DE102020211470A1 - LIDAR-Vorrichtung - Google Patents

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DE102020211470A1
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electromagnetic radiation
radiation
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DE102020211470.6A
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Wolfgang HEINZELMANN
Jan Niklas Caspers
Bernhard Opitz
Ulrike Scholz
Vladimir P. Petkov
Andre Albuquerque
Kristine Juliane Back
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs, aufweisend mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung und mindestens einen Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuter und/oder reflektierter Strahlung, ferner aufweisend eine bewegliche Spiegelvorrichtung. Die bewegliche Spiegelvorrichtung ist derart in einem Strahlengang der erzeugten elektromagnetischen Strahlung angeordnet, dass die elektromagnetische Strahlung mittels der beweglichen Spiegelvorrichtung in den Abtastbereich abgelenkt werden kann, wobei die bewegliche Spiegelvorrichtung einen um eine Achse drehbaren Körper mit mindestens einer ersten Spiegelfläche und einer zweiten Spiegelfläche aufweist. Die Spiegelflächen sind reflektierend für die erzeugte elektromagnetische Strahlung ausgestaltet, wobei die erzeugte elektromagnetische Strahlung der Strahlenquelle in eine erste Richtung abgelenkt wird, wenn die erzeugte elektromagnetische Strahlung auf die erste Spiegelfläche trifft und in eine zweite Richtung abgelenkt wird, wenn die erzeugte elektromagnetische Strahlung auf die zweite Spiegelfläche trifft, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung unterschiedlich sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind LIDAR-Vorrichtungen bekannt, in denen eine als Facettenrad ausgestaltete Strahlablenkungsvorrichtung eingesetzt wird, um einen Laserstrahl in verschiedene Richtungen abzulenken und so einen Abtastbereich zu überstreichen. In der Druckschrift WO 2018 / 217 556 A1 ist beispielsweise in den 1A, 1B, 7A und 7B ein solches Facettenrad gezeigt. Durch eine Rotation des Facettenrades ändert sich ein Winkel, unter dem ein Laserstrahl auf die Facette trifft und somit auch der Winkel eines durch die Facette reflektierten Strahls. Dadurch wird ein einfaches Abtasten des Abtastbereichs möglich. In der Druckschrift EP 3 460 519 A1 ist in 5 ebenfalls ein solches Facettenrad gezeigt. Die Facettenräder in beiden Druckschriften sind dabei eben. Dabei muss eine Rotation des Facettenrades derart langsam ausgeführt werden, dass sich das Facettenrad in einer Laufzeit, die der Laserstrahl bis zu einem zu messenden Objekt und zurück benötigt, nicht oder nur sehr wenig weiterbewegt hat.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine LIDAR-Vorrichtung mit einem alternativen Facettenrad bereitzustellen, bei der der ausgesendete Laserstrahl während des Durchlaufens einer Facette in eine vorgegebene Richtung abgelenkt wird und sich die Richtung erst beim Wechsel auf eine weitere Facette ändert.
  • Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung und mindestens einen Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuter und/oder reflektierter Strahlung auf. Die LIDAR-Vorrichtung weist ferner eine bewegliche Spiegelvorrichtung auf, wobei die bewegliche Spiegelvorrichtung derart in einem Strahlengang der erzeugten elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist, dass die erzeugte elektromagnetische Strahlung mittels der beweglichen Spiegelvorrichtung in den Abtastbereich abgelenkt werden kann. Die bewegliche Spiegelvorrichtung weist einen um eine Achse drehbaren Körper mit mindestens einer ersten Spiegelfläche und einer zweiten Spiegelfläche auf, wobei die Spiegelflächen reflektierend für die elektromagnetische Strahlung ausgestaltet sind. Die erzeugte elektromagnetische Strahlung der Strahlenquelle wird in eine erste Richtung abgelenkt, wenn die erzeugte elektromagnetische Strahlung auf die erste Spiegelfläche trifft und in eine zweite Richtung abgelenkt, wenn die erzeugte elektromagnetische Strahlung auf die zweite Spiegelfläche trifft. Dabei sind die erste Richtung und die zweite Richtung unterschiedlich.
