WO2018197246A1 - Laserscanner beispielsweise für ein lidar-system eines fahrerassistenzsystems - Google Patents

Laserscanner beispielsweise für ein lidar-system eines fahrerassistenzsystems Download PDF

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WO2018197246A1
WO2018197246A1 PCT/EP2018/059638 EP2018059638W WO2018197246A1 WO 2018197246 A1 WO2018197246 A1 WO 2018197246A1 EP 2018059638 W EP2018059638 W EP 2018059638W WO 2018197246 A1 WO2018197246 A1 WO 2018197246A1
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laser scanner
path
laser light
mirror
laser
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Application number
PCT/EP2018/059638
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English (en)
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Inventor
Juergen Hasselbach
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4812—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver transmitted and received beams following a coaxial path
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Definitions

  • a laser scanner for a LIDAR system For example, a laser scanner for a LIDAR system
  • the invention relates to a laser scanner for a LIDAR system, for example for a driver assistance system.
  • a LIDAR system can optically scan a scene using a laser scanner.
  • a laser beam is emitted by the laser scanner with variable in at least one axis scan angle in a detection range.
  • the laser beam is reflected at objects in the detection area.
  • the LIDAR system can calculate a distance and a direction to the object. This can be for example for a
  • Driver assistance system can be used in a motor vehicle.
  • a laser scanner which has a transmission path and a reception path which is spatially separate from the transmission path at least in regions and which is characterized in that the transmission path and the reception path from different angles to an angularly movable Make mirror element of the laser scanner.
  • Mirror element defines a scan angle in the transmission path
  • the angular position compensates for an incident angle of a reflection of the laser light.
  • At least one laser beam is directed by optics into a detection area of the laser scanner. Over time, an angle of the laser beam is changed in at least one spatial direction to the
  • the laser beam hits an object such as an object in the detection area or the ground, the laser light of the
  • Laser beam scattered on the object Part of the scattered laser light is reflected back in the direction of the laser scanner.
  • the returned scattered laser light is directed by an optic of the laser scanner onto a detector of the laser scanner.
  • the directed laser light originating from a laser source with its known and controllable properties behaves differently than the laser light reflected back from an object.
  • optimized optics and / or filters can be used to achieve a good detection performance of the laser scanner.
  • a laser scanner with two separate paths for the laser light can be used.
  • the directional laser light is imprinted with an emission angle during transmission.
  • the laser light is thus emitted in a certain direction and can strike an object arranged in the direction of the laser scanner. That of the object
  • reflected laser light arrives at the laser scanner again from the direction.
  • an angle of incidence of the returned laser light can be compensated to align the returned laser light with the detector and to use a simple, non-imaging detector type with minimal dimensions, which is also inexpensive.
  • For impressing the radiation angle and compensating the angle of incidence can the same deflector be used as the einzhrrgende
  • Beam angle and the compensating angle of incidence have the same amount. If the angles are impressed and compensated by the same deflector, the same optical path can be used for transmission and reception.
  • a transmission path can be understood as an optical path or path which is optimized for directing the directed laser light from the laser light source into the detection range of the laser scanner.
  • a receive path may be an optical path optimized to transport the scattered laser light from the detection area to the detector of the laser scanner.
  • a mirror element may be a micromirror. The mirror element can be rotatably mounted about a pivot point in which intersect the transmission path and the reception path. The fulcrum may lie in a mirror plane of the mirror element.
  • Mirror element can be angularly movable in one or two axes.
  • the mirror element may be a front-reflecting mirror.
  • Embodiments of the present invention may advantageously allow specific filters to be used in the respective paths for the directional laser light or scattered laser light, respectively.
  • a non-imaging simple detector can be used because the
  • a size of sensor pixels of the detector is not limited by an optical resolution of the detector, which leads to a high sensitivity of the detector.
  • a telecentric lens and an imaging optics can be arranged in the receiving path.
  • An imaging plane of the lens may be in one Input level of the imaging optics may be arranged.
  • the imaging optics can be focused on the mirror element.
  • an image plane an image of the detection range of the laser scanner can be projected. The image can be focused on the mirror element by the imaging optics.
  • Mirror element can direct an image area of the image, in which the directional laser light is directed to the detector.
  • the transmission path and the reception path can have at least area-wise parallel optical axes.
  • Receiving path can be arranged at least one deflecting element to deflect the respective optical axis to the mirror element.
  • the deflecting element may for example be a mirror.
  • the deflecting element deflects the respective path in the direction of the mirror element.
  • the focusing deflector may be configured to convert the scan angle of the laser light into a lateral offset to the optical axis.
  • the deflector may be a combination of a lens and a plane mirror.
  • the deflection element can also be a continuous concave mirror.
  • the deflecting element may comprise a matrix
  • the deflection element can have a single mirror for each angular position of the mirror element.
  • the individual mirrors can each form a subarea of a deflection surface.
  • the individual mirrors may be arranged in the form of a Fresnel mirror.
  • the focusing deflector may be formed as at least a portion of a parabolic mirror to convert the scan angle into a parallel lateral offset to the optical axis.
  • Parabolic mirror is a spherical aberration avoided when deflecting the laser light.
  • the parabolic mirror is designed to be a parallel
  • Nonlinearity of the parabolic surface can be compensated in the receiving path by an additional non-linear free-form surface, in order to again image stationary.
  • the focusing deflecting element can also be used as a combination of an imaging optic or an optical lens and a plane mirror be configured to convert the scan angle in a parallel lateral offset to the optical axis.
  • the imaging optics in turn is arranged so that it acts focusing on the mirror element.
  • the scan angle can be a point of impact of the laser light on a
  • the beam shaping unit may be designed to shape the laser light emitted by the laser scanner as a function of the impact point.
  • the beam shaping unit can additionally be designed to increase the scan angle. As a result, a larger angle range can be achieved by the laser light, than only by a pivoting range of the mirror element.
  • the beam-shaping unit may alternatively or additionally be designed to widen the laser light. Widened laser light makes the laser scanner robust against
  • the beam shaping unit can likewise be designed to supplement the scanning beam with respect to its orientation, due to the reflection at the deflection unit.
  • a similarly constructed element for correcting the orientation of the beam to be guided can additionally be integrated into the receiving pad to likewise correct there the orientation caused by the reflection.
  • the beam shaping unit may comprise a matrix of beam shaping elements.
  • Each beam-shaping element may be configured to form a scanning beam having a solid solid angle when the laser light is incident on the beam-shaping element.
  • the beam-shaping elements can be designed as diffractive optical elements.
  • a diffractive optical element may for example be a hologram.
  • the diffractive optical element may also be formed by a microstructure of the beam-shaping element.
  • the beam-shaping elements can be designed as microlenses.
  • the beam-shaping elements can in principle be constructed in such a way that they consist of optically diffracting, refractive or also scattering components / elements.
  • the beam shaping unit may have at least one lens system which is designed to provide an orientation of the laser light due to the reflection correct at the deflector to produce a stationary image detector side.
  • the beam-shaping unit may be designed to shape at least two divergent scanning beams depending on the point of impact from the laser light.
  • the beam-shaping unit can have at least two optical functions in the region of the respective impact point in order to generate the at least two scanning beams.
  • An optical function can be combined in one
  • a detector of the laser scanner may comprise detector elements.
  • a number of the detector elements may correspond to at least a number of the simultaneously emitted scanning beams.
  • each reflection of a scanning beam can be detected by a separate detector element.
  • a detector element may comprise one or more pixels.
  • the laser scanner may have a transmission and reception aperture arranged in the transmission path and in the reception path for the coaxial transmission of the laser light and reception of the reflection.
  • a beam splitter for guiding the reflection or the laser light can be arranged in the receiving path.
  • the receiving aperture can be a lens.
  • a common transmit and receive aperture can prevent a parallax error since the laser light is received at the same point as it is transmitted.
  • a beam splitter may be, for example, a partially transmissive or polarizing mirror.
  • the approach presented here can be used, for example, for an automotive LI DAR, in the consumer sector, in the construction industry, in the crafts sector, in trains, in drones, in industry, for example in automation technology and in the manufacturing environment.
  • Fig. 1 shows a representation of a laser scanner according to a
  • FIG. 2 shows a representation of a laser scanner with spatially separated transmission path and reception path in accordance with one embodiment
  • Fig. 3 shows a representation of a light funnel as part of a
  • Beam shaping unit for a laser scanner according to
  • Fig. 4 shows a representation of a bi-focal lens as part of a
  • Beam shaping unit for a laser scanner according to
  • FIG. 5 shows an illustration of a parabolic mirror and a Fresnel mirror as a deflection element for a laser scanner according to an embodiment
  • FIG. 6 shows a representation of a beam fanning-out array as part of a beam-shaping unit for a laser scanner in accordance with FIG. 6
  • FIG. 7 shows a representation of a scanning beam array as part of a scanning beam array
  • Beam shaping unit for a laser scanner according to
  • Fig. 8 shows a representation of a lens system as part of a
  • Fig. 9 shows an illustration of a system / combination
  • Imaging lens and plane mirror as a deflection element for a laser scanner according to an embodiment.
  • the figures are only schematic and not to scale. Same
  • FIG. 1 shows an illustration of a laser scanner 100 according to a
  • the laser scanner 100 has a transmission path 102 and a reception path 104 spatially separated from the transmission path 102 at least in regions.
  • the transmit path 102 and the receive path 104 meet at different angles 106, 108 to an angularly movable
  • Mirror element 110 of the laser scanner 100 An angular position 112 of the mirror element 110 thereby defines in the transmission path 102 a scan angle 114 of a laser light 116 of the laser scanner 100.
  • reception path 104 In the reception path 104
  • the angular position 112 compensates an angle of incidence 118 of a reflection 120 of the laser light 116.
  • the laser light 116 is emitted from at least one laser light source 122 of the
  • Laser scanner 100 as at least one laser beam 124 emits, strikes the mirror element 110, is deflected laterally corresponding to the scan angle 114 and deflected by a fixed deflector 126 in the direction or parallel to an optical transmission axis 128 of the laser scanner 100.
  • Deflection element 126 is a plane mirror in this exemplary embodiment.
  • the transmission axis 128 is a constructive center axis of the transmission path 102.
  • the laser scanner 100 is constructed biaxially here. Therefore, an optical
  • Reception axis 130 of the laser scanner 100 parallel to the transmission axis 128 offset.
  • the reception axis 130 is a constructive center axis of the
  • Receiving paths 104 Light from the direction of the receiving axis 130 is focused by a receiving optics 132 of the laser scanner 100 on the mirror element 110. By the angular position 112 of the incident angle 118 of the reflection 120 is compensated and the reflection 120 to a detector 134 of the
  • the mirror element 110 is angularly movable in at least one axis and is driven by a drive unit 136 of the laser scanner 100.
