EP3695245A1 - Optische vorrichtung für eine abstandsmessvorrichtung nach dem lidar-prinzip - Google Patents

Optische vorrichtung für eine abstandsmessvorrichtung nach dem lidar-prinzip

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EP3695245A1
EP3695245A1 EP18782392.7A EP18782392A EP3695245A1 EP 3695245 A1 EP3695245 A1 EP 3695245A1 EP 18782392 A EP18782392 A EP 18782392A EP 3695245 A1 EP3695245 A1 EP 3695245A1
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EP
European Patent Office
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light
mirror
deflection means
optics
light source
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Application number
EP18782392.7A
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English (en)
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Inventor
Dietmar Philipp
Christian Boehlau
Hans-Arne Driescher
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Hella GmbH and Co KGaA
Original Assignee
Hella GmbH and Co KGaA
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Publication date
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    • G01S7/484—Transmitters

Definitions

  • the present invention relates to an optical device for a distance measuring device according to the LIDAR principle according to the preamble of claim 1 and to a distance measuring device according to the LIDAR principle according to the preamble of claim 9.
  • the LIDAR principle working distance measuring devices of the aforementioned type can be used in a motor vehicle, for example, for autonomous driving or accident prevention.
  • the quality of the object resolution is of great importance.
  • a device and a distance measuring device of the type mentioned are known from US 9 285 477 B1.
  • the device described therein uses as a light source a pulsed infrared laser whose laser light is collimated.
  • the collimated laser radiation impinges on an oscillating MEMS mirror serving as the first deflection means, which deflects the laser light into a first angular range to a refractive secondary optics.
  • the secondary optics has a cylindrical entrance surface and a flat exit surface. From the secondary optics, the laser light is deflected into a second angular range, which is greater than the first angular range, so that the horizontal field of view is increased.
  • Fig. 5 to Fig. 7 illustrate the conditions in such a design.
  • the device depicted therein comprises a light source 1, for example a laser light source with a primary optics 2, which collimates the light 3 emerging from the laser light source. From an oscillating mirror 4, the light 3 is deflected in an angular range, which may be, for example, 60 °. The deflected light 3 strikes a refractive secondary optic 5, which has a cylindrical entrance surface 6 and a flat exit surface 7. From the secondary optics 5, the light 3 emerges as a comparatively strongly divergent beam (see FIGS.
  • the problem underlying the present invention is the provision of a device of the type mentioned, which has a comparatively small beam extent in the far field despite a large angular range in which the light is deflected.
  • the present invention is further based on the problem to provide a distance measuring device of the type mentioned, which has a comparatively good object resolution despite a large horizontal field of view.
  • the device comprises optical means which influence the light so that it impinges on the second deflection means as convergent light.
  • the divergence of the light emerging from the second deflection means can be largely avoided. so that there is a small beam divergence and thus a small beam spread at a distance from the device which, when used in a distance measuring device, typically corresponds to the distance to the objects to be detected. This results in a good object resolution, so that the known from the prior art high-resolution elements on the receiver side can be omitted.
  • the optical means are designed as primary optics or are part of a primary optic through which the light emanating from the at least one light source at least partially passes before impinging on the first deflection means or at least the light emanating from the at least one light source partially reflected on the first deflection means, wherein the primary optics in particular has a positive refractive power with a focal length.
  • the primary optics may be designed as a converging lens or comprise a converging lens.
  • the at least one light source may have an exit aperture that is at a distance from the focal plane of the primary optic such that the light impinges on the second deflection means as convergent light. In this way can be achieved with simple means, the invention desired small beam extent in the far field.
  • the first deflection means are designed as movable mirrors, in particular oscillating about an axis of rotation, wherein the mirror is preferably a MEMS mirror.
  • the mirror can be any suitable mirror.
  • the mirror can be any suitable mirror.
  • a light beam can be moved very effectively over an angular range of up to about 60 °.
  • the second deflection means are formed as a secondary optics or include a secondary optics, wherein the secondary optics has a curved refractive surface, in particular a cylindrical lens, or a curved reflecting surface, in particular a cylindrical mirror. It can the cylinder axis of the cylindrical lens or the cylinder mirror may be substantially parallel to the axis of rotation of the mirror.
  • the angular range in which the light is deflected can be increased, for example, doubled, so that when used in a distance measuring device, a large horizontal field of view can be realized.
  • a continuous curvature of the refractive or reflective surface is advantageous because a continuously curved shape ensures a stepless deflection.
  • the curved refractive surface or the curved reflecting surface of the secondary optics has curvatures with respect to two mutually perpendicular directions.
  • the curved refractive surface or the curved reflecting surface of the secondary optics can not only increase the angular range in which the light is deflected in the horizontal direction but also affect the light in the vertical direction, in particular form the light in the vertical direction.
