EP3631498A1 - Lidar-vorrichtung zum abtasten eines abtastbereiches mit minimiertem bauraumbedarf - Google Patents

Lidar-vorrichtung zum abtasten eines abtastbereiches mit minimiertem bauraumbedarf

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EP3631498A1
EP3631498A1 EP18726456.9A EP18726456A EP3631498A1 EP 3631498 A1 EP3631498 A1 EP 3631498A1 EP 18726456 A EP18726456 A EP 18726456A EP 3631498 A1 EP3631498 A1 EP 3631498A1
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EP
European Patent Office
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optical waveguide
lidar device
scanning
optical element
optical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18726456.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhold Fiess
Tobias Graf
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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 EP3631498A1 publication Critical patent/EP3631498A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
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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
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
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    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Definitions

  • LIDAR device for scanning a scanning area with minimal space requirement
  • the invention relates to a LIDAR device for scanning a
  • Radiation source for generating the at least one beam and for coupling the at least one beam in at least one optical waveguide, with a deflection device for deflecting the at least one beam in the
  • Scanning region comprising a receiving unit for receiving at least one beam reflected on an object and for deflecting the at least one reflected beam onto a detector.
  • LI DAR light detection and ranging
  • the transmitting device has a radiation source which generates beams continuously or pulsed.
  • the generated beams can then be emitted via deflection devices or via a deflectable radiation source defined in a scanning range.
  • deflection devices or via a deflectable radiation source defined in a scanning range.
  • the receiving device can detect the reflected electromagnetic radiation and assign a time of reception to the reflected beams. This can be done, for example, in the context of a time of flighf analysis for a
  • Determining a distance of the object to the LIDAR device can be used. Depending on a scope of application may be in addition to a
  • the object underlying the invention can be seen to provide a LIDAR device, which has a minimal space requirement.
  • a LIDAR device for scanning a scan area with at least one beam.
  • the LIDAR device has at least one radiation source for generating the at least one beam and for coupling the at least one beam into at least one optical waveguide.
  • a deflection device serves to deflect the at least one coupled-in beam into the scanning region.
  • the LIDAR device has receiving optics for receiving at least one beam reflected at an object and for deflecting the at least one reflected beam onto a detector.
  • the at least one radiation source can generate at least one electromagnetic beam continuously or in a defined pulse sequence.
  • the at least one radiation source is arranged here in such a way to the optical waveguide, that the generated rays wholly or partly in the
  • Fiber optic cables can be coupled. This means that at least a part of at least one generated beam passes through a core of the
  • the at least one beam coupled into the optical waveguide can then be deflected by the deflection device. This is done by a
  • a static mirror may be arranged instead of the Spatial Light Modulator. This can be advantageous, for example, in the case of flash LIDAR devices, since no movable mirrors are necessary.
  • the at least one beam coupled into the optical waveguide follows the course of the beam
  • the reflection sides represent boundary regions between the core of the optical waveguide and a material of the optical waveguide surrounding the core.
  • the reflection sides can also be boundary surfaces between two regions or materials with different refractive indices.
  • Optical waveguide provided with a holographic optical element.
  • the holographic optical element may be a volume hologram having an optical deflection function.
  • a coupled beam can strike the holographic optical element and from this at a larger angle to the holographic optical element opposite
  • the holographic optical element has a small angular selectivity due to its characteristics, so that an optical function of the holographic optical element is only within a small angular range
  • Angle range such as less than 1 °, may be given.
  • the generated beams are preferably laser beams which may be spectrally narrowband.
  • the holographic optical element can thus with regard to a required angular selectivity and the wavelengths used
  • Radiation source can be designed very precisely on the generated beams.
  • the holographic optical element can be unaffected by incoming rays
  • the at least one beam After redirecting an incoming beam through the holographic optical element to the spatial light modulator, the at least one beam is again directed by the spatial light modulator in the direction of the spatial light modulator holographic optical element reflected. Due to a resulting larger angle in the beam path, the at least one beam can transmit through the holographic optical element.
  • the transmission can be defined by the holographic optical element
  • Filter functions and / or optical beam shaping functions are assigned.
  • Spatial Light modulators When using Spatial Light modulators as reflectors usually has the incident beam at a relatively small angle to
  • Element is a particularly flat design for lighting optics of the LIDAR device possible. Furthermore, this leads to an avoidance of shadows and constructive conflicts from one
  • Receive beam path which has been reflected in the scanning of an object.
  • Spatial Light Modulator for example, ferroelectric liquid crystals on a silicon substrate or LCoS, micromirror arrays as an arrangement of Piston mirrors and the like can be used. This high switching speeds can be achieved.
