DE102020214458A1 - Scanning device for emitting light beams from a light source and/or for imaging light beams onto a detector, LiDAR sensor and method for controlling a scanning device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Scanvorrichtung (10) zum Aussenden von Lichtstrahlen einer Lichtquelle (60) und/oder zum Abbilden von Lichtstrahlen auf einen Detektor umfassend mindestens ein optisches Abbildungssystem (20), welches eingerichtet ist, auf einer Objektseite einfallendes Licht auf eine Bildschale (30) abzubilden, sowie mindestens eine Lichtquelle (60) und/oder mindestens einen Detektor zum Detektieren von auf den Detektor abgebildetem Licht. Ferner ist vorgesehen, dass die mindestens eine Lichtquelle (60) und/oder der mindestens eine Detektor auf einer beweglichen Plattform (44) einer Parallelschwinge (40) montiert sind, welche angeordnet und eingerichtet ist, die mindestens eine Lichtquelle (60) und/oder den mindestens einen Detektor derart relativ zu dem mindestens einen optischen Abbildungssystem (20) zu bewegen, dass sich die mindestens eine Lichtquelle (60) und/oder der mindestens eine Detektor entlang der Bildschale (30) des Abbildungssystems (20) bewegt.Weitere Aspekte der Erfindung betreffen einen LiDAR-Sensor, der eine solche Scanvorrichtung (10) umfasst, sowie ein Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Scanvorrichtung (10).The invention relates to a scanning device (10) for emitting light beams from a light source (60) and/or for imaging light beams onto a detector, comprising at least one optical imaging system (20) which is set up to project light incident on one side of the object onto an image shell (30 ) image, and at least one light source (60) and / or at least one detector for detecting light imaged on the detector. Furthermore, it is provided that the at least one light source (60) and/or the at least one detector are mounted on a movable platform (44) of a parallel rocker (40), which is arranged and set up, the at least one light source (60) and/or to move the at least one detector relative to the at least one optical imaging system (20) in such a way that the at least one light source (60) and/or the at least one detector moves along the image tray (30) of the imaging system (20).Further aspects of the The invention relates to a LiDAR sensor that includes such a scanning device (10) and a method for controlling such a scanning device (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Scanvorrichtung zum Aussenden von Lichtstrahlen einer Lichtquelle und/oder zum Abbilden von Lichtstrahlen auf einen Detektor umfassend mindestens ein optisches Abbildungssystem, welches eingerichtet ist, auf einer Objektseite einfallendes Licht auf eine Bildschale abzubilden, sowie mindestens eine Lichtquelle und/oder mindestens einen Detektor zum Detektieren von auf den Detektor abgebildetem Licht.The invention relates to a scanning device for emitting light beams from a light source and/or for imaging light beams onto a detector, comprising at least one optical imaging system which is set up to image light incident on an object side onto an image shell, and at least one light source and/or at least one Detector for detecting light imaged on the detector.
Weitere Aspekte der Erfindung betreffen einen LiDAR-Sensor, der eine solche Scanvorrichtung umfasst, sowie ein Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Scanvorrichtung.Further aspects of the invention relate to a LiDAR sensor, which includes such a scanning device, and a method for controlling such a scanning device.
Stand der TechnikState of the art
Für LiDAR (Light Detection And Ranging)-Sensoren sind im Stand der Technik verschiedene Konzepte bekannt. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung von sogenannten „Makroscannern“. Hier hat ein beispielsweise rotierender Makrospiegel einen Durchmesser in einer Größenordnung von einigen Zentimetern. Dadurch kann auch ein Lichtstrahl mit einem Durchmesser in dieser Größenordnung über den Spiegel geführt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von „Mikroscannern“. Hierbei werden kleine Spiegel mit einem Durchmesser in der Größenordnung von einigen Millimetern verwendet, die in MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)-Technologie gefertigt sind und in einer oder zwei Achsen schwingbar oder drehbar gelagert sind, um eine Strahlenablenkung zu realisieren. Vorteilhaft sind hier die kleine Baugröße und das Fehlen von makroskopisch bewegten Elementen. Nachteilig ist hierbei, dass es nur schwer möglich ist, diese mikrospiegelbasierten Systeme derart zu betreiben, dass ein gleicher optischer Pfad für den Sende- und Empfangsweg genutzt werden kann. Ebenfalls bekannt ist die Nutzung von Mikrolinsen, um die Strahlrichtung zu beeinflussen.Various concepts are known in the prior art for LiDAR (Light Detection And Ranging) sensors. One possibility is the use of so-called “macro scanners”. Here, for example, a rotating macro-mirror has a diameter on the order of a few centimeters. As a result, a light beam with a diameter of this magnitude can also be guided over the mirror. Another possibility is the use of “micro scanners”. Here, small mirrors with a diameter of the order of a few millimeters are used, which are manufactured using MEMS (micro-electro-mechanical systems) technology and are mounted such that they can swing or rotate in one or two axes in order to implement beam deflection. The advantages here are the small size and the lack of macroscopic moving elements. The disadvantage here is that it is only possible with difficulty to operate these micromirror-based systems in such a way that the same optical path can be used for the transmission and reception paths. Also known is the use of microlenses to influence the direction of the beam.
Bei der Verwendung von Mikrolinsen oder Mikrospiegeln muss für jedes Licht aussendende Element sowie für jedes Licht empfangende Element eine eigene Mikrolinse bzw. ein eigener Mikrospiegel vorgehalten und angesteuert werden. Die Nutzung eines einzigen optischen Abbildungssystems für alle oder eine Gruppe von derartigen Elementen wäre wünschenswert, um die Komplexität des Systems zu verringern. Des Weiteren ist es mit einem Abbildungssystem, welches mehrere optische Elemente umfasst möglich, die optischen Abbildungseigenschaften besser zu kontrollieren.When using microlenses or micromirrors, a separate microlens or micromirror must be kept available and controlled for each light-emitting element and for each light-receiving element. The use of a single optical imaging system for all or a group of such elements would be desirable to reduce system complexity. Furthermore, with an imaging system that includes multiple optical elements, it is possible to better control the optical imaging properties.
