WO2018184915A1 - Lidar-vorrichtung mit einem dynamischen filter und verfahren - Google Patents

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WO2018184915A1
WO2018184915A1 PCT/EP2018/057777 EP2018057777W WO2018184915A1 WO 2018184915 A1 WO2018184915 A1 WO 2018184915A1 EP 2018057777 W EP2018057777 W EP 2018057777W WO 2018184915 A1 WO2018184915 A1 WO 2018184915A1
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filter
lidar device
incoming
angle
electromagnetic beam
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PCT/EP2018/057777
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Annemarie Holleczek
Nico Heussner
Stefan Spiessberger
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/12—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems
    • H01Q3/14—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems for varying the relative position of primary active element and a refracting or diffracting device

Definitions

  • the invention relates to a LIDAR device for scanning a scanning angle and to a method for scanning a scanning angle with a LIDAR device.
  • LI DAR light detection and ranging
  • the transmitting device generates and emits continuously or pulsed electromagnetic radiation. If this electromagnetic radiation strikes a movable or stationary object, the electromagnetic radiation from the object in the direction of
  • the receiving device can detect the reflected electromagnetic radiation and assign it a reception time. This can be done as part of a "time of flighf analysis for a
  • Determining a distance of the object to the LIDAR device can be used. Depending on the application, high demands are placed on the
  • the signal quality determines up to which distance, under which angle and with which accuracy or probability objects can be detected.
  • This signal quality results to a large extent from the quality of the optical filtering of the received reflected radiation.
  • the decisive factor here is the width of the spectral bandpass of a filter that can be used. The narrower the spectral bandwidth of the filter, the less interference or ambient light falls on the detector and the better the signal quality. Since this passband with increasing angle of incidence of the received radiation to smaller Wavelengths is shifted, the filter must have a certain width in order to be able to transmit the received radiation even at large angles.
  • the angle of incidence-dependent shift of the transmission window of the filters represents a physical limit of LIDAR devices.
  • the object underlying the invention can be seen to provide a method and a LIDAR device having at least one filter which, despite a varying angle of incidence of an incident beam always has an optimal transmission characteristic.
  • a LIDAR device for scanning a scan angle.
  • the LIDAR device has at least one radiation source for generating at least one electromagnetic beam, a rotatable mirror for deflecting the at least one
  • the LIDAR device has a receiving unit for receiving at least one incoming electromagnetic beam and for deflecting the at least one incoming electromagnetic beam to at least one detector and at least one filter, wherein the at least one filter is adaptable to the at least one incoming electromagnetic beam.
  • Such a LIDAR device has a dynamic optical filter that can compensate for an incident angle-dependent wavelength shift of an incoming beam. Especially with larger angles of incidence, a transmission range of the filter for a particular
  • the filter can be adjusted to a limited extent or not at all. This can be done, for example realize an adaptation of a position of the filter or by adjusting at least one material property of the filter. This allows the
  • Receiver unit be customizable.
  • the filter can be any type of media
  • the transmission ranges here refer to a wavelength or frequency of an electromagnetic beam.
  • the electromagnetic beam may, for example, be a laser beam or light beam in the visible or invisible wavelength range.
  • the at least one filter is rotatable along the scanning angle.
  • the filter is rotatable or rotatably mounted, so that its orientation can be changed.
  • the wavelength of the incoming beam can always be in at least one
  • Transmissions Kunststoff the filter and pass as low loss filter.
  • An optimal angle of incidence is ideally 0 °.
  • the angle of incidence may vary depending on a transmission characteristic of the filter and the
  • Wavelength shift of the incident beam also deviate from 0 °.
  • the at least one filter is angularly offset or angle-synchronized relative to the rotatable mirror.
  • the filter can be adjusted or adjusted in its orientation depending on the mirror.
  • the filter can also be rotated or pivoted independently of the mirror for deflecting the generated electromagnetic beam.
  • the filter can be adapted, for example, time-dependent, so that an angular offset between the filter and the mirror can be realized.
  • the entire receiving device or parts of the receiving device can be rotatable or pivotable parallel to the filter.
  • the at least one filter is an adjustable Fabry-Perot cavity.
  • the filter may be a conventional optical filter or an optical resonator.
  • the Fabry-Perot cavity corresponds to an optical resonator, which consists of at least two semitransparent mirrors. Depending on a distance or a
  • Cavity length of the two partially transmissive mirror to each other can only happen incoming electromagnetic radiation of a certain wavelength.
  • the partially transmissive mirror may have a low reflectivity.
  • the at least one filter has an adjustable cavity length. The distance between the two semitransparent mirrors can be changed so that the
  • Transmission wavelength of the Fabry-Perot cavity can be adjusted.
  • Piezo actuators or electrostatic or electromagnetic linear actuators are adjusted. By adjusting the partially transparent mirror cavity length can be changed or adjusted and thus the
  • the cavity length is adjustable depending on an orientation of the rotatable mirror.
  • Cavity length of the Fabry-Perot cavity corresponding to the deflection of the mirror to deflect the generated beam can be reduced or increased.
  • the reflected electromagnetic beam has a similar
  • Transmission range can be adapted to the angle of incidence. This ensures that the incoming beam can always pass through the filter.
