DE102021201247A1

DE102021201247A1 - LIDAR-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102021201247A1
Application number: DE102021201247.7A
Authority: DE
Inventors: Holger Maris Gilbergs; Johannes Richter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-10
Filing date: 2021-02-10
Publication date: 2022-08-11
Also published as: US20240094352A1; EP4291919A1; WO2022171526A1; CN116868080A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung, aufweisend eine Lichtquelle, einen Detektor und eine Spiegelvorrichtung. Die Lichtquelle weist eine Hauptabstrahlrichtung und der Detektor eine Hauptdetektionsrichtung auf. Die Spiegelvorrichtung ist um eine Achse drehbar und weist ein Facettenrad mit einer Facettenanzahl von Facetten auf. Die Hauptabstrahlrichtung und die Hauptdetektionsrichtung stehen in einem vorgegebenen Winkel zueinander, wobei der vorgegebene Winkel von der Facettenanzahl abhängt. Ein von der Lichtquelle ausgesendeter Lichtstrahl wird durch eine erste Facette reflektiert und ein von einem Objekt zurückgeworfener Lichtstrahl wird von einer zweiten Facette reflektiert. Die erste Facette und die zweite Facette sind dabei unterschiedlich.

Description

Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einer solchen LIDAR-Vorrichtung.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind LIDAR-Vorrichtungen bekannt, die auf einem Drehspiegel basieren. Diese weisen eine Lichtquelle und einen Detektor auf, wobei Licht von der Lichtquelle über die drehbare Spiegelvorrichtung ausgesendet wird und eine Drehung der Spiegelvorrichtung zu einer Strahlablenkung führt. Dadurch kann ein Abstrahlbereich gescannt werden. Von einem Objekt zurückgeworfenes Licht wird dann wieder von der Spiegelvorrichtung reflektiert und trifft auf den Detektor. Durch eine Laufzeitmessung, also die Messung einer Zeit, die ein Lichtstrahl braucht, um nach Verlassen der Lichtquelle über die Spiegelvorrichtung zu einem Objekt zu gelangen, vom Objekt zurückgeworfen zu werden und über die Spiegelvorrichtung wieder auf den Detektor zu treffen, ermöglicht, eine Aussage darüber zu treffen, wie weit das Objekt von der LIDAR-Vorrichtung entfernt ist. Ebenfalls aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Spiegelvorrichtung als sogenanntes Facettenrad auszugestalten, wobei das Facettenrad eine Facettenanzahl von Facetten aufweist. Im Regelfall ist das Facettenrad derart ausgestaltet, dass ein regelmäßiges n-Eck senkrecht zu einer durch das n-Eck definierten Ebene verschoben wird und dadurch ein Polygon bildet, wobei Mantelflächen des Polygons die Facetten des Facettenrades darstellen. Eine Achse senkrecht zum regelmäßigen n-Eck dient als Drehachse, um die das Facettenrad gedreht werden kann. Von der Lichtquelle ausgesendetes Licht trifft auf eine Facette des Facettenrads, von dort das Objekt, vom Objekt zurückgeworfenes Licht trifft auf dieselbe Facette des Facettenrads und von dort auf den Detektor. Die Lichtquelle und der Detektor sind dabei im Regelfall übereinander angeordnet, also bezogen auf die Achse des Facettenrads in unterschiedlichen Ebenen.
Durch die Drehung des Facettenrads um die Achse kann eine Ablenkung des von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahls in einer Ebene senkrecht zur Achse erfolgen. Soll zusätzlich eine Ablenkung parallel zur Achse erfolgen, kann die Lichtquelle beispielsweise noch zusätzlich mit einer Strahlablenkungsvorrichtung ausgestattet sein, wie beispielsweise einem Kippspiegel oder einer anderen Vorrichtung, die eine Ablenkung des ausgesendeten Lichts parallel zur Achse erlaubt. Die Lichtquelle kann insbesondere ein Laser sein.
Dadurch, dass Lichtquelle und Detektor übereinander angeordnet sind, weisen solche LIDAR-Vorrichtungen eine gewisse Bauhöhe auf, so dass ein Einbau einer solchen LIDAR-Vorrichtung in einem Fahrzeug nicht an allen wünschenswerten Positionen möglich ist.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine LIDAR-Vorrichtung bereitzustellen, bei der eine Bauhöhe reduziert werden kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einer solchen LIDAR-Vorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Eine LIDAR-Vorrichtung weist eine Lichtquelle, einen Detektor und eine Spiegelvorrichtung auf. Die Lichtquelle weist eine Hauptabstrahlrichtung auf und der Detektor weist eine Hauptdetektionsrichtung auf. Die Spiegelvorrichtung ist um eine Achse drehbar und weist ein Facettenrad mit einer Facettenanzahl von Facetten auf. Die Hauptabstrahlrichtung und die Hauptdetektionsrichtung stehen in einem vorgegebenen Winkel zueinander, wobei der vorgegebene Winkel von der Facettenanzahl abhängt. Ein von der Lichtquelle ausgesendeter Lichtstrahl wird durch eine erste Facette des Facettenrads reflektiert, während ein von einem Objekt zurückgeworfener Lichterstrahl von einer zweiten Facette des Facettenrads reflektiert wird. Die erste Facette und die zweite Facette sind dabei unterschiedlich. Dies bedeutet insbesondere, dass sich die Hauptabstrahlrichtung von der Lichtquelle zur ersten Facette erstreckt und die Hauptdetektionsrichtung von der zweiten Facette zum Detektor führt. Dadurch, dass für die Reflektion des ausgesendeten Lichtstrahls und des wieder einfallenden Lichtstrahls unterschiedliche Facetten verwendet werden, können Lichtquelle, Detektor und Facettenrad derart innerhalb der LIDAR-Vorrichtung angeordnet werden, dass eine Bauhöhe der LIDAR-Vorrichtung reduziert werden kann. Um dies zu erreichen, muss der Winkle zwischen der Hauptabstrahlrichtung und der Hauptdetektionsrichtung anhand der Facettenanzahl gewählt werden. Die LIDAR-Vorrichtung kann die weiteren im Bereich des Stands der Technik genannten Elemente, wie beispielsweise die Ablenkvorrichtung für den Lichtstrahl parallel zur Achse aufweisen. Ferner kann die Lichtquelle einen Laser umfassen.
