WO2019162004A1 - Senderoptik für ein abtastendes lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung - Google Patents

Senderoptik für ein abtastendes lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung Download PDF

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WO2019162004A1 PCT/EP2019/051258 EP2019051258W WO2019162004A1 WO 2019162004 A1 WO2019162004 A1 WO 2019162004A1 EP 2019051258 W EP2019051258 W EP 2019051258W WO 2019162004 A1 WO2019162004 A1 WO 2019162004A1
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lidar system
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solid
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Hans-Jochen Schwarz
Klaus Stoppel
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers

Definitions

  • Transmitter optics for a scanning LiDAR system LiDAR system and
  • the present invention relates to a transmitter optics for a scanning or scanning LiDAR system for generating and emitting primary light in a field of view, a scanning or scanning type LiDAR system for optically detecting a field of view, and a working device, and more particularly 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).
  • macroscanners In scanning or scanning LiDAR systems, primary light is passed through a field of view to be detected after generation.
  • macroscanners which have a rotor and a stator.
  • the rotor accommodates at least part of the optics, the sensor system and / or the light sources and is controllably rotatable relative to the stator by means of a drive.
  • the transmitter optics according to the invention for a LiDAR system with the features of claim 1 has the advantage that with a relatively low design effort with high reliability with comparatively small space and reduced amount of waste heat sufficient radiation intensities can be generated.
  • This is inventively achieved with the features of claim 1, characterized in that a transmitter optics for a scanning or scanning LiDAR system for generating and emitting primary light is provided in a field of view, which is formed with a light source for generating the primary light, wherein the light source Semiconductor laser, a solid-state laser and a Q-switch, which are arranged in this order in a discharge direction for the primary light and arranged and operatively connected to each other, that in operation of the semiconductor laser as continuous wave pump laser
  • Solid state laser pumped and pumped by this solid state laser in optical coupling with the Q-switch acts as a primary light source for the output of the primary light.
  • the Q-switch is designed as a passive optical element and in particular as an optically saturable absorber.
  • Different materials may be used singly or in combination, for example - but not only - from or with V: YAG, from or with 0H + : UAQ and the like and theirs
  • Transmitter optics according to the invention can be achieved if, according to another embodiment, the Q-switch is designed as an active component.
  • the Q-switch is designed as one or with an opto-acoustic or acousto-optic modulator and / or as one or with a Pockels cell.
  • the underlying solid state laser as a pumped laser can be used in various embodiments depending on the application.
  • a high intensity in the spectral range to be achieved for example the near infrared, solid-state lasers in monolithic design and / or with or from Nd: GDV0 4 , Nd: YV0 4 , Nd: KDW or any combination thereof are advantageously suitable ,
  • the solid-state laser is set up to emit radiation in a wavelength range from about 900 nm to about 920 nm and preferably in a wavelength range from about 905 nm to about 915 nm. Especially in these wavelength ranges is the
  • the underlying semiconductor laser is preferably adapted to a particular application and may be formed with one or as an edge emitter, for example, also in connection with a VBG arrangement and / or a VCSEL arrangement.
  • a monitor element for detecting is formed of the primary light or a part thereof.
  • the monitor element may be any optical element that is suitable, the
  • the present invention further also relates to a scanning type LiDAR system for optically detecting a field of view as such, and is particularly adapted for a working device and / or for a vehicle and its operation.
  • the LiDAR system is designed with a transmitter optics designed in accordance with the invention for generating and emitting primary light into the field of view and with receiver optics for receiving secondary light originating from the field of view.
  • An advantageous embodiment of the LiDAR system according to the invention has a stator and a rotor rotatable relative to the stator about a rotation axis. At least part of the transmitter optics and in particular a deflection optics and / or a beam shaping optics or parts thereof and / or at least a part of the receiver optics can be accommodated in the rotor.
  • the light source and in particular the semiconductor laser, the solid-state laser and the Q-switch are arranged outside the rotor.
  • At least part of the light source is also arranged outside the stator.
  • Semiconductor laser is arranged outside the stator, with the pumped solid-state laser and the Q-switch within the stator, wherein a light guide for the optical coupling of the radiation of the semiconductor laser is formed in the solid-state laser.
  • inventive LiDAR system for the optical detection of a field of view created.
  • FIG. 1 is a block diagram for schematically illustrating a
  • Embodiment of the LiDAR system according to the invention using an embodiment of the control and evaluation unit according to the invention.
  • Figures 2 and 3 show in schematic and lateral cross-sectional views
  • Embodiments of transmitter optics according to the invention that can be used in embodiments of the lidar system according to the invention.
  • Figures 4 and 5 show in schematic and lateral cross-sectional views
  • FIG. 6 shows, in a schematic and lateral cross-sectional view, a further embodiment of the transmitter optics according to the invention for use in a lidar system according to the invention.
  • Figures 7 and 8 show in schematic and lateral cross-sectional views
  • Embodiments of the invention Lidar system with rotor and stator using embodiments of the transmitter optics according to the invention, in which the
  • FIG. 1 schematically shows, in the manner of a block diagram, a LiDAR system 1 according to the invention using an embodiment of the transmitter optics 60 according to the invention.
  • the LiDAR system 1 shown in FIG. 1 comprises, in addition to a control and evaluation unit 40, the optical arrangement 10 underlying the operation of the LiDAR system 1 with a light source 65 as part of a transmitter optics 60 designed according to the invention and a receiver optics 30 with a detector arrangement 20.
  • the control of the operation of the LiDAR system 1 and the evaluation of the signals received by the LiDAR system 1 can be carried out by the higher-level control and evaluation unit 40, which is formed here separately from the optical arrangement 10.
  • the higher-level control and evaluation unit 40 which is formed here separately from the optical arrangement 10.
  • such a structure is not mandatory.
  • the light source 65 for generating and outputting primary light or primary light 57 is caused by control and instigation by means of the control and evaluation unit 40 via a control line 42.
  • the primary light 57 is transmitted by means of a beam shaping optics 66, which for example a
  • Cylindrical lens for achieving a line illumination according to the application modulated and then optionally sent by means of a deflection optics 62 in a field of view 50 of a scene 53 with an object 52 contained therein.
  • the preferred line illumination in the field of view 50 is seen in connection with a high intensity required, and compared with lower intensities that are usually used in a point-by-point illumination.
  • the transmitter optics 60 embodied according to the invention is just of advantage, because the required radiation intensities can be provided in a flexible manner with comparatively simple means.
  • the light reflected from the field of view 50 and from the scene 53 and the object 52 is also referred to as secondary or secondary light 58 and received in the receiver optics 30 by means of an objective 34, optionally by a secondary optics 35 provided in the beam path 31 of the receiver optics 30 Example, or may be filters, further processed and then to a detector array 20 with one or more
  • Detector arrangement 20 in turn generate by the secondary light 58 representing signals that are transmitted by means of a control and measuring line 41 to the control and evaluation unit 40.
  • the control and evaluation unit 40 according to FIG. 1 can consist, for example, of a higher-level control system 100, which is connected by means of a bus 101 to a transmitting unit 70, a receiving unit 80 and a correlation unit 90.
  • the transmitter optics 60 embodied according to the invention first have in its beam path 61 a light source 65 for generating the primary light 57. To control the generation process for the primary light 57 is in
  • a monitor element 65-4 for example in the form of a monitor diode designed as a light detection element.
  • the radiation intensity and its time course can be detected and as corresponding representative signals via the control / detection line 65-5 and the control line 42 to the higher-level control and evaluation unit 40 or alternatively to a later
  • the light source 65 itself has a semiconductor laser 65-1 as a pump laser, a pumped or pumped by the semiconductor laser 65-1
  • Terminal arrangement of solid-state laser 65-2 and Q-switch 65-3 is light-input side or
  • mirror layers 65-7 which may also be referred to as a resonator or resonator mirror layer is formed.