Des Weiteren besteht bei der Verwendung der bekannten Mikrolinsenarrays das Problem, bei der Relativbewegung zwischen der Mikrolinse und eine Lichtquelle bzw. einem Detektor sicherzustellen, dass die Lichtquelle bzw. der Detektor weiterhin im Fokus der jeweiligen Mikrolinse liegen.Furthermore, when using the known microlens arrays, there is the problem of ensuring during the relative movement between the microlens and a light source or a detector that the light source or the detector remains in the focus of the respective microlens.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Es wird eine Scanvorrichtung zum Aussenden von Lichtstrahlen einer Lichtquelle und/oder zum Abbilden von Lichtstrahlen auf einen Detektor vorgeschlagen. Die Scanvorrichtung umfasst mindestens ein optisches Abbildungssystem, welches eingerichtet ist, auf einer Objektseite einfallendes Licht auf eine Bildschale abzubilden, sowie mindestens eine Lichtquelle und/oder mindestens einen Detektor zum Detektieren von auf den Detektor abgebildetem Licht. Ferner ist vorgesehen, dass die mindestens eine Lichtquelle und/oder der mindestens eine Detektor auf einer beweglichen Plattform einer Parallelschwinge montiert sind, welche angeordnet und eingerichtet ist, die mindestens eine Lichtquelle und/oder den mindestens einen Detektor derart relativ zu dem mindestens einen optischen Abbildungssystem zu bewegen, dass sich die mindestens eine Lichtquelle und/oder der mindestens eine Detektor entlang der Bildschale des Abbildungssystems bewegt.A scanning device for emitting light beams from a light source and/or for imaging light beams onto a detector is proposed. The scanning device comprises at least one optical imaging system, which is set up to image light incident on an object side onto an image shell, and at least one light source and/or at least one detector for detecting light imaged onto the detector. Provision is also made for the at least one light source and/or the at least one detector to be mounted on a movable platform of a parallel rocker, which is arranged and set up in such a way that the at least one light source and/or the at least one detector is positioned relative to the at least one optical imaging system to move that the at least one light source and/or the at least one detector moves along the image tray of the imaging system.
Im Rahmen dieser Anmeldung wird zur Vereinfachung der Beschreibung auf Begriffe der Strahlenoptik zurückgegriffen und die Ausbreitung des Lichts ausgehend von einer Lichtquelle über ein Bündel von Lichtstrahlen beschrieben. Dabei geht von einer Lichtquelle in der Regel ein divergentes Bündel von Lichtstrahlen aus.Within the scope of this application, to simplify the description, the terms of the beam lens optics and described the propagation of light from a light source via a bundle of light rays. As a rule, a divergent bundle of light rays emanates from a light source.
Bei der mindestens einen Lichtquelle handelt es sich bevorzugt um einen LASER oder eine Leuchtdiode. Besonders bevorzugt ist die Lichtquelle hierbei als eine Laserdiode ausgeführt, beispielsweise als kantenemittierende Laserdiode, oder besonders bevorzugt als VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) ausgeführt. Bei einem VCSEL tritt das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips der Laserdiode aus, was zu einer besonders guten Strahlqualität führt. Bevorzugt werden Lichtquellen mit Wellenlängen im Bereich von 1300 nm bis 1600 nm und/oder 840 nm bis 1000 nm eingesetzt.The at least one light source is preferably a LASER or a light-emitting diode. In this case, the light source is particularly preferably embodied as a laser diode, for example as an edge-emitting laser diode, or particularly preferably embodied as a VCSEL (vertical cavity surface emitting laser). With a VCSEL, the light emerges perpendicular to the plane of the semiconductor chip of the laser diode, which results in a particularly good beam quality. Light sources with wavelengths in the range from 1300 nm to 1600 nm and/or 840 nm to 1000 nm are preferably used.
Die Scanvorrichtung kann ausschließlich einen oder mehrere Detektoren umfassen und dementsprechend in einigen Ausführungsvarianten keine Lichtquelle aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann die Scanvorrichtung genau eine Lichtquelle oder eine Vielzahl von Lichtquellen umfassen.The scanning device can exclusively comprise one or more detectors and accordingly in some embodiment variants have no light source. In other embodiments, the scanning device can include exactly one light source or a multiplicity of light sources.
Bei dem mindestens einen Detektor handelt es sich bevorzugt um eine Photodiode, welche einfallendes Licht in ein elektrisches Signal umwandelt. Geeignete Photodioden umfassen insbesondere Silizium PIN-Dioden, Avalanche-Photodioden (APD) und SPAD-Dioden (single photon avalanche diode).The at least one detector is preferably a photodiode, which converts incident light into an electrical signal. Suitable photodiodes include, in particular, silicon PIN diodes, avalanche photodiodes (APD) and SPAD diodes (single photon avalanche diode).
Die Scanvorrichtung kann ausschließlich eine oder mehrere Lichtquellen umfassen und dementsprechend in einigen Ausführungsvarianten keinen Detektor aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann die Scanvorrichtung genau einen Detektor oder eine Vielzahl von Detektoren umfassen.The scanning device can exclusively comprise one or more light sources and accordingly in some embodiment variants have no detector. In other embodiments, the scanning device can include exactly one detector or a multiplicity of detectors.
Werden mehre Lichtquellen bzw. Detektoren angeordnet, so werden bevorzugt im Bereich von 2 bis 160 Lichtquellen und/oder Detektoren angeordnet, besonders bevorzugt werden im Bereich von 2 bis 16 Lichtquellen bzw. Detektoren angeordnet und ganz besonders bevorzugt werden im Bereich von 2 bis 4 Lichtquellen bzw. Detektoren angeordnet.If several light sources or detectors are arranged, then preferably in the range from 2 to 160 light sources and/or detectors are arranged, particularly preferably in the range from 2 to 16 light sources or detectors and very particularly preferably in the range from 2 to 4 light sources or detectors arranged.
Bevorzugt umfasst die Scanvorrichtung genauso viele Lichtquellen wie Detektoren, wobei jeweils eine Lichtquelle einem Detektor zugeordnet wird.The scanning device preferably comprises as many light sources as there are detectors, with one light source being assigned to one detector in each case.
Werden mehre Lichtquellen bzw. Detektoren verwendet, so ist es bevorzugt, diese nicht auf einer ebenen Fläche der Plattform anzuordnen, sondern diese der gekrümmten sphärischen Bildschale folgend anzuordnen. Hierzu kann die Plattform ebenfalls eine sphärische Krümmung aufweisen oder es können ausgehend von einer ebenen Fläche der Plattform zwischen der Lichtquelle bzw. dem Detektor und der Plattform Distanzstücke mit der gekrümmten sphärischen Bildschale folgender Dicke eingesetzt werden.If several light sources or detectors are used, it is preferable not to arrange them on a flat surface of the platform, but rather to arrange them following the curved spherical image shell. For this purpose, the platform can also have a spherical curvature or, starting from a flat surface of the platform, spacers with the curved spherical image shell of the following thickness can be used between the light source or the detector and the platform.