Das Facettenrad kann ebenfalls ein Polygon umfassen, bei dem ein regelmäßiges n-Eck parallel zur Achse verschoben wird und die Mantelflächen des Polygons die Facetten des Facettenrads bilden.
In einer Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung sind die Lichtquelle und der Detektor auf verschiedenen Seiten der Spiegelvorrichtung (also des Facettenrads) angeordnet. Dies ermöglicht insbesondere eine geringe Bauhöhe der LIDAR-Vorrichtung zum Einsatz in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung kann sein, dass Streulicht, welches von der Lichtquelle zum Detektor gelangen kann, unterdrückt werden kann und somit eine genauere Messung möglich wird.
In einer Ausführungsform kann der vorgegeben Winkel nach der Formel 720° geteilt durch die Facettenanzahl mal eine natürliche Zahl plusminus eine Toleranzabweichung berechnet werden. Die Facettenanzahl entspricht dabei der Anzahl der Ecken des regelmäßigen n-Ecks des Polygons, das das Facettenrad definiert. Mit der natürlichen Zahl kann berücksichtigt werden, ob und wie viele weitere Facetten gegebenenfalls zwischen der ersten Facette und der zweiten Facette angeordnet sind. Wird die natürliche Zahl gleich 1 gewählt, so grenzen ersten Facette und zweite Facette direkt aneinander an. Ist die natürliche Zahl gleich 2, so ist eine weitere Facette zwischen der ersten Facette und der zweiten Facette angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die natürliche Zahl aus der Zahlenmenge {1; 2; 3} gewählt werden. Durch die angegebene Formel kann die Winkelbeziehung zwischen der Hauptabstrahlrichtung und der Hauptdetektionsrichtung in Abhängigkeit von der Facettenanzahl einfach bestimmt werden. Wird diese Winkelbeziehung gewählt, so ergibt sich, dass ein von der ersten Facette reflektierter, ausgesendeter Lichtstrahl in eine Abstrahlrichtung ausgesendet wird und ein entgegen der Abstrahlrichtung einfallender Lichtstrahl über die zweite Facette zum Detektor abgelenkt wird. Die Toleranzabweichung kann dabei insbesondere 0 sein. Beispielhaft beträgt der Winkel also für ein Facettenrad mit vier Facetten 180°, wobei die natürliche Zahl in diesem Fall gleich 1 gewählt wird, bei einer Facettenzahl von fünf gleich 144° oder 288°, wobei die natürliche Zahl gleich 1 oder 2 gewählt wird, bei einer Facettenanzahl von sechs 120° oder 240°, wobei in diesem Fall die natürliche Zahl gleich 1 oder 2 gewählt wird und für eine Facettenanzahl von acht, 90° oder 180°, wobei in diesem Fall die natürliche Zahl ebenfalls gleich 1 oder 2 gewählt wird. Beträgt die Facettenanzahl zehn, so kann als Winkel 72°, 144° oder 216° gewählt werden, wobei die natürliche Zahl in diesem Fall 1, 2 oder 3 ist.
Wird die genannte Winkelbeziehung verwendet, so kann vorgesehen sein, dass durch die Hauptabstrahlrichtung und die Hauptdetektionsrichtung eine Ebene senkrecht zur Achse definiert ist und die Lichtquelle und der Detektor in dieser Ebene angeordnet sind. Dies ermöglicht insbesondere eine sehr geringe Bauhöhe der LIDAR-Vorrichtung.
In einer Ausführungsform sind die Hauptabstrahlrichtung und die Hauptdetektionsrichtung jeweils durch einen dreidimensionalen Vektor mit drei Komponenten beschrieben. Ein kartesisches Koordinatensystem zur Beschreibung der Vektoren weist eine x-Achse, eine y-Achse und eine z-Achse auf, wobei die z-Achse parallel zur Achse (also zur Drehachse des Facettenrads) ist. Der Vektor der Hauptabstrahlrichtung weist eine x-Komponente, eine y-Komponente und eine z-Komponente auf, wobei die y-Komponente des Vektors die Hauptabstrahlrichtung 0 ist. Der Vektor der Hauptdetektionsrichtung weist ebenfalls eine x-Komponente, eine y-Komponente und eine z-Komponente auf, wobei die x-Komponente und die y-Komponente des Vektors der Hauptdetektionsrichtung von der x-Komponente des Vektors der Hauptabstrahlrichtung abhängen und die z-Komponente des Vektors der Hauptdetektionsrichtung dem negativen der z-Komponente des Vektors der Hauptabstrahlrichtung entspricht. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine zweidimensionale Projektion der Hauptabstrahlrichtung und der Hauptdetektionsrichtung in die xy-Ebene derart ist, dass Projektionsvektoren mit nur der x-Komponente und der y-Komponente der Hauptabstrahlrichtung und der Hauptdetektionsrichtung der bereits angegebenen Winkelbeziehung von 720° geteilt durch die Facettenanzahl mal eine natürliche Zahl plus/minus eine Toleranzabweichung entsprechen. Dadurch werden auch kompliziertere Geometrien von Lichtquelle, Detektor und Facettenrad möglich, die wiederum eine kompakte Bauweise der LIDAR-Vorrichtung zulassen.