  • the at least one beam coupled into the optical waveguide is guided out of the optical waveguide by the optical waveguide
  • the deflection device is so with the
  • Fiber optic connectable that the injected into the optical waveguide beams can escape through the deflection of the optical waveguide.
  • the beam is again reflected back towards the holographic optical element.
  • the beam can transmit unimpeded upon a renewed impact by the holographic optical element.
  • a beam coupled into the optical waveguide can be decoupled from the waveguide transversely to an extension of the optical waveguide and used to expose a scanning region.
  • the at least one beam coupled into the optical waveguide is made of
  • the Spatial Light Modulator of the deflection device has a plurality of pixels that can reflect a coupled incoming beam at defined and varying angles.
  • the Spatial Light Modulator can take over the task of a movable mirror.
  • the components required for a conventional pivotable deflection mirror such as rotation unit, drive units,
  • Parabolic mirrors and the like omitted and the required space for the LIDAR device can be reduced.
  • Deflection device at least partially radiation-conducting connected to a reflection side of the optical waveguide.
  • the deflection device can be attached to a core of the optical waveguide in a form-fitting, cohesive or force-fit manner, for example.
  • the deflection device can be attached to a light-conducting substrate in a form-fitting, cohesive or force-fit manner.
  • the deflection device can be mounted at any point of an optical waveguide, so that, for example, the
  • Optical waveguide can be made interchangeable. This type of connection also allows for subsequent replacement of the respective components and can facilitate assembly of the LIDAR device.
  • the deflection device can be connected in a radiation-conducting manner, at least in regions, integrally with the optical waveguide.
  • the deflection device can be materially connected to the optical waveguide. This can be realized for example by subsequent gluing of the components.
  • Components such as the holographic optical element already in a production of the optical waveguide in an outer jacket of the
  • decoupled beam arranged. After a coupled-in beam has been coupled out of the optical waveguide by the deflection device, it can be subsequently formed by at least one optical system or at least one optical element. For example, the at least one outcoupled beam can be deflected in such a way that the LIDAR device can have a larger emission angle. Thus, a larger scanning area can be exposed. Multiple outcoupled beams may be formed alternatively or in addition to a line-shaped beam which may be used to expose the scan area.
  • the at least one optical element is an inverted Kepler telescope.
  • Two focusing lenses of different focal lengths can be arranged relative to each other such that a first focal plane of the first lens and a second focal plane of the second lens coincide.
  • a Kepler telescope can be realized.
  • the optical arrangement is a reversed Kepler telescope which can be used for beam broadening. In particular, in this way a scanning angle and thus also the scanning range of the LIDAR device can be increased.
  • the optical element has two lenses which have a common focal plane. An interpretation of the LIDAR device can be simplified if the focal plane of the first lens and the focal plane of the second lens
  • the at least one beam coupled out of the optical waveguide by the deflection device can thereby be widened or deflected at an exit angle in accordance with a ratio of the second focal length and the first focal length
  • the at least one radiation source couples the at least one beam via a generating optical system into the at least one optical waveguide.
  • the at least one generated beam can thereby independently of a
  • Radiation source are optimally coupled into the optical waveguide.
  • the at least one generated beam can be coupled into the optical waveguide in such a way that it is guided by the optical waveguide at an optimum angle by total reflections on the reflection sides of the optical waveguide.
  • the reflection sides of the optical waveguide can also be interfaces between two regions with different refractive indices. As a result, manufacturing tolerances and assembly-related deviations between the radiation source and the optical waveguide can be compensated.
  • Generation optics can here consist of one or more optical elements, such as lenses.
  • the optical elements can also be partially or completely integrated into the optical waveguide or at least partially connected to the optical waveguide.
  • a plurality of radiation sources which can couple beams generated in parallel or sequentially into one or more optical waveguides.
  • at least one radiation source can couple at least one generated beam into a plurality of optical waveguides via corresponding generation optics.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a LIDAR device according to a first exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a LIDAR device 1 according to a first exemplary embodiment.
  • the LIDAR device 1 has a radiation source 2.
  • the radiation source 2 here is an infrared laser 2, which generates coherent laser beams 3.
  • the radiation source 2 is positioned such that the generated beams 3 via a generating optics 4 in a
  • Fiber optic 6 are coupled.
  • a coupled into the optical waveguide 6 beam 5 is completely reflected on reflection sides 8, 10 of the optical waveguide 6 and thus follows a profile of the optical waveguide 6.