  • the mirror element 110 is rotatably mounted about a pivot point 140 arranged in a mirror plane 138 of the mirror element 110.
  • FIG. 2 shows an illustration of a laser scanner 100 with transmission path 102 spatially separated from one another and reception path 104 according to an exemplary embodiment.
  • the laser scanner 100 corresponds to the
  • the beam splitter 200 arranged in the transmission path 102 and the reception path 104.
  • the beam splitter 200 is arranged between a common transmitting and receiving aperture 202 and the mirror element 110.
  • the beam splitter 200 directs the scattered
  • Transmitting and receiving aperture 202 is embodied here as a telecentric objective 202.
  • An imaging plane 206 of the telecentric objective 202 is arranged in an input plane 208 of an imaging optics 210 of the reception path 104.
  • This imaging plane 206 can be arranged before or after the deflection mirror 204.
  • the reflected rays 120 can in turn be transformed into collimated partial rays by an optical component of the imaging optics 210 in this plane.
  • the imaging optics 210 focuses the image of the reflection 120 depicted in the imaging plane 206 onto the mirror element 110.
  • part of a beamforming unit for correcting the beam orientation can be integrated into the imaging optics 210.
  • the image of the reflection falls on the detector 134.
  • a collimating optics 212 is arranged between the detector 134 and the mirror element 110 . Directly in front of the detector 134, the incident rays can additionally be transmitted via a ⁇ -lens
  • the deflection element 126 is formed here as a partial surface of a parabolic mirror.
  • a focal point of the parabolic mirror 126 lies in the mirror plane 138 of the mirror element 110.
  • the parabolic mirror 126 is designed to convert the laser light 116 incident at different angles from the focal point into parallel laser light. In other words, that transforms
  • Parabolic mirror 126 the scan angle in a lateral offset.
  • the laser light 116 strikes the parabolic mirror 126 on a beam shaping unit 214. A part of the
  • Beam shaping unit 214 may also be arranged between mirror element 110 and deflection element 126.
  • an angle amplifier can be arranged between the mirror element 110 and the deflection element 126, which amplifies the scan angle proportionally.
  • the beam-shaping unit 214 has a beam multiplier 216 downstream of the parabolic mirror 126, which is designed to form at least two scanning beams 218 from the laser light 116.
  • the beam multiplier 216 images the scan beams 218 in the imaging plane 206 of the transmit and receive aperture 202.
  • the scanning beams 218 penetrate the beam splitter 200 and are transmitted and transmitted
  • Receive aperture 202 projected in a direction determined by the scan angle direction in a detection range of the laser scanner 100.
  • the scanning beams 218 can strike an object 220.
  • the scanning beams 118 are scattered and scattered laser light is received as a reflection 120 through the transmitting and receiving aperture 202.
  • the reflection 120 is respectively received from the same direction in which the scanning beams 218 are emitted.
  • the beam multiplier 216 is constructed as a matrix of beamforming elements.
  • each beam-shaping element generates a scanning beam 218 which differs slightly in angle from an adjacent scanning beam 218.
  • the scanning beams 218 diverge.
  • the laser light 116 always strikes at least two of the beam-shaping elements. Of the struck
  • Beamforming elements then go out a bunch of slightly divergent scanning beams 218.
  • the scan angle changes.
  • An impact point of the laser light 116 on the beam shaping unit 214 changes with the scanning angle.
  • the laser light 116 strikes at least one other beam-shaping element, while at least one of the previously taken beam-shaping elements is no longer hit.
  • the beam multiplier 216 also emits at least two scan beams 218, wherein the composition of the beam changes with the scan angle. In one embodiment, beam duplication becomes a single
  • Beam multiplier 216 The large beam is resolved over several pixels at the detector 134.
  • the beam multiplier 216 in the transmission path 102 is preceded by a Strahlerweiterer 222.
  • the emitter 222 expands the laser light 116 to obtain an enlarged beam cross section. Due to the enlarged beam cross section, a plurality of simultaneously emitted scanning beams 218 can be generated.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of an offset coaxial LIDAR with partial flash or zone flash.
  • a macroscanner can rotate in at least one axis
  • Receipt aperture also have a positive effect on the insensitivity to raindrops as well as dust particles and dirt particles.
  • these systems have a large size, a low frame rate and a low possible resolution in the non-rotating axis.
  • a coaxial scanner has a common transmitting and receiving optics.
  • the transmission path and the reception path are completely separated from each other.
  • the coaxial macro scanner system can be rotationally movable in the horizontal direction.
  • the vertical resolution can be achieved with a plurality of transmission sources.
  • Construction has a so-called parallax error.
  • microscanners systems can be referred to which the
  • microscanners are often referred to as solid-state systems. These systems are characterized by their relatively small design, high frame rates and compact beam deflections in horizontal and vertical directions, for example via a 2D micromirror. For this purpose, the maximum angular deflection with regard to the maximum possible scannable field of view and the possible beam expansion due to the mirror dimensions are limited. Furthermore, the eye safety and the robustness against contamination of the transmitting aperture or receiving aperture are reduced. Coaxial microscanners can ideally be realized on the detector side with only a single photodiode, which has a high potential
  • a microscanner can also be made coaxial with beam expansion based on micro-optics.
  • the beam expansion is for large
  • the large receiving aperture 202 causes a high range.
  • the coaxial beam path avoids parallax errors. There is a decoupling between the maximum required deflection angle of the mirror 110 and the maximum possible field of view (FoV) of the system. The deflection angle is minimal and the field of view is maximum. Several simultaneous measurements increase the measurement rate. Despite the coaxial beam path results in a very strong
  • the mirror element 110 embodied as a micromirror 110
  • its deflection angle can be kept to a minimum, and nevertheless a large field of view can be scanned.
  • the transmission beam 116 is widened for reasons of eye safety in order to realize larger measuring distances. This is before leaving the system using a matrix 216 or an array in a
  • Beams of single rays 218 translated, which allows a partial simultaneous illumination of the field of view by a so-called partial flash.
  • the reflected beam 120 is focused on the micromirror 110 and on a small detector array 134
  • the detector array 134 has at least the same number of pixels as rays 218 are emitted at the same time in the radiation beam.
  • both paths are largely decoupled from each other and can be optimized separately to the respective requirements. Due to this offset can also angular inaccuracies due to vibration or a
  • Hysterese the mirror element 110 or ⁇ -mirror are transformed into an axial transmission beam parallel displacement, which is reflected only in a loss of intensity but not in a change in angle of the scan angle. In previous systems result in small
  • the structure presented here leads to a compensation or tolerancing of angular deviations or uncertainties of the vibration-sensitive and vibration-sensitive ⁇ mirror 110.
  • movable deflection unit 110 leads.
  • a combination of a beam multiplication, a beam expansion and a division takes place.
  • a partial flash is achieved by the scan beam multiplication, which allows use of a SPAD detector array 134 and potentially to a
  • micro-optical elements quickly aberrations and unwanted
  • axis-parallel beam path is a very narrow-band optical filter used
  • the partially coaxial system or offset coaxial system is subdivided into a transmission path 102 and a reception path 104.
  • the transmission path 102 is offset parallel to the actual first optical axis.
  • the send side is Off-Axis and the receive side is On-Axis.
  • Receive path 104 is reflected by mirror combinations 204 deflected, focused on the micromirror 110 and projected onto the detector 134.
  • the center point or rotation point of the ⁇ mirror 110 represents the actual first optical axis with respect to the horizontal, which is used for the reception path 104.
  • the light source 122 such as a laser, is either collimated or focused onto the ⁇ -mirror 110 depending on the axial-parallel offset variant.
  • a telecentric lens 202 may be used to focus all converging beams in a plane 206.
  • the absolute parallel distance of the first optical axis to the transmission beam 116 or the second optical axis is uniquely determined by the ⁇ -mirror 110 deflection angle and the absolute offset of the two optical axes and is directly equidistant with each other.
  • a lens system can still be switched in order to ensure the correct assignment of the ⁇ -mirror angle to the offset.
  • the ⁇ -mirror 110 can be designed with very small dimensions, since ideally only one focal point is deflected.
  • the laser source 122 used may be shared for one or more LIDAR systems. For example, via a "switch" the transmitted light 124 of a powerful fiber laser 122 on several
  • Measuring systems are divided.
  • the transmission beam 116 is optionally expanded and / or multiplied or fanned, so that it runs parallel to the optical axis.
  • the transmission beam 116 can then be widened either conically or point-symmetrically or elliptically.
  • Expansion module 222 or the expansion component 222 is constructed as an array. Due to the significantly larger dimensions of the individual array elements with respect to the incident beam 116 and in the area angle,
  • Angular inaccuracy of the ⁇ -mirror 110 are transformed into an axial-parallel offset.
  • the downstream beam multiplication component 216 is likewise constructed as an array of at least the same size and can consist of the same number of array elements or macropixels as the component 222 of the beam expansion.
  • the pixels of the beam multiplier component 216 are aligned with the pixels of the beam expander component 222.
  • the beam expansion ensures uniform homogeneous illumination of the pixel.
  • the pixel can also be lit with some overlap. By means of this overlap, those generated by the ⁇ -mirror 110 can
  • the beam multiplication module acts on the exit side like a multiplicity of scattered or converging lenses and simultaneously generates the number n of divergent point light sources per array element, whereby a matrix of scanning beams 218 is fanned out.
  • the light sources are individually collimated via the common transmit and receive aperture 202 and respectively in
  • the scan beam diameter is larger compared to the original transmit beam 116 - in terms of
  • the beams 120 strike a beam splitter 200, for example 50/50 or
  • the detector array 134 has at least the size or resolution of the parallel-shot transmission beams 218.
  • All sequential transmission shots and thus received reflected radiation beams can, due to the overall system arrangement and the clear relationship of the ⁇ mirror angle to the image height of the respective reception beam matrix, be imaged on one and the same detector array 134.
  • FIG. 3 shows a representation of an angle amplifier 300 as part of a
  • Beam shaping unit 214 according to an embodiment.
  • Angle amplifier 300 is designed here as a light funnel 300 and can be installed, for example, in a laser scanner, as shown in FIG.
  • the light funnel 300 is a mirrored waveguide.
  • the waveguide has a square cross-section.
  • the cross section tapers from an input side 302 to an output side 304. Due to the taper, incident light 116 will become steeper in angles at the walls of the
  • a ⁇ -mirror angle gain takes place in order to realize a possibly space-related larger necessary axial displacement of the optical axes.
  • the angle amplification can be done for example by a light funnel 300 or pyramid-shaped hollow waveguide mirrors.
  • the reflection on the insides of the light funnel 300 has an effect on increasing the light exit angle ⁇ compared to the light entry angle ⁇ .
