EP3583445A1 - Lidar-sensor zur erfassung eines objektes - Google Patents

Lidar-sensor zur erfassung eines objektes

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EP3583445A1
EP3583445A1 EP18703985.4A EP18703985A EP3583445A1 EP 3583445 A1 EP3583445 A1 EP 3583445A1 EP 18703985 A EP18703985 A EP 18703985A EP 3583445 A1 EP3583445 A1 EP 3583445A1
Authority
EP
European Patent Office
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electromagnetic radiation
lidar sensor
optical receiver
sensor according
optical
Prior art date
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Pending
Application number
EP18703985.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Stoppel
Thomas FERSCH
Hans-Jochen Schwarz
Jan Sparbert
Reiner Schnitzer
Thorsten Balslink
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3583445A1 publication Critical patent/EP3583445A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4812—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver transmitted and received beams following a coaxial path
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements

Definitions

  • Lidar sensor for detecting an object
  • the present invention relates to a lidar sensor and a method for driving a lidar sensor according to the preamble of independently formulated claims.
  • lidar sensors LIDAR, Light Detection and Ranging
  • the electromagnetic radiation emitted by a lidar sensor is reflected or scattered by objects in the environment and received by an optical receiver of the lidar sensor. Based on this received radiation, the position and distance of objects in the environment can be determined.
  • lidar sensors In order to install lidar sensors to save space in or on certain areas of a vehicle, lidar sensors would be advantageous, the lower construction volume or a lower height than previously known solutions exhibit. Furthermore, there is a need for mechanically robust lidar sensors, especially for use in vehicles.
  • the present invention is based on a lidar sensor for detecting an object in the environment with at least one light source for emitting electromagnetic radiation, at least one deflection mirror for deflecting the emitted electromagnetic radiation as deflected emitted electromagnetic radiation by at least one angle in the environment, and at least an optical receiver for receiving
  • the optical receiver has a cutout region, wherein the cutout region is arranged on a main beam axis of the light source.
  • the deflection mirror can be moved in an oscillating manner along an axis. It is in this case a one-dimensional deflection mirror.
  • the deflection mirror can alternatively be moved in an oscillating manner along two axes. It is in this case a two-dimensional deflection mirror.
  • a plausibility check of a measured distance of an object detected in the environment can be carried out. This possibility results from the fact that the deflection mirror causes a shift of the received electromagnetic radiation according to the duration of the electromagnetic radiation.
  • the advantage of the invention is that a lidar sensor with a low construction volume, in particular a low overall height can be realized. Characterized in that the recess area on a main axis of the
  • Light source is arranged, the beam path of the emitted
  • Electromagnetic radiation and the beam path of the received electromagnetic radiation coaxial with each other. Optical losses In the beam path of the emitted and the received electromagnetic radiation can be largely avoided. Above all, the received electromagnetic radiation can be received as far as possible lossless from the optical receiver.
  • the optical receiver can be sufficiently large and sufficiently sensitive.
  • the optical receiver has at least one detector element which at least partially surrounds the recess area.
  • the optical receiver may for example be formed as a single, annular detector element.
  • the optical receiver may for example be formed as a single, semi-annular detector element.
  • the optical receiver can furthermore be designed as a single, polygonal detector element.
  • Detector elements are easy to implement in their manufacture.
  • the optical receiver has at least two detector elements, which are arranged on at least part of the circumference of the optical receiver.
  • the recess area is formed as a passage.
  • the passage can be a hole.
  • the passage may be a material which is largely permeable to the emitted electromagnetic radiation.
  • the light source is arranged on the side facing away from the environment of the optical receiver.
  • the recess area is designed as a mirror.
  • Receiver is arranged.
  • the advantage of this embodiment is that a very compact coaxial lidar sensor can be realized.
  • Deflecting mirror is designed as a micromechanical deflection mirror. Both the emitted electromagnetic radiation, which strikes the deflection mirror, and the received electromagnetic radiation, which on the
  • Ablenktik meets may have a small beam diameter.
  • a small-sized deflection mirror with a correspondingly high sampling frequency can be used. It can be realized a lidar sensor, which is sufficiently mechanically robust.
  • the lidar sensor further comprises a field of micro-optical elements.
  • the deflection mirror and the field are arranged such that each of the at least one angles is associated with exactly one micro-optical element.
  • Each element may be associated with multiple angles of different amounts.
  • the lidar sensor further comprises a light-bundling element, which at a distance to the
  • micro-optical elements When struck by the deflected emitted electromagnetic radiation, expands this deflected emitted electromagnetic energy
  • the light-bundling element transforms the divergent beam into a scanning beam.
  • the advantage of this embodiment is that the eye safety can be ensured even with increased overall power of the emitted electromagnetic radiation.
  • the beam diameter of the probe beam may be larger than the pupil diameter of the human eye.
  • the sensitivity to scattering particles can be kept low.
  • the emitted electromagnetic radiation deflected at the deflecting mirror does not directly scan the surroundings but rather the field of micro-optical elements.
  • the direction in which the scanning beam is emitted depends on the position of the respective micro-optical element hit relative to the optical axis of the light-bundling element.
