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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System. Das LiDAR-System ist zum kontinuierlichen Aussenden von moduliertem Laserlicht ausgebildet und führt eine Scanbewegung durch, um ein gesamtes Sichtfeld zu vermessen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene LiDAR-Systeme bekannt, um Objekte in einer Umgebung erkennen zu können. Bekannte Systeme basieren beispielweise darauf, dass kontinuierlich frequenzmoduliertes Laserlicht ausgesandt wird, wie beispielsweise in der
DE 10 2018 116 961 A1 beschrieben ist. Anhand der Frequenzmodulation ist ein Code auf das ausgesandte Laserlicht aufgebracht, der bei Empfangen von an der Umgebung reflektiertem Laserlicht Objekte erkannt werden kann, um dem empfangenen Licht einen Sendezeitpunkt zuzuordnen.
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Aus der
DE 10 2016 221 245 A1 ist hingegen eine Strategie bekannt, bei der ein rotierender Spiegel verwendet wird, um Laserlicht in verschiedene Bereiche der Umgebung zu lenken und um reflektiertes Laserlicht aus der Umgebung zu erfassen. Auch mit solchen Systemen lassen sich Objekte in der Umgebung erkennen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung erlaubt, die Vorteile der LiDAR Methoden Scan und Linien-Flash, bei denen wiederholt einzelne Laserpulse in vertikaler Linienform ausgesandt werden, wobei die Linienform scannend entlang der horizontalen Richtung geführt wird, mit einem kohärenten Messansatz, z.B. FMCW (frequency modulated continuous wave, frequenzmodulierte kontinuierliche Wellen), zu kombinieren. Dies resultiert unter anderem in einer verbesserten Systemreichweite, einer höheren horizontalen Auflösung durch eine Scanbewegung und deutlich reduzierten Anforderungen an die Signalverarbeitung im Vergleich zu einem FMCW Voll-Flash System.
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Dazu wird vorteilhafterweise ein punktueller, eindimensionaler oder zweidimensionaler Sende- und Empfangspfad verwendet. Somit sind eine einzelpunktförmige, spaltenförmige oder flächenhafte Beleuchtung und ein ebenso ausgebildeter Detektor vorgesehen. Außerdem sind insbesondere die Komponenten stationären Laser, Detektor, Elektronik und Optik stationär angeordnet. Es wird bevorzugt eine hohe Winkelauflösung, z.B. 0.1 x 0.1 Grad, ebenso wie ein sehr großes Sichtfeld, in horizontaler Richtung bevorzugt zwischen 120 und 145 Grad, erreicht.
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Das LiDAR-System weist ein Gehäuse auf, sowie eine Sendeeinheit und Empfangseinheit, die ortsfest an dem Gehäuse angebracht sind. Die Sendeeinheit dient zum kontinuierlichen Aussenden eines Lichtmusters. Dabei ist die Sendeeinheit zum Aussenden von frequenzmoduliertem und/oder phasenmoduliertem Laserlicht ausgebildet. Somit ist insbesondere ein FMCW-Ansatz realisiert. Das Lichtmuster definiert einen vertikalen Erfassungsbereich des LiDAR-Systems, wobei der horizontale Erfassungsbereich scannend abgetastet wird.
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Die Empfangseinheit weist zumindest einen Array von Einzeldetektoren auf. Die Empfangseinheit, d.h. insbesondere jeder Einzeldetektor, ist ausgebildet, reflektiertes Laserlicht zu erfassen. Das Laserlicht wird somit bevorzugt von der Sendeeinheit ausgesandt, an einem Objekt in einer Umgebung des LiDAR-Systems reflektiert und dann von der Empfangseinheit erfasst. Dadurch ist das Objekt von dem LiDAR-System erkennbar.
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Außerdem weist das LiDAR-System eine beweglich am Gehäuse angebrachte Lichtablenkeinheit auf. Die Lichtablenkeinheit dient zum horizontalen Ablenken des von der Sendeeinheit ausgesandten Lichtmusters in eine Umgebung und zum Ablenken von aus der Umgebung reflektierten Laserlichts zu der Empfangseinheit.