  • Dies ermöglicht, dass für jede Spiegelfläche eine Richtung (gegebenenfalls auch mehr als zwei) definiert ist und dass elektromagnetische Strahlung, die auf die Spiegelfläche trifft, unabhängig von einer Auftreffposition auf die Spiegelfläche in die jeweilige Richtung abgelenkt wird, so dass eine Richtungsänderung der ausgesandten elektromagnetischen Strahlung nur beim Übergang zwischen den Spiegelflächen erfolgt und nicht kontinuierlich ist wie bei den bekannten Facettenrädern. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die rückgestreute und/oder reflektierte Strahlung ebenfalls über die Spiegelfläche der Spiegelvorrichtung reflektiert werden soll.
  • Die Strahlenquelle kann dabei einen Laser umfassen, insbesondere einen Infrarotlaser oder einen Laser im sichtbaren Bereich. Es kann vorgesehen sein, dass jeweils für jede Strahlenquelle ein eigener Detektor vorgesehen ist. In diesem Fall kann es sein, dass jeweils eine Strahlenquelle und ein Detektor zu einer Messeinheit zusammengefasst sind. Detektor und Strahlenquelle können dann räumlich nahe zueinander angeordnet sein. Ferner kann ein Antrieb für die bewegliche Spiegelvorrichtung vorgesehen sein, mit dem die bewegliche Spiegelvorrichtung bewegt werden kann.
  • In einer Ausführungsform umfasst die bewegliche Spiegelvorrichtung ein Facettenrad, wobei die erste Spiegelfläche in Form einer ersten gekrümmten Facette und die zweite Spiegelfläche in Form einer zweiten gekrümmten Facette des Facettenrads ausgestaltet sind. Durch die Krümmung der Facetten kann erreicht werden, dass die elektromagnetische Strahlung der Strahlenquelle in die erste Richtung abgelenkt wird, wenn die elektromagnetische Strahlung auf die erste Facette trifft und in die zweite Richtung abgelenkt wird, wenn die elektromagnetische Strahlung auf die zweite Facette trifft.
  • In einer Ausführungsform weist die erste gekrümmte Facette einen ersten Facettenrand auf. Der erste Facettenrand ist der zweiten gekrümmten Facette zugewandt und umfasst eine gerade Begrenzung der ersten gekrümmten Facette. Dies ermöglicht eine einfache geometrische Definition der Facetten des Facettenrades und vereinfacht somit die Herstellung des Facettenrades.
  • In einer Ausführungsform weisen die Facetten einen Facettenabschnitt auf, wobei der Facettenabschnitt geometrisch durch eine linear in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse des Facettenrades extrudierte Kurve definiert ist, wobei die Kurve in einer zur Rotationsachse senkrechten Ebene liegt. Auch dies ermöglicht eine einfache geometrische Definition der Facetten des Facettenrades und vereinfacht somit die Herstellung des Facettenrades. Eine Krümmung der gekrümmten Facette wird dabei durch eine Ausgestaltung beziehungsweise Definition der Kurve erreicht.
  • In einer Ausführungsform ist die Kurve in Polarkoordinaten durch die Gleichung R(Ω) = r * (1+tan (φ) * Ω) definiert, wobei r einem Grundradius des Facettenrads entspricht, wobei der Winkel φ für jede Facette konstant und für jeweils zwei aneinanderliegende Facetten unterschiedlich ist, und wobei der Winkel Ω für jede Facette mit verschiedenen Werten durchlaufen wird. Die angegebene Gleichung ist eine Möglichkeit, die Kurve derart zu definieren, dass ein mithilfe dieser Kurve erzeugtes Facettenrad derart ausgestaltet ist, dass die elektromagnetische Strahlung der Strahlenquelle wird in die erste Richtung abgelenkt wird, wenn die elektromagnetische Strahlung auf die erste Facette trifft und in die zweite Richtung abgelenkt, wenn die elektromagnetische Strahlung auf die zweite Facette trifft, sofern für die erste Facette und die zweite Facette der Winkel φ unterschiedlich ist.
