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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sendeeinheit für einen LIDAR-Sensor, einen LIDAR-Sensor und ein Verfahren zur Aussendung von Primärlicht in ein Sichtfeld mittels eines LIDAR-Sensors gemäß der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2017 123 878 A1 offenbart eine Sendeeinrichtung enthaltend bevorzugt wenigstens zwei Laserdioden und einen um seinen Mittelpunkt aus lenkbaren Scanspiegel, der innerhalb eines Gehäuses mit einem transparenten Abdeckelement angeordnet ist. Das Abdeckelement ist wenigstens in einem Auskoppelbereich durch einen Ausschnitt einer monozentrischen Halbkugelschale mit einem Krümmungsmittelpunkt gebildet, die so den Scanspiegel überdeckt und angeordnet ist, dass der Krümmungsmittelpunkt und der Mittelpunkt des Scanspiegels zusammenfallen und wird in einem Einkoppelbereich durch einen optischen Block gebildet, mit einer torodialen Eintrittsfläche, wenigstens einer torodialen Austrittsfläche und wenigstens einer dazwischen angeordneten ersten Spiegelfläche zur Umlenkung und Vorkollimation der Laserstrahlen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Sendeeinheit für einen LIDAR-Sensor zur Aussendung von Primärlicht in ein Sichtfeld des LIDAR-Sensors. Die Sendeeinheit weist wenigstens eine Emittereinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, Primärlicht in Form eines Ausleuchtungsmusters auszusenden, wobei das Ausleuchtungsmuster wenigstens eine erste und eine zweite Ausdehnung aufweist, welche orthogonal zueinander ausgerichtet sind, und wobei die erste Ausdehnung größer oder kleiner ist als die zweite Ausdehnung, und wobei das ausgesendete Ausleuchtungsmuster entlang eines Orientierungsvektors ausgerichtet ist, der parallel zur ersten Ausdehnung ist. Die Sendeeinheit weist weiterhin wenigstens einen ersten Umlenkspiegel, wenigstens einen zweiten Umlenkspiegel und wenigstens einen beweglichen Spiegel auf. Der zweite Umlenkspiegel ist dazu ausgebildet, das von der Emittereinheit ausgesendete Primärlicht unter Drehung des Orientierungsvektors um einen ersten Winkel auf den ersten Umlenkspiegel umzulenken. Der erste Umlenkspiegel ist dazu ausgebildet, das Primärlicht unter Drehung des Orientierungsvektors um einen zweiten Winkel auf den beweglichen Spiegel umzulenken. Der bewegliche Spiegel ist dazu ausgebildet, das Primärlicht im Sichtfeld entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung, welche senkrecht zur ersten Richtung orientiert ist, abzutasten. Hierbei sind der erste der zweite Winkel jeweils von 0° und von 90° verschieden.
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Die erste Richtung ist bevorzugt senkrecht zum Orientierungsvektor des Ausleuchtungsmusters orientiert. Die zweite Richtung ist bevorzugt parallel zum Orientierungsvektor des Ausleuchtungsmusters orientiert. Der Orientierungsvektor des Ausleuchtungsmusters ist bevorzugt senkrecht zur ersten Richtung und parallel zur zweiten Richtung orientiert.
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Die Emittereinheit kann wenigstens einen Laser aufweisen. Der wenigstens eine Laser kann als DFB-Laser (DFB: engl. für Distributed feedback, DFB), als DBR-Laser (DBR: engl. für Distributed Bragg Reflector), als Kanten- oder Oberflächenemitter oder als Festkörperlaser ausgebildet sein. Ein Laser der Emittereinheit kann temperaturstabilisiert ausgebildet sein. Die Emittereinheit kann einen einzigen Laser mit hoher Divergenz entlang der ersten Richtung aufweisen. Die Emittereinheit kann einen einzigen Laser mit hoher Divergenz entlang der zweiten Richtung aufweisen. Die Emittereinheit kann eine Mehrzahl Laser aufweisen, die dazu ausgebildet sind, das Ausleuchtungsmuster zu erzeugen. Hierfür kann die Mehrzahl Laser beispielsweise in einer Spalte oder in einer Zeile angeordnet sein. Die Sendeeinheit kann weitere optische Elemente, wie zum Beispiel optische Linsen, Spiegel, Strahlteiler oder ähnliches aufweisen.
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Das Ausleuchtungsmuster kann auch mittels eines solchen optischen Elements ausgebildet werden. In einem optischen Pfad der Sendeeinheit kann relativ bald nach Austritt aus dem LIDAR-Sensor (unmittelbar oder nach wenigen Zentimetern) eine zusammenhängende, über den Abstand zum LIDAR-Sensor zunehmend homogenere Beleuchtung des Sichtfeldes mit dem Ausleuchtungsmuster entstehen. Die Emittereinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, das Primärlicht gepulst auszusenden. Die Emittereinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, das Ausleuchtungsmuster gepulst auszusenden. Das Ausleuchtungsmuster ist insbesondere als eine Linie, ein Rechteck oder ein Muster, zum Beispiel ein Karomuster, ausgebildet.
