WO2018206517A1 - Senderoptik für ein lidar-system, optische anordnung für ein lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung - Google Patents

Senderoptik für ein lidar-system, optische anordnung für ein lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung Download PDF

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lidar system
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Hans-Jochen Schwarz
Joern Ostrinsky
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Definitions

  • Transmitter optics for a LiDAR system optical arrangement for a LiDAR system, LiDAR system and working device
  • the present invention relates to a transmitter optics for a LiDAR system for illuminating a field of view with light, an optical arrangement for a LiDAR system for optically detecting a field of view, a LiDAR system as such and a working device and in particular a vehicle.
  • Sensor arrays used to detect the operating environment.
  • light-based detection systems are also used, e.g. so-called LiDAR systems (English: LiDAR: light detection and ranging).
  • the primary light is passed through the field of view after being generated by rotating or tilted optical elements to scan it in a scanning or scanning manner with primary light.
  • the oscillating or rotating components in such systems have comparatively high inertial forces which must be overcome.
  • optical elements used in the form of microlenses or the like must be made as accurately as possible, even when other optical components are moving, in order to obtain a high imaging quality. This requires a considerable apparatus and control engineering effort.
  • the transmitter optics according to the invention for a LiDAR system with the features of claim 1 has the advantage that with a comparatively simple structure and reduced inertial forces in a scanning LiDAR system a particularly lossless and
  • a transmitter optics for a LiDAR system for illuminating a field of view with light is specified, which is formed (i) with a line light source for generating and outputting primary light in line form and (ii) with a
  • Line light source on the lens assembly such that the image of the
  • Lens arrangement or a part thereof sweeps.
  • lens arrangement There are various embodiments for the lens arrangement.
  • the lens arrangement for outputting the received primary light in the field of view (a) a segmented lens arrangement, a lens array, a lens matrix, a microlens array, a rod lens array with a plurality of rod lenses with parallel rod axes, in particular with rod axes parallel aligned to a pivot axis of the pivoting mirror, (b) a diffractive optical element, in particular a DOE, and / or (c) have a hologram.
  • transmitter optics (A) a laser, a laser
  • Edge emitter laser a surface laser, a vertical cavity surface (VCSEL)
  • a laser vertical external cavity surface emitting laser
  • B have an arrangement with an illuminable or illuminated gap.
  • a respective laser may also be designed as a gas laser or as a solid-state laser, which is expanded to a line using a corresponding beam-shaping optical system.
  • Deflection mirror which can also be generally referred to as a deflection, conceivable.
  • the present invention also relates to an optical arrangement for a LiDAR system as a whole, namely for the optical detection of a field of view, in particular for a working device and / or a vehicle, with a transmitter optics for illuminating a field of view with primary light, which is formed according to the present invention , and with a receiver optics for receiving secondary light from the field of view.
  • a transmitter optics for illuminating a field of view with primary light which is formed according to the present invention
  • a receiver optics for receiving secondary light from the field of view.
  • the transmitter optics and the receiver optics are formed, for example, with at least partially or partially mutually coaxial beam paths, in particular in the region of the beam exit side and the beam entrance side of the LiDAR system.
  • a beam splitter may be formed to accommodate the
  • optical arrangements according to the invention for a LiDAR system are conceivable, which despite the partial or sectional coaxial design of the beam paths of transmitter optics on the beam exit side and receiver optics on the beam entrance side are designed without beam splitter, in which case an intended detector arrangement of the receiver optics in the immediate vicinity of the line light source and / or next to
  • Line light source is arranged.
  • the transmitter optics and the receiver optics are substantially or largely separate from each other and / or formed to each other biaxial beam paths, in particular on the
  • Field of view and in particular for a working device and / or for a vehicle is formed and has an optical arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows the manner of a schematic block diagram
  • FIG. 2 shows a first plan view in the manner of a schematic plan view
  • Embodiment of the transmitter optics invention Embodiment of the transmitter optics invention.
  • FIGS 3 and 4 show the manner of schematic plan views
  • Figure 5 shows a kind of schematic plan view of a
  • Figure 1 shows in the form of a schematic block diagram a
  • the LiDAR system 1 according to FIG. 1 has an embodiment of the transmitter optics 60 according to the invention, which is provided by a light source unit 65 with a line light source 65-1, e.g. in the form of a laser, and primary light 57 - possibly after passing through a beam shaping optics 66 - in a field of view 50 for the investigation of an object 52 located there emits.
  • a light source unit 65 with a line light source 65-1, e.g. in the form of a laser, and primary light 57 - possibly after passing through a beam shaping optics 66 - in a field of view 50 for the investigation of an object 52 located there emits.
  • the LiDAR system 1 has a receiver optics 30, which receives secondary light 58 reflected by the object 52 in the field of view 50 via a lens 34 as a primary optic and, if appropriate, via a
  • Secondary optics 35 - transmits to a detector array 20 for detection.
  • control of the light source unit 65 with the line light source 65-1 and the detector arrangement 20 via control lines 42 and 41 by means of a control and evaluation unit 40th
  • Core aspects of the present invention are concentrated in the area of the deflecting optics 62 and manifest themselves in the provision of a rotating mirror 63, which rotates about a rotation axis or pivot axis 64-1 by means of a rotation axis 63
  • Pivoting movement 64 or rotational movement 64 is pivotable or rotatable, thereby illuminating the lens assembly 68 scanning with an image of the line light source 65-1 of the light source unit 65 imaging.
  • the Lens assembly 68 having a plurality of individual lenses is configured to direct primary light 57 into field of view 50 having object 52 therein.
