WO2019001882A1 - Optische anordnung einer empfängeroptik und/oder einer senderoptik eines abtastenden lidar-systems, lidar-system sowie arbeitsvorrichtung - Google Patents

Optische anordnung einer empfängeroptik und/oder einer senderoptik eines abtastenden lidar-systems, lidar-system sowie arbeitsvorrichtung Download PDF

Info

Publication number
WO2019001882A1
WO2019001882A1 PCT/EP2018/064136 EP2018064136W WO2019001882A1 WO 2019001882 A1 WO2019001882 A1 WO 2019001882A1 EP 2018064136 W EP2018064136 W EP 2018064136W WO 2019001882 A1 WO2019001882 A1 WO 2019001882A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
image
optical
rotation
unit
deflection unit
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/064136
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Siegwart Bogatscher
Joern Ostrinsky
Stefan Spiessberger
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2019001882A1 publication Critical patent/WO2019001882A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • 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
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • 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
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • 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
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • 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
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms

Definitions

  • the present invention relates to an optical arrangement of a receiver optics and / or a transmitter optics for a scanning Lidar system for the optical detection of a field of view, a lidar system as such and a
  • LiDAR systems In addition to radar-based systems or systems based on ultrasound, light-based detection systems are also increasingly used, e.g. so-called LiDAR systems (English: LiDAR: light detection and ranging). In known LiDAR systems, there is a disadvantage in that
  • the optical arrangement according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that a reliable detection of a field of view is nevertheless ensured with reduced installation space and reduced expansion of a detector arrangement.
  • a receiver optics for a scanning LiDAR system for the optical detection of a field of view which is formed with a rotatable optical deflection unit and with a rotatable image rotation and / or Profumsehraku.
  • the deflection unit is set up under
  • Image rotation or Profumsehraji set to tuned to the rotation of the deflection unit rotation about an axis of rotation of the
  • Image inversion unit output plane perpendicular to the optical path does not rotate.
  • Detector arrangement in particular up to a one-dimensional
  • Image rotation and / or Profumsehrü in addition to the rotatable optical deflection - can be used in reverse order also advantageously or alternatively in an optical arrangement for a transmitter optics for a scanning Lidar system for the optical detection of a field of view.
  • the deflection unit is configured to receive primary light from a first direction of an optical path of the receiver optics while rotating about an axis of rotation (i) via the image rotation or image reversing unit, and (ii) the primary light in a second direction of the optical path of the receiver optics to optically scan into the field of view at an angle other than 0 °.
  • the image rotation and / or image reversing unit is arranged to rotate in accordance with the rotation of the deflection unit A rotation axis of a light source unit received primary light in such a rotated to the deflection to judge that a through the
  • Primary light represented image - in particular a light source in general or a line light source - does not rotate in an output-side plane to the deflection unit perpendicular to the optical path.
  • a stationary and therefore non-rotating line orientation of the imaged light source can be used
  • Illuminating the light field can be used.
  • a prism mirror with multiple mirror surfaces as a rotating mirror is possible.
  • Such a prism mirror has the shape of a prism with polygonal designed base and top surfaces and with square or rectangular side surfaces, which serve as mirror surfaces.
  • the respective axis of rotation of the deflection unit and in particular of a respective rotating mirror aligned parallel to the second direction of the optical path of the deflection, parallel to the direction of the optical path of the image rotation or Jardinumsehrtechnik and / or - in one of 90 ° different angles - in particular of 45 ° - aligned with respect to a respective active mirror surface of a respective rotating mirror.
  • Image reversal unit can be formed in many ways by optical components. Particularly simple conditions arise when according to preferred embodiments of the optical arrangement according to the invention, the image rotation or Jardinumückhrö is formed with a picture-rotating or image-reversing optical prism, in particular a reflection prism,
  • the underlying optical arrangement is formed with a detector arrangement having one or more sensor elements in a line arrangement with a line orientation, which is in particular tuned to one by the deflection unit and / or by the image rotation or Profumledgesappel given orientation of an image.
  • Light source unit with one or more light sources in one
  • Line arrangement and with a line orientation which is particularly adapted to a given by the deflection unit and / or by the image rotation or image reversal orientation of an image to be projected in the field of view.
  • this is formed with a rotation device which is set up for coordinated controllable rotation of the rotatable optical deflection unit and the image rotation or image reversal unit, in particular with opposite dres and / or with a rotation speed of the image rotation or image reversal unit, which is half the rotational speed of the deflection unit.
  • the present invention also relates to a lidar system as such.
  • Receiver optics designed to receive secondary light from the field of view.
  • optical arrangement is formed according to the invention optical arrangement. Particularly advantageous is the common inventive design of the optical arrangements for the receiver optics and for the transmitter optics of the lidar system.
  • the transmitter optics and the receiver optics are designed to be coaxial with each other on the beam output side or beam input side.
  • the transmitter optics and the receiver optics may comprise a common rotatable optical deflection unit and a common image rotation and image reversal unit.
  • the transmitter optics and the receiver optics are formed completely biaxially relative to one another.
  • the transmitter optics and the receiver optics may comprise mutually separate rotatable optical deflection units and / or separate image rotation and image reversal units.
  • a working device and in particular a vehicle are provided, which are formed with an inventively designed lidar system for the optical detection of a field of view.
  • Embodiment of the optical arrangement according to the invention in connection with an embodiment of a LiDAR system according to the invention shows.
  • FIGS 2 to 4 show schematically the structure and the mode of action
  • Figure 5 shows a schematic side view of a
  • Receiver optics of a lidar system shows a schematic side view of an optical arrangement according to the invention for a transmitter optics of a lidar system.
  • FIGS 7 to 9 show schematically the structure and operation of an optical arrangement according to the invention, which can be used in lidar systems and their receiver optics or transmitter optics.
  • Figure 1 shows in the form of a schematic block diagram a
  • the LiDAR system 1 according to FIG. 1 has a transmitter optics 60 with an optical arrangement 10S according to the invention, which differs from a
  • Light source unit 65 e.g. is fed with a laser as a line light source 65-1 with line orientation 65-2, and generates primary light 57 - possibly after passing through a beam shaping optics 66 - into a field of view 50 for detecting and / or investigating a scene 53 and an object 52 located there.
  • the LiDAR system 1 according to FIG. 1 has a receiver optics 30 with an optical arrangement 10E according to the invention which receives light and, in particular, light reflected by the object 52 in the field of view 50 as the secondary light 58 via a lens 34 as primary optics and via a detector optics 35 as Secondary optics to a detector array 20 with detector or
  • control of the light source unit 65 and the detector arrangement 20 via control lines 42 and 41 by means of a control and evaluation unit 40th
  • the common visual field-side deflection optics 62 can be regarded as part of a primary optics 34 of the receiver optics 30 and has the inventive design of the optical arrangement 10 with a deflection mirror 63 and with a corresponding image rotation and / or Profumsehrtechnik 80, which are shown purely schematically in Figure 1 ,
  • an aperture optics 70 for suitably outputting the primary light 57 and for receiving the secondary light 58 in bundling fashion.
