WO2018019807A1 - Optische anordnung für ein lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung - Google Patents

Optische anordnung für ein lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung Download PDF

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detector
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Klaus Stoppel
Stefanie Mayer
Thomas FERSCH
Siegwart Bogatscher
Hans-Jochen Schwarz
Jan Sparbert
Annette Frederiksen
Reiner Schnitzer
Thorsten Balslink
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the present invention relates to an optical arrangement for a LiDAR system, a LiDAR system and a working device.
  • the present invention relates in particular to an optical arrangement for a LiDAR system for the optical detection of a field of view, in particular for a
  • the present invention relates to a LiDAR system for optically detecting a field of view as such and in particular for a working device, a vehicle or the like. Furthermore, a vehicle is provided by the present invention.
  • Sensor arrays used to detect the operating environment.
  • light-based detection systems are also increasingly used, e.g. so-called LiDAR systems (English: LiDAR: light detection and ranging).
  • a beam attenuator attenuating the intensity of the radiation can be dispensed with, so that there is no loss of intensity in the
  • an optical arrangement for a LiDAR system for optically detecting a field of view is provided, in particular for a working device, a vehicle or the like, in which on the one hand a receiver optics and a transmitter optics are formed at least on the field of view (i) with substantially coaxial optical axes and (ii) have a common deflection optics and on the other hand, on the detector side a detector optics is formed and has means, directly on the deflection optics - in particular from the field of view - to direct incident light onto a detector array.
  • the invention eliminates the
  • Detector optics has the ability and has the appropriate means, in direct cooperation with the deflection optics incident light, in particular from the field of view, on the deflection optics on the underlying
  • deflection optics is formed and has means for directing light from the field of view directly onto the detector optics.
  • the deflection optics with a one or two-dimensional controllable pivotable and / or swingable mirror, in particular micromirrors is formed. It is under a swinging mirror and a too To understand vibrations or swinging oscillatory movements excitable mirror
  • the mirror or micromirror is controllably pivotable and / or oscillatable (i) in a first angular range for irradiating primary light into the field of view and (ii) in a second
  • Angle range for directing secondary light from the field of view directly onto the detector optics is provided.
  • a particularly compact design of the optical arrangement adjusts itself according to a preferred development when the detector optics in
  • Detector arrangement is formed.
  • the detector optics comprises or forms a lens, in particular in the form of a hemisphere or in the form of a combination of a vertical circular cylinder and a hemisphere on an end face of the circular cylinder, wherein the detector array or a sensor element of Detector arrangement is arranged on a page applied to a convex side of the hemisphere.
  • the detector optics comprises or forms a material region embedding the detector arrangement or a detector element of the detector arrangement.
  • loss-generating interfaces are particularly effectively avoided.
  • a particularly high degree of detection accuracy can be achieved if, according to a further embodiment of the optical arrangement according to the invention, the detector arrangement or a sensor element of the
  • Detector arrangement is disposed substantially at the focal point or substantially in a focal plane of the detector optics.
  • Substantially perpendicular to detector-side optical axes of the transmitter optics and / or the receiver optics are.
  • an aperture optical system is provided, which is arranged upstream of the deflection optics and is designed to direct primary light from the deflection optics into the field of view and light from the field of view onto the deflection optics.
  • the present invention further relates to a LiDAR system for optically detecting a field of view, in particular for one or as part of a
  • an operating device in particular a vehicle or the like, which is formed with a LiDAR system according to the invention for optically detecting a field of view.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing a
  • Embodiment of the optical according to the invention Arrangement in connection with an embodiment of a LiDAR system according to the invention shows.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of another
  • FIGS. 4 to 5 show another embodiment of the optical arrangement according to the invention in a LiDAR system and its imaging properties.
  • Figures 6 to 8 show a schematic and sectional side view
  • Embodiments of the optical arrangement according to the invention with various possibilities of generating and providing primary light.
  • Figures 9 to 12 show a schematic and sectional side view of various detector optics and their imaging behavior, which can be used in embodiments of the optical arrangement according to the invention.
  • FIGS. 13 to 16 show graphs which are different
  • Figure 1 shows in the form of a schematic block diagram a
  • the LiDAR system 1 has a transmitter optics 60, which are emitted by a light source 65, e.g. in the form of a laser, and primary light 57 - possibly after passing through a beam shaping optics 66 - in a field of view 50 for detecting and / or investigation of an object 52 located there emits.
  • a light source 65 e.g. in the form of a laser
  • primary light 57 - possibly after passing through a beam shaping optics 66 - in a field of view 50 for detecting and / or investigation of an object 52 located there emits.
  • the LiDAR system 1 has a receiver optics 30, which receives light and in particular reflected light from the object 52 in the field of view 50 as the secondary light 58 via a lens 34 as the primary optic and transmits secondary optics to a detector arrangement 20 via a detector optics 35.
  • control and evaluation unit 40th The control of the light source 65 and the detector assembly 20 via control lines 42 and 41 by means of a control and evaluation unit 40th
  • FIG. 1 the concepts of the common field of view deflection optics 32 and the detector-side detection optics 35 are shown schematically.
  • the deflection optics 62 as part of the primary optics 34 which can also be referred to as an objective and functions in conjunction with the transmitter optics 60 as an emitting projection objective, is designed to receive the primary light 57 and to direct it into the field of view 50 with the object 52.
  • the primary optics 34 acts in conjunction with the receiver optics 30 as a receiving projection lens.
  • an aperture optics 70 for suitably outputting the primary light 57 and for receiving the secondary light 58 in bundling fashion.
  • the detector arrangement 20 may be formed with one or more sensor elements 22.
  • the optical arrangement 10 is designed for a LiDAR system 1 for the optical detection of a field of view 50, in particular for a working device, a vehicle or the like, and is formed with a transmitter optics 60 for emitting a transmission light signal in the field of view 50, a detector array 20 and a Receiver optics 30 for optically imaging the field of view 50 on the detector assembly 20th
  • the receiver optics 30 and the transmitter optics 60 are formed on the field of view side (i) with substantially coaxial optical axes and have a common deflection optics 62.
  • the receiver optics 30 has a secondary optics 35 on the detector side, which is embodied and comprises means for directing incident light onto the detector arrangement 20 via the deflecting optics 62 from the field of view 50.
  • the transmitter optics 60 is generally formed and has means for emitting primary light 57 into the field of view 50.
  • the receiver optics 30 are formed and have means for optically imaging the field of view 50 on the
  • FIG. 2 shows, in a manner similar to FIG. 1, another embodiment of a LiDAR system 1 using an alternative embodiment of the optical arrangement 10 according to the invention.
  • the components provided in the embodiment according to FIG. 2 substantially correspond to the components shown in FIG. However, FIG. 2 emphasizes (a) the spatial proximity between the detector optics 35 as the secondary optics of the receiver optics 30 to the detector arrangement 20 and the sensor elements 22 on the one hand and (b) the immediate spatial ones
  • Detector assembly 20 with the sensor elements 22 to the light source 65 as the primary light 57 providing element 67 on the other.
  • FIG. 3 shows a more concrete embodiment of a LiDAR system 1 according to the invention using an embodiment of the invention
  • this embodiment realizes the basic principle shown in FIGS. 1 and 2.
  • the detector array 20 with a sensor element 22 together with a light source 65 or generally together with a primary light 57 providing element 67 in or on a common substrate 25, through which the detector plane 24 is defined.
  • the sensor element 22 and the element 57 providing the primary light 57 are arranged in the immediate spatial vicinity of one another.
  • the deflection optics 62 e.g. in the form of a controllably pivotable or oscillatable micromirror 63 only needs to be pivoted about immediately adjacent angular ranges and / or Wnkel Schemee low expansion, thereby applying the field of view 50 with the object 52 contained therein - optionally mediated by the aperture optics 70 - with primary light 57 and / or secondary light 58 from the field of view 50 to the detector assembly 20 to the sensor element 22 to judge.