Eine Lichtquelle bzw. ein Detektor wird hierbei nicht nur dann als in der sphärischen Bildschale angeordnet angesehen, wenn diese(r) exakt in der Bildschale und damit exakt im Fokus liegt. Der Ausdruck „entlang der sphärischen Bildschale des Abbildungssystems bewegt“ soll auch geringe Abweichungen von der optimalen Position umfassen, welche sich insbesondere durch Fertigungs- und Messtoleranzen ergeben, so dass sich die mindestens eine Lichtquelle bzw. der mindestens eine Detektor auch leicht außerhalb der sphärischen Bildschale befinden kann. Bevorzugt weicht die Anordnung einer Lichtquelle bzw. eines Detektors um weniger als den durch die abbildende Optik und den Zerstreuungskreis der Emitter bzw. Detektoren festgelegten Bereich der Schärfentiefe von der sphärischen Bildschale ab. Der Zerstreuungskreis wird durch die Größe der abstrahlenden Fläche, bzw. die Größe der empfindlichen Fläche der Detektoren bestimmt.A light source or a detector is not only considered to be arranged in the spherical image shell if it is located exactly in the image shell and thus exactly in focus. The expression "moved along the spherical image shell of the imaging system" should also include small deviations from the optimal position, which result in particular from manufacturing and measurement tolerances, so that the at least one light source or the at least one detector is also slightly outside the spherical image shell can be located. The arrangement of a light source or a detector preferably deviates from the spherical image shell by less than the range of the depth of field defined by the imaging optics and the circle of confusion of the emitters or detectors. The circle of confusion is determined by the size of the radiating area or the size of the sensitive area of the detectors.
Die Abbildung durch das mindestens eine optische Abbildungssystem erfolgt bevorzugt auf eine sphärische Bildschale mit einem Krümmungsradius R.The imaging by the at least one optical imaging system preferably takes place on a spherical image shell with a radius of curvature R.
Das mindestens eine optische Abbildungssystem ist bevorzugt so ausgelegt, dass auf der der mindestens einen Lichtquelle bzw. dem mindestens einen Detektor zugewandten Bildseite eine telezentrische Abbildung realisiert wird. Bei einem derartigen bildseitigen telezentrischen Abbildungssystem liegt die Austrittspupille im Unendlichen. Das heißt, dass bei der Abbildung eines Bündels von Lichtstrahlen auf einen Detektor die Strahlvereinigung in einem lotrecht einfallenden Strahlenkegel erfolgt.The at least one optical imaging system is preferably designed in such a way that telecentric imaging is realized on the image side facing the at least one light source or the at least one detector. In such an image-side telecentric imaging system, the exit pupil is at infinity. This means that when a bundle of light rays is imaged onto a detector, the beams are combined in a perpendicularly incident beam cone.
Für parallel zu einer optischen Achse des Abbildungssystems einfallende Lichtstrahlen erfolgt durch das mindestens eine optische Abbildungssystem eine Abbildung in einem Fokuspunkt, der auf der optischen Achse des Abbildungssystems liegt. Unter einem Winkel zu der optischen Achse einfallende Lichtstrahlen werden abhängig von ihrem jeweiligen Winkel auf einen Fokuspunkt abgebildet, welcher von der optischen Achse verschoben ist und auf der sphärischen Bildschale des Abbildungssystems liegt.For light beams incident parallel to an optical axis of the imaging system, the at least one optical imaging system produces an image in a focus point that lies on the optical axis of the imaging system. Light rays incident at an angle to the optical axis are imaged, depending on their respective angle, onto a focus point which is shifted from the optical axis and lies on the spherical image shell of the imaging system.
Die Scanvorrichtung kann in einer Ausführungsvariante genau ein optisches Abbildungssystem aufweisen. In anderen Ausführungsvarianten kann die Scanvorrichtung mehrere optische Abbildungssysteme umfassen. Beispielsweise kann ein erstes optisches Abbildungssystem der Lichtquelle bzw. den Lichtquellen zugeordnet sein und ein zweites optisches Abbildungssystem kann dem Detektor bzw. den Detektoren zugeordnet sein.In one embodiment variant, the scanning device can have precisely one optical imaging system. In other embodiment variants, the scanning device can include multiple optical imaging systems. For example, a first optical imaging system of the light source or be assigned to the light sources and a second optical imaging system can be assigned to the detector or detectors.
Die Scanvorrichtung umfasst bevorzugt genau eine Parallelschwinge, auch bei Verwendung mehrerer optischer Abbildungssysteme. Es ist aber auch denkbar, beispielsweise für jedes optische Abbildungssystem eine Parallelschwinge anzuordnen.The scanning device preferably includes exactly one parallel rocker, even when using a plurality of optical imaging systems. However, it is also conceivable, for example, to arrange a parallel rocker for each optical imaging system.
Die Plattform der Parallelschwinge ist mit Bezug zu dem mindestens einem optischen Abbildungssystem derart angeordnet und eingerichtet, dass bei Bewegung der Plattform der mindestens eine Detektor und/oder die mindestens eine Lichtquelle sich entlang der sphärischen Bildschale bewegt. Entsprechend befindet sich ein Detektor immer in einem Fokuspunkt, auf den einfallende Lichtstrahlen mit der Position auf der sphärischen Bildschale entsprechendem Winkel abgebildet werden. Umgekehrt befindet sich eine Lichtquelle immer an einem Punkt auf der Bildschale, um ein Strahlenbündel paralleler Lichtstrahlen über das optische Abbildungssystem unter einem Winkel auszusenden, der der jeweiligen Position der Lichtquelle auf der sphärischen Bildschale entspricht.The platform of the parallel rocker is arranged and set up in relation to the at least one optical imaging system in such a way that when the platform moves, the at least one detector and/or the at least one light source moves along the spherical image shell. Correspondingly, a detector is always located in a focal point onto which incident light rays are imaged at an angle corresponding to the position on the spherical image shell. Conversely, a light source is always located at a point on the image tray to emit a beam of parallel light rays through the imaging optical system at an angle corresponding to the light source's current position on the spherical image tray.
Entsprechend kann durch Einstellen der Position einer Lichtquelle auf der sphärischen Bildschale die Richtung eingestellt werden, unter der Lichtstrahlen durch die Scanvorrichtung ausgesendet werden. Umgekehrt kann entsprechend durch Einstellen der Position eines Detektors auf der sphärischen Bildschale die Richtung eingestellt werden, aus der Lichtstrahlen durch die Scanvorrichtung auf den Detektor abgebildet und damit empfangen werden.Accordingly, by adjusting the position of a light source on the spherical image tray, the direction in which light rays are emitted by the scanning device can be adjusted. Conversely, by adjusting the position of a detector on the spherical image tray, the direction from which light rays are imaged by the scanning device onto the detector and thus received can be adjusted accordingly.