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Die zumindest eine Laserlichtquelle der Sendeeinheit, die Einzeldetektoren der Empfangseinheit und bevorzugt weitere Komponenten wie Optik oder Elektronik sind somit ortsfest angebracht, während lediglich die Lichtablenkeinheit beweglich ist. Damit ergeben sich wesentliche Vorteile für die Wärmeabfuhr sowie die Energie- und Datenübertragung. Durch die Verwendung des FMCW Messprinzips mit einem oder mehreren kohärenten, modulierbaren Halbleiterlasern sind wesentliche Vorteile bei Unterdrückung von bzw. einer Unempfindlichkeit gegenüber Hintergrundlicht im Empfangspfad erreicht. Damit ist ein höherer Anteil von Nutz- zu Störlicht vorhanden, wodurch eine Reichweite des Systems erhöht und über Hintergrundlicht stabil ist. Insgesamt sind dadurch eine höhere Performance und Verfügbarkeit des LiDAR-Systems erreicht.
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Besonders vorteilhaft ist die Empfangseinheit derart ausgebildet, dass alle Einzeldetektoren über den vertikalen Erfassungsbereich simultan abtasten. Eine horizontale Auflösung wird zwischen der Lichtablenkeinheit und der Empfangseinheit aufgeteilt. Insgesamt lässt sich dadurch eine erhöhte Auflösung erreichen. Aufgrund der Verwendung des kohärenten FMCW Verfahrens kann das LiDAR-System zusätzlich zur Objektdistanz auch eine Doppler-Geschwindigkeit messen.
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Besonders vorteilhaft arbeitet das LiDAR-System im Schrot-Rausch-Limit (Eigenschaft der kohärenten Detektion bei ausreichender Leistung des Lokaloszillators). Daher ist sowohl thermisches Rauschen in der Empfangseinheit als auch durch Hintergrundlicht erzeugtes Schrotrauschen nicht relevant. Damit ist das thermische Management der Empfangseinheit zweitrangig. Zusätzlich sind aber die Sendeeinheit und die Empfangseinheit am Stator getrennt angebracht und erlauben so eine einfache und zuverlässige Wärmeabfuhr.
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Vorteilhafterweise besitzen Sendeeinheit und Empfangseinheit bis zum Spiegel getrennte oder überlappende / überkreuzte optische Pfade und befinden sich je nach Ausführungsform vorteilhaft über- oder nebeneinander. Insbesondere verlaufen beide optische Pfade, der Sende- und Empfangspfad beide über die Lichtablenkeinheit, so dass sowohl die Sendeeinheit als auch Empfangseinheit bevorzugt eindimensional (spaltenförmig) sind.
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Das Gehäuse ist bevorzugt ein symmetrisch oder asymmetrisch eckiges Gehäuse aus Metall, beispielsweise ein Quader, wobei eine Bauhöhe erheblich kleiner ist als eine Breite oder Tiefe. Das Gehäuse weist außerdem ein Abdeckfenster aus Kunststoff oder Glas auf, dieses aufgeprägt als ebene, vertikal geneigte oder gekurvte Oberfläche mit oder ohne Antireflexbeschichtung.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit eine Vielzahl von einzelnen Laserquellen aufweist. Bei den Laserquellen handelt es sich bevorzugt um mehrere parallelisierte hochkohärente Single-Frequency Laser. Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Laserquellen kollimierte Strahlen aussenden, um das Lichtmuster zu erzeugen. Das Kollimieren der Strahlen kann entweder durch sie Laserquellen selbst oder durch zumindest eine zusätzliche Optik erfolgen. Bevorzugt sind die Laserquellen somit vertikal übereinander angeordnet, um den vertikalen Erfassungsbereich abzudecken. In einer bevorzugten Ausführungsform können die einzelnen Laserquellen auch zusätzlich horizontal nebeneinander angeordnet sein, eine Gruppe von mehreren linienförmigen Einzelmustern ausgesandt werden können. Mit anderen Worten wird durch das horizontale nebeneinander anordnen eine Messbreite in horizontaler Richtung vergrößert. Eine Parallelisierung erfolgt damit insbesondere nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in horizontaler Richtung. Vorteilhafterweise ist jede Laserquelle einem Einzeldetektor der Empfangseinheit zugeordnet, wobei diese Gruppe von Laserquelle und Einzeldetektor einen vertikalen Pixel des vertikalen Erfassungsbereichs des LiDAR-Systems bildet. Mit anderen Worten findet somit eine vertikale Linienbeleuchtung durch Parallelisierung von mehreren Laser/Detektor-Paaren statt, wobei jedes Laser/Detektorpaar genau einem vertikalen Pixel zugeordnet ist. Aufgrund der notwendigen geringen Laserstrahldivergenz wegen kollimierter Strahlen ist die vertikale Linie insbesondere mit Lücken behaftet, wobei dennoch eine Linienform des Lichtmusters vorhanden ist. Anstelle eines Einzeldetektors kann jede Laserquelle einem horizontalen Einzeldetektorarray zugeordnet sein. Bei einer schnellen Bewegung der Lichtablenkeinheit erfolgt somit ein lichtlaufzeitabhängiges Verteilen des empfangenen Lichts auf dem horizontalen Einzeldetektorarray. Somit kann die Bewegungsgeschwindigkeit der Lichtablenkeinheit vergrößert werden, wobei weiterhin ein zuverlässiges Empfangen des von der Umgebung reflektierten Laserlichts ermöglicht ist.
