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Die vorliegende Erfindung betrifft ein LIDAR-System mit einem Drehspiegel, der mindestens eine Reflexionsoberfläche mit einer Krümmung aufweist.
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Stand der Technik
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Derartige LIDAR-Systeme sind an sich bekannt. Dabei sind unterschiedliche Konzepte von LIDAR-Systemen in Verwendung. Zum einen kommen sogenannte „Microscanner“ zum Einsatz. Zum anderen werden sogenannte „Macroscanner“ verwendet. Die letztgenannten Macroscanner können als ein rotierendes System ausgeführt sein. In einem solchen Konzept sind eine Sendeeinheit des LIDAR-System und eine Empfangseinheit des LIDAR-Systems auf einem statischen Teil eines LIDAR-Sensors angeordnet. Die Ablenkeinheit des LIDAR-Systems für den Sendestrahl und den Empfangsstrahl rotiert (sogenanntes ,,00"-Konzept). Hierdurch wird keine Energie- und Datenübertragung auf die rotierenden Teile benötigt.
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Eine Ortsauflösung kann bei einem derartigen LIDAR-System durch die gleichzeitige oder sequentielle Beleuchtung eines größeren Bereichs (z.B. einer Linie) und einer empfangsseitigen Unterscheidung anhand einer abbildenden Optik und eines Detektorarrays oder einer Detektorzeile realisiert werden.
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Die bekannten LIDAR-Systeme weisen dabei einen Drehspiegel mit einer oder zwei Reflexionsoberflächen auf. Dabei sind die Reflexionsoberflächen parallel zu der Rotationsachse des Drehspiegels oder auch dazu geneigt ausgerichtet. Die Reflexionsoberflächen sind dabei zumeist als plane Flächen oder Flächen mit fester Krümmung ausgebildet. Hieraus folgt, dass die Strahlablenkung und Strahlformung bei jeder Umdrehung des Drehspiegels identisch ist. Damit muss sich aber der Hersteller des LIDAR-Systems bereits früh in der Produktion auf eine gewünschte Abstrahlcharakteristik und Empfangscharakteristik des LIDAR-Systems festlegen, die danach nicht mehr veränderlich ist. Dies wirkt sich ebenso auf die Beschaffung der benötigten Komponenten des LIDAR-Systems und deren Einkauf aus. Das Management der verschiedenen Varianten von LIDAR-Systemen wird umständlich und teuer. Es lässt sich nur mit erhöhtem Aufwand umsetzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein LIDAR-System zur Verfügung gestellt, wobei die Reflexionsoberfläche des Drehspiegels des LIDAR-Systems als Freiformfläche ausgebildet ist, deren Krümmung einstellbar eingerichtet ist.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße LIDAR-System hat den Vorteil, dass der Divergenzwinkel beziehungsweise der Abstrahlwinkel des LIDAR-Systems an eine Umgebungssituation angepasst werden kann. Dies kann im Sendepfad des LIDAR-Systems erfolgen. Es kann ebenso alternativ oder zusätzlich im Empfangspfad des LIDAR-Systems erfolgen. Der erfindungsgemäße Drehspiegel kann sowohl im Sendepfad als auch im Empfangspfad verwendet werden. Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße LIDAR-System mit einem vertikalen Linien-Flash-System eingesetzt werden. Allerdings sind andere Anwendungen, wie beispielsweise 1-Punkt-Systeme oder auch Zeilenflash-Systeme, ebenso möglich. Die Einstellbarkeit der Krümmung der Reflexionsoberfläche des Drehspiegels ermöglicht ebenso eine räumliche Konzentration und Ausdehnung von Ebenen über das Sichtfeld (Field of View) des LIDAR-Systems, beispielsweise in vertikaler Richtung bei Verwendung eines Linien-Flash-Systems. Auch die Reichweite pro Ebene kann flexibel angepasst werden, da die Verteilung der Leistungsdichte des LIDAR-Systems ermöglicht wird. Die Verwendung von Freiformflächen als Reflexionsflächen ermöglicht eine maximale Flexibilität in Bezug auf Strahlformung und Verteilung der Ebenen im Raum. Das LIDAR-System kann beispielsweise die Beleuchtung in Richtung des freien Himmels reduzieren und im zentralen Sichtfeld verdichten. Es müssen dabei nur so viele Ebenen auf ein zu beleuchtendes Objekt fallen, wie es bei der Signalauswertung des LIDAR-Systems zur Erkennung von Objekten notwendig ist.