  • the opening angle of the lidar sensor can therefore be significantly greater than the angle by which the electromagnetic radiation at the deflection mirror is deflected to the maximum. In this way, scanning with a wide opening angle is made possible.
  • micro-optical elements are microlenses or reflective or light-diffractive elements.
  • the focusing element may be an optical lens in the focal plane of the field of micro-optical elements.
  • the divergent beam is transformed into a scanning beam in which the beams are nearly parallel.
  • a concave mirror would be conceivable instead of a lens.
  • the light-bundling element also forms an objective of the optical receiver. This allows the received electromagnetic radiation to be coaxial with the emitted electromagnetic radiation. As a result, in the evaluation of the received electromagnetic radiation no
  • a mirror unit is arranged on the optical axis of the light-bundling element, which deflects the deflected emitted electromagnetic radiation to the field of micro-optical elements.
  • the mirror unit also received electromagnetic radiation can be deflected to the deflection mirror.
  • the advantage of this embodiment is that the beam path of the lidar sensor can be adjusted.
  • the mirror unit is curved. The advantage of this embodiment is that aberrations can be compensated.
  • the method comprises the following steps: activation of a light source for
  • the optical receiver has a cutout region, wherein the cutout region is arranged on a main beam axis of the light source.
  • FIG. 1 shows a sketch of a lidar sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows a sketch of a lidar sensor according to a second
  • FIG. 3 shows a sketch of a lidar sensor according to a third
  • FIG. 4 shows a sketch of a lidar sensor according to a fourth
  • the lidar sensor shown in FIG. 1 has, as light source 101, a laser which emits electromagnetic radiation 105 in the visible region of the spectrum or optionally also in the infrared region.
  • the lidar sensor also has the optical receiver 102.
  • the optical receiver 102 is formed in the example as an annular detector element 107.
  • the optical receiver 102 has the detector element 107, which comprises a recess region 103 at least partially. A sensitive area of the detector element may be present in whole or in part around the recess area 103.
  • Detector element 107 has the recess area 103 in its center.
  • the recess area 103 is formed as a passage.
  • the light source 101 is arranged on the side of the optical receiver 102 facing away from the environment.
  • the optical receiver 102 is arranged such that the passage 103 is arranged on the main beam axis 108 of the light source 101. The light emitted from the light source 101 along the main beam axis 108
  • Electromagnetic radiation 105 is directed lossless through the passage 103 to the deflecting mirror 104.
  • a free-beam optics is shown by way of example.
  • the emitted electromagnetic radiation 105 can also be directed by means of an optical fiber through the passage 103 onto the deflection mirror 104.
  • the deflection mirror 104 is a micromechanical deflection mirror. As indicated by the double arrow, the deflection mirror 104 is oscillated or statically moved along an axis. It is still possible that the
  • Deflection mirror 104 about a second axis which is perpendicular to the first axis, oscillating or static moves.
  • the deflecting mirror 104 deflects the emitted electromagnetic radiation 105 as deflected emitted
  • electromagnetic radiation 105-1 into the environment.
  • the control of the deflecting mirror 104 takes place in this case such that the emitted electromagnetic radiation 105 is deflected in a first orientation by at least one angle as deflected electromagnetic radiation 105-1 emitted into the environment. In FIG. 1, this one angle 109 is marked. In a second orientation of the deflection mirror, the emitted electromagnetic
  • Radiation 105 are deflected at least one further, different from the first angle angle as deflected emitted electromagnetic radiation 105-1 in the environment.
  • the deflected emitted electromagnetic radiation 105-1 impinges on an object in the environment, then the electromagnetic radiation is emitted by the Object reflected and / or scattered back.
  • Backscattered electromagnetic radiation 106 is received by the lidar sensor.
  • the electromagnetic radiation 106 is incident on the optical receiver 102 via the deflection mirror 104.
  • FIG. 2 shows, as a modified exemplary embodiment, a lidar sensor which has the same fundamental structure as the lidar sensor in FIG. It differs in that the optical receiver 102 the
  • Detector elements 107-1 to 107-4 which are arranged on at least part of the circumference of the optical receiver 102.
  • Detector elements 107-1 to 107-4 are arranged around the recess area 103. It is also possible that the optical receiver 102 has, for example, only three of the detector elements. For example, it is possible for the optical receiver 102 to have only the detector elements 107-1 to 107-3. In this case would be at a part of the scope of the optical
  • Receiver 102 no detector element arranged. It is also possible that the optical receiver 102 has only two detector elements or only one detector element. Around the recess area 103 may be present wholly or even proportionally sensitive surface of the detector elements.
  • FIG. 3 shows, as a further exemplary embodiment, a lidar sensor which likewise has a light source 101, an optical receiver 102 and a deflection mirror 104.
  • the features of these components correspond to the features of the same components of the embodiments already described.
  • the optical receiver can in this case be designed as already shown for the examples of FIG. 1 and FIG.
  • the optical receiver 102 is formed in the example as an annular detector element 107.
  • the optical receiver 102 has the detector element 107, which comprises a recess region 301 at least partially.