  • the detector arrangement 20 may be formed with one or more sensor elements 22, which may also be arranged according to the line orientation 65-2 of the line light source 65-1 in the manner of a line detector and have a corresponding line orientation 25-2.
  • the optical arrangement 10 is designed for a LiDAR system 1 for the optical detection of a field of view 50, in particular for a working device, a vehicle or the like, and is formed with a transmitter optics 60 for emitting a transmission light signal in the field of view 50, a detector array 20 and a Receiver optics 30 for optically imaging the field of view 50 on the detector assembly 20th
  • the receiver optics 30 and the transmitter optics 60 are visible in the field of view
  • Substantially coaxial optical axes or optical paths 31 and 61 are formed and have a common deflection optics 62.
  • the receiver optics 30 has a secondary optics 35 on the detector side, which is embodied and comprises means for directing light incident on the deflector 62 from the field of view 50 to the detector arrangement 20 in an inherent manner.
  • the transmitter optics 60 is generally formed and has means for emitting primary light 57 into the field of view 50.
  • the receiver optics 30 are formed and have means for optically imaging the field of view 50 on the
  • FIGS 2 to 4 show schematically the structure and operation of conventional optical assemblies 10 ', 10E', 10S ', which can be conventionally used in lidar systems V.
  • the reference numbers in parentheses in each case refer to one
  • secondary light 58 from the field of view 50 containing the scene 53 along the optical path 31 is first incident on the individual deflection mirror 63 of the deflection unit 62, which surrounds one
  • Rotation axis 100 is rotated and is oriented at an angle of 45 ° with its surface normal to the alignment of the optical path 31.
  • the secondary light 58 is directed to the plane of the detector assembly 20 to be detected there.
  • FIGS. 3 and 4 show a schematic and perspective view of the arrangement of a conventional lidar system V shown in FIG. 2.
  • Two positions of the deflection mirror 63 can be seen, which are occupied by rotation about the axis 100 at different times. Due to the rotation of the deflection mirror 63, different orientations 25-2 of the image 25-1 of the line light source 65-1 in the xy plane, which is aligned parallel to the plane of the detector arrangement 20, result.
  • the image 25-1 is aligned with an orientation 25-2 parallel to the y-axis.
  • the image 25-1 of the line light source 65-1 is aligned with an orientation 24-2 parallel to the x-axis.
  • a corresponding rotation of the image 25-1 takes place, so that in the plane of the
  • Detector assembly 20 of Figure 25-1 is swept over a surface, whereby a planar extended detector array 20 is required.
  • FIG. 5 shows a schematic side view of an optical arrangement 10E according to the invention for a receiver optics 30 of a lidar system 1 according to the invention.
  • the rotation of the deflection mirror 63 of the rotatable deflection unit 62 and the rotatable image rotation and / or Profumsehrtechnik 80 are coordinated so that when imaging from the scene 53 of the field of view 50, the orientation 25-2 of the image in the plane of the detector array 20 rests and does not rotate.
  • line-like archetypes in the detector plane also appear linear and at rest, and it is not extensive
  • Detector assembly 20 required. A line detector is sufficient, which saves installation space costs.
  • Figure 6 shows a schematic side view of a corresponding
  • Optical system 10S according to the invention for a transmitter optics 60 of a lidar system 1 according to the invention.
  • primary light 57 is first transmitted via the beam shaping optics 66 through the rotatable image rotation and / or image reversing unit 80, optionally again in the sense of a rotatable reflection prism 81, and then through the deflection unit 62 coordinated in its rotation is sent with a rotatable deflecting mirror 63 with rotation axis 100, whereby the primary light 57 is directed into the scene 53 of the field of view 50.
  • the coordinated rotation of the image rotation and / or image reversing unit 80 and the deflection unit 62 ensures that a
  • Line orientation 65-2 of the line light source 65-1 remains fixed in the field of view 50, that is, the image of the line light source 65-1 does not rotate in the field of view.
  • FIGS. 7 to 9 show diagrammatically the construction and mode of operation of an optical arrangement 10E, 10S according to the invention which can be used in lidar systems 1 and their receiver optics 30 or transmitter optics 60.
  • the present invention relates to scanning or scanning LiDAR systems 1 which use a rotating optical element to achieve spatial resolution.
  • the present invention is particularly concerned with improvements of a second approach. This avoids the disadvantages of the first approach, in that only a beam deflection optics with a deflection unit rotates to achieve a spatial resolution, wherein at least the detector is stationary.
  • the present invention also relates in particular to lidar systems 1, in which the received light as secondary light 58 strikes the deflection unit 62 at an angle of approximately 45 °, which deflects the light onto a detector 20.
  • the laser beam is emitted preferably as a primary light 57 spatially in a line. Due to the line illumination, a spatial resolution can be achieved on the receiving side via an imaging optical system and a suitable detector array 20 be realized, as shown in connection with Figure 2, in which case the imaging optics is not shown explicitly.
  • the line will conventionally be at the location of the detector array 20 depending on the viewing direction
  • a key aspect of the present invention is the insertion of a image-rotating prism after the beam deflection on the receiver side in the receiver optics 30, ie in the detection path 31 of the receiver optics 30 of a LiDAR system 1, in which only one beam deflection unit rotates and consequently a laser as the light source 65-1 of a light source unit 65 and the detector array 20 detector remain stationary and do not rotate.
  • the rotational speed of the image-rotating prism is in
  • a lidar system 1 can be realized with a detector row 20 instead of a complex and areally extended detector array, which reduces the manufacturing costs and the system complexity.
  • Elements used include, for example, a Schmidt-Pechan prism, an Amici prism, a Porro prism, Abbe-King prism.
  • the basic structure is shown in FIG. 1
  • the laser beam reflected at the target or object 52 in the scene 53 of the field of view 50 is deflected as secondary light 58 through 90 ° by a deflection mirror 63.
  • the image rotating in this process is stabilized by a likewise rotating image-rotating prism 81, here in the form of a dove prism.
  • a subsequent objective 35, together with a detector row 20, provides spatial resolution.
  • an image-rotating prism is inserted as an additional core element after the deflection mirror, as also shown in connection with FIG.
  • the dove prism 81 must in the present case with the half
  • an imaging optic is advantageously used. This is preferably introduced between detector 20 and image-rotating prism 81. However, this could also be placed elsewhere in the beam path 31.
  • the deflecting mirror 63 could have a plurality of mirror surfaces, like a symmetrical prism having a polygonal cross-sectional area. This has the advantage that an image section can be evaluated more often during one revolution of the deflection mirror, for example four times. The field of view is also reduced, for example by a factor of four as well.
  • this invention could - for example, in a coaxial concept with beam splitter - can be used to prevent rotation of the emitted line.
  • Figure 2 shows a side view of the detection path 31 of the receiver optics 30 of a scanning or scanning LiDAR system V of conventional type.
  • the deflection unit 62 rotates, the detector arrangement 20 does not rotate.
  • Figures 3 and 4 show the conventional detection of a line over a 45 ° mirror 63 in a detection direction at 0 ° in Figure 3 and at 90 ° in Figure 4.