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Auch ist es möglich, dass das LIDAR-System eine Aktoreinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Krümmung der Freiformfläche einzustellen, insbesondere pro halber Umdrehung des Drehspiegels oder mehrfach pro Umdrehung des Drehspiegels.
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Die Aktoreinheit stellt eine konstruktiv einfache Möglichkeit bereit, die Einstellung der Krümmung der Freiformfläche im Betrieb des LIDAR-Systems zu erreichen. Die Anpassung der Krümmung pro halber Umdrehung des Drehspiegels oder mehrfach pro Umdrehung des Drehspiegels erhöht die Flexibilität des LIDAR-Systems. Eine erhöhte Flexibilität ist insbesondere in Bezug auf das Sichtfeld (Field of View) des LIDAR-Systems als auch bei der Strahlformung erreichbar. Die Freiformfläche ist aus einem Material gefertigt, das sich flexibel krümmen lässt.
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In einer besonderen Ausführungsform weist die Aktoreinheit mindestens einen mechanischen Aktor auf, der dazu eingerichtet ist, die Krümmung mindestens eines Freiformflächenabschnitts einzustellen, vorzugsweise wobei der mindestens eine Freiformflächenabschnitt als der mechanische Aktor ausgebildet ist.
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Der mechanische Aktor kann beispielsweise als eine Kapsel ausgebildet sein, die zwischen den Freiformflächen der Reflexionsoberfläche ausgeführt ist. Dieser mechanische Aktor kann dann mittels Anwendung von Druckluft oder einer Zugkraft die Krümmung der flexibel ausgebildeten Freiformfläche einstellen. Auch ist es möglich, dass die Freiformfläche selbst als mechanischer Aktor ausgeführt ist. Hierzu kann die Freiformfläche beispielsweise aus elektrisch aktiven Polymeren ausgebildet sein. Diese Polymere verbiegen sich unter Anwendung elektrischer Spannung. Ebenso möglich ist die Verwendung piezoelektrischer Materialien. Diese lassen sich durch Anwendung alternierender elektrischer Spannung in harmonische Oszillationen versetzen, die synchron zur Drehung des Drehspiegels laufen. Damit können harmonische Strahlablenkungstrajektorien in die Umgebung des LIDAR-Systems projiziert werden. Die Aktoreinheit ermöglicht eine Anpassung der Strahlauslenkung an die gegebene Fahrsituation, falls das erfindungsgemäße LIDAR-System in beispielsweise einem Kraftfahrzeug verwendet wird.
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Dabei ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Freiformfläche mindestens einen eindimensional gekrümmten Freiformflächenabschnitt und/oder mindestens einen zweidimensional gekrümmten Freiformflächenabschnitt aufweist. Der eindimensional gekrümmte Freiformflächenabschnitt kann in vertikaler Richtung gekrümmt sein. Alternativ kann der eindimensional gekrümmte Freiformflächenabschnitt in horizontaler Richtung gekrümmt sein. Allerdings kann die Freiformfläche auch einen zweidimensional gekrümmten Freiformflächenabschnitt aufweisen. Dieser ist zugleich in vertikaler und horizontaler Richtung gekrümmt. Die Freiformfläche kann mehrere Freiformflächenabschnitte aufweisen, von denen eine erste Anzahl eindimensional gekrümmt ist und von denen eine zweite Anzahl zweidimensional gekrümmt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Freiformfläche mindestens einen konkav gekrümmten Freiformflächenabschnitt und/oder mindestens einen konvex gekrümmten Freiformflächenabschnitt aufweist. Die Art der Krümmung der Freiformfläche kann konvex oder konkav sein. Dabei ist es möglich, dass die Freiformfläche Freiformflächenabschnitte mit einer konvexen Krümmung und Freiformflächenabschnitte mit einer konkaven Krümmung aufweist. Die Art der Krümmung (konvex oder konkav) kann in den zwei Richtungen (vertikal und horizontal) gleich oder unterschiedlich sein. Dabei ist anzumerken, dass die Freiformfläche an ihrem konvexen Freiformflächenabschnitt den Strahl des LIDAR-Systems sendeseitig aufweitet. Damit wird ein größerer Raumwinkel beleuchtet. Der von einem Objekt in großer Entfernung rückgestreute Strahl trifft mit näherungsweise parallelen Strahlen auf den konvexen Freiformflächenabschnitt. Er wird dadurch aufgeweitet und leuchtet den Detektor des LIDAR-Systems aus.