  • the detector element 107 has the recess area 301 in its center.
  • the recess portion 301 is formed as a mirror.
  • the light source 101 is disposed on the environment-facing side of the optical receiver 102.
  • the optical receiver 102 is arranged such that the mirror 301 is arranged on the main beam axis 108 of the light source 101.
  • the electromagnetic radiation 105 emitted by the light source 101 along the main beam axis 108 is deflected by the mirror 301 to the deflection mirror 104 largely without any loss.
  • FIG. 3 shows, by way of example, a free-beam optics. Alternatively, the emitted electromagnetic
  • Radiation 105 are also directed by means of an optical fiber on the mirror 301 and deflected to the deflecting mirror 104.
  • FIG. 4 shows a lidar sensor according to a further embodiment, which likewise has a light source 101, an optical receiver 102 and a deflection mirror 104.
  • the features of these components correspond to the features of the same components of those already described
  • the optical receiver can in this case be designed as already shown for the examples of FIG. 1, FIG. 2 and FIG.
  • the optical receiver 102 has the detector element 107.
  • the detector element 107 has the recess area 301 in its center.
  • the recess portion 301 is formed as a mirror.
  • the optical receiver 102 further includes the optical filter 401
  • the optical receiver 102 further comprises a free-form plastic optics 402. This serves to focus the received light onto the sensitive areas of the detector.
  • the electromagnetic radiation 105 directed by the light source 101 along the main beam axis 108 onto the mirror 301 and deflected as far as possible without loss onto the deflection mirror 104 of the lidar sensor is generated by means of the light source 101
  • Deflecting mirror 104 guided as deflected electromagnetic radiation emitted 105-1 on a field 404 micro-optical elements 408.
  • micro-optical elements light-diffractive elements 408 are provided in this example. Optionally, however, could also be provided light-refractive or reflective elements.
  • the at least one angle through which the emitted electromagnetic radiation 105 deflects deflected electromagnetic radiation 105-1 is precisely assigned to a micro-optical elements 408-1, 408-2.
  • the drawn in Figure 4 angle 109 is associated with the micro-optical elements 408-1.
  • Each element 408 may be associated with multiple angles of different amounts. For example, if the emitted electromagnetic radiation 105 is deflected by the deflecting mirror 104 by an angle the amount of which differs slightly from the amount of the angle 109, the deflected emitted electromagnetic radiation 105-1 also strikes the micro-optical element 408-1. If the difference between the magnitudes of the angle 109 and a further deflection angle exceeds a predetermined value, then the deflected emitted electromagnetic radiation 105-1 strikes, for example, the adjacent micro-optical element 408-2.
  • the divergent beam 406 strikes a light-converging element in the form of a lens 405.
  • the distance y between the field 404 and the lens 405 is approximately equal to the focal length of the lens 405.
  • the lens 405 forms the divergent beam 406 into an approximately parallel scanning beam 407 around.
  • the beam diameter of the scanning beam 407 is larger than the beam diameter of the beam of the emitted electromagnetic radiation 105
  • Beam diameter of the probe beam 407 is larger than the beam diameter of the beam of the deflected emitted electromagnetic radiation 105-1.
  • the emission direction of the probe beam 407 depends on the position of the micro-optic element 408, with respect to the optical axis of the light-focusing element 405, that is just emitted from the deflected one
  • the deflection mirror 104 indirectly also causes a deflection of the scanning beam 407.
  • the scanning beam 407 covers the surroundings of the lidar sensor.
  • the angular range swept by the probe beam 407 is dependent on the focal length of the lens 405. It can be significantly more than twice the angular range in which the deflection mirror 104 is moved. Between the deflecting mirror 104 and the field 404 is another
  • Mirror unit 403 provided.
  • the mirror unit 403 is arranged at a distance x from the field 404.
  • This further mirror unit 403 is designed to compensate for aberrations as a curved mirror.
  • the mirror unit 403 deflects the electromagnetic radiation 105 deflected by the deflecting mirror 104 so that it falls onto the field 404 along the optical axis of the lens 405.
  • electromagnetic radiation 106 can be deflected to the deflection mirror 104.

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Abstract

Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung, sowie ein Verfahren zur Ansteuerung des Lidar-Sensors, wobei der Lidar-Sensor eine Lichtquelle (101) zur Emission elektromagnetischer Strahlung, einen Ablenkspiegel (104) zum Ablenken der emittierten elektromagnetischen Strahlung (105) als abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung (105-1) um wenigstens einen Winkel (109) in die Umgebung, und einen optischen Empfänger (107) zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung (106), die vom Objekt reflektiert wurde, aufweist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der optische Empfänger (107) einen Aussparungsbereich (103) aufweist, wobei der Aussparungsbereich (103) auf einer Hauptstrahlachse (108) der Lichtquelle (101) angeordnet ist.