  • the secondary optics has an entrance surface and an exit surface for the light, both of which are curved, wherein the entry surface has a curvature differing from the curvature of the exit surface.
  • the curvature of the entry surface can deflect or influence or shape the light in the state installed in a motor vehicle in a horizontal direction
  • the curvature of the exit surface can deflect or influence or shape the light in the state installed in a motor vehicle in the vertical direction.
  • the entry surface and the exit surface each have a cylindrical lens whose cylinder axes are aligned perpendicular to each other.
  • the secondary optics comprise more than one component.
  • two or more of the components may have a curved refractive surface, in particular a cylindrical lens, or a curved reflecting surface, in particular a cylindrical mirror. In this way, more than one component can contribute to the deflection in the second angular range, so that in particular the second angular range can be increased.
  • the sum of the distance from the primary optics to the first deflection means and the distance from the first deflection means to the second deflection means is greater than the focal length of the primary optics, in particular by a factor of 5 to 50 greater than the focal length of the primary optics , With such distance ratios, a suitable convergence of the light impinging on the second deflection means can be ensured comparatively effectively.
  • the distance measuring device comprises a device according to the invention.
  • a laser beam shaped into a bundle which is as parallel or narrow as possible can be pivoted in the horizontal field of interest, so that a good object resolution is achieved.
  • Figure 1 is a schematic plan view of an embodiment of a device according to the invention, in which the light exits the device in a first direction.
  • Fig. 2 is a schematic plan view of the embodiment of Fig. 1, in which the light exits the device in a second direction;
  • Fig. 3 is a detail according to the arrow III in Fig. 2;
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the beam cross-section of the outgoing light from the embodiment of Figure 1 in the far field.
  • Fig. 5 is a schematic plan view of an embodiment of a prior art device in which the light exits the device in a first direction;
  • Fig. 6 is a schematic plan view of the embodiment of Fig. 4, in which the light exits the device in a second direction;
  • Fig. 7 is a diagram illustrating the beam cross-section of the emanating from the embodiment of FIG. 4 light in the far field.
  • the illustrated in Fig. 1 to Fig. 3 embodiment of a device 10 according to the invention comprises a light source 1 1, is emitted from the light 12.
  • the light source 1 1 may be a laser light source, for example a pulsed infrared laser. It may in particular be a semiconductor laser. However, it is also possible to use a CW laser instead of a pulsed laser. Furthermore, it is also possible to use a laser having an emission wavelength outside the infrared spectral range, for example in the visible range. Furthermore, more than one laser light source can certainly be provided.
  • the device 10 further comprises a primary optic 13, through which the light 12 emerging from the light source 1 1 passes.
  • the primary optics 13 is formed in the illustrated embodiment as a converging lens with a focal length f, in particular as a biconvex lens (see Fig. 3). It is quite possible to use other primary optics that include, for example, more than one lens. Mirrored or mirrored primary optics may also be used.
  • the device 10 further comprises an oscillating mirror 15 serving as the first deflection means, which is designed in particular as a MEMS mirror with a diameter of the reflective surface, for example between 1 mm and 5 mm.
  • the mirror 15 is in particular moved over an angular range of ⁇ 15 °, so that the reflected light from the mirror 15 12 is deflected in an angular range of about ⁇ 30 ° or in an angular range of about 60 °. In this case, the apparent from Fig. 3 convergence of the light 12 is maintained.
  • the device 10 further comprises secondary optics 16 serving as second deflection means.
  • the illustrated embodiment of the secondary optics 16 has a concave cylindrical entrance surface 17 and a plane exit surface 18.
  • the cylinder axis of the cylindrical lens formed by the cylindrical entry surface 17 extends into the plane of the drawing of FIGS. 1 and 2 and is thus substantially parallel to the unillustrated axis of rotation about which the mirror 15 oscillates.
  • FIG. 1 shows that the sum of the distance di from the primary optics 13 to the first deflecting means configured as a mirror 15 and the distance 02 from the first deflecting means to the second deflecting means designed as secondary optics 16 is greater than the focal length f of the primary optics 13.
  • the sum of the distances di + 02 may be greater than the focal length f of the primary optics 13 by a factor of 5 to 50.
  • the secondary optics 16 increases by the design of the curved entrance surface 17 and the flat exit surface 18, the angular range in which the light 12 is deflected.
  • the size of the angular range can be approximately doubled, so that the light 12 is deflected into an angular range of approximately ⁇ 60 ° or into an angular range of approximately 120 °.
  • FIG. 1 shows a light bundle incident approximately centrally on the entry surface 17, which is not deflected.
  • FIG. 2 shows a light bundle impinging in the edge region of the entry surface 17, which light beam is deflected clearly outward in the exit from the secondary optics 16 with respect to the direction of incidence.