  • the received at the detector array 20 line is through the
  • Deflection unit 62 is rotated, as can be seen from the enlargements in Figures 3 and 4.
  • Figures 5 and 6 show a schematic and partially sectioned side view of the basic structure of a receiver optics 30 and a transmitter optics 60 with beam path 31 and 61 according to the present invention.
  • FIG. 7 shows a side view of the detection path 31 of the receiver optics 30 of a scanning or scanning LiDAR system 1 with Dove prism configured according to the invention.
  • Figures 8 and 9 describe in an analogous manner as Figures 3 and 4 in a conventional lidar system V according to the invention made detection of a line over a 45 ° mirror 63 in a detection direction at 0 ° in Figure 8 and at 90 ° in Figure 9, wherein by the invention additionally formed Dove prism 81 at half the rotational speed of Deflection mirror 63, the image rotation is compensated. That at the
  • Detector array 20 received image of the line appears under the

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung (10, 10E) einer Empfängeroptik (30) bzw. für eine Senderoptik (60) für ein abtastendes LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), mit einer rotierbaren optischen Ablenkeinheit (62) und mit einer rotierbaren Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80). Bei der Empfängeroptik (30) ist die Ablenkeinheit (62) eingerichtet, unter Rotation um eine Rotationsachse (100) (i) Sekundärlicht (58) aus dem Sichtfeld (50) aus einer ersten Richtung eines optischen Pfades (31) der Empfängeroptik (30) abtastend optisch zu erfassen und (ii) das Sekundärlicht (58) in eine zweite Richtung des optischen Pfades (31 ) der Empfängeroptik (30) in einem von 0° verschiedenen Winkel zur Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80) zu richten. Die optische Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80) ist eingerichtet, unter auf die Rotation der Ablenkeinheit (62) abgestimmter Rotation um eine Rotationsachse (100) von der Ablenkeinheit (62) empfangenes Sekundärlicht (58) derart bildgedreht in eine Richtung des optischen Pfades (31) der Empfängeroptik (30) zu richten, dass sich ein durch das Sekundärlicht (58) repräsentiertes Bild (25-1) in einer zur Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80) ausgangsseitigen Ebene senkrecht zum optischen Pfad (31) nicht dreht.

Description

Beschreibung
Titel
Optische Anordnung einer Empfängeroptik und/oder einer Senderoptik eines abtastenden Lidar-Systems, Lidar-System sowie Arbeitsvorrichtung
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung einer Empfängeroptik und/oder einer Senderoptik für ein abtastendes 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 vermehrt auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-Systeme (englisch: LiDAR : light detection and ranging). Bei bekannten LiDAR-Systemen besteht ein Nachteil dahingehend, dass bei
Verwendung einer rotierenden Optik zum Abtasten des Sichtfeldes das einlaufende Linienbild nach Durchlaufen des optischen Pfades der
Empfängeroptik das projizierte Bild in der Ebene der Detektoranordnung ebenfalls rotiert ist. Für eine sichere Detektion ist daher eine flächenmäßig stärker ausgedehnte Detektoranordnung erforderlich. Dies erhöht den Bauraum und die Kosten eines zu Grunde liegenden Lidar-Systems.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße optische Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei reduziertem Bauraum und verringerter Ausdehnung einer Detektoranordnung dennoch eine zuverlässige Erfassung eines Sichtfeldes gewährleistet ist. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass eine optische
Anordnung einer Empfängeroptik für ein abtastendes LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes geschaffen wird, welche ausgebildet ist mit einer rotierbaren optischen Ablenkeinheit und mit einer rotierbaren Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit. Dabei ist die Ablenkeinheit dazu eingerichtet, unter
Rotation um eine Rotationsachse (i) Sekundärlicht aus dem zu Grunde liegenden Sichtfeld aus einer ersten Richtung eines optischen Pfads der Empfängeroptik abtastend optisch zu erfassen und (ii) das Sekundärlicht in eine zweite Richtung des optischen Pfads der Empfängeroptik in einem von 0° verschiedenen Winkel zur Bilddreh- oder Bildumkehreinheit zu richten. Des Weiteren ist die optische
Bilddreh- oder Bildumkehreinheit dazu eingerichtet, unter auf die Rotation der Ablenkeinheit abgestimmter Rotation um eine Rotationsachse von der
Ablenkeinheit empfangenes Sekundärlicht derart bildgedreht in eine Richtung des optischen Pfades der Empfängeroptik zu richten, dass sich ein durch das Sekundärlicht repräsentiertes Bild in einer zur Bilddreh- und/oder
Bildumkehreinheit ausgangsseitigen Ebene senkrecht zum optischen Pfad nicht dreht. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird also eine Abstimmung der Rotation der Ablenkeinheit im Verhältnis zur Rotation der Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit derart geschaffen, dass sich beide Rotationen kompensieren und das Bild in der Detektorebene ruht und sich nicht dreht. Dies ermöglicht eine
Reduktion der flächenmäßigen Ausdehnung einer zu Grunde liegenden
Detektoranordnung, insbesondere bis hin zu einem eindimensional
ausgestalteten Liniendetektor. Dadurch werden Bauraum und Kosten reduziert. Das erfindungsgemäße Konzept - nämlich das Vorsehen einer rotierbaren
Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit zusätzlich zur rotierbaren optischen Ablenkeinheit - kann im Umkehrschluss auch in vorteilhafter Weise alternativ oder zusätzlich in einer optischen Anordnung für eine Senderoptik für ein abtastendes Lidar-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes eingesetzt werden. In diesem Fall ist die Ablenkeinheit dazu eingerichtet, unter Rotation um eine Rotationsachse (i) über die Bilddreh- oder Bildumkehreinheit Primärlicht aus einer ersten Richtung eines optischen Pfades der Empfängeroptik aufzunehmen und (ii) das Primärlicht in eine zweite Richtung des optischen Pfades der Empfängeroptik in einem von 0° verschiedenen Winkel optisch abtastend in das Sichtfeld zu richten. Ferner ist gemäß dieser alternativen Sichtweise der vorliegenden Erfindung die Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit dazu eingerichtet, unter auf die Rotation der Ablenkeinheit abgestimmter Rotation um eine Rotationsachse von einer Lichtquelleneinheit empfangenes Primärlicht derart bildgedreht zur Ablenkeinheit zu richten, dass sich ein durch das
Primärlicht repräsentiertes Bild - insbesondere einer Lichtquelle allgemein oder einer Linienlichtquelle - in einer zur Ablenkeinheit ausgangsseitigen Ebene senkrecht zum optischen Pfad nicht dreht. Entsprechend kann bei einer Linienausleuchtung des zu Grunde liegenden Sichtfeldes eine ruhende und sich also nicht drehende Linienorientierung der abgebildeten Lichtquelle zum
Ausleuchten des Lichtfeldes genutzt werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen
Anordnungen kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die jeweilige rotierbare optische Ablenkeinheit einen planaren Drehspiegel mit einer
Spielfläche aufweist.