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Auch ist vorgesehen, dass die Freiformfläche mindestens einen ebenen Freiformflächenabschnitt und/oder mindestens einen wellenlinienförmigen Freiformflächenabschnitt aufweist.
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Damit werden vorteilhafte Möglichkeiten der Ausgestaltung der Freiformfläche angegeben.
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Daneben ist vorteilhaft, dass die Freiformfläche mindestens einen Freiformflächenabschnitt mit graduell zunehmender Krümmung und/oder mindestens einen Freiformflächenabschnitt mit graduell abnehmender Krümmung und/oder mindestens einen Freiformflächenabschnitt mit konstanter Krümmung aufweist.
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Insgesamt wird damit eine Reflexionsoberfläche bereitgestellt, die eine eindimensional oder zweidimensional, linear oder nichtlinear gekrümmte Freiformfläche aufweist. Diese kann zur Anpassung der Strahlcharakteristik des LIDAR-Systems verwendet werden. Hierdurch wird erreicht, dass der Hersteller des LIDAR-Systems dieses nach Art eines Industriebaukastens an die jeweils benötigte Anwendung anpassen kann. Es wird in der Produktion des LIDAR-Systems ein einfaches Variantenmanagement mit verschieden gekrümmten Reflexionsoberflächen von Drehspiegeln realisiert.
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Schließlich ist von Vorteil, dass die Freiformfläche zwei oder mehr Freiformflächenabschnitte aufweist, von denen insbesondere mehrere identisch ausgebildet, insbesondere identisch gekrümmt, sind. Das erfindungsgemäße Konzept eines LIDAR-Systems ist damit einfach auf Polygonspiegel mit mehr als zwei Reflexionsflächen erweiterbar. Dies ermöglicht die Nutzung von mehr als zwei unterschiedlichen Strahlablenkungen und Strahlformungen in einer Umdrehung des Drehspiegels. Dabei sind beispielsweise Konfigurationen denkbar, in denen mehrere Seiten des Polygons identisch ausgeführt sind, während andere verschieden voneinander ausgeführt sind. Dies ermöglicht eine Gewichtung der Strahlformung beziehungsweise des Sichtfelds (Field of View) über die Umdrehungszeit des Drehspiegels. Ein vorteilhaftes Design besteht beispielsweise darin, dass eine von vier Polygonumdrehungen den Sendestrahl auf den Boden einer Umgebung des LIDAR-Systems ablenkt und den Bodenzustand ermittelt. Während der verbleibenden dreiviertel der Umdrehungszeit wird der Sendestrahl in einen Raum vor dem LIDAR-System gelenkt. Hier liegt in einer automobilen Anwendung des LIDAR-Systems dann beispielsweise die Fahrbahn.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines LIDAR-Systems mit einem erfindungsgemäßen Drehspiegel mit konvexen und konkaven Freiformflächenabschnitten;
- 2 eine Draufsicht des LIDAR-Systems der 1;
- 3 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines LIDAR-Systems mit einem erfindungsgemäßen Drehspiegel mit konvexen und konkaven Freiformflächenabschnitten;
- 4 eine Draufsicht des LIDAR-Systems der 3;
- 5 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines LIDAR-Systems mit einem erfindungsgemäßen Drehspiegel mit einem wellenförmigen Freiformflächenabschnitt;
- 6 eine Draufsicht des LIDAR-Systems der 5; und