In einer Ausführungsform steht eine Hauptebene senkrecht zur Achse, wobei die Hauptabstrahlrichtung und die Hauptdetektionsrichtung jeweils um maximal 5° von der Hauptebene abweichen und insbesondere jeweils in der Hauptebene angeordnet sind. Dies ermöglicht wiederum einen kompakten Aufbau der LIDAR-Vorrichtung, wobei insbesondere für den Fall, dass Hauptabstrahlrichtung und Hauptdetektionsrichtung nicht in der Hauptebene angeordnet sind, gegebenenfalls vorteilhafte Geometrien erreicht werden können, wenn das Facettenrad nicht senkrecht zu einem Untergrund angeordnet werden soll, beispielsweise bezogen auf eine Einbaulage in einem Fahrzeug und dem Fahrzeuguntergrund.
In einer Ausführungsform weist die LIDAR-Vorrichtung eine weitere Lichtquelle, einen weiteren Detektor und eine weitere Spiegelvorrichtung auf. Die weitere Spiegelvorrichtung ist ebenfalls um die Achse drehbar und weist ein weiteres Facettenrad mit einer weiteren Facettenanzahl von Facetten auf, wobei das weitere Facettenrad mit dem Facettenrad starr verbunden ist und die weitere Facettenanzahl unterschiedlichen zur weiteren Facettenanzahl ist. Dadurch, dass das Facettenrad und das weitere Facettenrad starr miteinander verbunden sind, sich die Anzahl der Facetten jedoch unterscheidet, kann eine LIDAR-Vorrichtung erreicht werden, bei der eine vorteilhafte Ausleuchtung eines Nahbereichs und eines Fernbereichs möglich ist. Ist beispielsweise die Facettenanzahl größer als die weitere Facettenanzahl, so wird durch die starre Verwendung von Facettenrad und weiterem Facettenrad erreicht, dass der von der weiteren Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahl schneller ein einem Abstrahlbereich bewegt wird, als der von der Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahl. Der weitere Lichtstrahl kann dabei dann eher für einen Nahbereich näher an der LIDAR-Vorrichtung verwendet werden als der Lichtstrahl, der eher für einen fernen Bereich geeignet ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die LIDAR-Vorrichtung in einem Fahrzeug eingesetzt werden soll und beispielsweise in einem Nahbereich ein größerer Winkel abgedeckt werden soll als in einem Fernbereich. Dabei entspricht der Nahbereich eher der unmittelbaren Umgebung des Fahrzeugs, wobei der Fernbereich eher einer weiter entfernten Straßensituation entspricht. Durch die ansonsten angegebene vorteilhafte Geometrie von Lichtquelle, Facettenrad, Detektor, weiterer Lichtquelle, weiterem Facettenrad und weiterem Detektor kann so eine LIDAR-Vorrichtung erreicht werden, die zwar in ihrer Bauhöhe eher konventionellen LIDAR-Vorrichtungen entspricht, die jedoch einen deutlich verbesserten Messbereich aufweist. In einer Ausführungsform weist die weitere Lichtquelle eine weitere Hauptabstrahlrichtung parallel zur Hauptabstrahlrichtung auf und der weitere Detektor eine weitere Hauptdetektionsrichtung parallel zur Hauptdetektionsrichtung. Ist dies der Fall, so können auf einer Seite der Spiegelvorrichtung die Lichtquelle und die weitere Lichtquelle und auf einer anderen Seite der Spiegelvorrichtung der Detektor und der weitere Detektor angeordnet werden. Grundsätzlich ebenfalls möglich ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem die weitere Hauptabstrahlrichtung antiparallel zur Hauptdetektionsrichtung und die weitere Hauptdetektionsrichtung antiparallel zur Hauptabstrahlrichtung sind. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Lichtquelle bzw. die weitere Lichtquelle in ihrer Bauhöhe deutlich unterschiedlich zum Detektor bzw. dem weiteren Detektor sind und somit auf einer Seite der Spiegelvorrichtung die Lichtquelle und der weitere Detektor und auf einer anderen Seite der Spiegelvorrichtung der Detektor und die weitere Lichtquelle angeordnet werden können, da sich so die Bauhöhe verringern lässt.
In einer Ausführungsform ist die Facettenanzahl ein Vielfaches der weiteren Facettenanzahl. Insbesondere entspricht die Facettenanzahl dem Doppelten der weiteren Facettenanzahl. Beispielsweise kann die weitere Facettenanzahl vier und die Facettenanzahl acht sein. Dies ermöglicht insbesondere, für beide Facettenräder gemäß der oben benannten Formel einen Winkel von 180° zu wählen und dadurch eine besonders kompakte Anordnung der LIDAR-Vorrichtung zu erreichen.
Selbstverständlich können alle Ausführungsformen mit weiterer Lichtquelle, weiterem Detektor und weiterer Spiegelvorrichtung auch analog zur oben beschriebenen Ausgestaltung außerhalb einer Hauptebene ausgestaltet sein.