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Bevorzugt ist für jede Laserquelle ein verkippbarer Zusatzspiegel vorgesehen, der insbesondere nur im Sendepfad vorhanden ist, das zu der Empfangseinheit gelangende reflektierte Laserlicht somit nicht beeinflusst. Der Zusatzspiegel erlaubt eine vertikale Ablenkung des von der Laserquelle ausgesandten Laserstrahls innerhalb eines vertikalen Erfassungsbereichs des Einzeldetektors ermöglicht. Damit lässt sich insbesondere die oben genannte Lücke in der vertikalen Linie schließen.
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In einer Alternative des LiDAR-Systems mit einfachem Aufbau weist die Sendeeinheit vorteilhafterweise eine Laserquelle zum Aussenden eines in einer Richtung divergenten Laserstrahls auf. Dadurch ist das Lichtmuster in seiner gesamten vertikalen Erstreckung erzeugbar. Somit sind keine zusätzlichen Komponenten erforderlich.
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Die Sendeeinheit umfasst in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung insbesondere eine Einzellichtquelle und einen verkippbar angeordneten Einzelspiegel. Der Einzelspiegel ist zum Erzeugen des Lichtmusters aus dem Lichtstrahl der Einzellichtquelle ausgebildet ist. Somit lenkt der Einzelspiegel den Lichtstrahl der Einzellichtquelle in vertikaler Richtung ab. Besonders vorteilhaft erfolgt das Ablenken in vertikaler Richtung schneller als das Ablenken in horizontaler Richtung durch die Lichtablenkeinheit.
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Die Lichtablenkeinheit weist bevorzugt eine gegenüber dem Gehäuse um eine vertikal orientierte Rotationsachse rotierbar gelagerte Spiegelvorrichtung auf. Dabei weist die rotierbar gelagerte Spiegelvorrichtung bevorzugt eine Spiegelfläche sowohl auf einer Vorderseite als auch auf einer Rückseite auf. Die beidseitige Verwendung einer Spiegelfläche führt zu einer Verdoppelung einer Abtastrate gegenüber einer einseitigen Aufbringung. Die Spiegelvorrichtung wird bevorzugt von einer elektrischen Antriebseinheit rotiert, wobei die Antriebseinheit insbesondere ein flachbauender, bürstenloser Elektromotor ist. Bevorzugt ist auch ein Encoder vorgesehen, der eine aktuelle Ausrichtung der Spiegelfläche erfasst, um ein Messergebnis einem Raumwinkel zuordnen zu können. Durch die Verwendung der rotierenden Spiegelvorrichtung ist die Verwendung einer 1D Spaltenbeleuchtung und eines 1 D-Detektorarrays anstatt einer Flächenbeleuchtung bzw. eines 2D Detektorarrays ermöglicht. Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile wie weniger Energieverbrauch, weniger Abwärme im Gerät, verbesserte Augensicherheit sowie weniger Chipfläche und Halbleitermaterial.
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Besonders vorteilhaft ist eine Richtung eines Lichtpfads zwischen Lichtablenkeinheit und Sendeeinheit oder Empfangseinheit senkrecht zur Rotationsachse der Spiegelvorrichtung orientiert. Damit ist ein einfacher Aufbau und eine Einfache Abtastung der Umgebung erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Lichtablenkeinheit einen einzelnen Ablenkspiegel auf. Der Ablenkspiegel ist verkippbar an dem Gehäuse 2 befestigt. Somit ist kein rotierender Spiegel notwendig, wodurch der Aufbau des LiDAR-Systems vereinfacht ist.