- 7 eine Draufsicht einer vierten Ausführungsform eines LIDAR-Systems mit einem erfindungsgemäßen Drehspiegel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein LIDAR-System 1 gezeigt. Das LIDAR-System 1 weist ein Abdeckglas 2 und einen Drehspiegel 3 auf. Der Drehspiegel 3 ist um eine Rotationsachse 4 drehbar gelagert. Der Drehspiegel 3 weist eine Reflexionsoberfläche auf, die als Freiformfläche 5 ausgeführt ist. Die Freiformfläche 5 weist eine Krümmung auf, die einstellbar ist. Die Sendstrahlen 6 des LIDAR-Systems 1 treffen auf diese Freiformfläche 5 und werden dort in Richtung auf eine Optik (nicht dargestellt) beziehungsweise eine Laserdiode (nicht dargestellt) des LIDAR-Systems 1 reflektiert.
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In 1 bis 6 sind beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LIDAR-Systems 1 mit jeweils unterschiedlichen Ausführungen des Drehspiegels 3 dargestellt.
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In 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform abgebildet. 1 zeigt das LIDAR-System 1 in einer Seitenansicht; während 2 das LIDAR-System 1 in einer Draufsicht zeigt. Es ist erkennbar, dass der Drehspiegel 3 konkav und/oder konvex gekrümmte Freiformflächen 5 aufweisen kann.
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In 3 und 4 ist eine zweite Ausführungsform abgebildet. 3 zeigt das LIDAR-System 1 in einer Seitenansicht; während 4 das LIDAR-System 1 in einer Draufsicht zeigt. Es ist erkennbar, dass der Drehspiegel 3 konkav und/oder konvex gekrümmte Freiformflächen 5 aufweisen kann.
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Die in 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen decken jedoch nicht den gesamten möglichen Kombinationsraum für Freiformflächen 5 des Drehspiegels 3 ab. Dabei muss bedacht werden, dass die Krümmung der Freiformfläche 5 einstellbar ist. So kann eine eindimensionale Krümmung (beispielsweis nur in einer vertikalen oder horizontalen Richtung) eingestellt werden. Ebenso ist eine zweidimensionale Krümmung (in einer vertikalen und einer horizontalen Richtung) einstellbar. Die Art der Krümmung ist ebenso einstellbar. Sie kann, wie in den 1 bis 4 gezeigt, konvex und/oder konkav sein. Sie kann in den zwei Richtungen (vertikal und horizontal) identisch oder verschieden ausgeführt sein. Zudem können auch graduell zunehmende oder abnehmende Krümmungsradien eingestellt werden.
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In 5 und 6 ist eine dritte Ausführungsform des LIDAR-Systems 1 dargestellt. In 5 ist das LIDAR-System 1 in einer Seitenansicht zu sehen; in 6 ist es in einer Draufsicht abgebildet. Hier ist insbesondere zu erkennen, dass die Reflexionsoberfläche des Drehspiegels 3 als Freiformfläche 5 ausgeführt sein kann. Dies führt in der Konfiguration des Drehspiegels 3 zu der maximalen Flexibilität. Der optische Designingenieur kann gezielte Strahlformung der Sendstrahlen 6 und eine Verteilung der Ebenen im Raum vornehmen. So kann die Beleuchtung des freien Himmels mittels der Sendestrahlen 6 reduziert werden; die Sendestrahlen 6 können im zentralen Sichtfeld des LIDAR-Systems 1 verdichtet werden. Dabei müssen nur so viele Ebenen auf ein zu beleuchtendes Objekt fallen, wie es der Signalauswertung des LIDAR-Systems 1 zur Erkennung von Objekten notwendig ist. Die einzelnen Ebenen können so beispielsweise auch nach rechts oder links abgelenkt werden. Dies ist insbesondere bei automobilen Anwendungen des LIDAR-Systems 1 von Vorteil. So können die Einmündungen von Straßen auf Kreuzungen erfasst werden, aus denen schnelle andere Verkehrsteilnehmer erwartet werden. Das Sichtfeld (Field of View) des LIDAR-Systems 1 kann situationsabhängig angepasst werden. Eine flexible Verteilung der Leistungsdichte der Sendestrahlen 6 kann erreicht werden, was zu einer flexiblen Anpassung der Reichweite pro Ebene genutzt werden kann.