  • part of the deflection optics 62 is also a projection optics 90, which is set up to emit the primary light 57 at different angles into the field of view 50 and, if appropriate, to receive secondary light 58 from the various angles of the field of view 50 in the manner of an objective.
  • Figure 2 shows, in the manner of a schematic plan view, an embodiment of the transmitter optics 60 according to the invention as part of an optical arrangement 10 for a LiDAR system 1 and concentrates on core aspects of the present invention.
  • rotating mirror 63 which is rotatable about a rotational movement 64 about a rotation axis 64-1, an image of the line light source 65-1 the
  • the lens assembly 68 itself serves to direct the primary light 57 into the field of view 50, thereby monitoring the field of view 50 in the manner of an environment.
  • the rotating mirror 63 is designed in the manner of a prism mirror with a base surface in the form of a uniform hexagon and square or rectangular mirror surfaces.
  • Lens assembly 68 consists of a plurality of parallel to each other
  • aligned rod lenses whose axis of symmetry is aligned parallel to the axis of rotation 64-1 of the rotating mirror 63.
  • the individual lens segments are designed here by way of example biconcave.
  • FIGS. 3 and 4 show, in the manner of schematic plan views, embodiments of the LiDAR system 1 according to the invention using FIG.
  • Embodiments of the transmitter optics 60 according to the invention are partially coaxial with each other and are separated only in the region and by the action of the beam splitter 80.
  • the transmitter optics 60 according to FIG. 3 correspond to the core according to FIG.
  • Intermediate image optics 70 with partial optics 71, 72 and 73 - the latter optional - between the line light source 64-1 of the light source unit 65 and the beam splitter 80 and the line light source 65-1, the beam splitter 80 and the rotating mirror 63 or between the rotating mirror 63 and the intermediate image plane 69 of the
  • Lens assembly 68 is formed.
  • an objective optics 90 is also provided between the rotating mirror 63 and the lens arrangement 68, which serves for the projection of the primary light 57 into the field of view 50 and the rear projection of the secondary light 58 coming from the field of view 50.
  • Receiver optics 30 is located on the receiver side, a detector assembly 20 having a plurality of sensor elements 22. Between the
  • Detector assembly 20 and the beam splitter 80 is a secondary optics 35 of the receiver optics 30 is formed to image the secondary light 58 in a suitable manner to the detector array 20 and the sensor elements 22.
  • the embodiment according to Figure 4 is the core with
  • Coaxially guided beam paths 31 and 61 for the receiver optics 30 and for the transmitter optics 60 but here no beam splitter 80 is used. Rather, here the detector arrangement 20 is formed in the immediate vicinity of the line light source 65-1 of the lightwave arrangement 65.
  • FIG. 5 shows, in the manner of a schematic plan view, an embodiment of the transmitter optics 60 according to the invention with two transmission paths 61.
  • a pair of line light sources 65 - 1 are formed as part of the light source unit 65.
  • the embodiments are biaxially conceivable, i. Transmit path and receive path are optically configured separately.
  • the embodiments may also be coaxial, i. Transmit path and receive path are defined via a common look.
  • a weakness of the macro scanners are (a) the existence of a
  • the mirror can either be a micro or ⁇ mirror, which is operated resonantly or statically, or a miniaturized rotary mirror, such as a polygon mirror, with a constant
  • FIG. 1 A possible construction is shown in FIG. 1
  • the line laser 64-1 e.g. in the form of an edge emitter, is transmitted via an optic 71, e.g. with fast-axis collimation, a beam splitter 80 and an optic 72 as
  • the optics 72 with the prism or polygon mirror 63 is arranged reversed in the order, so that by using the in Fig. 3 as dashed optionally indicated optics 73 first the deflection or deflection of the laser radiation 57 takes place and then the image the microlens array 68 in the intermediate plane 69.
  • the optics 73 can be designed as a focusing optics with a constant f-theta ratio and / or with telecentricity. In a further alternative of the present invention, the optics 72 and 73 may be formed together.
  • the microlens array 68 may consist of rod lenses that expand or magnify the laser beam in one direction.
  • the individual can
  • Rod lenses can be constructed from spherical or aspherical elements.
  • the individual elements can be concave or convex.
  • Both sides of the microlens array 68 can be provided with a curvature.
  • the lens properties e.g. an expansion or a deflection of the laser light
  • the microlens array 68 are generated by a DOE or diffractive optical element or by a hologram.
  • the expanded beam 57 is projected via the projection optics 90 into the environment, namely the field of view 50.
  • the light scattered back by objects 52 is directed onto the beam splitter 80 via the projection optics 90, the microlens array 68, the mirror 63 and the optics 72.
  • a portion of the light is transmitted via the optic 35 to a line detector 20, e.g. an APD line, pictured.
  • a line detector 20 e.g. an APD line, pictured.
  • the horizontal resolution of the system is given by the spacings of the microlenses 68 and the imaging factor of the projection optics 90.
  • the vertical resolution is given by the pixels on the line detector 20.
  • All optics 70, 71, 72, 73, 35 are coated with a coating for high light transmission.
  • FIG. 3 shows an embodiment with prism or polygon mirror 63 and beam splitter 80 for a coaxial system.
  • FIGS. 4 and 5 Further possible variants are shown in FIGS. 4 and 5. With comparatively slowly moving mirrors and many shots per microlens, the point of impact shifts across the lens, which increases
  • the weft pattern can be laid so that the microlens is always hit in the middle.