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Die Einzeldetektoren der Empfangseinheit sind bevorzugt PIN-Fotodioden. Damit sind die Einzeldetektoren einfach und kostengünstig ausgestaltet. Insbesondere kann auf kostenintensive und aufwändige SPADs oder APDs verzichtet werden.
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Die Lichtablenkeinheit ist bevorzugt ausgebildet, einen selben Bereich eines Spiegels zum Ablenken sowohl des von der Empfangseinheit ausgesandten Laserlichts als auch des zu der Empfangseinheit geleiteten reflektierten Laserlichts zu verwenden. Die Verwendung des gleichen beleuchteten Spiegelbereichs sowohl zum Senden als auch zum Empfangen führt zu einer Verkleinerung des Spiegels aufgrund nicht notwendiger, optischer Trennung des Sende- und Empfangspfads. Dies gilt für alle Ausgestaltungen der Lichtablenkeinheit, bevorzugt für die rotierende Spiegelvorrichtung. Die Verwendung des gleichen Spiegelbereichs hat Vorteile für die Bauhöhe und Breite des Systems. Mit anderen Worten wäre auf dem Spiegel das biaxiale System quasi koaxial. Zudem erfolgt eine starke Vereinfachung und räumliche Komprimierung des optischen Pfads durch fast identische Strahlenwege von Sende- und Empfangspfad
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Das LiDAR-System weist bevorzugt eine Steuerungsvorrichtung auf. Die Steuerungsvorrichtung ist ausgebildet den Erfassungsbereich mittels der Sendeeinheit den vertikalen Erfassungsbereich gleichzeitig zu beleuchten. Daher erstreckt sich das Lichtmuster über den gesamten vertikalen Erfassungsbereich. Außerdem ist die Steuerungsvorrichtung bevorzugt eingerichtet, die Umgebung anhand aller Einzeldetektoren gleichzeitig zu erfassen. Auf diese Weise entstehen keine Bewegungsartefakte im aufgenommenen Spaltenbild, die ansonsten aufgrund von sequentiellem Auslesen der vertikalen Pixel vorhanden wären. Außerdem erfolgt eine zeitliche Parallelisierung der Abtastung mit Vorteilen für die Detektionsstatistik. Schließlich ist eine besonders schnelle / redundante Abtastung realisiert, da nur noch über den horizontalen Erfassungsbereich gescannt werden muss.
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Das Lichtmuster weist bevorzugt die Form einer vertikalen Linie auf. Dies ist einfach und aufwandsarm umzusetzen und erlaubt eine lediglich linienförmige Lichtablenkeinheit sowie eine lediglich linienförmige Empfangseinheit zu verwenden. Dadurch ist das LiDAR-System kostengünstig, weist aber dennoch eine hohe Leistungsfähigkeit auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Lichtmuster die Form von zumindest zwei, insbesondere unmittelbar aneinander anliegenden, vertikalen Linien auf. Dabei ist jede Linienform durch zumindest eine eigene Lichtquelle gebildet. Insbesondere sind somit zwei oder mehrere Reihen von Lichtquellen vorhanden, um die beiden Linienformen zu erzeugen. Es ist in solchen Fällen vorgesehen, dass auch die Empfangseinheit entsprechend in parallelen Linien angeordnete Einzeldetektoren aufweist. Somit lässt sich eine verbesserte Abtastung, insbesondere mit verbesserter Abtastrate, erreichen.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass zwei benachbarte Linienformen überlappungsfrei ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass entlang jeder virtuellen horizontalen Linie entweder die eine der benachbarten Linienformen oder die andere der benachbarten Linienformen vorhanden sind, nicht aber beide gleichzeitig an derselben Stelle entlang des vertikalen Erfassungsbereichs. Eine solche Anordnung entspricht einer vertikalen Linienform mit Hochkontrastlücke, bestehend aus zwei oder mehr einzelnen Linienformen. Damit kann eine verbesserte Trennfähigkeit an der Empfangseinheit erreicht werden. Ein solches Lichtmuster ist zudem für die Augensicherheit von Vorteil.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht eines LiDAR-Systems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Ansicht eines LiDAR-Systems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Ansicht eines LiDAR-Systems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Ansicht einer Sendeeinheit sowie einer Empfangseinheit des LiDAR-System gemäß einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung,
- 5A eine schematische Ansicht einer ersten Alternative der Sendeeinheit des LiDAR-System gemäß einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung,
- 5B eine schematische Ansicht einer zweiten Alternative der Sendeeinheit des LiDAR-System gemäß einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung, und
- 6 eine schematische Ansicht verschiedener Lichtmuster der Sendeeinheit des LiDAR-System gemäß einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt schematisch ein LiDAR-System 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das LiDAR-System 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das ein Abdeckfenster 2a besitzt, durch das Laserlicht an eine Umgebung des LiDAR-Systems 1 aussendbar und durch das von Objekten in der Umgebung reflektiertes Laserlicht empfangbar ist. Das Gehäuse 2 ist aus Metall gefertigt und weist gemäß 1 eine Quaderform auf. Eine Bauhöhe, d.h. eine Abmessung senkrecht zur Zeichenebene, ist deutlich geringer als eine Breite oder Tiefe des Gehäuses 2. Das Abdeckfenster 2a ist aus Kunststoff oder Glas gefertigt, wobei dieses als ebene (vgl. 1), vertikal geneigte oder gekurvte (vgl. 2) Oberfläche mit oder ohne Antireflexbeschichtung ausgebildet ist.
