DE4122482B4 - Verfahren und Anordnung zum Schwenken eines Laserstrahls - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Schwenken eines Laserstrahls, wobei ein Piezoelement mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement unter der Wirkung eines elektrischen Feldes veränderlicher Stärke derart deformiert wird, dass die Deformation des Piezoelements zu einer Parallelverschiebung mindestens einer Oberfläche des Piezoelements führt, dass der Laserstrahl unter einem stumpfen Winkel auf die Oberfläche auftrifft, dass ein vom Piezoelement umgelenkter Laserstrahl einen seitlichen Versatz in Abhängigkeit von der Parallelverschiebung der Oberfläche aufweist und dass der seitliche Versatz an einer gekrümmten Oberfläche eines optischen Elements in eine Auslenkung umgesetzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zum Schwenken eines Laserstrahls, um mit einem Laserstrahl einen größen Bereich erfassen zu können. Die Erfindung betrifft ferner Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens.
  • Zur Erfassung von vorausfahrenden Kraftfahrzeugen sind unter der Bezeichnung LIDAR (= light detection and ranging) Entfernungsmeßgeräte bekanntgeworden, bei denen Infrarotimpulse ausgesendet, von gut reflektierenden Teilen des vorausfahrenden Kraftfahrzeugs reflektiert und empfangen werden. Aus der Laufzeit des Infrarotimpulses wird danach die Entfernung berechnet. Um auch im Nahbereich die Erfassung von genügend vielen reflektierenden Teilen des vorausfahrenden Kraftfahrzeugs zu ermöglichen, sollte der zu erfassende Bereich von der Entfernung zum vorausfahrenden Kraftfahrzeug abhängig und in der Horizontalen gegenüber der Vertikalen breiter sein.
  • Zum Erfassen eines Winkelbereichs mit Hilfe eines Laserstrahls ist eine entsprechende Auslenkung oder eine Aufweitung des Laserstrahls erforderlich. Zur Auslenkung ist die Anordnung eines rotierenden Polygonrades bekannt geworden. Nachteilig hierbei ist die Verwendung bewegter Teile, was sich insbesondere bei starker Beschleunigungseinwirkung auf die Anordnung störend auswirken kann.
  • Um einen Winkelbereich von beispielsweise einigen Grad mit Laserstrahlen erfassen zu können, ist ferner die Anordnung mehrerer Laserdioden bzw. Laserröhren bekannt, deren Abstrahlrichtung um kleine Winkelbeträge gegeneinander versetzt sind. Dadurch wird eine fächerartige Abstrahlcharakteristik erzeugt. Hierbei ist jedoch der hohe Bauteileaufwand und das vergleichsweise große Bauvolumen für die einzelnen Komponenten nachteilig.
  • Aus der DE 38 42 199 A1 ist ein Refraktor mit veränderbarem Brechungsverhalten bekannt, der durch einen transparenten piezopolymeren Kunststoffkörper gebildet wird. Die Dicke des Refraktors ist durch eine angelegte Spannung veränderbar, so dass auch das Brechungsverhalten des Refraktors veränderbar ist. Insbesondere kann hierdurch die Brennweite z.B. eines Objektivs oder eines Fernrohrs geändert werden.
  • Aus der US 3,442,570 ist eine Vorrichtung zum Verschwenken eines Laserstrahls bekannt, bei der ein piezoelektrisches Kristall an einem Ende eingespannt ist, so dass es mit seinem anderen Ende bei Anlegen eines elektrischen Feldes an die an dem Piezokristall angeordneten Elektroden mit dem freien Ende frei schwingen kann. Das piezoelektrische Kristall ist derart transparent ausgeführt, dass ein Laserstrahl längs der Ausdehnung des Kristalls diesen durchqueren kann. Bei einem Verschwenken des Kristalls an seinem freien Ende wird der Laserstrahl, der sich durch das Kristall bewegt, entsprechend mit verschwenkt.
  • Aus der US 2,920,529 ist eine elektronische Kontrolle für optische Strahlung bekannt, bei der ein verkippbarer Spiegel Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen in Abhängigkeit . von dem Verkippungswinkel lenkt. Die Lichtstrahlen werden an einer beliebig geformten Fläche, z.B. an einer Fläche mit einer runden Oberfläche, weiter abgelenkt.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Erfassungsbereich eines Laserstrahls mit möglichst einfachen Mitteln ohne drehbar bewegte Teile zu vergrößern.