  • the at least one filter has an adjustable refractive index. A change of the
  • Refractive indices can be done for example by dynamic alignment of liquid crystals by electrical or magnetic fields.
  • the wavelength shift of the incoming beam the
  • Transmission range of the filter can be dependent on its temperature, This effect can be used to set the transmission range or the
  • the refractive index is dependent on a density of the material and thus also dependent on the temperature.
  • the refractive index can also be adjusted by a temperature of the filter or a part of the filter.
  • the partially transmissive mirrors are vapor deposited or deposited on a glass or transparent substrate.
  • This carrier material can experience a change in the refractive index by application of temperature and / or electrical or magnetic fields.
  • the refractive index can also have an influence on the transmission range.
  • the filter or at least a portion of the filter may be cooled or heated to undesirable effects
  • the temperature can be any suitable temperature that compensate or adjust the filter.
  • the temperature can be any suitable temperature that compensate or adjust the filter.
  • the filter can be lowered for example by air or water cooling.
  • the filter can be heated by heated water or heated air.
  • the heating of the filter can be carried out by an electrically conductive layer or coating.
  • one or more glass elements of the filter can be heated by Joule heat.
  • the LIDAR device is the
  • Refractive index adjustable depending on the orientation of the rotatable mirror is adjusted such that the transmission range of the filter to the wavelength shift or the
  • Incident angle of the incoming beam is adjusted.
  • the refractive index of the filter or a part of a filter such as glass the transmission range can be tracked so that the incoming beam as completely as possible and loss-free can pass through the filter.
  • At least two filters for filtering the at least one incoming electromagnetic beam are arranged angularly offset from one another.
  • a plurality of filters may be used, which are arranged at an angle to each other. This allows each filter to react less dynamically to an incoming beam since the angle of incidence can not be as great as with a single static filter.
  • the angle of incidence of the incoming beam is relative to a filter increasing number of static or dynamic filters, which are set up, for example, semi-circular increasingly reduced.
  • each filter can be adaptable or changeable depending on the angle of incidence or at least one adjacent filter.
  • all or some of the filters may be regular optical filters that do not have dynamic matching.
  • the at least one filter for filtering the at least one incoming electromagnetic beam has a curvature.
  • a filter may be used which has a curvature which at least partially covers a scanning angle of the LIDAR device and thus covers an angular range at which an incoming reflected beam can strike the filter.
  • the filter may be oriented such that, regardless of the angle of incidence of the
  • the filter can additionally provide a dynamic adjustment of the
  • Such a filter may alternatively have a curvature which is a
  • the filter may be advantageous to move the filter along at least one length in order to adapt the filter to an incoming beam.
  • a method of scanning a scan angle with a LIDAR device In one step, at least one electromagnetic beam is generated and along the
  • the at least one deflected electromagnetic beam can be reflected at an object positioned at the scanning angle.
  • the at least one reflected electromagnetic beam becomes at least one incoming beam and is received and filtered.
  • the at least one incoming beam is detected, wherein at least one filter is adjusted according to a wavelength and / or an angle of incidence of the at least one incoming beam.
  • the filter may be adapted to a wavelength of the incoming beam depending on an angle of incidence of the incoming beam. It is thus possible to move or rotate the filter so that an incoming beam in as small as possible Incident angle relative to the filter meets this.
  • material properties of the filter can be adapted.
  • a cavity length can be dynamically varied by one adapted to the wavelength of the incoming beam
  • the adaptation can be carried out continuously in accordance with a sampling rate of the method.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a LIDAR device according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic representation of a receiving unit of the LIDAR device according to the first embodiment
  • FIG. 3 is a schematic representation of the receiving unit of the LIDAR device according to a second embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the receiving unit of the LIDAR device according to a third exemplary embodiment
  • 5a, b is a schematic representation of the receiving unit of the LIDAR device according to a fourth embodiment
  • Fig. 6 is a schematic representation of the receiving unit of the LIDAR device according to a fifth embodiment.
  • Fig. 7 is a schematic representation of the receiving unit of the LIDAR device according to a sixth embodiment.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a LIDAR device 1.
  • the LIDAR device 1 has a radiation source 2 for generating an electromagnetic beam 4.
  • the radiation source 2 is in accordance with
  • a laser 2 is used to generate a beam 4 with a wavelength in the non-visible infrared ready.
  • the wavelength can be greater than 800 nm, for example.
  • the beam 4 generated by the laser 2 is from a rotatable mirror. 6 distracted.
  • the mirror 6 is in this case pivotable along a rotation axis R.
  • the mirror 6 can deflect the generated beam 4 along a defined horizontal scanning angle H.
  • the mirror 6 is orthogonal to the horizontal scanning angle H pivotally and thus covers a vertical scanning angle V from. This allows the LIDAR device 1 a solid angle
  • the generated beam 4 is at least partially reflected by the object 8 and becomes the reflected or incoming beam 10.
  • the incoming beam 10 is received by a receiving unit 12.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the receiving unit 12 of the LIDAR device 1 according to the first exemplary embodiment. To illustrate the embodiments auxiliary objects 8 are also shown.