Description

Beschreibung Titel
Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lidar-Sensor und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors gemäß dem Oberbegriff der unabhängig formulierten Ansprüche.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Sensoreinrichtungen bekannt, d es ermöglichen, Objekte innerhalb eines Abtastraumes in der Umgebung beispielsweise eines Fahrzeugs zu erfassen. Hierzu gehören Lidar-Sensoren (LIDAR, Light Detection And Ranging), mit denen die Umgebung des Fahrzeug abgetastet wird. Die von einem Lidar-Sensor emittierte elektromagnetische Strahlung wird von Objekten in der Umgebung reflektiert bzw. zurückgestreut u von einem optischen Empfänger des Lidar-Sensors empfangen. Anhand dieser empfangenen Strahlung können die Position und die Entfernung von Objekten in der Umgebung bestimmt werden.
Aus der DE102008055159 AI ist eine Vorrichtung zur Aufnahme der Geometrie der Umgebung der Vorrichtung in einem Detektionsfeld mittels Laserabtastung mit einem durch einen schwingenden mikromechanischen Spiegel gelenkten Laserstrahl bekannt. Hierbei ist das Detektionsfeld in vertikaler und in horizontaler Richtung durch eine Anpassung der Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz des mikromechanischen Spiegels vorgebbar.
Um Lidar-Sensoren platzsparend in oder an bestimmten Bereichen eines Fahrzeugs anzubringen, wären Lidar-Sensoren von Vorteil, die ein geringeres Bauvolumen bzw. eine geringere Bauhöhe als bisher bekannte Lösungen aufweisen. Weiterhin ist ein Bedarf an mechanisch robusten Lidar-Sensoren insbesondere für die Verwendung in Fahrzeugen vorhanden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung mit wenigstens einer Lichtquelle zur Emission elektromagnetischer Strahlung, wenigstens einem Ablenkspiegel zum Ablenken der emittierten elektromagnetischen Strahlung als abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung um wenigstens einen Winkel in die Umgebung, und wenigstens einem optischen Empfänger zum Empfangen
elektromagnetischer Strahlung, die vom Objekt reflektiert wurde.
Erfindungsgemäß weist der optische Empfänger einen Aussparungsbereich auf, wobei der Aussparungsbereich auf einer Hauptstrahlachse der Lichtquelle angeordnet ist.
Der Ablenkspiegel kann entlang einer Achse oszillierend bewegt werden. Es handelt sich in diesem Fall um einem eindimensionalen Ablenkspiegel. Der Ablenkspiegel kann alternativ entlang zweier Achsen oszillierend bewegt werden. Es handelt sich in diesem Fall um einen zweidimensionalen Ablenkspiegel.
Anhand der Position und der Leistung der empfangenen elektromagnetischen Strahlung auf dem optischen Empfänger kann eine Plausibilisierung einer gemessenen Entfernung eines in der Umgebung erfassten Objektes durchgeführt werden. Diese Möglichkeit ergibt sich dadurch, dass der Ablenkspiegel eine Verschiebung der empfangenen elektromagnetischen Strahlung entsprechend der Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung bewirkt.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Lidar-Sensor mit geringem Bauvolumen, insbesondere einer geringen Bauhöhe realisiert werden kann. Dadurch, dass der Aussparungsbereich auf einer Hauptstrahlachse der
Lichtquelle angeordnet ist, können der Strahlengang der emittierten
elektromagnetischen Strahlung und der Strahlengang der empfangenen elektromagnetischen Strahlung koaxial zueinander verlaufen. Optische Verluste im Strahlengang der emittierten und der empfangenen elektromagnetischen Strahlung können weitestgehend vermieden werden. Vor allem die empfangene elektromagnetische Strahlung kann weitestgehend verlustfrei vom optischen Empfänger empfangen werden. Der optische Empfänger kann ausreichend groß und ausreichend sensitiv sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Empfänger wenigstens ein Detektorelement aufweist, welches den Aussparungsbereich zumindest anteilig umfasst. Der optische Empfänger kann beispielsweise als ein einzelnes, ringförmiges Detektorelement ausgebildet sein. Der optische Empfänger kann beispielsweise als ein einzelnes, halbringförmiges Detektorelement ausgebildet sein. Der optische Empfänger kann weiterhin als ein einzelnes, vieleckiges Detektorelement ausgebildet sein. Derartige
Detektorelemente sind in ihrer Herstellung einfach zu realisieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Empfänger wenigstens zwei Detektorelemente aufweist, welche an wenigstens einem Teil des Umfangs des optischen Empfängers angeordnet sind Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass je nach Anforderungen an den Lidar-Sensor verschiedene Bauweisen und Geometrien des optischen Empfängers realisiert werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aussparungsbereich als Durchlass ausgebildet ist. Bei den Durchlass kann es sich um ein Loch handeln. Alternativ kann es sich bei den Durchlass um ein Material handeln, welches für die emittierte elektromagnetische Strahlung weitestgehend durchlässig ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtquelle auf der der Umgebung abgewandten Seite des optischen Empfängers angeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein sehr kompakter koaxialer Lidar-Sensor realisiert werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, d der Aussparungsbereich als Spiegel ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass je nach Anforderungen an den Lidar-Sensor weitere Geometrien des Strahlengang realisiert werden können.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtquelle auf der der Umgebung zugewandten Seite des optischen
Empfängers angeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein sehr kompakter koaxialer Lidar-Sensor realisiert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der
Ablenkspiegel als mikromechanischer Ablenkspiegel ausgebildet ist. Sowohl die emittierte elektromagnetische Strahlung, welche auf den Ablenkspiegel trifft, als auch die empfangene elektromagnetische Strahlung, welche auf den
Ablenkspiegel trifft, können einen kleinen Strahldurchmesser aufweisen.