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Der erste Umlenkspiegel ist insbesondere unbeweglich ausgebildet. Der erste Umlenkspiegel kann auch als Faltspiegel bezeichnet werden. Alternativ zum ersten Umlenkspiegel könnte die Sendeeinheit auch ein anderes erstes Umlenkelement aufweisen. Ein solches erstes Umlenkelement könnte zum Beispiel ein Prisma oder ein diffraktives optisches Element mit einer Umlenkfunktion sein.
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Der zweite Umlenkspiegel kann unbeweglich ausgebildet sein. Alternativ zum zweiten Umlenkspiegel könnte die Sendeeinheit auch ein anderes zweites Umlenkelement aufweisen. Ein solches zweites Umlenkelement könnte zum Beispiel ein Prisma oder ein diffraktives optisches Element mit einer Umlenkfunktion sein.
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Der bewegliche Spiegel kann mittels einer elektrischen, einer elektromagnetischen und/oder mittels einer piezo-elektrischen Antriebseinheit bewegt werden. Der bewegliche Spiegel kann als mikromechanischer Spiegel ausgebildet sein. Der bewegliche Spiegel kann Abmessungen von wenigen bis mehreren 100 µm aufweisen. Der bewegliche Spiegel kann Abmessungen im mm-Bereich aufweisen. Durch ein Bewegen des beweglichen Spiegels in seinen zwei Achsen kann das Sichtfeld des LIDAR-Sensors abgetastet werden.
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Die erste Richtung, entlang derer das Primärlicht im Sichtfeld abgetastet wird, ist insbesondere vertikal im Sichtfeld angeordnet. Die zweite Richtung entlang derer das Primärlicht im Sichtfeld abgetastet wird ist insbesondere horizontal im Sichtfeld angeordnet. Alternativ ist es auch möglich, dass die erste Richtung horizontal und die zweite Richtung vertikal im Sichtfeld angeordnet sind.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zum einen die Baugröße der Sendeeinheit geringgehalten werden kann. Entsprechend kann auch die Baugröße des LIDAR-Sensors geringgehalten werden. Gleichzeitig kann mittels der Sendeeinheit erreicht werden, dass der Orientierungsvektor des wenigstens einen Ausleuchtungsmusters beim Austritt aus dem LIDAR-Sensor senkrecht zur ersten Richtung und parallel zur zweiten Richtung orientiert ist. Der Orientierungsvektor des Ausleuchtungsmusters kann beim Austritt aus dem LIDAR-Sensor nahezu senkrecht zur ersten Richtung und nahezu parallel zur zweiten Richtung orientiert sein. Eine Winkeldrehung des Orientierungsvektors um einen Winkel deutlich verschieden von 0° oder 90° kann effektiv vermieden werden. Beispielsweise kann einer der Umlenkspiegel dazu ausgebildet sein, eine an dem anderen Umlenkspiegel auftretende, von 0° oder 90° verschiedene Winkeldrehung zu kompensieren. Beispielsweise kann der erste Umlenkspiegel dazu ausgebildet sein, eine an dem zweiten Umlenkspiegel auftretende, von 0° oder 90° verschiedene Winkeldrehung zu kompensieren. Beispielsweise kann der zweite Umlenkspiegel dazu ausgebildet sein, eine an den ersten Umlenkspiegel auftretende, von 0° oder 90° verschiedene Winkeldrehung zu kompensieren. Besonders bevorzugt kann einer der Umlenkspiegel dazu ausgebildet sein, eine an dem anderen Umlenkspiegel auftretende, von 0° oder 90° verschiedene Winkeldrehung aufzuheben. Es kann vermieden werden, dass eine Verdrehung der Orientierung des Orientierungsvektors auftritt. Insbesondere bei einem größeren Sichtfeld kann dies zu einer homogeneren Abtastung des Sichtfeldes führen. Vor allem Bereiche des Sichtfeldes des LIDAR-Sensors, die weiter weg vom LIDAR-Sensor sind (zum Beispiel in einer Entfernung von 100 m), können homogen abgetastet werden. Hierdurch kann beim Abtasten des Sichtfeldes eine nahezu lückenlose Beleuchtung erreicht werden. Unbeleuchtete Bereiche im Sichtfeld können vermieden werden. Hierdurch kann das Risiko, dass kleine Objekte im Sichtfeld nicht erfasst werden, wesentlich verringert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Sendeeinheit eine erste und wenigstens eine zweite Emittereinheit aufweist. Die erste Emittereinheit kann dazu ausgebildet sein, Primärlicht in Form eines ersten Ausleuchtungsmusters auszusenden. Die zweite Emittereinheit kann dazu ausgebildet sein, Primärlicht in Form eines zweiten Ausleuchtungsmusters auszusenden. Das erste Ausleuchtungsmuster und das zweite Ausleuchtungsmuster können hinsichtlich ihrer Ausdehnungen und ihrer Orientierung im Raum ähnlich oder nahezu identisch sein. Die erste Emittereinheit kann hierbei