  • the receiving unit 12 is shown in an x-y plane. Through the x-y plane, the rotation axis R is orthogonal.
  • the receiving unit 2 has a filter 14 which preferably allows the incoming beam 10 to pass through and blocks stray light or interfering reflections. Since a transmission range of such filters 14 with increasing angle of incidence towards smaller
  • the filter 14 is rotatably mounted and is rotated or periodically pivoted by a piezoelectric actuator, not shown, in synchronism with the mirror 6 along a rotation axis which is parallel to the axis of rotation R.
  • the filter 14 is adjusted in such a way that an incoming beam 10 hits the filter 14 as perpendicularly as possible. In this way, a narrow transmission range of the filter 14 can be selected, since an angle-dependent wavelength change of the incoming beam 10 is not or only slightly present.
  • the dashed line filter 14 has no adjustment of its angle when an object 8 is arranged frontally or slightly offset from an optical axis A. For an object 8 located farther from the optical axis A, an incoming beam 10 has a larger angle of incidence ⁇ .
  • the filter 14 Since the filter 14 is pivoted synchronously with the mirror 6, while the angle of incidence ⁇ is large relative to the optical axis A, For example, greater than 20 °, relative to the tracked filter 14 corresponds to the angle of incidence ⁇ , however, 0 °.
  • the incoming beam 10 can thus transmit through the filter 14 and reach a receiving optical system 16.
  • Receiving optical system 16 directs the incoming beam 10 onto a detector 18.
  • the detector 18 registers the incoming beam 10 and provides it, for example, with a reception time and a scanning angle H, V of the mirror 6.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the receiving unit 12 of the LIDAR device 1 according to a second embodiment.
  • the receiving unit 12 has a
  • adjustable filter 14 which consists of a Fabry-Perot cavity 20.
  • the Fabry-Perot cavity 20 has two partially transparent mirrors 22, 24.
  • Each of the partially transmissive mirrors 22, 24 consists of a glass substrate 26 and a partially transparent coating 28.
  • a first partially transmissive mirror 22 is stationary and can not be misplaced.
  • a second semitransparent mirror 24 is slidably disposed by an actuator, not shown.
  • incoming rays 10 can pass if they have a certain wavelength relative to the cavity length 30.
  • a transmission range for incoming beams 10 having a particular wavelength can be generated. For example
  • FIG. 4 is a schematic representation of the receiving unit 12 of FIG.
  • the receiving unit 12 has a fan 32, which can cool the Fabry-Perot cavity 20. Furthermore, the fan 32 is a heating element 34 for heating the generated by the fan 32
  • the arrows illustrate the air flow generated by the fan 32.
  • a temperature of the partially permeable Mirror 22, 24 set by the pressurizing air flow is set by the pressurizing air flow.
  • partially transparent mirrors 22, 24 are acted upon by the temperature of the air flow. As a result, a density of the fluid or the
  • Components of the Fabry-Perot cavity 20 are dependent on the density, can be adjusted by changing the temperature of the refractive index.
  • the transmission range of the Fabry-Perot cavity 20 can be adjusted by adjusting the temperature or adapted to an incoming beam 10.
  • FIGS. 5a and 5b show a schematic representation of
  • the receiving unit 12 is rotatably mounted integral with the axis of rotation R and may correspond to the deflection of the mirror 6 and thus according to an incident angle ß of the incoming beam 10 are tracked by an actuator, not shown.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the receiving unit 12 of the LIDAR device 1 according to a fifth exemplary embodiment.
  • the receiving unit 12 has three stationary filters 14.
  • the filters 14 are arranged at a relative angle to each other.
  • the filters 14 are arranged approximately semicircular with the axis of rotation R as a center. As a result, incoming beams 10 have a small relative
  • FIG. 7 is a schematic representation of the receiving unit 12 of
  • the receiving unit 12 has a filter 14 which has a curvature.
  • the filter 14 is made in one piece and has a curvature such that incoming beams 10 have a relative angle of incidence ⁇ of 0 ° relative to the filter 14.

Abstract

Offenbart ist ein wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastwinkels mit mindestens einer Strahlenquelle zum Erzeugen mindestens eines elektromagnetischen Strahles, mit einem drehbaren Spiegel zum Ablenken des mindestens eines elektromagnetischen Strahles entlang des Abtastwinkels, mit einer Empfangseinheit zum Empfangen mindestens eines ankommenden elektromagnetischen Strahles und zum Ablenken des mindestens eines ankommenden elektromagnetischen Strahles auf mindestens einen Detektor und mit mindestens einem Filter, wobei der mindestens eine Filter an den mindestens einen ankommenden elektromagnetischen Strahl anpassbar ist. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Abtasten eines Abtastwinkels mit einer derartigen LIDAR-Vorrichtung offenbart.

Description

Beschreibung
Titel
LIDAR-Vorrichtung mit einem dynamischen Filter und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastwinkels sowie ein Verfahren zum Abtasten eines Abtastwinkels mit einer LIDAR- Vorrichtung.