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Das LiDAR-System 1 weist eine ortsfest am Gehäuse 2 angebrachte Sendeeinheit 3 und eine ortsfest am Gehäuse 2 angebrachte Empfangseinheit 4 auf. Die Sendeeinheit 3 und die Empfangseinheit 4 sind somit unbeweglich und stationär angeordnet. Die Sendeeinheit 3 sendet Laserlicht entlang eines Sendepfads 201 aus, während die Empfangseinheit 4 reflektiertes Laserlicht entlang eines Empfangspfad 202 empfängt.
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Außerdem ist eine Lichtablenkeinheit 6 vorgesehen, die in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine rotierende Spiegelvorrichtung 12 ist. Die Spiegelvorrichtung 12 ist um eine Rotationsachse 100 rotierbar am Gehäuse 2 befestigt und stellt somit bevorzugt das einzige bewegliche Element des LiDAR-Systems 1 dar. Es ist vorgesehen, dass Sendepfad 201 und Empfangspfad 202 senkrecht zu der Rotationsachse 100 ausgebildet sind. Um den Sendepfad 201 und den Empfangspfad 202 auf die Spiegelvorrichtung 12 zu lenken sind mehrere statische Umlenkspiegel 18A vorgesehen, wobei diese statischen Umlenkspiegel 18A für Sendepfad 201 und Empfangspfad 202 individuell vorgesehen sind.
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Eine vertikale Richtung ist senkrecht zur Zeichenebene orientiert. Eine horizontale Richtung ist in der Zeichenebene orientiert. Es ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit 3 ein Lichtmuster entlang eines vertikalen Erfassungsbereichs 400 (vgl. 6) aussendet, während entlang eines horizontalen Erfassungsbereich 300 (vgl. 6) eine Scannbewegung durchgeführt wird. Der horizontale Erfassungsbereich 300 umfasst bevorzugt zwischen 120° und 145°, der vertikale Erfassungsbereich 400 ist bevorzugt zumindest größer als 20°.
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Die Sendeeinheit 3 und die Empfangseinheit 4 sind von einer Steuervorrichtung 13 ansteuerbar. Insbesondere die Empfangseinheit 4 ist von der Steuervorrichtung 13 auslesbar, um erfasstes Laserlicht zur Objekterkennung auszuwerten.
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Der Sendepfad 201 und der Empfangspfad 202 sind in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel getrennt voneinander geführt, bis die entsprechenden Pfade 201, 202 auf die Lichtablenkeinheit 6 treffen. Dies ist durch die horizontal nebeneinander angeordneten Sendeeinheit 2 und Empfangseinheit 3 erreicht.
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Somit lassen sich in die einzelnen Pfade 201, 202 verschiedene Zusatzelemente einbringen. So kann der Sendepfad 201 eine oder mehrere Sendeoptiken 15 aufweisen. Der Empfangspfad 202 kann eine oder mehrere zusätzliche Empfangsoptiken 16 aufweisen. Durch die Trennung von Sendepfad 201 und Empfangspfad 202 lassen sich diese Pfade 201, 202 unterschiedlich beeinflussen, wobei dieser Vorteil insbesondere am Beispiel des nachfolgend erklärten Zusatzspiegels 8, der alternativ oder zusätzlich zu einer der optionalen Sendeoptiken 15 verwendbar ist, verdeutlicht wird.