  • In einer Ausführungsform ist eine Länge der Kurve anhand eines Strahldurchmessers und aus einer Messzeit und einer Zeit eines Übergangs zwischen den Facetten bestimmt. Dies ermöglicht eine einfache geometrische Auslegung des Facettenrads.
  • In einer Ausführungsform sind mehrere Strahlenquellen auf das Facettenrad gerichtet, wobei jede Strahlenquelle in einem vorgegebenen Winkel auf das Facettenrad trifft und wobei mit jeder Strahlenquelle ein Teilbereich des Abtastbereichs ausgeleuchtet wird. Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass das Facettenrad insgesamt weniger Facetten aufweisen muss und somit kleiner ausgeführt werden kann.
  • In einer Ausführungsform weist das Facettenrad zwischen 20 und 30 Facetten und einen Durchmesser zwischen zwölf und siebzehn Zentimeter auf.
  • In einer Ausführungsform weist der Abtastbereich eine erste Erstreckung und eine zweite Erstreckung auf, wobei die erste Erstreckung größer ist als die zweite Erstreckung, wobei eine erste Ablenkung der elektromagnetischen Strahlung in der ersten Erstreckungsrichtung mit der beweglichen Spiegelvorrichtung erfolgt und wobei eine zweite Ablenkung der elektromagnetischen Strahlung in der zweiten Erstreckungsrichtung mit einer Strahlablenkeinheit erfolgt. Die Strahlablenkeinheit kann dabei einen Kippspiegel oder ein kristallines Gitter umfassen, wobei im Falle des kristallinen Gitters vorgesehen sein kann, eine durchstimmbare Strahlenquelle vorzusehen, um unterschiedliche Brechungsrichtungen am kristallinen Gitter zur Strahlablenkung zu nutzen.
  • In einer Ausführungsform beträgt die erste Erstreckung zwischen 100 und 140 Grad und die zweite Erstreckung zwischen 15 und 25 Grad.
  • Eine solche LIDAR-Vorrichtung kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:
    • 1 eine LIDAR-Vorrichtung;
    • 2 die LIDAR-Vorrichtung der 1, nachdem sich eine Spiegelvorrichtung weiterbewegt hat;
    • 3 eine Kurve zum extrudieren eines Facettenabschnitts;
    • 4 eine weitere Perspektive der LIDAR-Vorrichtung;
    • 5 einen Ausschnitt aus einem Facettenrad;
    • 6 ein Facettenrad und zugehörige Abstrahlrichtungen;
    • 7 ein weiteres Facettenrad und zugehörige Abstrahlrichtungen;
    • 8 eine Draufsicht auf zwei Facetten; und
    • 9 eine weitere LIDAR-Vorrichtung mit mehreren Strahlungsquellen.