  • In the course of the optical waveguide 6 is on a reflection side 8 of
  • Optical waveguide 6 a holographic optical element 12 is arranged.
  • the holographic optical element 12 is according to the embodiment
  • Volume hologram 12 which has angle-selective optical functions. At an angle of, for example, less than 1 ° relative to the
  • the volume hologram 12 has an optical
  • the angle of the incident rays 5 must be smaller than a total reflection angle of the
  • a coupled beam 5 is at a hitting the volume hologram 12 by the optical deflection function at a larger angle relative to the reflection side 8 in the direction of
  • a spatial light modulator 14 is arranged on the opposite reflection side 10 of the optical waveguide 6.
  • the volume hologram 12 and the spatial light modulator 14 together form a deflection device 16 of FIG.
  • the Spatial Light Modulator 14 has a plurality of pixels that can reflect a beam in defined directions. The respective pixels can be controlled individually or jointly depending on the sampling rate and the request of the LIDAR device 1.
  • the spatial light modulator 14 is an LCoS (liquid crystal on silicon).
  • the Spatial Light Modulator 14 serves as a compact
  • the at least one beam deflected by the volume hologram 12 onto the LCoS 14 is reflected by the LCoS 14 again in the direction of the volume hologram 12.
  • the incoming beam has a greater angle relative to the reflection side 8 of the optical waveguide 6 due to the redirecting and re-reflecting on the LCoS 14.
  • the beam 7 reflected by the LCoS 14 can transmit unimpeded through the volume hologram 12 because of the angular selectivity of the optical function of the volume hologram 12. As a result, the at least one beam 7 is coupled out of the optical waveguide 6.
  • Deflection device 16 couples the beam 7 transversely to a course of the
  • optical waveguide 6 off.
  • An optical element 18 adjoins the volume hologram 12.
  • the optical element 18 here is an inverted Kepler telescope 18, which consists of a first lens 20 and a second lens 22.
  • the second lens 22 has a greater focal length than the first lens 20.
  • the optical element 18 is a beam expansion of the coupled-out beam 7. After passing the decoupled beam 7 through the optical element 18, the decoupled beam 7 becomes at least one emitted beam 9. Due to the optical element 18, the emitted beam 9 has a larger emission angle than the at least one decoupled beam
  • a plurality of beams 7 coupled out at different angles and subsequently emitted beams 9 are shown in dashed lines.
  • a scanning angle with the emitted beams 9 can be exposed.
  • the optical waveguide 6 can be rotated or pivoted with the deflection device 16 to a second scanning angle and thus a spatial
  • the emitted beams 9 may be reflected on the object 24 or scattered back to the LIDAR device 1. As a result, the emitted beams 9 become reflected beams 1 1.
  • the beams 1 1 reflected or scattered on the object 24 can subsequently be received by a receiving optical unit 26.
  • the receiving optics 26 are shown in the figure for illustration as a lens 26.
  • the receiving optics 26 may consist of several lenses, filters and consist of diffractive optical elements.
  • the at least one reflected beam 1 1 is received by the receiving optics 26 and directed to a subsequently positioned detector 28.
  • the detector 28 has a multiplicity of detector pixels which can receive the reflected beam 11 and convert it into an analog detector signal.
  • the analog detector signal can

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Abstract

Offenbart ist eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches mit mindestens einem Strahl, aufweisend mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen des mindestens einen Strahls und zum Einkoppeln des mindestens einen Strahls in mindestens einen Lichtwellenleiter, eine Ablenkvorrichtung zum Ablenken des mindestens einen Strahls in den Abtastbereich, aufweisend eine Empfangseinheit zum Empfangen mindestens eines an einem Objekt reflektierten Strahls und zum Ablenken des mindestens einen reflektierten Strahls auf einen Detektor, wobei die Ablenkvorrichtung ein holografisches optisches Element und einen Spatial Light Modulator aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches mit minimiertem Bauraumbedarf
Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines
Abtastbereiches mit mindestens einem Strahl, mit mindestens einer
Strahlenquelle zum Erzeugen des mindestens einen Strahls und zum Einkoppeln des mindestens einen Strahls in mindestens einen Lichtwellenleiter, mit einer Ablenkvorrichtung zum Ablenken des mindestens einen Strahls in den
Abtastbereich, mit einer Empfangseinheit zum Empfangen mindestens eines an einem Objekt reflektierten Strahls und zum Ablenken des mindestens einen reflektierten Strahls auf einen Detektor. Stand der Technik
Übliche LI DAR (Light detection and ranging) -Vorrichtungen bestehen aus einer Sende- und einer Empfangseinrichtung. Die Sendeeinrichtung weist eine Strahlenquelle auf, welche Strahlen kontinuierlich oder gepulst erzeugt. Die erzeugten Strahlen können anschließend über Ablenkvorrichtungen oder über eine ablenkbare Strahlenquelle definiert in einen Abtastbereich emittiert werden. Treffen diese Strahlen auf ein bewegliches oder stationäres Objekt, werden die Strahlen von dem Objekt in Richtung der Empfangseinrichtung reflektiert. Die Empfangseinrichtung kann die reflektierte elektromagnetische Strahlung detektieren und den reflektierten Strahlen eine Empfangszeit zuordnen. Dies kann beispielsweise im Rahmen einer„Time of Flighf-Analyse für eine
Ermittlung einer Entfernung des Objektes zu der LIDAR-Vorrichtung verwendet werden. Abhängig von einem Anwendungsbereich kann neben einer
kostengünstigen Herstellung und einer Robustheit der LIDAR-Vorrichtung der benötigte Bauraum einen entscheidenden Faktor darstellen. Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung zu schaffen, die einen minimalen Bauraumbedarf aufweist.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches mit mindestens einem Strahl bereitgestellt. Die LIDAR- Vorrichtung weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen des mindestens einen Strahls und zum Einkoppeln des mindestens einen Strahls in mindestens einen Lichtwellenleiter auf. Eine Ablenkvorrichtung dient zum Ablenken des mindestens einen eingekoppelten Strahls in den Abtastbereich. Die LIDAR- Vorrichtung weist eine Empfangsoptik zum Empfangen mindestens eines an einem Objekt reflektierten Strahls und zum Ablenken des mindestens einen reflektierten Strahls auf einen Detektor auf. Erfindungsgemäß weist die
Ablenkvorrichtung ein holografisches optisches Element und einen Spatial Light
Modulator auf.
Die mindestens eine Strahlenquelle kann kontinuierlich oder in einer definierten Pulsfolge mindestens einen elektromagnetischen Strahl erzeugen. Die mindestens eine Strahlenquelle ist hier derart zu dem Lichtwellenleiter angeordnet, dass die erzeugten Strahlen ganz oder teilweise in den
Lichtwellenleiter eingekoppelt werden können. Dies bedeutet, dass zumindest ein Teil mindestens eines erzeugten Strahls sich durch einen Kern des
Lichtwellenleiters fortsetzen und einem Verlauf des Lichtwellenleiters möglichst verlustfrei folgen kann. Hierdurch kann die mindestens eine Strahlenquelle im
Hinblick auf einen minimalen Bauraumbedarf platziert werden, da die erzeugten Strahlen durch den Lichtwellenleiter beliebig geführt werden können. Der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl kann anschließend von der Ablenkvorrichtung abgelenkt werden. Dies geschieht durch eine
Kombination eines holografischen optischen Elementes mit einem Spatial Light Modulator bzw. einem räumlichen Modulator für die erzeugten Strahlen.
Alternativ kann statt des Spatial Light Modulators ein statischer Spiegel angeordnet sein. Dies kann beispielsweise bei Flash-LIDAR-Vorrichtungen vorteilhaft sein, da keine beweglichen Spiegel notwendig sind. Der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl folgt dem Verlauf des
Lichtwellenleiters durch Totalreflektionen an Reflektionsseiten des
Lichtwellenleiters. Die Reflektionsseiten stellen Grenzbereiche zwischen dem Kern des Lichtwellenleiters und einem den Kern umgebenden Material des Lichtwellenleiters dar. Die Reflektionsseiten können auch Grenzflächen zwischen zwei Bereichen bzw. Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes sein.
Um das Licht aus einem Totalreflexionswinkel abzulenken und einen
vorzugsweise nahezu senkrechten Einfall auf den an einer Reflektionsseite des Lichtwellenleiters positionierten Spatial Light Modulator zu realisieren, ist die dem Spatial Light Modulator gegenüberliegende Reflektionsseite des
Lichtwellenleiters mit einem holografischen optischen Element versehen.