Stand der Technik
Übliche LI DAR (Light detection and ranging)-Vorrichtungen bestehen aus einer Sende- und einer Empfangseinrichtung. Die Sendeeinrichtung erzeugt und strahlt kontinuierlich oder gepulst elektromagnetische Strahlung aus. Trifft diese elektromagnetische Strahlung auf ein bewegliches oder stationäres Objekt, wird die elektromagnetische Strahlung von dem Objekt in Richtung der
Empfangseinrichtung reflektiert. Die Empfangseinrichtung kann die reflektierte elektromagnetische Strahlung detektieren und dieser eine Empfangszeit zuordnen. Dies kann im Rahmen einer„Time of Flighf-Analyse für eine
Ermittlung einer Entfernung des Objektes zu der LIDAR-Vorrichtung verwendet werden. Je nach Anwendungsbereich werden hohe Anforderungen an die
Signalqualität gestellt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die LIDAR- Vorrichtung eine möglichst hohe Reichweite bei gleichzeitig breitem Abtastwinkel aufweist. Die Signalqualität bestimmt unter anderem, bis zu welcher Distanz, unter welchem Winkel und mit welcher Genauigkeit bzw. Wahrscheinlichkeit Objekte detektiert werden können. Diese Signalqualität ergibt sich zu einem großen Teil aus der Qualität der optischen Filterung der empfangenen reflektierten Strahlung. Ausschlaggebend hierfür ist die Breite des spektralen Bandpasses eines Filters, der verwendet werden kann. Je schmaler die spektrale Bandbreite des Filters ist, desto weniger Stör- oder Umgebungslicht fällt auf den Detektor und umso besser die Signalqualität. Da dieser Durchlassbereich mit steigendem Einfallswinkel der empfangenen Strahlung zu kleineren Wellenlängen verschoben wird, muss der Filter eine gewisse Breite haben, um die empfangene Strahlung auch bei großen Winkeln noch transmittieren zu können. Aktuell stellt die vom Einfallswinkel abhängige Verschiebung des Transmissionsfensters der Filter eine physikalische Grenze von LIDAR- Vorrichtungen dar.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Verfahren und eine LIDAR-Vorrichtung zu schaffen, die mindestens einen Filter aufweist, der trotz eines variierenden Einfallswinkels eines einfallenden Strahles eine stets optimale Transmissionscharakteristik aufweist.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastwinkels bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen mindestens eines elektromagnetischen Strahles, einen drehbaren Spiegel zum Ablenken des mindestens einen
elektromagnetischen Strahles entlang des Winkels auf. Des Weiteren weist die LIDAR-Vorrichtung eine Empfangseinheit zum Empfangen mindestens eines ankommenden elektromagnetischen Strahles und zum Ablenken des mindestens eines ankommenden elektromagnetischen Strahles auf mindestens einen Detektor und mindestens einen Filter auf, wobei der mindestens eine Filter an den mindestens einen ankommenden elektromagnetischen Strahl anpassbar ist.
Eine derartige LIDAR-Vorrichtung weist einen dynamischen optischen Filter auf, der einen einfallswinkelabhängigen Wellenlängenshift eines ankommenden Strahles kompensieren kann. Insbesondere bei größeren Einfallswinkeln kann sich ein Transmissionsbereich des Filters für einen bestimmten
Wellenlängenbereich zu kleineren Wellenlägen hin verschieben. Um zu verhindern, dass ein ankommender elektromagnetischer Strahl bei einem größeren Einfallswinkel durch den Filter nur beschränkt oder überhaupt nicht passieren kann, lässt sich der Filter anpassen. Dies kann beispielsweise durch eine Anpassung einer Lage des Filters oder durch Anpassung mindestens einer Materialeigenschaft des Filters realisieren. Hierdurch kann der
Transmissionsbereich des Filters dynamisch oder statisch angepasst bzw.
nachgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die gesamte
Empfangseinheit anpassbar sein. Der Filter kann beispielsweise ein
dielektrischer Filter mit einem oder mehreren definierten Transmissionsbereichen sein. Die Transmissionsbereiche beziehen sich hierbei auf eine Wellenlänge bzw. Frequenz eines elektromagnetischen Strahls. Der elektromagnetische Strahl kann beispielsweise ein Laserstrahl bzw. Lichtstrahl im sichtbaren oder unsichtbaren Wellenlängenbereich sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist der mindestens eine Filter entlang des Abtastwinkels drehbar. Hierdurch ist der Filter rotierbar bzw. drehbar gelagert, sodass seine Ausrichtung verändert werden kann.