  • Das erfindungsgemaße Verfahren und die Anordnungen mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 4 und 5 haben den Vorteil, dass durch den Fortfall mechanisch bewegter Teile außer einer wirtschaftlichen Herstellbarkeit eine hohe Betriebssicherheit sowie eine lange Lebensdauer gegeben ist. Insbesondere können Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens auch bei der Einwirkung von hohen Beschleunigungskräften einwandfrei arbeiten. Das Schwenken des Laserstrahls kann dabei periodisch erfolgen, so dass der Erfassungsbereich vergrößert wird. Es kann jedoch auch ein gezieltes Schwenken, beispielsweise in Abhängigkeit vom Lenkwinkel, vorgesehen sein, um auch in Kurven das vorausfahrende Kraftfahrzeug zu erfassen.
  • Erfindungsgemäß wird zunächst ein Strahl mit einem seitlichen Versatz erzeugt, der mit Hilfe einer gekrümmten Oberfläche in eine Schwenkbewegung umgewandelt wird. Dieses hat den Vorteil, dass eine einfache eindimensionale Verformung des Piezoelements erfolgen kann. An der gekrümmten Fläche wird der Strahl zwar geringfügig aufgeweitete, was jedoch bei einer Reihe von Anwendungsfällen nicht störend in Erscheinung tritt. So dient beispielsweise bei Geräten zur Abstandsmessung das Schwenken des Strahls bereits zu einer Erweiterung des vom Strahl erfassten Bereichs. Dieses wird von der Aufweitung des Strahls an der gekrümmten Oberfläche sogar noch unterstützt.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.
    •
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrere Figuren schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel,
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel,
  • 4 ein nicht zur Erfindung gehörendes Ausführungsbeispiel,
  • 5 ein nicht zur Endung gehörendes Ausführungsbeispiel,
  • 6 eine schematische Darstellung der Erfassung eines vorausfahrenden Kraftfahrzeugs mit einem Laserstrahl,
  • 7 ein nicht zur Endung gehörendes Ausführungsbeispiel und
  • 8 eine schematische Darstellung einer beim nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiel nach 7 verwendeten Flüssigkristall-Linse.
  • Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Bei den Anordnungen nach den 1 bis 3 erfolgt zunächst ein seitlicher Versatz des Laserstrahls und anschließend ein Schwenken. Zum seitlichen Versatz ist jeweils ein Piezoelement in Form einer Scheibe 1 vorgesehen, das aus einem geeigneten anisotropen Material, vorzugsweise PZT- oder PLZT-Keramik besteht. Durch eine geeignete Beaufschlagung mit einem elektrischen Feld mit Hilfe von Elektroden 3, 4 erfährt die Scheibe 1 eine Dickenänderung. Die Abkürzung PZT steht für Blei-Zirkonat-Titanat, während das L in PLZT Lantan bedeutet. PLZT-Keramik ist bei geeigneter Zusammensetzung (Lantangehalt ca. 8%) transparent und kann daher für die Anordnung nach 1 verwendet werden.
  • Die Scheibe 1 der Dicke d wird unter einem definierten Winkel α zum einfallenden Laserstrahl 2 angeordnet. Die Elektroden 3, 4 sind transparent, beispielsweise aus Zinn-Indiumoxid. Beim Anlegen einer Gleichspannung mit mehreren 100V an die beiden Elektroden 3, 4 erfährt die Scheibe 1 je nach Polarität der anliegenden Spannung eine Ausdehnung oder eine Kontraktion um einen Betrag d'. In 1 ist der Fall der Ausdehnung dargestellt.
  • Aufgrund der hohen Brechzahl von PLZT-Keramik wird der einfallende Strahl 2 in die Scheibe hineingebrochen und breitet sich in der Scheibe unter dem Winkel β zur Normalen aus. Liegt keine elektrische Spannung an den Elektroden 3, 4 verläßt der Laserstrahl die Scheibe am Punkt 5 und breitet sich als Strahl 6 in gleicher Richtung aus wie der einfallende Strahl 2, jedoch um die Strecke y seitlich versetzt.
  • Liegt eine Spannung an der Scheibe 1, so ändert sich die Dicke um den Betrag d', der Laserstrahl verläßt nunmehr die Scheibe nicht mehr am Punkt 5, sondern an dem um den Betrag x verschobenen Punkt 7 als Strahl 8. Nach dem Brechungsgesetz gilt für den einfallenden Strahl 2 n1·sinα = n2·sinβ. Unter der Annahme, daß der einfallende Strahl sich in Luft ausbreitet, ist n1 = 1 und es folgt: sinα = n2·sinβ .