Vorzugsweise kann das holografische optische Element ein Volumenhologramm mit einer optischen Umlenkfunktion sein. Anstatt einer Totalreflektion an einer Reflektionsseite des Lichtwellenleiters kann ein eingekoppelter Strahl auf das holografische optische Element treffen und von diesem unter einem größeren Winkel auf die dem holografischen optischen Element gegenüberliegende
Reflektionsseite des Lichtwellenleiters und damit auf den Spatial Light Modulator reflektiert werden. Das holografische optische Element weist durch seine Eigenschaften eine kleine Winkelselektivität auf, sodass eine optische Funktion des holografischen optischen Elementes nur innerhalb eines kleinen
Winkelbereiches, wie beispielsweise weniger als 1 °, gegeben sein kann. Die erzeugten Strahlen sind vorzugsweise Laserstrahlen, die spektral schmalbandig sein können. Das holografische optische Element kann somit im Hinblick auf eine benötigte Winkelselektivität und die verwendeten Wellenlängen der
Strahlenquelle besonders präzise auf die erzeugten Strahlen ausgelegt werden. Innerhalb des definierten Winkelbereiches kann das holografische optische
Element reflektierend wirken. Außerhalb des Winkelbereiches kann das holografische optische Element ankommende Strahlen unbeeinflusst
transmittieren. Nach einem Umlenken eines ankommenden Strahls durch das holografische optische Element auf den Spatial Light Modulator wird der mindestens eine Strahl von dem Spatial Light Modulator erneut in Richtung des holografischen optischen Elementes reflektiert. Durch einen resultierenden größeren Winkel im Strahlengang kann der mindestens eine Strahl durch das holografische optische Element transmittieren. Alternativ oder zusätzlich können der Transmission durch das holografische optische Element definierte
Filterfunktionen und/oder optische Strahlenformungsfunktionen zugewiesen werden.
Bei einer Verwendung von Spatial Light Modulatoren als Reflektoren muss üblicherweise der einfallende Strahl in einem relativ kleinen Winkel zur
Flächennormale auf das SLM fallen. Der entsprechende Winkel kann
beispielsweise 3° bis 10° sein. Es kann somit ein Bauraum mit mehreren cm oder bis mehreren 10cm Länge notwendig sein, der insbesondere aus einer verwendeten Strahlquelle, einer nachfolgenden Strahlaufweitung und einer Freiraumpropagation resultiert. Durch die Einkopplung mindestens eines Strahls über einen Lichtwellenleiter in Kombination mit einem holografischen optischen
Element ist eine besonders flache Bauweise für eine Beleuchtungsoptik der LIDAR-Vorrichtung möglich. Des Weiteren führt dies zu einer Vermeidung von Abschattungen und konstruktionsseitigen Konflikten aus einem
Belichtungsstrahlengang zum Belichten eines Abtastbereiches und einem
Empfangsstrahlengang, der in dem Abtastbereich von einem Objekt reflektiert wurde.
Als mögliche Ausführungsformen für den Spatial Light Modulator können beispielsweise ferroelektrische Flüssigkristalle auf einem Siliziumsubstrat bzw. LCoS, Mikrospiegelarrays als Anordnung von Piston Mirrors und dergleichen verwendet werden. Hierbei können hohe Schaltgeschwindigkeiten erreicht werden.
Nach einem Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl aus dem Lichtwellenleiter durch die
Ablenkvorrichtung auskoppelbar. Die Ablenkvorrichtung ist derart mit dem
Lichtwellenleiter verbindbar, dass die in den Lichtwellenleiter eingekoppelten Strahlen durch die Ablenkvorrichtung aus dem Lichtwellenleiter austreten können. An dem holografischen optischen Element wird ein eingekoppelter Strahl unter einem größeren Winkel, relativ zu der jeweiligen Reflektionsseite des Lichtwellenleiters, auf die gegenüberliegende Seite des Lichtwellenleiters reflektiert. Auf der gegenüberliegenden Seite wird der Strahl erneut in Richtung des holografischen optischen Elementes zurück reflektiert. Durch die
Abhängigkeit der optischen Funktion des holografischen optischen Elementes von einem Einfallswinkel des Strahls, kann der Strahl bei einem erneuten Auftreffen durch das holografische optische Element ungehindert transmittieren. Hierdurch kann ein in den Lichtwellenleiter eingekoppelter Strahl quer zu einer Ausdehnung des Lichtwellenleiters aus diesem ausgekoppelt und zum Belichten eines Abtastbereiches verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl aus dem
Lichtwellenleiter durch die Ablenkvorrichtung unter unterschiedlichen
Abtastwinkeln auskoppelbar. Der Spatial Light Modulator der Ablenkvorrichtung weist eine Vielzahl an Pixeln auf, die einen eingekoppelten ankommenden Strahl unter definierten und veränderlichen Winkeln reflektieren können. Somit kann der Spatial Light Modulator die Aufgabe eines beweglichen Spiegels übernehmen. Hierdurch können die für einen üblichen schwenkbaren Ablenkspiegel benötigten Komponenten, wie beispielsweise Rotationseinheit, Antriebseinheiten,