Insbesondere kann durch diese Maßnahme der Einfallswinkel eines
ankommenden Strahls relativ zum Filter optimal eingestellt werden. Somit kann die Wellenlänge des ankommenden Strahls stets in mindestens einem
Transmissionsbereich des Filters liegen und möglichst verlustarm den Filter passieren. Ein optimaler Einfallswinkel ist idealerweise 0°. Der Einfallswinkel kann jedoch abhängig von einer Transmissionscharakteristik des Filters und dem
Wellenlängenshift des einfallenden Strahls auch von 0° abweichen. Die
Änderung der Ausrichtung des Filters kann beispielsweise durch Piezoaktoren, elektrostatische Motoren, elektromagnetische Motoren oder dergleichen erfolgen. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist der mindestens eine Filter relativ zum drehbaren Spiegel winkelversetzt oder winkelsynchron drehbar. Der Filter kann in seiner Ausrichtung abhängig von dem Spiegel nachgestellt bzw. angepasst werden. Je nach Anforderungsprofil und Aufbau der LIDAR-Vorrichtung kann der Filter auch unabhängig von dem Spiegel zum Ablenken des erzeugten elektromagnetischen Strahls gedreht oder geschwenkt werden. Hierbei kann der Filter beispielsweise zeitabhängig angepasst werden, sodass auch ein Winkelversatz zwischen dem Filter und dem Spiegel realisiert werden kann. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die gesamte Empfangsvorrichtung oder Teile der Empfangsvorrichtung parallel zum Filter drehbar oder schwenkbar sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine Filter eine einstellbare Fabry-Perot Kavität. Der Filter kann hierbei ein konventioneller optischer Filter oder ein optischer Resonator sein. Die Fabry-Perot Kavität entspricht hierbei einem optischen Resonator, der aus mindestens zwei teildurchlässigen Spiegeln besteht. Abhängig von einem Abstand bzw. einer
Kavitätslänge der beiden teildurchlässigen Spiegel zu einander kann nur ankommende elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge passieren. Um eine Entkopplungseffizienz für größere Einfallswinkel zu erhöhen, können die teildurchlässigen Spiegel eine geringe Reflektivität aufweisen.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung weist der mindestens eine Filter eine einstellbare Kavitätslänge auf. Der Abstand der beiden teildurchlässigen Spiegel kann verändert werden, sodass die
Transmissionswellenlänge der Fabry-Perot Kavität angepasst werden kann. Beispielsweise können einer oder beide teildurchlässigen Spiegel durch
Piezoaktoren oder elektrostatische bzw. elektromagnetische Linearaktuatoren verstellt werden. Durch das Verstellen der teildurchlässigen Spiegel kann die Kavitätslänge verändert bzw. angepasst werden und damit auch der
Transmissionsbereich.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Kavitätslänge abhängig von einer Ausrichtung des drehbaren Spiegels einstellbar. Hierbei kann die
Kavitätslänge der Fabry-Perot Kavität entsprechend der Auslenkung des Spiegels zum Ablenken des erzeugten Strahls verkleinert oder vergrößert werden. Der reflektierte elektromagnetische Strahl weist einen ähnlichen
Einfallswinkel auf wie die Ausrichtung des Spiegels. Dadurch kann der
Transmissionsbereich an den Einfallswinkel angepasst werden. So kann sichergestellt werden, dass der ankommende Strahl stets den Filter passieren kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der mindestens eine Filter einen einstellbaren Brechungsindex auf. Eine Änderung des bzw. der
Brechungsindizes kann beispielsweise durch dynamische Ausrichtung von Flüssigkristallen durch elektrische oder magnetische Felder erfolgen. Da zusätzlich zum Wellenlängenshift des ankommenden Strahls, der
Transmissionsbereich des Filters abhängig von seiner Temperatur sein kann, kann dieser Effekt zur Einstellung des Transmissionsbereiches bzw. des
Brechungsindexes genutzt werden. Insbesondere ist der Brechungsindex abhängig von einer Dichte des Materials und somit auch abhängig von der Temperatur. Somit kann der Brechungsindex auch durch eine Temperatur des Filters oder eines Teils des Filters eingestellt werden. Beispielsweise sind bei einer Fabry-Perot Kavität die teildurchlässigen Spiegel auf einem Glas oder einem durchsichtigen Trägermaterial aufgedampft oder aufgetragen. Dieses Trägermaterial kann durch Beaufschlagen mit Temperatur und/oder elektrischen oder mit magnetischen Feldern eine Änderung des Brechungsindexes erfahren. Bei einem regulären Filter kann der Brechungsindex ebenfalls einen Einfluss auf den Transmissionsbereich haben. Somit kann der Filter oder mindestens ein Teil des Filters gekühlt oder erwärmt werden um unerwünschte Effekte zu
kompensieren oder um den Filter anzupassen. Die Temperatur kann
beispielsweise durch Luft- oder Wasserkühlung gesenkt werden. Ebenso kann der Filter durch erwärmtes Wasser oder erwärmte Luft aufgeheizt werden.