  • FIG. 4 shows a representation of a bi-focal lens 400 as a beam shaping unit 214 according to an exemplary embodiment.
  • the bi-focal lens 400 has an inner region 402 and an outer ring 404 enclosing the inner region 402.
  • the inner region 402 and the outer ring 404 have different focal lengths.
  • light rays falling through the inner region 402 are refracted less than light rays falling through the outer ring 404.
  • Bi-focus lenses 400 may be used in combination with a telescope assembly.
  • the edge region 404 for the transmission path is designed to be shorter in terms of combustion for a large angular deflection.
  • the center 402 is designed to be longer for the receiving path in order to reduce the diameter of the individual beams of the incident beam, whereby smaller dimensions of the detector can be achieved.
  • the angle gain can also be done by liquid lenses, which are switchable between two focus positions.
  • FIG. 5 shows an illustration of a Fresnel mirror 500 as deflection element 126 according to one exemplary embodiment.
  • a parabolic mirror surface in continuous design 502 and in a segmented design by means of parabolic partial mirror 504 is illustrated.
  • the partial mirrors 504 are arranged one above the other, with the specular
  • the laser light 116 penetrates the Fresnel mirror 500 and is inserted into the
  • the transmit-side axial-parallel offset can be set, for example, via off-axis parabolic mirror 502, step mirror 504 or a customized mirror "array" 504.
  • FIG. 6 shows a representation of a emitter 222 as part of a
  • Beam shaping unit 214 according to an embodiment.
  • Radiator 222 may be referred to as beam fanning array 222, and may be used as in FIG. 2, for example.
  • Beam fan-out array 222 is arranged in rows and columns
  • Each fan-out cell 600 has, for example, three partial areas 602, 604, 606. Each subarea 602, 604, 606 has a different light transmission.
  • the laser light 116 is incident on a rear side of the first portion 602 in a fan-out cell 600. In the first subregion, one third of the light is transmitted and two thirds of the light are reflected in a light guide 608 behind the subregions 602, 604, 606. In the second partial area 604, half of the remaining light is transmitted and the other half is reflected back into the optical waveguide 608. In the third subarea 606, all remaining light is transmitted from the light guide 608.
  • Mirror position can be achieved for example via a telescope, cylindrical lenses and / or prisms.
  • the prisms can be operated in total reflection, wherein the largest possible ⁇ -mirror angle inaccuracy can be compensated.
  • the beam expansion, multiplication or division can also be achieved by a combination of lenses and prisms.
  • Beam expansion, multiplication and / or division can also be constructed as an array.
  • FIG. 7 shows a representation of a beam multiplier 216 as part of a beam shaping unit 214 according to an exemplary embodiment.
  • Beam multiplier 216 may be referred to as scan beam array 216 and may be used as in FIG. 2, for example.
  • the scanning beam array 216 has beamforming elements 700 arranged in rows and columns. each
  • Beam-shaping element 700 is designed to generate a scanning beam from incident laser light. Thereby, neighboring ones differ
  • Laser light is so large that it falls on several of the beam-forming elements 700. Thus, more and more scan beams are generated.
  • nine scanning beams are simultaneously generated from an incident laser beam.
  • Impact point 702 may also be more beam-shaping elements within the impact point 702. If beamforming elements 700 are larger, fewer beamforming elements 700 may also be within the point of impact. When the impact point 702 travels on the scanning beam array 216 by a change in scanning angle, the laser light travels over the
  • Composition of the bundle of emitted scan beams with each change of scan angle Composition of the bundle of emitted scan beams with each change of scan angle.
  • the laser light source is pulsed. From pulse to pulse, the scanning angle is changed and the point of incidence 702 of the laser light travels on the beam multiplier 216. In this case, one and the same beam-shaping element 700 becomes continuous during a plurality of consecutive
  • each scan beam is generated three times. Thereby, the same point in space can be scanned three times in succession, whereby a measurement accuracy or reliability can be increased.
  • the detector of the laser scanner requires in the illustrated embodiment, only a matrix of 3x3 pixels, since the scan angle compensation each pixel can be assigned to exactly one scan beam.
  • Hiking the impingement point 702 via the scanning beam array 216 is assigned to the same scan beam a different pixel. So you can also measure with a defective pixel.
  • the beam multiplier 216 may be referred to as a scan beam multiplying module 216 and may include, for example, diffractive optical elements or holograms.
  • the scan-beam multiplication module may be implemented as an array matching the beam-widening array.
  • the module can also be realized by means of refractive and / or scattering elements.
  • the array 216 can have an optical element or hologram per ⁇ -mirror angular position.
  • FIG. 8 shows an illustration of a system for correcting the laser light orientation as part of a beam shaping unit 214 according to a Embodiment.
  • caused deflection of the laser light 116 can be corrected via such a system or the angle of incidence 118 are adapted to the scan angle 114.
  • FIG. 9 shows the illustration of a lens-plane mirror system as a deflection unit 126.
  • the scanning angle 114 of the divergent laser light 116 can be collimated by means of a lens 900, which is arranged focusing on the mirror element or its pivot point, and into equidistant parallel rays via a downstream plane mirror 902 be transferred to the transmission axis 128 and receiving axis 130.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserscanner (100), der einen Sendepfad (102) und einen von dem Sendepfad (102) zumindest bereichsweise räumlich getrennten Empfangspfad (104) aufweist. Der Sendepfad (102) und der Empfangspfad (104) treffen dabei aus unterschiedlichen Winkeln (106, 108) auf ein winkelbewegliches Spiegelelement (110) des Laserscanners (100). Eine Winkelstellung (112) des Spiegelelements (110) definiert im Sendepfad (102) einen Scanwinkel (114) eines Laserlichts (116) des Laserscanners (100). Im Empfangspfad (104) kompensiert die Winkelstellung (112) einen Einfallswinkel (118) einer Reflexion (120) des Laserlichts (116).

Description

Beschreibung
Laserscanner beispielsweise für ein LIDAR-System eines
Fahrerassistenzsystems
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Laserscanner für ein LIDAR-System, beispielsweise für ein Fahrerassistenzsystem.
Stand der Technik
Ein LIDAR-System kann unter Verwendung eines Laserscanners eine Szenerie optisch abtasten. Dabei wird von dem Laserscanner ein Laserstrahl mit in zumindest einer Achse veränderbarem Scanwinkel in einen Erfassungsbereich ausgesendet. Der Laserstrahl wird an Objekten in dem Erfassungsbereich reflektiert. Basierend auf einem Scanwinkel und einer Laufzeit des Laserstrahls und seiner Reflexion kann das LIDAR-System eine Entfernung und eine Richtung zu dem Objekt berechnen. Dies kann beispielsweise für ein
Fahrerassistenzsystem in einem Kraftfahrzeug genutzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Laserscanner gemäß dem Hauptanspruch vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Es wird ein Laserscanner vorgestellt, der einen Sendepfad und einen von dem Sendepfad zumindest bereichsweise räumlich getrennten Empfangspfad aufweist und der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Sendepfad und der Empfangspfad aus unterschiedlichen Winkeln auf ein winkelbewegliches Spiegelelement des Laserscanners treffen. Eine Winkelstellung des
Spiegelelements definiert dabei im Sendepfad einen Scanwinkel eines
Laserlichts des Laserscanners. Im Empfangspfad kompensiert die Winkelstellung einen Einfallswinkel einer Reflexion des Laserlichts.
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Bei einem Laserscanner wird zumindest ein Laserstrahl durch eine Optik in einen Erfassungsbereich des Laserscanners gelenkt. Über die Zeit wird ein Winkel des Laserstrahls in zumindest einer Raumrichtung verändert, um den
Erfassungsbereich in vielen aufeinander abfolgenden Messungen abzutasten. Wenn der Laserstrahl auf ein Objekt, wie beispielsweise einen Gegenstand in dem Erfassungsbereich oder den Boden trifft, wird das Laserlicht des
Laserstrahls an dem Objekt gestreut. Ein Teil des gestreuten Laserlichts wird in Richtung des Laserscanners zurückgeworfen. Das zurückgeworfene gestreute Laserlicht wird durch eine Optik des Laserscanners auf einen Detektor des Laserscanners gelenkt.
Das aus einer Laserquelle stammende gerichtete Laserlicht mit seinen bekannten und kontrollierbaren Eigenschaften verhält sich anders, als das von einem Objekt zurückgeworfene Laserlicht. Für beide Arten Laserlicht können jeweils optimierte Optiken und/oder Filter verwendet werden, um eine gute Erfassungsleistung des Laserscanners zu erreichen. Für unterschiedliche Optiken und/oder Filter kann ein Laserscanner mit zwei getrennten Pfaden für das Laserlicht verwendet werden.
Um den Erfassungsbereich abzutasten, wird dem gerichteten Laserlicht beim Senden ein Abstrahlwinkel eingeprägt. Das Laserlicht wird also in einer bestimmten Richtung abgestrahlt und kann auf ein in der Richtung zu dem Laserscanner angeordnetes Objekt treffen. Das von dem Objekt
zurückgeworfene Laserlicht kommt am Laserscanner wieder aus der Richtung an. Beim Empfangen kann ein Einfallswinkel des zurückgeworfenen Laserlichts kompensiert werden, um das zurückgeworfene Laserlicht auf den Detektor auszurichten und einen einfachen, nicht bildgebenden Detektortyp mit minimalen Abmessungen verwenden zu können, der auch kostengünstig ist. Für das Einprägen des Abstrahlwinkels und das Kompensieren des Einfallswinkels kann das gleiche Ablenkelement verwendet werden, da der einzuprägende
Abstrahlwinkel und der zu kompensierende Einfallswinkel den gleichen Betrag aufweisen. Wenn die Winkel über dasselbe Ablenkelement eingeprägt und wieder kompensiert werden, kann zum Senden und Empfangen derselbe optische Pfad verwendet werden.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden getrennte Pfade für das gerichtete Laserlicht und das gestreute Laserlicht verwendet, wobei die beiden Pfade auf dem gleichen Ablenkelement aus unterschiedlichen Richtungen
zusammentreffen, um den Abstrahlwinkel einzuprägen und den Einfallswinkel zu kompensieren.
Unter einem Sendepfad kann ein optischer Pfad beziehungsweise Weg verstanden werden, der dazu optimiert ist, das gerichtete Laserlicht von der Laserlichtquelle in den Erfassungsbereich des Laserscanners zu lenken. Ein Empfangspfad kann ein optischer Pfad beziehungsweise Weg sein, der dazu optimiert ist, das gestreute Laserlicht aus dem Erfassungsbereich zu dem Detektor des Laserscanners zu transportieren. Ein Spiegelelement kann ein Mikrospiegel sein. Das Spiegelelement kann um einen Drehpunkt drehbar gelagert sein, in dem sich der Sendepfad und der Empfangspfad schneiden. Der Drehpunkt kann in einer Spiegelebene des Spiegelelements liegen. Das
Spiegelelement kann in einer oder zwei Achsen winkelbeweglich sein. Das Spiegelelement kann ein frontreflektierender Spiegel sein.