  • the secondary optics 16 can be designed so that a change in direction of the output light bundle occurs at least in adjacent contact areas when the direction of the input light bundle changes, for example such that the change in direction on the output side is always about twice as large as the change in direction on the input side.
  • both the entry surface and the exit surface may be curved, but in particular the curvature of the entry surface may be greater than the curvature of the exit surface.
  • the secondary optics mirror in particular cylindrical mirror, comprises or is designed as exclusively consisting of mirrors optics. Due to the convergence of the incident light 12 on the secondary optics 16, the light 12 is not widened as much by the secondary optics 16 as in the prior art. It occurs largely collimated or as a largely parallel light beam from the secondary optics, so that the beam width 19 of individual partial beams 20 of the light in the far field is comparatively small (see FIG. 4).
  • the beam emanating from the primary optics 13 has a finite and relevant extent when it encounters the secondary optics 19.
  • the secondary optics 19 increases the deflection angle of each beam of the beam by a constant factor, then to reduce the divergence of the outgoing light, the outer beams of the beam should converge relative to the beam center beam.
  • the inner marginal ray is deflected less strongly than the central ray, so that it must already have a predistortion in the direction of the later total deflection.
  • the outer marginal ray is deflected more strongly than the center ray, so it must already run towards the center ray to experience a later lower total deflection. In this way, the convergence of the light 12 impinging on the secondary optics 19 leads to a smaller divergence of the light 12 emerging from the secondary optics 19.
  • the device 10 is integrated into the distance measuring device such that in the state installed in a motor vehicle the angular range into which the second deflection means divert the light emanating from the first deflection means is a horizontal angle range.
  • Such a distance measuring device comprises, in addition to the optical device 10, in particular detector means, which can detect the light reflected back or scattered back from an object outside the motor vehicle.
  • detector means which can detect the light reflected back or scattered back from an object outside the motor vehicle.
  • a cylindrical entry surface 17 and a flat exit surface 18 are provided.
  • the cylinder axis of the cylindrical entry surface 17 is aligned so that the entry surface influences the horizontal direction of the light.
  • the plane exit surface 18 could provide a curved exit surface.
  • the exit surface could have a curvature with respect to the direction extending in the plane of the drawing of FIGS. 1 and 2.
  • the curvature of the exit surface would be perpendicular to the curvature of the entry surface 17, so that the curved exit surface in the vertical direction influences the light, in particular forms the light in the vertical direction.
  • the entrance surface 17 not only has a curvature in the drawing plane of Fig. 1 and Fig. 2, but in addition also has a curvature in the direction perpendicular thereto, extending in the plane of the drawing direction. Then, the entrance surface would no longer be a cylindrical lens, but rather an area curved in two directions, for example. In such an embodiment, the entry surface 17 can influence the light both in the horizontal direction and in the vertical direction, in particular shaping the light in the vertical direction.

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Abstract

Optische Vorrichtung (10) für eine Abstandsmessvorrichtung nach dem LIDAR-Prinzip, umfassend mindestens eine Lichtquelle (11), erste Ablenkmittel, die im Betrieb der Vorrichtung (10) das von der mindestens einen Lichtquelle (11) ausgehende Licht (12) in einen ersten Winkelbereich ablenken, zweite Ablenkmittel, die im Betrieb der Vorrichtung (10) das von den ersten Ablenkmitteln ausgehende Licht (12) in einen zweiten Winkelbereich ablenken, der größer als der erste Winkelbereich ist, sowie Optikmittel, die das Licht (12) so beeinflussen, dass es als konvergentes Licht (12) auf die zweiten Ablenkmittel auftrifft.

Description

Optische Vorrichtung für eine Abstandsmessvorrichtung nach dem LIDAR-
Prinzip
Beschreibung
Die vorliegenden Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung für eine Abstandsmessvorrichtung nach dem LIDAR-Prinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Abstandsmessvorrichtung nach dem LIDAR-Prinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Nach dem LIDAR-Prinzip arbeitende Abstandsmessvorrichtungen der vorgenannten Art sind können in einem Kraftfahrzeug beispielsweise für autonomes Fahren oder zur Unfallvermeidung eingesetzt werden. Dabei ist neben der Abdeckung eines weiten horizontalen Gesichtsfeldes (horizontal Field Of View - hFOV) die Güte der Objektauflösung von großer Bedeutung.
Eine Vorrichtung und eine Abstandsmessvorrichtung der eingangs Art sind aus der US 9 285 477 B1 bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung nutzt als Lichtquelle einen gepulsten Infrarotlaser, dessen Laserlicht kollimiert wird. Die kollimierte Laserstrahlung trifft auf einen als erste Ablenkmittel dienenden oszillierenden MEMS- Spiegel, der das Laserlicht in einen ersten Winkelbereich auf eine refraktive Sekundäroptik ablenkt. Die Sekundäroptik weist eine zylindrische Eintrittsfläche und eine plane Austrittsfläche auf. Von der Sekundäroptik wird das Laserlicht in einen zweiten Winkelbereich abgelenkt, der größer als der erste Winkelbereich ist, so dass das horizontale Gesichtsfeld vergrößert wird.