Alternativ dazu ist die Verwendung eines Prismenspiegels mit mehreren Spiegelflächen als Drehspiegel möglich. Ein derartiger Prismenspiegel hat die Form eines Prismas mit polygonal ausgestalteten Grund- und Deckelflächen und mit quadratischen oder rechteckigen Seitenflächen, die als Spiegelflächen dienen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist die jeweilige Rotationsachse der Ablenkeinheit und insbesondere eines jeweiligen Drehspiegels parallel ausgerichtet zur zweiten Richtung des optischen Pfades der Ablenkeinheit, parallel ausgerichtet zur Richtung des optischen Pfades der Bilddreh- oder Bildumkehreinheit und/oder - in einem von 90° verschiedenen Winkel - insbesondere von 45° - ausgerichtet in Bezug auf eine jeweilige aktive Spiegelfläche eines jeweiligen Drehspiegels.
Die der Erfindung jeweils zu Grunde liegende Bilddreh- und/oder
Bildumkehreinheit kann auf vielfältige Weise durch optische Komponenten gebildet werden. Besonders einfache Verhältnisse stellen sich ein, wenn gemäß bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung die Bilddreh- oder Bildumkehreinheit ausgebildet ist mit - einem bilddrehenden oder bildumkehrenden optischen Prisma, insbesondere Reflexionsprisma,
- einem optischen Umkehrprisma,
- einem Doveprisma,
- einem Schmidt-Pechan-Prisma,
- einem Amici-Prisma,
- einem Porro-Prisma und/oder
- einem Abbe-König-Prisma.
Im Zusammenhang mit Empfängeroptiken für Lidar-Systeme ist es von besonderem Vorteil, wenn die zu Grunde liegende optische Anordnung ausgebildet ist mit einer Detektoranordnung mit einem oder mit mehreren Sensorelementen in einer Linienanordnung mit einer Linienorientierung, welche insbesondere abgestimmt ist auf eine durch die Ablenkeinheit und/oder durch die Bilddreh- oder Bildumkehreinheit gegebene Orientierung eines Bildes.
Entsprechend ist es bei einer Senderoptik besonders vorteilhaft, wenn die jeweils zu Grunde liegende optische Anordnung ausgebildet ist mit einer
Lichtquelleneinheit mit einer oder mit mehreren Lichtquellen in einer
Linienanordnung und mit einer Linienorientierung, welche insbesondere abgestimmt ist auf eine durch die Ablenkeinheit und/oder durch die Bilddrehoder Bildumkehreinheit gegebene Orientierung eines in das Sichtfeld zu projizierenden Bildes.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist diese ausgebildet mit einer Rotationseinrichtung, welche zur abgestimmten steuerbaren Rotation der rotierbaren optischen Ablenkeinheit und der Bilddreh- oder Bildumkehreinheit eingerichtet ist, insbesondere mit entgegengesetztem Dresen und/oder mit einer Rotationsgeschwindigkeit der Bilddreh- oder Bildumkehreinheit, welche die Hälfte der Rotationsgeschwindigkeit der Ablenkeinheit ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Lidar-System als solches.
Dieses ist zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug eingerichtet und dazu mit einer Senderoptik zum Ausleuchten eines Sichtfeldes mit Primärlicht sowie mit einer
Empfängeroptik zum Empfangen von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld ausgebildet.
Dabei können die Empfängeroptik oder die Senderoptik mit einer
erfindungsgemäßen optischen Anordnung ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist die gemeinsame erfindungsgemäße Ausgestaltung der optischen Anordnungen für die Empfängeroptik und für die Senderoptik des Lidar-Systems.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lidar- Systems sind die Senderoptik und die Empfängeroptik strahlausgangsseitig bzw. strahleingangsseitig koaxial zueinander ausgebildet sind.
Zusätzlich oder alternativ können die Senderoptik und die Empfängeroptik eine gemeinsame rotierbare optische Ablenkeinheit und eine gemeinsame Bilddreh- und Bildumkehreinheit aufweisen.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lidar- Systems sind die Senderoptik und die Empfängeroptik vollständig biaxial zueinander ausgebildet.
Ferner können die Senderoptik und die Empfängeroptik voneinander getrennte rotierbare optische Ablenkeinheiten und/oder voneinander getrennte Bilddreh- und Bildumkehreinheiten aufweisen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug geschaffen, welche mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Lidar-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ausgebildet sind.
Kurzbeschreibung der Figuren Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. ist ein Blockdiagramm, welches schematisch eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung im Zusammenhang mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems zeigt.
Figuren 2 bis 4 zeigen schematisch den Aufbau und die Wirkungsweise
herkömmlicher optischer Anordnungen, die bei Lidar-Systemen verwendet werden können.
Figur 5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen optischen Anordnung für eine
Empfängeroptik eines Lidar-Systems. zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung für eine Senderoptik eines Lidar-Systems.
Figuren 7 bis 9 zeigen schematisch den Aufbau und die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung, die bei Lidar- Systemen und deren Empfängeroptik bzw. Senderoptik verwendet werden können.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 9
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 Senderoptik 60 mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10S auf, welche von einer
Lichtquelleneinheit 65, z.B. mit einem Laser als Linienlichtquelle 65-1 mit Linienorientierung 65-2, gespeist wird und Primärlicht 57 erzeugt - ggf. nach Durchlaufen einer Strahlformungsoptik 66 - in ein Sichtfeld 50 zur Erfassung und/oder Untersuchung einer Szene 53 und eines dort befindlichen Objekts 52 aussendet.
Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 gemäß Figur 1 eine Empfängeroptik 30 mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10E auf, welche Licht und insbesondere vom Objekt 52 im Sichtfeld 50 reflektiertes Licht als Sekundärlicht 58 über ein Objektiv 34 als Primäroptik empfängt und über eine Detektoroptik 35 als Sekundäroptik an eine Detektoranordnung 20 mit Detektor- oder
Sensorelementen 22 überträgt.
Die Steuerung der Lichtquelleneinheit 65 sowie der Detektoranordnung 20 erfolgt über Steuerleitungen 42 bzw. 41 mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 40.
Die gemeinsame sichtfeldseitige Ablenkoptik 62 kann als Teil einer Primäroptik 34 der Empfängeroptik 30 aufgefasst werden und weist die erfindungsgemäße Ausgestaltung der optischen Anordnung 10 mit einem Umlenkspiegel 63 und mit einer entsprechenden Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80 auf, die in Figur 1 rein schematisch dargestellt sind.
Optional und vorteilhaft ist das sichtfeldseitige Vorsehen einer Aperturoptik 70 zum geeigneten Ausgeben des Primärlichts 57 und zum bündelnden Empfangen des Sekundärlichts 58.
Die Detektoranordnung 20 kann mit einem oder mehreren Sensorelementen 22 ausgebildet sein, welche auch entsprechend der Linienorientierung 65-2 der Linienlichtquelle 65-1 nach Art eines Liniendetektors angeordnet sein können und eine entsprechende Linienorientierung 25-2 aufweisen. Die optische Anordnung 10 ist ausgebildet für ein LiDAR-System 1 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes 50, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, und ist ausgebildet mit einer Senderoptik 60 zum Aussenden eines Sendelichtsignals in das Sichtfeld 50, einer Detektoranordnung 20 und einer Empfängeroptik 30 zum optischen Abbilden des Sichtfeldes 50 auf die Detektoranordnung 20.