Vorteile der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, spezifisch auf das gerichtete Laserlicht beziehungsweise auf das gestreute Laserlicht abgestimmte Filter in den jeweiligen Pfaden zu verwenden. Durch das Kompensieren des Einfallswinkels des gestreuten Laserlichts kann ein nicht bildgebender einfacher Detektor verwendet werden, da das
zurückgeworfene Laserlicht immer auf den gleichen Bereich des Detektors gelenkt wird. Eine Größe von Sensorpixeln des Detektors wird dabei nicht durch eine optische Auflösung des Detektors eingeschränkt, was zu einer hohen Empfindlichkeit des Detektors führt.
Im Empfangspfad können ein telezentrisches Objektiv und eine Abbildungsoptik angeordnet sein. Eine Abbildungsebene des Objektivs kann in einer Eingangsebene der Abbildungsoptik angeordnet sein. Die Abbildungsoptik kann auf das Spiegelelement fokussiert sein. In einer Abbildungsebene kann ein Bild des Erfassungsbereichs des Laserscanners projiziert werden. Das Bild kann von der Abbildungsoptik auf das Spiegelelement fokussiert werden. Das
Spiegelelement kann einen Bildbereich des Bilds, in den das gerichtete Laserlicht gelenkt wird auf den Detektor lenken.
Der Sendepfad und der Empfangspfad können zumindest Bereichsweise parallel verlaufende optische Achsen aufweisen. Im Sendepfad und/oder im
Empfangspfad kann zumindest ein Ablenkelement angeordnet sein, um die jeweilige optische Achse auf das Spiegelelement abzulenken. Das
Ablenkelement kann feststehend sein. Das Ablenkelement kann beispielsweise ein Spiegel sein. Das Ablenkelement lenkt den jeweiligen Pfad in Richtung des Spiegelelements ab.
Im Sendepfad kann ein auf das Spiegelelement fokussierendes Ablenkelement angeordnet sein. Das fokussierende Ablenkelement kann dazu ausgebildet sein, den Scanwinkel des Laserlichts in einen lateralen Versatz zu der optischen Achse umzuwandeln. Das Ablenkelement kann eine Kombination aus einer Linse und einem Planspiegel sein. Das Ablenkelement kann auch ein durchgehender Hohlspiegel sein. Ebenso kann das Ablenkelement eine Matrix aus
Einzelspiegeln sein. Dabei kann das Ablenkelement für jede Winkelstellung des Spiegelelements einen Einzelspiegel aufweisen. Die Einzelspiegel können je einen Teilbereich einer Ablenkoberfläche ausbilden. Die Einzelspiegel können in Form eines Fresnel-Spiegels angeordnet sein.
Das fokussierende Ablenkelement kann als zumindest ein Teilabschnitt eines Parabolspiegels ausgebildet sein, um den Scanwinkel in einen parallelen lateralen Versatz zu der optischen Achse umzuwandeln. Durch einen
Parabolspiegel wird eine sphärische Aberration beim Ablenken des Laserlichts vermieden. Der Parabolspiegel ist dazu ausgebildet, ein paralleles
Strahlenbündel auf einen einzigen Brennpunkt zu konzentrieren. Die
Nichtlinearität der Parabolfläche kann im Empfangspad durch eine zusätzliche nichtlineare Freiformfläche kompensiert werden, um wiederum ortsfest abzubilden.
Das fokussierende Ablenkelement kann ebenfalls als eine Kombination aus einer Abbildungsoptik beziehungsweise einer optischen Linse und einem Planspiegel ausgebildet sein, um den Scanwinkel in einen parallelen lateralen Versatz zu der optischen Achse umzuwandeln. Die Abbildungsoptik ist wiederum so angeordnet, dass sie fokussierend auf das Spiegelelement wirkt.
Der Scanwinkel kann einen Auftreffpunkt des Laserlichts auf einer
Strahlformungseinheit des Laserscanners definieren. Die Strahlformungseinheit kann dazu ausgebildet sein, das von dem Laserscanner emittierte Laserlicht in Abhängigkeit von dem Auftreffpunkt zu formen. Die Strahlformungseinheit kann ergänzend dazu ausgebildet sein, den Scanwinkel zu verstärken. Dadurch kann ein größerer Winkelbereich durch das Laserlicht erreicht werden, als nur durch einen Schwenkbereich des Spiegelelements. Die Strahlformungseinheit kann alternativ oder ergänzend dazu ausgebildet sein, das Laserlicht aufzuweiten. Durch aufgeweitetes Laserlicht kann der Laserscanner robust gegen
Verschmutzungen im Sendepfad sein und zusätzlich eine höhere
Augensicherheit bei größeren Messdistanzen erreichen.
Die Strahlformungseinheit kann ebenfalls ergänzend dazu ausgebildet sein, den Scanstrahl hinsichtlich seiner Orientierung, aufgrund der Spiegelung an der Ablenkeinheit, zu korrigieren.
Ein ähnlich aufgebautes Element zur Orientierungskorrektur des zu leitenden Strahles kann zusätzlich in den Empfangspad integriert werden, um dort ebenfalls die durch die Spiegelung hervorgerufene Orientierung zu korrigieren.
Die Strahlformungseinheit kann eine Matrix aus Strahlformungselementen aufweisen. Jedes Strahlformungselement kann dazu ausgebildet sein, einen Scanstrahl mit einem festen Raumwinkel zu formen, wenn das Laserlicht auf das Strahlformungselement fällt. Die Strahlformungselemente können als diffraktive optische Elemente ausgeführt sein. Ein diffraktives optisches Element kann beispielsweise ein Hologramm sein. Das diffraktive optische Element kann auch durch eine Mikrostruktur des Strahlformungselements ausgebildet sein. Ebenso können die Strahlformungselemente als Mikrolinsen ausgebildet sein. Die Strahlformungselemente können prinzipiell so aufgebaut werden, dass es aus optisch beugenden, brechenden oder auch streuenden Komponenten/Elementen bestehen.
Die Strahlformungseinheit kann zumindest ein Linsensystem aufweisen, das dazu ausgebildet ist, eine Orientierung des Laserlichts aufgrund der Spiegelung am Ablenkelement zu korrigieren, um eine ortsfeste Abbildung detektorseitig zu erzeugen.
Die Strahlformungseinheit kann dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit von dem Auftreffpunkt aus dem Laserlicht je zumindest zwei divergierende Scanstrahlen zu formen. Dazu kann die Strahlformungseinheit im Bereich des jeweiligen Auftreffpunkts zumindest zwei optische Funktionen aufweisen, um die zumindest zwei Scanstrahlen zu erzeugen. Eine optische Funktion kann in einem
diffraktiven optischen Element gespeichert sein.
Ein Detektor des Laserscanners kann Detektorelemente aufweisen. Dabei kann eine Anzahl der Detektorelemente mindestens einer Anzahl der simultan emittierten Scanstrahlen entsprechen. So kann jede Reflexion eines Scanstrahls durch ein eigenes Detektorelement erfasst werden. Ein Detektorelement kann dabei einen oder mehrere Pixel umfassen.
Der Laserscanner kann eine im Sendepfad und im Empfangspfad angeordnete Sende- und Empfangsapertur zum koaxialen Senden des Laserlichts und Empfangen der Reflexion aufweisen. Zwischen der Sende- und Empfangsapertur und dem Spiegelelement kann ein Strahlteiler zum Leiten der Reflexion oder des Laserlichts in den Empfangspfad angeordnet sein. Die Empfangsapertur kann ein Objektiv sein. Durch eine gemeinsame Sende- und Empfangsapertur kann ein Parallaxenfehler verhindert werden, da das Laserlicht am gleichen Punkt empfangen wird, wie es gesendet wird. Ein Strahlteiler kann beispielsweise ein teildurchlässiger oder auch polarisierend wirkender Spiegel sein.
Der hier vorgestellte Ansatz kann beispielsweise für ein Automotive LI DAR, im Consumer-Bereich, im Bauwesen, im Handwerkerbereich, bei Zügen, bei Drohnen, in der Industrie, beispielsweise in der Automatisierungstechnik und in der Fertigungsumgebung verwendet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen insbesondere mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Laserscanner
beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners mit bereichsweise räumlich voneinander getrenntem Sendepfad und Empfangspfad gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines Lichttrichters als Teil einer
Strahlformungseinheit für einen Laserscanner gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer Bi-Fokallinse als Teil einer
Strahlformungseinheit für einen Laserscanner gemäß eines
Ausführungsbeispiels;
Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Parabolspiegels und eines Fresnel-Spiegels als Ablenkelement für einen Laserscanner gemäß eines Ausführungsbeispiels;
Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines Strahlauffächerungsarrays als Teil einer Strahlformungseinheit für einen Laserscanner gemäß eines
Ausführungsbeispiels;
Fig. 7 zeigt eine Darstellung eines Scanstrahlarrays als Teil einer
Strahlformungseinheit für einen Laserscanner gemäß eines
Ausführungsbeispiels;
Fig. 8 zeigt eine Darstellung eines Linsensystems als Teil einer
Strahlformungseinheit zur Korrektur der Sendestrahlorientierung gemäß eines Ausführungsbeispiels; und Fig. 9 zeigt eine Darstellung eines Systems/ einer Kombination aus
Abbildungslinse und Planspiegel als Ablenkelement für einen Laserscanner gemäß eines Ausführungsbeispiels. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende
Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners 100 gemäß eines
Ausführungsbeispiels. Der Laserscanner 100 weist einen Sendepfad 102 und einen zumindest bereichsweise räumlich von dem Sendepfad 102 getrennten Empfangspfad 104 auf. Der Sendepfad 102 und der Empfangspfad 104 treffen aus unterschiedlichen Winkeln 106, 108 auf ein winkelbewegliches
Spiegelelement 110 des Laserscanners 100. Eine Winkelstellung 112 des Spiegelelements 110 definiert dabei im Sendepfad 102 einen Scanwinkel 114 eines Laserlichts 116 des Laserscanners 100. Im Empfangspfad 104
kompensiert die Winkelstellung 112 einen Einfallswinkel 118 einer Reflexion 120 des Laserlichts 116.