Als nachteilig bei derartigen Vorrichtungen erweist sich, dass mit der Aufweitung des Gesichtsfeldes durch vergleichbare Sekundäroptiken in der Regel eine Verschlechterung der Objektauflösung verbunden ist. Fig. 5 bis Fig. 7 verdeutlichen die Verhältnisse bei einer derartigen Gestaltung. Die darin abgebildete Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle 1 , beispielsweise eine Laserlichtquelle mit einer Primäroptik 2, die das aus der Laserlichtquelle austretende Licht 3 kollimiert. Von einem oszillierenden Spiegel 4 wird das Licht 3 in einen Winkelbereich abgelenkt, der beispielsweise 60° groß sein kann. Das abgelenkte Licht 3 trifft auf eine refraktive Sekundäroptik 5, die eine zylindrische Eintrittsfläche 6 und eine plane Austrittsfläche 7 aufweist. Aus der Sekundäroptik 5 tritt das Licht 3 als vergleichsweise stark divergentes Strahlbündel aus (siehe Fig. 5 und Fig. 6), so dass die Strahlbreite 8 einzelner Teilstrahlen 9 des Lichts im Fernfeld vergleichsweise groß ist (siehe dazu Fig. 7). Das führt zu einer entsprechend schlechten Objektauflösung der Abstandsmessvorrichtung. Dies wird im Stand der Technik teilweise durch hochauflösende Elemente auf der Empfängerseite kompensiert, etwa in Form eines hochauflösenden, entfernungsmesstauglichen 2D-Arrays mit vorgesetztem Optiksystem. Derartige Systeme sind aufwendig und entsprechend hochpreisig.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die trotz eines großen Winkelbereichs, in den das Licht abgelenkt wird, eine vergleichsweise kleine Strahlausdehnung im Fernfeld aufweist. Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin das Problem zugrunde, eine Abstandsmessvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die trotz eines großen horizontalen Gesichtsfelds eine vergleichsweise gute Objektauflösung aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Abstandsmessvorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung Optikmittel umfasst, die das Licht so beeinflussen, dass es als konvergentes Licht auf die zweiten Ablenkmittel auftrifft. Bei entsprechender Ausprägung der Konvergenz kann das Auseinanderlaufen des aus den zweiten Ablenkmitteln austretenden Lichts weitgehend vermieden wer- den, so dass sich eine geringe Strahldivergenz und damit eine kleine Strahlausdehnung in einem Abstand von der Vorrichtung ergibt, der bei einer Verwendung in einer Abstandsmessvorrichtung typischerweise dem Abstand zu den zu detektierenden Objekten entspricht. Daraus resultiert eine gute Objektauflösung, so dass die aus dem Stand der Technik bekannten hochauflösenden Elemente auf der Empfängerseite entfallen können.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Optikmittel als eine Primäroptik ausgebildet sind oder Teil einer Primäroptik sind, durch die das von der mindestens einen Lichtquelle ausgehende Licht vor dem Auftreffen auf die ersten Ablenkmittel zumindest teilweise hindurchtritt oder die das von der mindestens einen Lichtquelle ausgehende Licht zumindest teilweise auf die ersten Ablenkmittel reflektiert, wobei die Primäroptik insbesondere eine positive Brechkraft mit einer Brennweite aufweist. Beispielsweise kann dabei die Primäroptik als Sammellinse ausgebildet sein oder eine Sammellinse umfassen. Insbesondere kann die mindestens eine Lichtquelle eine Austrittsapertur aufweisen, die einen derartigen Abstand zu der Fokusebene der Primäroptik aufweist, dass das Licht als konvergentes Licht auf die zweiten Ablenkmittel auftrifft. Auf diese Weise lässt sich mit einfachen Mitteln die erfindungsgemäß gewünschte kleine Strahlausdehnung im Fernfeld erreichen.
Es kann vorgesehen sein, dass die ersten Ablenkmittel als bewegbarer, insbesondere um eine Drehachse oszillierender, Spiegel ausgebildet sind, wobei der Spiegel vorzugsweise ein MEMS-Spiegel ist. Insbesondere kann der Spiegel
eine reflektierende Fläche mit einem Durchmesser zwischen 1 mm bis 5 mm aufweisen. Mit einem derartigen Spiegel kann ein Lichtstrahl sehr effektiv über einen Winkelbereich von bis zu etwa 60° bewegt werden.