In einer Ausführungsform ist der Detektor eingerichtet, einfallendes Licht nach einer Eigenschaft der Lichtquelle zu filtern und der weitere Detektor eingerichtet, einfallendes Licht nach einer Eigenschaft der weiteren Lichtquelle zu filtern. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Lichtquelle und die weitere Lichtquelle jeweils eine unterschiedliche Lichtwellenlänge aufweisen und der Detektor und der weitere Detektor einen entsprechenden Wellenlängenfilter aufweisen. Alternativ kann vorgesehen, dass das von der Lichtquelle und der weiteren Lichtquelle ausgesendete Licht mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert wird und das Signal des Detektors und des weiteren Detektors nach diesen unterschiedlichen Modulationsfrequenzen gefiltert wird.
Die Erfindung umfasst ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit der erfindungsgemäßen LIDAR-Vorrichtung. Die LIDAR-Vorrichtung kann dabei direkt unterhalb des Daches, im Kühlergrill oder hinter einer Windschutzscheibe des Fahrzeugs angeordnet sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:

1 eine LIDAR-Vorrichtung;
2 eine weitere LIDAR-Vorrichtung;
3 eine frontale Draufsicht auf die weitere LIDAR-Vorrichtung;
4 eine isometrische Ansicht einer weiteren LIDAR-Vorrichtung;
5 das Strahlablenkungsprinzip der LIDAR-Vorrichtung;
6 eine weitere LIDAR-Vorrichtung;
7 eine frontale Ansicht der weiteren LIDAR-Vorrichtung;
8 eine frontale Ansicht einer weiteren LIDAR-Vorrichtung; und
9 ein Fahrzeug.

1 zeigt eine LIDAR-Vorrichtung 100 mit einer Lichtquelle 110, einem Detektor 120 und einer Spiegelvorrichtung 130. Die Spiegelvorrichtung 130 ist um eine Achse 131 drehbar. Die Spiegelvorrichtung 130 weist ferner ein Facettenrad 140 mit einer Facettenanzahl von Facetten auf. Das Facettenrad 140 weist eine erste Facette 141, eine zweite Facette 142, eine dritte Facette 143 sowie eine vierte Facette 144 auf. Die Facettenanzahl beträgt somit vier. Ein von der Lichtquelle 110 ausgehender Lichtstrahl 111 trifft auf die Spiegelvorrichtung 130, also auf das Facettenrad 140 und wird an der ersten Facette 141 gespiegelt. Der gespiegelte ausfallende Lichtstrahl 112 wird in Richtung eines Abstrahlbereichs 101 abgestrahlt. Ist im Abstrahlbereich 101 ein (nicht gezeigtes) Objekt angeordnet, so wird ein zurückgeworfener Lichtstrahl 113 vom Objekt wieder auf die LIDAR-Vorrichtung 100 zurückgeworfen. Der zurückgeworfene Lichtstrahl 113 wird an der zweiten Facette 142 gespiegelt und trifft als gespiegelter zurückgeworfener Lichtstrahl 114 auf den Detektor 120. Der Richtung des ausgesendeten Lichtstrahls 111 entspricht dabei eine Hauptabstrahlrichtung 161, wobei eine Hauptdetektionsrichtung 162 der Richtung des gespiegelten zurückgeworfenen Lichtstrahls 114 entspricht. Die Hauptabstrahlrichtung 161 stellt dabei eine Hauptrichtung der Abstrahlung von Licht der Lichtquelle 110 dar, während die Hauptdetektionsrichtung 162 eine Richtung definiert, in der Licht auf den Detektor 120 einfallen kann. Der von der Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahl 111 wird also durch die erste Facette 141 reflektiert und ein von einem Objekt zurückgeworfener Lichtstrahl 113 wird von der zweiten Facette 142 reflektiert. Die Hauptabstrahlrichtung 161 und die Hauptdetektionsrichtung 162 stehen in einem vorgegebenen Winkel zueinander, der in 1 180° beträgt. Dieser Winkel hängt von der Anzahl der Facetten des Facettenrads 140 ab, d. h., wenn das Facettenrad 140 eine andere Facettenanzahl als vier aufweist, kann der vorgegebene Winkel anders als 180° sein.
Das Facettenrad 140 ist in 1 quadratisch, das bedeutet, dass eine die jeweiligen Facetten 141, 142, 143, 144 definierendes Vieleck ein Quadrat ist, wobei dieses Quadrat entlang der Achse 131 verschoben werden kann und so ein Polygon mit den Facetten 141, 142, 143, 144 gebildet werden kann.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer LIDAR-Vorrichtung 100, die der LIDAR-Vorrichtung 100 der 1 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Das Facettenrad 140 der Spiegelvorrichtung 130 weist in diesem Ausführungsbeispiel sechs Facetten auf, also zusätzlich zur ersten Facette 141, zur zweiten Facette 142, zur dritten Facette 143 und zur vierten Facette 144 eine fünfte Facette 145 sowie eine sechste Facette 146. Das Facettenrad 140 ist in diesem Fall aus einem regelmäßigen Sechseck gebildet, welches parallel zur Achse 131 verschoben ist und so die sechs Facetten 141, 142, 143, 144, 145, 146 gebildet werden.