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Das LiDAR-System 1 ist somit ein 00-SS-Makroscanner. Das bedeutet, es ist ein Makroscanner mit rotierender Spiegelvorrichtung 12, stationärer Optik / Elektronik und zur Rotationsachse 100 der Spiegelvorrichtung 12 senkrechter Einkopplung und Auskopplung des ausgesandten und empfangenen Laserlichts.
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2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform. Dabei ist ein grundsätzlicher Aufbau identisch zu dem ersten Ausführungsbeispiel. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist die Spiegelvorrichtung 12 derart ausgestaltet, dass eine Spiegelfläche sowohl auf einer Vorderseite 12a als auch auf einer Rückseite 12b der Spiegelvorrichtung 12 vorhanden ist. Somit kann gegenüber einer einseitigen Anbringung der Spiegelfläche eine doppelte Abtastrate erreicht werden. Eine solche doppelte Anordnung von Spiegelflächen kann auch in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet werden.
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Des Weiteren sind Sendeeinheit 3 und Empfangseinheit 4 im zweiten Ausführungsbeispiel vertikal übereinander angeordnet und damit nicht horizontal benachbart wie im ersten Ausführungsbeispiel. Außerdem verwenden der Sendepfad 201 und der Empfangspfad 202 einen gemeinsamen statischen Umlenkspiegel 18A, um die Lichtablenkeinheit 6 zu erreichen. Außerdem können zusätzliche optionale Gemeinschaftsoptiken 17 für den Sendepfad 201 und Empfangspfad 202 vorgesehen sein, so dass der Sendepfad 201 und der Empfangspfad 202 nicht wie im ersten Ausführungsbeispiel getrennt geführt sind, sondern gemeinschaftlich. Ebenso wäre die im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene getrennte Führung möglich, wobei genauso im ersten Ausführungsbeispiel die gemeinschaftliche Führung möglich wäre. Mit anderen Worten kann das LiDAR-System 1 entweder biaxial oder koaxial hinsichtlich des Sendepfads 201 und Empfangspfads 202 ausgebildet sein.
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Auf der Spiegelvorrichtung 12 können Sendepfad 201 und Empfangspfad 202 auf denselben Bereich auftreffen, so dass hier keine unterschiedlichen Bereiche vorhanden sind. Dadurch lässt sich Spiegelfläche auf der Spiegelvorrichtung 12 einsparen, wodurch ein Bauraum des Gehäuses 2 verringert ist.
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3 zeigt schließlich ein drittes Ausführungsbeispiel des LiDAR-Systems 1. Das dritte Ausführungsbeispiel ist grundsätzlich analog zum ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet, wobei anstatt der rotierenden Spiegelvorrichtung 12 ein verkippbarer Ablenkspiegel 18 vorgesehen ist. Dadurch ist auf ein rotierendes System verzichtet, wodurch der Aufbau des LiDAR-Systems vereinfacht ist.
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4 zeigt schematisch die Sendeeinheit 3 und die Empfangseinheit 4 des LiDAR-Systems 1 gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Die Empfangseinheit 4 weist insgesamt vier Einzeldetektoren 5 auf, die vertikal übereinander angeordnet sind und damit einen gesamten vertikalen Erfassungsbereich 400 des LiDAR-Systems 1 abdecken. Jedem Einzeldetektor 5 ist eine Lichtquelle 7 der Sendeeinheit 3 zugeordnet.
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Das LiDAR-System 1 arbeitet bevorzugt nach der FMCW-Methode, d.h. die Sendeeinheit 3 sendet frequenzmoduliertes Laserlicht aus. Um ein für die FMCW Messmethode benötigtes Mode Matching optimal durchführen zu können, sind die einzlenen Lichtquellen parallelisiert und senden kollimierte Strahlen aus. Dadurch kann jede einzelne Lichtquelle bezüglich der Abmessung des ausgesandten Lichts die Detektorfläche der Einzeldetektoren 5 nicht vollständig abdecken, was in 4 gezeigt ist. Dennoch ist ein Lichtmuster 14 erzeugt, das eine Linienform aufweist. Mit anderen Worten ist das Lichtmuster 14 somit eindimensional, wodurch verringerte Anforderungen an die Lichtablenkeinheit 6 und and die Empfangseinheit 4 zu stellen sind. In 4 ist daher insbesondere gezeigt, dass die Empfangseinheit 4 ebenfalls linienförmig bzw. spaltenförmig ausgebildet ist. Das Lichtmuster 14 deckt somit den gesamten vertikalen Erfassungsbereich 400 des LiDAR-Systems 1 ab.