Es besteht die Möglichkeit, dass die zweiten Ablenkmittel als eine Sekundäroptik ausgebildet sind oder eine Sekundäroptik umfassen, wobei die Sekundäroptik eine gekrümmte refraktive Fläche, insbesondere eine Zylinderlinse, oder eine gekrümmte reflektierende Fläche, insbesondere einen Zylinderspiegel aufweist. Dabei kann die Zylinderachse der Zylinderlinse oder des Zylinderspiegels im Wesentlichen parallel zu der Drehachse des Spiegels sein. Durch eine derartige Gestaltung kann der Winkelbereich, in den das Licht abgelenkt wird, vergrößert, beispielsweise verdoppelt, werden, so dass bei einer Verwendung in einer Abstandsmessvorrichtung ein großes horizontales Gesichtsfeld realisiert werden kann. Hierbei ist eine stetige Krümmung der refraktiven oder reflektiven Fläche vorteilhaft, weil eine stetig gekrümmte Form eine stufenlose Ablenkung gewährleistet.
Es besteht durchaus auch die Möglichkeit, dass die gekrümmte refraktive Fläche beziehungsweise die gekrümmte reflektierende Fläche der Sekundäroptik Krümmungen hinsichtlich zweier zueinander senkrechter Richtungen aufweist. Auf diese Weise kann die gekrümmte refraktive Fläche beziehungsweise die gekrümmte reflektierende Fläche der Sekundäroptik nicht nur den Winkelbereich, in den das Licht abgelenkt wird, in horizontaler Richtung vergrößern sondern auch das Licht in vertikaler Richtung beeinflussen, insbesondere das Licht in vertikaler Richtung formen.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Sekundäroptik eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche für das Licht aufweist, die beide gekrümmt sind, wobei die Eintrittsfläche eine sich von der Krümmung der Austrittsfläche unterscheidende Krümmung aufweist. Beispielsweise kann die Krümmung der Eintrittsfläche das Licht im in ein Kraftfahrzeug eingebauten Zustand in horizontaler Richtung ablenken beziehungsweise beeinflussen oder formen, wohingegen die Krümmung der Austrittsfläche das Licht im in ein Kraftfahrzeug eingebauten Zustand in vertikaler Richtung ablenken beziehungsweise beeinflussen oder formen kann. Insbesondere weisen die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche jeweils eine Zylinderlinse auf, deren Zylinderachsen senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass sowohl die Eintrittsfläche als auch die Austrittsfläche Krümmungen hinsichtlich zweier zueinander senkrechter Richtungen aufweisen, so dass das Licht im in ein Kraftfahrzeug eingebauten Zustand von beiden Flächen sowohl in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung abgelenkt beziehungsweise beeinflusst oder geformt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Sekundäroptik mehr als ein Bauteil umfasst. Dabei können zwei oder mehr der Bauteile eine gekrümmte refraktive Fläche, insbesondere eine Zylinderlinse, oder eine gekrümmte reflektierende Fläche, insbesondere einen Zylinderspiegel aufweisen. Auf diese Weise kann mehr als ein Bauteil zu der Ablenkung in den zweiten Winkelbereich beitragen, so dass insbesondere der zweite Winkelbereich vergrößert werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die Summe der Entfernung von der Primäroptik zu den ersten Ablenkmitteln und der Entfernung von den ersten Ablenkmitteln zu den zweiten Ablenkmitteln größer als die Brennweite der Primäroptik ist, insbesondere um einen Faktor 5 bis 50 größer als die Brennweite der Primäroptik ist. Bei derartigen Abstandsverhältnissen lässt sich vergleichsweise effektiv eine geeignete Konvergenz des auf die zweiten Ablenkmittel auftreffenden Lichts gewährleisten.
Gemäß Anspruch 9 ist vorgesehen, dass die Abstandsmessvorrichtung eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst.
Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein zu einem möglichst parallelen beziehungsweise engen Bündel geformter Laserstrahl im interessierenden horizontalen Gesichtsfeld verschwenkt werden, so dass eine gute Objektauflösung erreicht wird.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der das Licht in einer ersten Richtung aus der Vorrichtung austritt;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 1 , bei der das Licht in einer zweiten Richtung aus der Vorrichtung austritt; Fig. 3 ein Detail gemäß dem Pfeil III in Fig. 2;
Fig. 4 ein Diagramm, das den Strahlquerschnitt des von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ausgehenden Lichts im Fernfeld verdeutlicht;
Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, bei der das Licht in einer ersten Richtung aus der Vorrichtung austritt;
Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 4, bei der das Licht in einer zweiten Richtung aus der Vorrichtung austritt;
Fig. 7 ein Diagramm, das den Strahlquerschnitt des von der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ausgehenden Lichts im Fernfeld verdeutlicht.
