DE102020113647A1

DE102020113647A1 - Optical System for Light Detection and Ranging, LIDAR

Info

Publication number: DE102020113647A1
Application number: DE102020113647.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Schardt
Original assignee: Blickfeld GmbH
Current assignee: Blickfeld GmbH
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2021-11-25
Also published as: DE102020113647A8

Abstract

Ein optisches System (601) zur Verwendung in einem LIDAR-System (100), umfassend: eine Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3), jedes der Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) einen oder mehrere Emitter (811-819) umfassend, der eine oder die mehreren Emitter (811- 819) jedes der Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) ein Emitter-Array (200) bildend und eine schnelle Achse (71) und eine langsame Achse (72) einer Divergenz primären Laserlichts (111) definierend, das von dem einen oder den mehreren Emittern (811-819) entlang zugeordneter Sendestrahlen (121, 321-329) emittiert wird, und die Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) entlang der langsamen Achse (72) versetzt ist; und ein erstes optisches Modul (605), eingerichtet die Sendestrahlen (121, 321-323, 327-329) des einen oder der mehreren Emitter (811-813, 817-819) von mindestens zwei der Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) entlang der langsamen Achse (72) parallel zu versetzen; und ein zweites optisches Modul (606), eingerichtet, die Sendestrahlen (121, 321-323, 327-329) des einen oder der mehreren Emitter (811-813, 817-819) der mindestens zwei der Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) in einer Ebene senkrecht zu der langsamen Achse (72) zu neigen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Beispiele betreffen allgemein ein optisches System, umfassend eine Vielzahl von Lasergeräten, wobei jedes der Vielzahl von Lasergeräten einen oder mehrere Emitter beinhaltet. Das optische System kann in einem Light Detection and Ranging System, LIDAR-System, eingesetzt werden. Das LIDAR-System kann mehrere Laserdetektoren umfassen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Light Detection and Ranging (LIDAR, manchmal auch als Laser Detection and Ranging bzw. LADAR bezeichnet) ermöglicht die Bereitstellung einer dreidimensionalen Punktwolke eines Szenarios. Objekte können exakt detektiert werden. Abstandsmessung ist möglich. Gepulstes oder kontinuierliches primäres Laserlicht wird entlang eines Sendestrahls (TX-Strahl) gesendet und nach Reflexion an einem Objekt als sekundäres Licht entlang eines Empfangsstrahls (RX-Strahl) detektiert. Damit lässt sich die Entfernung zum Objekt (z-Position) bestimmen.
Bei einem koaxialen Aufbau sind der TX-Strahl und der RX-Strahl koaxial ausgerichtet. Normalerweise bedeutet dies, dass zum Scannen dasselbe Strahlführungselement im TX-Strahl und im RX-Strahl angeordnet ist, um eine laterale Auflösung (x-Richtung und y-Richtung) zu erhalten.
Es sind Techniken bekannt, bei denen das Strahlführungselement einen oder mehrere Spiegel und eine oder mehrere elastische Halterungen umfasst, die eingerichtet sind, den einen oder die mehreren Spiegel auszulenken. Ein solches Szenario wird oft als reibungsfreies Scannen bezeichnet. Die laterale Auflösung wird durch eine geeignete Steuerung des einen oder der mehreren Spiegel und der einen oder mehreren elastischen Halterungen erreicht.
Typischerweise kann die von einem solchen LIDAR-System erreichbare laterale Auflösung unter Verwendung reibungsfreien Scannens durch die Eigenschaften eines Masse-Feder-Systems, welches von dem einen oder den mehreren Spiegeln und der einen oder den mehreren elastischen Halterungen gebildet wird, begrenzt werden. Wenn beispielsweise bei oder nahe einer Eigenfrequenz von z. B. Biegung oder Torsion gearbeitet wird, hängt die Zeit, die für das Scannen eines Sichtfeldes (Field of View, FoV) benötigt wird, von der Eigenfrequenz ab. Manchmal ist die Eigenfrequenz vergleichsweise niedrig, z. B. in der Größenordnung von 100 Hz bis 3 kHz; dann ist auch die Scanrate begrenzt. Angesichts der begrenzten Scanrate wird oft die Anzahl der Scanzeilen reduziert. Dadurch wird die laterale Auflösung vermindert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend besteht ein Bedarf an hochentwickelten optischen Systemen für den Einsatz in einem LIDAR-System. Insbesondere besteht ein Bedarf an optischen Systemen, welche zumindest einige der oben genannten Einschränkungen und Nachteile überwinden oder vermindern. Es werden optische Systeme benötigt, welche die Bereitstellung einer hohen lateralen Auflösung für die LIDAR-Systeme unterstützen.
Dieser Bedarf wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erfüllt. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
Ein optisches System zum Einsatz in einem LIDAR-System wird bereitgestellt. Das optische System umfasst eine Vielzahl von Lasergeräten. Jedes der Vielzahl von Lasergeräten umfasst einen oder mehrere Emitter. Der eine oder die mehreren Emitter jedes der Vielzahl von Lasergeräten bilden ein Emitter-Array. Der eine oder die mehreren Emitter definieren eine schnelle Achse (fast axis, FA) und eine langsame Achse (slow axis, SA) einer Divergenz von primärem Laserlicht, welches von dem einen oder den mehreren Emittern entlang zugehöriger Sendestrahlen emittiert wird. Die Vielzahl von Lasergeräten ist entlang der langsamen Achse versetzt. Das optische System umfasst auch ein erstes optisches Modul. Das erste optische Modul ist eingerichtet, die Sendestrahlen des einen oder der mehreren Emitter von mindestens zwei der Vielzahl von Lasergeräten entlang der langsamen Achse parallel zu versetzen. Das optische System umfasst auch ein zweites optisches Modul. Das zweite optische Modul ist eingerichtet, die Sendestrahlen des einen oder der mehreren Emitter der mindestens zwei der Vielzahl von Lasergeräten in einer Ebene senkrecht zu der langsamen Achse zu neigen.
Es versteht sich, dass die oben genannten und die im Folgenden noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder isoliert verwendet werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines LIDAR-Systems, welches mehrere TX-Strahlen und mehrere RX-Strahlen verwendet.
2 ist eine schematische Darstellung eines TX-Strahls und eines optischen Systems des LIDAR-Systems gemäß verschiedenen Beispielen.
3 entspricht 2 und ist eine schematische Darstellung eines RX-Strahls und des optischen Systems gemäß verschiedenen Beispielen.
4 ist eine schematische Darstellung eines Emitters und eines FA-Kollimators gemäß verschiedenen Beispielen.
5 ist eine schematische Darstellung des Emitters und des FA-Kollimators gemäß verschiedenen Beispielen, wobei im Szenario 5 der Emitter und der FA-Kollimator entlang der schnellen Achse gegeneinander versetzt sind.
6 ist eine schematische Darstellung eines Lasergerätes, umfassend mehrere Emitter, und zeigt ferner einen FA-Kollimator gemäß verschiedenen Beispielen.
7 ist eine schematische Darstellung mehrerer Lasergeräte und mehrerer FA-Kollimatoren gemäß verschiedenen Beispielen.
8 ist eine schematische Darstellung eines Überlappungsbereichs von mehreren TX-Strahlen gemäß verschiedenen Beispielen.
9 ist eine perspektivische Ansicht des optischen Systems gemäß dem Szenario 2 und 3.
10 ist eine schematische Darstellung mehrerer Optikblöcke, welche eingerichtet sind, die TX-Strahlen gemäß verschiedenen Beispielen zu manipulieren.
11 ist eine schematische Darstellung der Manipulation der TX-Strahlen, die von den Optikblöcken von 10 gemäß verschiedenen Beispielen bereitgestellt wird.
12 ist eine Draufsicht der Optikblöcke von 10 gemäß verschiedenen Beispielen.
13 ist eine perspektivische Ansicht der Optikblöcke von 10 und veranschaulicht darüber hinaus die Empfangslinse und den Detektor gemäß verschiedenen Beispielen.
14 ist eine schematische Darstellung eines Laserdetektormoduls, welches Teile des optischen Systems gemäß verschiedenen Beispielen implementiert.
15 ist eine perspektivische Ansicht eines Optikblocks gemäß verschiedenen Beispielen.
16 ist eine weitere perspektivische Ansicht des Optikblocks von 15.