  • FIG. 4 shows a transmitter optics 60 according to the invention with a beam path 61, 31 without a beam splitter 80 and with a detector 20 outside the transmission axis 61, as can be used, for example, in mirrors 63 which move very fast.
  • the returning light as secondary light 58 can be directed in the direction of the detector arrangement 20 with the detector elements 22 via the meanwhile further moving mirror 63.
  • Figure 5 shows another embodiment in which the mirror 63 is used so that it can serve two systems. As a result, a version with an expanded field of view (Field of View: FoV) is created.
  • Field of View: FoV Field of View
  • Reverse paths are not drawn, but could also be in a separate optical path, ie in a biaxial arrangement.
  • edge emitter laser English: edge-emitting laser
  • broad-area laser laser-beam
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • a line array e.g., 50 emitters
  • iii as a low-dimensional two-dimensional array (e.g., 50x2 emitter), thereby enabling simultaneous bombardment of two microlenses, and / or
  • iii as a low-dimensional two-dimensional array (e.g., 50x2 emitter), this allows simultaneous bombardment of two microlenses.
  • imaging feature eg to shape the beam in the vertical direction.
  • detector - APD detector (English: avalange photodiode) i as a line array (eg 50 single detectors) and / or
  • ii as a low-dimensional two-dimensional array (eg 50 x 2 detectors) - SPAD detector (single photon counting avalange diode) i as a line array (eg 50 single detectors),
  • ii as a low-dimensional two-dimensional array (eg 50 x 2 detectors) and / or
  • SiPM silicon photo multiplyer
  • - Optics 2 i as a beam-forming optic for generating a laser line

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Senderoptik (60) für ein LiDAR-System (1) zum Ausleuchten eines Sichtfeldes (50) mit Licht, mit einer Linienlichtquelle (65- 1) zum Erzeugen und Ausgeben von Primärlicht (57) in Linienform und mit einer Ablenkoptik (62), welche eine Linsenanordnung (68) in einer Zwischenbildebene (69) der Ablenkoptik (62) zur Ausgabe empfangenen Primärlichts (52) in das Sichtfeld (50) sowie einen eindimensional um eine Achse (64-1) verschwenkbaren Ablenkspiegel (64) aufweist zur Aufnahme von Primärlicht (57) von der Linienlichtquelle (65-1) und zum Richten des Primärlichts (57) auf die Linsenanordnung (68) und dabei Abbilden der Linienlichtquelle (65-1) auf die Linsenanordnung (68) derart, dass das Bild der Linienlichtquelle (65-1) bei einer Schwenkbewegung des Ablenkspiegels (63) die Linsenanordnung (68) oder einen Teil davon überstreicht.

Description

Beschreibung Titel
Senderoptik für ein LiDAR-Svstem, optische Anordnung für ein LiDAR-Svstem, LiDAR-Svstem und Arbeitsvorrichtung
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Senderoptik für ein LiDAR-System zum Ausleuchten eines Sichtfeldes mit Licht, eine optische Anordnung für ein LiDAR- System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, ein LiDAR-System als solches sowie eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug.
Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder
Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall kommen auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-Systeme (englisch: LiDAR : light detection and ranging).
Bei abtastenden oder scannenden LiDAR-Systemen wird das Primärlicht nach der Erzeugung durch sich drehende oder verschwenkte optische Elemente über das Sichtfeld geführt, um dieses in abtastender oder scannender Weise mit Primärlicht zu überstreichen. Einerseits besitzen die schwingenden oder rotierenden Komponenten bei derartigen Systemen vergleichsweise hohe Trägheitskräfte, die überwunden werden müssen. Ferner müssen zum Einsatz kommende optische Elemente in Form von Mikrolinsen oder dergleichen auch bei Bewegung weiterer optischer Komponenten möglichst genau getroffen werden, um eine hohe Abbildungsqualität zu erhalten. Dies erfordert einen erheblichen apparativen und steuerungstechnischen Aufwand.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Senderoptik für ein LiDAR-System mit den Merkmalen des Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit einem vergleichsweise einfachen Aufbau und bei reduzierten Trägheitskräften bei einem abtastenden LiDAR-System eine besonders verlustfreie und
abbildungstreue Erfassung des Sichtfeldes erreicht wird. Dies wird
erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine Senderoptik für ein LiDAR-System zum Ausleuchten eines Sichtfeldes mit Licht angegeben wird, welche ausgebildet ist (i) mit einer Linienlichtquelle zum Erzeugen und Ausgeben von Primärlicht in Linienform und (ii) mit einer
Ablenkoptik, welche eine Linsenanordnung in einer Zwischenbildebene der Ablenkoptik zur Ausgabe empfangenen Primärlichts in das Sichtfeld sowie einen eindimensional um eine Achse verschwenkbaren Ablenkspiegel aufweist zur Aufnahme von Primärlicht von der Linienlichtquelle und zum Richten des Primärlichts auf die Linsenanordnung und dabei optischen Abbilden der
Linienlichtquelle auf die Linsenanordnung derart, dass das Bild der
Linienlichtquelle bei einer Schwenkbewegung des Ablenkspiegels die
Linsenanordnung oder einen Teil davon überstreicht.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Es bieten sich verschiedene Ausgestaltungsformen für die Linsenanordnung an.
So kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik die Linsenanordnung zur Ausgabe des empfangenen Primärlichts in das Sichtfeld (a) eine segmentierte Linsenanordnung, ein Linsenarray, eine Linsenmatrix, ein Mikrolinsenarray, ein Stablinsenarray mit einer Mehrzahl von Stablinsen mit parallelen Stabachsen, insbesondere mit Stabachsen parallel ausgerichtet zu einer Schwenkachse des Schwenkspiegels, (b) ein diffraktives optisches Element, insbesondere ein DOE, und/oder (c) ein Hologramm aufweisen.