Der ausgehende Lichtstrahl 111 trifft auf die erste Facette 141 und wird von dieser reflektiert und tritt als gespiegelter ausgehender Lichtstrahl 112 in Richtung des Abstrahlbereichs 101 aus der LIDAR-Vorrichtung 100 aus. Ein zurückgeworfener Lichtstrahl 113 wird von der zweiten Facette 142 in Richtung des Detektors 120 reflektiert und trifft als gespiegelter zurückgeworfener Lichtstrahl 114 auf den Detektor 120. Die Hauptabstrahlrichtung 161 und die Hauptdetektionsrichtung 162 stehen in diesem Ausführungsbeispiel in einem Winkel von 120° zueinander. Dies liegt daran, dass durch die höhere Anzahl der Facetten des Facettenrads 140 ein Winkel zwischen der ersten Facette 141 und der zweiten Facette 142 größer ist als beim Facettenrad 140 der 1 und somit sich die Winkelbeziehungen insgesamt ändern.
3 zeigt eine Ansicht von vorne der LIDAR-Vorrichtung 100 der 2. Dabei ist 3 so gezeichnet, dass der Betrachter aus dem Abstrahlbereich 101 auf die LIDAR-Vorrichtung 100 blickt und der von der ersten Facette 141 gespiegelte Lichtstrahl 112 auf den Betrachter zuläuft und der vom Objekt zurückgeworfene Lichtstrahl 113 vom Betrachter wegläuft hin zur zweiten Facette 142, dort gespiegelt wird und als gespiegelter reflektierter Lichtstrahl 114 in Richtung des Detektors 120 läuft.
In den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 kann vorgesehen, dass die Lichtquelle 110 und der Detektor 120 jeweils auf verschiedenen Seiten der Spiegelvorrichtung 130 angeordnet sind, wie es beispielsweise auch in den 1 bis 3 gezeigt ist. Ferner kann der Winkel zwischen der Hauptabstrahlrichtung 161 und der Hauptdetektionsrichtung 162 ganz allgemein nach der Formel 720° geteilt durch die Facettenanzahl mal eine natürliche Zahl plusminus einer Toleranzabweichung berechnet werden. Die natürliche Zahl entspricht dabei der um 1 vergrößerten Anzahl der Facetten zwischen der ersten Facette 141 und der zweiten Facette 142. In den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 ist die natürliche Zahl daher 1 und es ergibt sich für das Ausführungsbeispiel der 1 720° geteilt durch 4 für die Anzahl der Facetten, also 180°, während sich für das Ausführungsbeispiel der 2 720° geteilt durch 6 für die Anzahl der Facetten, also 120° ergibt. Insbesondere bei Facettenrädern mit mehr als vier Facetten kann vorgesehen sein, dass die erste Facette 141 und die zweite Facette 142 nicht direkt aneinandergrenzen, wobei in diesem Fall der Winkel zwischen der Hauptabstrahlrichtung 161 und der Hauptdetektionsrichtung 162 entsprechend noch mit einer natürlichen Zahl multipliziert werden muss, wobei die natürliche Zahl die Anzahl der Facetten zwischen der ersten Facette 141 und der zweiten Facette 142 plus 1 entspricht.
Es kann vorgesehen sein, dass die Hauptabstrahlrichtung 161 und die Hauptdetektionsrichtung 162 kollinear sind, wie beispielsweise im Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt. Ebenfalls kollinear können die Hauptabstrahlrichtung 161 und die Hauptdetektionsrichtung 162 sein, wenn das Facettenrad eine Facettenanzahl aufweist, die ein Vielfaches von vier ist, also beispielsweise acht oder zwölf Facetten und dabei der vom Objekt zurückgeworfene Lichtstrahl 113 im Falle des Facettenrades mit acht Facetten auf die übernächste Facette und im Falle eines Facettenrades mit zwölf Facetten auf die überübernächste Facette trifft.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist ebenfalls ersichtlich, dass die Lichtquelle 110, das Facettenrad bzw. die Spiegelvorrichtung 130 und der Detektor 120 in einer Hauptebene 102 angeordnet sind. Es kann ferner vorgesehen sein, dass eine geringe Toleranzabweichung von bis zu 5° vorgesehen ist, mit der die Hauptabstrahlrichtung 161 und die Hauptdetektionsrichtung 162 von der Hauptebene 102 abweichen.
4 zeigt eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer LIDAR-Vorrichtung 100, die der LIDAR-Vorrichtung 100 der 1 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Hauptabstrahlrichtung 161 und die Hauptdetektionsrichtung 162 jeweils durch einen dreidimensionalen Vektor mit drei Komponenten beschrieben, wobei ein kartesisches Koordinatensystem zur Beschreibung der Vektoren eine x-Achse 151, eine y-Achse 153 und eine z-Achse 153 aufweist, wobei die z-Achse 153 parallel zur ersten Achse 131 ist. Der Vektor der Hauptabstrahlrichtung 161 weist eine x-Komponente, eine y-Komponente und eine z-Komponente auf, wobei die y-Komponente 0 ist. Die Hauptdetektionsrichtung 162 weist ebenfalls eine x-Komponente, eine y-Komponente und eine z-Komponente auf, wobei die z-Komponente der Hauptdetektionsrichtung 162 dem Negativen der z-Komponente der Hauptabstrahlrichtung 161 entspricht und die x-Komponente und die y-Komponente der Hauptdetektionsrichtung 162 aus der Hauptabstrahlrichtung 161 berechnet werden können. Im hier gezeigten Fall mit einem Facettenrad 140 mit vier Facetten vereinfacht sich diese Betrachtung dazu, dass die Hauptdetektionsrichtung 162 ebenfalls nur eine x-Komponente aufweist und die y-Komponente 0 ist, was sich aus der bereits beschriebenen Winkelbeziehung von 180° ergibt. Weist das Facettenrad 140 jedoch wie beispielsweise in 2 gezeigt eine von 4 verschiedene Facettenanzahl auf, so ergibt sich, dass eine zweidimensionale Projektion in der xy-Ebene der Hauptabstrahlrichtung 161 und der Hauptdetektionsrichtung 162 wieder der bereits beschriebenen Winkelbeziehung von 120° entspricht, während die z-Komponenten der Hauptabstrahlrichtung 161 und der Hauptdetektionsrichtung 162 jeweils negativ zueinander sind.
Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Prinzip also einem schräg gestellten Facettenrad 140, wobei aufgrund der Schrägstellung die z-Komponenten berücksichtigt werden müssen und der x- Komponente und y-Komponente eine zur bereits beschriebenen Winkelbeziehung identische Beziehung für das Facettenrad 140 beobachtet werden kann.
5 zeigt in zwei Abbildungen unterschiedliche Stellungen des Facettenrads 140 der 1 bei verschiedenen Drehwinkeln und zeigt somit, dass der Abstrahlbereich 101 je nach Stellung des Facettenrads 140 in unterschiedliche Richtungen angeordnet ist, wobei die Winkelbeziehungen zwischen ausgehendem Lichtstrahl 111, von der ersten Facette 141 gespiegeltem ausgehenden Lichtstrahl 112, vom Objekt zurückgeworfenen Lichtstrahl 113 und gespiegeltem zurückgeworfenem Lichtstrahl 114 jeweils derart sind, dass die Winkelbeziehung zwischen Hauptabstrahlrichtung 161 und Hauptdetektionsrichtung 162 erhalten bleibt.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere LIDAR-Vorrichtung 100, die grundsätzlich die Lichtquelle 110, den Detektor 120 und die Spiegelvorrichtung 130 mit dem Facettenrad 140 wie in Zusammenhang mit 1 beschrieben aufweist. Die LIDAR-Vorrichtung 100 weist ferner eine weitere Lichtquelle 170, einen weiteren Detektor 180 sowie eine weitere Spiegelvorrichtung 190 auf, wobei die weitere Spiegelvorrichtung 190 ein weiteres Facettenrad 199 mit einer ersten Facette 191, einer zweiten Facetten 192, einer dritten Facette 193, einer vierten Facette 194, einer fünften Facette 195, einer sechsten Facette 196, einer siebten Facette 197 und einer achten Facette 198. Die beiden Facettenräder 140, 199 sind starr miteinander verbunden und um die Achse 131 drehbar. Bei der Zählung der Facetten des weiteren Facettenrads 199 ist zu beachten, dass die dritte Facette 193 zwischen der ersten Facette 191 und der zweiten Facette 192 angeordnet ist. Ein von der weiteren Lichtquelle 170 weiterer ausgehender Lichtstrahl 171 trifft auf die erste Facette 191 des weiteren Facettenrads 199 und wird von dort reflektiert zum weiteren gespiegelten ausgehenden Lichtstrahl 172. Ein von einem Objekt zurückgeworfener weiterer zurückgeworfener Lichtstrahl 173 wird an der zweiten Facette 192 des weiteren Facettenrads 199 zum weiteren Detektor 180 reflektiert. Dadurch, dass die dritte Facette 193 des weiteren Facettenrads 199 zwischen der ersten Facette 191 und der zweiten Facette 192 angeordnet ist, gilt auch für die weitere Lichtquelle 170 und den weiteren Detektor 180 eine zur Lichtquelle 110 und zum Detektor 120 identische Winkelbeziehung, die sich auch aus der weiter oben beschriebenen Formel ergibt. Mit einer solchen LIDAR-Vorrichtung ist es möglich, mit dem weiteren Facettenrad 199 einen winkelmäßig schnelleren Scan des Abstrahlbereichs 101 zu erreichen, während mit dem Facettenrad 140 ein langsamerer Scan möglich ist. Dies wird durch die beiden weiteren Abbildungen der 6 deutlich, bei der sich die Spiegelvorrichtung 130, 190 jeweils weitergedreht haben, wobei in der untersten Abbildung zu beachten ist, dass nun der von der weiteren Lichtquelle 170 ausgesendete weitere Lichtstrahl 171 bereits auf die nächste Facette trifft, die nun zur ersten Facette wird. Die ursprüngliche erste Facette 200 ist nun die achte Facette 198 des weiteren Facettenrads 199.
Der Darstellung der 6 ist zu entnehmen, dass der durch das Facettenrad 140 abgelenkte Lichtstrahl einen größeren Abtastbereich viermal pro voller Umdrehung scannt, während das weitere Facettenrad 199 einen kleineren Abtastbereich achtmal scannt. Somit kann beispielsweise vorgesehen sein, dass mit der LIDAR-Vorrichtung 100 der 6 mittels der Lichtquelle 110, des Facettenrads 140 und des Detektors 120 ein Nahbereich vermessen wird, während mit der weiteren Lichtquelle, dem weitern Facettenrad 199 und dem weiteren Detektor 180 ein Fernbereich vermessen wird.
Dies funktioniert insbesondere dann, wenn die Facettenanzahl des Facettenrads 140 unterschiedlich zu einer weiteren Facettenanzahl des weiteren Facettenrads 199 ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine weitere Hauptabstrahlrichtung 163 parallel zur Hauptabstrahlrichtung oder antiparallel zur Hauptabstrahlung 161 ist und eine weitere Hauptdetektionsrichtung 164 parallel oder antiparallel zur Hauptdetektionsrichtung 162 ist. Dies ermöglicht den kompakten Aufbau einer LIDAR-Vorrichtung 100 mit zwei unterschiedlichen Entfernungsmessbereichen.