Das Laserlicht 116 wird von mindestens einer Laserlichtquelle 122 des
Laserscanners 100 als mindestens eines Laserstrahls 124 emittiert, trifft auf das Spiegelelement 110, wird seitlich entsprechend des Scanwinkels 114 abgelenkt und über ein feststehendes Ablenkelement 126 in Richtung bzw. parallel einer optischen Sendeachse 128 des Laserscanners 100 abgelenkt. Das
Ablenkelement 126 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Planspiegel. Die Sendeachse 128 ist eine konstruktive Mittelachse des Sendepfads 102.
Der Laserscanner 100 ist hier biaxial aufgebaut. Daher ist eine optische
Empfangsachse 130 des Laserscanners 100 parallel zu der Sendeachse 128 versetzt. Die Empfangsachse 130 ist eine konstruktive Mittelachse des
Empfangspfads 104. Licht aus Richtung der Empfangsachse 130 wird durch eine Empfangsoptik 132 des Laserscanners 100 auf das Spiegelelement 110 fokussiert. Durch die Winkelstellung 112 wird der Einfallswinkel 118 der Reflexion 120 kompensiert und die Reflexion 120 auf einen Detektor 134 des
Laserscanners 100 gelenkt. Das Spiegelelement 110 ist in zumindest einer Achse winkelbeweglich und wird von einer Antriebseinheit 136 des Laserscanners 100 angetrieben. In einem Ausführungsbeispiel ist das Spiegelelement 110 um einen in einer Spiegelebene 138 des Spiegelelements 110 angeordneten Drehpunkt 140 drehbar gelagert.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners 100 mit bereichsweise räumlich voneinander getrenntem Sendepfad 102 und Empfangspfad 104 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Der Laserscanner 100 entspricht dabei im
Wesentlichen der Darstellung in Fig. 1. Zusätzlich dazu ist hier ein Strahlteiler
200 im Sendepfad 102 und im Empfangspfad 104 angeordnet. Der Strahlteiler 200 ist zwischen einer gemeinsamen Sende- und Empfangsapertur 202 und dem Spiegelelement 110 angeordnet. Der Strahlteiler 200 lenkt das gestreute
Laserlicht der Reflexion 120 seitlich ab und lenkt es über einen Umlenkspiegel 204 in den räumlich vom Sendepfad 102 getrennten Empfangspfad 104. Die
Sende- und Empfangsapertur 202 ist hier als telezentrisches Objektiv 202 ausgebildet. Eine Abbildungsebene 206 des telezentrischen Objektivs 202 ist in einer Eingangsebene 208 einer Abbildungsoptik 210 des Empfangspfads 104 angeordnet. Diese Abbildungsebene 206 kann vor oder nach dem Umlenkspiegel 204 angeordnet sein. Die reflektierten Strahlen 120 können in dieser Ebene durch eine optische Komponente der Abbildungsoptik 210 wiederum in kollimierte Teilstrahlen transformiert werden. Die Abbildungsoptik 210 fokussiert das in der Abbildungsebene 206 abgebildete Abbild der Reflexion 120 auf das Spiegelelement 110. In die Abbildungsoptik 210 kann wiederum ein Teil einer Strahlformeinheit zur Korrektur der Strahlorientierung integriert werden.
Nach der Winkelkorrektur durch die Winkelstellung des Spiegelelements 110 fällt das Abbild der Reflexion auf den Detektor 134. Zwischen dem Detektor 134 und dem Spiegelelement 110 ist eine Kollimationsoptik 212 angeordnet. Direkt vor dem Detektor 134 können die einfallenden Strahlen zusätzlich über ein μ-Linsen-
Array auf den Detektor fokussiert werden, was den Füllfaktor des Detektors erhöht, sowie eine zusätzliche Robustheit hinsichtlich Vibrationen und/oder Winkeltoleranzen erhöht. Eine weitere Erhöhung der Robustheit gegenüber Winkeltoleranzen kann über einen Vorhalt bzw. eine geringfügige Vergrößerung z.B. Faktor 1,5 der
Detektorabmaße realisiert werden. Hierdurch ist auch bei leicht abweichenden Winkelstellungen eine Abbildung auf dem Detektor gewährleistet. Das Ablenkelement 126 ist hier als Teilfläche eines Parabolspiegels ausgebildet. Ein Brennpunkt des Parabolspiegels 126 liegt in der Spiegelebene 138 des Spiegelelements 110. Der Parabolspiegel 126 ist dazu ausgebildet, das unter verschiedenen Winkeln aus dem Brennpunkt einfallende Laserlicht 116 in paralleles Laserlicht umzuwandeln. Mit anderen Worten wandelt der
Parabolspiegel 126 den Scanwinkel in einen lateralen Versatz um.
Das Laserlicht 116 trifft in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nach dem Parabolspiegel 126 auf eine Strahlformungseinheit 214. Ein Teil der
Strahlformungseinheit 214 kann auch zwischen dem Spiegelelement 110 und dem Ablenkelement 126 angeordnet sein. Beispielsweise kann zwischen dem Spiegelelement 110 und dem Ablenkelement 126 ein Winkelverstärker angeordnet sein, der den Scanwinkel proportional verstärkt. Hier weist die Strahlformungseinheit 214 einen dem Parabolspiegel 126 nachgelagerten Strahlvervielfältiger 216 auf, der dazu ausgebildet ist, aus dem Laserlicht 116 zumindest zwei Scanstrahlen 218 zu formen.
Der Strahlvervielfältiger 216 bildet die Scanstrahlen 218 in der Abbildungsebene 206 der Sende- und Empfangsapertur 202 ab. ist Die Scanstrahlen 218 durchdringen den Strahlteiler 200 und werden von der Sende- und
Empfangsapertur 202 mit einer durch den Scanwinkel bestimmten Richtung in einen Erfassungsbereich des Laserscanners 100 projiziert. Im Erfassungsbereich können die Scanstrahlen 218 auf ein Objekt 220 treffen. Am Objekt 220 werden die Scanstrahlen 118 gestreut und gestreutes Laserlicht wird als Reflexion 120 durch die Sende- und Empfangsapertur 202 empfangen. Die Reflexion 120 wird jeweils aus der gleichen Richtung empfangen, in welche die Scanstrahlen 218 emittiert werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Strahlvervielfältiger 216 als Matrix beziehungsweise Array aus Strahlformungselementen aufgebaut. Dabei erzeugt jedes Strahlformungselement einen Scanstrahl 218, der sich im Winkel geringfügig von einem benachbarten Scanstrahl 218 unterscheidet. Dadurch divergieren die Scanstrahlen 218. Das Laserlicht 116 trifft immer zumindest auf zwei der Strahlformungselemente. Von den getroffenen
Strahlformungselementen geht dann ein Bündel geringfügig divergierender Scanstrahlen 218 aus. Wenn sich die Winkelstellung des Spiegelelements 110 ändert, ändert sich der Scanwinkel. Ein Auftreffpunkt des Laserlichts 116 auf der Strahlformungseinheit 214 ändert sich mit dem Scanwinkel. Dadurch trifft das Laserlicht 116 auf zumindest ein anderes Strahlformungselement, während zumindest eines der vorhergehend getroffenen Strahlformungselemente nicht mehr getroffen wird.
Der Strahlvervielfältiger 216 emittiert weiterhin zumindest zwei Scanstrahlen 218, wobei sich die Zusammensetzung des Strahlenbündels mit dem Scanwinkel verändert. In einem Ausführungsbeispiel wird zur Strahlvervielfältigung ein einzelner
Scanstrahl mit großem Durchmesser pro Winkelstellung erzeugt. Die Auflösung wird dabei lediglich durch den Detektor 134 realisiert, anstatt über den
Strahlvervielfältiger 216. Dabei wird der große Strahl über mehrere Pixel am Detektor 134 aufgelöst.
In einem Ausführungsbeispiel ist dem Strahlvervielfältiger 216 im Sendepfad 102 ein Strahlerweiterer 222 vorgeschaltet. Der Strahlerweiterer 222 weitet das Laserlicht 116 auf, um einen vergrößerten Strahlquerschnitt zu erhalten. Durch den vergrößerten Strahlquerschnitt kann eine Vielzahl an gleichzeitig emittierten Scanstrahlen 218 erzeugt werden.
Mit anderen Worten zeigt Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Offset- Koaxial LIDARs mit Teil-Flash beziehungsweise Zone-Flash. Ein Makroscanner kann ein in mindestens einer Achse rotierend bewegliches
System sein. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise horizontale
Auflösungen von bis zu 360° realisieren. Durch große Sendeaperturen beziehungsweise Empfangsaperturen sind sowohl ein hohes Maß an
Augensicherheit als auch eine sehr hohe Reichweite beziehungsweise
Messdistanz erzielbar. Große Abmessungen von Sendeapertur und
Empfangsapertur wirken sich ebenfalls positiv auf die Unempfindlichkeit gegen Regentropfen sowie Staubpartikel und Schmutzpartikel aus. Dafür weisen diese Systeme eine große Baugröße, eine geringe Framerate sowie eine geringe mögliche Auflösung in der nicht rotierenden Achse auf.
Ein koaxialer Scanner weist eine gemeinsame Sende- und Empfangsoptik auf. Bei einem biaxialen System sind der Sendepfad sowie der Empfangspfad komplett voneinander getrennt aufgebaut. Das koaxiale Makroscanner System kann in horizontaler Richtung rotierend beweglich sein. Die vertikale Auflösung kann mit einer Mehrzahl von Sendequellen erreicht werden. Die biaxiale
Bauweise weist einen sogenannten Parallaxenfehler auf. Als Mikroscanner können Systeme bezeichnet werden, welche die
Sendestrahlablenkung mittels eines sich alternierend bewegenden Mikrospiegels realisieren. Da bei dieser Bauart von Laser-Scannern lediglich ein sehr kleiner Mikrospiegel bewegt wird, werden Mikroscanner oftmals als Solid-State Systeme bezeichnet. Diese Systeme zeichnen sich durch ihre relativ kleine Bauform, hohe Frameraten und kompakt realisierbaren Strahlablenkungen in horizontaler sowie vertikaler Richtung, beispielsweise über einen 2D-Mikrospiegel aus. Dafür sind die maximale Winkelauslenkung hinsichtlich des maximal möglich scanbaren Sichtfelds und die mögliche Strahlaufweitung aufgrund der Spiegel- Abmessungen begrenzt. Weiterhin sind die Augensicherheit und die Robustheit gegen Verschmutzung der Sendeapertur beziehungsweise Empfangsapertur reduziert. Koaxiale Mikroscanner können im Idealfall detektorseitig mit lediglich einer einzigen Fotodiode realisiert werden, was ein hohes Potential an
Kostenersparnis durch die geringere Detektorfläche ermöglicht. Dies ist aufgrund der für jeden Scanpunkt eindeutigen Spiegelstellung möglich. Bei biaxialen Systemen ist die Auflösung mittels eines Detektorarrays zu bewerkstelligen, welches das gesamte abzuscannende Sichtfeld eindeutig je Messpunkt zuordenbar macht.