Auch hinsichtlich der Linienlichtquelle bieten sich in vorteilhafter Weise verschiedene Ausgestaltungsformen mit einer oder mit mehreren zu Grunde liegenden Lichtquellen an.
Es kann die erfindungsgemäße Senderoptik (A) einen Laser, einen
Kantenemitterlaser, einen Oberflächenlaser, einen VCSEL (vertical cavity surface emitting laser), einen VeCSEL (vertical external cavity surface emitting laser) und/oder (B) eine Anordnung mit einem beleuchtbaren oder beleuchteten Spalt aufweisen. Alternativ dazu kann ein jeweiliger Laser auch als Gaslaser oder als Festkörperlaser ausgebildet sein, der unter Verwendung einer entsprechenden Strahlformungsoptik auf eine Linie aufgeweitet wird.
Es sind auch verschiedene Ausgestaltungsformen im Hinblick auf den
Ablenkspiegel, der allgemein auch als Ablenkeinheit bezeichnet werden kann, denkbar.
Der Ablenkspiegel gemäß bevorzugten Ausgestaltungsformen der Senderoptik kann ausgebildet sein,
- eine Schwenkbewegung und/oder eine Rotationsbewegung auszuführen, insbesondere um eine feste Rotationsachse, in kontinuierlicher Weise und/oder nach Art einer Drehschwingung,
- mit mindestens einem Prismenspiegel oder einem Polyederspiegel mit polygonaler Querschnitts- oder Grundfläche,
- mit mindestens einer planaren, konvexen und/oder konkaven Spiegelfläche,
- mit mindestens einem Mikrospiegel, - auf Siliziumbasis,
- statisch und/oder resonant betrieben zu werden oder betreibbar zu sein.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen in der erfindungsgemäßen Senderoptik für ein LiDAR-System weisen eine Zwischenbildoptik auf. Diese Zwischenbildoptik kann ausgebildet sein
- zur Abbildung der Linienlichtquelle auf die Linsenanordnung, als Optik zwischen dem Ablenkspiegel und der Linienlichtquelle, als Optik zwischen der Linienlichtquelle und dem Ablenkspiegel, - als strahlformende Optik zur Erzeugung einer Linienbeleuchtung auf der Linsenanordnung, insbesondere nach Art einer Laserlinie, und/oder - als telezentrische und/oder f-Theta-Optik zur Erzeugung eines ebenen
Bildfeldes in der Zwischenbildebene.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch eine optische Anordnung für ein LiDAR-System insgesamt, nämlich zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug, mit einer Senderoptik zum Ausleuchten eines Sichtfeldes mit Primärlicht, welche gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, und mit einer Empfängeroptik zum Empfangen von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen
Anordnung für ein LiDAR-System sind die Senderoptik und die Empfängeroptik zum Beispiel mit zumindest teilweise oder abschnittsweise zueinander koaxialen Strahlengängen ausgebildet, insbesondere im Bereich der Strahlaustrittsseite und der Strahleintrittsseite des LiDAR-Systems.
Unter diesen Umständen kann ein Strahlteiler ausgebildet sein, um die
Strahlengänge von einer koaxialen Form auf der Strahlaustrittsseite und der Strahleintrittsseite der optischen Anordnung des LiDAR-Systems in einen Pfad von der Linienlichtquelle der Senderoptik und in einen Pfad zu einer
Detektoranordnung der Empfängeroptik zu überführen.
Alternativ dazu sind erfindungsgemäße optische Anordnungen für ein LiDAR- System denkbar, die trotz der teilweisen oder abschnittsweisen koaxialen Ausgestaltung der Strahlengänge von Senderoptik auf der Strahlaustrittsseite und Empfängeroptik auf der Strahleintrittsseite ohne Strahlteiler ausgestaltet sind, wobei dann eine vorgesehene Detektoranordnung der Empfängeroptik in unmittelbarer Nachbarschaft zur Linienlichtquelle und/oder neben der
Linienlichtquelle angeordnet ist.
Bei einer alternativen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-System sind die Senderoptik und die Empfängeroptik mit voneinander im Wesentlichen oder größtenteils getrennten und/oder zueinander biaxialen Strahlengängen ausgebildet, insbesondere auf der
Strahlaustrittsseite der Senderoptik und auf der Strahleintrittsseite der
Empfängeroptik. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein LiDAR-
System als solches geschaffen, welches zur optischen Erfassung eines
Sichtfeldes und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder für ein Fahrzeug ausgebildet ist und eine erfindungsgemäße optische Anordnung aufweist.
Schließlich sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch eine
Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug, welche mit einem LiDAR- System gemäß der vorliegenden Erfindung zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ausgebildet sind.
Kurzbeschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
Figur 1 zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms den
Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR- Systems. Figur 2 zeigt nach Art einer schematischen Draufsicht eine erste
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik.
Figuren 3 und 4 zeigen nach Art schematischer Draufsichten
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems unter Verwendung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Senderoptik
Figur 5 zeigt nach Art einer schematischen Draufsicht eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik mit zwei Sendepfaden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Figur 1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10.
Das LiDAR-System 1 gemäß Figur 1 weist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik 60 auf, welche von einer Lichtquelleneinheit 65 mit einer Linienlichtquelle 65-1 , z.B. in Form eines Lasers, gespeist wird und primäres Licht 57 - ggf. nach Durchlaufen einer Strahlformungsoptik 66 - in ein Sichtfeld 50 zur Untersuchung eines dort befindlichen Objekts 52 aussendet.
Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 gemäß Figur 1 eine Empfängeroptik 30 auf, welche vom Objekt 52 im Sichtfeld 50 reflektiertes sekundäres Licht 58 über ein Objektiv 34 als Primäroptik empfängt und - gegebenenfalls über eine
Sekundäroptik 35 - an eine Detektoranordnung 20 zur Detektion überträgt.
Die Steuerung der Lichtquelleneinheit 65 mit der Linienlichtquelle 65-1 sowie der Detektoranordnung 20 erfolgt über Steuerleitungen 42 bzw. 41 mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 40.
Kernaspekte der vorliegenden Erfindung sind im Bereich der Ablenkoptik 62 konzentriert und manifestieren sich im Vorsehen eines Drehspiegels 63, welcher um eine Rotationsachse oder Schwenkachse 64-1 mittels einer
Schwenkbewegung 64 oder Rotationsbewegung 64 verschwenkbar oder rotierbar ist, um dadurch die Linsenanordnung 68 abtastend mit einem Bild der Linienlichtquelle 65-1 der Lichtquelleneinheit 65 abbildend auszuleuchten. Die Linsenanordnung 68 mit einer Mehrzahl einzelner Linsen ist dazu ausgebildet, das Primärlicht 57 in das Sichtfeld 50 mit dem darin enthaltenen Objekt 52 zu richten. Bevorzugt ist als Teil der Ablenkoptik 62 auch eine Projektionsoptik 90 ausgebildet, die dazu eingerichtet ist, das Primärlicht 57 unter den verschiedenen Winkeln in das Sichtfeld 50 auszusenden und entsprechend gegebenenfalls Sekundärlicht 58 aus den verschiedenen Winkeln des Sichtfeldes 50 nach Art eines Objektivs aufzunehmen.
Figur 2 zeigt nach Art einer schematischen Draufsicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik 60 als Teil einer optischen Anordnung 10 für ein LiDAR-System 1 und konzentriert sich auf Kernaspekte der vorliegenden Erfindung.
Diese bestehen in der Verwendung einer Linienlichtquelle 65-1 als Bestandteil der Lichtquelleneinheit 65 und dem Einsatz einer Linsenanordnung 68, welche eine Zwischenbildebene 69 definiert, auf welcher durch einen als dritte
Maßnahme vorgesehenen Drehspiegel 63, der über eine Drehbewegung 64 um eine Drehachse 64-1 rotierbar ist, ein Bild der Linienlichtquelle 65-1 die
Zwischenbildebene 69 und damit die Linsenanordnung 68 überstreichend abgebildet wird.
Die Linsenanordnung 68 selbst dient dazu, das Primärlicht 57 in das Sichtfeld 50 zu richten, um dadurch das Sichtfeld 50 nach Art eines Umfelds zu überwachen.
In der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist der Drehspiegel 63 nach Art eines Prismenspiegels mit einer Grundfläche in Form eines gleichförmigen Sechsecks und quadratischen oder rechteckigen Spiegelflächen ausgebildet. Die
Linsenanordnung 68 besteht aus einer Mehrzahl zueinander parallel
ausgerichteter Stablinsen, deren Symmetrieachse parallel ausgerichtet ist zur Drehachse 64-1 des Drehspiegels 63. Die einzelnen Linsensegmente sind hier beispielhaft bikonkav ausgestaltet.
Figuren 3 und 4 zeigen nach Art schematischer Draufsichten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung von
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Senderoptik 60. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 sind die Strahlengänge 31 und 61 der Empfängeroptik 30 und der erfindungsgemäßen Senderoptik 60 miteinander teilweise koaxial ausgebildet und werden erst im Bereich und durch Wirkung des Strahlteilers 80 separiert.
Die Senderoptik 60 gemäß Figur 3 entspricht dem Kern nach der
Ausführungsform gemäß Figur 2. Zusätzlich ist hier jedoch eine
Zwischenbildoptik 70 mit Teiloptiken 71 , 72 und 73 - letztere optional - zwischen der Linienlichtquelle 64-1 der Lichtquelleneinheit 65 und dem Strahlteiler 80 bzw. der Linienlichtquelle 65-1 , dem Strahlteiler 80 und dem Drehspiegel 63 bzw. zwischen dem Drehspiegel 63 und der Zwischenbildebene 69 der
Linsenanordnung 68 ausgebildet.
Zusätzlich ist noch eine Objektivoptik 90 zwischen dem Drehspiegel 63 und der Linsenanordnung 68 vorgesehen, welche der Projektion des Primärlichts 57 in das Sichtfeld 50 und der Rückprojektion des aus dem Sichtfeld 50 kommenden Sekundärlichts 58 dient. Nach Auftrennung der Strahlengänge 61 und 31 der Senderoptik 60 bzw. der
Empfängeroptik 30 findet sich auf der Empfängerseite eine Detektoranordnung 20 mit einer Mehrzahl von Sensorelementen 22. Zwischen der
Detektoranordnung 20 und dem Strahlteiler 80 ist eine Sekundäroptik 35 der Empfängeroptik 30 ausgebildet, um das Sekundärlicht 58 in geeigneter Weise auf die Detektoranordnung 20 und die Sensorelemente 22 abzubilden.