17 ist eine weitere perspektivische Ansicht des Optikblocks von 15.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Einige Beispiele der vorliegenden Erfindung stellen allgemein eine Vielzahl von Schaltkreisen oder anderen elektrischen Bauelementen bereit. Alle Verweise auf die Schaltkreise und andere elektrische Bauelemente und die von jeder/jedem bereitgestellte Funktionalität sind nicht so zu verstehen, dass sie nur das hier Veranschaulichte und Beschriebene umfassen. Obwohl den verschiedenen Schaltkreisen oder anderen elektrischen Bauelementen bestimmte Bezeichnungen zugewiesen sein können, sind solche Bezeichnungen nicht als Einschränkung des Funktionsumfangs der Schaltkreise und der anderen elektrischen Bauelemente zu verstehen. Solche Schaltkreise und solche anderen elektrischen Bauelemente können je nach Art der gewünschten elektrischen Implementierung miteinander kombiniert und/oder in beliebiger Weise voneinander getrennt werden. Es steht fest, dass jeder hier offenbarte Schaltkreis oder jedes andere elektrische Bauelement eine beliebige Anzahl von Mikrocontrollern, einen Grafikprozessor (GPU), integrierte Schaltungen, Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software enthalten kann, welche miteinander zusammenwirken, um die hier offenbarte/n Operation/en durchzuführen. Darüber hinaus können eine oder mehrere der elektrischen Bauelemente ausgelegt sein, einen Programmcode auszuführen, der in einem nicht-transitorischen computerlesbaren Medium enthalten ist, das zum Ausführen einer beliebigen Anzahl der hier offenbarten Funktionen programmiert ist.
Die Zeichnungen sind als schematische Darstellungen anzusehen, und die in den Zeichnungen dargestellten Elemente sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen Elemente so dargestellt, dass ihre Funktion und ihr allgemeiner Zweck für eine fachkundige Person erkennbar werden. Jede in den Zeichnungen dargestellte oder hier beschriebene Verbindung oder Kopplung zwischen Funktionsblöcken, Geräten, Bauteilen oder anderen physischen oder funktionalen Einheiten kann auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung realisiert werden. Eine Kopplung zwischen Bauteilen kann auch über eine drahtlose Verbindung hergestellt werden. Funktionsblöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination davon implementiert sein.
Im Folgenden werden erfindungsgemäße Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Es versteht sich, dass die folgende Beschreibung von Ausführungsformen nicht im Sinne einer Beschränkung aufzufassen ist. Der Umfang der Erfindung soll nicht durch die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen oder durch die nur zur Veranschaulichung dienenden Zeichnungen eingeschränkt werden.
Im Anschluss werden Techniken im Zusammenhang mit optischen Systemen zur Verwendung in einem LIDAR-System beschrieben. Die optischen Systeme umfassen eine Vielzahl von Lasergeräten und ein oder mehrere optische Module. Dabei kann primäres Laserlicht, welches von einem oder mehreren Emittern jedes der Vielzahl von Lasergeräten emittiert wird und sich entlang zugeordneter TX-Strahlen bewegt, von dem einen oder den mehreren optischen Modulen manipuliert werden. In der Regel kann jedes optische Modul ein oder mehrere optisch aktive Teile umfassen. Es wäre möglich, ein optisch aktives Teil bereitzustellen, welches die Funktionalität mehrerer optischer Module realisiert. Zum Beispiel kann jedes optische Modul eine entsprechende Funktionalität im Hinblick auf Manipulation des primären Laserlichts bereitstellen. Beispielsweise kann/können das eine oder die mehreren optischen Module Manipulationsfunktionen bereitstellen, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden: Parallelversatz der TX-Strahlen, Neigung der TX-Strahlen, Aufweitung des TX-Strahls, Zusammenführen der TX-Strahlen, Kollimation des primären Laserlichts entlang seiner schnellen Achse (FA), Kollimation des primären Laserlichts entlang seiner langsamen Achsel (SA), Ablenkung der TX-Strahlen, Trennung der TX-Strahlen von den RX-Strahlen usw.
Im Folgenden werden LIDAR-Techniken beschrieben. Mit der Anwendung von LIDAR-Techniken ist es möglich, die Entfernung zu einem Objekt im Umfeld unter Verwendung der Umlaufzeit (Round-Trip-Time, RTT) von Photonen zu bestimmen. Ein Laserpuls wird ausgesendet und entsprechendes primäres Licht bewegt sich entlang eines zugeordneten Strahls - möglicherweise durch ein oder mehrere optische Module des optischen Systems manipuliert - auf das Objekt zu, und sekundäres Licht, welches entlang eines zugeordneten RX-Strahls vom Objekt zurückkehrt, wird detektiert. Ein Abstand zum Objekt und eine Tiefenposition des Objekts im Umfeld können bestimmt werden (entlang der z-Achse).
Gemäß verschiedenen Beispielen werden scannende LIDAR-Techniken beschrieben. Dabei wird ein Strahlführungselement eingesetzt, das eingerichtet ist, das primäre Licht dynamisch abzulenken. Dadurch wird eine laterale Auflösung erhalten. Beispielsweise kann eine eindimensionale oder zweidimensionale Abtastung verwendet werden, um eine eindimensionale oder zweidimensionale laterale Auflösung bereitzustellen. Das Strahlführungselement kann in das optische System integriert sein oder auch nicht. Beispielsweise kann das Strahlführungselement entlang der TX-Strahlen vom optischen System aus gesehen nachgelagert angeordnet sein.
Generell kann das Strahlführungselement einen oder zwei Spiegel umfassen. Das Strahlführungselement kann zum Beispiel einen Polygonspiegel oder einen MEMS-Spiegel umfassen. Ein Spiegel kann beispielsweise in Richtungen ausgelenkt werden, z. B. kann eine Lissajous-Abtastung genutzt werden. Es wäre möglich, zwei Spiegel zu verwenden, welche hintereinander angeordnet sind, wobei jeder der beiden Spiegel zur Realisierung einer eindimensionalen Ablenkung angesteuert wird. Das Strahlführungselement stellt unterschiedliche Scanwinkel bereit, die die laterale Auflösung einer LIDAR-Punktwolke definieren (während RTT für eine Tiefenauflösung der LIDAR-Punktwolke sorgt).
In einigen Beispielen kann das Strahlführungselement einen oder mehrere Spiegel umfassen, wobei jeder Spiegel unter Verwendung einer entsprechenden elastischen Halterung, eingerichtet zum Auslenken des jeweiligen Spiegels, montiert ist. Generell können die elastischen Halterungen jeweils ein oder mehrere Federelemente umfassen. Zum Beispiel können Biegefedern und/oder Torsionsfedern verwendet werden, die geometrisch geformt sind, um die Auslenkung des jeweiligen Spiegels durch Biegung bzw. Drehung zu bewirken. Die elastische Halterung und der Spiegel können ein Masse-Feder-System bilden, das mehrere definierte Eigenfrequenzen von entsprechenden Bewegungsfreiheitsgraden hat. Es ist ein resonanter Betrieb möglich, bei dem das Masse-Feder-System bei oder nahe einer Eigenfrequenz angesteuert wird. Solche Verfahren werden als reibungsfreies Scannen bezeichnet.
Gemäß verschiedenen Beispielen umfasst das optische System eine RX-Linse. Die RX-Linse kann eine Fokuslinse realisieren, um das sekundäre Licht auf einen Detektor oder mehrere Detektoren zu fokussieren. Die RX-Linse kann einen oder mehrere RX-Strahlen von einem oder mehreren TX-Strahlen trennen. Dies kann durch eine achsversetzte Anordnung der RX-Linse erreicht werden, bei der die optische Achse der RX-Linse nicht mit der optischen Achse des einen oder der mehreren TX-Strahlen bzw. zugeordneten TX-Strahlen zusammenfällt.
Solche oben beschriebenen Konzepte und Konzepte, die nachstehend beschrieben werden, können mehrere TX-Strahlen und mehrere RX-Strahlen verwenden. Mehrere TX-Strahlen können durch die Verwendung mehrerer Lichtquellen erzielt werden, z. B. durch die Verwendung mehrerer Emitter, die eingerichtet sind, das primäre Licht entlang der mehreren TX-Strahlen zu emittieren. Beispielsweise können die mehreren Emitter in einem Emitter-Array angeordnet sein. Das Array kann sich in einer oder zwei Dimensionen erstrecken. Das Emitter-Array kann eine periodische Anordnung der Emitter festschreiben. Es können mehrere Lasergeräte vorhanden sein, und jedes Lasergerät kann einen oder mehrere Emitter beinhalten. Jedes Lasergerät kann ein zugehöriges Gehäuse umfassen, das an einen externen Schaltkreis angeschlossen ist. Das Lasergerät kann Treiberfunktionalität für die Emitter implementieren.