Ein Mikroscanner kann auch koaxial mit einer Strahlaufweitung basierend auf Mikrooptik ausgeführt werden. Die Strahlaufweitung ist dabei für große
Messdistanzen ausreichend, ohne gleichzeitig den Scanwinkel des Sendestrahls zu reduzieren und bietet genügende Augensicherheit. Durch die Verwendung mikrooptischer Elemente kann dabei die allgemeine Problematik der
Gegenläufigkeit von Strahlaufweitung und Ablenkwinkel umgangen werden.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden makroskopisch bewegliche Bauteile vermieden, da kein rotierendes System vorhanden ist und eine kleine Bauform beispielsweise durch μ-Spiegel verwendet wird. So wird eine hohe mechanische Robustheit erreicht. Die große Sendeapertur 202 bewirkt bei dem hier vorgestellten Laserscanner 100 eine hohe Augensicherheit und eine hohe
Robustheit gegen Partikel, Staub und Dreck. Die große Empfangsapertur 202 bewirkt eine hohe Reichweite. Durch den koaxialen Strahlengang werden Parallaxenfehler vermieden. Es erfolgt eine Entkopplung zwischen dem maximal erforderlichen Auslenkwinkel des Spiegels 110 und dem maximal möglichem Sichtfeld (FoV) des Systems. Dabei ist der Auslenkwinkel minimal und das Sichtfeld maximal. Durch mehrere gleichzeitige Messungen wird die Messrate erhöht. Trotz des koaxialen Strahlengangs ergibt sich eine sehr starke
Entkopplung der Sendeseite zur Empfangsseite bei gleichzeitiger minimaler Detektorfläche.
Durch den hier vorgestellten Systemansatz mit dem als Mikrospiegel 110 ausgeführten Spiegelelement 110 kann dessen Ablenkwinkel minimal gehalten werden und trotzdem kann ein großes Sichtfeld abgescannt werden. Dabei wird der Sendestrahl 116 aus Augensicherheitsgründen aufgeweitet, um größere Messdistanzen zu realisieren. Dieser wird vor Verlassen des Systems unter Verwendung einer Matrix 216 beziehungsweise eines Arrays in ein
Strahlenbündel aus einzelnen Strahlen 218 übersetzt, was eine teilweise simultane Ausleuchtung des Sichtfelds durch einen sogenannten Teil-Flash ermöglicht. Empfangsseitig wird das reflektierte Strahlenbündel 120 auf den Mikrospiegel 110 fokussiert und auf einem kleinen Detektorarray 134
beziehungsweise einer Detektormatrix aufgelöst. Dabei weist das Detektorarray 134 mindestens die gleiche Pixel-Anzahl auf, wie zeitgleich im Strahlenbündel Strahlen 218 ausgesendet werden.
Über den Parallelversatz zwischen dem Sendepfad 102 und dem Empfangspfad 104 sind beide Pfade größtenteils von einander entkoppelt und lassen sich separat auf die jeweiligen Erfordernisse optimieren. Aufgrund dieses Versatzes können zusätzlich Winkelungenauigkeiten durch Vibrationen oder ein
Hystereseverhalten des Spiegelelements 110 beziehungsweise μ-Spiegels in eine axiale Sendestrahlparallelverschiebung transformiert werden, was sich lediglich in einem Intensitätsverlust aber nicht in einer Winkeländerung des Scanwinkels niederschlägt. Bei bisherigen Systemen resultieren kleine
Winkeländerungen am μ-Spiegel in signifikanten Winkelabweichungen für großen Messdistanzen.
Durch die Entkopplung des Sendepfads 102 und des Empfangspfads 104 ist eine separate Optimierung möglich. Gleichzeitig wird über den Koaxial-Ansatz eine sendeseitige Strahlaufweitung und eine empfangsseitige Kollimierung erreicht. Durch die sendeseitige Strahlaufweitung und die empfangsseitiger Fokussierung auf den μ-Spiegel 110 sind eine sehr große Sendeapertur 202 und eine sehr große Empfangsapertur 202 möglich. Da die notwendige detektorseitiger Auflösung nur proportional zur Anzahl parallel geschossener Scanpunkte im Feld ist, ist eine kleine Detektorgröße möglich. Bei bisherigen biaxialen Systemen ist eine direkte Korrelation zwischen der Detektorgröße und dem möglichen
Sichtfeld beziehungsweise FoV gesetzmäßig. Durch das koaxiale Abstrahlen und Empfangen weist der hier vorgestellte Laserscanner 100 keinen Parallaxenfehler auf.
Der hier vorgestellte Aufbau führt zu einer Kompensation beziehungsweise Tolerierung von Winkelabweichungen beziehungsweise Unsicherheiten des vibrationsempfindlichen und erschütterungsempfindlichen μ-Spiegels 110.
Winkelabweichungen resultieren nur in einem parallelem Axial-Versatz und einem geringen sendeseitigem Intensitätsverlust. Es ergeben sich definierte Scan-Strahlpositionen im Field of View (FoV) durch eine quasi statische
Feldabtastung. Es ist eine sehr geringe Auslenkung des μ-Spiegels 110 notwendig, was zu einer verringerten mechanischen Belastung für die
bewegliche Ablenkeinheit 110 führt.
Im Sendepfad 102 erfolgt in einem Ausführungsbeispiel eine Kombination aus einer Strahlvervielfachung, einer Strahlaufweitung und einer Aufteilung. Dabei wird durch die Scan-Strahl-Multiplikation ein Teilflash erreicht, was einen Einsatz eines SPAD Detektorarrays 134 ermöglicht und potentiell zu einer
Kostenersparnis führt. Weiterhin ist durch den Teilflash eine hohe Bildrate möglich.
Es ist keine hochgenaue Fokussierung und Positionierung auf mikrooptische Elemente notwendig. Durch Vibrationen des μ-Spiegels können bei
mikrooptischen Elementen schnell Aberrationen und ungewünschte
Beugungseffekte auftreten. Aufgrund der konstruktiven Auslegung mit empfängerseitig kollimiert
achsparallelem Strahlengang ist ein sehr schmalbandiges optisches Filter einsetzbar
Im Folgenden wird das teilkoaxiale System beziehungsweise Offset- Koaxiale System unterteilt in einen Sendepfad 102 und einen Empfangspfad 104 beschrieben. Der Sendepfad 102 ist zu der eigentlichen ersten optischen Achse parallel versetzt. Dabei ist die Sendeseite Off-Axis und die Empfangsseite ist On- Axis. Der Empfangspfad 104 wird über Spiegelkombinationen 204 wieder zurückgelenkt, auf den Mikrospiegel 110 fokussiert und auf den Detektor 134 projiziert.
Der Mittelpunkt beziehungsweise Rotationspunkt des μ-Spiegels 110 stellt bezüglich der Horizontalen die eigentliche erste optische Achse dar, welche für den Empfangspfad 104 verwendet wird.
Die Lichtquelle 122, wie beispielsweise ein Laser, wird je nach Axial-Parallel- Versatz Variante entweder auf den μ-Spiegel 110 kollimiert oder fokussiert.
Bei dem Linsensystem 202 für Sendepfad 102 und Empfangspfad 104 kann ein telezentrisches Objektiv 202 verwendet werden, damit sämtliche konvergierende Strahlen in einer Ebene 206 fokussiert werden. Der absolute Parallelabstand der ersten optischen Achse zum Sendestrahl 116 beziehungsweise der zweiten optischen Achse ist über den μ-Spiegel 110 Ablenkwinkel und den absoluten Offset der beiden optischen Achsen eindeutig zueinander bestimmt und hängt direkt äquidistant miteinander zusammen.
Je nach verwendeter Variante des Axial-Parallel Versatzes kann noch ein Linsensystem geschaltet werden, um die korrekte Zuordnung des μ-Spiegel Winkels zum Offset zu gewährleisten.
Der μ-Spiegel 110 kann mit sehr kleinen Abmessungen ausgelegt werden, da Idealfall lediglich ein Fokuspunkt abgelenkt wird.
Die verwendete Laserquelle 122 kann für ein oder mehrere LIDAR-Systeme gemeinsam verwendet werden. Zum Beispiel kann über einen„Switch" das Sendelicht 124 eines leistungsfähigen Faserlasers 122 auf mehrere
Messsysteme aufgeteilt werden.
Anhand des Ablenkwinkels des μ-Spiegels 110 und des jeweiligen Axial- Versatzes wird eine Parallelverschiebung der sendeseitigen optischen Achse realisiert. Der Sendestrahl 116 wird optional aufgeweitet und/oder vervielfältigt beziehungsweise aufgefächert, sodass er parallel zur optischen Achse verläuft.
Dies geschieht über mehrere mögliche Varianten. Der Sendestrahl 116 kann dann entweder kegelförmig beziehungsweise punktsymmetrisch oder auch elliptisch aufgeweitet werden. Das
Aufweitungsmodul 222 beziehungsweise die Aufweitungskomponente 222 ist als Array aufgebaut. Aufgrund der deutlich größeren Abmessungen der einzelnen Arrayelemente bezüglich des eintreffenden Strahls 116 und der in Flächenwinkel,
Neigung etc. an den Sendestrahl 116 angepassten Geometrie, kann eine
Winkelungenauigkeit des μ-Spiegels 110 in einen Axial-Parallel Versatz transformiert werden.
Die nachgeschaltete Strahl-Multiplikationskomponente 216 ist ebenfalls als Array mindestens gleicher Größe aufgebaut und kann aus der gleichen Anzahl an Arrayelementen beziehungsweise Makropixel bestehen, wie die Komponente 222 der Strahlaufweitung. Die Pixel der Strahl-Multiplikationskomponente 216 sind zu den Pixeln der Strahl-Aufweitungskomponente 222 ausgerichtet. Die Strahlaufweitung sorgt dabei für gleichmäßiges homogenes Ausleuchten des Pixels. Das Pixel kann auch mit etwas Überlapp ausgeleuchtet werden. Mittels dieses Überlapps können die vom μ-Spiegel 110 generierten
Winkelungenauigkeiten kompensiert und von der eigentlichen Scan-Strahl Position im Feld entkoppelt werden. Bei einem außermittigen Auftreffen resultiert nur ein Intensitätsverlust. Das Modul Strahl-Multiplikation wirkt lichtaustrittseitig wie eine Vielzahl an Streu- bzw. Sammellinsen und generiert simultan die Anzahl n divergenter Punktlichtquellen je Arrayelement, wodurch eine Matrix an Scan- Strahlen 218 aufgefächert wird. Die Lichtquellen werden über die gemeinsame Sende- und Empfangsapertur 202 einzeln kollimiert und jeweils in
unterschiedliche Feldwinkel abgelenkt. Hierbei ist der Scan-Strahldurchmesser größer verglichen zum ursprünglichen Sendestrahl 116 - in Hinblick auf
Augensicherheit und größerer möglicher Reichweite.