Parabolspiegel und dergleichen entfallen und der benötigte Bauraum für die LIDAR-Vorrichtung reduziert werden.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist die
Ablenkvorrichtung zumindest bereichsweise mit einer Reflektionsseite des Lichtwellenleiters strahlenleitend verbindbar. Die Ablenkvorrichtung kann beispielsweise an einen Kern des Lichtwellenleiters formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig anbringbar sein. Alternativ kann die Ablenkvorrichtung an einem lichtleitenden Substrat formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig anbringbar sein. Hierdurch kann die Ablenkvorrichtung an einer beliebigen Stelle eines Lichtwellenleiters angebracht sein, sodass beispielsweise der
Lichtwellenleiter austauschbar ausgeführt sein kann. Diese Verbindungsart ermöglicht auch ein nachträgliches Austauschen der jeweiligen Komponenten und kann eine Montage der LIDAR-Vorrichtung vereinfachen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist die Ablenkvorrichtung zumindest bereichsweise integral mit dem Lichtwellenleiter strahlenleitend verbindbar. Alternativ oder zusätzlich zum kraftschlüssigen oder formschlüssigen Verbinden der Ablenkvorrichtung mit dem Lichtwellenleiter, kann die Ablenkvorrichtung stoffschlüssig mit dem Lichtwellenleiter verbunden sein. Dies kann beispielsweise durch nachträgliches Kleben der Komponenten realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich können zumindest einige der
Komponenten, wie beispielsweise das holografische optische Element bereits bei einer Herstellung des Lichtwellenleiters in einen äußeren Mantel des
Lichtwellenleiters integriert werden.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist mindestens ein optisches Element in einem Strahlengang des mindestens einen
ausgekoppelten Strahls angeordnet. Nachdem ein eingekoppelter Strahl durch die Ablenkvorrichtung aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt wurde, kann dieser durch mindestens eine Optik bzw. mindestens ein optisches Element nachträglich geformt werden. Der mindestens eine ausgekoppelte Strahl kann beispielsweise derart abgelenkt werden, dass die LIDAR-Vorrichtung einen größeren Abstrahlwinkel aufweisen kann. Somit kann ein größerer Abtastbereich belichtet werden. Mehrere ausgekoppelte Strahlen können alternativ oder zusätzlich zu einem linienformigen Strahl geformt werden, welcher zum Belichten des Abtastbereiches genutzt werden kann.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist das mindestens eine optische Element ein umgekehrtes Kepler-Teleskop. Es können zwei fokussierende Linsen unterschiedlicher Brennweiten derart zueinander angeordnet werden, dass eine erste Brennebene der ersten Linse und eine zweite Brennebene der zweiten Linse zusammenfallen. Hierdurch kann ein Kepler-Teleskop realisiert werden. Wenn eine Brennweite der zweiten Linse größer ist als die Brennweite der ersten Linse, ist die optische Anordnung ein umgekehrtes Kepler-Teleskop, welcher zu einer Strahlaufweitung verwendet werden kann. Insbesondere kann hierdurch ein Abtastwinkel und damit auch der Abtastbereich der LIDAR-Vorrichtung vergrößert werden. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung weist das optische Element zwei Linsen auf, die eine gemeinsame Brennebene haben. Eine Auslegung der LIDAR-Vorrichtung kann vereinfacht werden, wenn die Brennebene der ersten Linse und die Brennebene der zweiten Linse
deckungsgleich sind. Der mindestens eine aus dem Lichtwellenleiter durch die Ablenkvorrichtung ausgekoppelte Strahl kann hierdurch gemäß einem Verhältnis der zweiten Brennweite und der ersten Brennweite in einem Austrittswinkel aufgeweitet bzw. abgelenkt werden
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung koppelt die mindestens eine Strahlenquelle den mindestens einen Strahl über eine Erzeugungsoptik in den mindestens einen Lichtwellenleiter ein. Der mindestens eine erzeugte Strahl kann dadurch unabhängig von einer
Strahlenquelle optimal in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Der mindestens eine erzeugte Strahl kann derart in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden, dass er unter einem optimalen Winkel durch Totalreflektionen an den Reflektionsseiten des Lichtwellenleiters von dem Lichtwellenleiter geführt wird. Die Reflektionsseiten des Lichtwellenleiters können auch Grenzflächen zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlichen Brechungsindizes sein. Hierdurch können auch Fertigungstoleranzen und montagebedingte Abweichungen zwischen der Strahlenquelle und dem Lichtwellenleiter ausgeglichen werden. Die
Erzeugungsoptik kann hier aus einem oder mehreren optischen Elementen, wie beispielsweise Linsen, bestehen. Die optischen Elemente können auch teilweise oder ganz in den Lichtwellenleiter integriert sein oder zumindest teilweise mit dem Lichtwellenleiter verbunden sein.