Durch ein nacheinander-Einstellen verschiedener Position der mindestens einen Lichtquelle bzw. des mindestens einen Detektors auf der sphärischen Bildschale kann mit der vorgeschlagenen Scanvorrichtung eine Umgebung der Scanvorrichtung bzw. ein ausgewählter Teil davon nach und nach abgetastet werden. Dabei kann vorgesehen sein, die Position und damit entsprechend den Winkel entlang einer Dimension abzuscannen, also beispielsweise entlang einer horizontalen Richtung oder einer vertikalen Richtung, oder entlang zweier Dimensionen abzuscannen, also sowohl entlang einer horizontalen als auch entlang einer dazu senkrechten vertikalen Richtung.By sequentially setting different positions of the at least one light source or the at least one detector on the spherical image shell, the proposed scanning device can be used to gradually scan an area surrounding the scanning device or a selected part thereof. Provision can be made to scan the position and thus the angle along one dimension, for example along a horizontal direction or a vertical direction, or along two dimensions, ie both along a horizontal direction and along a vertical direction perpendicular thereto.
Bevorzugt ist die Parallelschwinge in der Scanvorrichtung so angeordnet, dass das mindestens eine optische Abbildungssystem ruht und die Plattform der Parallelschwinge relativ zum Rest der Scanvorrichtung bewegt wird. Dies ist vorteilhaft, da die Masse des mindestens einen optischen Abbildungssystems üblicherweise größer ist als die Masse der mindestens einen Lichtquelle und/oder des mindestens einen Detektors.The parallel rocker is preferably arranged in the scanning device in such a way that the at least one optical imaging system is stationary and the platform of the parallel rocker is moved relative to the rest of the scanning device. This is advantageous since the mass of the at least one optical imaging system is usually greater than the mass of the at least one light source and/or the at least one detector.
Bevorzugt ist die Parallelschwinge über bewegliche Halterungen umfassend jeweils ein Distanzglied und zwei Gelenkelemente befestigt, wobei die Länge der Distanzglieder dem Krümmungsradius R der sphärischen Bildschale entspricht. Dabei ist jeweils ein Distanzglied mit einem ersten Gelenkelement an einer Basis befestigt und mit einem zweiten Gelenkelement an der Plattform befestigt. Bevorzugt sind 2 bis 100 bewegliche Halterungen vorgesehen, besonders bevorzugt 4 bis 20 bewegliche Halterungen.The parallel rocker is preferably fastened via movable mounts, each comprising a spacer element and two joint elements, with the length of the spacer elements corresponding to the radius of curvature R of the spherical picture shell. In each case, a spacer element is fastened to a base with a first joint element and fastened to the platform with a second joint element. 2 to 100 movable holders are preferably provided, particularly preferably 4 to 20 movable holders.
Als Gelenkelemente kann grundsätzlich jedes dem Fachmann bekannte Gelenk eingesetzt werden. Bevorzugt sind die Gelenkelemente als Festkörpergelenke ausgebildet. Als Festkörpergelenk wird ein Bauteil oder ein Bereich eines Bauteils bezeichnet, welcher eine Relativbewegung, insbesondere eine Drehung, zwischen zwei Starrkörperbereichen durch Biegung erlaubt. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, jeweils eine gesamte bewegliche Halterung bestehend aus den beiden Gelenkelementen und dem Distanzglied aus einem Stück zu fertigen, so dass eine bewegliche Halterung einstückig ausgebildet ist. Auch wäre es denkbar, die Plattform und die Halterungen der Parallelschwinge als ein Bauteil einstückig auszubilden.In principle, any joint known to a person skilled in the art can be used as joint elements. The joint elements are preferably designed as solid-state joints. A component or a region of a component is referred to as a flexure joint, which allows a relative movement, in particular a rotation, between two rigid body regions by bending. In this case, it can be provided, in particular, that an entire movable mount consisting of the two joint elements and the spacer element is manufactured in one piece, so that a movable mount is formed in one piece. It would also be conceivable to form the platform and the mounts of the parallel rocker as a one-piece component.
Die Festkörpergelenke können durch Krafteinwirkung ausgelenkt werden. Die Festkörpergelenke weisen bei Auslenkung aus einer Grundposition eine Rückstellkraft in Richtung dieser Grundposition auf. Diese Rückstellkraft wirkt wie eine Federkraft, welche ausgelenkte Festkörpergelenke nach Beenden einer Krafteinwirkung immer wieder in die Grundposition zurückführt.The flexure joints can be deflected by the action of force. When deflected from a basic position, the flexure joints have a restoring force in the direction of this basic position. This restoring force acts like a spring force, which always returns deflected flexure joints to the basic position after the force has been applied.
Die Plattform der Parallelschwinge ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die beweglichen Halterungen außerhalb der optischen Strahlengänge zwischen dem mindestens einen optischen Abbildungssystem und der mindestens einen Lichtquelle und/oder dem mindestens einen Detektor angeordnet sind.The platform of the parallel rocker is preferably designed in such a way that the movable mounts are arranged outside of the optical beam paths between the at least one optical imaging system and the at least one light source and/or the at least one detector.
Bevorzugt weist die Scanvorrichtung zumindest einen Aktor auf, um eine Bewegung der Parallelschwinge anzutreiben. Die Aktoren können ähnlich wie bei bekannten mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) beispielsweise kapazitive oder magnetische Kräfte nutzen. Bei größeren parallelschwingen kann der Aktor auch als ein elektromechanischer Antrieb wie beispielsweise ein Elektromotor mit Exzenter ausgestaltet sein.The scanning device preferably has at least one actuator in order to drive a movement of the parallel rocker. Similar to known microelectromechanical systems (MEMS), the actuators can use capacitive or magnetic forces, for example. In the case of larger parallel swings, the actuator can also be designed as an electromechanical drive such as an electric motor with an eccentric.
Bevorzugt sind die Festkörpergelenke als Drehgelenke, Kardangelenke, Kugelgelenke oder Kombinationen dieser Gelenke ausgeführt.The flexure joints are preferably designed as rotary joints, cardan joints, ball joints or combinations of these joints.
Bevorzugt sind die Halterungen umfassend die Distanzglieder und die Gelenkelemente aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt und sind elektrisch mit der mindestens einen Lichtquelle und/oder dem mindestens einen Detektor verbunden. In diesem Fall dienen die elektrisch leitfähigen Halterungen auch als elektrische Zuleitungen, was den Aufbau vereinfacht.The holders, including the spacers and the joint elements, are preferably made of an electrically conductive material and are electrically connected to the at least one light source and/or the at least one detector. In this case, the electrically conductive mounts also serve as electrical leads, which simplifies the structure.
Bevorzugt ist die Parallelschwinge für Bewegungen entlang zweier zueinander orthogonaler Richtungen eingerichtet. In diesem Fall werden die Festkörpergelenke bevorzugt als Kardangelenke und/oder als Kugelgelenke ausgebildet. In diesem Fall ist es bevorzugt, zumindest zwei Aktoren anzuordnen, um jeweils eine Bewegung entlang einer der beiden orthogonalen (also zueinander senkrechten) Richtungen anzutreiben.The parallel rocker is preferably set up for movements along two mutually orthogonal directions. In this case, the flexure joints are preferably designed as cardan joints and/or as ball joints. In this case, it is preferred to arrange at least two actuators in order to drive a movement along one of the two orthogonal (that is to say mutually perpendicular) directions.