  • the detector optics 35 has the shape of a lens 36 with a hemisphere segment 37 and a cylinder segment 38 with common
  • the hemisphere segment 37 is directly - e.g.
  • the differently marked beams for the secondary light 58 correspond to different distances 71 between the aperture optics 70 and the object 52.
  • the distance 71 between the object 52 in the field of view 50 and the deflection optics 62 is decisive.
  • the beam of the secondary light 58 denoted by the reference numeral 72-1 comes from a slightly distant object 52 of the field of view 50, whereas the beam of the secondary light 58 denoted by 72-3 comes from a further object 52 of the field of view 50.
  • the secondary light 58 takes more time to negotiate a greater distance, in which the mirror 63 gives away the deflection optics by a larger angle.
  • the beam 72-3 is more distracted than the beam to 72-1.
  • the deflection optics 62 and in particular their mirrors 63 have a first angular range 64-1, which serves to image the secondary light 58 from the field of view 50 onto the detector arrangement 20, and a second angle range
  • Angle range 64-2 which is the distribution of the primary light 57 from the primary light 57 providing element 67 into the field of view 50 into it.
  • FIGS. 4 and 5 show diagrammatically the imaging conditions in a
  • Figure 4 is a simple plan view
  • Figure 5 is an exploded view.
  • FIGS. 4 and 5 show the travel of the secondary light 58 with respect to the lenses 36 and the detector arrangement 20 with thin sensor elements 22.
  • FIGS. 6 to 8 show different embodiments of the optical arrangement 10 according to the invention with a focus on the different realizations of generating the primary light 57.
  • the element 67 generating the primary light 57 is formed by a light source 65 itself, for example one
  • Laser light source a laser diode or the like.
  • an external light source 65 is used which generates primary light 57 and directs it to a mirror element as element 67 providing primary light 57 in the substrate 25.
  • this is the primary light 57
  • FIGS. 9 to 12 schematically show imaging conditions
  • Detector assembly 20 are shown behind the detector optics 35.
  • FIGS. 9 and 12 each schematically show a detector optics 35 with two
  • FIGS. 10 and 11 show an arrangement with only one lens 36 for constructing the detector optics 35.
  • FIGS. 13 and 14 show, in the form of graphs, the relative light powers which occur in the case of detector optics with a lens 36 and with two lenses 36 which occur at the respective sensor element 22 as a function of the distance of the object 52.
  • Figures 15 and 16 respectively show the relative power at
  • Sensor element 22 of the detector assembly 20 as a function of the hole spacing, which is to be plotted on the abscissa, with coding for small distances 72-1, average distances 72-2 and large distances 72-3 from the object 52 in the field of view 50.
  • Previous LiDAR architectures 1 often use coaxial arrangements of transmitter path 60 and receiver path 30.
  • the transmitter itself consists e.g. from a modulated laser diode as the light source 65. In the simplest case, e.g. generates short pulses with high to very high peak power.
  • the detector arrangement 29 has a single or a plurality of AP diodes (avalanche photo diode) as the sensor element 22. PIN diodes are also common. Silicon and
  • Germanium diodes are less expensive than compound semiconductor diodes (e.g., InGaAs), but allow less efficient detection of radiation with wavelengths greater than about 900 nm.
  • the coaxial arrangement conventionally often requires a beam splitter which deflects the laser power in different directions, for example in the ratio 1: 1 (50%). That is, the transmit beam penetrates optional optics and the beam splitter before being directed by a deflection unit 62 in the direction of field of view 50 or FOV (field of view), in which the distance, presence, or reflection properties of a suspected object 52 are measured should.
  • a beam splitter which deflects the laser power in different directions, for example in the ratio 1: 1 (50%). That is, the transmit beam penetrates optional optics and the beam splitter before being directed by a deflection unit 62 in the direction of field of view 50 or FOV (field of view), in which the distance, presence, or reflection properties of a suspected object 52 are measured should.
  • FOV field of view
  • the direction of the object 52 as a target can be determined by the position of the deflection unit 62.
  • a further optics is provided.
  • the reflected beam from the object 52 follows as secondary light 58 the same path as the primary light 57 in the transmission path 60. This is the case when the deflection unit 62 has moved only negligibly little during the measurement. This condition is generally met.
  • the conventionally used beam splitter directs a portion of the receiving beam onto a receiver, possibly requiring further optics.
  • Receiver reduced by sources of interference (brake lights, headlights, sunlight).
  • the deflector always directs the receive beam to the same location on the detector.
  • the detector can be made very small (single diode) or a better receiving diode can be used (InGaAs).
  • the beam splitter is a part of the transmission power in the housing
  • the deflected beam can disturb the receiver.
  • the reception power is reduced by the beam splitter. This is a critical issue since the receive power i.d.R. is very low and further reduction is very detrimental to system performance.
  • the determination of the target direction must be made either by the deflection unit or the receiver. If the appearance angle of the target is determined by the position of the deflection unit, a single, large photodiode, onto which the entire FOV is projected, is sufficient in principle. This approach has the disadvantage that a lot of ambient light is directed to the detector.
  • the receiver may be constructed of a photodiode array or a photodiode array. This breaks up the FOV and exposes a single photodiode to only part of the FOV and thus only part of the ambient light.
  • optical reception and transmission paths can be realized independently, according to their individual requirements, no compromise is required.
  • a very large receiver diode array is necessary. It therefore can not be made cost-efficiently from compound semiconductors. This prevents the use of large, eye-safe wavelengths. Such an array also requires a great deal of electrical energy, which requires expensive cooling measures.
  • the system offers the stated advantages of a conventional coaxial system without its disadvantages. In addition, large and expensive detectors are unnecessary.
  • a core of the invention is the focusing of the receive pulse power emanating from a micromirror 63 onto a small area or point in a plane 24.
  • the separation of transmit path 60 and receive path 30 is by a
  • the beam of the secondary light 58 is further focused by a detector optics 35, which is located directly in front of the detector array 20.
  • the transmitting unit e.g. in the sense of an element 67 providing the primary light 57
  • the receiving unit e.g. in the sense of the detector arrangement 20 with a sensor element 22, arranged very close to each other.
  • Photodiode array may be used in the detector assembly 20.
  • the ability to manage with a single receive diode allows the use of large, eye-safe wavelengths, e.g. in the range of about 1550 nm, in an economical way.
  • an optical zero-meter signal can be provided.
  • a lens 36 of the detector optics 35 can be applied very space-saving directly to the detector.
  • Detector level to be built This can be flat or curved. Either a printed circuit board (PCB) or a semiconductor chip are conceivable.
  • PCB printed circuit board
  • a time-limited laser pulse is emitted from a small area on the detector plane.
  • the laser beam is directed via a deflection unit 62 to a point or object 52 in field of view 50 or FOV.
  • the light power reflected or diffusely scattered by the object 52 is collimated by the aperture optics 70 and directed back to the deflection optics 62 as a deflection unit.
  • the deflection unit 62 is e.g. a mirror 63 vibrating at least in one plane.
  • the mirror position has changed slightly as the mirror 63 oscillates continuously and rapidly.
  • the received pulse is thereby moved to a location on the
  • Detector plane 24 is projected, which is different from the emitter surface.
  • a small distance of the object 52 results in a weak deflection of the receive beam, beam 72-1 in FIG. 3.
  • a greater distance of the object 52 results in a stronger deflection, beam 72-3 in FIG.
  • the deflection is dependent on the oscillation frequency of the mirror 63, the distance 71 between the object 63 and the mirror 63, the distance between the detector plane 24 and the mirror 63 and possibly the aperture. Without further action, the receive beam projected onto the detector plane 24 would describe a line of possible projection locations, depending on the object distance 71.