In den Figuren sind gleiche und funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 1 bis Fig. 3 abgebildete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 umfasst eine Lichtquelle 1 1 , von der Licht 12 ausgesendet wird. Die Lichtquelle 1 1 kann eine Laserlichtquelle, beispielsweise ein gepulster Infrarotlaser sein. Es kann sich insbesondere um einen Halbleiterlaser handeln. Es besteht jedoch durchaus auch die Möglichkeit, anstelle eines gepulsten Lasers einen CW-Laser zu verwenden. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, einen Laser zu verwenden, der eine Emissionswellenlänge außerhalb des infraroten Spektralbereichs, beispielsweise im sichtbaren Bereich aufweist. Weiterhin kann durchaus mehr als eine Laserlichtquelle vorgesehen sein.
Es besteht auch die Möglichkeit, als Lichtquelle eine oder mehrere Leuchtdioden (LED) zu verwenden. Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Primäroptik 13, durch die das aus der Lichtquelle 1 1 austretende Licht 12 hindurchtritt. Die Primäroptik 13 ist im abgebildeten Ausführungsbeispiel als Sammellinse mit einer Brennweite f, insbesondere als Bikonvexlinse ausgebildet (siehe Fig. 3). Es besteht durchaus die Möglichkeit, andere Primäroptiken zu verwenden, die beispielweise mehr als eine Linse umfassen. Auch als Spiegel ausgebildete oder Spiegel umfassende Primäroptiken können verwendet werden.
Die in Fig. 3 lediglich schematisch angedeutete Austrittsapertur der Lichtquelle 1 1 befindet sich nicht in der Fokusebene 14 der Primäroptik 13. Vielmehr weist sie zu der Primäroptik 13 einen Abstand d auf, der größer als die Brennweite f ist. Dadurch wird erreicht, dass das aus der Primäroptik 13 austretende Licht 12 nicht kollinniert sondern leicht konvergent ist (siehe Fig. 3).
Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin einen als erste Ablenkmittel dienenden oszillierenden Spiegel 15, der insbesondere als MEMS-Spiegel mit einem Durchmesser der reflektierenden Fläche beispielsweise zwischen 1 mm und 5 mm ausgebildet ist. Der Spiegel 15 wird insbesondere über einen Winkelbereich von ± 15° bewegt, so dass das von dem Spiegel 15 reflektierte Licht 12 in einen Winkelbereich von etwa ± 30° beziehungsweise in einen Winkelbereich von etwa 60° abgelenkt wird. Dabei bleibt die aus Fig. 3 ersichtliche Konvergenz des Lichts 12 erhalten.
Es besteht durchaus die Möglichkeit andere erste Ablenkmittel vorzusehen.
Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine als zweite Ablenkmittel dienende Sekundäroptik 16. Die abgebildete Ausführungsform der Sekundäroptik 16 weist eine konkave zylindrische Eintrittsfläche 17 und eine plane Austrittsfläche 18 aufweist. Dabei erstreckt sich die Zylinderachse der durch die zylindrische Eintrittsfläche 17 gebildeten Zylinderlinse in die Zeichenebene der Fig. 1 und Fig. 2 hinein und ist damit im Wesentlichen parallel zu der nicht abgebildeten Drehachse, um die der Spiegel 15 oszilliert. Fig. 1 zeigt, dass die Summe der Entfernung di von der Primäroptik 13 zu den als Spiegel 15 ausgebildeten ersten Ablenkmitteln und der Entfernung 02 von den ersten Ablenkmitteln zu den als Sekundäroptik 16 ausgebildeten zweiten Ablenkmitteln größer als die Brennweite f der Primäroptik 13 ist. Beispielsweise kann die Summe der Entfernungen di + 02 um einen Faktor 5 bis 50 größer als die Brennweite f der Primäroptik 13 sein.
Die Sekundäroptik 16 vergrößert durch die Gestaltung der gekrümmten Eintrittsfläche 17 und der planen Austrittsfläche 18 den Winkelbereich, in den das Licht 12 abgelenkt wird. Insbesondere kann die Größe des Winkelbereichs etwa verdoppelt werden, so dass das Licht 12 in einen Winkelbereich von etwa ± 60° beziehungsweise in einen Winkelbereich von etwa 120° abgelenkt wird. Fig. 1 zeigt einen etwa mittig auf die Eintrittsfläche 17 auftreffendes Lichtbündel, das nicht abgelenkt wird. Fig. 2 zeigt ein im Randbereich der Eintrittsfläche 17 auftreffendes Lichtbündel, das bei dem Austritt aus der Sekundäroptik 16 gegenüber der Einfallsrichtung deutlich nach außen abgelenkt wird.
Die Sekundäroptik 16 kann insbesondere so ausgestaltet werden, dass bei Richtungsänderungen des Eingangslichtbündels zumindest in aneinandergrenzenden Auf- treffbereichen eine proportionale Richtungsänderung des Ausgangslichtbündels auftritt, beispielsweise derart, dass die Richtungsänderung auf der Ausgangsseite immer etwa doppelt so groß wie die Richtungsänderung auf der Eingangsseite ist.
