektiertes Sekundärlicht zu verarbeiten. Die Prozessoreinheit kann eine Verarbeitungsschaltung beinhalten, die bevorzugt als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), als Field Programmable Gate Array (FPGA), Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o.ä., ausgestaltet sein kann. Die Prozessoreinheit kann informationstechnisch an eine interne und/oder externe Speichereinheit angebunden sein. Die Prozessoreinheit kann weiterhin dazu ausgebildet sein, den wenigstens einen Laser anzusteuern, z. B. zum Aussenden des Primärlichts. Die Prozessoreinheit kann weiterhin dazu ausgebildet sein, verarbeitetes Sekundärlicht auszuwerten. Das Ergebnis einer Auswertung kann beispielsweise für eine Fahrerassistenzfunktion eines Fahrzeugs verwendet werden. Das Ergebnis der Auswertung kann beispielsweise für eine Steuerung eines autonom fahrenden Fahrzeugs verwendet werden. Der LIDAR-Sensor kann insbesondere für die Verwendung in einem wenigstens teilweise autonom fahrenden Fahrzeug ausgebildet sein. Mit dem LIDAR-Sensor kann teilautonomes oder autonomes Fahren von Fahrzeugen auf Autobahnen und im Stadtverkehr realisiert werden.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung der ersten Spiegelfläche und der zweiten Spiegelfläche des Abtastspiegels weitere optische Elemente wie beispielsweise Strahlteiler oder Lochspiegel vermieden werden können. An derartigen optischen Elementen könnte Signalleistung des Primärlichts und/oder des Sekundärlichts verloren gehen. Derartige Verluste werden mit dem hier beschriebenen LIDAR-Sensor vorteilhafter Weise vermieden. Weiterhin kann ein kleiner, kompakter Detektor verwendet werden. Ist beispielsweise der Abtastspiegel um genau eine Achse schwenkbar, kann der Detektor als ein kompakter Linien-Detektor ausgebildet sein. Ein Gehäuse des LIDAR-Sensors kann aufgrund der Anordnung und der Eigenschaften der Komponenten des hier beschriebenen LIDAR-Sensors sehr flach und kleinvolumig ausgeführt sein. Durch einen fest angeordneten Sendeumlenkspiegel kann das Primärlicht während des Abtastens kontinuierlich auf wechselnde Austrittspositionen gelenkt werden. Hierdurch kann im Vergleich zu einem LIDAR-Sensor mit einem schwenkbar ausgebildeten Abtastspiegel ohne fest angeordneten Sendeumlenkspiegel Primärlicht mit höherer Leistung ausgesendet werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Auslegung des LIDAR-Sensors für große Reichweiten, da der Ursprung des Primärlichts in Abhängigkeit eines Auslenkungswinkels des Abtastspiegels mitwandert. Dies kann die Augensicherheit des LIDAR-Sensors verbessern. Bei der Verwendung eines Lasers, der das Primärlicht insbesondere als punktförmigen Strahl aussendet, kann der Einsatz eines Bandpassfilters in der Empfangseinheit zur Unterdrückung von Fremdlicht vereinfacht werden, da weniger winkelversetztes Licht, sogenanntes Fremdlicht, auf den Detektor auftreten kann. Der beschriebene LIDAR-Sensor kann im Vergleich zu Flash-LIDAR-Sensoren höhere Reichweiten bei gleichzeitiger Einhaltung von Grenzwerten für die Augensicherheit erreichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abtastspiegel als mikroelektromechanischer Abtastspiegel ausgebildet ist. Der mikroelektromechanische Abtastspiegel kann auch als MEMS-Abtastspiegel bezeichnet werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass große bewegte Massen vermieden werden können. Der LIDAR-Sensor kann klein, leicht und einfach gehalten werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit mehrere Laser aufweist. Die mehreren Laser können jeweils Primärlicht aussenden. Die mehreren Laser können winkelversetzt zueinander angeordnet sein. Hierdurch können die mehreren Laser jeweils Primärlicht derart aussenden, dass dieses winkelversetzt auf die erste Spiegelfläche des Abtastspiegels trifft. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das Sichtfeld des LIDAR-Sensors vergrößert werden kann. Insbesondere kann der maximal mögliche horizontale Abtastwinkel vergrößert werden. Insbesondere kann der maximal mögliche vertikale Abtastwinkel vergrößert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Positioniererfassungssystem eine Detektoreinheit umfasst und wobei der Sendeumlenkspiegel derart teildurchlässig ausgebildet ist, dass ein Teil des Primärlichts zur Detektoreinheit durchgelassen wird. Die Detektoreinheit ist insbesondere als ein CCD- (englisch für charge-coupled device) oder CMOS-(englisch für Complementary metal-oxide-semiconductor) Detektor ausgebildet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein kostenintensives und aufwändiges in den Abtastspiegel integriertes Positioniererfassungssystem vermieden werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Empfangsumlenkspiegel wenigstens eine Freiformfläche aufweist. Insbesondere ist der Empfangsumlenkspiegel asphärisch ausgebildet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Abbildung des Sekundärlicht auf einem Punkt einer Fläche des Detektors ermöglicht wird. Hierdurch kann der Detektor klein gehalten werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abtastspiegel um wenigstens zwei Achsen schwenkbar ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Verwendung eines kleinen und kostengünstigen Detektors ermöglicht wird. Ein sehr kleiner Detektor kann verwendet werden. Der Detektor kann zum Beispiel als eine einzelne Detektordiode ausgebildet sein. Der Detektor kann beispielsweise eine einzelne Detektordiode von wenigen 100 µm Kantenlänge sein. Der Detektor kann beispielsweise ein kleines Detektorarray sein. Durch die Verwendung eines Bandpassfilters in der Empfangseinheit kann störendes Fremdlicht sehr gut unterdrückt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Laser dazu ausgebildet ist, das Primärlicht in Form einer Linie oder eines Musters auszusenden. Das Muster kann auch als Ausleuchtungsmuster bezeichnet werden. Das Ausleuchtungsmuster kann hierbei eine erste Richtung und eine zweite Richtung aufweisen, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind, und wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung. Die erste Richtung kann beispielsweise parallel zu einer vertikalen Ausdehnung des Sichtfeldes sein. Die zweite Richtung kann parallel zu einer horizontalen Ausdehnung des Sichtfeldes sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass bei Verwendung eines um eine Achse schwenkbar ausgebildeten Abtastspiegels ein recht großes Sichtfeld abgetastet werden kann. Beispielsweise sind ein horizontaler und ein vertikaler Abtastwinkel von 60° x 15° abtastbar ist.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors aufweisend den Schritt der Ansteuerung eines um wenigstens eine Achse schwenkbar ausgebildeten Abtastspiegels zum Ausführen einer Schwenkbewegung, wobei der Abtastspiegel zwei zu einer Achse parallel ausgerichtete Spiegelflächen aufweist, wobei die zwei Spiegelflächen derart am Abtastspiegel angeordnet sind, dass die erste Spiegelfläche der zweiten Spiegelfläche abgewandt ist; den Schritt der Erfassung einer Position des Abtastspiegels mittels eines Positioniererfassungssystems; den Schritt der Aussendung von Primärlicht mittels wenigstens eines Lasers in Richtung der ersten Spiegelfläche des Abtastspiegels zur Reflektion des Primärlichts an der ersten Spiegelfläche in Richtung eines Sendeumlenkspiegels und zur Umlenkung des Primärlichts in das Sichtfeld mittels des Sendeumlenkspiegels; den Schritt des Empfangens von im Sichtfeld von einem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Sekundärlicht mittels eines Empfangsumlenkspiegels und Umlenkung des Sekundärlichts in Richtung wenigstens eines Detektors, wobei von dem Empfangsumlenkspiegel umgelenktes Sekundärlicht auf die zweite Spiegelfläche des Abtastspiegels trifft und von der zweiten Spiegelfläche in Richtung des Detektors reflektiert; und den Schritt des Detektierens des Sekundärlichts mittels des Detektors.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Computerprogramm, welches eingerichtet ist, die Schritte des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:
- 1 erstes Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors;
- 2 zweites Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors;
- 3 beispielhafte Darstellung einer Sequenz, in der mehrere Laser Primärlicht aussenden;
- 4 drittes Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors;
- 5 Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes.