  • the receiving beam of the secondary light 58 must be directed to a sensor element 22.
  • the projected beam would become very long and require large detectors.
  • reflections on nearby objects 52 would cause the receive beam to strike the emitter surface again and not be detected.
  • detector optics 35 which is applied before or directly onto the detector module as detector arrangement 20, remedies this problem.
  • FIG. 3 is a lens 36 with a hemispherical lens part 37 with a cylindrical base or base 28.
  • FIG. 3 shows a sectional view of an axisymmetric lens 36.
  • FIG. 4 shows the plan view of the detector plane 24.
  • FIG. 5 supplements FIG. 4 with an exploded view.
  • the individual elements of FIG. 5 are superimposed on the representation in FIG. 4. The further explanation is made with reference to FIG. 5 from top to bottom.
  • the right side represents the case of a mirror 63 oscillating in only one plane; one-dimensional or 1-D case.
  • the 1D case is also approximately true if the vertical frequency is chosen to be much smaller than the horizontal frequency.
  • the receive beam is deflected more or less far.
  • the legend on the right side breaks down the distance information using the reference numerals 72-1, 72-2, 72-3 for near, middle and long distances, respectively.
  • Two embodiments of lenses 36 are shown. On the left, the dome-shaped lens 36 already explained in FIG. 3, on the right a lens 36 of a similar shape, which is widened in the y-direction. The left lens 36 is able to compensate for the vertical deflection by the 2D mirror 63 as well.
  • a wider lens 63 could make collimation more independent of
  • the reception beam position 75 after collimation is ideally punctiform regardless of the object distance 71.
  • the detector surface is shaped and dimensioned so that all
  • Receiving beams are focused independently of the object distance 71 on it.
  • the laser aperture is formed by a laser component, which is integrated as light source 65 in the detector plane 24.
  • the laser can be applied as an external component to the substrate 25 (PCB / semiconductor material,
  • the wiring can be done directly on the substrate 25.
  • the laser can be worked out directly from the semiconductor material.
  • a high level of electromagnetic interference (EMC, EMI) can be caused by high-energy circuit elements at the detector level 24.
  • Substrate 25 consist, which is irradiated with a laser 65.
  • the substrate 25 can be provided with an opening or a hole at the location of the aperture which the laser beam penetrates from the rear side.
  • FIGS. 9 to 12 show the simulated beam path for individual beams (ray tracing). All rays are considered by one to be punctiform
  • the object distance 71 is represented by 72-1 near, 72-2 middle, 72-3 remote coded.
  • FIGS. 9 to 12 thus show simulated beam paths for a
  • FIGS. 9 and 10 show that the beams of the secondary light 58 emanate from a point-shaped deflection unit 62 (right) and strike the detector plane 24 (left).
  • Figures 11 and 12 show the lens 26 in detail for an input and for a
  • Distance between mirror 63 and detector plane 24 3 cm or 5 cm for one lens or two lenses 36
  • FIGS. 13 and 14 show the power incident on the sensor surface as a function of the object distance 71.
  • the values shown are related to the power emanating from the mirror 63.
  • the 100% missing power is deflected by the ball lens 37 at too low angle of incidence. Reception beams for very close objects 52 are not sufficiently deflected by the mirror 63 and fall back onto the laser aperture, more distant objects 52 produce beams which strike the lens 36 very flat and are thereby attenuated.
  • Incident rays always have a certain extent.
  • very close targets 52 produce a very strong backscatter signal. From these For reasons, very close objects 52 can also be detected in the real case.
  • dome-shaped and pill-shaped lenses 37 with base 38 Shown were dome-shaped and pill-shaped lenses 37 with base 38.
  • the specific embodiment of the detector optics 35 can be adapted according to the application. It is important that the detector optics 35 as far as possible all the incident rays of the secondary light 58 focused on one or more small areas as possible, as punctiform.
  • a holographic element would accomplish the deflection without a curved surface.
  • An asymmetrically shaped element could improve the minimum blind reach by making a shallower angle in the area of the opening
  • the entire power is distributed over an area of approximately 600 ⁇ m in diameter.
  • rays from very distant objects 52 would be directed to a point in the detector plane 24 at which no sensor element 22 is located. Thus, a higher would be

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung (10) für ein LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, bei welcher eine Empfängeroptik (30) und eine Senderoptik (60) zumindest sichtfeldseitig (i) mit im Wesentlichen koaxialen optischen Achsen ausgebildet sind und (ii) eine gemeinsame Ablenkoptik (62) aufweisen und detektorseitig eine Detektoroptik (35) ausgebildet ist und Mittel aufweist, direkt über die Ablenkoptik (62) - insbesondere aus dem Sichtfeld (50) - einfallendes Licht auf eine Detektoranordnung (20) zu richten.

Description

Beschreibung Titel
Optische Anordnung für ein LiDAR-Svstem, LiDAR-Svstem und
Arbeitsvorrichtung
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung für ein LiDAR- System, ein LiDAR-System sowie eine Arbeitsvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine optische Anordnung für ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine
Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes als solches und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen. Des Weiteren wird durch die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug geschaffen.
Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder
Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall kommen vermehrt auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-Systeme (englisch: LiDAR : light detection and ranging).
Bei bekannten LiDAR-Systemen besteht ein Nachteil dahingehend, dass bei koaxialer Anordnung zur Trennung der Strahlengänge der Senderoptik und der Empfängeroptik herkömmlicherweise oft Strahlteiler verwendet werden. Diese führen auf Grund ihres Funktionsprinzips sowohl im Sendepfad, das heißt beim Aussenden von Primärlicht, als auch im Empfangspfad, das heißt beim
Aufnehmen von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld, zu Abschwächungen in der Strahlungsintensität und reduzieren damit die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Detektionsvorgangs. Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße optische Anordnung mit den Merkmalen des
unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass auf die
Verwendung eines die Intensität der Strahlung abschwächenden Strahlteilers verzichtet werden kann, so dass es zu keinen Intensitätseinbußen beim
Detektionsvorgang kommt. Dies steigert die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Detektionsvorgangs und wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine optische Anordnung für ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes geschaffen wird, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, bei welcher einerseits eine Empfängeroptik und eine Senderoptik zumindest sichtfeldseitig (i) mit im Wesentlichen koaxialen optischen Achsen ausgebildet sind und (ii) eine gemeinsame Ablenkoptik aufweisen und bei welcher andererseits detektorseitig eine Detektoroptik ausgebildet ist und Mittel aufweist, direkt über die Ablenkoptik - insbesondere aus dem Sichtfeld - einfallendes Licht auf eine Detektoranordnung zu richten. Erfindungsgemäß entfällt die
Notwendigkeit eines Strahlteilers, weil die detektorseitig vorgesehene
Detektoroptik die Fähigkeit besitzt und die entsprechenden Mittel aufweist, in direktem Zusammenwirken mit der Ablenkoptik einfallendes Licht, insbesondere aus dem Sichtfeld, über die Ablenkoptik auf die zu Grunde liegende
Detektoranordnung zu richten. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung werden zusätzliche optische Komponenten, die mit einem entsprechenden Verlust behaftet sein können, dadurch vermieden, dass die Ablenkoptik ausgebildet ist und Mittel aufweist, Licht aus dem Sichtfeld direkt auf die Detektoroptik zu richten.
Eine besonders einfach zu steuernde optische Anordnung ergibt sich, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen
Anordnung die Ablenkoptik mit einem ein- oder zweidimensional steuerbar verschwenkbaren und/oder schwingbaren Spiegel, insbesondere Mikrospiegel ausgebildet ist. Dabei ist unter einem schwingbaren Spiegel auch ein zu Schwingungen oder zu schwenkenden Schwingbewegungen anregbarer Spiegel zu verstehen
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist es vorgesehen, dass der Spiegel oder Mikrospiegel steuerbar verschwenkbar und/oder schwingbar ist (i) in einem ersten Winkelbereich zum Einstrahlen von Primärlicht in das Sichtfeld und (ii) in einem zweiten
Winkelbereich zum Richten von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld direkt auf die Detektoroptik.