dazu ausgebildet sein, einen ersten Ausschnitt des Sichtfeldes abzutasten. Die zweite Emittereinheit kann dazu ausgebildet sein, einen zweiten Ausschnitt des Sichtfeldes abzutasten. Es kann der erste Ausschnitt des Sichtfeldes direkt an den zweiten Ausschnitt des Sichtfeldes angrenzen. Es können der erste Ausschnitt des Sichtfeldes und der zweite Ausschnitt des Sichtfeldes wenigstens teilweise überlappen. Das von der ersten Emittereinheit ausgesendete Ausleuchtungsmuster kann an das von der zweiten Emittereinheit ausgesendete Ausleuchtungsmuster angrenzen oder mit diesem überlappen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein größeres Sichtfeld abgetastet werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Umlenkspiegel dazu ausgebildet ist, das von der ersten und das von der wenigstens einen zweiten Emittereinheit ausgesendete Primärlicht auf den beweglichen Spiegel umzulenken. Sowohl Primärlicht, welches von der ersten Emittereinheit ausgesendet wird, als auch Primärlicht welches von der wenigstens einen zweiten Emittereinheit ausgesendet wird, kann somit über einen ersten Spiegel umgelenkt werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Baugröße der Sendeeinheit und somit auch die Baugröße des LIDAR-Sensors geringgehalten werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit wenigstens einen zweiten ersten Umlenkspiegel aufweist, wobei der eine erste Umlenkspiegel dazu ausgebildet ist, das von der ersten Emittereinheit ausgesendete Primärlicht auf den beweglichen Spiegel umzulenken. Und wobei der wenigstens eine zweite erste Umlenkspiegel dazu ausgebildet ist, das von der wenigstens einen zweiten Emittereinheit ausgesendete Primärlicht auf den beweglichen Spiegel umzulenken. Der wenigstens eine zweite erste Umlenkspiegel kann unbeweglich ausgebildet sein.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Anordnung der ersten Emittereinheit und der zweiten Emittereinheit, sowie weiterer optischer Elemente der Sendeeinheit flexibler gestaltet werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit wenigstens einen dritten Umlenkspiegel aufweist und wobei der dritte Umlenkspiegel derart in einem optischen Strahlengang der Sendeeinheit zwischen dem zweiten und dem ersten Umlenkspiegel angeordnet ist, dass das vom zweiten Umlenkspiegel umgelenkte Primärlicht auf den dritten Umlenkspiegel trifft. Hierbei ist der dritte Umlenkspiegel dazu ausgebildet, das Primärlicht unter Drehung des Orientierungsvektors um einen dritten Winkel auf den ersten Umlenkspiegel umzulenken. Hierbei ist der dritte Winkel von 0° und von 90° verschieden. Alternativ zum dritten Umlenkspiegel könnte die Sendeeinheit auch ein anderes drittes Umlenkelement aufweisen. Ein solches drittes Umlenkelement könnte zum Beispiel ein Prisma oder ein diffraktives optisches Element mit einer Umlenkfunktion sein. Der dritte Umlenkspiegel kann unbeweglich ausgebildet sein. Hierdurch ist es möglich, dass eine Kompensation einer von 0° oder 90° verschiedenen Winkeldrehung, mittels mehr als zweier Umlenkspiegel realisiert wird. Hierdurch wird vorteilhafter Weise eine größere Flexibilität beim Aufbau der Sendeeinheit erreicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Umlenkspiegel derart in einem Strahlengang des Primärlichts angeordnet ist, dass das von der Emittereinheit ausgesendete Primärlicht unter einem ersten Einfallswinkel zu einer Flächennormalen des ersten Umlenkspiegel von weniger als ± 12°, bevorzugt weniger als ± 9°, besonders bevorzugt weniger als ± 7° einfällt. Der erste Einfallswinkel zu der Flächennormalen des ersten Umlenkspiegels ist hierbei insbesondere als vertikaler Einfallswinkel aufzufassen. Das Primärlicht kann gleichzeitig unter einem zweiten Einfallswinkel zu der Flächennormalen des ersten Spiegels auf den Umlenkspiegel einfallen. Der zweite Einfallswinkel ist hierbei insbesondere als horizontaler Einfallswinkel aufzufassen. Der zweite Einfallswinkel kann beispielsweise bis zu ± 20° betragen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass noch effektiver ermöglicht werden kann, dass sich der Orientierungsvektor durch die Reflexion am ersten Umlenkspiegel nur um einen Winkel von nahe 0° oder nahe 90° dreht.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes aufweisend eine oben beschriebene Sendeeinheit und wenigstens eine Detektoreinheit zum Detektieren von im Sichtfeld von einem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Sekundärlicht.