  • Figures 2 and 3 show in schematic and lateral
  • the light source 65 shown there has in both embodiments in its beam path 61, a semiconductor laser 65-1 as a pump laser, one of this pumpable or pumped solid-state laser 65-2 and one with the
  • Solid state laser 65-2 optically coupled Q-switch 65-3 on.
  • the arrangement of solid-state laser 65-2 and Q-switch 65-3 has light-input side, ie on the left side in Figures 2 and 3, an input-side mirror layer as a first resonator and light output side, ie on the right side in Figure 2 and 3, an output side Mirror layer as a second resonator mirror.
  • a so-called pump optics 65-6 formed, which may consist of a single lens in the simplest case.
  • a partially transmissive deflecting mirror 65-8 is located in the beam path 61 of the transmitter optics 60, with which a part of the primary light 57 is coupled out of the beam path 61 of the transmitter optics 60 and a monitor element 65-4 for monitoring the intensity of the primary light 57 and its temporal course is supplied.
  • the beam path 61 is located on the light output side of the semiconductor laser 65-1 and thus between
  • Figures 4 and 5 show in schematic and lateral
  • Embodiments of the transmitter optics 60 according to the invention Embodiments of the transmitter optics 60 according to the invention.
  • the rotor 200 is rotatably arranged about a rotation axis 5 by means of a shaft relative to the stationary stator 100 by means of rotation 6. This has the purpose that, during operation of the lidar system, the primary light 57 can scanned over the field of view 50 shown in FIG.
  • the transmitter optics 60 is substantially completely in the rotor 200 and thus rotates in the operation of the lidar system with.
  • the transmitter optics 60 according to FIG. 4 have substantially the same structure as the transmitter optics 60 according to FIG. 2 and are located here in the lower region of the rotor 200.
  • the receiver optics 30 are provided with a lens 34 as primary optics and with a secondary optics 35, which may be formed by a filter, for example. Furthermore, a schematic is a
  • Detector assembly 20 for detecting the secondary light 58 is formed.
  • the embodiment of the transmitter optics 60 according to FIG. 5 differs from the embodiment of the transmitter optics 60 according to FIG. 4 in that all components in connection with the light source 65 have been transmitted from the rotor 200 to the stator 100.
  • the partially transmitting deflection mirror 65-8 deflects the majority of the primary light 57 from the beam path 61 through the shaft 7 into the rotor 200, in which a deflection mirror 65-8 'is located, which directs the primary light 57 to the beam shaping optics 66 and the deflection optics 62 , which in turn is the
  • FIG. 6 shows, in a schematic and lateral cross-sectional view, a further embodiment of the transmitter optics 60 according to the invention
  • the embodiment of the transmitter optics 60 from FIG. 6 corresponds to FIG.
  • the light exit-side resonator mirror 65-7 in this embodiment is formed by a plane or convex coupling-out mirror, which is provided separately and has no terminal coating forms the Q-switch.
  • Figures 7 and 8 show in schematic and lateral
  • Embodiments of the transmitter optics 60 according to the invention in which the primary light 57 and the pump light outside of the rotor 200 and stator 100 are generated and then fed to the stator 100 via a light guide 66-2.
  • Light source 65 with the semiconductor laser 65-1, the driver 65-9, the
  • Solid-state laser 65-2 and the Q-switch 65-3 completely outside of stator 100 and rotor 200.
  • the beam-shaping optical system 66 is formed in the embodiment of Figure 7 from a light-input side coupling optics 66-1
  • the optical fiber 66-2 is formed and arranged to guide the primary light 57 received by the light source 65 into the stator 100.
  • a collimating optics 66-3 is formed as a further part of the beam shaping optics 66, which collimator optics 66-3, the primary light on the
  • Deflection mirror 65-8 'leads. From there, the primary light 57 passes through the
  • the arrangement of solid-state laser 65-2 and Q-switch 65-3 is shifted into the stator 100 from the light source 65.
  • the light guide 66-2 is used as part of the beam shaping optics 66 to couple the pumping light from the semiconductor laser 65-1 by means of the coupling optics 65-6, likewise located in the stator 100, into the solid-state laser 65-2 for pumping.
  • the deflection mirror 65-8 ' is partially transparent in this case formed so that a portion of the arrangement of solid state laser 65-2 and Q switch 65-3 leaving the primary light 57, which passes through the shaft passes the rotor 200, in the rotor 200 for detection and control on the monitor element 65-4 strikes ,
  • FoV field of view
  • Flash systems with solid-state lasers generally work with wavelengths of more than 1000 nm and in particular in the range of 1064 nm to 1550 nm.
  • Scanning LiDAR systems for example, in the sense of so-called macro scanners - usually use a rotating element which, for example, emits a vertical laser line into the environment and thus sweeps it over. Since only a small portion of the FoV is illuminated with a laser flash, the laser must be operated at a high frequency, for example in the range of about 1 kHz to about 1000 kHz. In order to achieve with a line illumination ranges of, for example, 200 m and resolutions in the range below 0.15 °
  • a single semiconductor laser can not provide these powers, available semiconductor lasers today achieve powers of about 70 W to about 120 W with a pulse duration in the range of about 1 ns to about 3 ns, a plurality of semiconductor lasers must be connected in parallel, e.g. with a number of about 10 to 15 pieces.
  • the semiconductor lasers are contacted, for example, each with a laser driver.
  • the required pulse currents are in the range of about 30 A to about 60 A.
  • the semiconductor lasers In order for the supply line losses to be low, the semiconductor lasers must be positioned very close to the drivers. The closer a laser can be positioned to the driver, the lower the losses caused by the
  • a problem in the prior art is that semiconductor lasers with laser pulses having a pulse duration in the range of about 1 ns to about 3 ns require a special driver circuit and complex construction technique in order to generate such short pulses.
  • the semiconductor lasers are typically operated at high currents to obtain much power. At high currents, however, the electro-optical efficiency decreases and disturbing waste heat is generated. If high power is required, today several semiconductor lasers are operated in parallel. Depending on the concept, the light must then be combined with complex optics. Semiconductor lasers change their wavelengths with temperature. This is in LiDAR systems because of the combination with the sunlight filter very disturbing, since the wavelength can run out of the filter area.
  • wavelengths are in the preferred range according to the invention of about 900 nm to about 920 nm and preferably in the range of about 905 nm to about 915 nm and have the advantage that only a small attenuation occurs in the transmission and reception by water absorption, because the IR Absorption bands of water are stored differently.
  • these wavelengths meet sufficient sensitivity when using Si detectors.
  • TCSPC time-of-flight
  • the solid-state laser 65-2 can generate laser pulses in the kilowatt range with pulse lengths of about 0.5 ns to about 2 ns by relatively simple structural adjustments. Pulse length and pulse energy are determined by the length of the laser resonator and by the transmissivity of the saturable
  • the solid-state laser 5 and 60-2 and the integrated Q-switch 5 and 60-3 for example in the embodiment as a saturable absorber and / or with the crystal materials Cr ⁇ YAG or V: YAG, a pulse laser with a high Laser power, a short laser pulse, a stable wavelength and high repetition frequency can be used in a scanning LIDAR system.
  • the electrical-optical efficiency of semiconductor lasers is about 50% in CW and QCW operation, with a
  • Solid state lasers having optical-optical efficiency in the range of about 25% to about 50% produce a high electrical-to-optical efficiency in the range of about 12% to about 25%.
  • the overall efficiency can thus be about twice as high as with a known scanning LiDAR system.