Jeder TX-Strahl der mehreren TX-Strahlen kann einem entsprechenden RX-Strahl zugeordnet sein. D. h., das primäre Laserlicht, das sich entlang eines vorgegebenen TX-Strahls der mehreren TX-Strahlen bewegt, kann am Objekt in sekundäres Licht umgewandelt werden, welches sich dann entlang des vorgegebenen der mehreren RX-Strahlen bewegt, der dem vorgegebenen der mehreren TX-Strahlen zugeordnet ist. Verschiedene der RX-Strahlen sind verschiedenen der TX-Strahlen zugeordnet. Es ist möglich, mehrere Laserdetektoren vorzusehen, die in einem Detektor-Array angeordnet sind, um das sekundäre Licht 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 im Umfeld des LIDAR-Systems abtasten. D. h., die mehreren TX-Strahlen können zueinander geneigt sein, sodass sie in verschiedene Richtungen in der Umgebung des LIDAR-Systems ausgerichtet sind.
Gleichzeitig basieren verschiedene Beispiele auf der Erkenntnis, dass die Verwendung von mehreren TX-Strahlen und mehreren RX-Strahlen die optische Konfiguration und den Aufbau des LIDAR-Systems und insbesondere des optischen Systems nicht übermäßig verkomplizieren sollte. Dementsprechend kann ein und dasselbe Strahlführungselement für die mehreren TX-Strahlen und die mehreren RX-Strahlen wiederverwendet werden. Insbesondere kann/können der eine oder die mehreren Spiegel des Strahlführungselements sowohl in den mehreren TX-Strahlen als auch in den mehreren RX-Strahlen angeordnet sein. Das bedeutet, dass trotz Verwendung mehrerer TX-Strahlen und mehrerer RX-Strahlen der koaxiale optische Aufbau des LIDAR-Systems beibehalten werden kann. Insbesondere können die Paare der einander zugeordneten TX- und RX-Strahlen koaxial ausgerichtet sein.
1 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung von Details eines LIDAR-Systems 100. Das LIDAR-System 100 kann beispielsweise in einem Fahrzeug, z. B. einem Pkw oder einem Zug, montiert sein.
Das LIDAR-System 100 umfasst eine Recheneinheit 90. Die Recheneinheit 90 kann durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) und/oder ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) und/oder einen Universalprozessor implementiert werden. Die Recheneinheit 90 kann einen Analog-Digital-Wandler und/oder einen oder mehrere Zeit-Digital-Wandler umfassen. Die Recheneinheit 90 ist im Allgemeinen eingerichtet, den Betrieb der verschiedenen Komponenten des LIDAR-Systems 100 zu steuern.
Das LIDAR-System 100 umfasst ein optisches System 601, welches wiederum ein oder mehrere Lasergeräte 101 umfasst. Das eine oder die mehreren Lasergeräte 101 können beispielsweise durch eine oder mehrere Laserdioden realisiert werden. Die Lasergeräte 101 können von der Recheneinheit 90 so gesteuert werden, dass sie primäres Licht 111 aussenden, das einem TX-Strahl 121 zugeordnet ist (in 1 sind nur ein einziges Lasergerät 101 und ein einziger TX-Strahl 121 dargestellt, es können jedoch mehrere Lasergeräte und TX-Strahlen vorhanden sein). Somit sind das eine oder die mehreren Lasergeräte 101 die Quelle des einen oder der mehreren TX-Strahlen 121. Das Laserlicht kann im Wellenlängenbereich von 800 bis 1600 nm liegen (z. B. in Abhängigkeit von der Temperatur).
In der Regel kann gepulstes oder CW-Laserlicht verwendet werden. Heterodyn-Detektion wäre denkbar.
Das primäre Laserlicht 111 passiert einen Strahlteiler 130. Der Strahlteiler 130 ist eingerichtet, den einen oder die mehreren TX-Strahlen 121 und den einen oder die mehreren RX-Strahlen 122 zu trennen. Jenseits des Strahlteilers 130 in Richtung des Objekts sind der eine oder die mehreren TX-Strahlen 121 und der eine oder die mehreren RX-Strahlen 122 aufeinander ausgerichtet, z. B. koaxial oder zumindest kollinear ausgerichtet; dies erleichtert die räumliche Filterung.
Der eine oder die mehreren TX-Strahlen 121 und der eine oder die mehreren RX-Strahlen 122 passieren ein Strahlführungselement 159. Das Strahlführungselement 159 ist eingerichtet, eine ein- oder zweidimensionale Ablenkung des einen oder der mehreren TX-Strahlen 121 und des einen oder der mehreren RX-Strahlen 122 zu bewirken. Folglich ist das Strahlführungselement 159 eingerichtet, das primäre Laserlicht 111 und das sekundäre Licht 112 abzulenken. Es erfolgt eine Abtastung, z. B. reibungsfreies Scannen oder halbstatisches Scannen. Dadurch wird eine laterale Auflösung entlang der x- und y-Richtung erreicht.
Generell gibt es verschiedene Möglichkeiten, das Strahlführungselement 159 zu realisieren.
So könnte beispielsweise ein Scannermodul mit einem dispersiven Element gemäß WO 2018/090085 A1 verwendet werden. Eine weitere Option wäre die Verwendung eines oder mehrerer Spiegel 150 (vgl. 1), z. B. eines einzelnen Mikrospiegels, welcher zwei Freiheitsgrade aufweist, siehe z. B. DE 2013/10 223 937 . Es kann ein galvanischer Spiegel verwendet werden. Eine noch andere Möglichkeit ist ein Strahlführungselement 159, welches zwei Spiegel umfasst, die jeweils einen Freiheitsgrad haben, um eine jeweilige eindimensionale Ablenkung zu bewirken. Ein Aktuator 991 wirkt über eine oder mehrere Halterungen 992 auf den/die Spiegel 150. Der Aktuator 991 wird von der Recheneinheit 90 gesteuert.
Gemäß verschiedenen Beispielen kann resonantes/reibungsfreies Scannen verwendet werden. Dabei wird die Auslenkung des einen oder der mehreren Spiegel 150 durch den Aktuator 991 resonant angesteuert. D. h., eine Betriebsfrequenz des Aktuators 991 ist an eine oder mehrere Eigenfrequenzen eines Masse-Feder-Systems, welches durch den einen oder die mehreren Spiegel 150 und die jeweiligen elastischen Halterungen 992 gebildet wird, angeglichen. Die elastische/n Halterung/en kann/können ein oder mehrere Federelemente enthalten. Typische Eigenfrequenzen können in der Größenordnung von 50 Hz bis 4 kHz liegen. Um dies zu erreichen, werden leichte Spiegel 150 benötigt. Daher sind der eine oder die mehreren Spiegel 150 normalerweise klein. Zum Beispiel kann 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 × 20 mm liegen. Generell schränkt eine Größe der reflektierenden Oberfläche des einen oder der mehreren Spiegel 150 die Apertur des Strahlführungselements 159 ein, wenn koaxial ausgerichtete TX- und RX-Strahlen 121, 122 verwendet werden. Zum Beispiel kann die Größe der Apertur des Strahlführungselements 159 im Bereich zwischen 100 mm² und 250 mm² liegen. Wie zuvor erwähnt, kann räumliche Filterung durch Verwendung einer koaxialen Anordnung des einen oder der mehreren TX-Strahlen 121 und des einen oder der mehreren RX-Strahlen 122 genutzt werden. D. h., es wird Licht aus der Richtung gesammelt, in die das primäre Licht ausgesendet wird und aus der somit das sekundäre Licht erwartet wird.
Das optische System 601 kann eine oder mehrere Kollimatorlinsen umfassen, welche zwischen der einen oder den mehreren Lasergeräten 101 und dem Strahlführungselement 159 (nicht in 1 abgebildet) angeordnet sind, d. h. als Pre-Scanner-Optik.
Es kann eine Post-Scanner-Teleskop-Optik vorhanden sein.