  • 1 zeigt eine LIDAR-Vorrichtung 1 zum Abtasten eines Abtastbereichs 2, aufweisend mindestens eine Strahlenquelle 11 zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung 13 und mindestens einen Detektor 12 zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuter und/oder reflektierter Strahlung 14. Die Strahlenquelle 11 und der Detektor 12 sind dabei in einer Messeinheit 10 angeordnet, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Strahlenquelle 11 und der Detektor 12 voneinander unabhängig sind. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist ferner eine bewegliche Spiegelvorrichtung 20 auf, welche in Form eines Facettenrades 21 ausgeführt ist. Alternativ können auch andere Spiegelvorrichtungen verwendet werden. Die bewegliche Spiegelvorrichtung 20 ist derart in einem Strahlengang 15 der erzeugten elektromagnetischen Strahlung 13 angeordnet, dass die erzeugte elektromagnetische Strahlung 13 mittels der beweglichen Spiegelvorrichtung 20 in den Abtastbereich 2 abgelenkt wird. Die bewegliche Spiegelvorrichtung 20 weist einen um eine Achse 22 drehbaren Körper 23 mit mindestens einer ersten Spiegelfläche 31 und einer zweiten Spiegelfläche 32 auf. Ebenfalls in 1 dargestellt sind eine jeweils optionale dritte Spiegelfläche 33, vierte Spiegelfläche34, fünfte Spiegelfläche 35 und sechste Spiegelfläche 36. Die Spiegelflächen 31, 32, 33, 34, 35, 36 sind reflektierend für die erzeugte elektromagnetische Strahlung 13 ausgestaltet. Die erzeugte elektromagnetische Strahlung 13 der Strahlenquelle 11 in eine erste Richtung 3 abgelenkt, wenn die erzeugte elektromagnetische Strahlung 13 auf die erste Spiegelfläche 31 trifft. Dies ist für die gesamte erste Spiegelfläche 31 der Fall. Insbesondere führt eine Bewegung der ersten Spiegelfläche 31 aufgrund der Tatsache, dass sich der Körper 23 um die Achse 22 dreht dazu, dass die erzeugte elektromagnetische Strahlung 13 in die erste Richtung 3 reflektiert wird.
  • 2 zeigt die LIDAR-Vorrichtung 1 der 1, nachdem sich die bewegliche Spiegelvorrichtung derart weiterbewegt hat, dass die erzeugte elektromagnetische Strahlung 11 auf die zweite Spiegelfläche 32 trifft. Die erzeugte elektromagnetische Strahlung 13 wird nun in eine zweite Richtung 4 abgelenkt, wobei die erste Richtung 3 und die zweite Richtung 4 unterschiedlich sind. Für die weiteren Spiegelflächen 33, 34, 35, 36 wird die erzeugte elektromagnetische Strahlung 13 nach diesem Prinzip in weitere Richtungen abgelenkt, die sich jeweils untereinander und von der ersten Richtung 3 und der zweiten Richtung 4 unterscheiden.
  • Die Strahlenquelle 11 kann dabei in Form eines Lasers, insbesondere in Form eines Infrarotlasers oder eines Lasers im sichtbaren Wellenlängenbereich ausgestaltet sein.
  • Die erste Spiegelfläche 31 kann in Form einer ersten gekrümmten Facette 41 und die zweite Spiegelfläche 32 in Form einer zweiten gekrümmten Facette 42 des Facettenrads 21 ausgestaltet sein. Ferner kann die dritte Spiegelfläche 33 in Form einer dritten gekrümmten Facette 43, die vierte Spiegelfläche 34 in Form einer vierten gekrümmten Facette 44, die fünfte Spiegelfläche 35 in Form einer fünften gekrümmten Facette 45 und die sechste Spiegelfläche 36 in Form einer sechsten gekrümmten Facette 46 ausgestaltet sein. Die Krümmungen der Facetten 41, 42, 43,44, 45, 46 kann dabei derart sein, dass ein Winkel unter dem die erzeugte elektromagnetische Strahlung 13 in einer Auftreffposition 24 auf die Facetten 41, 42, 43,44, 45, 46 trifft, konstant bleibt, während sich die Facetten 41, 42, 43,44, 45, 46 aufgrund der Drehbewegung weiterbewegen.