  • a high efficiency is
  • the laser active material e.g. ND: YVO stores photons and the saturable absorber switches as Q-switch 65-3, from reached radiance, the
  • a temperature-controlled wavelength stabilization is in or on
  • the optical filter for example as part of
  • Secondary optics 35, in the receiving path of the receiver optics 30 are selected very narrow band. Through a narrow-band filter is only - if at all - a very small proportion of stray light on the detector assembly 20 and the
  • the semiconductor laser 65-1 as a pump laser can be operated in continuous wave or CW operation in a 360 ° scanning LiDAR system 1, and in a quasi-continuous operation in the case of a lidar system 1 which scans, for example, by 180 °
  • QCW operation QCW operation
  • the semiconductor laser 65-1 can be operated with the driver 65-9 in the CW mode or QCW mode (pulses> 10 ms)
  • Zu einsindukt Facultyen be neglected.
  • a complicated construction technique e.g. for low-inductance circuits, is not needed.
  • the underlying laser driver 65-9 is easier to realize and the loss line is reduced.
  • the preferred Lidar system 1 Compared to a lidar system with many semiconductor lasers, which produce a homogeneous illumination, the preferred Lidar system 1 according to the invention has a relatively low outlay with regard to the optics used and also has otherwise fewer components.
  • Known lidar systems with multiple lasers require a complex optical construction technique, because for each laser a precise alignment to the transmission optics or the transmission optics to the laser is necessary to achieve a homogeneous uniform illumination.
  • the solid state laser 65-2 construed as a transmission laser having an entrance area of about 2 mm ⁇ 2 mm and a length of about 5 mm to about 15 mm, requires one in addition to beam forming
  • Beamforming optics 66 e.g. with 2 to 3 cylindrical lenses.
  • the CW operation of a semiconductor laser 65-1 required in the invention does not generate high-frequency electromagnetic interference signals.
  • the short optical pulses of about 2 ns to about 10 ns are generated purely optically and not by short current pulses in T 65-9 for the semiconductor laser 65-1.
  • the repetition frequency is determined by means of optical CW power on the semiconductor laser 65-
  • Control loop is set by a temporal measurement of the actual frequency to the desired frequency as a system requirement.
  • For the measurement of the current repetition frequency on the solid-state laser 65-2 is in the transmission path, ie in
  • the structure with semiconductor laser 65-1, solid-state laser 65-2 and monitor diode 65-4 can in this case be completely integrated on a rotating rotor 200, as shown in connection with FIG.
  • Another embodiment of the semiconductor laser 65-1 as a pump laser provides a wavelength-stabilizing VBG grating 65-10, as shown in connection with FIG.
  • the pump laser 65-1 can be operated in an operating temperature range of e.g. be operated about 10 ° C to about 105 ° C, without significant change in the
  • the pump laser 65-1 can hit the solid-state laser 65-2 in the optimum absorption spectrum and works with optimum optical optical efficiency.
  • the system can by heating on the
  • the solid-state laser 65-2 as a transmitting laser is no longer placed on the rotary rotating mirror system and the rotor 200. Since the laser beam of the primary light 57 from the solid-state laser has a small diameter of less than 2 mm and a low divergence angle of less than 2 °, it becomes possible to guide the beam in the center of the axis of a rotating mirror system and the rotor 200, such as this is described in connection with FIG. 2.
  • the Q-Switch 65-3 as a passive Q-switch, for example as a saturable absorber, which switches on the laser pulses without activation, can be replaced by an active Q-switch.
  • An active Q-switch can be the
  • the active Q-switching can e.g. by a Q-switch 65-3 in the embodiment of an optoacoustic Q-switch - a so-called AOM or acousto-optic modulator - implemented.
  • the AOM leaves the laser beam from the resonator or blocks it depending on the acoustic applied frequency.
  • Another embodiment of the active Q-switch is the Pockels cell.
  • the laser crystals used in the invention produce linearly polarized laser light in a preferred direction.
  • a Pockels cell is a birefringent crystal which blocks or transmits linearly polarized light depending on the applied voltage. Since an active Q-switch 65-3 is substantially larger in size, the resonator of the solid-state laser 65-2 is thereby lengthened. The pulse length of the laser pulse determines the switching behavior and the dimensions of the Pockels cell.
  • Light source 65 outside the actual arrangement of stator 100 and rotor 200 can be positioned.
  • lidar system 1 There is a lesser heat input in lidar system 1, because of
  • Laser driver 65-9, semiconductor laser 65-1 and solid state laser 65-2 are separated from each other, are located in a housing and form a laser module outside the arrangement of stator 100 and rotor 200.
  • the rotor 200 has a smaller spatial extent and a lower mass. Advantages of a smaller rotor 200 are that it is less sensitive to external impact forces, that the bearing of the rotor 200 can be realized simpler and cheaper that the drive motor can be designed to be smaller and less expensive, that less natural oscillations and noises are generated and that the drive consumes less energy.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Senderoptik (60) für einen abtastendes LiDAR-System (1) zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht (57) in ein Sichtfeld (50), mit einer Lichtquelle (65) zum Erzeugen des Primärlichts (57), wobei die Lichtquelle (65) einen Halbleiterlaser (65-1), einen Festkörperlaser (65- 2) und einen Q-Switch (65-3) aufweist, welche in dieser Reihenfolge in einer Ausgaberichtung für das Primärlicht (57) angeordnet und so eingerichtet sind, dass im Betrieb der Halbleiterlaser (65-1) als Dauerstrichpumplaser den Festkörperlaser (65-2) pumpt und der gepumpte Festkörperlaser (65-2) in optischer Kopplung mit dem Q-Switch (65-3) als Primärlichtquelle zur Ausgabe des Primärlichts (57) fungiert.

Description

Beschreibung
Titel
Senderoptik für ein abtastendes LiDAR-Svstem, LiDAR-Svstem und
Arbeitsvorrichtung
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Senderoptik für einen scannendes oder abtastendes LiDAR-System zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld, ein LiDAR-System vom abtastenden oder scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes 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 Primärlicht nach der Erzeugung über ein zu erfassendes Sichtfeld geführt. Dabei kommen so genannte Makroscanner zum Einsatz, die einen Rotor und einen Stator aufweisen. Der Rotor beherbergt zumindest einen Teil der Optik, der Sensorik und/oder der Lichtquellen und ist gegenüber dem Stator mittels eines Antriebs steuerbar rotierbar.
Problematisch sind bei herkömmlichen Anordnungen für derartige LiDAR- Systeme das bei Steigerung der zum Ausleuchten eines Sichtfeldes verwendeten Strahlungsintensität vergleichsweise hohe Ausmaß an Baugröße, das
Aufkommen an Abwärme sowie die Störanfälligkeit. Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Senderoptik für ein LiDAR-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit einem vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand mit hoher Zuverlässigkeit bei vergleichsweise geringem Bauraum und reduziertem Aufkommen an Abwärme ausreichende Strahlungsintensitäten erzeugt werden können. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass eine Senderoptik für ein scannendes oder abtastendes LiDAR-System zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld geschaffen wird, welches ausgebildet ist mit einer Lichtquelle zum Erzeugen des Primärlichts, wobei die Lichtquelle einen Halbleiterlaser, einen Festkörperlaser und einen Q- Switch aufweist, welche in dieser Reihenfolge in einer Ausgaberichtung für das Primärlicht angeordnet und so eingerichtet und miteinander wirkverbunden sind, dass im Betrieb der Halbleiterlaser als Dauerstrichpumplaser den
Festkörperlaser pumpt und der von diesem gepumpte Festkörperlaser in optischer Kopplung mit dem Q-Switch als Primärlichtquelle zur Ausgabe des Primärlichts fungiert.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei einer besonders einfachen Ausgestaltungsform der Senderoptik ist der Q- Switch als passiv optisches Element ausgebildet und insbesondere als optisch sättigbarer Absorber. Dabei können verschiedene Materialien einzeln oder in Kombination miteinander zum Einsatz kommen, zum Beispiel - aber nicht nur - aus oder mit V:YAG, aus oder mit 0H+:UAQ und dergleichen und deren
Kombination.