Das primäre Laserlicht 111 durchläuft ein äußeres Gehäuse 151 des LIDAR-Systems 100.
Das primäre Licht 111 wird an einem Objekt in der Fernfeldumgebung des LIDAR-Systems 100 reflektiert. Es entsteht sekundäres Licht 112: Somit kommt das sekundäre Licht 112 kommt aus der lateralen Position des Objekts, die durch die Richtung, in die das primäre Licht 111 ausgesendet wird, definiert ist.
Das sekundäre Licht 112, das dem RX-Strahl 122 zugeordnet ist, erreicht einen Detektor 102. Der Detektor 102 definiert ein Ende des einen oder der mehreren RX-Strahlen 122.
Gemäß verschiedenen Beispielen ist es möglich, mehrere TX-Strahlen und mehrere RX-Strahlen zu verwenden. Ein solches Szenario ist in der kleinen Abbildung unten rechts in 1 dargestellt. Die untere kleine Abbildung zeigt einen Querschnitt entlang der Linien A-A und B-B von 1 (der Spiegel 150 des Strahlführungselements 159 ist der Einfachheit halber nicht in dieser Abbildung von 1 dargestellt). Wie aus der unteren Abbildung von 1 ersichtlich ist, ist jeder TX-Strahl 321-329 dem entsprechenden RX-Strahl 331-339 zugeordnet. Außerdem weisen die TX-Strahlen 321-329 eine Neigung relativ zueinander auf, genauer gesagt, sie weiten sich auf (d. h. der laterale Abstand zwischen den TX-Strahlen wird mit zunehmendem Abstand zu den Emittern größer). Dies geschieht, um unterschiedliche Bereiche im Umfeld des LIDAR-Systems 100 abzutasten. Die mehreren TX-Strahlen 321-329 könnten als „Kanäle“ des Systems bezeichnet werden.
Wie in 1 und in der kleinen Abbildung unten rechts in 1 dargestellt, ist der Spiegel 150 des Strahlführungselements 159 in allen TX-Strahlen 321-329 sowie in allen RX-Strahlen 331-339 angeordnet. Dies ist ein Unterschied zu kollinearen Anordnungen, bei denen der Spiegel nur in den TX-Strahlen, nicht aber in den RX-Strahlen angeordnet sein kann. Daher wirkt eine durch den Spiegel 150 bewirkte Ablenkung auf alle TX-Strahlen 321-329 und alle RX-Strahlen 331-339 in gleicher Weise. Somit bleibt der koaxiale Aufbau für jedes Paar von TX-Strahlen 321-329 und RX-Strahlen 331-339 erhalten.
Nachfolgend werden verschiedene Techniken in Bezug auf die relative Anordnung der TX-Strahlen 321-329 beschrieben. Dazu werden die TX-Strahlen 321-329 mindestens zweimal manipuliert, d. h. ihre relative Anordnung wird mindestens zweimal verändert. Die beiden entsprechenden Funktionalitäten werden durch ein erstes optisches Modul 605 und ein zweites optisches Modul 606, welche in den TX-Strahlen 321-329 angeordnet sind (s. kleine Abbildung unten links in 1), bereitgestellt. Das erste und zweite optische Modul 605, 606 sind entlang der TX-Strahlen 321-329 dem Strahlführungselement 159 vorgelagert. Auf diese Weise kann eine einfache, zuverlässige und kompakte Pre-Scanner-Optik verwendet werden, um das erste und zweite optische Modul 605-606 zu implementieren.
Im Folgenden werden Details des optischen Systems 601 erläutert.
2 und 3 sind Seitenansichten des optischen Systems 601. Der Übersichtlichkeit halber veranschaulicht 2 das ray-traced/strahlverfolgte primäre Licht, das sich entlang eines der TX-Strahlen 121 (z. B. TX-Strahl 324) bewegt, während 3 das raytraced/strahlverfolgte sekundäre Licht zeigt, das sich entlang eines der RX-Strahlen 122 (z. B. RX-Strahl 334) bewegt.
Dargestellt sind der Emitter 811, eine FA-Kollimatorlinse 221, ein Spiegel 862, eine TX-Linse 863 oder SA-Kollimatorlinse 863, welche eingerichtet ist, die langsame Achse des TX-Strahls 121 zu kollimieren, und schließlich die RX-Linse 871.
Wie in 2 dargestellt, ist die optische Achse 863-1 der SA-Kollimatorlinse 863 gegenüber der optischen Achse 871-1 der RX-Linse 871 versetzt (die optische Achse 863-1 bzw. die optische Achse 871-1 sind durch die Krümmungsmittelpunkte der Oberflächen der SA-Kollimatorlinse 863 bzw. der RX-Linse 871 definiert). Die optische Achse 871-1 ist von der Ebene versetzt, in der der TX-Strahl 121 (oder mehrere TX-Strahlen 321-329) angeordnet ist (sind). Daher umfasst der RX-Strahl 122 einen ersten Abschnitt 718, der koaxial zum TX-Strahl 121 ist, und auch einen zweiten Abschnitt 719, der die Neigung 879 relativ zum TX-Strahl 121 aufweist. Die RX-Linse 871 implementiert somit den Strahlteiler 130 (vgl. 1).
2 und 3 zeigen ebenfalls den Detektor 102 und eine zugehörige Aperturblende 872.
Der Spiegel 862 ermöglicht die Verwendung einer Kantenemitter-Laserdiode, umfassend den Emitter, welcher eingerichtet ist, das Licht entlang der Ebene P1 zu emittieren, so dass sowohl der Emitter 811 als auch der Detektor 102 entlang der negativen z-Achse oberflächenmontiert werden können. Der Detektor 102 ist in der Ebene P2 montiert, hier deckungsgleich mit P2, aber im Allgemeinen parallel zu P1, möglicherweise mit einem Versatz.
4 ist eine schematische Darstellung von Details des Emitters 811 des Lasergerätes 101. Der Emitter 811, wie in 2 dargestellt, umfasst eine rechteckige aktive Fläche.
Die aktive Fläche bildet einen Resonator. Der Emitter 811 könnte ein Kantenemitter sein, der z. B. die aktive Fläche an einer geritzten Seite eines Halbleiterwafers definiert. Die aktive Fläche hat eine lange Seite und eine kurze Seite. Typischerweise hat die kurze Seite räumliche Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge des emittierten Lichts, z. B. etwa 0,5 Mikrometer bis 2 Mikrometer. Die lange Seite hat deutlich längere räumliche Abmessungen, z. B. im Bereich von 50 bis 200 Mikrometer. Solche Emitter, die einen aktiven Bereich mit starker Asymmetrie aufweisen, werden oft als Breitstreifenemitter bezeichnet. Typischerweise sind mehrere räumliche Modi des primären Lichts 111 in der Richtung parallel zur langen Seite des aktiven Bereichs des Emitters 811 enthalten. Photonen werden von der aktiven Fläche des Emitters 811 emittiert. Aufgrund der Asymmetrie der aktiven Fläche des Emitters 811 hat das vom Emitter 811 emittierte primäre Laserlicht 111 asymmetrische Divergenzeigenschaften.
Insbesondere ist es möglich, eine schnelle Achse (FA) 71 und eine langsame Achse (SA) 72 zu definieren. Das primäre Laserlicht 111 weist entlang der schnellen Achse 71 eine vergleichsweise hohe Divergenz, entlang der langsamen 72 jedoch eine vergleichsweise geringe Divergenz auf. Die Divergenz ist ein Maß für die Zunahme des Querschnitts des Lichtfelds des primären Laserlichts 111 pro zurückgelegte Strecke.
4 zeigt weiterhin Details in Bezug auf die FA-Kollimatorlinse 221, welche dem Emitter 811 zugeordnet ist. Die FA-Kollimatorlinse 221 ist eingerichtet, das primäre Licht 111 entlang der schnellen Achse 71 zu kollimieren. 4 zeigt links eine Draufsicht auf den Emitter 811 und die FA-Kollimatorlinse 221, während rechts in 4 eine Seitenansicht dargestellt ist. Wie in 4 gezeigt, ist die FA-Kollimatorlinse 221, z. B. eine Mittelachse/optische Achse 228 der FA-Kollimatorlinse 221, mittig auf dem Emitter 811 angeordnet. Dementsprechend wird das primäre Licht 111 bei seiner Ausbreitung entlang des TX-Strahls 121 und durch die Kollimatorlinse 221 kollimiert, aber nicht abgelenkt; siehe rechte Abbildung in 4. Wie dargestellt, verläuft ein ankommender Abschnitt 391 des TX-Strahls 121 parallel zu einem abgehenden Abschnitt 392 des TX-Strahls 321. Dies ist im Szenario 5 anders.