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Die Detektoreinheit kann als Einzelphotonendetektoreinheit ausgebildet sein. Eine Einzelphotonendetektoreinheit kann wenigstens einen Einzelphotonendetektor aufweisen. Der wenigstens eine Einzelphotonendetektor kann beispielsweise als SPAD (engl. für Single Photon Avalanche Diode) oder als SiPM (engl. für Silicon photon multiplier) ausgebildet sein. Eine SiPM-Detektoreinheit weist im Besonderen eine Vielzahl von SPADs in spezieller Schaltung auf. Die Einzelphotonendetektoreinheit ist zur Einzelphotonenzählung ausgebildet. Die Einzelphotonendetektoreinheit kann mehrere Einzelphotonendetektorzellen aufweisen. Die Einzelphotonendetektoreinheit kann beispielsweise als eine eindimensionale Anordnung mehrerer Einzelphotonendetektorzellen ausgebildet sein. Die Einzelphotonendetektoreinheit kann in BSI-Technik (BSI: engl. für backside illumination) aufgebaut sein. Hierfür können einzelne Einzelphotonendetektorzellen an nur äußerst kleinen Chipflächen, quasi lückenlos, angeordnet sein. Insbesondere ist die Detektoreinheit dazu ausgebildet, ein Erfassungsmuster zu erfassen, welches dem Ausleuchtungsmuster gleicht. Die Detektoreinheit empfängt hierbei insbesondere Sekundärlicht aus einem vorgegebenen Ausschnitt des Sichtfeldes, in welchen zuvor das Primärlicht mittels der Emittereinheit ausgesandt wurde. Die Aussendung des Primärlichts und das Empfangen des Sekundärlicht erfolgt dabei vorzugsweise gleichzeitig über den vorgegebenen Ausschnitt des Sichtfeldes.
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Der optische Pfad der Sendeeinheit und der optische Pfad der Detektoreinheit können biaxial, koaxial oder teilweise koaxial zueinander verlaufen.
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Der LIDAR-Sensor weist weiterhin insbesondere wenigstens eine Auswerteeinheit auf. Die wenigstens eine Auswerteeinheit kann dafür ausgebildet sein, eine Lichtlaufzeit des ausgesandten Primärlichts und des wieder empfangenen Sekundärlichts zu bestimmen. Der Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld kann beispielsweise auf der Basis einer Signallaufzeit (Time of Flight, TOF) bestimmt werden. Zu den Lichtlaufzeitverfahren zählen Pulsverfahren, die den Empfangszeitpunkt eines reflektierten Laserpulses bestimmen, oder Phasenverfahren, die ein amplitudenmoduliertes Lichtsignal aussenden und den Phasenversatz zu dem empfangenen Lichtsignal bestimmen. Eine zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (engl.: time-correlated single photon counting, TCSPC) kann für ein ToF-System realisierbar sein.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zur Aussendung von Primärlicht in ein Sichtfeld mittels eines LIDAR-Sensors. Das Verfahren weist den Schritt des Aussendens von Primärlicht in Form eines Ausleuchtungsmusters mittels einer Emittereinheit auf, wobei das Ausleuchtungsmuster wenigstens eine erste und eine zweite Ausdehnung aufweist, welche orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Hierbei ist die erste Ausdehnung größer oder kleiner als die zweite Ausdehnung. Das ausgesendete Ausleuchtungsmuster ist entlang eines Orientierungsvektors ausgerichtet, der parallel zur ersten Ausdehnung ist. Das Verfahren weist den weiteren Schritt des ersten Umlenkens des von der Emittereinheit ausgesendeten Primärlichts mittels eines zweiten Umlenkspiegels unter Drehung des Orientierungsvektors um einen ersten Winkel auf einen ersten Umlenkspiegel auf. Das Verfahren weist den weiteren Schritt des zweiten Umlenkens des Primärlichts mittels des ersten Umlenkspiegel unter Drehung des Orientierungsvektors um einen zweiten Winkel einen beweglichen Spiegel auf. Das Verfahren weist den weiteren Schritt des Abtastens des Primärlichts mittels des beweglichen Spiegels im Sichtfeld entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung, welche senkrecht zur ersten Richtung orientiert ist, auf. Hierbei sind der erste und der zweite Winkel jeweils von 0° und von 90° verschieden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:
- 1: Beispiel eine Sendeeinheit mit auftretender Drehung eines Orientierungsvektors eines Ausleuchtungsmusters;
- 2: A: ideale Beleuchtung des Sichtfeldes eines LIDAR-Sensors und B: reale Beleuchtung des Sichtfeldes eines LIDAR Sensors;
- 3: Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit mit vorteilhafter Anordnung eines ersten und eines zweiten Umlenkspiegels;
- 4: weiteres Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit mit vorteilhafter Anordnung eines ersten und eines zweiten Umlenkspiegels;
- 5: A: Ausleuchtungsmuster einer ersten Emittereinheit und B: Ausleuchtungsmuster einer zweiten Emittereinheit;
- 6: Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors mit einer Sendeeinheit mit vorteilhafter Anordnung eines ersten und eines zweiten Umlenkspiegels;
- 7: mögliche Orientierungsvektoren eines Ausleuchtungsmusters;
- 8: Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Aussendung von Primärlicht in ein Sichtfeld.