Die Empfängeroptik 30 und die Senderoptik 60 sind sichtfeldseitig mit im
Wesentlichen koaxialen optischen Achsen oder optischen Pfaden 31 bzw. 61 ausgebildet und weisen eine gemeinsame Ablenkoptik 62 auf.
Die Empfängeroptik 30 weist detektorseitig eine Sekundäroptik 35 auf, welche ausgebildet ist und Mittel umfasst, über die Ablenkoptik 62 aus dem Sichtfeld 50 einfallendes Licht inhärent auf die Detektoranordnung 20 zu richten.
Bei der optischen Anordnung 10 ist die Senderoptik 60 allgemein ausgebildet und weist Mittel auf zum Aussenden von Primärlicht 57 in das Sichtfeld 50.
Ferner ist bei der optischen Anordnung 10 die Empfängeroptik 30 ausgebildet und weist Mittel auf zum optischen Abbilden des Sichtfeldes 50 auf die
Detektoranordnung 20.
Kernaspekte der vorliegenden Erfindung sind in Figur 1 rein schematisch dargestellt. Diese bestehen insbesondere aus dem Vorsehen der rotierbaren optischen Ablenkeinheit 62 und insbesondere eines rotierbaren Ablenkspiegels 63 sowie des Vorsehens der optischen Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80, die zu einer auf einander abgestimmten Rotation antreibbar sind, insbesondere mittels einer Rotationseinrichtung, so dass durch Abstimmen der Rotation ein in das Sichtfeld 50 über das Primärlicht 57 projiziertes Bild der Linienlichtquelle 65- 1 der Senderoptik 60 bzw. das aus dem Sichtfeld 50 erfasste Bild trotz der Rotation des abtastenden Ablenkspiegels 63 im Sichtfeld 50 bzw. in der Ebene der Detektoranordnung 20 nicht rotiert.
Figuren 2 bis 4 zeigen schematisch den Aufbau und die Wirkungsweise herkömmlicher optische Anordnungen 10', 10E', 10S', die bei Lidar-Systemen V herkömmlicherweise verwendet werden können. Die Bezugszeichen in Klammern beziehen sich dabei jeweils auf eine
herkömmliche Senderoptik 60', die übrigen Bezugszeichen beziehen sich auf eine herkömmliche Empfängeroptik 30'.
Bei einer herkömmlichen Empfängeroptik 30' fällt Sekundärlicht 58 aus dem die Szene 53 enthaltenden Sichtfeld 50 entlang des optischen Pfad 31 zunächst auf den einzelnen Ablenkspiegel 63 der Ablenkeinheit 62, der um eine
Rotationsachse 100 rotiert wird und der in einem Winkel von 45° mit seiner Flächennormalen zur Ausrichtung des optischen Pfad 31 orientiert ist. Durch Reflexion an der Spiegelfläche des Ablenkspiegels 63 wird das Sekundärlicht 58 auf die Ebene der Detektoranordnung 20 gerichtet, um dort detektiert zu werden.
Die Figuren 3 und 4 geben eine schematische und perspektivische Ansicht der in Figur 2 gezeigten Anordnung eines herkömmlichen Lidar-Systems V. Es sind 2 Stellungen des Ablenkspiegels 63 zu erkennen, die durch Rotation um die Achse 100 zu verschiedenen Zeiten eingenommen werden. Aufgrund der Rotation des Ablenkspiegels 63 ergeben sich unterschiedliche Orientierungen 25-2 des Bildes 25-1 der Linienlichtquelle 65-1 in der xy-Ebene, welche parallel ausgerichtet ist zur Ebene der Detektoranordnung 20.
In der in Figur 3 dargestellten Situation ist das Bild 25-1 mit einer Orientierung 25-2 parallel zur y-Achse ausgerichtet. Bei der in Figur 4 dargestellten Situation ist das Bild 25-1 der Linienlichtquelle 65-1 mit einer Orientierung 24-2 parallel zur x-Achse ausgerichtet. Bei der Rotation des Ablenkspiegels 63 erfolgt eine entsprechende Rotation des Bildes 25-1 , so dass in der Ebene der
Detektoranordnung 20 vom Bild 25-1 eine Fläche überstrichen wird, wodurch eine flächenhaft ausgedehnte Detektoranordnung 20 erforderlich wird.
Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß vermieden.
Figur 5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10E für eine Empfängeroptik 30 eines erfindungsgemäßen Lidar-Systems 1 .
Zusätzlich zu den in den Figuren 2 bis 4 dargestellten herkömmlicherweise vorgesehenen optischen Elementen ist der Ablenkeinheit 62 und dem um die Drehachse 100 rotierbaren Ablenkspiegel 63 optisch nachgeschaltet eine Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80, zum Beispiel nach Art eines rotierbaren Reflexionprismas 81 , ausgebildet. Erfindungsgemäß sind im Betrieb die Rotation des Ablenkspiegels 63 der rotierbaren Ablenkeinheit 62 und der rotierbaren Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80 so aufeinander abgestimmt, dass bei der Abbildung aus der Szene 53 des Sichtfeldes 50 die Orientierung 25-2 des Bildes in der Ebene der Detektoranordnung 20 ruht und nicht rotiert. Durch diese Maßnahme erscheinen linienhafte Urbilder in der Detektorebene ebenfalls linienhaft und in Ruhe und es ist keine flächenartige ausgedehnte
Detektoranordnung 20 erforderlich. Ein Liniendetektor ist ausreichend, wodurch Bauraumkosten gespart werden.
Figur 6 zeigt entsprechend eine schematische Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10S für eine Senderoptik 60 eines erfindungsgemäßen Lidar-Systems 1 .
Von der Lichtquelleneinheit 65 mit mindestens einer Linienlichtquelle 64-1 ausgehend wird Primärlicht 57 über die Strahlformungsoptik 66 zunächst durch die rotierbare Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80, gegebenenfalls wieder im Sinne eines rotierbaren Reflexionprismas 81 , und dann durch die in ihrer Rotation abgestimmte Ablenkeinheit 62 mit einem rotierbaren Ablenkspiegel 63 mit Rotationsachse 100 geschickt, wodurch das Primärlicht 57 in die Szene 53 des Sichtfeldes 50 gerichtet wird.
Erfindungsgemäß wird durch die abgestimmte Rotation der Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80 und der Ablenkeinheit 62 erreicht, dass eine
Linienorientierung 65-2 der Linienlichtquelle 65-1 im Sichtfeld 50 ortsfest verbleibt, das heißt das Bild der Linienlichtquelle 65-1 rotiert im Sichtfeld nicht.
Figuren 7 bis 9 zeigen schematisch den Aufbau und die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10E, 10S, die bei Lidar-Systemen 1 und deren Empfängeroptik 30 bzw. Senderoptik 60 verwendet werden können.