Hierdurch kann ein kleinbauender Ablenkspiegel mit entsprechend hoher Abtastfrequenz verwendet werden. Es kann ein Lidar-Sensor realisiert werden, welcher ausreichend mechanisch robust ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Lidar- Sensor weiterhin ein Feld mikro-optischer Elemente aufweist. Der Ablenkspiegel und das Feld sind derart angeordnet, dass jeder der wenigstens eine Winkel genau einem mikro-optischen Element zugeordnet ist. Es können jedem Element mehrere Winkel verschiedener Beträge zugeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Lidar-Sensor weiterhin ein Licht-bündelndes Element auf, welches in einem Abstand zu dem
Feld mikro-optischer Elemente angeordnet ist. Jedes der mikro-optischen Elemente weitet, wenn es von der abgelenkten emittierten elektromagnetischen Strahlung getroffen wird, diese abgelenkte emittierte elektromagnetische
Strahlung zu einem divergenten Strahl auf. Das Licht-bündelnde Element formt den divergenten Strahl in einen Taststrahl um. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Augensicherheit auch bei erhöhter Gesamtleistung der emittierten elektromagnetischen Strahlung gewährleistet werden kann. Der Strahldurchmesser des Taststrahls kann größer als der Pupillendurchmesser des menschlichen Auges sein. Die Empfindlichkeit gegenüber Streupartikeln kann gering gehalten werden. Die am Ablenkspiegel abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung tastet nicht unmittelbar die Umgebung ab, sondern das Feld mikro-optischer Elemente. Die Richtung, in die der Taststrahl abgestrahlt wird, ist von der Lage des jeweils getroffenen mikro-optischen Elements relativ zur optischen Achse des Lichtbündelnden Elements abhängig. Der Öffnungswinkel des Lidar-Sensors kann deshalb deutlich größer sein als der Winkel, um den die elektromagnetische Strahlung am Ablenkspiegel maximal abgelenkt wird. Auf diese Weise wird eine Abtastung mit weitem Öffnungswinkel ermöglicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mikro-optischen Elemente Mikrolinsen oder reflektierende oder Lichtbeugende Elemente sind.
Das bündelnde Element kann eine optische Linse sein, in deren Fokusebene das Feld mikro-optischer Elemente liegt. Hierdurch wird der divergente Strahl in einen Taststrahl umgeformt, bei dem die Strahlen nahezu parallel sind. Alternativ wäre anstelle einer Linse auch ein Hohlspiegel denkbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Licht-bündelnde Element zugleich ein Objektiv des optischen Empfängers bildet. Hierdurch kann die empfangene elektromagnetische Strahlung mit der emittierten elektromagnetischen Strahlung koaxial sein. Dadurch müssen bei der Auswertung der empfangenen elektromagnetischen Strahlung keine
Paradoxenfehler berücksichtigt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der optischen Achse des Licht-bündelnden Elements eine Spiegeleinheit angeordnet ist, die die abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung auf das Feld mikro-optischer Elemente umlenkt. Mittels der Spiegeleinheit kann ebenfalls empfangene elektromagnetische Strahlung auf den Ablenkspiegel umgelenkt werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Strahlengang des Lidar-Sensors angepasst werden kann. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spiegeleinheit gewölbt ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass Abbildungsfehler ausgeglichen werden können. Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-
Sensors zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung beansprucht. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Ansteuerung einer Lichtquelle zur
Emission elektromagnetischer Strahlung, Ansteuerung eines Ablenkspiegel zur Ablenkung der emittierten elektromagnetischen Strahlung als abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung um wenigstens einen Winkel in die
Umgebung und Empfangen elektromagnetischer Strahlung, die vom Objekt reflektiert wurde, mittels eines optischen Empfängers. Hierbei weist der optische Empfänger einen Aussparungsbereich auf, wobei der Aussparungsbereich auf einer Hauptstrahlachse der Lichtquelle angeordnet ist.