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1 zeigt beispielhaft die Sendeeinheit 100 für einen LIDAR-Sensor zur Aussendung von Primärlicht 102 in ein Sichtfeld 106. Die Sendeeinheit 100 weist die erste Emittereinheit 101-1 und die zweite Emittereinheit 101-2, den Umlenkspiegel 103 und den beweglichen Spiegel 104 auf. Die erste Emittereinheit 101-1 und die zweite Emittereinheit 101-2 sind dazu ausgebildet, Primärlicht 102-1 in Form eines ersten Ausleuchtungsmusters 107-1 und Primärlicht 102-2 in Form eines zweiten Ausleuchtungsmuster 107-2 auszusenden. Die Ausleuchtungsmuster 107-1 und 107-2 sind im hier gezeigten Beispiel jeweils in Form einer Linie ausgebildet, welche entlang des Orientierungsvektors 108-1 bzw. des Orientierungsvektors 108-2 ausgerichtet sind. Das von den Emittereinheiten 101-1 und 101-2 ausgesendete Primärlicht 102-1 und 102-2 trifft hierbei auf den Umlenkspiegel 103, welcher dazu ausgebildet ist, das Primärlicht 102-1 und 102-2 auf den beweglichen Spiegel 104 umzulenken. Der bewegliche Spiegel 104 ist dazu ausgebildet, das Primärlicht 102-1 und 102-2 im Sichtfeld 106 entlang einer ersten Richtung x und entlang einer zweiten Richtung y, welche senkrecht zur ersten Richtung x orientiert ist, abzutasten. Der bewegliche Spiegel 104 kann durch ein Bewegen in seinen zwei Achsen 105-1 und 105-2 das Sichtfeld 106 abtasten. Der bewegliche Spiegel 104 ist hierbei derart ausgebildet, dass er das Primärlicht 102-1 derart umlenken kann, dass ein erster Ausschnitt 106-1 des Sichtfeldes 106 mit dem Primärlicht 102-1 abgetastet wird; und dass er das Primärlicht 102-2 derart umlenken kann, dass ein zweiter Abschnitt 106-2 des Sichtfeldes 106 mit dem Primärlicht 102-2 abgetastet wird. In 1 ist erkennbar, dass die Orientierungsvektoren 108-1 und 108-2 nicht mehr senkrecht und auch nicht mehr parallel zur ersten Richtung x bzw. zur zweiten Richtung y orientiert sind. Dies führt zu einer Problematik, die in 2 deutlich wird.
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2A zeigt eine ideale Beleuchtung 200-A eines mittels einer Sendeeinheit eines LIDAR-Sensors ausgeleuchteten Sichtfeldes. Eine derartige, lückenlose Beleuchtung 200-A kann erreicht werden, wenn die Orientierungsvektoren 108-1 und 108-2 in 1 parallel oder senkrecht zur ersten Richtung x bzw. zur zweiten Richtung y orientiert wären. Die Linien 201-A verdeutlichen hierbei das Abtasten parallel zur x-Achse während zum Beispiel einer Bewegung des beweglichen Spiegels 104 in 1 in seiner Achse 105-2 entlang einer Hin-Richtung und die Linien 201-B das Abtasten parallel zur x-Achse während einer Bewegung des beweglichen Spiegels 104 in seiner Achse 105-2 entlang einer Rück-Richtung. Nach dem Abtasten einer Linie 201-A entlang der Hin-Richtung wird der bewegliche Spiegel 104 in seiner Achse 105-1 derart bewegt, dass eine Linie 202-A in Bezug auf die vorher abgetastete Linien 201-A entlang der y-Achse verschoben ist. Nach dem Abtasten einer Linie 201-B entlang der Rück-Richtung wird der bewegliche Spiegel 104 in seiner Achse 105-1 derart bewegt, dass eine Linie 201-A in Bezug auf die vorher abgetastete Linie 202-A entlang der y-Achse verschoben ist. Auf diese Weise kann mittels der Bewegung des beweglichen Spiegels 104 das gesamte Sichtfeld 106 abgetastet werden. Das Sichtfeld 106 kann rasterförmig abgetastet werden. Alternativ kann 2A auch so verstanden werden, dass sowohl die Linien 201-A als auch die Linien 202-A das Abtasten parallel zur x-Achse während zum Beispiel einer Bewegung des beweglichen Spiegels 104 in 1 in seiner Achse 105-2 entlang einer Hin-Richtung verdeutlichen. Bei der Bewegung entlang der Rück-Richtung wird in diesem Fall kein Primärlicht ausgesendet. Der bewegliche Spiegel 104 könnte sich bei dieser Alternative zum Beispiel sägezahnartig bewegen.