Im Rahmen der Erfindung können auch mehrere Strahlenquellen verwendet werden, die parallel oder sequenziell in einen oder mehrere Lichtwellenleiter erzeugte Strahlen einkoppeln können. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine Strahlenquelle über entsprechende Erzeugungsoptik mindestens einen erzeugten Strahl in mehrere Lichtwellenleiter einkoppeln.
Im Folgenden wird anhand von einer stark vereinfachten schematischen
Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Strahlenquelle 2 auf. Die Strahlenquelle 2 ist hier ein Infrarotlaser 2, welcher kohärente Laserstrahlen 3 erzeugt. Die Strahlenquelle 2 ist derart positioniert, dass die erzeugten Strahlen 3 über eine Erzeugungsoptik 4 in einen
Lichtwellenleiter 6 eingekoppelt werden. Ein in den Lichtwellenleiter 6 eingekoppelter Strahl 5 wird an Reflektionsseiten 8, 10 des Lichtwellenleiters 6 vollständig reflektiert und folgt dadurch einem Verlauf des Lichtwellenleiters 6. Im Verlauf des Lichtwellenleiters 6 ist an einer Reflektionsseite 8 des
Lichtwellenleiters 6 ein holografisches optisches Element 12 angeordnet. Das holografische optische Element 12 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel ein
Volumenhologramm 12, welches winkelselektive optische Funktionen aufweist. Unter einem Winkel von beispielsweise kleiner als 1 ° relativ zu der
Reflektionsseite 8 weist das Volumenhologramm 12 eine optische
Umlenkfunktion auf. Somit können die auf das Volumenhologramm 12 einfallenden Strahlen 5 eine Winkelabweichung von ±0.5° von einem
Akzeptanzwinkel des Volumenhologramms 12 aufweisen. Der Winkel der einfallenden Strahlen 5 muss kleiner als ein Totalreflexionswinkel des
Lichtwellenleiters 6 sein. Ein eingekoppelter Strahl 5 wird bei einem Auftreffen auf das Volumenhologramm 12 durch die optische Umlenkfunktion unter einem größeren Winkel relativ zu der Reflektionsseite 8 in Richtung der
gegenüberliegenden Reflektionsseite 10 umgelenkt bzw. reflektiert.
Auf der gegenüberliegenden Reflektionsseite 10 des Lichtwellenleiters 6 ist ein Spatial Light Modulator 14 angeordnet. Das Volumenhologramm 12 und der Spatial Light Modulator 14 bilden zusammen eine Ablenkvorrichtung 16 der
LIDAR-Vorrichtung 1. Der Spatial Light Modulator 14 weist eine Vielzahl an Pixeln auf, die einen Strahl in definierte Richtungen reflektieren können. Die jeweiligen Pixel können je nach Abtastrate und Anforderung der LIDAR- Vorrichtung 1 einzeln oder gemeinsam angesteuert werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Spatial Light Modulator 14 ein LCoS (liquid cristall on silicium). Der Spatial Light Modulator 14 dient hier als ein kompakter
Ablenkspiegel mit einer Vielzahl an Pixeln bzw. Mikrospiegeln. Der mindestens eine von dem Volumenhologramm 12 auf den LCoS 14 umgelenkte Strahl wird von dem LCoS 14 erneut in Richtung des Volumenhologramms 12 reflektiert. Der ankommende Strahl weist durch das Umlenken und das erneute Reflektieren an dem LCoS 14 einen größeren Winkel relativ zu der Reflektionsseite 8 des Lichtwellenleiters 6 auf. Der vom LCoS 14 reflektierte Strahl 7 kann wegen der Winkelselektivität der optischen Funktion des Volumenhologramms 12 durch das Volumenhologramm 12 ungehindert transmittieren. Hierdurch wird der mindestens eine Strahl 7 aus dem Lichtwellenleiter 6 ausgekoppelt. Die
Ablenkvorrichtung 16 koppelt den Strahl 7 quer zu einem Verlauf des
Lichtwellenleiters 6 aus. An das Volumenhologramm 12 grenzt ein optisches Element 18. Das optische Element 18 ist hier ein umgekehrtes Kepler-Teleskop 18, welches aus einer ersten Linse 20 und einer zweiten Linse 22 besteht. Die zweite Linse 22 weist eine größere Brennweite auf als die erste Linse 20. Somit dient das optische Element 18 einer Strahlaufweitung des ausgekoppelten Strahls 7. Nach einem Passieren des ausgekoppelten Strahls 7 durch das optische Element 18 wird der ausgekoppelte Strahl 7 zu mindestens einem emittierten Strahl 9. Durch das optische Element 18 weist der emittierte Strahl 9 einen größeren Abstrahlwinkel auf als der mindestens eine ausgekoppelte Strahl
7. Zur Verdeutlichung der Funktion des LCoS 14 und des optischen Elementes 18 sind mehrere unter verschiedenen Winkeln ausgekoppelten Strahlen 7 und anschließend emittierten Strahlen 9 gestrichelt dargestellt. Durch das LCoS 14 kann ein Abtastwinkel mit den emittierten Strahlen 9 belichtet werden. Zusätzlich kann der Lichtwellenleiter 6 mit der Ablenkvorrichtung 16 rotiert oder geschwenkt werden, um einen zweiten Abtastwinkel und damit einen räumlichen
Abtastbereich belichten zu können.