Zeichnungen
Nachfolgend werden vier Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Skizze eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors;
Figur 2 eine Skizze eines Lidar-Sensors gemäß einer zweiten
Ausführungsform;
Figur 3 eine Skizze eines Lidar-Sensors gemäß einer dritten
Ausführungsform;
Figur 4 eine Skizze eines Lidar-Sensors gemäß einer vierten
Ausführungsform;
Der in Figur 1 gezeigte Lidar-Sensor weist als Lichtquelle 101 einen Laser auf, der elektromagnetische Strahlung 105 im sichtbaren Bereich des Spektrums oder wahlweise auch im Infrarotbereich emittiert. Der Lidar-Sensor weist weiterhin den optischen Empfänger 102 auf. Der optische Empfänger 102 ist im Beispiel als ringförmiges Detektorelement 107 ausgebildet. Der optische Empfänger 102 weist das Detektorelement 107 auf, welches einen Aussparungsbereich 103 wenigstens anteilig umfasst. Um den Aussparungsbereich 103 kann ganz oder auch anteilig eine sensitive Fläche des Detektorelements vorliegen. Das
Detektorelement 107 weist in seinem Zentrum den Aussparungsbereich 103 auf. Der Aussparungsbereich 103 ist als Durchlass ausgebildet. Die Lichtquelle 101 ist auf der der Umgebung abgewandten Seite des optischen Empfängers 102 angeordnet. Der optische Empfänger 102 ist so angeordnet, dass der Durchlass 103 auf der Hauptstrahlachse 108 der Lichtquelle 101 angeordnet ist. Die von der Lichtquelle 101 entlang der Hauptstrahlachse 108 emittierte
elektromagnetische Strahlung 105 wird weitestgehend verlustfrei durch den Durchlass 103 auf den Ablenkspiegel 104 gerichtet. In Figur 1 ist beispielhaft eine Freistrahloptik gezeigt. Alternativ kann die emittierte elektromagnetische Strahlung 105 auch mittels einer Lichtleitfaser durch den Durchlass 103 auf den Ablenkspiegel 104 gerichtet werden.
Der Ablenkspiegel 104 ist ein mikromechanischer Ablenkspiegel. Wie durch den Doppelpfeil angedeutet, wird der Ablenkspiegel 104 entlang einer Achse oszillierend oder statisch bewegt. Es ist weiterhin möglich, dass der
Ablenkspiegel 104 um eine zweite Achse, die rechtwinklig zur ersten Achse verläuft, oszillierend oder statisch bewegt wird. Der Ablenkspiegel 104 lenkt die emittierte elektromagnetische Strahlung 105 als abgelenkte emittierte
elektromagnetische Strahlung 105-1 in die Umgebung ab. Die Ansteuerung des Ablenkspiegels 104 erfolgt hierbei derart, dass die emittierte elektromagnetische Strahlung 105 bei einer ersten Ausrichtung um wenigstens einen Winkel als abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung 105-1 in die Umgebung abgelenkt wird. In Figur 1 ist dieser eine Winkel 109 markiert. Bei einer zweiten Ausrichtung des Ablenkspiegels kann die emittierte elektromagnetische
Strahlung 105 um wenigstens einen weiteren, vom ersten Winkel verschiedenen, Winkel als abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung 105-1 in die Umgebung abgelenkt werden.
Trifft die abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung 105-1 in der Umgebung auf ein Objekt, so wird die elektromagnetische Strahlung von dem Objekt reflektiert und/oder zurück gestreut. Die reflektierte und/oder
zurückgestreute elektromagnetische Strahlung 106 wird vom Lidar-Sensor empfangen. Die elektromagnetische Strahlung 106 fällt über den Ablenkspiegel 104 auf den optischen Empfänger 102.
Figur 2 zeigt als modifiziertes Ausführungsbeispiel einen Lidar-Sensor, der den gleichen grundsätzlichen Aufbau wie der Lidar-Sensor in Figur 1 aufweist. Er unterscheidet sich dadurch, dass der optische Empfänger 102 die
Detektorelemente 107-1 bis 107-4 aufweist, welche an wenigstens einem Teil des Umfangs des optischen Empfängers 102 angeordnet sind. Die
Detektorelemente 107-1 bis 107-4 sind um den Aussparungsbereich 103 herum angeordnet. Möglich ist auch, dass der optische Empfänger 102 beispielsweise lediglich drei der Detektorelemente aufweist. Es ist beispielsweise möglich, dass der optische Empfänger 102 lediglich die Detektorelemente 107-1 bis 107-3 aufweist. In diesem Fall wäre an einem Teil des Umfangs des optischen
Empfängers 102 kein Detektorelement angeordnet. Es ist ebenfalls möglich, dass der optische Empfänger 102 lediglich zwei Detektorelemente oder lediglich ein Detektorelement aufweist. Um den Aussparungsbereich 103 können ganz oder auch anteilig sensitive Fläche der Detektorelemente vorliegen.
Figur 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen Lidar-Sensor, der ebenfalls eine Lichtquelle 101, einen optischen Empfänger 102 und einen Ablenkspiegel 104 aufweist. Die Merkmale dieser Komponenten entsprechen den Merkmalen der gleichen Komponenten der bereits beschriebenen Ausführungsbeispiele. Insbesondere der optische Empfänger kann hierbei so ausgebildet sein, wie es bereits für die Beispiele der Figur 1 und Figur 2 aufgezeigt wurde. Der optische Empfänger 102 ist im Beispiel als ringförmiges Detektorelement 107 ausgebildet. Der optische Empfänger 102 weist das Detektorelement 107 auf, welches einen Aussparungsbereich 301 zumindest anteilig umfasst.