  • Für die Verschiebung des ausfallenden Strahls am Punkt 7 ergibt sich der Zusammenhang sinα = x/d', woraus folgt, daß x = d'·sinα ist. In Verbindung mit dem Brechungsgesetz ergibt sich dann: x = d'·n2·sinβ.
  • Durch die beschriebene Maßnahme erhält man eine seitliche Verschiebung des Laserstrahls. Diese wird bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 durch eine Plankonvexlinse in eine Schwenkbewegung umgewandelt. Bezeichnet man mit R den Krümmungsradius dieser Linse, so errechnet sich aus den geometrischen Bedingungen der Schwenkwinkel zu: δ = arcsin(x/R) – arcsin(n2·x/R) .
  • Bei einer angenommenen seitlichen Verschiebung des Laserstrahls um 0,1 mm und bei einem Krümmungsradius von R = 1 mm, ergibt sich bei der Verwendung von Glas als Linsenmaterial (n3 = 1,52) ein Schwenkwinkel von 3°. Bei einer Verwendung von Kunststoff mit dem Brechungsindex n3 = 1,9 ergeben sich bereits über 5°. Dieses ist ein Wert, der für Abstandsmeßgeräte ausreicht, die für den Einsatz im Straßenverkehr vorgesehen sind. Durch einen kleineren Krümmungsradius R der Linse 9 können entweder noch größere Schwenkwinkel δ erzielt werden oder – wenn dieses nicht erforderlich ist – Piezoelemente mit geringerer Dickendehnung zum Einsatz gelangen.
  • Der vom Objekt, dessen Abstand gemessen werden soll, zurückgeworfene Strahl dringt auf gleichem Wege wie der ausgesendete Strahl in die durch die Plankonvexlinse 9 gebildete Empfangsoptik ein und fällt am Punkt 5 bzw. 7 auf die Oberfläche der Scheibe 1. Von dort wird wegen des höheren Brechungsindex n2 der Scheibe ein Teil des reflektierten Lichts gespiegelt und fällt in den Empfänger, der durch eine Photodiode oder einen Photowiderstand gebildet werden kann.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist die Oberfläche 4 der Scheibe 1 verspiegelt. Die Oberfläche 4 verschiebt sich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes um den Betrag d'. Entsprechend wird der einfallende Strahl 2 anstelle am Punkt 5 am Punkt 7 reflektiert und um den Betrag x seitlich verschoben. Wie bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert, erfolgt dann die Umwandlung der seitlichen Bewegung in eine Schwenkbewegung durch die Plankonvexlinse 9.
  • Der reflektierte Strahl wird am Punkt 5 bzw. 7 reflektiert und trifft nun auf ein Empfängerelement, welches entweder dicht benachbart neben der Laserdiode sitzt oder in Form eines Rings ausgebildet ist, welcher die Abstrahlöffnung der Laserdiode umschließt, d. h., die Laserdiode strahlt durch ein Loch im Empfänger. Da der empfangene Strahl wegen der natürlichen Strahldivergenz einen größeren Durchmesser als der abgestrahlte Strahl besitzt, fällt ausreichend Licht auf den Empfänger.
  • Das Ausführungsbeispiel nach 3 unterscheidet sich von demjenigen nach 2 dadurch, daß anstelle der Konvexlinse 9 ein Zylinder 19 mit einer spiegelnden Oberfläche verwendet wird. Anstelle des Zylinders kann auch eine Kugel verwendet werden. In diesem Zusammenhang sei daraufhingewiesen, daß anstelle der Linse 9 bzw. des Zylinders 19 oder einer entsprechenden Kugel auch Teile dieser Körper brauchbar sind, die jeweils die zur Brechung bzw. Reflexion erforderliche Größe aufweisen. Der nicht seitlich versetzte Strahl trifft unter dem Winkel α1 auf die Zylinderoberfläche auf und wird unter dem Reflexionswinkel α1 reflektiert. Bei Anlegen einer Spannung an die Scheibe 1 erfährt diese eine Dickenänderung d', so daß die seitliche Verschiebung des Laserstrahls um den Betrag x erfolgt. Der reflektierte Strahl 8 trifft nun unter einem von α1 verschiedenen Winkel α2 auf den Zylinder und wird um den Winkel δ gegenüber dem ursprünglichen Strahl geschwenkt.