In 6 dargestellt ist, dass alle Facetten 141, 142, 143, 144 des Facettenrads 140 jeweils nicht parallel zu den weiteren Facetten 191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198 des weiteren Facettenrads 199 stehen. Dies bedeutet in anderen Worten, dass die beiden Facettenräder 140, 199 unter einem Winkel zueinander angeordnet sind, sodass keine Facette 141, 142, 143, 144 des Facettenrades 1401 mit einer weitere Facette 191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198 des weiteren Facettenrades 199 eine gemeinsame Ebene bildet. Dadurch kann erreicht werden, dass der gespiegelte ausgehende Lichtstrahl 112 und der weitere gespiegelte ausgehende Lichtstrahl 172 zu jedem Zeitpunkt in eine andere Raumrichtung ausgesendet werden und somit zurückgestreutes Licht unterschiedlicher Raumrichtungen detektiert wird und dadurch eine gegenseitige Beeinflussung des Detektors 120 durch die weitere Lichtquelle 170 und des weiteren Detektors 180 durch die Lichtquelle 110 minimiert wird. Es besteht dann also ein Phasenunterschied zwischen den beiden Scans. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass einige der Facetten 141, 142, 143, 144 des Facettenrads 140 jeweils parallel zu weiteren Facetten 191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198 des weiteren Facettenrads 199 stehen. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die Beeinflussung durch Filter, wie weiter unten erläutert, minimiert wird.
7 zeigt eine frontale Ansicht der LIDAR-Vorrichtung 100 der 6, zeigt also die LIDAR-Vorrichtung 106 vom Abstrahlbereich 101 aus, gesehen. Dabei sind die Lichtquelle 110 und die weitere Lichtquelle 170 sowie der jeweils auf einer Seite der Spiegelvorrichtung 130 bzw. der weiteren Spiegelvorrichtung 190 und der Detektor 120 und der weitere Detektor 180 jeweils auf der anderen Seite der Spiegelvorrichtung 130 bzw. 190 angeordnet. Die Lichtquelle 110 und die weitere Lichtquelle 170 sind also übereinander angeordnet, ebenso der Detektor 120 und der weitere Detektor 180.
8 zeigt eine LIDAR-Vorrichtung 100, die ebenfalls eine weitere Lichtquelle 170, einen weiteren Detektor 180 und eine weitere Spiegelvorrichtung 190 analog zu den 6 und 7 aufweist, wobei in diesem Fall die Lichtquelle 110 und der weitere Detektor 180 sowie die weitere Lichtquelle 170 und der Detektor 120 jeweils übereinander angeordnet sind, wobei Lichtquelle 110, Facettenrad 140 und Detektor 120 und weitere Lichtquelle 170, weiteres Facettenrad 199 und weiterer Detektor 180 jeweils in einer Ebene angeordnet sind. Dies ermöglicht insbesondere dann einen kompakteren Aufbau, wenn, wie in 8 gezeigt, die Detektoren 120, 180 deutlich höher sind als die Lichtquellen 110, 170 ebenso ist dies für den anderen denkbaren Fall, nämlich, dass die Lichtquellen 110, 170 höher sind als die Detektoren 120, 180.
Bei den in Zusammenhang mit den 6 bis 8 beschriebenen Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung 100 kann insbesondere vorgesehen, dass die weitere Facettenanzahl des weiteren Facettenrads 199 ein Vielfaches der Facettenanzahl des Facettenrads 140 ist. Dies ermöglicht insbesondere, die Hauptabstrahlrichtung 161 und die weitere Hauptabstrahlrichtung 163 parallel oder antiparallel auszugestalten und die Hauptdetektionsrichtung 162 sowie die weitere Hauptdetektionsrichtung 164 parallel oder antiparallel zueinander auszugestalten.
Das in Zusammenhang mit den 6 bis 8 erläuterte Ausführungsbeispiel kann ebenfalls für ein analog zur 4 schräg angeordnetes Facettenrad 140 bzw. weiteres Facettenrad 198 ausgestaltet sein.
In 8 ist ebenfalls dargestellt, dass der Detektor 120 einen optionalen Filter 121 und der weitere Detektor 180 einen optionalen weiteren Filter 181 umfasst. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das von der Lichtquelle 110 ausgesendete Licht eine andere Wellenlänge aufweist als das von der weiteren Lichtquelle 170 ausgesendete Licht und der Filter 121 eingerichtet ist, die Wellenlänge der Lichtquelle 110 zu filtern und der weitere Filter 181 eingerichtet ist, die Wellenlänge des von der weiteren Lichtquelle 170 ausgesendeten Lichts zu filtern. Die optionalen Filter 121, 181 können ebenso im Ausführungsbeispiel der 7 vorgesehen werden. Neben der Ausgestaltung als Farbfilter können die optionalen Filter 121, 181 auch beispielsweise eingerichtet sein, hinsichtlich einer Amplitudenmodulation des durch die Lichtquellen 110, 170 ausgesendeten Lichts zu filtern, wobei das von der Lichtquelle 110 ausgesendete Licht mit einer anderen Frequenz moduliert wird als das von der weiteren Lichtquelle 170 ausgesendete Licht.