Auch die Ausführungsform gemäß Figur 4 ist dem Kern nach mit
koaxialgeführten Strahlengängen 31 und 61 für die Empfängeroptik 30 bzw. für die Senderoptik 60 ausgebildet, wobei hier jedoch kein Strahlteiler 80 verwendet wird. Vielmehr ist hier die Detektoranordnung 20 in unmittelbarer Nachbarschaft zur Linienlichtquelle 65-1 der Lichtwellenanordnung 65 ausgebildet.
Figur 5 zeigt nach Art einer schematischen Draufsicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik 60 mit zwei Sendepfaden 61 .
In diesem Fall ist gemäß Figur 5 ein Paar Linienlichtquellen 65-1 als Bestandteil der Lichtquelleneinheit 65 ausgebildet. Jedoch wird in beiden Strahlengängen 61 der nur einmal vorgesehene Drehspiegel 63 gemeinsam verwendet, um die jeweiligen Bilder der separaten Linienlichtquellen 65-1 auf die Zwischenbildebene 69 der jeweils ebenfalls separat vorgesehenen Linsenanordnungen 68 zu werfen, von welchen dann über ebenfalls separat vorgesehene Projektionsoptik 90 das dann kombinierte Sichtfeld 50 beleuchtet wird.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Die mit der Erfindung vorgeschlagenen Verbesserungen gehen z.B. von
Linienscannern mit Makrospiegeln oder mit drehender Gesamteinheit
aus.
Die Ausführungen sind biaxial denkbar, d.h. Sendepfad und Empfangspfad sind optisch separat ausgestaltet. Die Ausführungen können auch koaxial ausgebildet sein, d.h. Sendepfad und Empfangspfad werden über eine gemeinsame Optik definiert.
Eine Schwäche bei den Makroscannern sind (a) das Vorliegen einer
vergleichsweise großen mechanische Spiegeleinheit oder einer Gesamteinheit mit hohen Trägheitskräften und dadurch mit einem höheren Verschleißrisiko der Achsen, (b) der Einfluss auf die Gesamtbaugröße des Sensors und je nach Ausführung (c) das Problem der Energie- und Informationsübertragung auf die Drehplattform.
Alternative Lösungsmöglichkeiten wie induktive Kopplung, Kopplung mittels Funk oder optische Kopplung erzeugen in der Regel Zusatzkosten und haben eine Performanceminderung zur Folge.
Eine Schwäche bei Punktbeleuchtungskonzepten mit Zwischenebene 69 und zweidimensionalen Spiegeln ist die Notwendigkeit, dabei eingesetzte Mikrolinsen genau treffen zu müssen, was beim Einsatz resonant schwingender
zweidimensionaler Spiegel schwierig ist (Lissajousfiguren).
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kombination des Zwischenebenenkonzepts mit einem eindimensionalen Spiegel und einer Linienausleuchtung vorgeschlagen. Der Spiegel kann entweder ein Mikro- oder μ-Spiegel sein, der resonant oder statisch betrieben wird, oder ein miniaturisierter Rotationsspiegel, z.B. ein Polygonspiegel, der mit konstanter
Winkelgeschwindigkeit betrieben wird.
Als Vorteile stellen sich unter anderem ein
- vergleichsweise geringe bewegte Massen, sowohl beim μ-Spiegel auf
Siliziumbasis als auch beim Miniaturpolygonspiegel,
- eine vergleichsweise geringere Baugröße und ein dynamischerer Betrieb als bei einem Makroscanner, wodurch höhere Frameraten möglich werden,
- eine Trennung von Rotationseinheit und Sende-/Empfangseinheit mit einer in Folge geringeren Komplexität bei der Ansteuerung von Laser und Detektor,
- eine leichter kontrollierbare Trajektorie des Lichtstrahls, da keine
Lissajousfiguren auftreten können,
- die Möglichkeit, bei schnellen Spiegeln ein koaxiales System aufzubauen, das keine Strahlteilerverluste mit sich bringt.
Ein möglicher Aufbau ist in Figur 3 dargestellt.
Der Linienlaser 64-1 , z.B. in Form eines Kantenemitters, wird über eine Optik 71 , z.B. mit Fast-Axis-Kollimation, einen Strahlteiler 80 und eine Optik 72 als
Fokussieroptik über die Spiegelfläche eines Prismen- oder Polygonspiegels 63 auf ein Mikrolinsenarray 68 abgebildet.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die Optik 72 mit dem Prismen- oder Polygonspiegel 63 in der Reihenfolge vertauscht angeordnet, so dass durch Einsatz der in Figur 3 als gestrichelt optional angedeuteten Optik 73 zuerst die Aus- oder Ablenkung der Laserstrahlung 57 erfolgt und danach die Abbildung auf das Mikrolinsenarray 68 in der Zwischenebene 69.
Die Optik 73 kann dabei als Fokussieroptik mit einem konstanten f-Theta- Verhältnis und/oder mit Telezentrizität ausgeführt sein. Bei einer weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung können die Optiken 72 und 73 gemeinsam ausgebildet sein.
Das Mikrolinsenarray 68 kann aus Stablinsen bestehen, die den Laserstrahl in einer Richtung aufweiten bzw. vergrößern. Dabei können die einzelnen
Stablinsen aus sphärischen oder asphärischen Elementen aufgebaut sein. Die Einzelelemente können konkav oder konvex ausgeführt sein. Es können beide Seiten des Mikrolinsenarrays 68 mit einer Krümmung versehen sein. Es gibt jedoch auch Varianten von Mikrolinsenarrays, bei denen eine Seite plan ausgeführt ist.