5 ist eine schematische Darstellung von Details in Bezug auf die Kollimatorlinse 221. 5 entspricht im Wesentlichen dem Szenario von 4. Im Szenario von 5 besteht jedoch ein Versatz 228A zwischen der Mittelachse 228 der Kollimatorlinse 221 und dem Emitter 211. Daher trifft das sich entlang des TX-Strahls 121 ausbreitende primäre Licht 111 auf die Kollimatorlinse 221 an einer Stelle außerhalb der optischen Achse, dargestellt in der rechten Abbildung von 5. Dadurch wird eine Ablenkung verursacht. Dementsprechend weist der ankommende Abschnitt 391 des TX-Strahls 121 gegenüber dem abgehenden Abschnitt 392 des TX-Strahls 121 eine Neigung in dem Szenario von 5 auf. Somit implementiert die Kollimatorlinse 221 ein optisches Modul, das eingerichtet ist, den TX-Strahl 121 abzulenken.
Dieser im Zusammenhang mit 4 und 5 beschriebene Effekt wird hier in verschiedenen Beispielen genutzt, um eine Neigung der verschiedenen TX-Strahlen 321-329 relativ zueinander zu erhalten. Genauer gesagt wäre es möglich, den Versatz 228A der Mittelachse 228 von Kollimatorlinsen - z. B. FA-Kollimatorlinsen oder SA-Kollimatorlinsen - in Bezug auf die ankommenden Abschnitte 391 der TX-Strahlen 321-329 zueinander zu variieren. Entsprechende Konzepte sind in 6 und 7 dargestellt.
6 veranschaulicht Details in Bezug auf ein Emitter-Array 200. Im Beispiel von 6 sind mehrere Emitter 811-813 in einer festen geometrischen Beziehung zueinander angeordnet. Wie in 6 dargestellt, sind die Emitter 811-813 entlang einer Richtung, die ihrer kurzen Seite entspricht, d. h. entlang der schnellen Achse 71 des emittierten primären Lichts 111, zueinander versetzt angeordnet. Der Abstand zwischen den Emittern ist im Szenario von 6 festgelegt und für alle Emitter 811-813 gleich, könnte aber prinzipiell variieren. Das Emitter-Array 200 wird durch die Emitter 811-813 des Lasergerätes 101 gebildet.
Das Lasergerät 101 hat ein Unterteil 291; üblicherweise umfasst das Unterteil elektrische Kontakte. Das Lasergerät 101 könnte über das Unterteil 291 an einer Leiterplatte befestigt werden. Das Lasergerät 101 könnte in einem TO90- oder TO56-Paket enthalten sein. Das Lasergerät 101 könnte als bloßer Chip bereitgestellt sein. Das Lasergerät 101 könnte lithografisch definiert sein. Oft wird eine solche Anordnung als Laserbarren bezeichnet. Bei einer solchen Anordnung ist es im Allgemeinen nicht möglich, die Emitter 811-813 des Lasergerätes 101 einzeln anzusteuern. D. h., wenn ein Steuersignal zum Aussenden eines Laserpulses bereitgestellt wird, werden von allen Emittern 811-813 des Lasergerätes 101 Laserpulse ausgesendet.
6 veranschaulicht ebenso Details in Bezug auf die FA-Kollimatorlinse 221. Die FA-Kollimatorlinse 221 ist eingerichtet, das primäre Licht 111 entlang der schnellen Achse 71 für alle Emitter 811-813 zu kollimieren. Somit ist die FA-Kollimatorlinse 221 in allen den Emittern 811-813 zugeordneten TX-Strahlen 321-323 angeordnet. Dementsprechend haben die Emitter 811-813 alle einen unterschiedlichen Versatz 228A in Bezug auf die Mittelachse 228 der FA-Kollimatorlinse 221. Daraus ergeben sich Neigungen der den Emittern 211-213 zugeordneten TX-Strahlen 321-323 an den abgehenden Abschnitten 392, wie in der rechten Abbildung in 6 (für das Fernfeld) dargestellt. Das Konzept von 6 kann erweitert werden. Ein entsprechendes Szenario ist in 7 dargestellt
7 veranschaulicht Details in Bezug auf ein Emitter-Array 200. In 7 umfasst das Array 200 neun Emitter 811-819. Die Emitter 811-813 sind in einem Lasergerät 101-1 angeordnet, bilden eine erste Untergruppe und sind der FA-Kollimatorlinse 221 zugeordnet; die Emitter 814-816 sind in einem Lasergerät 101-2 angeordnet und sind der FA-Kollimatorlinse 222 zugeordnet, und die Emitter 817-819 sind in dem Lasergerät 101-3 angeordnet und sind der FA-Kollimatorlinse 223 zugeordnet. Es wäre möglich, dass die Lasergeräte 101-1 bis 101-3 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, welches dann manchmal als Laserbarren bezeichnet wird. Es ist möglich, den Versatz der Mittelachse 228 in Bezug auf alle Emitter 811-819 zu variieren. In 7 sind die FA-Kollimatorlinsen 221-223 in Bezug auf die Emitter 811-819 so angeordnet, dass sich die Neigungen der abgehenden Abschnitte 392 der TX-Strahlen 321-329 an der einen oder den mehreren FA-Kollimatorlinsen 221-223 erweitern (s. 7, untere Abbildung). Der Abstand zwischen benachbarten TX-Strahlen 321-329 vergrößert sich an den abgehenden Abschnitten 392, den Kollimatorlinsen nachgelagert.
Wie aus den obigen Ausführungen ersichtlich ist, implementiert die Kombination aus Emittern 811-819 und entsprechend angeordneten FA-Kollimatorlinsen 221-223 ein optisches Modul, welches eingerichtet ist, die TX-Strahlen 321-329 in Bezug zueinander und in einer Ebene senkrecht zur langsamen Achse 72 zu neigen. Der Versatz zwischen den Lasergeräten 101-1 und 101-3 und den jeweiligen FA-Kollimatorlinsen 221 und 223 neigt die TX-Strahlen 321-323 und 327-329 in der Ebene senkrecht zur langsamen Achse 72. Der Versatz erfolgt entlang der ersten Achse 71. Es ist möglich, die Anordnung der Kollimatorlinsen 221-223 in Bezug auf die Lasergeräte 101-1 bis 101-3 so einzurichten, dass die TX-Strahlen 321-329 in Richtung eines Überlappungsbereichs 393 zusammenführen (vgl. 8). Zu diesem Zweck wäre es möglich, auf Strahl-Twister zurückzugreifen, wie sie z. B. in der deutschen Patentanmeldung 10 2019 125 906.1 beschrieben sind. Es wäre auch möglich, einen Abstand zwischen den Lasergeräten 101-1 bis 101-3 entlang der schnellen Achse 71 vorzusehen. Es wäre möglich, dass die SA-Kollimatorlinse/TX-Linse 863 an dem Überlappungsbereich 393 angeordnet ist. Die SA-Kollimatorlinse 863 ist eingerichtet, das primäre Laserlicht entlang der langsamen Achse 72 zu kollimieren. Dies hat den Vorteil, dass eine einzige SA-Kollimatorlinse 393 verwendet werden kann und somit der Aufbau vereinfacht wird. In anderen Beispielen könnten mehrere SA-Kollimatorlinsen verwendet werden.
9 ist eine perspektivische Ansicht des optischen Systems 601. 9 zeigt die SA-Kollimatorlinse 863 und die RX-Linse 871. Wie in 9 dargestellt, umgibt die RX-Linse 871 ein Mittelteil, durch das sich die TX-Strahlen ausbreiten (im Szenario von 9 ist nur ein einzelner TX-Strahl 121 des Emitters 811 abgebildet; generell kann es jedoch mehrere TX-Strahlen geben, z. B. die TX-Strahlen 321-329; vgl. 8). Im Szenario 9 ist der Mittelteil durch einen Luftspalt realisiert. In einem anderen Beispiel könnte der Mittelteil durch Glas oder ein anderes optisch aktives Medium realisiert sein. Es wäre auch möglich, dass die SA-Kollimatorlinse 863 in die RX-Linse 871 integriert ist, d. h. ein Mittelteil davon bildet.