Ein besonders hohes Maß an Steuerbarkeit und Regelbarkeit der
erfindungsgemäßen Senderoptik lässt sich erreichen, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltungsform der Q-Switch als aktive Komponente ausgebildet ist. Auch dies kann auf vielfältige Weise realisiert werden, nämlich indem der Q- Switch als ein oder mit einem optoakustischen oder akustooptischen Modulator und/oder als eine oder mit einer Pockelszelle ausgebildet ist.
Auch der zu Grunde liegende Festkörperlaser als gepumpter Laser kann je nach Anwendung in verschiedenen Ausgestaltungsformen verwendet werden. Im Hinblick auf eine hohe Intensität in dem zu erzielenden Spektralbereich, zum Beispiel dem nahen Infrarot, bieten sich Festkörperlaser in monolithischer Bauform und/oder mit oder aus Nd:GDV04, Nd:YV04, Nd:KDW oder deren beliebiger Kombination in vorteilhafterweise an.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Festkörperlaser eingerichtet ist, Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 900 nm bis etwa 920 nm und vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich von etwa 905 nm bis etwa 915 nm auszusenden. Gerade in diesen Wellenlängenbereichen ist die
Absorptionsproblematik im Hinblick auf atmosphärischen Wassers deutlich reduziert, weil die maßgeblichen Absorptionsbanden des Wassers im IR-Bereich anders gelagert sind.
Auch der zu Grunde liegende Halbleiterlaser wird bevorzugt an eine jeweilige Anwendung angepasst und kann mit einem oder als ein Kantenemitter, zum Beispiel auch im Zusammenhang mit einer VBG-Anordnung und/oder einer VCSEL-Anordnung ausgebildet sein.
Die Steuerbarkeit und eine entsprechend gute Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erzielen, wenn zur Steuerung des Betriebs der Lichtquelle in einem Strahlengang der Senderoptik ausgangsseitig von der Lichtquelle und/oder ausgangsseitig vom Q-Switch ein Monitorelement zum Erfassen des Primärlichts oder eines Teils davon ausgebildet ist. Bei dem Monitorelement kann es sich um ein jegliches optisches Element handeln, welches geeignet ist, die
Strahlungsintensität und deren zeitlichen Verlauf zu erfassen und ein dafür repräsentatives Signal zu erzeugen, welches einem Steuervorgang oder einem Regelvorgang zu Grunde gelegt werden kann, insbesondere im
Zusammenwirken mit einer übergeordneten Steuereinheit, einem Treiber und dergleichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren auch ein LiDAR-System vom scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes als solches und ist insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder für ein Fahrzeug und deren Betrieb ausgebildet. Das LiDAR-System ist ausgebildet, mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Senderoptik zum Erzeugen und zum Aussenden von Primärlicht in das Sichtfeld und mit einer Empfängeroptik zum Empfangen aus dem Sichtfeld stammenden Sekundärlichts.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsforme des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems weist einen Stator und einen gegenüber dem Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor auf. Zumindest ein Teil der Senderoptik und insbesondere eine Ablenkoptik und/oder eine Strahlformungsoptik oder Teile davon und/oder zumindest ein Teil der Empfängeroptik können im Rotor aufgenommen sein.
Jedoch ist es im Hinblick auf eine Vereinfachung des Aufbaus und/oder der Steuerung und Versorgung der lichterzeugenden Komponenten von besonderem Vorteil, wenn gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen LiDAR Systems die Lichtquelle und insbesondere der Halbleiterlaser, der Festkörperlaser und der Q-Switch außerhalb des Rotors angeordnet sind.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Lichtquelle auch außerhalb des Stators angeordnet ist.
Für eine weitere Bauraumverringerung und eine bessere thermische
Entkopplung der für das Aussenden und Empfangen des Primärlichts bzw. des Sekundärlichts relevanten Komponenten im Zusammenhang mit Stator und Rotor ist es von besonderem Vorteil, wenn der zu Grunde liegende
Halbleiterlaser außerhalb des Stators angeordnet ist, und zwar mit dem gepumpten Festkörperlaser und dem Q-Switch innerhalb des Stators, wobei ein Lichtleiter zur optischen Einkopplung der Strahlung des Halbleiterlasers in den Festkörperlaser ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Kernaspekt der vorliegenden Erfindung werden auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug mit einem
erfindungsgemäßen LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes geschaffen.
Kurzbeschreibung der Figuren Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
Figur 1 ist ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit.
Figuren 2 und 3 zeigen in schematischen und seitlichen Querschnittsansichten
Ausführungsformen erfindungsgemäßer Senderoptiken, die bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar-Systems eingesetzt werden können.
Figuren 4 und 5 zeigen in schematischen und seitlichen Querschnittsansichten
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar-Systems mit Rotor und Stator unter Verwendung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Senderoptik.
Figur 6 zeigt in einer schematischen und seitlichen Querschnittsansicht eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik zu Verwendung in einem erfindungsgemäßen Lidar-System.
Figuren 7 und 8 zeigen in schematischen und seitlichen Querschnittsansichten
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar-Systems mit Rotor und Stator unter Verwendung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Senderoptik, bei welchen das
Primärlicht bzw. das Pumplicht außerhalb von Rotor und Stator erzeugt und dann dem Stator über einen Lichtleiter zugeführt wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 8
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 nach Art eines Blockdiagramms in schematischer Weise ein erfindungsgemäßes LiDAR-System 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik 60.
Das in Figur 1 dargestellte LiDAR-System 1 besteht neben einer Steuer- und Auswerteeinheit 40 aus der dem Betrieb des LiDAR-Systems 1 zu Grunde liegenden optischen Anordnung 10 mit einer Lichtquelle 65 als Teil einer erfindungsgemäß ausgestalteten Senderoptik 60 und einer Empfängeroptik 30 mit einer Detektoranordnung 20. Die Steuerung des Betriebs des LiDAR- Systems 1 sowie die Auswertung der durch das LiDAR-System 1 empfangenen Signale kann durch die übergeordnete Steuer- und Auswerteeinheit 40 erfolgen, die hier zur optischen Anordnung 10 separat ausgebildet ist. Ein derartiger Aufbau ist jedoch nicht zwingend.
Im Betrieb wird durch Steuerung und Veranlassung mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 40 über eine Steuerleitung 42 die Lichtquelle 65 zur Erzeugung und Ausgabe primären Lichts oder Primärlichts 57 veranlasst. Das primäre Licht 57 wird mittels einer Strahlformungsoptik 66, welche zum Beispiel eine
Zylinderlinse zum Erzielen einer Linienausleuchtung aufweisen kann, entsprechend dem Anwendungsfall moduliert und dann gegebenenfalls mittels einer Ablenkoptik 62 in ein Sichtfeld 50 einer Szene 53 mit einem darin enthaltenen Objekt 52 ausgesandt.