Es besteht durchaus die Möglichkeit, die Sekundäroptik anders zu gestalten. Beispielsweise können sowohl die Eintrittsfläche als auch die Austrittsfläche gekrümmt sein, wobei jedoch insbesondere die Krümmung der Eintrittsfläche größer als die Krümmung der Austrittsfläche sein kann.
Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, dass die Sekundäroptik Spiegel, insbesondere Zylinderspiegel, umfasst oder als ausschließlich aus Spiegeln bestehende Optik ausgebildet ist. Aufgrund der Konvergenz des auf die Sekundäroptik 16 auftreffenden Lichts 12 wird das Licht 12 von der Sekundäroptik 16 nicht so stark aufgeweitet wie im Stand der Technik. Es tritt weitgehend kollimiert beziehungsweise als weitgehend paralleles Lichtbündel aus der Sekundäroptik aus, so dass die Strahlbreite 19 einzelner Teilstrahlen 20 des Lichts im Fernfeld vergleichsweise klein ist (siehe dazu Fig. 4).
Dies lässt sich so verstehen, dass das von der Primäroptik 13 ausgehende Strahlenbündel eine endliche und relevante Ausdehnung besitzt, wenn es auf die Sekundäroptik 19 trifft. Wenn angenommen wird, dass die Sekundäroptik 19 den Ablenkwinkel eines jeden Einzelstrahls des Bündels um einen konstanten Faktor vergrößert, dann sollten zur Verringerung der Divergenz des austretenden Lichts die äußeren Strahlen des Bündels relativ zum Mittelstrahl des Bündels konvergieren. Der innere Randstrahl wird wegen des konstanten Faktors weniger stark als der Mittelstrahl abgelenkt, so dass er schon eine Vorablenkung in Richtung der späteren Gesamtablenkung aufweisen muss. Gleichermaßen wird der äußere Randstrahl wegen des konstanten Faktors stärker als der Mittelstrahl abgelenkt, so dass er schon auf den Mittenstrahl zulaufen muss, um eine spätere geringere Gesamtablenkung zu erfahren. Auf diese Weise führt die Konvergenz des auf die Sekundäroptik 19 auftreffenden Lichts 12 zu einer geringeren Divergenz des aus der Sekundäroptik 19 austretenden Lichts 12.
Es ergibt sich eine sehr gute Objektauflösung einer mit der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 10 versehenen, nicht abgebildeten Abstandsmessvornchtung. Die Vorrichtung 10 wird dabei so in die Abstandsmessvornchtung integriert, dass im in ein Kraftfahrzeug eingebauten Zustand der Winkelbereich, in den die zweiten Ablenkmittel das von den ersten Ablenkmitteln ausgehende Licht ablenken, ein horizontaler Winkelbereich ist.
Ein derartige Abstandsmessvorrichtung umfasst zusätzlich zu der optischen Vorrichtung 10 insbesondere Detektormittel, die das von einem Objekt außerhalb des Kraftfahrzeugs zurückreflektierte oder zurückgestreute Licht detektieren können. Bei der in Fig. 1 und Fig. 2 abgebildeten Ausführungsform sind eine zylindrische Eintrittsfläche 17 und eine plane Austrittsfläche 18 vorgesehen. Die Zylinderachse der zylindrischen Eintrittsfläche 17 ist so ausgerichtet, dass die Eintrittsfläche auf die horizontale Richtung des Lichts Einfluss nimmt.
Es besteht die Möglichkeit, anstelle der plane Austrittsfläche 18 eine gekrümmte Austrittsfläche vorzusehen. Beispielsweise könnte die Austrittsfläche eine Krümmung hinsichtlich der sich in die Zeichenebene der Fig. 1 und Fig. 2 hineinerstreckenden Richtung aufweisen. Dadurch wäre die Krümmung der Austrittsfläche senkrecht zu der Krümmung der Eintrittsfläche 17, so dass die gekrümmte Austrittsfläche in vertikaler Richtung Einfluss auf das Licht nimmt, insbesondere das Licht in vertikaler Richtung formt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Eintrittsfläche 17 nicht nur eine Krümmung in der Zeichenebene der Fig. 1 und Fig. 2 aufweist, sondern zusätzlich auch eine Krümmung in der dazu senkrechten, sich in die Zeichenebene hineinerstreckenden Richtung aufweist. Dann wäre die Eintrittsfläche keine Zylinderlinse mehr, sondern eine beispielsweise hinsichtlich zweier Richtungen gekrümmte Fläche. Die Eintrittsfläche 17 kann bei einer derartigen Ausgestaltung sowohl in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung Einfluss auf das Licht nehmen, insbesondere das Licht auch in vertikaler Richtung formen.