  • Anstelle der kontinuierlich gekrümmt verlaufenden Oberflächen des Zylinders bzw. der Linse können auch facettierte Oberflächen verwendet werden, die jeweils aus ebenen Flächenelementen bestehen. Damit kann der Laserstrahl inkremental, d. h. um feste Winkelintervalle, geschwenkt werden. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der geschwenkte Strahl nicht durch die Krümmung der Oberfläche aufgeweitet wird.
  • Bei dem in 4 dargestellten nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiel ist ein Teil 12 der Oberfläche des Schiebe 11 verspiegelt, so dass der unter einem Einfallswinkel α einfallende Strahl 17 als Strahl 18 reflektiert wird. Der verspiegelte Teil 12 der Scheibe 11 ist von zwei Elektroden 14, 14' eingefasst, deren Gegenelektroden 15, 15' auf der anderen Seite der Scheibe 11 angeordnet sind. Wird eine Spannung an das Elektrodenpaar 14, 15 und eine Spannung entgegengesetzter Polarität an das Elektrodenpaar 14', 15' angelegt, so erfährt die Schiebe auf der einen Seite eine Ausdehnung, während auf der anderen Seite der verspiegelten Oberfläche 12 eine Kontraktion erfolgt. Hierdurch ergibt sich ein Kippen der spiegelnden Oberfläche 12 um einen Winkel ε gegenüber der Lage ohne angelegt Spannungen. Für den Schwenkwinkel δ ergibt sich dann δ = 2ε = 2·arctan(2d'/z).
  • Der Schwenkwinkel hängt somit von der Dickenänderung der Scheibe und von der Breite z der verspiegelten Oberfläche 12 ab. Die Dickenänderung d' ist spannungsabhängig und proportional zur Dicke d der Scheibe 11. Bei einer Dickenänderung von beispielsweise 1% bei einer Dicke der Scheibe von 1 mm und einer 1 mm breiten verspiegelten Oberfläche ergibt sich nach der oben angegebenen Gleichung ein Schwenkwinkel von etwa 2, 5°. Durch Umkehren der Polarität der an den Elektroden anliegenden Spannung lässt sich diese Schwenkung in beiden Richtungen durchführen.
  • An sich ist es ausreichend, lediglich eines der Elektrodenpaare 14, 15 bzw. 14', 15' zu benutzen. Durch die Benutzung beider Elektrodenpaare ergibt sich jedoch ein wesentlich größerer Effekt. Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde eine Dickenänderung des. Piezoelements ausgenutzt. Bei dem ebenfalls nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiel nach 5 erfolgt dem gegenüber eine tetragonale oder rhomboedrische Deformation. Das in nicht angeregtem Zustand rechteckige Piezoelement 21 weist im angeregten Zustand eine rhombische Form 22 auf. Die Oberfläche des Piezoelements ist verspiegelt und reflektiert den in einem Winkel α einfallenden Strahl. Bei nicht deformiertem Piezoelement 21 tritt ein Strahl 28 aus. Dem gegenüber ist der Strahl 29 bei dem deformierten Piezoelement 22 um den Winkel δ = 2ε geschwenkt. Eine derartige Deformation ist jedoch sehr klein, beispielsweise im Bereich von 20 Winkelminuten. Zur Erzeugung größerer Ablenkwinkel können jedoch mehrere der in 5 dargestellten Elemente hintereinander angeordnet werden.
  • Die Behandlung des reflektierten Strahls erfolgt in Analogie zu den bei den ersten Ausführungsbeispielen beschriebenen Verfahren.
  • 6 stellt schematisch die Erfassung eines vorausfahrenden Kraftfahrzeugs mit einem Laserstrahl zum Zweck der Entfernungsmessung dar. Das Kraftfahrzeug 31 ist mit einem LIDAR-Gerät zur Messung der Entfernung zu einem vorausfahrenden Kraftfahrzeug ausgerüstet. Üblicherweise wird bei einstrahligen LIDAR-Geräten die Strahldivergenz σ1 so eingestellt, dass der Laserstrahl in einer Entfernung von etwa 60 m bis 100 m die Straßenbreite b (circa 3,75 m bei Bundesautobahnen) ausleuchtet. Ein Kraftfahrzeug 32, welches sich in dieser Entfernung befindet, wird somit sicher erfasst, weil sich genügend reflektierende Teile innerhalb des Abtastbereichs befinden. Befindet sich jedoch ein Kraftfahrzeug im Nahbereich, was in 6 mit dem gestrichelten Kraftfahrzeug 33 angedeutet ist, kann es wegen des schmalen Abstrahlwinkels σ2 vorkommen, dass sich kein gut reflektierender Teil des Kraftfahrzeugs 33 im Strahlbereich befindet und somit das Kraftfahrzeug 33 nicht erkannt wird. Es ist daher vorteilhaft, einen breiteren Abtastwinkel σ zu erzeugen und diesen möglichst an die gemessene Entfernung anzupassen.