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1 zeigt beispielhaft ein erstes Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors 100. Der LIDAR-Sensor 100 weist eine Sendeeinheit mit dem Laser 1 zur Aussendung von Primärlicht 8 und den Sendeumlenkspiegel 5 zur Umlenkung des ausgesendeten Primärlichts 8 in das Sichtfeld des LIDAR-Sensors 100 auf.
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Der Laser 1 kann dazu ausgebildet sein, das Primärlicht 8 als punktförmigen Strahl, in Form einer Linie oder in Form eines Musters auszusenden. Die Sendeeinheit des hier beispielhaft gezeigten LIDAR-Sensors 100 weist weiterhin eine Sendeoptik 2 auf. Die Sendeoptik 2 kann beispielsweise wenigstens eine optische Linse und/oder wenigstens einen optischen Filter umfassen. Weiterhin weist der LIDAR-Sensor 100 eine Empfangseinheit mit dem wenigstens einen Detektor 4 zum Detektieren von im Sichtfeld von einem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Sekundärlicht 7a-c und dem Empfangsumlenkspiegel 6 zur Umlenkung von aus dem Sichtfeld empfangenen Sekundärlicht 7a-c in Richtung des Detektors 4 auf. Die Empfangseinheit des LIDAR-Sensors 100 weist hier weiterhin eine Empfangsoptik 3, sowie einen Bandpassfilter 10 auf. Die Empfangsoptik 3 kann beispielsweise als eine optische Linse ausgebildet sein.
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Weiterhin weist der LIDAR-Sensor 100 den um wenigstens eine Achse 17, 18 schwenkbar ausgebildeten Abtastspiegel 9 mit den zwei (im Beispiel) zur Achse 17 parallel ausgerichteten Spiegelflächen 9a und 9b auf. Der Abtastspiegel 9 kann als mikromechanischer Abtastspiegel 9 ausgebildet sein. Der Abtastspiegel 9 kann beispielsweise um einen maximalen Auslenkungswinkel 14 von +/- 20°, insbesondere von +/- 15° um wenigstens eine Achse 17, 18 schwenkbar ausgebildet sein. Die zwei Spiegelflächen 9a und 9b sind derart am Abtastspiegel 9 angeordnet, dass die erste Spiegelfläche 9a der zweiten Spiegelfläche 9b abgewandt ist. Wie in 1 gezeigt, ist der Abtastspiegel 9 derart angeordnet, dass von dem Laser 1 ausgesendetes Primärlicht 8 auf die erste Spiegelfläche 9a trifft und von der ersten Spiegelfläche 9a in Richtung des Sendeumlenkspiegels 5 reflektiert. Der Abtastspiegel 9 ist weiterhin derart angeordnet, dass von dem Empfangsumlenkspiegel 6 umgelenktes Sekundärlicht 7a- c auf die zweite Spiegelfläche 9b trifft und von der zweiten Spiegelfläche 9b in Richtung des Detektors 4 reflektiert.