  • Optional weist die erste gekrümmte Facette 41 einen ersten Facettenrand 51 auf, der der zweiten gekrümmten Facette 52 zugewandt ist. Der erste Facettenrand 51 umfasst eine gerade Begrenzung der ersten gekrümmten Facette 41. Ebenso kann ein zweiter Facettenrand 52 der dritten Facette 43, ein dritter Facettenrand 53 der vierten Facette 44, ein vierter Facettenrand 54 der fünften Facette 45, ein fünfter Facettenrand 55 der sechsten Facette 46 und ein sechster Facettenrand 56 der ersten Facette 41 zugewandt sein und ebenfalls eine gerade Begrenzung der jeweiligen gekrümmten Facette 42, 43, 44, 45, 46 umfassen. Dies bedeutet insbesondere, dass die Facettenränder 51, 52, 53, 54, 55, 56 gerade ausgeführt sind. Sind mehr oder weniger als sechs Facetten vorgesehen, erhöht beziehungsweise reduziert sich auch die Anzahl der geraden Facettenränder.
  • In 3 ist gezeigt, wie die Facetten 41, 42, 43,44, 45, 46 geometrisch ausgestaltet sein können. Die Facetten 41, 42, 43,44, 45, 46 weisen jeweils einen Facettenabschnitt 47 (in den 1 und 2 gezeigt) auf, wobei der Facettenabschnitt 47 geometrisch durch eine linear in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse 22 des Facettenrades 21 extrudierte Kurve 60 definiert ist, wobei die Kurve 60 in einer zur Rotationsachse 22 senkrechten Ebene liegt. Die Kurve 60 kann dabei mittels eines ersten Winkels φ bestimmt werden, wobei der erste Winkel φ eine Abweichung der Facette von der senkrechten zum Radius r angibt und für jede der Facetten unterschiedlich gewählt werden kann. Ein zweiter Winkel Ω gibt einen Bereich der Facette an, wobei der zweite Winkel Ω für jede Facette einen Winkelbereich von 360°geteilt durch die Facettenanzahl überstreicht.
  • In Polarkoordinaten kann die Kurve 60 als R(Ω) definiert werden, wobei R(Ω) den Abstand zur Rotationsachse 22 und damit einem Ursprung 61 des Polarkoordinatensystems abhängig vom zweiten Winkel Ω angibt. Beispielsweise kann R(Ω) mit der Gleichung R(Ω) = r * (1 +tan (φ) * Ω) berechnet werden, wobei der erste Winkel φ für jede Facette unterschiedlich ist. Der erste Winkel φ kann dabei eine Funktion des zweiten Winkels Ω sein, insbesondere eine Stufenfunktion.
  • Durch die erste Richtung 3 und die zweite Richtung 4 kann die erzeugte elektromagnetische Strahlung 13 in einer ersten Erstreckung 5 des Abtastbereichs 2 variiert werden.
  • 4 zeigt eine weitere perspektive der LIDAR-Vorrichtung der 1 und 2. Insbesondere ist in 4 gezeigt, dass das Facettenrad schräg zur erzeugten elektromagnetischen Strahlung 13 steht, so dass die in Richtung des Abtastbereichs 2 reflektierte Strahlung nicht durch die Messeinheit 10 beeinträchtigt wird. Ferner ist in 4 dargestellt, dass die erzeugte elektromagnetische Strahlung 13 in einer zweiten Erstreckung 6 des Abtastbereichs 2 ebenfalls variiert werden kann. Dies kann beispielsweise mittels einer Strahlablenkeinheit 16 erfolgen. Die Strahlablenkeinheit 16 kann dabei einen Kippspiegel oder ein kristallines Gitter umfassen, wobei im Falle des kristallinen Gitters vorgesehen sein kann, eine durchstimmbare Strahlenquelle vorzusehen, um unterschiedliche Brechungsrichtungen am kristallinen Gitter zur Strahlablenkung zu nutzen. Beide Methoden sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • 5 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus einem Facettenrad 21 in kartesischen Koordinaten mit einer x-Achse und einer y-Achse, der für ein Facettenrad 21 mit 101 Facetten bei einem Radius r von 300 Millimeter berechnet wurde. Dies kann beispielsweise genutzt werden, um in der ersten Erstreckung 5 einen Winkelbereich von 100°abzudecken und eine Auflösung von 1°zu erreichen.