Im Empfangspfad 104 kommt die Anzahl n an Sendestrahlen 120 aus
Feldwinkeln, jeweils identisch den Sendewinkeln eindeutig zuordenbar, zurück. Aus Unendlich kommen die Sendestahlen 120 als parallele Strahlenbündel zurück. Der Durchmesser der einzelnen empfangenen Strahlen 120 kann deutlich größer als die Empfangsapertur 202 sein, wodurch diese gänzlich mit Licht aus den einzelnen Feldwinkeln geflutet wird.
Hinter, beziehungsweise in der Darstellung links der Empfangsapertur 202 treffen die Strahlen 120 auf einen Strahlteiler 200, beispielsweise 50/50 oder
polarisierend, der alle Strahlen 120 des gesamten Field of View FoV auf einen 45° Umlenkspiegel 204 lenkt und wieder auf die erste optische Achse spiegelt. Die konvergenten Strahlen 120 aus unterschiedlichen Feldwinkeln werden auf einer Ebene 206 fokussiert und zum Beispiel über ein μ-Linsenarray jeweils kollimiert. Der große Vorteil hierbei ist, dass nun sämtliche Strahlen 120 in einem einzigen Winkel, also parallel zur optischen Achse verlaufen, was den Einsatz eines sehr engen optischen Filters an dieser Stelle oder auch direkt vor dem Detektor 134 ermöglicht.
Über eine nachgeschaltete Sammellinse 210 werden sämtliche
Empfangsstrahlen 120 auf den μ-Spiegel 110 fokussiert und optional auf eine weitere Sammellinse 212 mit kleinerer Brennweite gelenkt, damit wiederum kleine Strahldurchmesser realisiert werden können und das Strahlenbündel auf einem Detektorarray 134 mit möglichst geringen Abmessungen abbildbar ist. Das Detektorarray 134 weist zumindest die Größe beziehungsweise Auflösung der parallel geschossenen Sendestrahlen 218 auf.
Sämtliche sequentiellen Sendeschüsse und somit empfangenen reflektierten Strahlenbündel können, aufgrund der Gesamtsystemanordnung und des eindeutigen Zusammenhangs des μ-Spiegel-Winkels zur Bildhöhe der jeweiligen Empfangsstrahl-Matrix, auf ein und demselben Detektorarray 134 abgebildet werden.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines Winkelverstärkers 300 als Teil einer
Strahlformungseinheit 214 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der
Winkelverstärker 300 ist hier als Lichttrichter 300 ausgeführt und kann beispielsweise in einem Laserscanner, wie er in Fig. 2 dargestellt ist verbaut werden. Der Lichttrichter 300 ist ein verspiegelter Hohlleiter. Der Hohlleiter weist einen quadratischen Querschnitt auf. Der Querschnitt verjüngt sich von einer Eingangsseite 302 zu einer Ausgangsseite 304. Aufgrund der Verjüngung wird einfallendes Licht 116 in immer steiler werden Winkeln an den Wänden des
Lichttrichters 300 reflektiert, wodurch ein Ausfallswinkel ß proportional zu einem Einfallswinkel α vergrößert wird.
In einem Ausführungsbeispiel erfolgt eine μ-Spiegel Winkelverstärkung, um einen möglicherweise bauraumbedingten größeren notwendigen Axialversatz der optischen Achsen zu realisieren. Die Winkelverstärkung kann beispielsweise durch einen Lichttrichter 300 beziehungsweise pyramidenstupfförmigen Hohlleiter aus Spiegeln erfolgen. Hier wirkt sich die Spiegelung an den Innenseiten des Lichttrichters 300 auf eine Vergrößerung des Lichtaustrittswinkels ß verglichen mit dem Lichteintrittswinkel α aus.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer Bi-Fokallinse 400 als Strahlformungseinheit 214 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Die Bi-Fokallinse 400 weist einen Innenbereich 402 und einen den Innenbereich 402 umschließenden Außenring 404 auf. Der Innenbereich 402 und der Außenring 404 weisen unterschiedliche Brennweiten auf. Dadurch werden bei der hier dargestellten Bi-Fokallinse 400 Lichtstrahlen die durch den Innenbereich 402 fallen, weniger stark gebrochen, als Lichtstrahlen, die durch den Außenring 404 fallen.
Bi-Fokallinsen 400 können in Kombination eines Teleskopaufbaus verwendet werden. Dabei ist für eine große Winkelauslenkung der Randbereich 404 für den Sendepfad kürzer brennweitig ausgeführt. Das Zentrum 402 hingegen ist für den Empfangspfad länger brennweitig ausgeführt, um die Einzelstrahlen des einfallenden Strahlenbündels im Durchmesser zu verkleinern, wodurch geringere Abmessungen des Detektors erreicht werden können. Die Winkelverstärkung kann auch durch Flüssiglinsen erfolgen, welche zwischen zwei Fokusstellungen umschaltbar sind.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Fresnel-Spiegels 500 als Ablenkelement 126 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Bei dem Fresnel-Spiegel 500 ist eine parabelförmige Spiegeloberfläche in kontinuierlicher Bauform 502 und in einer segmentierten Bauform mittels parabolischer Teilspiegel 504 dargestellt. Die Teilspiegel 504 sind übereinander angeordnet, wobei die spiegelnden
Oberflächen in Zwischenräumen zwischen den Teilspiegeln 504 angeordnet sind. Das Laserlicht 116 durchdringt den Fresnel-Spiegel 500 und wird in den
Zwischenräumen an den spiegelnden Oberflächen gespiegelt.
Der sendeseitige Axial-Parallel-Versatz kann beispielsweise über Off-Axis Parabolspiegel 502, Stufenspiegel 504 oder ein customized Spiegel„Array" 504 eingestellt werden.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines Strahlerweiterers 222 als Teil einer
Strahlformungseinheit 214 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Strahlerweiterer 222 kann als Strahlauffächerungsarray 222 bezeichnet werden und kann beispielsweise wie in Fig. 2 verwendet werden. Das
Strahlauffächerungsarray 222 weist in Zeilen und Spalten angeordnete
Auffächerungszellen 600 auf. Jede Auffächerungszelle 600 weist beispielsweise drei Teilbereiche 602, 604, 606 auf. Jeder Teilbereich 602, 604, 606 weist eine unterschiedliche Lichtdurchlässigkeit auf. Das Laserlicht 116 fällt auf einer Rückseite des ersten Teilbereichs 602 in eine Auffächerungszelle 600 ein. Im ersten Teilbereich wird ein Drittel des Lichts transmittiert und zwei Drittel des Lichts werden in einen Lichtleiter 608 hinter den Teilbereichen 602, 604, 606 reflektiert. Im zweiten Teilbereich 604 wird die Hälfte des verbleibenden Lichts transmittiert und die andere Hälfte wieder in den Lichtleiter 608 reflektiert. Im dritten Teilbereich 606 wird alles verbleibende Licht aus dem Lichtleiter 608 transmittiert. Die Strahlaufweitung, Vervielfachung und/oder Aufteilung für jede einzelne μ-
Spiegel Stellung kann beispielsweise über ein Teleskop, Zylinderlinsen und/oder Prismen erreicht werden. Dabei können die Prismen in Totalreflexion betrieben werden, wobei die größtmögliche μ-Spiegel-Winkelungenauigkeit kompensierbar ist. Ebenso können die Prismen mit unterschiedlich reflektierender
Segmentierung der Lichteintrittsflächen und Lichtaustrittsflächen ausgeführt sein.
Die Strahlaufweitung, Vervielfachung oder Aufteilung kann auch durch eine Kombination aus Linsen und Prismen erreicht werden. Das Modul der
Strahlaufweitung, Vervielfachung und/oder Aufteilung kann auch als Array aufgebaut sein.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung eines Strahlvervielfältigers 216 als Teil einer Strahlformungseinheit 214 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Der
Strahlvervielfältiger 216 kann als Scanstrahlarray 216 bezeichnet werden und kann beispielsweise wie in Fig. 2 verwendet werden. Das Scanstrahlarray 216 weist in Zeilen und Spalten angeordnete Strahlformungselemente 700 auf. Jedes
Strahlformungselement 700 ist dazu ausgebildet, aus einfallendem Laserlicht einen Scanstrahl zu erzeugen. Dabei unterscheiden sich benachbarte
Scanstrahlen geringfügig in ihrem Abstrahlwinkel im Feld, aufgrund des unterschiedlichen Abstands zur optischen Achse 128, sodass sie nach Austritt aus der Sende-/ Empfangsapertur 202 divergieren. Ein Auftreffpunkt 702 des
Laserlichts ist dabei so groß, dass er auf mehrere der Strahlformungselemente 700 fällt. So werden immer mehrere Scanstrahlen erzeugt. Hier liegen beispielhaft neun Strahlformungselemente 700 innerhalb des Auftreffpunkts 702. Somit werden im hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem einfallenden Laserstrahl gleichzeitig neun Scanstrahlen erzeugt. Bei einem größeren
Auftreffpunkt 702 können auch mehr Strahlformungselemente innerhalb des Auftreffpunkts 702 liegen. Wenn die Strahlformungselemente 700 größer sind, können auch weniger Strahlformungselemente 700 innerhalb des Auftreff punkts liegen. Wenn der Auftreffpunkt 702 durch eine Änderung des Scanwinkels auf dem Scanstrahlarray 216 wandert, wandert das Laserlicht über die
Strahlformungselemente 700 hinweg. Dadurch verändert sich eine
Zusammensetzung des Bündels an emittierten Scanstrahlen mit jeder Änderung des Scanwinkels.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Laserlichtquelle gepulst betrieben. Von Puls zu Puls wird der Scanwinkel verändert und der Auftreffpunkt 702 des Laserlichts wandert auf dem Strahlvervielfältiger 216. Dabei wird ein und dasselbe Strahlformungselement 700 während mehrerer aufeinanderfolgender
Pulse getroffen und erzeugt jeweils seinen Scanstrahl mit genau demselben Abstrahlwinkel. Im dargestellten Beispiel wird jeder Scanstrahl dreimal erzeugt. Dadurch kann der gleiche Raumpunkt dreimal hintereinander abgetastet werden, wodurch eine Messgenauigkeit beziehungsweise Zuverlässigkeit erhöht werden kann.