Weiterhin unterscheidet sich das Szenario 9 in Bezug auf die FA-Kollimation. Wie dargestellt, gibt es eine einzige FA-Kollimatorlinse 221, die auf alle Emitter des Emitter-Arrays 200 wirkt. Daher wird eine Neigung der mehreren TX-Strahlen (in 9 nicht dargestellt) nicht von der FA-Kollimatorlinse 221 bereitgestellt. Um die jeweilige Neigung bereitzustellen, ist eine andere Implementierung eines entsprechenden optischen Moduls möglich, welches eingerichtet ist, die Neigung der TX-Strahlen relativ zueinander bereitzustellen, und dies wird im Zusammenhang mit 10 erläutert.
10 ist eine perspektivische Ansicht von Teilen des optischen Systems 601. In 10 ist die FA-Kollimatorlinse 221 abgebildet. Weiterhin sind ein Optikblock 610 und ein weiterer Optikblock 630 dargestellt. Die FA-Kollimatorlinse 221 ist zwischen dem Optikblock 610 und mehreren Lasergeräten, z. B. den Lasergeräten 101-1 bis 101-3, angeordnet (die Anordnung der FA-Kollimatorlinse 221 in Bezug auf die Lasergeräte 101 - 1 bis 101-3 ist in der kleinen unteren Abbildung von 10 gestrichelt dargestellt), d. h. dem Optikblock 610, welcher das erste optische Modul 605 realisiert, vorgelagert.
Der Optikblock 610 - beispielsweise aus Glas oder Polymeren, z. B. unter Verwendung von Mikrooptiktechnologie oder 3D-Druck oder Glasschleifen - realisiert das erste optische Modul 605, welches eingerichtet ist, die TX-Strahlen 321-329 entlang der langsamen Achse parallel zu versetzen. Für diesen Zweck umfasst der Optikblock für die TX-Strahlen 321-329 jeweils ein Paar planparalleler optischer Begrenzungsflächen 611-614 (am Eingang in 10 nach links dargestellt) und 615-618 (am Ausgang, in 10 nach rechts dargestellt, d. h. angrenzend an den weiteren Optikblock 630). Das Paar planparalleler Flächen 611, 618 ist beispielsweise den TX-Strahlen 321-323 der Emitter 811-813 des Lasergerätes 101-1 zugeordnet (diese planparallelen Flächen sind gegenüber der durch die schnelle Achse 71 und die langsame Achse 72 definierten Ebene um eine mit der schnellen Achse 71 ausgerichtete Drehachse gedreht, um den planparallelen Versatz auf die Mittelachse 660 zu erreichen); das Paar planparalleler Flächen 612, 617 ist den TX-Strahlen 324-326 der Emitter 814-816 des Lasergerätes 101-2 zugeordnet, und das Paar planparalleler Flächen 613, 616 ist den TX-Strahlen 327-329 der Emitter 817-819 des Lasergerätes 101-103 zugeordnet. (Es ist zu beachten, dass in 10 ein zusätzliches Paar planparalleler Flächen 614, 615 vorhanden ist, welches für drei zusätzliche TX-Strahlen von Emittern eines zusätzlichen Lasergerätes verwendet werden kann.) Durch einen solchen Parallelversatz der TX-Strahlen 321-329 können die TX-Strahlen relativ zu einer gemeinsame Mittelachse 660 ausgerichtet werden: Dies ist auch in 11 dargestellt.
11 zeigt das Fernfeld-Lichtfeld der TX-Strahlen 321-329 (linke Spalte), sowie das Nahfeld-Lichtfeld der TX-Strahlen 321-329 (rechte Spalte) in einer Ebene entlang der schnellen Achse 71 und der langsamen Achse 72.
Zur Vereinfachung der Darstellung wird im Rahmen von 11 (künstlich) angenommen, dass das primäre Licht keine Divergenz entlang der langsamen Achse 72 erfährt.
In 11 ist die Anordnung der TX-Strahlen 321-329 für Positionen 901-905 entlang des Weges der TX-Strahlen 321-329 durch das optische System 601 dargestellt (diese Positionen sind in 2 markiert): Es wird angenommen, dass die Fernfeld-Querschnitte von der entsprechenden Position 901-905 beabstandet sind, ohne dass eine weitere optische Manipulation stattfindet; die Nahfeld-Querschnitte sind an denselben Positionen 901-905 in der Nähe der entsprechenden optischen Elemente im Nahfeld dargestellt. Zum Beispiel: Der Fernfeld-Querschnitt für die Position 902 veranschaulicht das Lichtfeld der TX-Strahlen 321-329 bei Manipulation, die bei allen der Position 902 vorgelagerten optischen Elementen (d. h. der FA-Kollimatorlinse 221, aber keinen anderen) im Fernfeld in Bezug auf die Position 902 erfolgt. In ähnlicher Weise veranschaulicht der Nahfeld-Querschnitt für die Position 902 das Lichtfeld der TX-Strahlen 321-329 bei Manipulationen, die bei allen der Position 902 vorgelagerten optischen Elementen (d. h. der FA-Kollimatorlinse 221, aber keinen anderen) im Nahfeld in Bezug auf die Position 902 erfolgen.
Die Position 901 befindet sich zwischen den Emittern 811-819 vor der FA-Kollimatorlinse 221 (vgl. 2). Die Position 902 befindet sich der FA-Kollimatorlinse 221 nachgelagert entlang der TX-Strahlen 321-329 (vgl. 2). Wie in 11 dargestellt, wird durch Verwendung der FA-Kollimatorlinse (zwischen 901 und 902) eine Unschärfe der TX-Strahlen 321-329 entlang der schnellen Achse vermieden. Die Divergenz des primären Lichts entlang der schnellen Achse 71 wird reduziert. Durch Anordnung der FA-Kollimatorlinse 211 in der Nähe der Lasergeräte 101-1 bis 101-2 sind kompakte Abmessungen für die FA-Kollimatorlinse 211 möglich.
Als Nächstes wird die optische Funktionalität des durch den Optikblock 610 implementierten optischen Moduls anhand eines Vergleichs der Querschnitte der TX-Strahlen 321-329 an den Positionen 902 und 903 veranschaulicht. Wie in 11 dargestellt, besteht eine optische Funktionalität des durch den Optikblock 610 implementierten optischen Moduls darin, den parallelen Versatz der TX-Strahlen 321-323 auf eine Mittelachse 660 und in ähnlicher Weise den parallelen Versatz der TX-Strahlen 327-329 auf die Mittelachse 660 zu implementieren. Dann werden die TX-Strahlen 321-329 alle ab der Position 903 auf die Mittelachse 660 ausgerichtet. Wie in 11 dargestellt, führt dies zur Überlagerung der TX-Strahlen 321, 324, 327 im Fernfeld, ebenso erfolgt eine Überlagerung der TX-Strahlen 322, 325, 328 im Fernfeld und eine Überlagerung der TX-Strahlen 323, 326, 329.
Eine solche optische Funktionalität der Ausrichtung der TX-Strahlen 321-329 auf die Mittelachse 660 ermöglicht es, ein Linien-Scanmuster für die Abtastung durch das LIDAR-System bereitzustellen. Dadurch kann das Umfeld auf effiziente Weise abgetastet werden. Ein einfaches Post-Processing ist ermöglicht. Weiterhin ist es durch die Ausrichtung der TX-Strahlen 321-329 auf die Mittelachse 660 möglich, eine lineare Anordnung der Detektorelemente 891-899 des Detektors 102 zu verwenden (vgl. 13). Dies ist eine einfache und kompakte Anordnung, die leicht hergestellt werden kann.
Der Optikblock 610, der das erste optische Modul 605 implementiert, bietet auch eine weitere - über die Ausrichtung auf die Mittelachse 660 hinausgehende - optische Funktionalität in dem Szenario von 10 und 11 (es ist zu beachten, dass in anderen Beispielen diese beiden optischen Funktionalitäten auch durch separate Optikblöcke implementiert werden könnten): Insbesondere ist der erste Optikblock 610, welcher das erste optische Modul 605 implementiert, eingerichtet, die TX-Strahlen in der Ebene senkrecht zur langsamen Achse 72 parallel zu versetzen. Dies wird durch den vergrößerten Abstand entlang der schnellen Achse 71 im Nahfeld an Position 903 im Vergleich zu Position 902 angedeutet (gestrichelte Pfeile). Wie in 10 dargestellt, wird dies durch eine Neigung der planparallelen Flächen 611-618 relativ zu der durch die schnelle Achse und langsame Achse 71, 72 definierten Ebene und um eine Drehachse parallel zur langsamen Achse 72 erreicht.