Die bevorzugte Linienausleuchtung im Sichtfeld 50 ist im Zusammenhang zu sehen mit einer dabei erforderlichen hohen Intensität, und zwar verglichen mit niedrigeren Intensitäten, die bei einer punktweisen Ausleuchtung üblicherweise eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist die erfindungsgemäß ausgestaltete Senderoptik 60 eben gerade von Vorteil, weil mit vergleichsweise einfachen Mitteln in flexibler Weise die erforderlichen Strahlungsintensitäten bereitgestellt werden können. Das aus dem Sichtfeld 50 und von der Szene 53 und dem Objekt 52 reflektierte Licht wird auch als sekundäres oder Sekundärlicht 58 bezeichnet und in der Empfängeroptik 30 mittels eines Objektivs 34 aufgenommen, gegebenenfalls von einer im Strahlengang 31 der Empfängeroptik 30 vorgesehenen Sekundäroptik 35, die zu Beispiel auch Filter sein oder aufweisen kann, weiterbehandelt und dann an eine Detektoranordnung 20 mit einem oder mit mehreren
Detektorelementen 22 übertragen. Die Detektorelemente 22 der
Detektoranordnung 20 erzeugen ihrerseits durch das Sekundärlicht 58 repräsentierende Signale, die mittels einer Steuer- und Messleitung 41 an die Steuer- und Auswerteeinheit 40 übertragen werden.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 40 gemäß Figur 1 kann zum Beispiel aus einem übergeordneten Steuersystem 100, welches mittels eines Busses 101 mit einer Sendeeinheit 70, einer Empfangseinheit 80 und einer Korrelationseinheit 90 verbunden ist, bestehen.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lidar- Systems 1 weist die erfindungsgemäß ausgestaltete Senderoptik 60 in ihrem Strahlengang 61 zuerst eine Lichtquelle 65 zur Erzeugung des Primärlichts 57 auf. Zur Steuerung des Erzeugungsvorgangs für das Primärlicht 57 ist im
Strahlengang 61 der Senderoptik 60 ein Monitorelement 65-4, zum Beispiel in Form einer Monitordiode als Lichtdetektionselement ausgebildet. Mit diesem Monitorelement 65-4 können die Strahlungsintensität und deren zeitlicher Verlauf erfasst und als entsprechende repräsentative Signale über die Steuer- /Erfassungsleitung 65-5 und die Steuerleitung 42 an die übergeordnete Steuer- und Auswerteeinheit 40 oder alternativ auch zu einem später noch zu
beschreibenden Treiber 65-9, wie er in den Figuren 7 und 8 dargestellt ist, zurückgeführt werden.
Die Lichtquelle 65 selbst weist erfindungsgemäß einen Halbleiterlaser 65-1 als Pumplaser, einen vom Halbleiterlaser 65-1 gepumpten oder pumpbaren
Festkörperlaser 65-2 und einen mit dem Festkörperlaser 65-2 optisch
gekoppelten oder koppelbaren Q-Switch 65-3 auf. Endständig ist die Anordnung aus Festkörperlaser 65-2 und Q-Switch 65-3 lichteingangsseitig bzw.
lichtausgangsseitig mit Spiegelschichten 65-7, die auch als Resonatorspiegel oder Resonatorspiegelschicht bezeichnet werden können, ausgebildet. Die Figuren 2 und 3 zeigen in schematischen und seitlichen
Querschnittsansichten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Senderoptiken 60, die bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar-Systems 1 eingesetzt werden können.
Die dort gezeigte Lichtquelle 65 weist bei beiden Ausführungsformen in ihrem Strahlengang 61 einen Halbleiterlaser 65-1 als Pumplaser, einen von diesem pumpbaren oder gepumpten Festkörperlaser 65-2 sowie einen mit dem
Festkörperlaser 65-2 optisch gekoppelten Q-Switch 65-3 auf. Die Anordnung aus Festkörperlaser 65-2 und Q-Switch 65-3 weist lichteingangsseitig, also auf der linken Seite in Figur 2 und 3, eine eingangsseitige Spiegelschicht als ersten Resonatorspiegel und lichtausgangsseitig, also auf der rechten Seite in Figur 2 und 3, eine ausgangsseitige Spiegelschicht als zweiten Resonatorspiegel auf.
Zur Strahlformung des vom Halbleiterlaser 65-1 ausgesandten Lichts und zu dessen Anpassung an die Eintrittsseite der Anordnung aus Festkörperlaser 65-2 und Q-Switch 65-3 ist im Strahlengang 61 der Senderoptik 60 der Figuren 2 und 3 zwischen dem Halbleiterlaser 65-1 und dem Festkörperlaser 65-2 eine so genannte Pumpoptik 65-6 ausgebildet, die im einfachsten Fall aus einer einzelnen Linse bestehen kann.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 befindet sich im Strahlengang 61 der Senderoptik 60 lichtausgangsseitig ein teildurchlässiger Umlenkspiegel 65-8, mit welchem ein Teil des Primärlichts 57 aus dem Strahlengang 61 der Senderoptik 60 ausgekoppelt und einem Monitorelement 65-4 zur Überwachung der Intensität des Primärlichts 57 und seines zeitlichen Verlaufs zugeführt wird.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 befindet sich im Strahlengang 61 auf der Lichtausgangsseite des Halbleiterlasers 65-1 und somit zwischen
Halbleiterlaser 65-1 und Pumpoptik 65-6 ein VBG-Gitter 65-10.
Bei beiden Ausführungsformen der Figuren 2 und 3 befindet sich
lichtausgangsseitig, also den Figuren 2 und 3 auf der rechten Seite, im
Strahlengang 61 der Senderoptik 60 eine Kombination aus Ablenkoptik 62 und Strahlformungsoptik 66, durch welche das Primärlicht 57 letztlich das Lidar- System 1 zum Ausleuchten des in Figur 1 dargestellten Sichtfeldes 50 verlässt. Die Figuren 4 und 5 zeigen in schematischen und seitlichen
Querschnittsansichten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar- Systems 1 mit Rotor 200 und Stator 100 unter Verwendung von
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Senderoptik 60.
Der Rotor 200 ist mittels einer Welle relativ zum ruhenden Stator 100 mittels Rotation 6 um eine Drehachse 5 drehbar angeordnet. Dies hat den Zweck, dass im Betrieb des Lidar-Systems das Primärlicht 57 abtastend das in Figur 1 dargestellte Sichtfeld 50 überstreichen kann.
Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform befindet sich die Senderoptik 60 im Wesentlichen vollständig im Rotor 200 und rotiert also im Betrieb des Lidar- Systems mit. Die Senderoptik 60 gemäß Figur 4 hat im Wesentlichen denselben Aufbau wie die Senderoptik 60 gemäß Figur 2 und befindet sich hier im unteren Bereich des Rotors 200.
Im oberen Bereich des Rotors 200 befindet sich die Empfängeroptik 30 mit einem Objektiv 34 als Primäroptik und mit einer Sekundäroptik 35, die zum Beispiel von einem Filter gebildet sein kann. Des Weiteren ist schematisch eine
Detektoranordnung 20 zum Nachweis des Sekundärlichts 58 ausgebildet.
Die Ausführungsform der Senderoptik 60 gemäß Figur 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Senderoptik 60 gemäß Figur 4 darin, dass sämtliche Komponenten im Zusammenhang mit der Lichtquelle 65 vom Rotor 200 zum Stator 100 übertragen wurden. Das bedeutet im Detail, dass der Halbleiterlaser 65-1 , die Pumpoptik 65-6, der Festkörperlaser 65-2, der Q-Switch 65-3 der teildurchlässige Spiegel 65-8 und das Monitorelement 65-4 am oder im Stator 100 montiert sind.
Der teildurchlässige Umlenkspiegel 65-8 lenkt den Großteil des Primärlichts 57 aus dem Strahlengang 61 durch die Welle 7 hindurch in den Rotor 200, in welchem sich ein Umlenkspiegel 65-8‘ befindet, der das Primärlicht 57 auf die Strahlformungsoptik 66 und die Ablenkoptik 62 richtet, die ihrerseits das
Primärlicht 57 in das in Figur 1 dargestellte Sichtfeld 50 richten. Figur 6 zeigt in einer schematischen und seitlichen Querschnittsansicht eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Senderoptik 60 zur
Verwendung in einem erfindungsgemäßen Lidar-System 1.