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Die Lücke zwischen den einzelnen Lichtquellen 7 lässt sich schließen, indem in dem Sendepfad 201 mehere Zusatzspiegel 8 vorgesehen sind. Für jede Lichtquelle 7 ist ein eigener Zusatzspiegel 8 vorhanden, wobei jeder Zusatzspiegel 8 ein Ablenken des von der Lichtquelle 7 ausgesandten Laserlichts über den gesamten vertikalen Einzelerfassungsbereich 401 jedes Einzeldetektors 5 ermöglicht. Dieses Ablenken erfolgt bevorzugt schneller als eine Scannbewegung über den horizontalen Erfassungsbereich 300.
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Somit wird der gesamte vertikale Erfassungsbereich 400 bauartbedingt durch die Sendeeinheit 3 selbst abgedeckt. Die Scanbewegung wird lediglich durchgeführt, um auch den gesamten horizontalen Erfassungsbereich 300 abzudecken.
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Steuervorrichtung 13 ist bevorzugt ausgebildet, alle Lichtquellen 7 gleichzeitig zum Aussenden von Licht und alle Einzeldetektoren 5 gleichzeitig zum Erfassen von Licht anzusteuern. Somit ist insbesondere das Auftreten von Bewegungsartefakten verhindert, die durch ein sequenzielles Auslesen der Einzeldetektoren 5 entstehen würden.
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Die 5A und 5B zeigen alternative Ausgestaltungen der Sendeeinheit 3. In 5A ist gezeigt, dass anstelle der einzelnen Lichtquellen 7 eine Einzellichtquelle 10 vorgesehen ist, die sämtliches Licht, das in der vorherigen Ausgestaltung durch die Lichtquellen 7 erzeugt wurde, aussendet. Dazu ist ein Einzelspiegel 11 vorgesehen, der das Licht der Einzellichtquelle 10 entsprechend ablenkt, so dass dasselbe oder annähernd dasselbe Ergebnis wie bei den mehreren Lichtquellen 7 erreicht ist.
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5B zeigt eine Alternative, indem die Sendeeinheit 3 eine Laserquelle 9 zum Aussenden eines in einer Richtung divergenten Laserstrahls aufweist. Durch die Divergenz wird das Lichtmuster 14 linienförmig erzeugt und erstreckt sich über den gesamten vertikalen Erfassungsbereich 400 des LiDAR-Systems 1.
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6 schließlich zeigt verschieden Alternativen des Lichtmusters 14. Das Lichtmuster 14 erstreckt sich in jedem Fall über den gesamten vertikalen Erfassungsbereich 400 und wird entlang des horizontalen Erfassungsbereichs 300 scannend geführt. In 6 sind drei verschiedene Lichtmuster 14 dargestellt, wobei in der Praxis insbesondere nur ein Lichtmuster 14 erzeugt wird.
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Das Lichtmuster 14 kann wie linksseitig dargestellt nur eine einzelne Linienform sein, die aber, wie mit Bezug auf 4 beschrieben wurde, Lücken aufweisen. Diese Linienform wird insbesondere durch einen einzelnen Lasersender oder durch mehrere vertikal übereinander angeordnete Lasersender generiert. Somit ist eine einfache Ausbildung des LiDAR-Systems 1 erreicht.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann die Breite dieser Linienform verbreitert werden, was in dem mittig dargestellten Lichtmuster 14 gezeigt ist. Hier setzt sich das Lichtmuster 14 aus zwei oder mehreren Linienformen wie zuvor beschrieben zusammen, wobei die Linienformen unmittelbar benachbart angeordnet und daher insbesondere nicht mehr unterscheidbar sind. Im unterschied zur vorher beschriebenen einfachen Linienform wird somit für jede der benachbart angeordneten Linienformen ein eigener Lasersender oder eine vertikale Gruppe von eigenen Lasersendern verwendet. Daher ist auch eine zugehörige Zahl von Detektorarrays notwendig, d.h. die Empfangseinheit 4 weist für jede einzelne Linienform der benachbart angeordneten Linienformen eine eigene vertikale Spalte von Einzeldetektoren 5 auf. Somit steigert sich die Genauigkeit, aber auch die Signalverarbeitung des LiDAR-Systems 1.