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2B zeigt hingegen eine reale Beleuchtung 200-B eines mittels einer Sendeeinheit 100 eines LIDAR-Sensors ausgeleuchteten Sichtfeldes 106, wie sie in 1 dargestellt ist. Durch die Anordnung der Emittereinheiten 101-1 und 101-2, des Umlenkspiegels 103 und des beweglichen Spiegels 104 und der dadurch bedingten Verkippung der Orientierungsvektoren 108-1 und 108-2 kann eine lückenlose Beleuchtung nicht mehr gewährleistet werden. Dadurch, dass die Orientierungsvektoren 108-1 und 108-2 am Umlenkspiegel um einen Winkel, der deutlich verschieden von 0° oder 90° ist, gedreht werden, kommt es zu unbeleuchteten Bereichen im Sichtfeld 106. Insbesondere bei großen Sichtfeldern kann diese Problematik verstärkt auftreten. Dadurch besteht das Risiko, dass kleine Objekte 203 im Sichtfeld 106 übersehen werden.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit 300-C zur Aussendung von Primärlicht 302-1 in ein Sichtfeld 306, die derart ausgestaltet ist, dass dieses Problem verhindert werden kann. Die Sendeeinheit 300-C weist die Emittereinheit 301-1 auf, welche dazu ausgebildet ist, das Primärlicht 302-1 in Form eines Ausleuchtungsmusters auszusenden. Hierbei weist das Ausleuchtungsmuster eine erste Ausdehnung und eine zweite Ausdehnung auf, welche orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Hierbei kann die erste Ausdehnung größer oder kleiner als die zweite Ausdehnung sein. Das ausgesendete Ausleuchtungsmuster ist weiterhin entlang eines Orientierungsvektors ausgerichtet ist (siehe Beschreibung zu 5), der parallel zur ersten Ausdehnung ist. Die Sendeeinheit 300-C weist weiterhin den ersten Umlenkspiegel 303-A, den zweiten Umlenkspiegel 303-B und den beweglichen Spiegel 304 auf. Der zweite Umlenkspiegel 303-B ist dazu ausgebildet, das von der Emittereinheit 301-1 ausgesendete Primärlicht 302-1 unter Drehung des Orientierungsvektors um einen ersten Winkel auf den ersten Umlenkspiegel 303-A umzulenken. Der erste Umlenkspiegel 303-A ist dazu ausgebildet, das Primärlicht 302-1 unter Drehung des Orientierungsvektors um einen zweiten Winkel auf den beweglichen Spiegel 304 umzulenken. Hierbei sind der erste und der zweite Winkel jeweils von 0° und von 90° verschieden. Der bewegliche Spiegel 304 ist dazu ausgebildet, das Primärlicht 302-1 im Sichtfeld 106 entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung, welche senkrecht zur ersten Richtung orientiert ist, abzutasten. Die Sendeeinheit 300-C weist außerdem die optischen Elemente 309-1 auf. Die optischen Elemente 309-1 können beispielsweise optische Linsen, Spiegel oder Strahlteiler sein. Das Ausleuchtungsmuster kann zum Beispiel mittels der optischen Elemente 309-1 ausgebildet werden. Die optischen Elemente 309-1 können alternativ oder zusätzlich zur Strahlführung ausgebildet sein.
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Bei der hier gezeigten Sendeeinheit 300-C ist der erste Umlenkspiegel 303-A derart im Strahlengang des Primärlichts 302-1 angeordnet, dass das von der Emittereinheit 301-1 ausgesendete Primärlicht 302-1 unter einem ersten Einfallswinkel 312-A zu einer Flächennormalen 317 des ersten Umlenkspiegels 303-A von weniger als ± 12° einfällt. Im hier gezeigten Beispiel beträgt der Winkel 312-A 8°. Das von der Emittereinheit 101-1 ausgesendete Primärlicht 302-1 kann unter einem Einfallswinkel 312-B zu einer Flächennormalen des zweiten Umlenkspiegels 303-B von mehr als ± 12° einfallen. Im hier gezeigten Beispiel beträgt der Winkel 312-B 29°. Der Pfeil 601 kann eine Ausdehnung der Sendeeinheit 300-C darstellen. Beispielsweise ist die Sendeeinheit in dieser Richtung 200 mm groß.