Die Ausgestaltungsform der Senderoptik 60 aus Figur 6 entspricht im
Wesentlichen der Ausgestaltungsform der Senderoptik 60 aus Figur 2 - ohne Berücksichtigung eines Monitorelements 65-4 - und mit der Besonderheit, dass der lichtausgangsseitige Resonatorspiegel 65-7 bei dieser Ausführungsform gebildet wird von einem planen oder konvexen Auskoppelspiegel, der separat vorgesehen ist und keine endständige Beschichtung des Q-Switchs bildet.
Die Figuren 7 und 8 zeigen in schematischen und seitlichen
Querschnittsansichten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lidar- Systems 1 mit Rotor 200 und Stator 100 unter Verwendung von
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Senderoptik 60, bei welchen das Primärlicht 57 bzw. das Pumplicht außerhalb von Rotor 200 und Stator 100 erzeugt und dann dem Stator 100 über einen Lichtleiter 66-2 zugeführt werden.
Demzufolge befinden sich bei der Ausführungsform gemäß Figur 7 die
Lichtquelle 65 mit dem Halbleiterlaser 65-1 , dessen Treiber 65-9, dem
Festkörperlaser 65-2 und der Q-Switch 65-3 komplett außerhalb von Stator 100 und Rotor 200. Die Strahlformungsoptik 66 wird bei der Ausführungsform gemäß Figur 7 gebildet von einer lichteingangsseitigen Koppeloptik 66-1 zur
Einkopplung des Primärlichts 57 in einen vorgesehenen Lichtleiter 66-2. Der Lichtleiter 66-2 ist ausgebildet und eingerichtet, das von der Lichtquelle 65 aufgenommene Primärlicht 57 in den Stator 100 zu führen. Zur Einkopplung des Primärlichts 57 in den Stator 100 ist als weiterer Teil der Strahlformungsoptik 66 eine Kollimationsoptik 66-3 ausgebildet, die das Primärlicht auf den
Umlenkspiegel 65-8‘ führt. Von dort gelangt das Primärlicht 57 durch die
Ablenkoptik 62 in das in Figur 1 dargestellte Sichtfeld 50.
Bei der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform ist aus der Lichtquelle 65 die Anordnung aus Festkörperlaser 65-2 und Q-Switch 65-3 in den Stator 100 verlagert. Der Lichtleiter 66-2 wird als Teil der Strahlformungsoptik 66 verwendet, das Pumplicht aus dem Halbleiterlaser 65-1 mittels der ebenfalls im Stator 100 befindlichen Koppeloptik 65-6 in den Festkörperlaser 65-2 zum Pumpen einzukoppeln. Der Umlenkspiegel 65-8‘ ist in diesem Fall teildurchlässig ausgebildet, so dass ein Teil des die Anordnung aus Festkörperlaser 65-2 und Q- Switch 65-3 verlassenden Primärlichts 57, welches durch die Welle geführt den Rotor 200 erreicht, im Rotor 200 zum Nachweis und zur Steuerung auf das Monitorelement 65-4 trifft.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Der heutige Stand der Technik von bekannten LiDAR-Systemen unterscheidet sich in der Art und Weise der Ausleuchtung des Sichtfeldes.
Es gibt zum einem die abtastenden oder scannenden Systeme, die zeitlich gesehen immer nur einen kleinen Teil der Umgebung oder des Sichtfeldes ausleuchten und die Flashsysteme, die die Umgebung und das Sichtfeld zu einem Zeitpunkt komplett ausleuchten.
Bei scannenden LiDAR-Systemen wird das Sichtfeld oder FoV (FoV : field of view) zeitlich sequentiell mit einem Punkt-Laserstrahl oder einer Laserlinie ausgeleuchtet.
Bei einem Flash-System wird das komplette FoV mit einem Laserblitz
ausgeleuchtet (Flash) und das reflektierte Licht in einem Detektorarray empfangen. Hier wird in der Regel mit sehr niedrigen Frequenzen gearbeitet (z.B. von etwa 10 Hz bis etwa 100Hz).
Während bei reinen Flashsystemen auch Festkörperlaser in Betracht kommen, wird bei scannenden Systemen mit Halbleiterlasern ausgestattet.
Flashsysteme mit Festkörperlasern arbeiten in der Regel mit Wellenlängen von mehr als 1000 nm und insbesondere im Bereich von 1064 nm bis 1550 nm.
Scannende LiDAR-Systeme - zum Beispiel im Sinne so genannter Makroscanner - verwenden meist ein rotierendes Element, welches z.B. eine vertikale Laserlinie in die Umgebung aussendet und diese damit überstreicht. Da hier nur ein kleiner Bereich des FoV mit einem Laserblitz ausgeleuchtet wird, muss der Laser mit einer hohen Frequenz betrieben werden, z.B. im Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 1000 kHz. Um mit einer Linienausleuchtung Reichweiten von zum Beispiel 200 m und Auflösungen im Bereich unterhalb von 0,15° zu erreichen, werden
Laserleistungen nahe dem Kilowatt benötigt.
Da ein einzelner Halbleiterlaser diese Leistungen nicht bereitstellen kann, heute verfügbare Halbleiterlaser erreichen Leistungen von etwa 70 W bis etwa 120 W bei einer Pulsdauer im Bereich von etwa 1 ns bis etwa 3 ns, müssen eine Mehrzahl Halbleiterlaser parallel geschaltet werden, z.B. mit einer Anzahl von etwa 10 bis 15 Stück.
Die Halbleiterlaser werden beispielsweise mit jeweils einem Lasertreiber kontaktiert. Die benötigten Pulsströme liegen im Bereich von etwa 30 A bis etwa 60 A. Damit die Zuleitungsverluste gering werden, müssen die Halbleiterlaser sehr nahe an den Treibern positioniert werden. Je näher ein Laser am Treiber positioniert werden kann, desto geringer sind die Verluste, die durch die
Zuleitungsinduktivität verursacht werden.
Es werden elektrisch-optische Wirkungsgrade im Bereich von etwa 5 % bis etwa 10 % erreicht. Systeme mit Anzahl von 10 bis 15 Halbleiterlasern und 1000 W Sendeleistung erzeugen dann in etwa 10 W bis etwa 20 W Abwärme. Der Pitch von Lasertreiber zu Lasertreiber, der im Bereich von etwa 3 mm bis etwa 5 mm liegen kann, bestimmt hierbei überwiegend die Baugröße der Sendeeinheit eines bekannten LIDAR-Systems.
Problematisch beim Stand der Technik ist, dass Halbleiterlaser mit Laserpulsen mit einer Pulsdauer im Bereich von etwa 1 ns bis etwa 3 ns eine spezielle Treiberschaltung und aufwändige Aufbautechnik benötigen, um derart kurze Pulse zu erzeugen.
Zudem werden die Halbleiterlaser typischerweise bei hohen Strömen betrieben um viel Leistung zu erhalten. Bei hohen Strömen sinkt allerdings der elektro optische Wirkungsgrad und es entsteht störende Abwärme. Wenn eine hohe Leistung benötigt wird, werden heute mehrere Halbleiterlaser parallel betrieben. Das Licht muss dann je nach Konzept mit aufwändiger Optik zusammengeführt werden. Halbleiterlaser ändern ihre Wellenlägen mit der Temperatur. Dies ist in LiDAR-Systemen wegen der Kombination mit dem Sonnenlichtfilter sehr störend, da die Wellenlänge aus dem Filterbereich herauslaufen kann.
Die hier beschriebenen Mängel beim Stand der Technik lassen sich mit der vorgestellten Erfindung entweder vermeiden oder reduzieren.