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Rechtsseitig ist eine Ausgestaltung des Lichtmusters 14 dargestellt, das grundsätzlich ähnlich dem mittig dargestellten Lichtmuster 14 entspricht, bei dem aber die benachbart angeordneten einzelnen Linienformen nicht überlappen. Dies bedeutet, dass entlang jeder virtuellen horizontalen Linie entweder die eine der benachbarten Linienformen oder die andere der benachbarten Linienformen vorhanden ist, nicht aber beide gleichzeitig an derselben Stelle entlang des vertikalen Erfassungsbereichs. Eine solche Anordnung entspricht einer vertikalen Linienform mit Hochkontrastlücke, bestehend aus zwei oder mehr einzelnen Linienformen. Damit kann eine verbesserte Trennfähigkeit an der Empfangseinheit erreicht werden. Ein solches Lichtmuster ist zudem für die Augensicherheit von Vorteil.
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Zusammengefasst weist das LiDAR-System somit die folgenden Vorteile auf: Es erfolgt ein verbessertes thermisches Management für einen 00-SS-Makroscanner, d.h. einen Makroscanner mit rotierendem Spiegel, stationärer Optik / Elektronik und zur Rotationsachse des Spiegels senkrechter Ein- und Auskopplung von Sende- und Empfangslicht, im Vergleich zu einem System mit rotierendem Laser und Detektor. Außerdem ist eine höhere Ein- und Auskoppeleffizienz im Vergleich zu einem System mit Optical Phased Array erreicht. Weiterhin besteht weitgehend Unempfindlichkeit gegenüber Hintergrundlicht aufgrund des verwendeten FMCW Verfahrens und damit verbesserte und gleichbleibend stabile Performance bei Hintergrund- und Störlicht. In einigen der beschriebenen Ausführungsformen ist eine, zumindest fast, lückenlose Abtastung des vertikalen Erfassungsbereichs erreicht. Es verbleiben somit keine Objekte, z.B. „Lost Cargo“, zwischen den Ebenen. Vorteilhaft ist somit die Kombination aus FMCW Linien-Flash und scannender Abtastung in horizontaler Richtung. Aufgrund des kohärenten Ansatzes ist eine höhere Reichweite auch bei direkter Sonneneinstrahlung oder Interferenz mit Fremdsystemen möglich. Dazu lassen sich kostengünstige Laser und Detektoren verwenden. Weiterhin ist ein geringerer Energieverbrauch und eine verbesserte Augensicherheit gegenüber einem Voll-„Flash“ realisiert.
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Des Weiteren lassen sich höhere Scanraten durch Einsparen einer Scandimension gegenüber „2D Scannern“ realisieren. Außerdem ist eine doppelte Scanrate gegenüber einfachen Spiegelflächen vorhanden, wenn eine Spiegelfläche sowohl auf einer Vorderseite als auch auf einer Rückseite der Spiegelvorrichtung vorhanden ist. Polygonspiegelscannern weist das LiDAR-System einen erhöhten vertikalen Erfassungsbereich auf. Gegenüber „11“ Makroscannern ist der thermische Widerspruch aufgelöst, gemäß dem ein schneller Aufheizprozess bei der Hochlaufphase gefordert ist, um die gewünschte Betriebstemperatur von Kernkomponenten (v.a. des Lasers auf dem Rotor) aus einer niedrigeren Umgebungstemperatur zu erreichen während gleichzeitig die Forderung nach guter Wärmeabfuhr aus dem Rotor heraus besteht, um diese Nenntemperatur im Dauerbetrieb zu halten. Daher sind bei solchen herkömmlichen LiDAR-Systemen oftmals erhebliche Maßnahmen für das thermische Management notwendig, die bei dem LiDAR-System entfallen.
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Das LiDAR-System ist außerdem flachbauend. Es sind nur passive Komponenten in Bewegung, insbesondere ist nur ein Spiegel auf einem Rotor montiert. Daher sind insbesondere alle aktiven optischen und elektrischen Komponenten am Stator befestigt. Das Thermomanagement sowie die Energie-und Datenübertragung sind daher wesentlich vereinfacht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018116961 A1 [0002]
- DE 102016221245 A1 [0003]