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In den 1 bis 6 wird die Verwendung eines Drehspiegels 3 gezeigt, der eine beziehungsweise mehrere nicht-plane Reflexionsoberflächen aufweist, die als Freiformflächen 5 ausgeführt sind. Dies kann vorteilhaft zu einer Anpassung der Divergenzwinkel beziehungsweise der Abstrahlwinkel des LIDAR-Systems 1 genutzt werden. Dies kann sowohl im Sendepfad als auch im Empfangspfad des LIDAR-Systems 1 erfolgen. Der Hersteller des LIDAR-Systems 1 muss somit aufgrund der Einstellbarkeit der Krümmung der Freiformfläche 5 des Drehspiegels 3 in der Produktion des LIDAR-Systems 1 nicht frühzeitig die Abstrahlcharakteristik und/oder die Empfangscharakteristik festlegen. Diese können vielmehr noch im Betrieb des LIDAR-Systems 1 an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. Es wird ein einfaches Variantenmanagement des LIDAR-Systems 1 möglich.
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Diese Anpassung des LIDAR-Systems 1 an die Gegebenheiten erfolgt über die Einstellung der Krümmung der Freiformfläche 5. Diese Einstellung der Krümmung kann pro halber Umdrehung des Drehspiegels 3 oder mehrfach pro Umdrehung des Drehspiegels 3 erfolgen. Sie wird über einen mechanischen Aktor (nicht dargestellt) einer Aktoreinheit (nicht dargestellt) durchgeführt. Zu diesem Zweck ist das Material der Reflexionsoberfläche beziehungsweise der Freiformfläche 5 mechanisch flexibel ausgeführt. Es kann beispielsweise durch Anwendung von Druckluft oder Zugkraft in eine gewünschte Form, das heißt Krümmung, gebracht werden. Auch kann aber die Freiformfläche 5 selbst als mechanischer Aktor ausgeführt sein. Dies ist beispielsweise mittels Ausbildung der Freiformfläche 5 als eines elektrisch aktiven Polymers möglich. Unter Anwendung elektrischer Spannung auf dieses Polymer kann dessen Gestalt verändert werden. Ebenso denkbar ist auch die Verwendung von piezoelektrischen Materialien für die Freiformfläche 5. Diese können mittels Anlegens einer alternierenden elektrischen Spannung in harmonische Oszillationen versetzt werden. Diese laufen synchron zur Drehung des Drehspiegels 3 und ermöglichen die Projektion von harmonischen Strahlablenkungstrajektorien in die Umgebung des LIDAR-Systems 1.
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In 7 ist eine vierte Ausführungsform des LIDAR-Systems 1 in einer Draufsicht dargestellt. Die Freiformfläche 5 ist mit einer konkav-konvexen Krümmung ausgeführt. Dabei ist erkennbar, dass der Drehspiegel 3 an seiner konvexen Freiformfläche 5 den Sendestrahl 6 aufweitet und dabei einen größeren Raumwinkel beleuchtet. Die von einem Objekt 7 in großer Entfernung rückgestreuten Empfangsstrahlen 8 treffen mit näherungsweise parallelen Strahlen auf die konvexe Freiformfläche 5 und werden dadurch aufgeweitet, sodass eine Empfangsapertur 9 ausgeleuchtet wird.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