Alternativ kann das Aufheizen des Filters durch eine elektrisch leitfähige Schicht bzw. Beschichtung erfolgen. So können durch joulesche Wärme eine oder mehrere Glaselemente des Filters erwärmt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist der
Brechungsindex abhängig von der Ausrichtung des drehbaren Spiegels einstellbar. Vorteilhafterweise wird der Brechungsindex derart eingestellt, dass der Transmissionsbereich des Filters an den Wellenlängeshift oder den
Einfallswinkel des ankommenden Strahls angepasst wird. Hierdurch kann der Brechungsindex des Filters oder eines Teils eines Filters wie beispielsweise Glas der Transmissionsbereich derart nachgeführt werden, dass der ankommende Strahl möglichst vollständig und verlustfrei den Filter passieren kann.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel sind mindestens zwei Filter zum Filtern des mindestens einen ankommenden elektromagnetischen Strahles zueinander winkelversetzt anordnbar. Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Beispielen kann eine Mehrzahl an Filtern verwendet werden, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Hierdurch kann jeder Filter weniger dynamisch auf einen ankommenden Strahl reagieren, da der Einfallswinkel nicht mehr so groß ausfallen kann wie bei einem einzigen statischen Filter. Somit wird der Einfallswinkel des ankommenden Strahls relativ zu einem Filter durch zunehmende Anzahl an statischen oder dynamischen Filtern, die beispielsweise halbkreisförmig aufgestellt sind zunehmend reduziert. Hierdurch kann jeder Filter abhängig oder unabhängig von dem Einfallswinkel oder mindestens einem benachbarten Filter anpassbar bzw. veränderbar sein. Alternativ oder zusätzlich können alle oder einige der Filter reguläre optische Filter sein, die keine dynamische Anpassung aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der mindestens eine Filter zum Filtern des mindestens einen ankommenden elektromagnetischen Strahles eine Krümmung auf. Vorteilhafterweise kann ein Filter verwendet werden, der eine Krümmung aufweist, die zumindest bereichsweise einen Abtastwinkel der LIDAR-Vorrichtung abdeckt und somit einen Winkelbereich abdeckt, unter dem ein ankommender reflektierter Strahl auf den Filter treffen kann. Der Filter kann derart ausgerichtet sein, dass unabhängig von dem Einfallswinkel des
ankommenden Strahls der ankommende Strahl immer senkrecht auf den Filter trifft. Der Filter kann hierbei zusätzlich eine dynamische Anpassung des
Brechungsindexes beispielsweise durch Temperaturänderung aufweisen. Ein derartiger Filter kann alternativ eine Krümmung aufweisen, die einen
variierenden Krümmungsradius aufweist. Hierbei kann es vorteilhaft sein, den Filter entlang zumindest einer Länge zu verfahren um den Filter an einen ankommenden Strahl anzupassen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Abtasten eines Abtastwinkels mit einer LIDAR-Vorrichtung bereitgestellt. In einem Schritt wird mindestens ein elektromagnetischer Strahl erzeugt und entlang dem
Abtastwinkel abgelenkt. Der mindestens eine abgelenkte elektromagnetische Strahl kann an einem im Abtastwinkel positionierten Objekt reflektiert werden. Der mindestens eine reflektierte elektromagnetische Strahl wird zum mindestens einen ankommenden Strahl und wird empfangen und gefiltert. Anschließend wird der mindestens eine ankommende Strahl detektiert, wobei mindestens ein Filter entsprechend einer Wellenlänge und/oder einem Einfallswinkel des mindestens einen ankommenden Strahles angepasst wird. Hierdurch kann der Filter dynamisch verändert werden. Insbesondere kann der Filter an eine Wellenlänge des ankommenden Strahls angepasst werden abhängig von einem Einfallswinkel des ankommenden Strahls. So ist es möglich den Filter derart zu verfahren oder zu drehen, dass ein ankommender Strahl in einem möglichst kleinen Einfallswinkel relativ zum Filter auf diesen trifft. Alternativ oder zusätzlich können Materialeigenschaften des Filters angepasst werden. Im Falle eines optischen Resonators als Filter kann eine Kavitätslänge dynamisch variiert werden um einen zur Wellenlänge des ankommenden Strahls angepassten
Transmissionsbereich bereitstellen zu können. Die Anpassung kann hierbei kontinuierlich entsprechend einer Abtastrate des Verfahrens erfolgen.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen
Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit der LIDAR- Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Empfangseinheit der LIDAR- Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Empfangseinheit der LIDAR- Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5a, b eine schematische Darstellung der Empfangseinheit der LIDAR- Vorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Empfangseinheit der LIDAR- Vorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel und
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Empfangseinheit der LIDAR- Vorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.
In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer LIDAR-Vorrichtung 1. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Strahlenquelle 2 zum Erzeugen eines elektromagnetischen Strahls 4 auf. Die Strahlenquelle 2 ist gemäß dem
Ausführungsbeispiel ein Laser 2. Gemäß dem Ausführungsbeispiel dient der Laser 2 zum Erzeugen eines Strahls 4 mit einer Wellenlänge im nicht sichtbaren Infrarotbereit. Die Wellenlänge kann beispielsweise größer als 800nm betragen. Der von dem Laser 2 erzeugte Strahl 4 wird von einem drehbaren Spiegel 6 abgelenkt. Der Spiegel 6 ist hierbei entlang einer Rotationsachse R schwenkbar. Somit kann der Spiegel 6 den erzeugten Strahl 4 entlang eines definierten horizontalen Abtastwinkels H ablenken. Zusätzlich ist der Spiegel 6 orthogonal zum horizontalen Abtastwinkel H schwenkbar und deckt somit einen vertikalen Abtastwinkel V ab. Hierdurch kann die LIDAR-Vorrichtung 1 einen Raumwinkel
VxH abtasten und mögliche sich in diesem Raumwinkel VxH positionierte Objekte 8 orten. Der erzeugte Strahl 4 wird von dem Objekt 8 zumindest teilweise reflektiert und wird zum reflektierten bzw. ankommenden Strahl 10. Der ankommende Strahl 10 wird von einer Empfangseinheit 12 empfangen.