Die Lichtquelle 110 und auch die weitere Lichtquelle 170 können insbesondere einen Laser umfassen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Lichtquelle 110 und die weitere Lichtquelle 170 jeweils eine nicht gezeigte Ablenkungsvorrichtung aufweisen, mit der das ausgesendete Licht parallel zur Achse 131 steuerbar abgelenkt werden kann, um zu ermöglichen, dass mit der LIDAR-Vorrichtung 110 nicht nur in einer Ebene, sondern auch in gewissem Umfang parallel zur Achse 131 in verschiedenen Ebenen gemessen werden kann.
9 zeigt ein Fahrzeug 10 mit einem Kühlergrill 11, einer Windschutzscheibe 12 und einem Dach 13. Durch den beschriebenen Aufbau der LIDAR-Vorrichtung 100 der 1 bis 8 ist ein besonders kompakter, also insbesondere in Richtung der Achse 131 mit wenig Bauhöhe versehender Aufbau der LIDAR-Vorrichtung 100 möglich. Dadurch kann die LIDAR-Vorrichtung 100 im Bereich des Kühlergrills 11 zwischen Kühlergrilllamellen 14, oder im Bereich der Windschutzscheibe 12 oder im Bereich des Dachs 13 angeordnet werden. Die LIDAR-Vorrichtung 100 kann also an zumindest einem der genannten Einbauräume innerhalb des Fahrzeugs 10 vorgesehen werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen hieraus können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

LIDAR-Vorrichtung (100), aufweisend eine Lichtquelle (110), einen Detektor (120) und eine Spiegelvorrichtung (130), wobei die Lichtquelle (110) eine Hauptabstrahlrichtung (161) aufweist und der Detektor (120) eine Hauptdetektionsrichtung (162) aufweist, wobei die Spiegelvorrichtung (130) um eine Achse (131) drehbar ist, wobei die Spiegelvorrichtung (130) ein Facettenrad (140) mit einer Facettenanzahl von Facetten (141, 142, 143, 144, 145, 146) aufweist, wobei die Hauptabstrahlrichtung (161) und die Hauptdetektionsrichtung (162) in einem vorgegebenen Winkel zueinander stehen, wobei der vorgegebene Winkel von der Facettenanzahl abhängt, wobei ein von der Lichtquelle (110) ausgehender Lichtstrahl (111) durch eine erste Facette (141) reflektiert wird, wobei ein von einem Objekt zurückgeworfener Lichtstrahl (113) von einer zweiten Facette (142) reflektiert wird, wobei die erste Facette (141) und die zweite Facette (142) unterschiedlich sind.
LIDAR-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (110) und der Detektor (120) auf verschiedenen Seiten der Spiegelvorrichtung (130) angeordnet sind.
LIDAR-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der vorgegebene Winkel nach der Formel 720 Grad geteilt durch die Facettenanzahl mal eine natürliche Zahl plusminus eine Toleranzabweichung berechnet werden kann.
LIDAR-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hauptabstrahlrichtung (161) und die Hauptdetektionsrichtung (162) jeweils durch einen dreidimensionalen Vektor mit drei Komponenten beschrieben sind, wobei ein kartesisches Koordinatensystem zur Beschreibung der Vektoren eine x-Achse (151), eine y-Achse (152) und eine z-Achse (153) aufweist, wobei die z-Achse (153) parallel zur Achse (131) ist, wobei der Vektor der Hauptabstrahlrichtung (161) eine x-Komponente, eine y-Komponente und eine z-Komponente aufweist, wobei die y-Komponente des Vektors der Hauptabstrahlrichtung (161) Null ist, wobei der der Vektor der Hauptdetektionsrichtung (162) eine x-Komponente, eine y-Komponente und eine z-Komponente aufweist, wobei die x-Komponente und die y-Komponente des Vektors der Hauptdetektionsrichtung (162) von der x-Komponente des Vektors der Hauptabstrahlrichtung (161) abhängen und die z-Komponente des Vektors der Hauptdetektionsrichtung (162) dem Negativen der z-Komponente des Vektors der Hauptabstrahlrichtung (161) entspricht.
LIDAR-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Hauptebene (102) senkrecht zur Achse (131) steht und wobei die Hauptabstrahlrichtung (161) und die Hauptdetektionsrichtung (162) jeweils um maximal 5 Grad von der Hauptebene (102) abweichen, insbesondere jeweils in der Hauptebene (102) angeordnet sind.
LIDAR-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend eine weitere Lichtquelle (170), einen weiteren Detektor (180) und eine weitere Spiegelvorrichtung (190), wobei die weitere Spiegelvorrichtung (190) um die Achse (131) drehbar ist, wobei die weitere Spiegelvorrichtung (190) ein weiteres Facettenrad (199) mit einer weiteren Facettenanzahl von weiteren Facetten (191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198) aufweist, wobei das weitere Facettenrad (199) mit dem Facettenrad (140) starr verbunden ist und wobei die Facettenanzahl unterschiedlich zur weiteren Facettenanzahl ist.
LIDAR-Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei die weitere Lichtquelle (170) eine weitere Hauptabstrahlrichtung (163) parallel zur Hauptabstrahlrichtung (161) aufweist und der weitere Detektor (180) eine weitere Hauptdetektionsrichtung (164) parallel zur Hauptdetektionsrichtung (162) aufweist.
LIDAR-Vorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Facettenanzahl ein Vielfaches der weiteren Facettenanzahl ist.
LIDAR-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Detektor (120) eingerichtet ist, einfallendes Licht nach einer Eigenschaft der Lichtquelle (110) zu filtern und wobei der weitere Detektor (180) eingerichtet ist, einfallendes Licht nach einer Eigenschaft der weiteren Lichtquelle (170) zu filtern.
Fahrzeug (10) mit einer LIDAR-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.