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Das Ausführungsbeispiel aus 3 kann als eine Sendeeinheit mit nur einer Emittereinheit 301-1 verstanden werden. Alternativ kann das Ausführungsbeispiel aus 3 auch als Seitenansicht einer Sendeeinheit mit wenigstens zwei Emittereinheiten (301-1 und 301-2), wie sie beispielsweise in 4 dargestellt ist, aufgefasst werden. Die in 4 gezeigte Sendeeinheit 300-F weist die erste Emittereinheit 301-1 zur Aussendung von Primärlicht 302-1 und die zweite Emittereinheit 301-2 zur Aussendung von Primärlicht 302-2 auf. Das ausgesendete Primärlicht 302-1 und 302-2 trifft auf den gemeinsamen Umlenkspiegel 303-B, welcher dazu ausgebildet ist das Primärlicht 302-1 und das Primärlicht 302-2 unter Drehung des Orientierungsvektors um einen ersten Winkel auf den jeweiligen ersten Umlenkspiegel umzulenken. Hierbei wird das Primärlicht 302-1 auf den ersten Umlenkspiegel 303-A-1 umgelenkt. Das Primärlicht 302-2 wird auf den ersten Umlenkspiegel 303-A-2 umgelenkt. Der jeweilige erste Umlenkspiegel 303-A-1 und 303-A-2 ist weiterhin dazu ausgebildet das Primärlicht 302-1 bzw. 302-2 unter Drehung des Orientierungsvektors um einen zweiten Winkel auf den beweglichen Spiegel 304 umzulenken. Der erste und der zweite Winkel sind hierbei von 0° und von 90° verschieden. Die Sendeeinheit 300-F weist außerdem die optischen Elemente 309-1 und 309-2 auf. Die optischen Elemente 309-1 und 309-2 können beispielsweise optische Linsen, Spiegel oder Strahlteiler sein. Die Ausleuchtungsmuster können zum Beispiel mittels der optischen Elemente 309-1 und 309-2 ausgebildet werden. Die optischen Elemente 309-1 und 309-2 können alternativ oder zusätzlich zur Strahlführung ausgebildet sein.
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Die in 4 gezeigte Sendeeinheit 300-F kann auch als schräge Ansicht einer Sendeeinheit mit den zwei Emittereinheiten 301-1 und 301-2 aufgefasst werden. Die passende Seitenansicht hierzu wäre die in 3 dargestellte Sendeeinheit 300-C. Die in 4 gezeigte Sendeeinheit 300-F kann auch mehr als zwei Emittereinheiten aufweisen. Beispielsweise könnte der Aufbau gespiegelt sein. In diesem Fall würde die Sendeeinheit 300-F vier Emittereinheiten, vier erste Umlenkspiegel 303, den gemeinsamen zweiten Umlenkspiegel 303-B, vier Mal optische Elemente 309, sowie den gemeinsamen beweglichen Spiegel 304 aufweisen.
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5 zeigt Ausleuchtungsmuster der beschriebenen Sendeeinheiten 300, wie sie beispielsweise auf einem Bildschirm in 100 m Abstand zu der jeweiligen Sendeeinheit projiziert werden könnten. 5A zeigt hierbei ein Ausleuchtungsmuster 507-1, wie es von einer ersten Emittereinheit 301-1 ausgesendet werden kann. Das Ausleuchtungsmuster 507-1 weist eine erste Ausdehnung 501 und eine zweite Ausdehnung 502 auf, welche orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Im hier gezeigten Beispiel ist die erste Ausdehnung 501 größer oder kleiner als die zweite Ausdehnung 502. Die erste Ausdehnung 501 kann hierbei größer als 7 mm sein. Auch die zweite Ausdehnung 502 kann größer als 7 mm sein. Das ausgesendete Ausleuchtungsmuster 507-1 ist entlang des Orientierungsvektors 508-1 ausgerichtet. Der Orientierungsvektor 508-1 ist parallel zur ersten Ausdehnung 501. 5B zeigt ein Ausleuchtungsmuster 507-2 mit einem Orientierungsvektors 508-2, wie es von einer zweiten Emittereinheit 301-2 einer beschriebenen Sendeeinheit 300 ausgesendet werden kann. Der Orientierungsvektors 508-1 ist hierbei parallel zur x-Achse ausgerichtet. Auch der Orientierungsvektors 508-2 ist nahezu parallel zur x-Achse ausgerichtet. Beim Aussenden von Primärlicht 302-1 mittels einer Sendeeinheit 300 hat sich somit der Orientierungsvektors 507-1 bei einer Reflexion am ersten Umlenkspiegel 303 nur um einen Winkel von 0° oder 90° gedreht. Beim Aussenden von Primärlicht 302-2 mittels einer Sendeeinheit 300 hat sich der Orientierungsvektors 507-2 um einen Winkel gedreht, der nahezu 0° oder 90° beträgt. Hierdurch ist es möglich, mittels einer beschriebenen Sendeeinheit 300 eine möglichst lückenlose Beleuchtung eines Sichtfeldes 306 zu realisieren.