Eine besonders kompakte Bauweise der optischen Anordnung stellt sich gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dann ein, wenn die Detektoroptik in
unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zu einem Detektorelement der
Detektoranordnung ausgebildet ist.
Dabei ist es gemäß einer anderen Weiterbildung der optischen Anordnung vorgesehen, dass die Detektoroptik eine Linse aufweist oder bildet, insbesondere in Form einer Halbkugel oder in Form einer Kombination aus senkrechtem Kreiszylinder und einer Halbkugel an einer Stirnseite des Kreiszylinders, wobei die Detektoranordnung oder ein Sensorelement der Detektoranordnung auf einer einer konvexen Seite der Halbkugel angewandten Seite angeordnet ist.
Besonders geringe Verluste stellen sich bei der optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dann ein, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform die Detektoroptik einen die Detektoranordnung oder ein Detektorelement der Detektoranordnung einbettenden Materialbereich aufweist oder bildet. In diesem Fall werden Verluste generierende Grenzflächen besonders wirkungsvoll vermieden.
Ein besonders hohes Maß an Detektionsgenauigkeit lässt sich erreichen, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung die Detektoranordnung oder ein Sensorelement der
Detektoranordnung im Wesentlichen im Brennpunkt oder im Wesentlichen in einer Brennebene der Detektoroptik angeordnet ist. Für ein schnelles und genaues Ansprechen eines LiDAR-Systems sind
Umstände förderlich, die nur geringe Ablenkbereiche für die zu Grunde liegende Ablenkoptik erforderlich machen.
So ist es bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung vorgesehen, dass die Detektoranordnung oder ein Sensorelement der Detektoranordnung und ein Primärlicht bereitstellendes Element, insbesondere eine Lichtquelle, in unmittelbarer räumlicher
Nachbarschaft zueinander angeordnet sind und/oder in einer Ebene im
Wesentlichen senkrecht zu detektorseitigen optischen Achsen der Senderoptik und/oder der Empfängeroptik liegen.
Für ein genaues Ausleuchten des Sichtfeldes und ein Detektieren von Licht aus dem Sichtfeld kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der
erfindungsgemäßen optischen Anordnung eine Aperturoptik ausgebildet sein, welche sichtfeldseitig der Ablenkoptik vorgeschaltet und dazu ausgebildet ist und Mittel aufweist, Primärlicht von der Ablenkoptik in das Sichtfeld und Licht aus dem Sichtfeld auf die Ablenkoptik zu richten.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine oder als Teil einer
Arbeitsvorrichtung, eines Fahrzeugs und dergleichen, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung eine erfindungsgemäße optische Anordnung ausgebildet ist und verwendet wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Arbeitsvorrichtung geschaffen, insbesondere ein Fahrzeug oder dergleichen, welche mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ausgebildet ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
Figur 1 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung im Zusammenhang mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems zeigt.
Figur 2 zeigt in einem schematischen Blockdiagramm eine andere
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems unter Verwendung einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
Figuren 4 bis 5 zeigen eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung in einem LiDAR-System und deren Abbildungseigenschaften.
Figuren 6 bis 8 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht
Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit verschiedenen Möglichkeiten des Erzeugens und Bereitstellens von Primärlicht.
Figuren 9 bis 12 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht verschiedene Detektoroptiken sowie deren Abbildungsverhalten, die bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung eingesetzt werden können.
Figuren 13 bis 16 zeigen Graphen, welche verschiedene
Abbildungseigenschaften von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung illustrieren.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 16
Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und
Komponenten wiedergegeben. Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Figur 1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10.
Das LiDAR-System 1 gemäß Figur 1 weist eine Senderoptik 60 auf, welche von einer Lichtquelle 65, z.B. in Form eines Lasers, gespeist wird und Primärlicht 57 - ggf. nach Durchlaufen einer Strahlformungsoptik 66 - in ein Sichtfeld 50 zur Erfassung und/oder Untersuchung eines dort befindlichen Objekts 52 aussendet.
Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 gemäß Figur 1 eine Empfängeroptik 30 auf, welche Licht und insbesondere vom Objekt 52 im Sichtfeld 50 reflektiertes Licht als Sekundärlicht 58 über ein Objektiv 34 als Primäroptik empfängt und über eine Detektoroptik 35 Sekundäroptik an eine Detektoranordnung 20 überträgt.
Die Steuerung der Lichtquelle 65 sowie der Detektoranordnung 20 erfolgt über Steuerleitungen 42 bzw. 41 mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 40.
In der Figur 1 sind die Konzepte der gemeinsamen sichtfeldseitigen Ablenkoptik 32 und der detektorseitigen Detektoroptik 35 schematisch dargestellt.
Die Ablenkoptik 62 als Teil der Primäroptik 34, welche auch als Objektiv bezeichnet werden kann und im Zusammenhang mit der Senderoptik 60 als aussendendes Projektionsobjektiv fungiert, ist dazu ausgebildet, das Primärlicht 57 zu empfangen und in das Sichtfeld 50 mit dem Objekt 52 hinein zu richten.
Im Zusammenhang mit der Empfängeroptik 30 wirkt die gemeinsame
sichtfeldseitige Ablenkoptik 62 mit der Detektoroptik 35 als Sekundäroptik derart zusammen, dass das aus dem Sichtfeld 50 empfangene Sekundärlicht 58 in direkter Art und Weise und also ohne Zwischenschaltung eines Strahlteilers auf die Detektoroptik 35 gerichtet wird, um so ohne Zwischenschaltung weiterer optischer Komponenten zur Detektoranordnung 20 zu gelangen. Die Primäroptik 34 wirkt im Zusammenhang mit der Empfängeroptik 30 als empfangendes Projektionsobjektiv.
Optional und vorteilhaft ist das sichtfeldseitige Vorsehen einer Aperturoptik 70 zum geeigneten Ausgeben des Primärlichts 57 und zum bündelnden Empfangen des Sekundärlichts 58.
Die Detektoranordnung 20 kann mit einem oder mehreren Sensorelementen 22 ausgebildet sein.
Die optische Anordnung 10 ist ausgebildet für ein LiDAR-System 1 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes 50, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, und ist ausgebildet mit einer Senderoptik 60 zum Aussenden eines Sendelichtsignals in das Sichtfeld 50, einer Detektoranordnung 20 und einer Empfängeroptik 30 zum optischen Abbilden des Sichtfeldes 50 auf die Detektoranordnung 20.
Die Empfängeroptik 30 und die Senderoptik 60 sind sichtfeldseitig (i) mit im Wesentlichen koaxialen optischen Achsen ausgebildet und weisen eine gemeinsame Ablenkoptik 62 auf.
Die Empfängeroptik 30 weist detektorseitig eine Sekundäroptik 35 auf, welche ausgebildet ist und Mittel umfasst, über die Ablenkoptik 62 aus dem Sichtfeld 50 einfallendes Licht auf die Detektoranordnung 20 zu richten.
Bei der optischen Anordnung 10 ist die Senderoptik 60 allgemein ausgebildet und weist Mittel auf zum Aussenden von Primärlicht 57 in das Sichtfeld 50.
Ferner ist bei der optischen Anordnung 10 die Empfängeroptik 30 ausgebildet und weist Mittel auf zum optischen Abbilden des Sichtfeldes 50 auf die
Detektoranordnung 20.