Die Scanvorrichtung kann insbesondere Teil eines LiDAR Sensors sein, bei dem Lichtstrahlen innerhalb eines Sichtfeldes (Field of View, FoV) ausgesendet werden und von Objekten reflektiertes Licht in umgekehrter Richtung wieder empfangen wird. LiDAR Systeme messen den Abstand eines Objekts beispielsweise durch eine direkte Laufzeitmessung (direct Time of Flight) des ausgesendeten Lichtpulses. Eine Laserquelle sendet einen Lichtpuls aus, der über eine geeignete Einheit auf ein Objekt abgelenkt wird. Das Objekt reflektiert den Lichtpuls, wobei der reflektierte Lichtpuls von einem Detektor gemessen und ausgewertet wird. Bei Nutzung der Laufzeitmessung kann das System anhand der Zeitpunkte des ausgesendeten und des empfangenen Lichtpulses die Laufzeit und über die Lichtgeschwindigkeit den Abstand des Objekts zum Sender/Detektor ermitteln. Andere Verfahren basieren auf einer indirekten Laufzeitmessung (indirect Time of Flight) durch Modulation der Lichtintensität bzw. der Lichtfrequenz selbst.In particular, the scanning device can be part of a LiDAR sensor, in which light beams are emitted within a field of view (FoV) and light reflected from objects is received again in the opposite direction. LiDAR systems measure the distance of an object, for example, by directly measuring the transit time (direct time of flight) of the emitted light pulse. A laser source emits a light pulse that is deflected onto an object by a suitable unit. The object reflects the light pulse, with the reflected light pulse being measured and evaluated by a detector. When using the transit time measurement, the system can determine the transit time based on the times of the emitted and received light pulse and the distance of the object to the transmitter/detector via the speed of light. Other methods are based on an indirect time of flight measurement (indirect time of flight) by modulating the light intensity or the light frequency itself.
Ein Aspekt der Erfindung ist, einen LiDAR-Sensor umfassend eine der hierin beschriebenen Scanvorrichtung bereitzustellen. Der LiDAR Sensor umfasst neben mindestens einer Scanvorrichtung zumindest eine Lichtquelle und zumindest einen Detektor sowie ein erstes, der mindestens einen Lichtquelle zugeordnetes Abbildungssystem und ein zweites, dem mindestens einen Detektor zugeordnetes Abbildungssystem. Dabei ist der mindestens eine Detektor dazu eingerichtet, beispielsweise an Objekten in der Umgebung reflektiertes Licht der mindestens einen Lichtquelle zu detektieren, wenn dieses auf den Detektor abgebildet wird.One aspect of the invention is to provide a LiDAR sensor comprising one of the scanning devices described herein. In addition to at least one scanning device, the LiDAR sensor includes at least one light source and at least one detector as well as a first imaging system assigned to the at least one light source and a second imaging system assigned to the at least one detector. In this case, the at least one detector is set up to detect, for example, light from the at least one light source reflected on objects in the surrounding area when this is imaged on the detector.
Der LiDAR-Sensor kann weitere Komponenten wie z.B. ein Gehäuse und eine Steuerelektronik umfassen.The LiDAR sensor can include other components such as a housing and control electronics.
Bevorzugt sind alle Lichtquellen und alle Detektoren des LiDAR-Sensors auf einer einzigen Parallelschwinge angeordnet. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung einer Parallelschwinge für die Detektoren und einer Parallelschwinge für die Lichtquellen.All light sources and all detectors of the LiDAR sensor are preferably arranged on a single parallel rocker. However, it is also conceivable to use a parallel rocker for the detectors and a parallel rocker for the light sources.
Bei Verwendung in einem LiDAR-Sensor wird die Scanvorrichtung dazu verwendet, ein Sichtfeld mit den Lichtstrahlen zu überstreichen bzw. zu scannen. Bei einem Scanvorgang wird ein Winkel, unter dem ein ausgesendeter Lichtstrahl abgelenkt wird, kontinuierlich oder in Stufen verändert, so dass der Lichtstrahl nach und nach ein vorgegebenes Sichtfeld überstreicht bzw. abscannt. Von Objekten reflektiertes Licht wird von der Scanvorrichtung in umgekehrter Richtung auf die den Lichtquellen zugeordneten Detektoren abgebildet.When used in a LiDAR sensor, the scanning device is used to sweep or scan a field of view with the light rays. During a scanning process, an angle at which an emitted light beam is deflected is changed continuously or in steps, so that the light beam gradually sweeps over or scans a predetermined field of view. Light reflected from objects is imaged in the opposite direction by the scanning device onto the detectors assigned to the light sources.
Bevorzugt werden mehrere Lichtquellen und eine entsprechende Anzahl von zugeordneten Detektoren angeordnet. Jede der Lichtquellen stellt bei Verwendung in dem LiDAR-Sensor einen unabhängigen Kanal für eine Messung dar. Durch Verwenden mehrerer unabhängiger Kanäle kann die Zeit verringert werden, die für ein vollständiges Scannen des Sichtfeldes erforderlich ist.A plurality of light sources and a corresponding number of associated detectors are preferably arranged. Each of the light sources, when used in the LiDAR sensor, represents an independent channel for a measurement. Using multiple independent channels can reduce the time required for a complete scan of the field of view.
Bevorzugt umfasst die Scanvorrichtung für den LiDAR-Sensor ein erstes Array von Lichtquellen und ein korrespondierendes zweites Array von Detektoren. Die einzelnen Elemente eines Arrays, also die einzelnen Lichtquellen und Detektoren können dabei jeweils so zueinander versetzt angeordnet werden, dass entlang einer Dimension, also beispielsweise entlang einer horizontalen oder vertikalen Richtung gesehen, die Abstände (auch „pixel pitch“ genannt) kleiner sind als die Elemente selbst. Somit ist in der Arrayanordnung entweder ein besonders kleiner Zeilenabstand oder ein besonders kleiner Reihenabstand möglich.The scanning device for the LiDAR sensor preferably comprises a first array of light sources and a corresponding second array of detectors. The individual elements of an array, i.e. the individual light sources and detectors, can be arranged offset from one another in such a way that the distances (also called “pixel pitch”) are smaller than the distances along one dimension, i.e. viewed along a horizontal or vertical direction, for example Elements themselves. Thus, either a particularly small line spacing or a particularly small row spacing is possible in the array arrangement.