Sofern ein Objekt 24 in dem Abtastbereich positioniert ist, können die emittierten Strahlen 9 an dem Objekt 24 reflektiert oder zu der LIDAR-Vorrichtung 1 zurück gestreut werden. Hierdurch werden die emittierten Strahlen 9 zu reflektierten Strahlen 1 1 . Die an dem Objekt 24 reflektierten bzw. gestreuten Strahlen 1 1 können anschließend von einer Empfangsoptik 26 empfangen werden. Die Empfangsoptik 26 ist in der Figur zur Veranschaulichung als eine Linse 26 dargestellt. Die Empfangsoptik 26 kann aus mehreren Linsen, Filtern und diffraktiven optischen Elementen bestehen. Der mindestens eine reflektierte Strahl 1 1 wird von der Empfangsoptik 26 empfangen und auf einen nachfolgend positionierten Detektor 28 gelenkt. Der Detektor 28 weist eine Vielzahl an Detektorpixeln auf, die den reflektierten Strahl 1 1 empfangen können und in ein analoges Detektorsignal wandeln. Das analoge Detektorsignal kann
anschließend von einer Auswerteeinheit 30 digitalisiert und beispielsweise im Rahmen einer„Time-of-Flight"-Analyse ausgewertet werden.

Claims

Ansprüche
1 . LIDAR-Vorrichtung (1 ) zum Abtasten eines Abtastbereiches mit mindestens einem Strahl (9), mit mindestens einer Strahlenquelle (2) zum Erzeugen mindestens eines Strahls (3) und zum Einkoppeln des mindestens einen Strahls (3) in mindestens einen Lichtwellenleiter (6), mit einer
Ablenkvorrichtung (16) zum Ablenken des mindestens einen Strahls (7, 9) in den Abtastbereich, mit einer Empfangsoptik (26) zum Empfangen mindestens eines an einem Objekt (24) reflektierten Strahls (1 1 ) und zum Ablenken des mindestens einen reflektierten Strahls (1 1 ) auf einen Detektor (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkvorrichtung (16) ein holografisches optisches Element (12) und einen Spatial Light Modulator (14) aufweist.
2. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der mindestens eine in den
Lichtwellenleiter (6) eingekoppelte Strahl (5) aus dem Lichtwellenleiter (6) durch die Ablenkvorrichtung (16) auskoppelbar ist.
3. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine in den Lichtwellenleiter (6) eingekoppelte Strahl (5) aus dem Lichtwellenleiter (6) durch die Ablenkvorrichtung (16) unter unterschiedlichen Abtastwinkeln auskoppelbar ist.
4. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Ablenkvorrichtung (16) zumindest bereichsweise mit einer Reflektionsseite (8, 10) des Lichtwellenleiters (6) strahlenleitend verbindbar ist.
5. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Ablenkvorrichtung (16) zumindest bereichsweise integral mit dem
Lichtwellenleiter (6) strahlenleitend verbindbar ist. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens ein optisches Element (18) in einem Strahlengang des mindestens einen ausgekoppelten Strahls (7) angeordnet ist.
LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das mindestens eine optische Element (18) ein umgekehrtes Kepler-Teleskop (18) ist.
LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das optische Element (18) zwei Linsen (20, 22) aufweist, die eine gemeinsame Brennebene haben.
LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mindestens eine Strahlenquelle (2) den mindestens einen Strahl (3) über eine
Erzeugungsoptik (4) in den mindestens einen Lichtwellenleiter (6) einkoppelt.
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