Figur 2 zeigt in ähnlicher Weise wie Figur 1 eine andere Ausführungsform eines LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. Die bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 vorgesehenen Komponenten entsprechen im Wesentlichen den in Figur 1 gezeigten Komponenten. Betont werden in Figur 2 jedoch (a) die räumliche Nähe zwischen der Detektoroptik 35 als Sekundäroptik der Empfängeroptik 30 zur Detektoranordnung 20 und den Sensorelementen 22 einerseits sowie (b) die unmittelbare räumliche
Nachbarschaft der Strahlengänge der Senderoptik 60 und der Empfängeroptik 30 und insbesondere die unmittelbare räumliche Nachbarschaft der
Detektoranordnung 20 mit den Sensorelementen 22 zur Lichtquelle 65 als das Primärlicht 57 bereitstellendes Element 67 andererseits.
Figur 3 zeigt eine konkretere Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. Diese Ausführungsform realisiert konkreter das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Grundprinzip. Es befinden sich die Detektoranordnung 20 mit einem Sensorelement 22 zusammen mit einer Lichtquelle 65 oder im Allgemeinen zusammen mit einem Primärlicht 57 bereitstellenden Element 67 in oder auf einem gemeinsamen Substrat 25, durch welches die Detektorebene 24 definiert wird.
Dabei sind das Sensorelement 22 und das das Primärlicht 57 bereitstellende Element 67 in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zueinander angeordnet. Dies hat zur Folge, dass die Ablenkoptik 62 z.B. in Form eines steuerbar schwenkbaren oder schwingbaren Mikrospiegels 63 nur um unmittelbar benachbarte Winkelbereiche und/oder um Wnkelbereiche geringer Ausdehnung verschwenkt werden muss, um dadurch das Sichtfeld 50 mit dem darin enthaltenen Objekt 52 - gegebenenfalls vermittelt durch die Aperturoptik 70 - mit Primärlicht 57 zu beaufschlagen und/oder Sekundärlicht 58 aus dem Sichtfeld 50 auf die Detektoranordnung 20 mit dem Sensorelement 22 zu richten.
Zu diesem Zweck weist die Detektoroptik 35 die Form einer Linse 36 mit einem Halbkugelsegment 37 und einem Zylindersegment 38 mit gemeinsamer
Symmetrieachse 39 auf. Das Halbkugelsegment 37 ist direkt - z.B.
materialeinstückig - an der von der Detektorabordnung 20 abgewandten
Stirnseite oder -fläche des Zylindersegments angebracht. Die unterschiedlich markierten Strahlen für das Sekundärlicht 58 entsprechen unterschiedlichen Abständen 71 zwischen Aperturoptik 70 und dem Objekt 52. Bei Ausführungsformen ohne Aperturoptik 70 ist der Abstand 71 zwischen dem Objekt 52 im Sichtfeld 50 und der Ablenkoptik 62 maßgeblich.
In Figur 3 kommt der mit dem Bezugszeichen 72-1 bezeichnete Strahl des Sekundärlicht 58 von einem gering entfernten Objekt 52 des Sichtfeldes 50, wogegen der mit 72-3 bezeichnete Strahl des Sekundärlicht 58 von einem weiter entfernt liegenden Objekt 52 des Sichtfeldes 50 stammt. Das Sekundärlicht 58 benötigt für das Überwinden einer größeren Distanz mehr Zeit, in dieser verschenkt der Spiegel 63 der Ablenkoptik um einen größeren Winkel. Mithin ist der Strahl 72-3 stärker abgelenkt als der Strahl zu 72-1.
Die Ablenkoptik 62 und insbesondere deren Spiegel 63 besitzen einen ersten Winkelbereich 64-1 , welcher der Abbildung des Sekundärlichts 58 aus dem Sichtfeld 50 auf die Detektoranordnung 20 dient, und einen zweiten
Winkelbereich 64-2, welcher der Verteilung des Primärlichts 57 aus dem das Primärlicht 57 bereitstellenden Element 67 in das Sichtfeld 50 hinein dient. Die Figuren 4 und 5 zeigen schematisch die Abbildungsverhältnisse bei einer
Ausführungsform eines LiDAR-Systems 1 mit einer Ausführungsform der optischen Anordnung 10 aus Figur 3 mit der Abstandsabhängigkeit, und zwar für eine eindimensional bewegte Ablenkoptik 62 jeweils auf der rechten Seite und für ein zweidimensional bewegte Ablenkoptik auf der jeweils linken Seite. Figur 4 gibt eine einfache Draufsicht, Figur 5 eine Explosionsdarstellung.
In Figuren 4 und 5 ist der Lauf des Sekundärlichts 58 in Bezug auf die Linsen 36 und die Detektoranordnung 20 mit dünnen Sensorelementen 22 gezeigt.
Dargestellt sind der Ort 74 der Laserapertur und die Strahlposition 75 nach dem Bündeln oder Kollimieren.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10 mit Fokus auf die unterschiedlichen Realisationen des Erzeugens des Primärlichts 57. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 wird das das Primärlicht 57 erzeugende Element 67 gebildet von einer Lichtquelle 65 selbst, zum Beispiel einer
Laserlichtquelle, einer Laserdiode oder dergleichen. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 7 wird eine externe Lichtquelle 65 verwendet, die Primärlicht 57 erzeugt und auf ein Spiegelelement als das Primärlicht 57 bereitstellende Element 67 im Substrat 25 richtet.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 8 ist das das Primärlicht 57
bereitstellende Element 67 ein Durchgangsloch im Substrat 25, wobei sich auf dessen der Detektoranordnung 20 abgewandten oder Rückseite die eigentliche Lichtquelle 65 befindet.
Die Figuren 9 bis 12 zeigen schematisch Abbildungsverhältnisse bei
verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen
Anordnung 10. Dargestellt sind jeweils Graphen, auf deren Abszisse ein bestimmtes Abstandsmaß und in Abhängigkeit davon auf der Ordinate die Strahlposition des Sekundärlichts 58 auf Sensorelementen 22 einer
Detektoranordnung 20 hinter der Detektoroptik 35 dargestellt sind.
Angegeben sind auch jeweils Kennzeichnungen für einen geringen Abstand 72- 1 , einen mittleren Abstand 72-2 und einen großen Abstand 72-3 des Objekts 52 im Sichtfeld 50. Die Figuren 9 und 12 zeigen jeweils schematisch eine Detektoroptik 35 mit zwei
Linsen 36 und die jeweilig herrschenden Abbildungsverhältnisse.
Die Figuren 10 und 1 1 zeigen eine Anordnung mit nur einer Linse 36 zum Aufbau der Detektoroptik 35.
Die Figuren 13 und 14 zeigen in Form von Graphen die bei Detektoroptiken mit einer Linse 36 und mit zwei Linsen 36 vorliegenden relativen Lichtleistungen, die am jeweiligen Sensorelement 22 auftreten, und zwar in Abhängigkeit vom Abstand des Objekts 52.
Die Figuren 15 und 16 zeigen entsprechend die relative Leistung am
Sensorelement 22 der Detektoranordnung 20 in Abhängigkeit vom Lochabstand, welcher auf der Abszisse auftragen ist, und zwar mit Codierung für geringe Abstände 72-1 , mittlere Abstände 72-2 und große Abstände 72-3 vom Objekt 52 im Sichtfeld 50.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Bisherige LiDAR-Architekturen 1 verwenden oft koaxiale Anordnungen von Senderpfad 60 und Empfängerpfad 30. Der Sender selbst besteht z.B. aus einer modulierten Laserdiode als Lichtquelle 65. Im einfachsten Fall werden z.B. kurze Pulse mit hoher bis sehr hoher Spitzenleistung erzeugt. Die Detektoranordnung 29 weist eine einzelne oder mehrere AP-Dioden (avalanche photo diode) als Sensorelement 22 auf. Auch PIN-Dioden sind verbreitet. Silizium- und
Germaniumdioden sind preiswerter als Dioden aus Verbundhalbleitern (z.B. InGaAs), ermöglichen jedoch nur eine weniger effiziente Detektion von Strahlung mit Wellenlängen von über ca. 900 nm.