In der Figur 2 ist eine schematische Darstellung der Empfangseinheit 12 der LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Zur Verdeutlichung der Ausführungsbeispiele sind hilfsweise Objekte 8 ebenfalls gezeigt. Die Empfangseinheit 12 ist in einer x-y-Ebene gezeigt. Durch die x-y- Ebene verläuft die Rotationsachse R orthogonal. Die Empfangseinheit 2 weist einen Filter 14 auf, der den ankommenden Strahl 10 vorzugsweise passieren lässt und Störlicht bzw. Störreflexe blockiert. Da ein Transmissionsbereich derartiger Filter 14 sich mit steigendem Einfallswinkel hin zu kleineren
Wellenlängen verschiebt, muss entweder der Transmissionsbereich groß oder mögliche Einfallswinkel ß klein sein. Der Einfallswinkel ß weist hierbei sowohl einen Anteil eines horizontalen Abtastwinkels H als auch einen Anteil eines vertikalen Abtastwinkels V auf. Der Anteil kann auch 0° sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Filter 14 drehbar gelagert und wird von einem nicht gezeigten Piezoaktor synchron mit dem Spiegel 6 entlang einer Rotationsachse gedreht bzw. periodisch geschwenkt, die parallel zur Rotationsachse R verläuft.
Hierdurch kann ein großer horizontaler Abtastwinkel H abgetastet werden.
Insbesondere wird der Filter 14 derart nachgeführt, dass ein ankommender Strahl 10 möglichst senkrecht auf den Filter 14 trifft. Hierdurch kann ein schmaler Transmissionsbereich des Filters 14 gewählt werden, da eine winkelabhängige Wellenlängenänderung des ankommenden Strahls 10 nicht oder nur geringfügig vorhanden ist. Der gestrichelt gezeichnete Filter 14 weist keine Anpassung seines Winkels auf, wenn ein Objekt 8 frontal oder leicht versetzt zu einer optischen Achse A angeordnet ist. Bei einem Objekt 8, das sich weiter von der optischen Achse A befindet weist ein ankommender Strahl 10 einen größeren Einfallswinkel ß auf. Da der Filter 14 synchron mit dem Spiegel 6 geschwenkt wird, ist zwar der Einfallswinkel ß relativ zur optischen Achse A groß, beispielsweise größer 20°, relativ zum nachgeführten Filter 14 entspricht der Einfallswinkel ß jedoch 0°. Der ankommende Strahl 10 kann somit durch den Filter 14 transmittieren und auf eine Empfangsoptik 16 gelangen. Die
Empfangsoptik 16 lenkt den ankommenden Strahl 10 auf einen Detektor 18. Der Detektor 18 registriert den ankommenden Strahl 10 und versieht diesen beispielsweise mit einer Empfangszeit und einem Abtastwinkel H, V des Spiegels 6.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Empfangseinheit 12 der LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist die Empfangseinheit 12 einen
anpassbaren Filter 14 auf, der aus einer Fabry-Perot Kavität 20 besteht. Die Fabry-Perot Kavität 20 weist zwei teildurchlässige Spiegel 22, 24 auf. Jeder der teildurchlässigen Spiegel 22, 24 besteht aus einem Glas-Substrat 26 und einer teildurchlässigen Beschichtung 28. Ein erster teildurchlässiger Spiegel 22 ist hierbei stationär und lässt sich nicht deplatzieren. Ein zweiter teildurchlässiger Spiegel 24 ist durch einen nicht gezeigten Aktuator verschiebbar angeordnet. Somit kann durch ein Verschieben des zweiten teildurchlässigen Spiegels 24 eine Kavitätslänge 30 bzw. der Abstand zwischen den beiden teildurchlässigen Spiegel 22, 24 verändert werden. Durch die Fabry-Perot Kavität 20 können ankommende Strahlen 10 passieren, wenn sie eine bestimmte Wellenlänge relativ zur Kavitätslänge 30 aufweisen. Folglich kann durch ein Einstellen der Kavitätslänge 30 ein Transmissionsbereich für ankommende Strahlen 10 mit einer bestimmten Wellenlänge erzeugt werden. Damit beispielsweise
ankommende Strahlen 10 mit einer kleineren Wellenlänge die Fabry-Perot
Kavität 20 passieren können, muss die Kavitätslänge 30 verkleinert werden. Dies ist durch den gestrichelt dargestellten zweiten teildurchlässigen Spiegel 24 in seiner ursprünglichen Position verdeutlicht. In der Figur 4 ist eine schematische Darstellung der Empfangseinheit 12 der
LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt. Im zusätzlich zum zweiten Ausführungsbeispiel weist die Empfangseinheit 12 einen Lüfter 32 auf, der die Fabry-Perot Kavität 20 kühlen kann. Des Weiteren ist dem Lüfter 32 ein Heizelement 34 zum Heizen des vom Lüfter 32 erzeugten
Luftstromes nachgeschaltet. Die Pfeile verdeutlichen den vom Lüfter 32 erzeugten Luftstrom. Insbesondere wird eine Temperatur der teildurchlässigen Spiegel 22, 24 durch den mit einer Temperatur beaufschlagen Luftströmung eingestellt. Zusätzlich kann auch die Luft bzw. ein Fluid zwischen den
teildurchlässigen Spiegeln 22, 24 mit der Temperatur der Luftströmung beaufschlagt werden. Hierdurch wird eine Dichte des Fluids bzw. der
teildurchlässigen Spiegel 22, 24 angepasst. Da ein Brechungsindex der
Bestandteile der Fabry-Perot Kavität 20 abhängig von der Dichte sind, kann durch Änderung der Temperatur der Brechungsindex angepasst werden. Somit kann der Transmissionsbereich der Fabry-Perot Kavität 20 durch Einstellen der Temperatur justiert bzw. an einen ankommenden Strahl 10 angepasst werden.