  • Die 6 und 7 zeigen jeweils ein Facettenrad 21 in einem linken Bildbereich, wobei das Facettenrad 21 einundzwanzig Facetten aufweist. In einem rechten Bildbereich ist jeweils eine Funktion φ(Ω) gezeigt, wobei in 6 eine Stufenfunktion verwendet wird und in 7 die ersten Winkel φ für aneinander angrenzende Facetten stärker unterschiedlich sind. Beide Varianten können zum Einsatz kommen, wobei die Variante der 7 zu weniger Signalüberlapp führt.
  • 8 zeigt eine Draufsicht auf zwei Facettenabschnitte 47 einer ersten Facette 41 und einer zweiten Facette 42. Ferner ist ein Spot 17 dargestellt, der entweder ein Spot 17 der erzeugten elektromagnetischen Strahlung 13 oder der rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlung 14 sein kann. Die beiden Fälle unterscheiden sich nur im Hinblick auf die Größe des Spots 17, da der Spot 17 für die rückgestreute und/oder reflektierte Strahlung 14 größer sein muss. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn Strahlenquelle 11 und Detektor 12 in der Messeinheit 10 angeordnet sind und die rückgestreute und/oder reflektierte Strahlung 14 erneut über das Facettenrad 21 reflektiert werden soll. Ein Durchmesser D des Spots 17 ergibt sich aus den obigen Betrachtungen. Es kann vorgesehen sein, dass der Spot 17 einen Durchmesser D von 10 Millimeter aufweisen soll, da dies für die rückgestreute und/oder reflektierte Strahlung 14 ausreichend Intensität zur Verfügung stellt. Im Folgenden soll bestimmt werden, wie die LIDAR-Vorrichtung 1 für diesen Fall ausgestaltet sein kann. Soll nur die erzeugte elektromagnetische Strahlung 13 am Facettenrad reflektiert werden, kann der Durchmesser D kleiner sein, insbesondere nur ein bis zwei Millimeter betragen. Dies kann bei den folgenden Überlegungen analog berücksichtigt werden.
  • Eine Messzeit t1 kann in etwa 11 Mikrosekunden betragen. Dies ergibt sich aus einer Messpulslänge von 10 Mikrosekunden und einer Laufzeit von einer Mikrosekunde für ein ca. 200 Meter entferntes Objekt. In diesen 11 Mikrosekunden darf sich der Spot 17 einmal über eine Länge L der ersten Facette 41 bewegen. Bewegt sich die Facette 41 mit einer Geschwindigkeit v, so bewegt sich ein Mittelpunkt des Spots 17 um v*t1 weiter. Die Länge L der Facette entspricht dann der Summe aus D und v*t1. In einer Wechselzeit t2 wechselt der Spot 17 auf die zweite Facette 42. Die Länge L kann dabei minimiert werden, wenn t1 und t2 identisch sind, wobei in diesem Fall nur die Hälfte der Zeit Messungen möglich sind, da in den Wechselzeiten keine eindeutige Richtung bestimmt werden kann, da mehrere Facetten an der Reflektion beteiligt sind. Somit beträgt die Länge L 20 Millimeter. Sollen pro Durchlauf der Facette mehrere Messungen durchgeführt werden, beispielsweise in unterschiedliche Richtungen der zweiten Erstreckung 6, dann ist die Länge L gleich dem Produkt aus dem Durchmesser D und der um eins erhöhten Anzahl der Durchzuführenden Messungen Dies hat dann jeweils eine Vergrößerung des Facettenrades zur Folge.