Bei der koaxialen Anordnung ist herkömmlicherweise oft ein Strahlteiler notwendig, der die Laserleistung beispielsweise im Verhältnis 1 : 1 (50%) in verschiedene Richtungen ablenkt. D.h., der Sendestrahl durchdringt eine optionale Optik und den Strahlteiler bevor er durch eine Ablenkeinheit 62 in die Richtung zum Sichtfeld 50 oder FOV (field of view) gelenkt wird, in welchem die Distanz, die Präsenz oder die Reflexionseigenschaften eines dort vermuteten Objekts 52 gemessen werden soll.
Die Richtung des Objekts 52 als Ziel kann durch die Stellung der Ablenkeinheit 62 festgestellt werden. Je nach Ausführungsform ist eine weitere Optik vorgesehen. Der vom Objekt 52 reflektierte Strahl folgt als Sekundärlicht 58 dem gleichen Pfad wie das Primärlicht 57 im Sendepfad 60. Dies ist dann der Fall, wenn sich die Ablenkeinheit 62 während der Messung nur vernachlässigbar wenig bewegt hat. Diese Bedingung ist im Allgemeinen erfüllt.
Der herkömmlich verwendete Strahlteiler lenkt einen Teil des Empfangsstrahls auf einen Empfänger, eventuell ist eine weitere Optik erforderlich.
Aspekte der herkömmlichen Konstellation sind: - Nur der interessante Ausschnitt des FOV 50 wird auf den Empfänger projiziert. Durch diese Vorselektion wird die Rauschleistung auf dem
Empfänger durch Störquellen (Bremslichter, Scheinwerfer, Sonnenlicht) reduziert.
- Die Ablenkeinheit richtet den Empfangsstrahl immer auf dieselbe Stelle des Detektors. Dadurch kann u.U. der Detektor sehr klein ausgeführt werden (Einzeldiode) oder eine bessere Empfangsdiode verwendet werden (InGaAs).
- Durch den Strahlteiler wird ein Teil der Sendeleistung in das Gehäuse
abgelenkt anstatt auf das Ziel gerichtet. Dadurch muss für den Sender eine höhere Sendeleistung vorgesehen werden. Der abgelenkte Strahl kann den Empfänger stören.
- Auch die Empfangsleistung wird durch den Strahlteiler verringert. Dies ist ein kritischer Punkt, da die Empfangsleistung i.d.R. sehr gering ist und eine weitere Verringerung sehr nachteilig für das Systemverhalten ist.
In einem System mit separierter Konstellation hingegen muss die Feststellung der Zielrichtung entweder durch die Ablenkeinheit oder den Empfänger erfolgen. Wird der Erscheinungswinkel des Ziels durch die Stellung der Ablenkeinheit bestimmt bzw. vorgegeben, genügt prinzipiell eine einzelne, große Photodiode, auf die das gesamte FOV projiziert wird. Dieser Ansatz hat den Nachteil, dass sehr viel Umgebungslicht auf den Detektor gerichtet wird. Alternativ kann der Empfänger aus einem Photodiodenarray oder einer Photodiodenzeile aufgebaut werden. Dadurch wird das FOV in Teile zerlegt und eine einzelne Photodiode nur von einem Teil des FOV und somit von nur einem Teil des Umgebungslichtes belichtet.
Aspekte dieses Vorgehens sind:
- Die optischen Empfangs- und Sendepfade können unabhängig voneinander, gemäß ihrer individuellen Anforderungen realisiert werden, kein Kompromiss ist erforderlich.
- Ein sehr großes Empfängerdiodenarray ist notwendig. Es kann deswegen nicht aus Verbundhalbleitern kosteneffizient hergestellt werden. Dies verhindert den Einsatz großer, augensicherer Wellenlängen. Ein solches Array benötigt außerdem sehr viel elektrische Energie, wodurch aufwendige Kühlmaßnahmen erforderlich werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in einem koaxialen LiDAR- System 1 einen Strahlteiler überflüssig zu machen. Das System bietet die genannten Vorteile eines herkömmlichen koaxialen Systems ohne dessen Nachteile. Außerdem werden große und teure Detektoren überflüssig.
Ein Kern der Erfindung ist die Fokussierung der von einem Mikrospiegel 63 ausgehenden Empfangspulsleistung auf einen kleinen Bereich oder Punkt in einer Ebene 24.
Die Trennung von Sendepfad 60 und Empfangspfad 30 wird durch eine
Ablenkoptik 62 und insbesondere von einem schnell schwingenden Mikrospiegel 63 übernommen. Der Strahl des Sekundärlichts 58 wird weiter durch eine Detektoroptik 35 fokussiert, die sich direkt vor der Detektoranordnung 20 befindet.
Insbesondere sind die Sendeeinheit, z.B. im Sinne eines das Primärlicht 57 bereitstellenden Elementes 67, und die Empfangseinheit, z.B. im Sinne der Detektoranordnung 20 mit einem Sensorelement 22, sehr nahe beieinander angeordnet.
Vorteile der Erfindung sind:
- Es ist kein Strahlteiler erforderlich. Dadurch geht keine Empfangsleistung verloren. Die volle Sendeleistung wird emittiert.
- Eine einzelne, kleine Photodiode oder eine Photodiodenzeile oder ein
Photodiodenarray können bei der Detektoranordnung 20 verwendet werden.
- Die Möglichkeit, mit einer einzelnen Empfangsdiode (InGaAs) auszukommen, ermöglicht die Nutzung großer, augensicherer Wellenlängen, z.B. im Bereich von etwa 1550 nm, auf wirtschaftliche Art.
Auf ein großes Empfängerarray kann verzichtet werden. - Bei geeigneter Ausführung der Detektoroptik 35 kann ein optisches Null- Meter-Signal bereitgestellt werden.
- Eine Linse 36 der Detektoroptik 35 kann sehr platzsparend direkt auf den Detektor aufgebracht werden.
Das zu Grunde liegende Prinzip ist z.B. in Figur 3 gezeigt.
Komponenten der Erfindung können auf einer Ebene 24, genannt
Detektorebene, aufgebaut werden. Diese kann flach oder gewölbt sein. Entweder eine Leiterplatte (PCB) oder ein Halbleiterchip sind denkbar.
Ein zeitlich kurzer Laserpuls wird von einer kleinen Fläche auf der Detektorebene emittiert. Der Laserstrahl wird über eine Ablenkeinheit 62 auf einen Punkt oder ein Objekt 52 im Sichtfeld 50 oder FOV gerichtet.
Zusätzliche Aperturoptiken 70 sind denkbar.
Die vom Objekt 52 reflektierte bzw. diffus gestreute Lichtleistung wird durch die Aperturoptik 70 kollimiert und wieder auf die Ablenkoptik 62 als Ablenkeinheit gerichtet.
Die Ablenkeinheit 62 ist z.B. ein mindestens in einer Ebene schwingender Spiegel 63.
Während der Pulslaufzeit vom Spiegel 63 zum Objekt 52 und zurück hat sich die Spiegelstellung geringfügig verändert, da der Spiegel 63 kontinuierlich und schnell schwingt. Der Empfangspuls wird dadurch auf einen Ort auf der
Detektorebene 24 projiziert, der von der Emitterfläche verschieden ist. Eine geringe Entfernung des Objekts 52 führt zu einer schwachen Ablenkung des Empfangsstrahls , Strahl 72-1 in Figur 3. Eine größere Entfernung des Objekts 52 führt zu einer stärkeren Ablenkung, Strahl 72-3 in Figur 3.