Während also der Parallelversatz der TX-Strahlen 321-329 in der Ebene senkrecht zur schnellen Achse 72 die TX-Strahlen 321-329 aufweitet, bringt der Parallelversatz entlang der schnellen Achse 72 die TX-Strahlen 321-329 in eine Linie.
Ein solcher Parallelversatz zum Aufweiten der TX-Strahlen 321-329 in der Ebene senkrecht zur langsamen Achse ist hilfreich, um das zweite optische Modul 606 mittels des Optikblocks 630 zu realisieren. Insbesondere können durch eine solche Aufweitung Abmessungen der jeweiligen optischen Flächen 631-634 des Optikblocks 630 ausreichend groß dimensioniert werden.
Im Folgenden werden Details des zweiten optischen Moduls 606, welches durch den Optikblock 630 realisiert ist, näher erläutert.
Das zweite optische Modul 606 stellt ebenfalls mehrere optische Funktionalitäten bereit. Erstens ist das zweite optische Modul 606 eingerichtet, die TX-Strahlen 321-329 in der Ebene senkrecht zur langsamen Achse 72 gegeneinander zu neigen. Genauer gesagt sind die entsprechenden optischen Flächen 631-634 des Optikblocks 630, welcher das zweite optische Modul 606 implementiert, zueinander geneigt (Drehung um die langsame Achse 72), um die TX-Strahlen in der Ebene senkrecht zur langsamen Achse 72 (Zeichenebene von 8; vgl. 11, Vergleich von Position 904 mit Position 905 im Nahfeld) zusammenzuführen. Dadurch wird der Überlappungsbereich 393 definiert, an dem diese SA-Kollimatorlinse 863 angeordnet ist (vgl. 8 und 11, Position 905).
Generell wäre es möglich, die optischen Flächen 631-634 so einzurichten, dass der Überlappungsbereich 393 an dem einen oder den mehreren Spiegeln 150 des LIDAR-Systems 100 angeordnet ist. Die Formulierung „an dem einen oder den mehreren Spiegeln“ bedeutet, dass der Überlappungsbereich 393 direkt an der reflektierenden Oberfläche eines der ein oder mehreren Spiegel 150 angeordnet sein kann. „An dem einen oder den mehreren Spiegeln“ kann auch bedeuten, dass der Überlappungsbereich 393 in unmittelbarer Nähe zu den reflektierenden Oberflächen eines oder mehrerer der einen oder mehreren Spiegel 150 angeordnet ist. Beispielsweise wäre es möglich, dass der Überlappungsbereich 393 in einem Abstand zu einer der reflektierenden Oberflächen eines entsprechenden Spiegels der einen oder mehreren Spiegel 150 angeordnet ist, der kleiner ist als eine seitliche Abmessung der entsprechenden reflektierenden Oberfläche. Weiterhin könnte sich die Formulierung „an den Spiegeln“ auf ein Szenario beziehen, in dem der Überlappungsbereich 393 zwischen zwei benachbarten Spiegeln 150 angeordnet ist.
Eine solche Auslegung des Überlappungsbereichs 393 hat den Effekt, dass ein Verlust von primärem Licht aufgrund der begrenzten Apertur, die von dem einen oder den mehreren Spiegeln 150 bereitgestellt wird, vermieden werden kann (typischerweise haben die Spiegel begrenzte laterale räumliche Ausdehnungen, wenn sie resonant angesteuert werden, um die resonante Eigenfrequenz zu erhöhen und die Anfälligkeit für externe Erschütterung zu vermeiden). Im Detail ist im Vergleich zu einem Szenario, in dem der Überlappungsbereich 393 entlang der Sendestrahlen dem einen oder den mehreren Spiegel 150 vorgelagert ist (d. h. der eine oder die mehreren Spiegel 150 würden sich im Aufweitungsbereich befinden; vgl. 8), die laterale Verteilung der Lichtfelder der Sendestrahlen an dem einen oder den mehreren Spiegeln 150 kleiner, wenn der Überlappungsbereich 393 an dem einen oder den mehreren Spiegeln 150 angeordnet ist. Dadurch werden Randbereiche der Lichtfelder nicht abgeschnitten.
Die zusammenführende Neigung der TX-Strahlen 321-329 geht hinter dem Überlappungsbereich 393 in eine Aufweitung über (vgl. 8; vgl. 11, vergleiche invertierte Reihenfolge der TX-Strahlen 321-329 im Fernfeld für die Positionen 904-905 mit der Reihenfolge der TX-Strahlen 321-329 im Nahfeld bei Position 904). Jeder der reflektierenden Flächen 631-634 sind mehrere TX-Strahlen 321-329 zugeordnet, wobei ein TX-Strahl 321-329 von jedem Lasergerät 101-1 bis 101-3 ausgeht. Die Überlagerung der TX-Strahlen 321, 324, 327 und 322, 325, 328 bzw. 323, 326, 329 ist aufgehoben.
Eine zweite optische Funktionalität des zweiten optischen Moduls 606, die durch den Optikblock 630 realisiert wird, ist die Ablenkung der TX-Strahlen 321-329 um 90 °, d. h. die Realisierung des Spiegels 862 (vgl. 2 und 3). Dazu werden die Flächen 631-634 mit der reflektierenden Beschichtung implementiert.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, wurde zwar im Zusammenhang mit 10 ein Szenario dargestellt, in dem die Neigung der TX-Strahlen 321-329 zueinander durch eine Neigung der reflektierenden Flächen 631-634 des Optikblocks 630 erreicht wird, welcher dem Optikblock 610, der das erste optische Modul 605 implementiert, nachgeordnet ist, aber in anderen Beispielen wäre es möglich, die Neigung der TX-Strahlen 321-329 zueinander durch Techniken zu realisieren, die zuvor im Zusammenhang mit z. B. 5 und 7 beschrieben wurden, d. h. unter Verwendung eines Versatzes der mehreren FA-Kollimatorlinsen 221-223 in Bezug auf die Emitter 811-819 der Lasergeräte101-1 bis 101-3. In einem solchen Szenario implementieren die Kollimatorlinsen 221-223 das zweite optische Modul 606.
12 ist eine Seitenansicht der Optikblöcke 610, 630 gemäß dem Beispiel von 10.
13 ist eine weitere perspektivische Ansicht einer Implementierung des optischen Systems 601 gemäß dem Szenario von 10 und 12. In 13 ist auch die RX-Linse 871 dargestellt. Es ist zu beachten, dass die SA-Kollimatorlinse 863 in die RX-Linse 871 integriert ist.
13 zeigt auch den Detektor 102, welcher ein eindimensionales Array von Detektorelementen 891-899 (ausgerichtet mit der Mittelachse 660) umfasst. Jedes der Detektorelemente 891-899 ist einem entsprechenden Strahl der TX-Strahlen 321-329 und den entsprechenden RX-Strahlen 331-339 zugeordnet. (vgl. 1). Jedem der Detektorelemente 891-899 können zur räumlichen Filterung Aperturblenden zugeordnet sein.
14 ist die schematische Darstellung eines Laser-Detektor-Moduls (LDM) 92 gemäß verschiedenen Beispielen. Das LDM 92 ist einfach herzustellen. Das LDM 92 implementiert einen Teil des optischen Systems 601. In diesem Beispiel sind die Lasergeräte 101-1 bis 101-3 als Kantenemitter ausgeführt und auf einem ersten Substrat 220 angeordnet, welches sich in einer ersten Ebene P1 erstreckt. Die Kantenemitter-Laserdioden sind eingerichtet, das primäre Licht parallel zur ersten Ebene P1 zu emittieren. Das Laserlicht durchläuft die FA-Kollimatorlinse 221 und wird dann durch den Optikblock 630 geführt (der Optikblock 610 ist in 14 nicht dargestellt, würde aber zwischen der FA-Kollimatorlinse 221 und dem Optikblock 630 angeordnet sein).