  • Soll ein Abtastbereich 2 von der LIDAR-Vorrichtung 1 abgetastet werden, der in der ersten Erstreckung 5 120° und in der zweiten Erstreckung 6 20° abdecken soll und dabei eine Auflösung von 0,1° bei einer Abtastrate von 10 Hertz (typische Werte für Anwendungen in Kraftfahrzeugen) erreicht werden, so ergibt sich eine Nettomesszeit von 1200*200*11 Mikrosekunden, also 2,64 Sekunden. Um die Abtastrate zu erreichen, müssten 27 Strahlenquellen 11 gleichzeitig verwendet werden. Ist die Länge L gleich dem doppelten Durchmesser D, hat dies zur Folge, dass bereits 54 Strahlenquellen 11 gleichzeitig verwendet werden müssen.
  • 9 zeigt eine LIDAR-Vorrichtung 1, die der LIDAR-Vorrichtung 1 der 1 und 2 entspricht und zwei Messeinheiten 10 aufweist. Die Messeinheiten 10 können dabei so angeordnet werden, dass jede Messeinheit 10 einen Abtastteilbereich 7 abdeckt und alle Abtastteilbereiche 7 zusammen den Abtastbereich 2 bilden.
  • Sind die oben ermittelten 54 Strahlenquellen 11 vorgesehen, so ergibt sich, dass bei Verwendung dieser Strahlenquellen jede Strahlenquelle 2,22° des Abtastbereichs abdecken muss, wofür bei einer Auflösung von 0,1° 23 Facetten benötigt werden. Somit beträgt der Umfang des Facettenrads 21 46 Zentimeter (20 Millimeter Länge L pro Facette), so dass der Radius r des Facettenrads knapp 80 Millimeter beträgt. Ferner müsste sich das Facettenrad mit ca. 2000 Umdrehungen pro Sekunde drehen. Dadurch wird eine Auslegung ermöglicht, die auch von den Abmessungen, der benötigten Rotationsgeschwindigkeit und der Anzahl der Strahlenquellen in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann.
  • Werden innerhalb eines Facettendurchlaufes sequentiell mehrere Messpulse in unterschiedlichen Einstrahlwinkel orthogonal zur Scanrichtung des Facettenrades gesendet reduziert sich der relative Zeitanteil am Facettenübergang, in dem die Laserquelle ausgeschaltet ist, von 1/2 auf 1/(n+1), wobei n für die Anzahl der Messpulse beziehungsweise Zeilen pro Facettendurchlauf steht. Dadurch ist ein geringerer Parallelisierungsaufwand zur Sicherstellung der Abtastrate von 10 Hz notwendig. Allerdings wächst aber auch der Radius r des Facettenrades 21 linear mit n an. Bei 4 Messpulsen pro Facettendurchlauf reduziert sich die Anzahl der Laser von 54 auf 33 und die Drehzahl von 2000 Umdrehungen pro Sekunde auf 500 Umdrehungen pro Sekunde. Der Radius s des Facettenrades 21 steigt im Gegenzug von 80 mm auf 300 mm an.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen hieraus können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2018/217556 A1 [0002]
    • EP 3460519 A1 [0002]

Claims (10)

  1. LIDAR-Vorrichtung (1) zum Abtasten eines Abtastbereichs (2), aufweisend mindestens eine Strahlenquelle (11) zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung (13) und mindestens einen Detektor (12) zum Empfangen von aus dem Abtastbereich (2) rückgestreuter und/oder reflektierter Strahlung (14), ferner aufweisend eine bewegliche Spiegelvorrichtung (20), wobei die bewegliche Spiegelvorrichtung (20) derart in einem Strahlengang (15) der erzeugten elektromagnetischen Strahlung (13) angeordnet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (13) mittels der beweglichen Spiegelvorrichtung (20) in den Abtastbereich (2) abgelenkt werden kann, wobei die bewegliche Spiegelvorrichtung (20) einen um eine Achse (22) drehbaren Körper (23) mit mindestens einer ersten Spiegelfläche (31) und einer zweiten Spiegelfläche (32) aufweist, wobei die Spiegelflächen (31, 32) reflektierend für die erzeugte elektromagnetische Strahlung (13) ausgestaltet sind, wobei die erzeugte elektromagnetische Strahlung (13) der Strahlenquelle (11) in eine erste Richtung (3) abgelenkt wird, wenn die erzeugte elektromagnetische Strahlung (13) auf die erste Spiegelfläche (31) trifft und in eine zweite Richtung (4) abgelenkt wird, wenn die erzeugte elektromagnetische Strahlung (13) auf die zweite Spiegelfläche (32) trifft, wobei die erste Richtung (3) und die zweite Richtung (4) unterschiedlich sind.