Die Ablenkung ist abhängig von der Schwingfrequenz des Spiegels 63, des Abstandes 71 zwischen Objekt 63 und Spiegel 63, des Abstandes zwischen Detektorebene 24 und Spiegel 63 und ggf. von der Apertur. Ohne weitere Maßnahmen würde der auf die Detektorebene 24 projizierte Empfangsstrahl eine Linie möglicher Projektionsorte beschreiben, je nach Objektdistanz 71.
Der Empfangsstrahl des Sekundärlichts 58 muss auf ein Sensorelement 22 gerichtet werden. Werden die oben genannten Parameter auf eine große Ablenkung hin gewählt, würde der projizierte Strahl somit sehr lang werden und große Detektoren erforderlich machen. Im gegensätzlichen Fall, d.h. bei der Wahl der Parameter auf kleine Ablenkungen, würden Reflexionen an nahen Objekten 52 dazu führen, dass der Empfangsstrahl wieder auf die Emitterfläche trifft und nicht detektiert werden könnte.
Abhilfe schafft die Einführung einer Detektoroptik 35, die vor dem oder direkt auf den Detektorbaustein als Detektoranordnung 20 aufgebracht wird.
Bei Figur 3 handelt es sich um eine Linse 36 mit einem halbkugelförmigen Linsenteil 37 mit zylindrischem Unterbau oder Sockel 28.
Figur 3 zeigt ein Schnittbild einer achsensymmetrischen Linse 36.
Andere Geometrien und Ausführungsformen der Detektoroptik 35 sind denkbar.
Wrd die Linse 36 entsprechend ausgeführt, werden alle eintreffenden Strahlen unabhängig der ihnen entsprechenden Objektdistanzen 71 auf eine sehr kleine Fläche gerichtet. Die Selektion des FOV-Ausschnittes mit der damit
einhergehenden Reduktion der Umgebungslichtintensität findet somit durch den Mikrospiegel 63 statt.
Figur 4 zeigt die Draufsicht auf die Detektorebene 24. Figur 5 ergänzt Figur 4 mit einer Explosionsdarstellung. Die einzelnen Elemente aus Figur 5 ergeben übereinandergesetzt die Darstellung in Figur 4. Die weitere Erläuterung erfolgt unter Bezugnahme auf Figur 5 von oben nach unten.
(1 ) Die jeweils rechte Seite stellt den Fall eines Spiegels 63 dar, der in nur einer Ebene schwingt; eindimensionaler oder 1 D-Fall. Die linken Seiten behandeln den Fall eines Spiegels 63, der sich auch in eine orthogonale Richtung bewegt und den Strahl aus der Ebene mit y = 0 ablenkt; zweidimensionaler oder 2D-Fall. Der 1 D-Fall ist näherungsweise auch gegeben, wenn die vertikale Frequenz sehr viel kleiner als die horizontale Frequenz gewählt wird.
(2) In der Mitte befindet sich die Laserapertur. Verschiedene
Ausführungsformen derselben werden später erläutert.
(3) Die Darstellung der Strahlbewegung ist die Gesamtheit aller möglichen
Projektionsorte des empfangenen Laserstrahls. Je nach Entfernung des
Objekts 52 wird der Empfangsstrahl mehr oder weniger weit ausgelenkt. Die Legende auf der rechten Seite schlüsselt die Distanzinformation unter Verwendung der Bezugszeichen 72-1 , 72-2, 72-3 für nahe, mittlere bzw. weite Entfernungen auf.
Im Fall einer eindimensionalen Auslenkung des Spiegels 63 tritt keine Ablenkung in y-Richtung auf. Beim zweidimensionalen Fall wird ebenso eine Ablenkung in die orthogonale Richtung erfolgen (links). Diese Darstellung zeigt die durch die Linse unbeeinflussten Strahlpositionen.
(4) Zwei Ausführungsformen von Linsen 36 sind gezeigt. Links die bereits in Figur 3 erläuterte kuppeiförmige Linse 36, rechts eine in y-Richtung ausgedehntere Linse 36 ähnlicher Form. Die linke Linse 36 ist in der Lage, auch die vertikale Auslenkung durch den 2D-Spiegel 63 zu kompensieren.
Eine breitere Linse 63 könnte die Kollimation unabhängiger von
fehlerbehafteter Justage machen.
(5) Die Empfangsstrahlposition 75 nach erfolgter Kollimation ist idealerweise punktförmig, unabhängig von der Objektdistanz 71 .
(6) Die Detektorfläche ist derart geformt und dimensioniert, dass alle
Empfangsstrahlen unabhängig von der Objektdistanz 71 darauf fokussiert werden.
Laserapertur Bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 wird die Laserapertur durch einen Laserbaustein gebildet, der als Lichtquelle 65 in der Detektorebene 24 integriert wird. Der Laser kann als externes Bauteil auf das Substrat 25 (PCB/Halbleitermaterial,
„die",„chip") aufgebracht und auf dem Substrat 25 beschaltet werden.
Gegebenenfalls kann die Beschaltung direkt auf dem Substrat 25 erfolgen. Der Laser kann direkt aus dem Halbleitermaterial herausgearbeitet werden. Dabei kann jedoch ein hohes Maß elektromagnetischer Störungen (EMV, EMI) durch hochenergetische Schaltungselemente auf der Detektorebene 24 verursacht werden.
Gemäß Figur 7 kann die Apertur aus einer verspiegelten Fläche auf dem
Substrat 25 bestehen, die mit einem Laser 65 bestrahlt wird.
Gemäß Figur 8 kann das Substrat 25 mit einer Öffnung oder einem Loch am Ort der Apertur versehen werden, das der Laserstrahl von der Rückseite aus durchdringt.
In diesem Fall und im Fall der Figur 7 wird die EMV-Problematik durch einen möglichen großen Abstand zwischen Laser 65 und Sensorelement 22
umgangen. Im Folgenden werden Simulationsergebnisse dargestellt.
Strahlengang
Die Figuren 9 bis 12 zeigen den simulierten Strahlengang für einzelne Strahlen (ray tracing). Alle Strahlen werden von einer als punktförmig angenommenen
Ablenkeinheit 62 emittiert (rechts). Die Objektentfernung 71 ist mit 72-1 nah, 72-2 mittel, 72-3 fern kodiert dargestellt.
Aus den Abbildungen der Figuren 11 und 12 wird ersichtlich, dass alle Strahlen auf eine kleine Fläche fokussiert werden. Das Prinzip ist auf eine größere Zahl Linsen 26 erweiterbar, dadurch werden die Fokuspunkte kleiner. Die Figuren 9 bis 12 zeigen also simulierte Strahlengänge für eine
Einlinsenkonfiguration - Figuren 9 und 12 - und für eine Zweilinsenkonfiguration
- Figuren 10 und 1 1.
Figuren 9 und 10 zeigen, dass die Strahlen des Sekundärlichts 58 von einer punktförmigen Ablenkeinheit 62 (rechts) ausgehen und auf die Detektorebene 24 (links) treffen.
Figur 11 und 12 zeigen die Linse 26 im Detail für eine Ein- bzw. für eine
Zweilinsenkonfiguration.
Parameter
- Abstand zwischen Spiegel 63 und Detektorebene 24: 3 cm oder 5 cm für eine Linse bzw. zwei Linsen 36
- Aperturdurchmesser = 100μηι, Linsendurchmesser = (1 ,25 mm bzw. 0,35 mm)
- Sockelhöhe = 0,9 mm bzw. 0,3 mm)
- Spiegelschwingfrequenz = 30 kHz
- Linsenmaterial: Polycarbonat mit n = 1 ,6 Diskussion der Minimalreichweite
Die Figuren 13 und 14 zeigen die auf die Sensorfläche eintreffende Leistung in Abhängigkeit von der Objektdistanz 71. Die dargestellten Werte sind bezogen auf die vom Spiegel 63 ausgehende Leistung. Die zu 100 % fehlende Leistung wird von der Kugellinse 37 bei zu flachem Einfallswinkel abgelenkt. Empfangsstrahlen für sehr nahe Objekte 52 werden durch den Spiegel 63 nicht ausreichend abgelenkt und fallen wieder auf die Laserapertur, etwas weiter entfernte Objekte 52 erzeugen Strahlen, die sehr flach auf die Linse 36 treffen und dadurch gedämpft werden.