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Der LIDAR-Sensor 100 weist weiterhin ein hier nicht gezeigtes Positioniererfassungssystem auf, welches dazu ausgebildet ist, eine Position des Abtastspiegels 9 zu erfassen. Das Positioniererfassungssystem kann im vorliegenden Fall beispielsweise ein in den Abtastspiegel 9 integriertes Positioniererfassungssystem sein. Der Auslenkungswinkel 14 des Abtastspiegels 9 um die Achse 17 und/oder um die Achse 18 kann mittels des Positioniererfassungssystem erfasst werden. Befindet sich der Abtastspiegel 9 in einer vorgegebenen Position, sprich unter einem vorgegebenen Auslenkungswinkel 14, so kann vom Laser 1 ausgesendetes Primärlicht 8 derart auf die erste Spiegelfläche 9a des Abtastspiegels 9 treffen, dass das Primärlicht 8 in Richtung des Sendeumlenkspiegels 5 reflektiert und von diesem unter einem vorgegebenen Winkel zur optischen Achse 19 als Primärlicht 8a-d in das Sichtfeld des LIDAR-Sensors 100 umgelenkt wird. Befindet sich beispielsweise der Abtastspiegel 9 in einer Neutralposition, mit anderen Worten beträgt der Auslenkungswinkel 14 0°, so kann das Primärlicht 8 beispielsweise unter einem Winkel von 0° zur optischen Achse 19 als Primärlicht 8a in das Sichtfeld umgelenkt werden. Beträgt der Auslenkungswinkel 14 beispielsweise +15° so kann das Primärlicht 8 unter einem Winkel von beispielsweise -30° zur optischen Achse 19 als Primärlicht 8b in das Sichtfeld umgelenkt werden. Beträgt der Auslenkungswinkel 14 beispielsweise -15° so kann das Primärlicht 8 unter einem Winkel von beispielsweise +30° zur optischen Achse 19 als Primärlicht 8c in das Sichtfeld umgelenkt werden. Bei einem weiteren Wert des Auslenkungswinkels 14 kann das Primärlicht 8 unter einem weiteren Winkel zur optischen Achse 19 als Primärlicht 8d in das Sichtfeld umgelenkt werden.
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Ähnlich wie für die Sendeeinheit beschrieben verhält es sich auch für die Empfangseinheit. Vom Empfangsumlenkspiegel 6 unter einem Winkel zur optischen Achse 19 empfangenes Sekundärlicht 7a-c wird umgelenkt auf die zweite Spiegelfläche 9b des Abtastspiegels 9, welcher sich in einer vorgegebenen Position, sprich unter einem vorgegebenen Auslenkungswinkel 14 befindet. An der zweiten Spiegelfläche 9b reflektiert das Sekundärlicht 7a-c derart, dass es in Richtung des Detektors 4 umgelenkt wird. Wird beispielsweise Sekundärlicht 7a unter einem Winkel von 0° zur optischen Achse 19 vom Empfangsumlenkspiegel 6 empfangen, so wird es von diesem auf die zweite Spiegelfläche 9b des Abtastspiegels 9 umgelenkt. An der zweiten Spiegelfläche 9b kann das Sekundärlicht 7a in Richtung des Detektors 4 umgelenkt werden, wenn sich der Abtastspiegel 9 beispielsweise in einer Neutralposition befindet. Wird beispielsweise Sekundärlicht 7b unter einem Winkel von -30° zur optischen Achse 19 vom Empfangsumlenkspiegel 6 empfangen, so wird es von diesem auf die zweite Spiegelfläche 9b des Abtastspiegels 9 umgelenkt. An der zweiten Spiegelfläche 9b kann das Sekundärlicht 7b in Richtung des Detektors 4 umgelenkt werden, wenn der Auslenkungswinkel 14 des Abtastspiegel 9 beispielsweise +15° beträgt. Wird beispielsweise Sekundärlicht 7c unter einem Winkel von +30° zur optischen Achse 19 vom Empfangsumlenkspiegel 6 empfangen, so wird es von diesem auf die zweite Spiegelfläche 9b des Abtastspiegels 9 umgelenkt. An der zweiten Spiegelfläche 9b kann das Sekundärlicht 7c in Richtung des Detektors 4 umgelenkt werden, wenn der Auslenkungswinkel 14 des Abtastspiegel 9 beispielsweise -15° beträgt.