Das Detektorelement 107 weist in seinem Zentrum den Aussparungsbereich 301 auf. Der Aussparungsbereich 301 ist als Spiegel ausgebildet. Die Lichtquelle 101 ist auf der der Umgebung zugewandten Seite des optischen Empfängers 102 angeordnet. Der optische Empfänger 102 ist so angeordnet, dass der Spiegel 301 auf der Hauptstrahlachse 108 der Lichtquelle 101 angeordnet ist. Die von der Lichtquelle 101 entlang der Hauptstrahlachse 108 emittierte elektromagnetische Strahlung 105 wird weitestgehend verlustfrei vom Spiegel 301 auf den Ablenkspiegel 104 umgelenkt. In Figur 3 ist beispielhaft eine Freistrahloptik gezeigt. Alternativ kann die emittierte elektromagnetische
Strahlung 105 auch mittels einer Lichtleitfaser auf den Spiegel 301 gerichtet und auf den Ablenkspiegel 104 umgelenkt werden.
Figur 4 zeigt einen Lidar-Sensor gemäß einer weiteren Ausführungsform, der ebenfalls eine Lichtquelle 101, einen optischen Empfänger 102 und einen Ablenkspiegel 104 aufweist. Die Merkmale dieser Komponenten entsprechen den Merkmalen der gleichen Komponenten der bereits beschriebenen
Ausführungsbeispiele. Insbesondere der optische Empfänger kann hierbei so ausgebildet sein, wie es bereits für die Beispiele der Figur 1, Figur 2 und Figur 3 aufgezeigt wurde. Der optische Empfänger 102 weist das Detektorelement 107 auf. Das Detektorelement 107 weist in seinem Zentrum den Aussparungsbereich 301 auf. Der Aussparungsbereich 301 ist als Spiegel ausgebildet. Der optische Empfänger 102 weist weiterhin den optischen Filter 401 zur
Einschränkung/Reduzierung der unerwünschen elektromagnetischen Strahlung auf. Der optische Empfänger 102 weist weiterhin eine Freiform- Kunststoffoptik 402 auf. Diese dient dazu, dass empfangene Licht auf die sensitiven Flächen des Detektors zu bündeln.
Bei dem in Figur 4 gezeigten Lidar-Sensor wird die von der Lichtquelle 101 entlang der Hauptstrahlachse 108 auf den Spiegel 301 gerichtete und weitestgehend verlustfrei auf den Ablenkspiegel 104 des Lidar-Sensors umgelenkte, emittierte elektromagnetische Strahlung 105 mittels des
Ablenkspiegel 104 als abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung 105-1 auf ein Feld 404 mikrooptischer Elemente 408 geführt. Als mikrooptische Elemente sind in diesem Beispiel Licht-beugende Elemente 408 vorgesehen. Wahlweise könnten jedoch auch Licht-brechende oder -reflektierende Elemente vorgesehen sein.
Der wenigstens eine Winkel, um den die emittierte elektromagnetische Strahlung 105 als abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung 105-1 abgelenkt wird, ist genau einem mikro-optischen Elemente 408-1, 408-2 zugeordent. Der in Figur 4 eingezeichnete Winkel 109 ist dem mikro-optischen Elemente 408-1 zugeordnet. Es können jedem Element 408 mehrere Winkel verschiedener Beträge zugeordnet sein. Wird beispielsweise die emittierte elektromagnetische Strahlung 105 vom Ablenkspiegel 104 um einen Winkel abgelenkt, dessen Betrag sich geringfügig vom Betrag des Winkels 109 unterscheidet, so trifft die abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung 105-1 ebenso auf das mikrooptische Elemente 408-1. Überschreitet die Differenz der Beträge des Winkels 109 und eines weiteren Ablenkwinkels einen vorgegebenen Wert, so trifft die abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung 105-1 beispielsweise auf das benachbarte mikro-optische Element 408-2.
Dasjenige der Licht-beugenden Elemente 408, das von der abgelenkten elektromagnetischen Strahlung 105-1 getroffen wird, weitet die abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung 105-1 zu einem divergenten Strahl 406 auf. Der divergente Strahl 406 trifft auf ein Licht-bündelndes Element in Form einer Linse 405. Der Abstand y zwischen dem Feld 404 und der Linse 405 entspricht etwa der Brennweite der Linse 405. Die Linse 405 formt den divergenten Strahl 406 in einen annähernd parallelen Taststrahl 407 um. Der Strahldurchmesser des Taststrahls 407 ist größer als der Strahldurchmesser des Strahls der emittierten elektromagnetischen Strahlung 105. Der
Strahldurchmesser des Taststrahls 407 ist größer als der Strahldurchmesser des Strahls der abgelenkten emittierten elektromagnetischen Strahlung 105-1.