Die Figuren 5a und 5b zeigen eine schematische Darstellung der
Empfangseinheit 12 der LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu den bereits erwähnten
Ausführungsbeispielen ist die Empfangseinheit 12 ganzteilig drehbar entlang der Rotationsachse R gelagert und kann entsprechen der Auslenkung des Spiegels 6 und somit entsprechend einem Einfallswinkel ß des ankommenden Strahls 10 durch einen nicht gezeigten Aktuator nachgeführt werden.
In der Figur 6 ist eine schematische Darstellung der Empfangseinheit 12 der LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel dargestellt. Im
Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen weist die Empfangseinheit 12 drei stationäre Filter 14 auf. Die Filter 14 sind in einem relativen Winkel zueinander angeordnet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die Filter 14 näherungsweise halbkreisförmig mit der Rotationsachse R als ein Mittelpunkt angeordnet. Hierdurch weisen ankommende Strahlen 10 einen kleinen relativen
Einfallswinkel ß zu dem jeweiligen Filtern 14 auf. Hierbei treffen die
ankommenden Strahlen 10 mit einem großen Einfallswinkel ß relativ zur optischen Achse A auf einen zur optischen Achse A angewinkelten Filter 14 auf. In der Figur 7 ist eine schematische Darstellung der Empfangseinheit 12 der
LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel gezeigt. Im Unterschied zum sechsten Ausführungsbeispiel weist die Empfangseinheit 12 einen Filter 14 auf, der eine Krümmung aufweist. Der Filter 14 ist einteilig ausgeführt und weist eine derartige Krümmung auf, dass ankommende Strahlen 10 einen relativen Einfallswinkel ß von 0° relativ zum Filter 14 aufweisen.

Claims

Ansprüche
1 . LIDAR-Vorrichtung (1 ) zum Abtasten eines Abtastwinkels (H, V) mit mindestens einer Strahlenquelle (2) zum Erzeugen mindestens eines
elektromagnetischen Strahles (4), mit einem drehbaren Spiegel (6) zum
Ablenken des mindestens eines elektromagnetischen Strahles (4) entlang des Abtastwinkels (H, V), mit einer Empfangseinheit (12) zum Empfangen
mindestens eines ankommenden elektromagnetischen Strahles (10) und zum Ablenken des mindestens eines ankommenden elektromagnetischen Strahles (10) auf mindestens einen Detektor (18) und mit mindestens einem Filter (14) dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Filter (14) an den mindestens einen ankommenden elektromagnetischen Strahl (10) anpassbar ist.
2. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der mindestens eine Filter (14) entlang des Abtastwinkels (H, V) drehbar ist.
3. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Filter (14) relativ zum drehbaren Spiegel (6) winkel versetzt oder winkelsynchron drehbar ist.
4. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine Filter (14) eine einstellbare Fabry-Perot Kavität (20) ist.
5. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine Filter (14) eine einstellbare Kavitätslänge (30) aufweist.
6. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die
Kavitätslänge (30) abhängig von einer Ausrichtung des drehbaren Spiegels (6) einstellbar ist.
7. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der mindestens eine Filter (14) einen einstellbaren Brechungsindex aufweist.
8. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der
Brechungsindex abhängig von der Ausrichtung des drehbaren Spiegels (6) einstellbar ist.
9. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens zwei Filter (14) zum Filtern des mindestens einen ankommenden elektromagnetischen Strahles (10) zueinander winkelversetzt anordbar sind.
10. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der mindestens eine Filter (14) zum Filtern des mindestens einen ankommenden
elektromagnetischen Strahles (10) eine Krümmung aufweist.
1 1. Verfahren zum Abtasten eines Abtastwinkels (H, V) mit einer LIDAR-
Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend die Schritte:
Erzeugen mindestens eines elektromagnetischen Strahles (4),
Ablenken des mindestens einen elektromagnetischen Strahles (4) entlang dem Abtastwinkel (H, V),
Empfangen und Filtern mindestens eines an einem Objekt (18) reflektierten ankommenden Strahles (10),
Detektieren des mindestens eines reflektierten ankommenden Strahles (10), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Filter (14) entsprechend einer Wellenlänge und/oder einem Einfallswinkel (ß) des mindestens eines
ankommenden Strahles (10) angepasst wird.
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