Durch die in der Erfindung ausgewählten Kristalltypen - z.B. von ND:YV04, ND:GDV04 und ND:KDW - ist es möglich, mit den Laserwellenlängen 912 nm, 914 nm und 911 nm eine Strahlquelle 65 für ein LiDAR-System 1 zu realisieren.
Diese Wellenlängen liegen in dem erfindungsgemäß bevorzugten Bereich von etwa 900 nm bis etwa 920 nm und vorzugsweise im Bereich von etwa 905 nm bis etwa 915 nm und haben den Vorteil, dass beim Senden und Empfangen durch Wasserabsorption nur eine geringe Dämpfung auftritt, weil die IR- Absorptionsbanden des Wassers anders gelagert sind. Außerdem treffen diese Wellenlängen auf eine ausreichende Empfindlichkeit bei der Verwendung von Si- Detektoren.
Mit der Erfindung lässt sich sehr einfach eine hohe Wiederholfrequenz von Laserpulsen des Primärlichts 57 erzeugen. Dies ist insbesondere bei
Verwendung eines Single-Photon-Avalanche-Detektors, zum Beispiel im Sinne einer SPAD, in der Empfängeroptik 30 notwendig, um ein TCSPC-basiertes Time-of-Flight-System (ToF) zu schaffen (TCSPC : time-correlated single-photon counting).
Außerdem kann der Festkörperlaser 65-2 durch relativ einfache konstruktive Anpassungen Laserpulse im Kilowattbereich mit Pulslängen von etwa 0,5 ns bis etwa 2 ns erzeugen. Pulslänge und Pulsenergie werden durch die Länge des Laserresonators und durch das Transmissionsvermögen des sättigbaren
Absorbers als Q-Switch 65-3 vorgegeben.
Durch die kompakte Bauart des Festkörperlasers 5 und 60-2 und den integrierten Q-Switch 5 und 60-3, z.B. in der Ausführung als sättigbarer Absorber und/oder mit den Kristallmaterialien Cr^YAG oder V:YAG, kann ein Pulslaser mit einer hohen Laserleistung, einem kurzen Laserpuls, einer stabiler Wellenlänge sowie hohen Wiederholfrequenz in einem scannenden LIDAR-System verwendet werden. Durch die Kombination von einem einzigen Halbleiterlaser 65-1 im
Dauerstrichbetrieb oder CW-Betrieb, die elektrisch-optische Effizienz von Halbleiterlasern liegt bei etwa 50% im CW- und QCW-Betrieb, mit einem
Festköperlaser mit einer optisch-optischen Effizienz im Bereich von etwa 25 % bis etwa 50%, wird ein hoher elektrisch-optischer Wirkungsgrad im Bereich von etwa 12 % bis etwa 25 % erzeugt.
Der Gesamtwirkungsgrad kann also etwa doppelt so hoch sein wie mit einem bekannten scannenden LiDAR-System. Ein hoher Wirkungsgrad ist
systembedingt notwendig, da eine aktive Kühlung in einem Automotiv-LiDAR nur schwer realisierbar ist.
Durch die Erfindung werden parasitäre Einkopplungen elektromagnetischer Felder, die durch die Erzeugung von kurzen Strompulsen am Lasertreiber 65-9 entstehen, also bei Lidar-Systemen mit einer Vielzahl von Halbleiterlasern, nahezu komplett verhindert. Die Erzeugung der kurzen Laserpulse erfolgt im Festkörperlaserresonator zum Beispiel mittels eines sättigbaren Absorbers als Q- Switch 65-3.
Das laseraktive Material z.B. ND:YVO speichert Photonen und der sättigbare Absorber schaltet als Q-Switch 65-3, ab erreichter Strahldichte, den
Laserresonator für weinige Nanosekunden frei. Abhängig von der Länge des Resonators und der optischen Parameter - zum Beispiel der Spiegelreflektivität und der Dotierung der Lasermaterialien - können die Pulslänge
und Pulsenergie im Lidar-System 1 eingestellt werden.
Eine temperaturgesteuerte Wellenlängenstabilisierung wird im oder am
Sendelaser, also dem zu Grunde liegenden Halbleiterlaser 65-1 , nicht benötigt, weil der verwendete Festkörperlaser sehr wenig Wellenlängenänderung über die Temperatur aufweist, zum Beispiel mit Werten im Bereich von weniger als 0,1 nm pro 100 K. Dadurch kann das optische Filter, zum Beispiel als Teil der
Sekundäroptik 35, im Empfangspfad der Empfängeroptik 30 sehr schmalbandig gewählt werden. Durch ein schmalbandiges Filter wird nur - wenn überhaupt - ein sehr geringer Anteil an Störlicht an der Detektoranordnung 20 und den
Detektoren 22 empfangen. Folglich kann die Reichweite des LiDAR-Systems 1 erhöht werden. Der Halbleiterlaser 65-1 als Pumplaser kann bei einem 360° scannenden LiDAR- System 1 im Dauerstrich- oder CW-Betrieb betrieben werden und bei einem z.B. 180° scannenden Lidar-System 1 im Quasidauerstrichbetrieb
(Quasidauerstrichbetrieb =QCW-Betrieb) betrieben werden. Zum Beispiel ergibt sich für 180° FoV und einer Bildfrequenz von 10Hz eine Pulslänge von etwa 50 ms. Da der Halbleiterlaser 65-1 mit dem Treiber 65-9 im CW-Betrieb oder QCW- Betrieb (Pulse >10ms) betrieben werden kann, können die
Zuleitungsinduktivitäten vernachlässigt werden. Eine aufwendige Aufbautechnik, z.B. für niederinduktive Beschaltungen, wird nicht benötigt. Folglich ist der zu Grunde liegende Lasertreiber 65-9 einfacher zu realisieren und die Verlustleitung wird verringert.
Gegenüber einem Lidar-System mit vielen Halbleiterlasern, die eine homogene Ausleuchtung erzeugen, hat das bevorzugte erfindungsgemäße Lidar-System 1 einen verhältnismäßig geringen Aufwand hinsichtlich der verwendeten Optiken und weist auch sonst weniger Komponenten auf. Bekannte Lidar-Systeme mit mehreren Lasern benötigen eine aufwendige optische Aufbautechnik, weil für jeden Laser eine präzise Ausrichtung zur Sendeoptik oder die Sendeoptik zum Laser nötig ist, um eine homogene gleichmäßige Ausleuchtung zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Senderoptik 60 und somit die gesamte Sendeeinheit können mit einem reduzierten Bauvolumen realisiert werden, da nur ein einziger Halbleiterlaser 65-1 als Pumplaser zum Beispiel mit etwa 4 W bis etwa 20 W CW-Leistung benötigt wird. Der Festkörperlaser 65-2, aufgefasst als Sendelaser, der eine Eintrittsfläche von etwa 2 mm x 2 mm und eine Länge von etwa 5 mm bis etwa 15 mm hat, benötigt zusätzlich zur Strahlformung eine
Strahlformungsoptik 66, z.B. mit 2 bis 3 Zylinderlinsen.