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In einer ersten Ausführungsvariante des in der 1 gezeigten LIDAR-Sensors 100 kann der Abtastspiegel 9 um genau eine Achse 17 (oder 18) schwenkbar ausgebildet sein. Hierdurch kann ein relativ großes Sichtfeld abgetastet werden. Der Detektor 4 ist in dieser Ausführungsvariante bevorzugt als ein Detektorarray 4, insbesondere ein eindimensionales Detektorarray 4, ausgebildet. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um eine Auflösung entlang des Abtastwinkels zu erreichen, welche parallel zur Achse 17 (oder 18) liegt. Es ist insbesondere vorteilhaft um eine vertikale Auflösung zu erreichen.
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In einer zweiten Ausführungsvariante des in 1 gezeigten LIDAR-Sensors 100 kann der Abtastspiegel 9 um die zwei Achsen 17 und 18 schwenkbar ausgebildet sein. Hierdurch kann der Detektor 4 sehr klein gehalten werden. Beispielsweise kann der Detektor 4 als eine einzelne Detektordiode 4 ausgebildet sein. Zudem ist die zweite Ausführungsvariante vorteilhaft für die Unterdrückung von Fremdlicht, da das in Richtung des Detektors 4 umgelenkte Sekundärlicht 7a-c den Bandpassfilter 10 unter einem Winkel von 90° durchläuft.
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2 zeigt beispielhaft ein zweites Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors 100, welcher dem LIDAR-Sensor 100 aus 1 weitestgehend ähnelt. Aus diesem Grund wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. So weist die Sendeeinheit des LIDAR-Sensors 100 aus 2 im Unterschied zu 1 die drei Laser la-c, die drei Sendeoptiken 2a-c und einen Primärlichtumlenkspiegel 11 auf. Der Primärlichtumlenkspiegel 11 ist insbesondere feststehend angeordnet. Jeder der Laser la-c ist dazu ausgebildet, Primärlicht 8a-c auszusenden. Die Laser 1a-c sind versetzt zueinander angeordnet. Hierdurch trifft ausgesendetes Primärlicht 8a-c unter unterschiedlichen Winkeln und auf unterschiedliche Stellen des Primärlichtumlenkspiegels 11. Am Primärlichtumlenkspiegel 11 reflektiert ausgesendetes Primärlicht 8a-c in Richtung des Abtastspiegels 9. Primärlicht 8a aus dem Laser 1a trifft hierbei unter einem anderen Winkel auf die erste Spiegelfläche 9a des Abtastspiegels 9 als Primärlicht 8b aus dem Laser 1b und als Primärlicht 8c aus dem Laser 1c. Entsprechend reflektiert bei gleichem Auslenkungswinkel 14 des Abtastspiegels 9 Primärlicht 8a unter einem anderen Winkel in Richtung des Sendeumlenkspiegels 5 und wird somit unter einem anderen Winkel zur optischen Achse 19 als Primärlicht 8a in das Sichtfeld umgelenkt, als Primärlicht 8b oder als Primärlicht 8c. Wird nun noch der Abtastspiegel 9 zum Ausführen einer Schwenkbewegung angesteuert, ist es möglich das Sichtfeld um einen Faktor X zu vergrößern. Der Faktor X ist abhängig von der Anzahl der Laser und ihrem Versatz zueinander. Weiterhin können die Laser 1a-c jeweils Primärlicht 8a-c derart aussenden, dass dieses zeitversetzt, insbesondere in einer vorgegebenen Sequenz, auf die erste Spiegelfläche 9a des Abtastspiegels 9 trifft. Der Winkel zur optischen Achse 19 unter dem Primärlicht 8 in das Sichtfeld des LIDAR-Sensors umgelenkt wird, kann durch diese vorgegebene Sequenz bestimmt sein. Eine solche zeitversetzte Aussendung von Primärlicht 8a-c aus den Lasern 1a-c ist beispielhaft in 3 gezeigt.