Alternativ können die Linseneigenschaften, z.B. eine Aufweitung bzw. ein Ablenken des Laserlichtes, des Mikrolinsenarrays 68 durch ein DOE oder diffraktives optisches Element oder durch ein Hologramm erzeugt werden.
Der aufgeweitete Strahl 57 wird über die Projektionsoptik 90 in die Umgebung, nämlich das Sichtfeld 50 projiziert. Das von Objekten 52 zurückgestreute Licht wird über die Projektionsoptik 90, das Mikrolinsenarray 68, den Spiegel 63 und die Optik 72 auf den Strahlteiler 80 gelenkt.
Ein Teil des Lichtes wird über die Optik 35 auf einen Liniendetektor 20, z.B. eine APD-Zeile, abgebildet.
Die horizontale Auflösung des Systems ist gegeben durch die Abstände der Mikrolinsen 68 und dem Abbildungsfaktor der Projektionsoptik 90.
Die vertikale Auflösung ist gegeben durch die Pixel auf dem Liniendetektor 20.
Alle Optiken 70, 71 , 72, 73, 35 sind für eine hohe Lichttransmission mit einer Beschichtung vergütet.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform mit Prismen- oder Polygonspiegel 63 und Strahlteiler 80 für ein koaxiales System.
Weitere mögliche Varianten sind in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Bei vergleichsweise langsam bewegten Spiegeln und vielen Schüssen pro Mikrolinse verschiebt sich der Auftreffpunkt über die Linse, was zu
geringerer Winkelauflösung führt.
Bei vergleichsweise schnell bewegten Spiegeln kann das Schussmuster so gelegt werden, dass die Mikrolinse immer mittig getroffen wird.
Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Senderoptik 60 mit einem Strahlweg 61 , 31 ohne Strahlteiler 80 und mit Detektor 20 außerhalb der Sendeachse 61 , wie er zum Beispiel bei sehr schnell bewegten Spiegeln 63 eingesetzt werden kann.
Das rücklaufende Licht als Sekundärlicht 58 kann über den inzwischen weiter bewegten Spiegel 63 in die Richtung auf die Detektoranordnung 20 mit den Detektorelementen 22 gelenkt werden.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Spiegel 63 so verwendet wird, dass er zwei Systeme bedienen kann. Dadurch entsteht quasi eine Version mit erweitertem Sichtfeld (Field of View : FoV). Empfangspfade 31 bzw.
Rückwärtspfade sind nicht eingezeichnet, könnten aber auch in separatem optischem Pfad vorliegen, also in biaxialer Anordnung.
Gemäß der folgenden Auflistung können im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedenen Ausführungs- und Kombinationsmöglichkeiten realisiert werden, wobei die nachfolgenden Komponenten und/oder Eigenschaften beliebig miteinander kombiniert werden können, ohne den Kerngedanken der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Alternativen beim System
- koaxial
- mit klassischem 50/50 Strahlteiler oder mit polarisierendem Strahlteiler für hohes Auslöschungsverhältnis,
- mit Lochspiegelstrahlteiler und/oder
- mit Detektor direkt neben dem Laser und ggf. ohne Strahlteiler biaxial mit separatem Empfangspfad Alternativen beim Laser
- Kantenemitterlaser (englisch: edge emitting laser) a Breitstreifenlaser (englisch: broad area laser) b Laserbarren (englisch: laser bar) i als einfacher Laserbarren oder
ii als mehrfacher Laserbarren in Serie aufeinander gelötet, z.B. zwei Stück, dadurch ist ein simultaner Beschuss von zwei Mikrolinsen möglich.
- Oberflächenlaser (englisch: surface emitting laser array) a Vertikalemitter (englisch: vertical cavity surface emitting laser (VCSEL)) i in Linienausführung,
ii als Linienarray (z.B. 50 Emitter),
iii als niederdimensionales zweidimensionales Array (z.B. 50x2 Emitter), dadurch ist ein simultaner Beschuss von zwei Mikrolinsen möglich, und/oder
iv als Gaslaser oder Festkörperlaser, welche in ihrer Strahlform auf eine Linie aufgeweitet sind oder werden. b Vertikalemitter mit externem Resonator (englisch: vertical external cavity surface emitting laser (VeCSEL)) i in Linienausführung,
ii als Linienarray und/oder
iii als niederdimensionales zweidimensionales Array (z.B. 50x2 Emitter), dadurch ist ein simultaner Beschuss von zwei Mikrolinsen möglich.
Alternativen beim Spiegel
- Polygonspiegel
- mit verschiedener Anzahl an Flächen und/oder - mit gekrümmten Polygonflächen (abbildende Eigenschaft, z.B. um den Strahl in vertikaler Richtung zu formen).
- Mikrospiegel, z. B. auf Siliziumbasis
- resonant betrieben oder
- statisch betrieben.
Alternativen beim Detektor - APD-Detektor (englisch: avalange photodiode) i als Linienarray (z. B. 50 Einzeldetektoren) und/oder
ii als niederdimensional zweidimensionales Array (z. B. 50 x 2 Detektoren) - SPAD-Detektor (englisch: Single photon counting avalange diode) i als Linienarray (z. B. 50 Einzeldetektoren),
ii als niederdimensional zweidimensionales Array (z. B. 50 x 2 Detektoren) und/oder
iii als ein- oder mehrdimensionaler siliziumbasierte
Fotoelektronenvervielfacher (SiPM : silicium photo multiplyer).