Im Ergebnis ist zu erkennen, dass - bei Interpretation der optischen Anordnung 10E als optische Anordnung für eine Empfängeroptik 30 mit optischem Pfad 31 - die Orientierung 25-2 des Bildes 25-1 der Linienlichtquelle 65-1 parallel ausgerichtet bleibt zur y-Richtung, und zwar unabhängig von den in den Figuren 8 und 9 dargestellten Orientierungen des rotierbaren Ablenkspiegels 63.
Bei Interpretation der optischen Anordnung 10S als optische Anordnung für eine Senderoptik 60 ergibt sich, dass das Bild der Orientierung 65-2 der
Linienlichtquelle 65-1 im Sichtfeld 50 trotz der Rotation des Ablenkspiegels 63 um die Drehachse 100 aufgrund der kompensierenden Rotation der Bilddreh- und/oder Bildumkehreinheit 80 nicht rotiert.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere abtastende oder scannende LiDAR-Systeme 1 , welche ein rotierendes optisches Element verwenden, um eine Ortsauflösung zu erzielen.
Bei derartigen LiDAR-Systemen kommen im Wesentlichen zwei Ansätze zum Einsatz.
Beim ersten Ansatz rotiert das gesamte System mit Laserquelle und Detektor. Dies hat den Nachteil, dass eine Leistungsversorgung und eine
Datenübertragung des Elementes bzw. mit dem drehenden Element realisiert werden müssen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit Verbesserungen eines zweiten Ansatzes. Dieser umgeht die Nachteile des ersten Ansatzes, indem zur Erzielung einer Ortsauflösung lediglich eine Strahlablenkungsoptik mit einer Ablenkeinheit rotiert, wobei zumindest der Detektor ortsfest ist.
Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auch auf Lidar-Systeme 1 , bei welchen das empfangene Licht als Sekundärlicht 58 unter einem Winkel von ca. 45° auf die Ablenkeinheit 62 trifft, welche das Licht auf einen Detektor 20 ablenkt.
Des Weiteren wird der Laserstrahl als Primärlicht 57 bevorzugt räumlich in einer Linie ausgesendet. Durch die Linienbeleuchtung kann empfangsseitig über eine abbildende Optik und ein geeignetes Detektorarray 20 eine Ortsauflösung realisiert werden, wie dies im Zusammenhang mit Figur 2 dargestellt ist, wobei hier die abbildende Optik nicht explizit gezeigt wird.
Bei der oben beschriebenen Anordnung wird sich die Linie herkömmlicherweise allerdings am Ort des Detektorarrays 20 je nach Blickrichtung
des Lidar-Systems 1 drehen, wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 dargestellt ist.
Dies hat den Nachteil, dass eine flächenmäßig vergleichsweise große und damit teure Detektoranordnung 20 eingesetzt werden muss.
Es ist somit eine Aufgabe, welche der Erfindung zu Grunde liegt, die
herkömmlicherweise auftretende Drehung der linienförmigen Abbildung auf Detektoranordnung 20 zu verhindern, damit eine flächenmäßig geringer ausgedehnte und damit kostengünstigere Detektoranordnung 20, insbesondere ausgebildet als Zeilendetektor oder als Zeilenarray, kommen kann.
Ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung ist das Einfügen eines bilddrehenden Prismas nach der Strahlablenkung empfangsseitig in der Empfängeroptik 30, also im Detektionspfad 31 der Empfängeroptik 30 eines LiDAR-Systems 1 , bei welchem lediglich eine Strahlablenkungseinheit rotiert und folglich ein Laser ais Lichtquelle 65-1 einer Lichtquelleneinheit 65 und die Detektoranordnung 20 Detektor ortsfest verbleiben und sich nicht mitdrehen.
Die Rotationsgeschwindigkeit des bilddrehenden Prismas wird dabei in
Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit der Ablenkeinheit so gewählt, dass sich die abbildende Linie in der Ebene der Detektoranordnung 20 nicht mehr dreht.
Durch diese Maßnahme kann ein Lidar-System 1 mit einer Detektorzeile 20 anstelle eines komplexen und flächenhaft ausgedehnten Detektorarrays realisiert werden, womit sich die Herstellungskosten sowie die Systemkomplexität reduzieren.
Grundsätzlich können sämtliche bilddrehenden oder bildrotierenden Prismen 81 zur Kompensation eingesetzt werden. Nachfolgend wird an einem konkreten Beispiel unter Verwendung eines Doveprismas 81 die Erfindung beschrieben. Alternativ können neben einem Doveprisma auch andere bildrotierende
Elemente verwendet werden, zum Beispiel ein Schmidt-Pechan-Prisma, ein Amici-Prisma, ein Porro-Prisma, Abbe-König-Prisma.
Der prinzipielle Aufbau ist in Figur 5 dargestellt.
Der am Target oder Objekt 52 in der Szene 53 des Sichtfeldes 50 reflektierte Laserstrahl wird als Sekundärlicht 58 um 90° durch einen Ablenkspiegel 63 abgelenkt.
Die sich bei diesem Vorgang drehende Abbildung wird mit einem sich ebenfalls drehenden bilddrehenden Prisma 81 , hier in Form eines Doveprismas, stabilisiert.
Ein nachfolgendes Objektiv 35 liefert zusammen mit einer Detektorzeile 20 eine Ortsauflösung.
Bei der vorliegenden Erfindung wird also als ein zusätzliches Kernelement nach dem Ablenkspiegel ein bildrotierendes Prisma eingefügt, wie dies auch im Zusammenhang mit Figur 6 gezeigt ist.
Durch eine angepasste Drehgeschwindigkeit dieses Prismas zum Ablenkspiegel 63 kann die Drehung des Bildes aus dem Sichtfeld 50, also insbesondere der Linie, korrigiert werden und es entsteht eine feststehende und nicht rotierende Abbildung, wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 7 und 8 gezeigt ist.
Das Doveprisma 81 muss in dem hier vorliegenden Fall mit der halben
Drehgeschwindigkeit des Ablenkspiegels 63 rotieren, da ein Doveprisma 81 das Bild mit der doppelten Rotationsgeschwindigkeit dreht.
Der hier dargestellte Fall ist zur besseren Verständlichkeit vereinfacht dargestellt. Tatsächlich wird in vorteilhafter Weise noch eine abbildende Optik eingesetzt. Diese wird vorzugsweise zwischen Detektor 20 und bilddrehendem Prisma 81 eingebracht. Allerdings könnte diese auch an anderen Stellen im Strahlengang 31 platziert sein.
Alternativ könnte der Ablenkspiegel 63 mehrere Spiegelflächen besitzen, nach Art eines symmetrischen Prismas mit einer polygonartigen Querschnittsfläche. Dies hat den Vorteil, dass ein Bildausschnitt während eines Umlaufes des Ablenkspiegels öfter ausgewertet werden kann, zum Beispiel vier Mal. Dafür reduziert sich das Sichtfeld ebenfalls, zum Beispiel etwa ebenfalls um einen Faktor vier.