Die Abstrahlrichtung des Taststrahls 407 ist von der Lage des mikrooptischen Elements 408, in Bezug auf die optische Achse des Licht-bündelnden Elements 405, abhängig, dass gerade von der abgelenkten emittierten
elektromagnetischen Strahlung 105-1 getroffen wird. Auf diese Weise bewirkt der Ablenkspiegel 104 mittelbar auch eine Ablenkung des Taststrahls 407. Der Taststrahl 407 überstreicht die Umgebung des Lidar-Sensors. Der Winkelbereich, der von dem Taststrahl 407 überstrichen wird, ist von der Brennweite der Linse 405 abhängig. Er kann deutlich mehr als das zweifache des Winkelbereichs betragen, in dem der Ablenkspiegel 104 bewegt wird. Zwischen dem Ablenkspiegel 104 und dem Feld 404 ist eine weitere
Spiegeleinheit 403 vorgesehen. Die Spiegeleinheit 403 ist in einem Abstand x zum Feld 404 angeordnet. Diese weitere Spiegeleinheit 403 ist zum Ausgleich von Abbildungsfehlern als gewölbter Spiegel ausgebildet. Die Spiegeleinheit 403 lenkt die vom Ablenkspiegel 104 abgelenkte elektromagnetische Strahlung 105 so um, dass sie längs der optischen Achse der Linse 405 auf das Feld 404 fällt. Mittels der Spiegeleinheit 403 kann ebenfalls empfangene elektromagnetische Strahlung 106 auf den Ablenkspiegel 104 umgelenkt werden.

Claims

Ansprüche
Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung mit wenigstens
• einer Lichtquelle (101) zur Emission elektromagnetischer Strahlung,
• einem Ablenkspiegel (104) zum Ablenken der emittierten elektromagnetischen Strahlung (105) als abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung (105-1) um wenigstens einen Winkel (109) in die Umgebung, und
• einem optischen Empfänger (102) zum Empfangen elektromagnetischer
Strahlung (106), die vom Objekt reflektiert wurde,
dadurch gekennzeichnet, dass
• der optische Empfänger (102) einen Aussparungsbereich (103, 301) aufweist, wobei
• der Aussparungsbereich auf einer Hauptstrahlachse (108) der Lichtquelle (101) angeordnet ist.
Lidar-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Empfänger (102) wenigstens ein Detektorelement (107) aufweist, welches den Aussparungsbereich (103, 301) zumindest anteilig umfasst.
Lidar-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Empfänger (102) wenigstens zwei Detektorelemente (107-1 bis 107-4) aufweist, welche an wenigstens einem Teil des Umfangs (110) des optischen Empfängers (102) angeordnet sind.
Lidar-Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Aussparungsbereich als Durchlass (103) ausgebildet ist.
Lidar-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (101) auf der der Umgebung abgewandten Seite des optischen Empfängers (102) angeordnet ist.
6. Lidar-Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Aussparungsbereich als Spiegel (301) ausgebildet ist.
7. Lidar-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (101) auf der der Umgebung zugewandten Seite des optischen Empfängers (102) angeordnet ist.
8. Lidar-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenkspiegel (104) als mikromechanischer Ablenkspiegel ausgebildet ist.
9. Lidar-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin aufweisend
• ein Feld (404) mikro-optischer Elemente (408-1, 408-2); wobei
• der Ablenkspiegel (104) und das Feld (404) derart angeordnet sind, dass der wenigstens eine Winkel (109) genau einem mikro-optischen Element (408-1, 408- 2) zugeordent ist.
10. Lidar-Sensor nach Anspruch 9, weiterhin aufweisend
• ein Licht-bündelndes Element (405) angeordnet in einem Abstand (y) zu dem Feld (404) mikro-optischer Elemente (408-1, 408-2); wobei
• jedes der mikro-optischen Elemente (408-1, 408-2), wenn es von der abgelenkten emittierten elektromagnetischen Strahlung (105-1) getroffen wird, diese abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung (105-1) zu einem divergenten Strahl (406) aufweitet; und wobei
• das Licht-bündelnde Element (405) den divergenten Strahl (406) in einen die Taststrahl (407) umformt.
11. Lidar-Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrooptischen Elemente (408-1, 408-2) Mikrolinsen oder reflektierende Elemente oder Licht-beugende Elemente sind.
12. Lidar-Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündelnde Element (405) zugleich ein Objektiv des optischen Empfängers (102) bildet.
13. Lidar-Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der optischen Achse des Licht-bündelnden Elements (405) eine Spiegeleinheit (403) angeordnet ist, die die abgelenkte emittierte elektromagnetische Strahlung (105-1) auf das Feld (404) mikrooptischer Elemente (408-1, 408-2) umlenkt.
14. Lidar-Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeleinheit (403) gewölbt ausgebildet ist.
15. Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung mit den Schritten:
• Ansteuerung einer Lichtquelle (101) zur Emission elektromagentischer Strahlung (105);
• Ansteuerung eines Ablenkspiegels (104) zur Ablenkung der emittierten
elektromagnetischen Strahlung (105) als abgelenkte emittierte
elektromagnetische Strahlung (105-1) um wenigstens einen Winkel (109) in die Umgebung; und
• Empfangen elektromagnetischer Strahlung (106), die vom Objekt reflektiert wurde, mittels eines optischen Empfängers (102);
dadurch gekennzeichnet, dass
• der optische Empfänger (102) einen Aussparungsbereich (103, 301) aufweist, wobei
• der Aussparungsbereich auf einer Hauptstrahlachse (108) der Lichtquelle (101) angeordnet ist.
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