Alternativen bei den Optiken: - Optik 2: i als strahlformende Optik zur Erzeugung einer Laserlinie
ii als telezentrische f-theta Optik zur Erzeugung eines ebene Bildfeldes in der Zwischenebene mit senkrechtem Lichteinfall und konstantem Verhältnis zwischen mechanischem Ablenkwinkel und Bildhebung
iii Kombination der beiden Varianten
- Sende-/Empfangsoptik i als einfache Optik (z. B. 1 bis 3 Einzellinsen) für kleines Sichtfeld (Field of View : FoV) ii als komplexe Optik (z.B. mehr als 3, d.h. ca. 3 bis 8 Einzellinsen) für großes Sichtfeld Mikrolinsenarray a Stablinsen, die den Laserstrahl in einer Richtung aufweiten bzw.
vergrößern i sphärische oder asphärische Elemente,
ii konkave oder konvexe Elemente und/oder
iii beide Seiten des Mikrolinsenarrays gekrümmt (bi-konkav oder bikonvex) oder eine Seite plan ausgeführt (plan-konkav oder plan-konvex) b Ausführung als DOE (diffraktives optisches Element) c Ausführung als Hologramm

Claims

Senderoptik (60) für ein LiDAR-System (1) zum Ausleuchten eines
Sichtfeldes (50) mit Licht,
- mit einer Linienlichtquelle (65-1) zum Erzeugen und Ausgeben von
Primärlicht (57) in Linienform und
- mit einer Ablenkoptik (62), welche
- eine Linsenanordnung (68) in einer Zwischenbildebene (69) der
Ablenkoptik (62) zur Ausgabe empfangenen Primärlichts (52) in das Sichtfeld (50) sowie
- einen eindimensional um eine Achse (64-1) verschwenkbaren
Ablenkspiegel (64) aufweist zur Aufnahme von Primärlicht (57) von der Linienlichtquelle (65-1) und zum Richten des Primärlichts (57) auf die Linsenanordnung (68) und dabei optischen Abbilden der
Linienlichtquelle (65-1) auf die Linsenanordnung (68) derart, dass das Bild der Linienlichtquelle (65-1) bei einer Schwenkbewegung des Ablenkspiegels (63) die Linsenanordnung (68) oder einen Teil davon überstreicht.
Senderoptik (60) nach Anspruch 1 ,
bei welcher die Linsenanordnung (68) aufweist
- eine segmentierte Linsenanordnung, ein Linsenarray, eine Linsenmatrix, ein Mikrolinsenarray, ein Stablinsenarray mit einer Mehrzahl von Stablinsen mit parallelen Stabachsen, insbesondere mit Stabachsen parallel ausgerichtet zu einer Schwenkachse (64-1 ) des
Schwenkspiegels (63),
- ein diffraktives optisches Element, insbesondere ein DOE, und/oder
- ein Hologramm.
Senderoptik (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welcher die Linienlichtquelle (65-1) aufweist
- einen Laser, einen Kantenemitterlaser, einen Oberflächenlaser, einen VCSEL, einen VeCSEL, einen Gaslaser, einen Festkörperlaser und/oder eine Anordnung mit einem beleuchtbaren oder beleuchteten Spalt.
Senderoptik (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welcher der Ablenkspiegel (63) ausgebildet ist
- eine Schwenkbewegung oder eine Rotationsbewegung auszuführen, insbesondere um eine feste Rotationsachse (64-1), in kontinuierlicher Weise und/oder nach Art einer Drehschwingung,
- mit einem Prismenspiegel oder einem Polyederspiegel mit polygonaler Querschnitts- oder Grundfläche,
- mit einer planaren, konvexen und/oder konkaven Spiegelfläche,
- mit einem Mikrospiegel,
- auf Siliziumbasis,
- statisch und/oder resonant betrieben zu werden oder betreibbar zu sein.
Senderoptik (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
welche eine Zwischenbildoptik (70) aufweist, welche ausgebildet ist
- zur Abbildung der Linienlichtquelle (65-1) auf die Linsenanordnung (68),
- als Optik zwischen dem Ablenkspiegel (63) und der Linienlichtquelle (65- 1),
- als Optik zwischen der Linienlichtquelle (65-1) und dem Ablenkspiegel
(63),
- als strahlformende Optik zur Erzeugung einer Linienbeleuchtung auf der Linsenanordnung (68), insbesondere nach Art einer Laserlinie, und/oder
- als telezentrische und/oder f-Theta-Optik zur Erzeugung eines ebenen Bildfeldes in der Zwischenbildebene (69).
Optische Anordnung (10) für ein LiDAR-System (1) zur optischen
Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug,,
- mit einer Senderoptik (60) zum Ausleuchten eines Sichtfeldes (50) mit Primärlicht (57), welche nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist, und
- mit einer Empfängeroptik (30) zum Empfangen von Sekundärlicht (58) aus dem Sichtfeld (50).
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 6, bei welcher die Senderoptik (60) und die Empfängeroptik (30) ausgebildet sind
- mit zumindest teilweise oder abschnittsweise zueinander koaxialen Strahlengängen (31 , 61 ) und
- mit einem Strahlteiler (80) oder ohne Strahlteiler (80) mit einer
Detektoranordnung (20) der Empfängeroptik (30) in unmittelbarer Nachbarschaft zur Linienlichtquelle (65-1) und/oder neben der Linienlichtquelle (65-1 ). 8. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 6,
bei welcher die Senderoptik (60) und die Empfängeroptik (30) mit zueinander biaxialen Strahlengängen ausgebildet sind.
9. LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50),
insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug, mit einer optischen Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
10. Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug,
mit einem LiDAR-System (1) nach Anspruch 9 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).
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