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6 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors 700 mit einer Sendeeinheit 300. Die Sendeeinheit 300 kann hierbei aufgebaut sein, wie eine der bereits beschriebenen Sendeeinheiten 300-C oder 300-F. Das von der Emittereinheit 301 ausgesendete und mittels des zweiten Umlenkspiegels 300-B und des ersten Umlenkspiegels 300-A umgelenkte Primärlicht 302 wird mittels des beweglichen Spiegels 304 ins Sichtfeld 306 gelenkt. Dort kann damit beispielsweise eine Szene 604 mit einem Objekt 603 abgetastet werden. Das an dem Objekt 603 reflektierte und/oder gestreute Sekundärlicht 704 kann mittels einer Empfangseinheit 605 des LIDAR-Sensors 700 empfangen und weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann das Sekundärlicht 704 auf den beweglichen Spiegel 304 treffen und von diesem entlang eines Strahlengangs der Empfangseinheit 605 zur Detektoreinheit 701 geführt werden. Die Detektoreinheit 701 kann dazu ausgebildet sein, das im Sichtfeld 306 von einem Objekt 603 reflektierte und/oder gestreute Sekundärlicht 704 zu detektieren. Die Empfangseinheit 605 kann hierbei die Empfangsoptik 606 aufweisen. Die Empfangsoptik 606 kann optische Elemente aufweisen. Der optische Pfad der Sendeeinheit 300 und der optische Pfad der Empfangseinheit 605 können biaxial, koaxial oder wie hier beispielhaft gezeigt teilweise koaxial zueinander verlaufen. Der LIDAR-Sensor kann außerdem, wie hier beispielhaft gezeigt, die Auswerteeinheit 608 aufweisen. Die Auswerteeinheit 608 kann über die Steuerleitungen 607 mit der Sendeeinheit 300 und/oder mit der Empfangseinheit 605 verbunden sein.
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Mittels der Sendeeinheiten 300-C und 300-F kann ermöglicht werden, dass der Orientierungsvektor beim Austreten aus der Sendeeinheit nur um einen Winkel von nahezu 0° oder nahezu 90° gedreht ist. Dies ist in 7 beispielhaft dargestellt. 7A zeigt mögliche Orientierungsvektoren eines Ausleuchtungsmusters und auftretende Winkeldrehungen der Orientierungsvektoren bei einer Reflexion an einem Spiegel. Der Spiegel kann ein oben beschriebener Umlenkspiegel oder auch ein oben beschriebener beweglicher Spiegel sein. Der Orientierungsvektor kann parallel zu einer ersten Ebene sein, wie es die Linie 706 schematisch darstellt. Der Orientierungsvektor kann auch senkrecht zu dieser Ebene sein, wie es der Kreis 705 schematisch darstellt. Trifft das Ausleuchtungsmuster nun entlang der Richtung 708-1 auf einen Spiegel 709, so kann es vom Spiegel 709 in die Richtung 708-2 reflektiert werden. Der Orientierungsvektor kann durch die Reflexion am Spiegel 709 um einen Winkel von 0° oder 90° gedreht werden. In diesem Fall ist der Orientierungsvektor nach der Reflexion parallel zu der ersten Ebene, wie es die Linie 711 schematisch darstellt oder senkrecht zu dieser Ebene, wie es der Kreis 710 schematisch darstellt. Wie 7B zeigt, kann die Linie 711, welche parallel zu der ersten Ebene ausgerichtet ist, die gleiche Orientierung aufweisen wie vor der Reflexion oder eben auch um 90° verdreht sein. Dies ist durch die Linien 711-A und 711-B verdeutlicht. War der Orientierungsvektors 706 vor der Reflexion parallel zu der ersten Ebene, so kann er nach der Reflexion auch senkrecht zu der ersten Ebene sein, und umgekehrt. Auch dies entspricht einer Drehung um einen Winkel von 90°. In all diesen Varianten kann ermöglicht werden, dass eine möglichst lückenlose Beleuchtung des Sichtfeldes mittels der Sendeeinheit realisiert. Andere Winkeldrehungen, zum Beispiel solche, die deutlich verschieden von 0° oder 90° sind, wie es beispielhaft die Linie 707 in 7B darstellt, und durch die es zu unbeleuchteten Bereichen im Sichtfeld kommen würde, können vermieden werden.
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8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 800 zur Aussendung von Primärlicht in ein Sichtfeld. Das Verfahren startet im Schritt 801. Im Schritt 802 kommt es zum Aussenden von Primärlicht in Form eines Ausleuchtungsmusters mittels einer Emittereinheit, wobei das Ausleuchtungsmuster wenigstens eine erste und eine zweite Ausdehnung aufweist, welche orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Hierbei ist die erste Ausdehnung größer oder kleiner als die zweite Ausdehnung. Außerdem ist das ausgesendete Ausleuchtungsmuster entlang eines Orientierungsvektors ausgerichtet, der parallel zur ersten Ausdehnung ist. In einem weiteren Schritt 803 kommt es zum ersten Umlenken des von der Emittereinheit ausgesendeten Primärlichts mittels eines zweiten Umlenkspiegels unter Drehung des Orientierungsvektors um einen ersten Winkel auf einen ersten Umlenkspiegel. Im Schritt 804 kommt es zum zweiten Umlenken des Primärlichts mittels des ersten Umlenkspiegels unter Drehung des Orientierungsvektors um einen zweiten Winkel auf einen beweglichen Spiegel. Der erste und der zweite Winkel sind hierbei jeweils von 0° und von 90° verschieden. Im Schritt 805 kommt es zum Abtasten des Primärlichts im Sichtfeld entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung, welche senkrecht zur ersten Richtung orientiert ist, mittels des beweglichen Spiegels. Das Verfahren endet im Schritt 806.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017123878 A1 [0002]