Einfallende Strahlen weisen immer eine gewisse Ausdehnung auf. Außerdem erzeugen sehr nahe Ziele 52 ein sehr starkes Rückstreusignal. Aus diesen Gründen werden im realen Fall auch sehr nahe Objekte 52 detektiert werden können.
Außerdem können sehr starke Empfangssignale den Detektor übersteuern. In diesem Fall wäre eine Dämpfung des Empfangssignals sogar vorteilhaft.
Linsenform
Gezeigt wurden kuppeiförmige und pillenförmige Linsen 37 mit Sockel 38.
Die konkrete Ausführungsform der Detektoroptik 35 kann entsprechend dem Anwendungsfall angepasst werden. Wichtig ist dabei, dass die Detektoroptik 35 möglichst alle einfallenden Strahlen des Sekundärlichts 58 auf einen oder mehrere möglichst kleine Areale fokussiert, möglichst punktförmig.
Mögliche Ausführungsformen der Detektoroptik sind unter anderem:
- Es ist eine plankonvexe Linse 37 mit Sockel 38 möglich.
- Bisher wurden maximal eine Linse 36 und ein Sensorelement 22 pro Seite dargestellt. Denkbar ist die Erweiterung der Linsen- und Detektoranzahl in x- Richtung in Figur 4 (Mikrolinsenarray/Detektorzeile).
- In Figur wurde jeweils nur eine Linse 36 oberhalb der Apertur dargestellt. Gegebenenfalls ist eine Anordnung von Linsen in einer Richtung ausreichend. In diesem Fall könnte nur die Schwingbewegung der Ablenkeinheit 62 in eine Richtung ausgewertet werden.
- Ein holographisches Element würde die Ablenkung ohne eine gekrümmte Oberfläche bewerkstelligen.
- Ein asymmetrisch geformtes Element könnte die blinde Minimalreichweite verbessern, indem im Bereich der Öffnung ein flacherer Winkel zum
Einfallsstrahl geboten wird.
Detektorleistung In den Figuren 15 und 16 ist die auf die Detektorebene 24 einfallende Leistung in Abhängigkeit des Abstands von der Öffnung aufgetragen, für den Fall einer einzelnen Linse 36 (links) und für zwei Linsen 36 (rechts). Wieder geht Leistung für sehr nahe Objekt 52 scheinbar verloren. Die Leistung für weiter entfernte Objekte 52 kann durch Anpassung der Linsengeometrie nahezu beliebig auf der Detektoroberfläche verteilt werden.
Im Fall der Figur 15 für eine einzelne Linse 36 wird die gesamte Leistung auf eine Fläche mit ca. 600 μηι Durchmesser verteilt.
Im Fall der Figur 16 für zwei Linsen 236 sind zwei Detektoren ä 200 μηι
Durchmesser notwendig.
Eine Erweiterung auf mehr als zwei Linsen 36 ist möglich. Erhöhung der Pulsfolgefrequenz
In Figur 13 ist angedeutet, dass Strahlen von sehr weit entfernten Objekten 52 gedämpft und nicht mehr auf die Detektoranordnung 20 gerichtet werden. Dies kann ein sehr nützlicher Effekt sein. Bei herkömmlichen LiDAR-Systemen muss nämlich mit einem erneuten Scanvorgang (= Aussenden eines Laserstrahls) gewartet werden, bis auch die Empfangspulse von sehr weit entfernten Objekten 52 empfangen wurden, die sich eigentlich jenseits der spezifizierten
Maximaldistanz befinden.
Bei einem erfindungsgemäßen LiDAR-System 1 würden Strahlen von sehr weit entfernten Objekten 52 auf einen Punkt in der Detektorebene 24 gerichtet, an dem sich kein Sensorelement 22 befindet. Somit wäre eine höhere
Pulsfolgefrequenz möglich, die Systemdynamik könnte erhöht werden.

Claims

Optische Anordnung (10) für ein LiDAR-System (1) zur optischen
Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug, bei welcher
- eine Empfängeroptik (30) und eine Senderoptik (60) zumindest
sichtfeldseitig (i) mit im Wesentlichen koaxialen optischen Achsen ausgebildet sind und (ii) eine gemeinsame Ablenkoptik (62) aufweisen und
- detektorseitig eine Detektoroptik (35) ausgebildet ist und Mittel aufweist, direkt über die Ablenkoptik (62) - insbesondere aus dem Sichtfeld (50) - einfallendes Licht auf eine Detektoranordnung (20) zu richten.
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1 ,
bei welcher die Ablenkoptik (62) ausgebildet ist und Mittel aufweist, Licht (58) aus dem Sichtfeld (50) direkt auf die Detektoroptik (35) zu richten.
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei welcher die Ablenkoptik (62) mit einem ein- oder zweidimensional steuerbar verschwenkbaren und/oder schwingbaren Spiegel (63), insbesondere Mikrospiegel ausgebildet ist.
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 3,
bei welcher der Spiegel (63) oder Mikrospiegel steuerbar verschwenkbar und/oder schwingbar ist
(i) in einem ersten Winkelbereich (64-1) zum Einstrahlen von Primärlicht
(57) in das Sichtfeld (50) und
(ii) in einem zweiten Winkelbereich (64-2) zum Richten von Sekundärlicht
(58) aus dem Sichtfeld (50) direkt auf die Detektoroptik (35). 5. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Detektoroptik (35) in unmittelbarer räumlicher
Nachbarschaft zu einem Detektorelement (22) der Detektoranordnung (20) ausgebildet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- bei welcher die Detektoroptik (35) eine Linse (36) aufweist oder bildet, insbesondere in Form einer Halbkugel (37) oder in Form einer
Kombination aus einem senkrechtem Kreiszylinder (38) und einer Halbkugel (37) an einer Stirnseite des Kreiszylinders (38),
- wobei die Detektoranordnung (20) oder ein Sensorelement (22) der Detektoranordnung (20) auf einer einer konvexen Seite der Halbkugel (37) angewandten Seite angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Detektoroptik (35) einen die Detektoranordnung (20) oder ein Detektorelement (22) der Detektoranordnung (20) einbettenden Materialbereich aufweist oder bildet.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Detektoranordnung (20) oder ein Sensorelement (22) der Detektoranordnung (20) im Wesentlichen im Brennpunkt oder im
Wesentlichen in einer Brennebene der Detektoroptik (35) angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Detektoranordnung (20) oder ein Sensorelement (22) der Detektoranordnung (20) und ein Primärlicht (57) bereitstellendes Element (67), insbesondere eine Lichtquelle (65), in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zueinander angeordnet sind und/oder in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu detektorseitigen optischen Achsen der Senderoptik (60) und/oder der Empfängeroptik (30) liegen.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Aperturoptik (70), welche sichtfeldseitig der Ablenkoptik (62) vorgeschaltet und dazu ausgebildet ist und Mittel aufweist, Primärlicht (57) von der Ablenkoptik (62) in das Sichtfeld (50) und Licht aus dem Sichtfeld (50) auf die Ablenkoptik (62) zu richten.
1 1. LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug, mit einer optischen Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
12. Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug oder Roboter,
mit einem LiDAR-System (1) nach Anspruch 11 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).
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