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3 zeigt ein Diagramm, bei dem im oberen Teil der Winkel 20 zur optischen Achse 19, unter dem Primärlicht 8 in das Sichtfeld des LIDAR-Sensors umgelenkt wird, über die Zeit t dargestellt ist und im unteren Teil der dazugehörige Auslenkungswinkel 14 eines Abtastspiegels z. B. des in 2 beschriebenen LIDAR-Sensors 100 über die Zeit t dargestellt ist. In Abhängigkeit des Auslenkungswinkels 14 des Abtastspiegels wird zu unterschiedlichen Zeiträumen jeweils nur einer der Laser 1a-c zur Aussendung von Primärlicht angesteuert/eingeschaltet. So ist der Laser 1a in den Zeiträumen 15-1a eingeschaltet, der Laser 1b in den Zeiträumen 15-1b und der Laser 1c in den Zeiträumen 15-1c.
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Im Unterschied zum Empfangsumlenkspiegel 6 der 1 weist der Empfangsumlenkspiegel 6b in 2 eine Freiformfläche auf. Im gezeigten Beispiel ist der Empfangsumlenkspiegel 6b asphärisch ausgebildet. Ein Empfangsumlenkspiegel 6b kann auch in einem LIDAR-Sensor 100 mit nur einem Laser, wie er beispielsweise in 1 gezeigt ist, verwendet werden.
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In einer ersten Ausführungsvariante des in der 2 gezeigten LIDAR-Sensors 100 kann der Abtastspiegel 9 um genau eine Achse 17 (oder 18) schwenkbar ausgebildet sein. Der Detektor 4 ist in dieser Ausführungsvariante bevorzugt als ein Detektorarray 4, insbesondere ein eindimensionales Detektorarray 4, ausgebildet. In Kombination mit dem Empfangsumlenkspiegel 6b wird es ermöglicht, das Sekundärlicht 8a-c auf einen Punkt einer Fläche des Detektors 4 abzubilden. Da es an der Freiformfläche des Empfangsumlenkspiegels 6b mit größerer Wahrscheinlichkeit zu Abbildungsfehlern kommt, ist die Fläche des Detektors 4 bevorzugt etwas größer ausgebildet als die Fläche einer einzelnen Detektordiode.
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In einer zweiten Ausführungsvariante des in 2 gezeigten LIDAR-Sensors 100 kann der Abtastspiegel 9 um die zwei Achsen 17 und 18 schwenkbar ausgebildet sein. Ähnlich wie in der ersten Ausführungsvariante des in 2 gezeigten LIDAR-Sensors 100 kann auch hierbei aufgrund der mehreren Laser 1a-c das Sichtfeld des LIDAR-Sensors 100 vergrößert werden. Die Laser 1a-c können in horizontaler und in vertikaler Richtung mit einem Versatzwinkel auf die erste Spiegelfläche 9a des um die zwei Achsen 17 und 18 schwenkbar ausgebildeten Abtastspiegels 9 treffen. Werden die Laser 1a-c derart angesteuert, dass sie zeitgleich Primärlicht 8a-c aussenden, sprich bei einer parallelisierten Schusssequenz, ist es vorteilhaft, wenn der Detektor 4 aus mehreren Detektordioden ausgebildet ist. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Detektor 4 als ein größeres Detektorarray ausgebildet ist. Hierdurch ist eine genauere Lokalisierung der Position des empfangenen Sekundärlichts 7a-c möglich. Auch in dieser Ausführungsvariante ist eine zeitversetzte Aussendung von Primärlicht 8a-c bei zum Beispiel niedrigen Bildwiederholraten möglich.