  • Bei dem ebenfalls nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiel nach 7 ist in Serie zur konventionellen Optik 34 des Lasers 35 eine Flüssigkristall-Linse 36 angeordnet. Durch geeignete Wahl der Potentiale an den Streifenelektroden (8) wird der Laserstrahl gezielt aufgeweitet, wodurch beispielsweise eine größere Strahldivergenz für den Nahbereich bei LIDAR-Geräten erreicht wird.
  • Die Figur zeigt einen Ausschnitt aus einer bei dem nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiel nach 7 verwendeten Flüssigkristall-Linse für verschieden hohe Potentiale zwischen den Streifenelektroden. Eine an sich bekannte Flüssigkristallzelle 38 ist auf der einen Oberfläche mit eine durchsichtigen durchgehenden Elektrode 39 versehen. Auf der anderen Seite der Flüssigkristallzelle 38 befindet sich eine große Anzahl von relativ schmalen, parallelen Streifenelektroden, von denen innerhalb des in 8 dargestellten Ausschnitts lediglich sechs Streifenelektroden 40 bis 45 sichtbar sind. Bei geeigneter Wahl der Potentiale der Streifenelektroden 40 bis 45 lässt sich im Innern der Zelle eine lokalveränderliche Direktorverteilung (Verteilung der Orientierung der Längsachse) erzeugen. Die Potentiale U1 bis U6 verhalten sich zueinander, wie in 8 dargestellt. Bei einer symmetrischen Ansteuerung sind die Potentiale U1 und U6, U2 und US sowie U3 und U4 jeweils betragsmäßig gleich.
  • Wegen der optischen Anisotropie der Flüssigkristallmoleküle (die Brechzahl ist in Längsrichtung der Moleküle eine andere als zu ihrer Normalen) kann man dadurch für Licht einer Polarisationseinrichtung die örtliche Phasenfunktion einer Zylinderlinse erzeugen. Je nach Höhe der anliegenden Potentiale ist dieser Effekt stärker oder weniger stark.
  • Im Gegensatz zu der Darstellung in 8 kann das Feld auch asymmetrisch ausgebildet werden, so daß sich eine Auslenkung des Laserstrahls ergibt. In diesem Fall gilt für die Potentiale beispielsweise U1 > U2 > U3 > U4 > U5 = U6.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Schwenken eines Laserstrahls, wobei ein Piezoelement mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement unter der Wirkung eines elektrischen Feldes veränderlicher Stärke derart deformiert wird, dass die Deformation des Piezoelements zu einer Parallelverschiebung mindestens einer Oberfläche des Piezoelements führt, dass der Laserstrahl unter einem stumpfen Winkel auf die Oberfläche auftrifft, dass ein vom Piezoelement umgelenkter Laserstrahl einen seitlichen Versatz in Abhängigkeit von der Parallelverschiebung der Oberfläche aufweist und dass der seitliche Versatz an einer gekrümmten Oberfläche eines optischen Elements in eine Auslenkung umgesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch ein transparentes Piezoelement hindurchtritt und dass durch die Deformation des Piezoelements der Abstand zwischen der Eintritts- und der Austrittsfläche geändert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl an der Oberfläche des Piezoelements reflektiert wird.
  4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement von einer transparenten Scheibe gebildet ist, deren Dicke mit der Feldstärke steuerbar ist, dass die Scheibe schräg im Weg des Laserstrahls angeordnet ist und dass im Weg des aus der Scheibe austretenden Laserstrahls das optische Element mit der gekrümmten Oberfläche angeordnet ist.
  5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement eine reflektierende Oberfläche aufweist, auf welche der Laserstrahl in einem Winkel von 45° auftrifft, dass die reflektierende Oberfläche in Abhängigkeit von der Feldstärke parallel verschiebbar ist und dass im Weg des reflektierenden Strahls das optische Element mit der gekrümmten Oberfläche angeordnet ist.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element transparent ist und dass der Laserstrahl nach einer Brechung an mindestens einer gekrümmten Oberfläche aus dem optischen Element heraustritt.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein Spiegel ist.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Oberfläche aus einer Mehrzahl ebener Flächenelemente zusammengesetzt ist.
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