In einer Ausführungsvariante handelt es sich bei den Arrays um Linienarrays oder jeweils um mehrere, zueinander seitlich versetzte Linienarrays. Dabei sind entlang einer durch die Ausrichtung des Linienarrays vorgegebenen Hauptachse mehrere Lichtquellen bzw. Detektoren angeordnet. In dieser Ausführungsvariante ist die Scanvorrichtung bevorzugt als 1D Scanvorrichtung ausgestaltet, wobei die Scanvorrichtung eine Bewegung entlang einer Richtung vornimmt, die senkrecht zu dem Verlauf der Hauptachse des bzw. der Arrays ist. Beispielsweise kann die Ausrichtung der Hauptachse des bzw. der Arrays vertikal sein, und die Scanvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, einen Scan in einer dazu senkrechten horizontalen Richtung durchzuführen.In one embodiment variant, the arrays are line arrays or a plurality of line arrays that are laterally offset from one another. In this case, a plurality of light sources or detectors are arranged along a main axis predetermined by the alignment of the line array. In this embodiment variant, the scanning device is preferably designed as a 1D scanning device, with the scanning device moving along a direction that is perpendicular to the course of the main axis of the array or arrays. For example, the orientation of the major axis of the array(s) may be vertical and the scanning device may be configured to perform a scan in a horizontal direction perpendicular thereto.
In einer anderen Ausführungsvariante wird ein zweidimensionales Array von Lichtquellen bzw. Detektoren verwendet, so dass diese eine rechteckige Anordnung aufweisen. Beispielsweise wird bei einer 2x4 Anordnung mit vier spalten in zwei Zeilen in Verbindung mit einer 2D Scanvorrichtung erreicht, dass diese bei gleichem Bewegungsumfang in horizontaler Richtung einen viermal so großen Bereich und in vertikaler Richtung einen zweimal so großen Bereich als field-of-view abdeckt. Umgekehrt kann bei gleichbleibendem field-of-view dieser Bereits mit einem geringeren Bewegungsumfang der Scanvorrichtung abgedeckt werden.In another embodiment, a two-dimensional array of light sources or detectors is used, so that they have a rectangular arrangement. For example, a 2x4 arrangement with four columns in two rows in connection with a 2D scanning device covers an area four times as large in the horizontal direction and twice as large in the vertical direction as the field-of-view with the same range of motion. Conversely, if the field-of-view remains the same, this can already be covered with a smaller range of movement of the scanning device.
Die beiden optischen Abbildungssysteme der Scanvorrichtung des LiDAR Sensors sind bevorzugt derart ausgelegt, dass auf der der mindestens Lichtquelle bzw. dem mindestens einen Detektor zugewandten Bildseite eine telezentrische Abbildung realisiert wird.The two optical imaging systems of the scanning device of the LiDAR sensor are preferably designed in such a way that telecentric imaging is realized on the image side facing the at least light source or the at least one detector.
Die beiden optischen Abbildungssysteme einer für die Verwendung in dem LiDAR-Sensor eingerichteten Scanvorrichtung umfassen bevorzugt jeweils zwei oder mehr Linsen, wobei Abbildungssysteme mit genau zwei Linsen besonders bevorzugt sind.The two optical imaging systems of a scanning device set up for use in the LiDAR sensor preferably each comprise two or more lenses, imaging systems with exactly two lenses being particularly preferred.
Die optischen Abbildungssysteme sind bevorzugt derart ausgebildet, dass diese jeweils eine sphärische Bildschale aufweisen, deren Krümmungsradien übereinstimmen.The optical imaging systems are preferably designed in such a way that they each have a spherical image shell whose radii of curvature match.
Das optische System, welches aus den beiden Linsen gebildet wird, ist bevorzugt so berechnet, dass die bildseitige telezentrische Abbildung realisiert wird.The optical system, which is formed from the two lenses, is preferably calculated in such a way that the image-side telecentric imaging is realized.
Bevorzugt weist dabei eine objektseitige erste Linse an einer Außenseite eine plane Fläche auf. Diese plane Fläche bildet bevorzugt auch eine Abschlussfläche des LiDAR-Sensors nach außen, so dass zusätzliche Fenster bzw. transparente Abdeckscheiben entfallen können.In this case, an object-side first lens preferably has a planar surface on an outside. This flat surface preferably also forms a closing surface of the LiDAR sensor to the outside, so that additional windows or transparent cover panes can be omitted.
Bevorzugt ist die erste Linse aus einem Mineralglas gefertigt, welches gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Staub und Schmutz resistent ist und für eine mechanische Reinigung, beispielsweise mit einem Wischersystem, geeignet ist. Bevorzugt umfasst der LiDAR-Sensor ein solches Wischersystem in Kombination mit einer planen Außenseite der ersten Linse, um Feuchtigkeit wie Wassertropfen und Schmutz von der außenliegenden Oberfläche der ersten Linse zu entfernen.The first lens is preferably made of mineral glass, which is resistant to environmental influences such as moisture, dust and dirt and is suitable for mechanical cleaning, for example with a wiper system. Preferably, the LiDAR sensor includes such a wiper system in combination with a planar exterior of the first lens to remove moisture such as water droplets and dirt from the exterior surface of the first lens.
Die zweite Linse kann ebenfalls aus einem Mineralglas gefertigt sein. Da die zweite Linse jedoch von Umwelteinflüssen geschützt angeordnet ist, kann diese aber beispielsweise auch aus anderen Materialien wie einem organischen Glas bzw. einem optischen Kunststoff gefertigt sein. Dies erlaubt es, bei der zweiten Linse auch komplexe Oberflächen einfach zu fertigen, beispielsweise mittels Spritzguss. Das für die zweite Linse verwendete Material sollte jedoch bevorzugt automotive tauglich sein, also für die bei Einsatz in einem Automobil auftretenden Temperaturbereiche geeignet sein, insbesondere für einen Temperaturbereich von -40°C bis +125°C.The second lens can also be made of mineral glass. However, since the second lens is protected from environmental influences, it can also be made of other materials, such as organic glass or an optical plastic. This makes it possible to easily manufacture even complex surfaces on the second lens, for example by means of injection molding. However, the material used for the second lens should preferably be suitable for automotive use, ie suitable for the temperature ranges occurring when used in an automobile, in particular for a temperature range from -40°C to +125°C.