Der Detektor des Laserscanners benötigt im dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich eine Matrix aus 3x3 Bildpunkten, da über die Scanwinkelkompensation jeder Bildpunkt genau einem Scanstrahl zugeordnet werden kann. Beim
Wandern des Auftreff punkts 702 über das Scanstrahlarray 216 ist dabei dem gleichen Scanstrahl ein unterschiedlicher Bildpunkt zugeordnet. So kann auch mit einem defekten Bildpunkt gemessen werden.
Der Strahlvervielfältiger 216 kann als Scan-Strahl Multiplikationsmodul 216 bezeichnet werden und kann beispielsweise diffraktive optische Elemente oder Hologramme aufweisen. Das Modul Scan-Strahl Multiplikation kann als ein zum Array der Strahlaufweitung passendes Array ausgeführt sein. Das Modul kann aber auch mittels refraktiven und/oder streuenden Elementen realisiert werden. Dabei kann das Array 216 je μ-Spiegel Winkelstellung ein optisches Element beziehungsweise Hologramm aufweisen.
Fig.8 zeigt eine Darstellung eines Systems zur Korrektur der Laserlichtsorientierung als Teil einer Strahlformungseinheit 214 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Die durch die Spiegelung am Ablenkelement
hervorgerufene Ablenkung des Laserlichts 116 kann über ein solches System korrigiert bzw. der Einfallswinkel 118 an den Scanwinkel 114 angeglichen werden.
Fig. 9 zeigt die Darstellung eines Linsen-Planspiegel-Systems als Ablenkeinheit 126. Durch eine Linse 900, die fokussierend zum Spiegelelement bzw. dessen Drehpunkt angeordnet ist, kann der Scanwinkel 114 des divergenten Laserlichts 116 kollimiert und über einen nachgeschalteten Planspiegel 902 in äquidistante Parallelstrahlen zur Sendeachse 128 bzw. Empfangsachse 130 überführt werden.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie„aufweisend", „umfassend", etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Ansprüche
1. Laserscanner (100), mit einem Sendepfad (102) und einem von dem
Sendepfad (102) zumindest bereichsweise räumlich getrennten
Empfangspfad (104), dadurch gekennzeichnet, dass der Sendepfad (102) und der Empfangspfad (104) aus unterschiedlichen Winkeln (106, 108) auf ein winkelbewegliches Spiegelelement (110) des Laserscanners (100) treffen, wobei eine Winkelstellung (112) des Spiegelelements (110) im Sendepfad (102) einen Scanwinkel (114) eines Laserlichts (116) des Laserscanners (100) definiert und die Winkelstellung (112) im Empfangspfad (104) einen Einfallswinkel (118) einer Reflexion (120) des Laserlichts (116) kompensiert.
2. Laserscanner (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Empfangspfad (104) ein telezentrisches Objektiv (102) und eine
Abbildungsoptik (210) angeordnet sind, wobei eine Abbildungsebene (206) des Objektivs (202) in einer Eingangsebene (208) der Abbildungsoptik (210) angeordnet ist, und die Abbildungsoptik (210) auf das Spiegelelement (110) fokussiert ist.
3. Laserscanner (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendepfad (102) und der Empfangspfad (104) zumindest bereichsweise parallel verlaufende optische Achsen (128, 130) aufweisen, wobei im Sendepfad (102) und/oder im Empfangspfad (104) zumindest ein Ablenkelement (126, 204) angeordnet ist, um die jeweilige optische Achse (128, 130) auf das Spiegelelement (110) abzulenken.
4. Laserscanner (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Sendepfad (102) ein auf das Spiegelelement (110) fokussierendes
Ablenkelement (126) angeordnet ist, wobei das fokussierende
Ablenkelement (126) dazu ausgebildet ist, den Scanwinkel (114) des Laserlichts (116) in einen lateralen Versatz zu der optischen Achse (128) umzuwandeln.
5. Laserscanner (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das fokussierende Ablenkelement (126) als eine Kombination aus einer optischen Linse (900) und einem Planspiegel (902) ausgebildet ist, um den Scanwinkel (114) in einen parallelen lateralen Versatz zu der optischen Achse (128) umzuwandeln.
6. Laserscanner (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanwinkel (114) einen Auftreffpunkt (702) des Laserlichts (116) auf einer Strahlformungseinheit (214) des Laserscanners (100) definiert, wobei die Strahlformungseinheit (214) dazu ausgebildet ist, das von dem Laserscanner (100) emittierte Laserlicht (116) in Abhängigkeit von dem Auftreffpunkt (702) zu formen.
7. Laserscanner (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit (214) eine Matrix aus Strahlformungselementen (700) aufweist, wobei jedes Strahlformungselement (700) dazu ausgebildet ist, einen Scanstrahl (218) mit einem festen Raumwinkel zu formen, wenn das Laserlicht (116) auf das Strahlformungselement (700) fällt.
8. Laserscanner (100) gemäß Anspruch 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit (214) zumindest ein Linsensystem aufweist, das dazu ausgebildet ist, eine Orientierung des Laserlichts (114) aufgrund der Spiegelung am Ablenkelement (126, 204) zu korrigieren, um eine ortsfeste Abbildung detektorseitig zu erzeugen.
9. Laserscanner (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit (214) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Auftreffpunkts (702) aus dem Laserlicht (116) je zumindest zwei divergierende Scanstrahlen (118) zu formen.
10. Laserscanner (100) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor (134) des Laserscanners (100) Detektorelemente aufweist, wobei eine Anzahl der Detektorelemente zumindest einer Anzahl der simultan emittierten Scanstrahlen (218) entspricht.
11. Laserscanner (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner (100) eine im Sendepfad (102) und im Empfangspfad (104) angeordnete Sende- und Empfangsapertur (202) zum koaxialen Senden des Laserlichts (116) und Empfangen der Reflexion (120) aufweist, wobei zwischen der Sende- und Empfangsapertur (202) und dem Spiegelelement (110) ein Strahlteiler (200) zum Leiten der Reflexion (120) in den Empfangspfad (104) angeordnet ist.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109581295A (zh) * 2019-01-15 2019-04-05 郑培森 一种抑制大气湍流影响的四象限光电探测定位光学系统
CN111123243A (zh) * 2019-12-13 2020-05-08 安徽皖仪科技股份有限公司 一种同轴式激光雷达信号校正方法
US20200333446A1 (en) * 2019-04-18 2020-10-22 Canon Kabushiki Kaisha Optical apparatus, on-board system, and movement apparatus
RU2745882C1 (ru) * 2019-12-23 2021-04-02 Общество с ограниченной ответственностью "Яндекс Беспилотные Технологии" Способы и системы на основе лидара (lidar) с расширенным полем зрения на основе пассивных элементов
CN112997095A (zh) * 2020-04-03 2021-06-18 深圳市速腾聚创科技有限公司 激光雷达及自动驾驶设备
RU2790129C2 (ru) * 2019-12-23 2023-02-14 Общество с ограниченной ответственностью "Яндекс Беспилотные Технологии" Способы и системы обнаружения на основе лидара (LiDAR) с FBG-фильтром

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018217277A1 (de) * 2018-10-10 2020-04-16 Zf Friedrichshafen Ag LIDAR-Sensor, Fahrzeug sowie Verfahren für einen LIDAR-Sensor
KR20220116224A (ko) * 2019-12-30 2022-08-22 루머스 리미티드 광 도파관을 채용하는 검출 및 거리 측정 시스템
CN113820690A (zh) * 2020-06-19 2021-12-21 华为技术有限公司 一种激光扫描系统、激光雷达及扫描方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3813140A (en) * 1971-12-13 1974-05-28 Bendix Corp Rotating prism scanning system having range compensation
US5808727A (en) * 1996-10-29 1998-09-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Vehicle optical radar apparatus
EP1992961A2 (de) * 2007-05-11 2008-11-19 Rosemount Aerospace Inc. Abtast-LADAR mit einstellbaren Betriebsparametern
DE102010047984A1 (de) * 2010-10-08 2012-04-12 Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh Umlenkspiegelanordnung für eine optische Messvorrichtung und korrespondierende optische Messvorrichtung
EP2975447A1 (de) * 2014-07-14 2016-01-20 Funai Electric Company Ltd Laserscanner

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60238909A (ja) * 1984-05-11 1985-11-27 Kubota Ltd 光ビ−ム発生装置
DE3925614A1 (de) * 1989-08-02 1991-02-07 Sick Optik Elektronik Erwin Optische abtastvorrichtung zur fehlersuche an durchlaufenden materialbahnen
DE20218511U1 (de) * 2001-12-05 2003-04-24 Leuze Electronic Gmbh & Co Optoelektronische Vorrichtung
US7297913B2 (en) * 2004-04-20 2007-11-20 Diehl Bgt Gmbh & Co. Kg Module for a laser measuring device
DE102015105263A1 (de) * 2015-04-08 2016-10-13 Sick Ag Optoelektronischer Sensor und Verfahren zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3813140A (en) * 1971-12-13 1974-05-28 Bendix Corp Rotating prism scanning system having range compensation
US5808727A (en) * 1996-10-29 1998-09-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Vehicle optical radar apparatus
EP1992961A2 (de) * 2007-05-11 2008-11-19 Rosemount Aerospace Inc. Abtast-LADAR mit einstellbaren Betriebsparametern
DE102010047984A1 (de) * 2010-10-08 2012-04-12 Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh Umlenkspiegelanordnung für eine optische Messvorrichtung und korrespondierende optische Messvorrichtung
EP2975447A1 (de) * 2014-07-14 2016-01-20 Funai Electric Company Ltd Laserscanner

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109581295A (zh) * 2019-01-15 2019-04-05 郑培森 一种抑制大气湍流影响的四象限光电探测定位光学系统
US20200333446A1 (en) * 2019-04-18 2020-10-22 Canon Kabushiki Kaisha Optical apparatus, on-board system, and movement apparatus
US11561288B2 (en) * 2019-04-18 2023-01-24 Canon Kabushiki Kaisha Optical apparatus, on-board system, and movement apparatus
CN111123243A (zh) * 2019-12-13 2020-05-08 安徽皖仪科技股份有限公司 一种同轴式激光雷达信号校正方法
RU2745882C1 (ru) * 2019-12-23 2021-04-02 Общество с ограниченной ответственностью "Яндекс Беспилотные Технологии" Способы и системы на основе лидара (lidar) с расширенным полем зрения на основе пассивных элементов
RU2790129C2 (ru) * 2019-12-23 2023-02-14 Общество с ограниченной ответственностью "Яндекс Беспилотные Технологии" Способы и системы обнаружения на основе лидара (LiDAR) с FBG-фильтром
CN112997095A (zh) * 2020-04-03 2021-06-18 深圳市速腾聚创科技有限公司 激光雷达及自动驾驶设备

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Publication number Publication date
DE102017206912A1 (de) 2018-10-25

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