  2. LIDAR-Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die bewegliche Spiegelvorrichtung (20) ein Facettenrad (21) umfasst, wobei die erste Spiegelfläche (31) in Form einer ersten gekrümmten Facette (41) und die zweite Spiegelfläche (32) in Form einer zweiten gekrümmten Facette (42) des Facettenrads ausgestaltet sind.
  3. LIDAR-Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die erste gekrümmte Facette (41) einen ersten Facettenrand (51) aufweist, wobei der erste Facettenrand (51) der zweiten gekrümmten Facette (42) zugewandt ist und wobei der erste Facettenrand (51) eine gerade Begrenzung der ersten gekrümmten Facette (41) umfasst.
  4. LIDAR-Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Facetten (41, 42) einen Facettenabschnitt (47) aufweisen, wobei der Facettenabschnitt (47) geometrisch durch eine linear in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse (22) des Facettenrades (21) extrudierte Kurve (60) definiert ist, wobei die Kurve (60) in einer zur Rotationsachse (22) senkrechten Ebene liegt.
  5. LIDAR-Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die Kurve (60) in Polarkoordinaten durch die Gleichung R(Ω) = r * (1+tan (φ) * Ω) definiert ist, wobei r einem Grundradius des Facettenrads (21) entspricht, wobei der Winkel φ für jede Facette (41, 42) konstant und für jeweils zwei aneinanderliegende Facetten (41, 42) unterschiedlich ist, und wobei der Winkel Ω für jede Facette (41,42) mit verschiedenen Werten durchlaufen wird.
  6. LIDAR-Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei eine Länge der Kurve (60) anhand eines Strahldurchmessers und aus einer Messzeit und einer Zeit eines Übergangs zwischen den Facetten (41, 42) bestimmt ist.
  7. LIDAR-Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei mehrere Strahlenquellen (11) auf das Facettenrad (21) gerichtet sind, wobei jede Strahlenquelle (11) in einem vorgegebenen Winkel auf das Facettenrad (21) trifft und wobei mit jeder Strahlenquelle (11) ein Teilbereich des Abtastbereichs (2) ausgeleuchtet wird.
  8. LIDAR-Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Facettenrad (21) zwischen 20 und 30 Facetten (41, 42, 43, 44, 45, 46) und einen Durchmesser zwischen zwölf und siebzehn Zentimeter aufweist.
  9. LIDAR-Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Abtastbereich (2) eine erste Erstreckung (6) und eine zweite Erstreckung (7) aufweist, wobei die erste Erstreckung (6) größer ist als die zweite Erstreckung (7), wobei eine erste Ablenkung der elektromagnetischen Strahlung (13) in der ersten Erstreckungsrichtung (6) mit der beweglichen Spiegelvorrichtung (20) erfolgt und wobei eine zweite Ablenkung der elektromagnetischen Strahlung (13) in der zweiten Erstreckungsrichtung (7) mit einer Strahlablenkeinheit (16) erfolgt.
  10. LIDAR-Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, wobei die erste Erstreckung (6) zwischen 100 und 140 Grad und die zweite Erstreckung (7) zwischen 15 und 25 Grad beträgt.
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