Der LiDAR-Sensor und/oder die Scanvorrichtung können neben dem optischen Abbildungssystem auch weitere optische Elemente umfassen. Beispielsweise können ein oder mehrere optische Filter vorgesehen sein, um bestimmte Teile des Lichtspektrums auszublenden bzw. nur bestimmte Teile des Lichtspektrums passieren zu lassen. Der mindestens eine optische Filter ist bevorzugt auf die Eigenschaften der mindestens einen Lichtquelle abgestimmt, so dass Licht der mindestens einen Lichtquelle ungehindert ausgesendet werden kann und umgekehrt wieder ungehindert auf den mindestens einen Detektor abgebildet werden kann. Andere Bereiche des Lichtspektrums werden bevorzugt durch den optischen Filter unterdrückt.The LiDAR sensor and/or the scanning device can also include other optical elements in addition to the optical imaging system. For example, one or more optical filters can be provided in order to block out specific parts of the light spectrum or only allow specific parts of the light spectrum to pass. The at least one optical filter is preferably matched to the properties of the at least one light source, so that light from the at least one light source can be emitted unhindered and vice versa can be imaged again unhindered onto the at least one detector. Other areas of the light spectrum are preferentially suppressed by the optical filter.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens zum Betreiben einer der hierin beschriebenen Scanvorrichtungen oder zum Betreiben eines der hierin beschriebenen LiDAR-Sensoren, wobei die Parallelschwinge aufgrund ihrer Masse und einer Rückstellkraft der beweglichen Halterungen für eine Schwingbewegung der Plattform entlang der Bildschale des Abbildungssystems eine Resonanzfrequenz aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass eine Bewegung der Plattform angeregt wird, um einen Lichtstrahl einer Lichtquelle zu bewegen und/oder Lichtstrahlen verschiedener Richtungen aus der Umgebung auf einen Detektor abzubilden. Die Bewegung ist vorzugsweise eine Schwingbewegung. Diese Schwingbewegung wird bevorzugt mit einer Frequenz angeregt, die der Resonanzfrequenz entspricht. Die Schwingbewegung kann insbesondere eine quasi-statische Schwingung, eine 2D Schwingung oder eine dreieckförmige Schwingung sein.Another aspect of the invention is the provision of a method for operating one of the scanning devices described herein or for operating one of the LiDAR sensors described herein, the parallel rocker due to its mass and a restoring force of the movable mounts for a swinging movement of the platform along the image shell of the imaging system has a resonant frequency. It is provided that a movement of the platform is stimulated in order to move a light beam from a light source and/or to image light beams from different directions from the environment onto a detector. The movement is preferably an oscillating movement. This oscillating movement is preferably excited with a frequency that corresponds to the resonant frequency. The oscillating movement can in particular be a quasi-static oscillation, a 2D oscillation or a triangular oscillation.
Durch entsprechende Wahl der Anzahl sowie der Rückstellkraft der beweglichen Halterungen sowie der Masse der Plattform der Parallelschwinge kann die Resonanzfrequenz gemäß den Anforderungen an die Scanvorrichtung bzw. des LiDAR-Sensors gewählt werden.By appropriately selecting the number and the restoring force of the movable mounts and the mass of the platform of the parallel rocker, the resonant frequency can be selected according to the requirements of the scanning device or the LiDAR sensor.
Für eine entsprechende Anregung einer Bewegung kann beispielsweise ein Aktor mit einem entsprechenden Signal angesteuert werden. Das Signal kann dabei beispielsweise als Schwingungsform eine Sinusschwingung oder eine Sägezahnschwingung aufweisen. Eine Anregung kann bei Ausführung als 1D Scanvorrichtung linear erfolgen und bei Ausführung als 2D Scanvorrichtung entsprechend zweidimensional unter Verwendung von beispielsweise zwei Aktoren erfolgen. Die Anregung kann beispielsweise stationär, quasi-stationär oder resonant erfolgen. Eine quasi-stationäre Anregung bedeutet hierbei, dass durch die Parallelschwinge zwar eine periodische Grundbewegung ausgeführt wird, aber die Bewegung innerhalb der Periode stark beschleunigt oder verzögert wird. Damit werden Bewegungsmuster erzeugt, die deutlich von einer harmonischen Schwingung abweichen. Von praktischer Bedeutung sind Dreiecksförmige Bewegungen oder ein „Verweilen“ an einer Position, beispielsweise um bei Anwendung in einem Sensor ein einzelnes Objekt in der Umgebung anzufahren.For a corresponding excitation of a movement, for example, an actuator can be controlled with a corresponding signal. The signal can, for example, have a sinusoidal oscillation or a sawtooth oscillation as the oscillation form. An excitation can take place linearly when implemented as a 1D scanning device and correspondingly two-dimensionally when implemented as a 2D scanning device using, for example, two actuators. The excitation can be stationary, quasi-stationary or resonant, for example. A quasi-steady-state excitation means that although a periodic basic movement is carried out by the parallel rocker, the movement is greatly accelerated or decelerated within the period. This creates movement patterns that clearly deviate from a harmonic oscillation. Of practical importance are triangular movements or a "dwelling" in one position, for example to approach a single object in the environment when used in a sensor.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Bei der vorgeschlagenen Scanvorrichtung kann durch die Anordnung einer Lichtquelle und/oder eines Detektors auf einer Parallelschwinge die Lichtquelle bzw. der Detektor durch einfaches Auslenken der Parallelschwinge auf einem gekrümmten Pfad bewegt werden, der der Bildschale eines Abbildungssystems entspricht. Somit bleiben bei in Bezug auf eine optische Achse des Abbildungssystems im Wesentlichen lateralen Bewegung der Lichtquelle bzw. des Detektors diese immer im Fokus des optischen Abbildungssystems. Vorteilhafterweise ist eine solche Parallelschwinge einfach zu fertigen und kann auch zur Anordnung mehrerer Lichtquellen bzw. Detektoren verwendet werden.In the proposed scanning device, by arranging a light source and/or a detector on a parallel rocker, the light source or the detector can be moved along a curved path by simply deflecting the parallel rocker, which corresponds to the image shell of an imaging system. Thus, when the light source or the detector moves essentially laterally with respect to an optical axis of the imaging system, these always remain in the focus of the optical imaging system. Advantageously, such a parallel rocker is easy to manufacture and can also be used to arrange a plurality of light sources or detectors.
Vorteilhafterweise können sowohl eine Lichtquelle als auch ein der Lichtquelle zugeordneter Detektor eines LiDAR-Sensors auf derselben Parallelschwinge angeordnet werden, so dass eine feste mechanische Kopplung des Sendepfades und des Empfangspfades des LiDAR-Sensors vorliegt. Somit Blickt ein solcher LiDAR-Sensor immer genau in die Richtung, in die auch ein Lichtstrahl ausgesendet wird.Advantageously, both a light source and a detector of a LiDAR sensor assigned to the light source can be arranged on the same parallel rocker arm, so that there is a fixed mechanical coupling of the transmission path and the reception path of the LiDAR sensor. Thus, such a LiDAR sensor always looks exactly in the direction in which a light beam is emitted.