Auch im Sendepfad 61 könnte diese Erfindung - beispielsweise bei einem koaxialen Konzept mit Strahlteiler - verwendet werden, um ein Drehen der ausgesendeten Linie zu verhindern.
Figur 2 zeigt eine Seitenansicht des Detektionspfades 31 der Empfängeroptik 30 eines abtastenden oder scannenden LiDAR-Systems V herkömmlicher Art. Die Ablenkeinheit 62 rotiert, die Detektoranordnung 20 rotiert nicht.
Die Figuren 3 und 4 zeigen die herkömmliche Detektion einer Linie über einen 45°-Spiegel 63 bei einer Detektionsrichtung bei 0° in Figur 3 und bei 90° in Figur 4. Die an der Detektoranordnung 20 empfangene Linie wird durch die
Ablenkeinheit 62 gedreht, wie dies auch aus den Vergrößerungen in den Figuren 3 und 4 hervorgeht.
Die Figuren 5 und 6 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht den prinzipiellen Aufbau einer Empfängeroptik 30 und einer Senderoptik 60 mit Strahlengang 31 bzw. 61 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Figur 7 zeigt eine Seitenansicht des Detektionspfades 31 der Empfängeroptik 30 eines erfindungsgemäß ausgestalteten abtastenden oder scannenden LiDAR- Systems 1 mit Doveprisma.
Die Figuren 8 und 9 beschreiben in analoger Weise wie die Figuren 3 und 4 bei einem herkömmlichen Lidar-System V die erfindungsgemäß vorgenommene Detektion einer Linie über einen 45°-Spiegel 63 bei einer Detektionsrichtung bei 0° in Figur 8 und bei 90° in Figur 9, wobei durch das erfindungsgemäß zusätzlich ausgebildete Doveprisma 81 unter halber Rotationsgeschwindigkeit des Ablenkspiegels 63 die Bilddrehung kompensiert wird. Das an der
Detektoranordnung 20 empfangene Bild der Linie erscheint unter der
Gesamtabbildung in der Empfängeroptik 30 trotz der rotierenden Ablenkeinheit 62 ortsfest und nicht gedreht, wie dies auch in den in den Figuren 8 und 9 eingefügten Vergrößerungen gezeigt ist.

Claims

Ansprüche
1 . Optische Anordnung (10, 10E) einer Empfängeroptik (30) für ein
abtastendes LiDAR-System (1 ) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), mit
- einer rotierbaren optischen Ablenkeinheit (62) und
- einer rotierbaren Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80),
wobei
- die Ablenkeinheit (62) eingerichtet ist, unter Rotation um eine
Rotationsachse (100) (i) Sekundärlicht (58) aus dem Sichtfeld (50) aus einer ersten Richtung eines optischen Pfades (31 ) der Empfängeroptik
(30) abtastend optisch zu erfassen und (ii) das Sekundärlicht (58) in eine zweite Richtung des optischen Pfades (31 ) der Empfängeroptik (30) in einem von 0° verschiedenen Winkel zur Bilddreh- oder
Bildumkehreinheit (80) zu richten und
- die optische Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80) eingerichtet ist, unter auf die Rotation der Ablenkeinheit (62) abgestimmter Rotation um eine Rotationsachse (100) von der Ablenkeinheit (62) empfangenes
Sekundärlicht (58) derart bildgedreht in eine Richtung des optischen Pfades (31 ) der Empfängeroptik (30) zu richten, dass sich ein durch das Sekundärlicht (58) repräsentiertes Bild (25-1 ) in einer zur Bilddreh- oder
Bildumkehreinheit (80) ausgangsseitigen Ebene senkrecht zum optischen Pfad (31 ) nicht dreht.
2. Optische Anordnung (10, 10E) einer Senderoptik (60) für ein abtastendes LiDAR-System (1 ) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), mit
- einer rotierbaren optischen Ablenkeinheit (62) und
- einer rotierbaren Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80),
wobei
- die Ablenkeinheit (62) eingerichtet ist, unter Rotation um eine
Rotationsachse (100) (i) über die Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80)
Primärlicht (57) aus einer ersten Richtung eines optischen Pfades (61 ) der Senderoptik (60) aufzunehmen und (ii) das Primärlicht (57) in eine zweite Richtung des optischen Pfades (61 ) der Senderoptik (60) in einem von 0° verschiedenen Winkel optisch abtastend in das Sichtfeld (50) zu richten und
- die Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80) eingerichtet ist, unter auf die Rotation der Ablenkeinheit (62) abgestimmter Rotation um eine
Rotationsachse (100) von einer Lichtquelleneinheit (65) empfangenes Primärlicht (57) derart bildgedreht zur Ablenkeinheit (62) zu richten, dass sich ein durch das Primärlicht (57) repräsentiertes Bild in einer zur Ablenkeinheit (62) ausgangsseitigen Ebene senkrecht zum optischen Pfad (61 ) nicht dreht.
Optische Anordnung (10, 10E, 10S) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher
- die rotierbare optische Ablenkeinheit (62)
- einen planaren Drehspiegel (63) mit einer Spielfläche oder
- einen Prismenspiegel mit mehreren Spiegelflächen als Drehspiegel (63)
aufweist und/oder
- die Rotationsachse der Ablenkeinheit (62) und insbesondere eines jeweiligen Drehspiegels (63)
- parallel ausgerichtet ist zur zweiten Richtung des optischen Pfades (31 ) der Ablenkeinheit (62),
- parallel ausgerichtet ist zur Richtung des optischen Pfades (61 ) der Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80) und/oder
- in einem von 90° verschiedenen Winkel - insbesondere von 45° - ausgerichtet ist in Bezug auf eine aktive Spiegelfläche eines jeweiligen Drehspiegels (63).
Optische Anordnung (10, 10E, 10S) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80) ausgebildet ist mit
- einem bilddrehenden oder bildumkehrenden optischen Prisma (81 ), insbesondere Reflexionsprisma,
- einem optischen Umkehrprisma,
- einem Doveprisma (81 ),
- einem Schmidt-Pechan-Prisma,
- einem Amici-Prisma, einem Porro-Prisma und/oder
einem Abbe-König-Prisma.
Optische Anordnung (10, 10E, 10S) nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern rückbezogen auf Anspruch 1 ,
mit einer Detektoranordnung (20) mit einem oder mit mehreren
Sensorelementen (22) in einer Linienanordnung mit einer
Linienorientierung (22-2), welche insbesondere abgestimmt ist auf eine durch die Ablenkeinheit (62) und/oder durch die Bilddreh- oder
Bildumkehreinheit (80) gegebene Orientierung (25-2) eines Bildes (25-1 ).