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4 zeigt beispielhaft ein drittes Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors 100, welcher dem LIDAR-Sensor 100 aus 1 weitestgehend ähnelt. Aus diesem Grund wird wiederum nur auf die Unterschiede eingegangen. Bei dem in 4 gezeigten LIDAR-Sensor 100 umfasst das Positioniererfassungssystem eine Detektoreinheit 13 und der Sendeumlenkspiegel 5b ist derart teildurchlässig ausgebildet, dass ein Teil des in Richtung des Sendeumlenkspiegels 5b reflektierten Primärlichts 8a-c zur Detektoreinheit 13 durchgelassen wird. Die Detektoreinheit 13 kann als Liniendetektor ausgebildet sein. Das Positioniererfassungssystem weist weiterhin die optische Linse 12 auf, die dazu ausgebildet ist, das durchgelassene Primärlicht 8a-c auf die Detektoreinheit 13 abzubilden. Das Positioniererfassungssystem ist somit ein in den Abtastspiegel 9 nicht-integriertes Positioniererfassungssystem. Das Positioniererfassungssystem ist außerhalb des Abtastspiegels 9 angeordnet. Mittels dieses Positioniererfassungssystem kann die Position des Primärlichts 8a-c auf dem teildurchlässigen Sendeumlenkspiegel 5b erfasst werden. Hierdurch kann auf die Position des Abtastspiegels 9 und somit auf den Winkel zur optischen Achse 19, unter dem das Primärlicht 8a-c in das Sichtfeld ausgesendet wird, rückgeschlossen werden. Dies kann mittels trigonometrischer Funktionen der Winkel des Primärlichts 8a-c erfolgen. Eine Prozessoreinheit des LIDAR-Sensors 100 kann beispielsweise die exakte Winkelposition des Primärlichts 8a-c und die daraus resultierende Position eines Objekts im Sichtfeld, welches mittels des empfangenen Sekundärlichts 7a-c erfasst wird, errechnen.
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Auch wenn hier nicht gezeigt, ist ein derartiges in den Abtastspiegel 9 nicht-integriertes Positioniererfassungssystem in einem LIDAR-Sensor auch in Kombination mit mehreren Lasern und/oder auch in Kombination mit einem eine Freiformfläche aufweisenden Empfangsumlenkspiegel (siehe beides beispielsweise in 2) möglich.
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Wie bei den in den 1 und 2 gezeigten LIDAR-Sensoren kann auch in einer ersten Ausführungsvariante des in der 4 gezeigten LIDAR-Sensors 100 der Abtastspiegel 9 um genau eine Achse 17 (oder 18) schwenkbar ausgebildet sein. In einer wiederrum zweiten Ausführungsvariante des in 4 gezeigten LIDAR-Sensors 100 kann der Abtastspiegel 9 um die zwei Achsen 17 und 18 schwenkbar ausgebildet sein. In dieser zweiten Ausführungsvariante ist die Detektoreinheit 13 bevorzugt als ein Detektorarray ausgebildet.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 500 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors. Das Verfahren 500 startet im Schritt 501. Im Schritt 502 wird ein um wenigstens eine Achse schwenkbar ausgebildeter Abtastspiegel zum Ausführen einer Schwenkbewegung angesteuert, wobei der Abtastspiegel zwei zu einer Achse parallel ausgerichtete Spiegelflächen aufweist, wobei die zwei Spiegelflächen derart am Abtastspiegel angeordnet sind, dass die erste Spiegelfläche der zweiten Spiegelfläche abgewandt ist. Im Schritt 503 wird eine Position des Abtastspiegels mittels eines Positioniererfassungssystems erfasst. Im Schritt 504 wird Primärlicht mittels wenigstens eines Lasers in Richtung der ersten Spiegelfläche des Abtastspiegels ausgesendet, zur Reflektion des Primärlichts an der ersten Spiegelfläche in Richtung eines Sendeumlenkspiegels und zur Umlenkung des Primärlichts in das Sichtfeld mittels des Sendeumlenkspiegels. Im Schritt 505 wird im Sichtfeld von einem Objekt reflektiertes und/oder gestreutes Sekundärlicht mittels eines Empfangsumlenkspiegels empfangen und in Richtung wenigstens eines Detektors umgelenkt, wobei von dem Empfangsumlenkspiegel umgelenktes Sekundärlicht auf die zweite Spiegelfläche des Abtastspiegels trifft und von der zweiten Spiegelfläche in Richtung des Detektors reflektiert. Im Schritt 506 wird Sekundärlicht mittels des Detektors detektiert. Das Verfahren 500 endet im Schritt 507.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017202634 A1 [0003]