Da auch eine Vielzahl von Detektoren und Lichtquellen auf derselben Parallelschwinge angeordnet werden können, lässt sich ein solches LiDAR System umfassend eine solche Scanvorrichtung auch leicht um viele Kanäle erweitern, um das Abscannen der Umgebung zu beschleunigen.Since a large number of detectors and light sources can also be arranged on the same parallel rocker, such a LiDAR system comprising such a scanning device can also easily be expanded by many channels in order to speed up the scanning of the surroundings.
Das Abbildungssystem der vorgeschlagenen Scanvorrichtung kann als äußere Fläche der Objektseitigen Linse eine plane Fläche aufweisen. Vorteilhafterweise kann diese gleichzeitig als Abdeckscheibe für die Scanvorrichtung bzw. einen die Scanvorrichtung umfassenden LiDAR-Sensor dienen und kann beispielsweise mit einer Wischeinrichtung auch leicht von Schmutz und Wassertropfen befreit werden. Das Anordnen weiterer Abdeckscheiben oder Schutzscheiben ist nicht mehr erforderlich, wodurch der Aufbau des LiDAR-Sensors vereinfacht werden kann.The imaging system of the proposed scanning device can have a flat surface as the outer surface of the object-side lens. Advantageously, this can simultaneously serve as a cover plate for the scanning device or a LiDAR sensor comprising the scanning device and can also be easily cleaned of dirt and water droplets, for example with a wiping device. It is no longer necessary to arrange additional cover panes or protective panes, which means that the construction of the LiDAR sensor can be simplified.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass durch die Detektion auf einer sphärischen Bildschale die abbildende Optik bzw. das Abbildungssystem trotz des großen Sichtfelds mit wenigen Linsen auskommt und somit einfacher und kostengünstiger realisiert werden kann.Another significant advantage is that, due to the detection on a spherical image shell, the imaging optics or the imaging system manages with few lenses despite the large field of view and can therefore be implemented more easily and cost-effectively.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Schnittansicht einer Scanvorrichtung von der Seite, -
2a und2b zwei Ausführungsbeispiele für eine Parallelschwinge, -
3a ein als Drehgelenk ausgebildetes Festkörpergelenk. -
3b ein als Kardangelenk ausgebildetes Festkörpergelenk, -
3c ein als Kugelgelenk ausgebildetes Festkörpergelenk, -
4a ,4b und4c drei Ausführungsbeispiele für Anordnungen von Lichtquellen und Detektoren, und -
5 eine schematische Schnittansicht eines LiDAR-Sensors von der Seite.
-
1 a schematic sectional view of a scanning device from the side, -
2a and2 B two design examples for a parallel rocker, -
3a a flexure joint designed as a rotary joint. -
3b a flexure joint designed as a cardan joint, -
3c a flexure joint designed as a ball joint, -
4a ,4b and4c three exemplary arrangements of light sources and detectors, and -
5 a schematic sectional view of a LiDAR sensor from the side.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Die Scanvorrichtung 10 umfasst ein optisches Abbildungssystem 20 mit in dem dargestellten Ausführungsbeispiel genau zwei Linsen 22, 24. Eine erste Linse 22 ist objektseitig angeordnet und weist auf einer nach außen weisenden Seite eine erste plane Fläche auf. Eine nach innen weisende zweite Fläche der ersten Linse 22 ist konvex gekrümmt. Eine zweite Linse 24, welche Bildseitig angeordnet ist, weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei konvexe Flächen auf. Die beiden Linsen 22, 24 sind in einer Halterung 26 aufgenommen. Eine optische Achse 28 des optischen Abbildungssystems 20 ist mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet.The
Die Halterung 26 ist mit einer Basis 42 verbunden, welche eine Parallelschwinge 40 trägt. Die Parallelschwinge 40 weist eine Plattform 44 auf, die über bewegliche Halterungen 50 mit der Basis 42 verbunden ist. In der Schnittansicht der
Die beweglichen Halterungen 50 weisen jeweils ein erstes Gelenkelement 52, ein Distanzglied 56 und ein zweites Gelenkelement 54 auf. Das erste Gelenkelement 52 ist dabei jeweils mit der Basis 42 verbunden und das zweite Gelenkelement 54 ist jeweils mit der Plattform 44 verbunden. Das Distanzglied 56 ist jeweils zwischen einem ersten Gelenkelement 52 und einem zweiten Gelenkelement 54 angeordnet. Die Länge des Distanzglieds 56 entspricht einem Krümmungsradius R einer sphärischen Bildschale 30 des optischen Abbildungssystems 20. Die sphärische Bildschale 30 ist dabei die gekrümmte Fläche, die die Fokuspunkte enthält, auf die parallel einfallende Strahlenbündel durch das optische Abbildungssystem 20 abgebildet werden.The movable mounts 50 each have a first
Auf der dem optischen Abbildungssystem 20 zugewandten Seite der Plattform 44 der Parallelschwinge 40 ist in dem in
Wird anstelle oder zusätzlich zu der Lichtquelle 60 ein Detektor 70, vergleiche
Durch entsprechendes Bewegen der Plattform 44 relativ zum optischen Abbildungssystem 20 kann eine Umgebung der Scanvorrichtung 10 bzw. ein ausgewählter Teil davon systematisch abgescannt werden, indem ein ausgesendeter Lichtstrahl nach und nach ein vorgegebenes Sichtfeld der Umgebung überstreicht.By appropriately moving the
Die
In dem ersten Beispiel der
In dem zweiten Beispiel der
In dem dritten Beispiel der
Der LiDAR-Sensor 100 umfasst eine Parallelschwinge 40 mit einer Plattform 44, auf der jeweils Lichtquellen 60 und Detektoren 70 angeordnet sind. Dabei sind die Lichtquellen 60 dem ersten optischen Abbildungssystem 20' zugeordnet und die Detektoren 70 sind dem zweiten optischen Abbildungssystem 20" zugeordnet. Zur Vereinfachung der Darstellung sind jeweils nur zwei Lichtquellen 60 und zwei Detektoren 70 in der
In der
Wie der Darstellung der
Abhängig von der Auslenkung der Plattform 44 der Parallelschwinge 40 und entsprechend abhängig von der Position einer Lichtquelle 60 bzw. eines Detektors 70 auf der jeweiligen sphärischen Bildschale 30', 30" kann die Richtung eingestellt werden, in die ein Lichtstrahlenbündel 111, 112, 113, 114, 115 ausgesendet wird bzw. aus dem Lichtstrahlenbündel 111, 112, 113, 114, 115 auf einen Detektor 70 abgebildet werden.The direction in which a
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2018/111316 A1 [0004]WO 2018/111316 A1 [0004]
- EP 3000157 B1 [0005]EP 3000157 B1 [0005]
- DE 102017200691 A1 [0006]DE 102017200691 A1 [0006]
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