Optische Anordnung (10, 10E, 10S) nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern rückbezogen auf Anspruch 2,
mit einer Lichtquelleneinheit (65) mit einer oder mit mehreren Lichtquellen (65-1 ) in einer Linienanordnung mit einer Linienorientierung (65-2), welche insbesondere abgestimmt ist auf eine durch die Ablenkeinheit (62) und/oder durch die Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80) gegebene Orientierung (25-2) eines in das Sichtfeld (50) zu projizierenden Bildes (25-
1 )-
Optische Anordnung (10, 10E, 10S) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
mit einer Rotationseinrichtung, welche zur abgestimmten steuerbaren Rotation der rotierbaren optischen Ablenkeinheit (62) und der Bilddrehoder Bildumkehreinheit (80) eingerichtet ist, insbesondere mit
entgegengesetztem Drehsinn und/oder mit einer Rotationsgeschwindigkeit der Bilddreh- oder Bildumkehreinheit (80), welche die Hälfte der
Rotationsgeschwindigkeit der Ablenkeinheit (62) ist.
Lidar-System (1 ) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50) und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug,
- mit einer Senderoptik (60) zum Ausleuchten eines Sichtfeldes (50) mit Primärlicht (57) und
- mit einer Empfängeroptik (30) zum Empfangen von Sekundärlicht (58) aus dem Sichtfeld (50),
- bei welcher - die Empfängeroptik (30) mit einer optischen Anordnung (10, 10E) nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 9 jeweils rückbezogen auf Anspruch 1 und/oder
- die Senderoptik (60) mit einer optischen Anordnung (10, 10S) nach einem der Ansprüche 2 und 3 bis 9 jeweils rückbezogen auf Anspruch 2,
ausgebildet ist bzw. sind.
9. Lidar-System (1 ) nach Anspruch 8, bei welchem die Senderoptik (60) und die Empfängeroptik (30)
- strahlausgangsseitig bzw. strahleingangsseitig koaxial zueinander ausgebildet sind und/oder
- eine gemeinsame rotierbare optische Ablenkeinheit (62) und eine gemeinsame Bilddreh- und Bildumkehreinheit (80) aufweisen.
10. Lidar-System (1 ) nach Anspruch 8, bei welchem die Senderoptik (60) und die Empfängeroptik (30)
- vollständig biaxial zueinander ausgebildet sind und/oder
- voneinander getrennte rotierbare optische Ablenkeinheiten (62)
und/oder voneinander getrennte Bilddreh- und Bildumkehreinheiten (80) aufweisen.
1 1 . Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug oder dergleichen, mit einem LiDAR-System (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 10 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).
PCT/EP2018/064136 2017-06-26 2018-05-30 Optische anordnung einer empfängeroptik und/oder einer senderoptik eines abtastenden lidar-systems, lidar-system sowie arbeitsvorrichtung WO2019001882A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017210683.2 2017-06-26
DE102017210683.2A DE102017210683B4 (de) 2017-06-26 2017-06-26 Optische Anordnung einer Empfängeroptik eines abtastenden Lidar-Systems, Lidar-System sowie Arbeitsvorrichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019001882A1 true WO2019001882A1 (de) 2019-01-03

Family

ID=62455499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/064136 WO2019001882A1 (de) 2017-06-26 2018-05-30 Optische anordnung einer empfängeroptik und/oder einer senderoptik eines abtastenden lidar-systems, lidar-system sowie arbeitsvorrichtung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102017210683B4 (de)
WO (1) WO2019001882A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020201909A1 (de) 2020-02-17 2021-08-19 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3615135A (en) * 1969-05-16 1971-10-26 Us Navy Laser ranging with polarization modulation
US6031605A (en) * 1995-03-28 2000-02-29 Hollandse Signaalapparaten B.V. Arrangement for the detection of targets
US7400384B1 (en) * 2005-04-12 2008-07-15 Lockheed Martin Corporation Method and apparatus for varying pixel spatial resolution for ladar systems
US20120212727A1 (en) * 2011-02-22 2012-08-23 Sick Ag Optoelectronic sensor and method for detecting objects
CN106019296A (zh) * 2016-07-26 2016-10-12 北醒（北京）光子科技有限公司 一种混合固态多线光学扫描测距装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3977793A (en) * 1975-03-05 1976-08-31 Texas Instruments Incorporated Radiation energy receiver
DE3005427C2 (de) * 1980-02-14 1982-11-04 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8000 München Rundumsuchendes Ortungssystem
JPH0921872A (ja) * 1995-07-04 1997-01-21 Nikon Corp 走査型距離測定装置
EP0977068A3 (de) * 1998-07-31 2000-04-19 Loyal Port Company Limited Bildumkehrvorrichtung
JP4180718B2 (ja) * 1999-01-29 2008-11-12 株式会社トプコン 回転レーザ装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3615135A (en) * 1969-05-16 1971-10-26 Us Navy Laser ranging with polarization modulation
US6031605A (en) * 1995-03-28 2000-02-29 Hollandse Signaalapparaten B.V. Arrangement for the detection of targets
US7400384B1 (en) * 2005-04-12 2008-07-15 Lockheed Martin Corporation Method and apparatus for varying pixel spatial resolution for ladar systems
US20120212727A1 (en) * 2011-02-22 2012-08-23 Sick Ag Optoelectronic sensor and method for detecting objects
CN106019296A (zh) * 2016-07-26 2016-10-12 北醒（北京）光子科技有限公司 一种混合固态多线光学扫描测距装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017210683A1 (de) 2018-12-27
DE102017210683B4 (de) 2022-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3729137B1 (de) Multipuls-lidarsystem zur mehrdimensionalen erfassung von objekten
DE69112320T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur optischen Abtastung.
DE4320059C2 (de) Optischer Farbscanner
EP0578129A2 (de) Bilderfassende Sensoreinheit
EP3308210B1 (de) Abtastmikroskop
EP3673289B1 (de) Optische anordnung für ein lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung
DE3005427C2 (de) Rundumsuchendes Ortungssystem
DE3905730C2 (de) Positionsmeßeinrichtung
DE69408740T2 (de) Plotter mit innenaufzeichnender Trommel
EP1931133A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur optischen Erfassung einer Struktur
DE102013002423A1 (de) Optikanordnung und Lichtmikroskop
EP3832344A1 (de) Optoelektronischer sensor und verfahren zur erfassung eines objekts
EP0708325A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Inspektion von Gegenständen, insbesondere von Flaschen
EP0402601A2 (de) Opto-elektronische Ausblickbaugruppe
WO2019001882A1 (de) Optische anordnung einer empfängeroptik und/oder einer senderoptik eines abtastenden lidar-systems, lidar-system sowie arbeitsvorrichtung
DE10227299A1 (de) Scanner für die optische Objekterfassung
DE102018204708A1 (de) Makroskopische Lidar-Vorrichtung
DE102017101791B4 (de) Optoelektronische Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug
WO2019020532A1 (de) Lidar-vorrichtung und verfahren mit einer verbesserten ablenkvorrichtung
WO2018206251A1 (de) Lidar-vorrichtung und verfahren mit vereinfachter detektion
DE3702742C2 (de) Scan-Anordnung für Heterodyn-Laserradar
DE102020206817A1 (de) LiDAR-System
EP3631497A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum abtasten eines raumwinkels
DE102022213941A1 (de) LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und Verfahren zum optischen Erfassen eines Sichtfeldes
WO2019038063A1 (de) Optische anordnung für ein lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18728134

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18728134

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1