Bezugszeichenliste
1 Lichtquelle
2 Primäroptik
3 aus der Lichtquelle austretendes Licht
4 Spiegel
5 Sekundäroptik
6 Eintrittsfläche der Sekundäroptik
7 Austrittsfläche der Sekundäroptik
8 Strahlbreite des Lichts im Fernfeld
9 Teilstrahl des Lichts im Fernfeld
10 Vorrichtung für eine Abstandsmessvorrichtung nach dem LIDAR-Prinzip
1 1 Lichtquelle
12 aus der Lichtquelle austretendes Licht
13 Primäroptik
14 Fokusebene der Primäroptik
15 Spiegel
16 Sekundäroptik
17 Eintrittsfläche der Sekundäroptik
18 Austrittsfläche der Sekundäroptik
19 Strahlbreite des Lichts im Fernfeld
20 Teilstrahl des Lichts im Fernfeld
f Brennweite der Primäroptik
d Abstand der Austrittsapertur der Lichtquelle zu der Primäroptik di Entfernung von der Primäroptik zu dem Spiegel
02 Entfernung von dem Spiegel zu der Sekundäroptik

Claims

Optische Vorrichtung für eine Abstandsmessvorrichtung nach dem LIDAR-Prinzip Patentansprüche
1 . Optische Vorrichtung (10) für eine Abstandsmessvorrichtung nach dem
LIDAR-Prinzip, umfassend
- mindestens eine Lichtquelle (1 1 ),
- erste Ablenkmittel, die im Betrieb der Vorrichtung (10) das von der mindestens einen Lichtquelle (1 1 ) ausgehende Licht (12) in einen ersten Winkelbereich ablenken,
- zweite Ablenkmittel, die im Betrieb der Vorrichtung (10) das von den ersten Ablenkmitteln ausgehende Licht (12) in einen zweiten Winkelbereich ablenken, der größer als der erste Winkelbereich ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) Optikmittel umfasst, die das Licht (12) so beeinflussen, dass es als konvergentes Licht (12) auf die zweiten Ablenkmittel auftrifft.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Optikmittel als eine Primäroptik (13) ausgebildet sind oder Teil einer Primäroptik (13) sind, durch die das von der mindestens einen Lichtquelle (1 1 ) ausgehende Licht (12) vor dem Auftreffen auf die ersten Ablenkmittel zumindest teilweise hindurchtritt oder die das von der mindestens einen Lichtquelle (1 1 ) ausgehende Licht (12) zumindest teilweise auf die ersten Ablenkmittel reflektiert, wobei die Primäroptik (13) insbesondere eine positive Brechkraft mit einer Brennweite (f) aufweist.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lichtquelle (1 1 ) eine Austrittsapertur aufweist, die einen derartigen Abstand (d) zu der Fokusebene (14) der Primäroptik (13) aufweist, dass das Licht (12) als konvergentes Licht (12) auf die zweiten Ablenkmittel auftrifft.
4. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ablenkmittel als bewegbarer, insbesondere um eine Drehachse oszillierender, Spiegel (15) ausgebildet sind, wobei der Spiegel (15) vorzugsweise ein MEMS-Spiegel ist.
5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
Spiegel (15) eine reflektierende Fläche mit einem Durchmesser zwischen 1 mm bis 5 mm aufweist.
6. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Ablenkmittel als eine Sekundäroptik (16) ausgebildet sind oder eine Sekundäroptik (16) umfassen, wobei die Sekundäroptik (16) eine gekrümmte refraktive Fläche, insbesondere eine Zylinderlinse, oder eine gekrümmte reflektierende Fläche, insbesondere einen Zylinderspiegel aufweist.
7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachse der Zylinderlinse oder des Zylinderspiegels im Wesentlichen parallel zu der Drehachse des Spiegels (15) ist.
8. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Entfernung (di) von der Primäroptik (13) zu den ersten Ablenkmitteln und der Entfernung (d2) von den ersten Ablenkmitteln zu den zweiten Ablenkmitteln größer als die Brennweite (f) der Primäroptik (13) ist, insbesondere um einen Faktor 5 bis 50 größer als die Brennweite (f) der Primäroptik (13) ist.
9. Abstandsmessvorrichtung nach dem LIDAR-Prinzip, die für die Nutzung in einem Kraftfahrzeug geeignet ist, umfassend eine optische Vorrichtung (10) und Detektormittel, die das von einem Objekt außerhalb des Kraftfahrzeugs zurückreflektierte oder zurückgestreute Licht (12) detektieren können, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (10) eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist.
Abstandsmessvornchtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbereich, in den die zweiten Ablenkmittel das von den ersten Ablenkmitteln ausgehende Licht (12) ablenken, im in das Kraftfahrzeug eingebauten Zustand der Abstandsmessvornchtung ein horizontaler Winkelbereich ist.
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