Der Detektor 102 hat ein zweites Substrat 420, welches sich in der zweiten Ebene P2 erstreckt. Die erste Ebene P1 und die zweite Ebene P2 fallen zusammen oder verlaufen parallel zueinander. In diesem Beispiel ist die Bestückung der Substrate, z. B. mit den Lasergeräten 101-1 bis 101-3, dem Detektor 102 und anderen elektrischen Komponenten 401-404 vereinfacht und kann automatisiert von oben (d. h. entlang der negativen z-Achse) erfolgen. In einigen Beispielen sind P1 und P2 gegeneinander versetzt, um z. B. einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Optimierung des optischen Aufbaus zu ermöglichen. Ein Gehäuse 91 kann zur Unterdrückung von Streulicht vorgesehen sein.
Oben wurden verschiedene Szenarien beschrieben, in denen das erste und zweite optische Modul 605-606 durch die separaten Optikblöcke 610, 630 realisiert werden. Es sind auch Szenarien denkbar, in denen die separaten Optikblöcke 610, 630 durch einen einzigen Optikblock realisiert werden. Dies vereinfacht die Montage, da die relative Anordnung der separaten Optikblöcke 610, 630 entfällt. Andererseits kann die Herstellung des jeweiligen einzelnen Optikblocks eine Herausforderung darstellen.
Ein solches Szenario wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 15, 16 und 17 dargestellt. Der Optikblock 640, welcher das erste und zweite optische Modul 605, 606 implementiert, umfasst mehrere Gruppen optischer Flächen 661-664, und 665-668, und 669-672 (in 15 nicht sichtbar) und 673-676. Die Flächen 665-668 und 669-672 sind reflektierende Flächen. Im Detail kann an den Oberflächen 665-668 eine Totalreflexion erfolgen, und auf den Oberflächen 669-672 kann eine reflektierende Beschichtung vorgesehen sein.
Das primäre Licht tritt durch die Oberflächen 661-664 in den Optikblock 640 ein. Beispielsweise kann die Oberfläche 661 dem Lasergerät 101-1 zugeordnet sein, die Oberfläche 662 dem Lasergerät 101-2 zugeordnet sein usw. Die Flächen 661-664 werden aus der durch die schnelle Achse 71 und die langsame Achse 72 gebildeten Ebene um die durch die schnelle Achse 71 definierte Drehachse gedreht. Dadurch ergibt sich der parallele Versatz der TX-Strahlen 321-329 entlang der langsamen Achse 72, um die TX-Strahlen zur gemeinsamen Mittelachse 660 auszurichten.
Die reflektierenden Innenflächen 665-668 werden aus der Ebene, die durch die schnelle Achse 71 und die langsame Achse 72 gebildet wird, gedreht, wobei die langsame Achse 72 als Drehachse dient. Dadurch ergibt sich der Parallelversatz der TX-Strahlen 321-329 in der Ebene senkrecht zur langsamen Achse 72. Die Flächen 669-672 und 673-676 sind planparallel zu den Flächen 661-664 bzw. 665-668. Im Einzelnen sind die Flächen 661-664 planparallel zu den Flächen 673-676, ebenso sind die Flächen 665-668 planparallel zu den Flächen 669- 672.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen grafisch veranschaulicht und beschrieben wurde, werden andere Fachleute auf diesem Gebiet nach dem Lesen und Verstehen der Beschreibung Äquivalente und Modifikationen durchdenken. Die vorliegende Erfindung umfasst alle solche Äquivalente und Modifikationen und ist nur durch den Umfang der beigefügten Patentansprüche begrenzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/090085 A1 [0030]
DE 2013/10223937 [0030]
DE 102019125906 [0056]

Claims

Ein optisches System (601) zur Verwendung in einem LIDAR-System (100), umfassend: - eine Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3), jedes der Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) einen oder mehrere Emitter (811-819) umfassend, der eine oder die mehreren Emitter (811-819) jedes der Vielzahl von schnelle Achse (71) und eine langsame Achse (72) einer Divergenz von primärem Laserlicht (111) definierend, das von dem einen oder den mehreren Emittern (811-819) entlang zugeordneter Sendestrahlen (121, 321-329) emittiert wird, wobei die Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) entlang der langsamen Achse (72) versetzt ist, - ein erstes optisches Modul (605), welches eingerichtet ist, die Sendestrahlen (121, 321-323, 327-329) des einen oder der mehreren Emitter (811-813, 817-819) von mindestens zwei der Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) entlang der langsamen Achse (72) parallel zu versetzten, und - ein zweites optisches Modul (606), welches eingerichtet ist, die Sendestrahlen (121, 321-323, 327-329) des einen oder der mehreren Emitter (811-813, 817-819) der mindestens zwei der Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) in einer Ebene senkrecht zu der langsamen Achse (72) zu neigen.
Optisches System (601) nach Anspruch 1, wobei das erste optische Modul (605) eingerichtet ist, die Sendestrahlen (121, 321-323, 327-329) in Bezug auf eine gemeinsame Mittelachse (660) auszurichten.
Optisches System (601) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste optische Modul (605) einen ersten Optikblock (610) umfasst, welcher für die Sendestrahlen (121, 321-329) jedes der Vielzahl von Lasergeräten (101-1, 101-2, 101-3) ein entsprechendes Paar planparalleler optischer Begrenzungsflächen (611-615, 612-616, 613-617) umfasst.
Optisches System (601) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite optische Modul (606) eingerichtet ist, die Sendestrahlen (121, 321-329) in der Ebene senkrecht zur langsamen Achse (72) aufzuweiten, um dadurch einen Überlappungsbereich (393) zu definieren, in dem sich die Sendestrahlen (121, 321-329) schneiden.
Optisches System (601) nach Anspruch 4, wobei das zweite optische Modul (606) einen zweiten Optikblock (630) umfasst, welcher reflektierende Oberflächen (631-634) umfasst, die zueinander geneigt sind.
Optisches System (601) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste optische Modul (605) und das zweite optische Modul (606) einen einstückigen Optikblock (640) bilden.
Optisches System (601) nach Anspruch 4, wobei das zweite optische Modul (606) für jedes der Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) eine jeweilige FA-Kollimatorlinse (221-223) umfasst, wobei ein Versatz (228A) zwischen den mindestens zwei (101-1, 101-3) der Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) und den entsprechenden FA-Kollimatorlinsen (221, 223) die Sendestrahlen (321-323, 327-329) des einen oder der mehreren Emitter der mindestens zwei der Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) in der Ebene senkrecht zur langsamen Achse (72) neigt, wobei der Versatz (228A) entlang der schnellen Achse verläuft.
Optisches System (601) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, ferner umfassend: - eine SA-Kollimatorlinse (863), welche an dem Überlappungsbereich (393) angeordnet und eingerichtet ist, das primäre Laserlicht (111) entlang der langsamen Achse (72) zu kollimieren.
Optisches System (601) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Vielzahl von Lasergeräten (101, 101-1, 101-2, 101-3) mehrere Emitter (811-319) umfasst, die entlang der schnellen Achse (71) versetzt sind.
Optisches System (601) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste optische Modul (605) eingerichtet ist, die Sendestrahlen (121, 321-329) in der Ebene senkrecht zur langsamen Achse (72) zu versetzen.
Optisches System (601) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - mindestens eine FA-Kollimatorlinse (221-223), welche dem ersten optischen Modul (605) entlang der Sendestrahlen (121, 321-329) vorgelagert ist und eingerichtet ist, das primäre Laserlicht (111) entlang der schnellen Achse (71) zu kollimieren.
Optisches System (601) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: - eine Empfangslinse (871), welche in oder um die Sendestrahlen (121, 321-329) angeordnet ist und eine optische Achse (871-1) definiert, die von einer Ebene versetzt ist, in der die Sendestrahlen (121, 321-329) angeordnet sind.
LIDAR-System (100), umfassend - das optische System (601) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - mindestens ein Strahlführungselement (150, 159), welches dem ersten optischen Modul (605) und dem zweiten optischen Modul (606) entlang der Sendestrahlen (121, 321-329) nachgelagert ist.
LIDAR-System (100) nach Anspruch 13, wobei das zweite optische Modul (606) des optischen Moduls eingerichtet ist, die Sendestrahlen (121, 321-329) in der Ebene senkrecht zur langsamen Achse (72) aufzuweiten, um dadurch einen Überlappungsbereich (393) zu definieren, in dem sich die Sendestrahlen (121, 321-329) schneiden, wobei der Überlappungsbereich (393) an dem mindestens einen Strahlführungselement angeordnet ist.