Durch den in der Erfindung benötigten CW-Betrieb eines Halbleiterlasers 65-1 werden keine hochfrequenten elektromagnetischen Störsignale erzeugt. Die kurzen optischen Pulse von etwa 2 ns bis etwa 10 ns werden rein optisch erzeugt und nicht durch kurze Strompulse im T reiber 65-9 für den Halbleiterlaser 65-1. Dies hat einen enormen Vorteil gegenüber bekannten Konzepten, da die benötigte Auswertelektronik (z.B. ASIC, FPGA, A/D-Wandler,...) im LiDAR- System 1 nicht durch parasitäre hochfrequente elektromagnetische Pulse beeinflusst oder gestört werden kann. Die Wiederholfrequenz wird mittels optischer CW-Leistung am Halbleiterlaser 65-
1 als Pumplaser eingestellt. Diese ergibt sich aus den Parametern des sättigbaren Absorbers und des Pumpvolumens im Kristall. Die zeitliche
Regelschleife wird durch eine zeitliche Messung der Ist-Frequenz zur Soll- Frequenz als Systemanforderung eingestellt. Für die Messung der aktuellen Wiederholfrequenz am Festkörperlaser 65-2 wird im Sendepfad, also im
Strahlengang 61 der Senderoptik 60, eine Monitordiode oder allgemein ein Monitorelement 65-4 benötigt, wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 1 und
2 dargestellt ist.
Der Aufbau mit Halbleiterlaser 65-1 , Festkörperlaser 65-2 und Monitordiode 65-4 kann hierbei komplett auf einem rotierenden Rotor 200 integriert sein, wie dies im Zusammenhang mit Figur 4 dargestellt ist.
Eine weitere Ausführungsform des Halbleiterlasers 65-1 als Pumplaser sieht ein wellenlängenstabilisierendes VBG-Gitter 65-10 vor, wie dies im Zusammenhang mit Figur 3 gezeigt ist. Durch das VBG-Gitter 5 und 60-10 kann der Pumplaser 65-1 in einem Arbeitstemperaturbereich von z.B. etwa 10°C bis etwa 105°C betrieben werden, und zwar ohne nennenswerte Änderung der
Pumpwellenlänge. Dadurch kann der Pumplaser 65-1 den Festkörperlaser 65-2 im optimalen Absorptionsspektrum treffen und arbeitet mit optimaler optisch optische Effizienz. Bei sehr niedrigen Temperaturen im Bereich von etwa -40°C bis etwa +10°C kann das System durch eine Erwärmung auf den
Temperaturbereich gebracht werden und benötigt keine aktive Kühlung, wie dies im Zusammenhang mit Figur 3 dargestellt ist.
Mögliche Alternativen:
1. Der Festkörperlaser 65-2 als Sendelaser wird nicht mehr auf dem drehenden rotierenden Spiegelsystem und dem Rotor 200 platziert. Da der Laserstrahl des Primärlichts 57 aus dem Festkörperlaser einen kleinen Durchmesser von weniger als 2 mm und einen niedrigen Divergenzwinkel von weniger als 2° hat, wird es möglich, den Strahl in der Mitte der Achse eines rotierenden Spiegelsystems und des Rotors 200 zu führen, wie dies im Zusammenhang mit Figur 5 beschrieben ist. 2. Der Q-Switch 65-3 als passiver Güteschalter, zum Beispiel als sättigbarer Absorber, der ohne Ansteuerung die Laserpulse durchschaltet, kann durch einen aktiven Güteschalter ersetzt werden. Ein aktiver Güteschalter kann die
Pulsfrequenz ohne Regelkreis exakt einstellen, wie dies im Zusammenhang mit der Anordnung aus Figur 6 dargestellt ist. Die aktive Güteschaltung kann z.B. durch einen Q-Switch 65-3 in der Ausführungsform eines optoakustischen Güteschalters - einen so genannter AOM oder akustooptischen Modulator - umgesetzt werden. Der AOM lässt in Abhängigkeit der akustischen angelegten Frequenz den Laserstrahl aus dem Resonator oder blockt ihn. Eine weitere Ausführungsform des aktiven Güteschalters ist die Pockelszelle. Die in der Erfindung verwendeten Laserkristalle erzeugen linear polarisiertes Laserlicht in einer Vorzugsrichtung. Eine Pockelszelle ist ein doppelbrechender Kristall, welcher in Abhängigkeit der angelegten elektrischen Spannung, linear polarisiertes Licht blockt oder durchlässt. Da ein aktiver Güteschalter als Q- Switch 65-3 im Wesentlichen etwas größer ist, wird dadurch der Resonator des Festkörperlasers 65-2 verlängert. Die Pulslänge des Laserpulses wird das Schaltverhalten und die Abmessungen der Pockelszelle bestimmt.
3. Das Konzept gemäß Figur 5 zeichnet sich insbesondere durch folgende Vorteile aus:
- Ein kleineres Gehäuse ist ausreichend, weil das Lasermodul, also die
Lichtquelle 65, außerhalb der eigentlichen Anordnung aus Stator 100 und Rotor 200 positioniert werden kann.
- Es liegt ein geringerer Wärmeeintrag im Lidar-System 1 vor, weil der
Lasertreiber 65-9, Halbleiterlaser 65-1 und Festkörperlaser 65-2 voneinander separiert sind, sich in einem Gehäuse befinden und ein Lasermodul außerhalb der Anordnung aus Stator 100 und Rotor 200 bilden. Das Lasermodul, also die Lichtquelle 65 insgesamt, kann an einem Platz mit geringerer
Umgebungstemperatur, guter Wärmeableitung und geringen Umwelteinflüssen verbaut werden.
- Der Rotor 200 besitzt eine geringere räumliche Ausdehnung und eine geringere Masse. Vorteile eines kleineren Rotors 200 sind, dass er unempfindlicher ist gegen von außen einwirkende Stoßkräfte, dass die Lagerung des Rotors 200 einfacher und kostengünstiger realisiert werden kann, dass der Antriebmotor kleiner und kostengünstiger ausgelegt werden kann, dass weniger Eigenschwingungen und Geräusche erzeugt werden und dass der Antrieb weniger Energie verbraucht.

Claims

Ansprüche
1. Senderoptik (60) für ein abtastendes LiDAR-System (1) zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht (57) in ein Sichtfeld (50),
- mit einer Lichtquelle (65) zum Erzeugen des Primärlichts (57),
- wobei die Lichtquelle (65) einen Halbleiterlaser (65-1), einen
Festkörperlaser (65-2) und einen Q-Switch (65-3) aufweist, welche in dieser Reihenfolge in einer Ausgaberichtung für das Primärlicht (57) angeordnet und so eingerichtet sind,
- dass im Betrieb der Halbleiterlaser (65-1) als Dauerstrichpumplaser den Festkörperlaser (65-2) pumpt und der gepumpte Festkörperlaser (65-2) in optischer Kopplung mit dem Q-Switch (65-3) als Primärlichtquelle zur Ausgabe des Primärlichts (57) fungiert.
2. Senderoptik (60) nach Anspruch 1 , bei welcher der Q-Switch (65-3) passiv, als optisch sättigbarer Absorber, aus oder mit V:YAG und/oder aus oder mit CH+iYAG ausgebildet ist.
3. Senderoptik (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Q-Switch (65-3) aktiv, als ein oder mit einem optoakustischen
Modulator und/oder als eine oder mit einer Pockelszelle ausgebildet ist.
4. Senderoptik (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Festkörperlaser (65-2)
- eingerichtet ist, Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 900 nm bis etwa 920 nm und vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich von etwa 905 nm bis etwa 915 nm auszusenden,
- monolithisch ausgebildet ist und/oder
- mit oder aus Nd:GDV04, Nd:YV04, Nd:KDW oder einer beliebigen
Kombination daraus aufgebaut ist.
5. Senderoptik (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Halbleiterlaser (65-1) mit oder als Kantenemitter, VBG-Anordnung und/oder VCSEL-Anordnung ausgebildet ist.
6. Senderoptik (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher zur Steuerung des Betriebs der Lichtquelle (65) in einem Strahlengang (61) der Senderoptik (60) ausgangsseitig von der Lichtquelle (65) und/oder ausgangsseitig vom Q-Switch (65-3) ein Monitorelement (65-4) zum Erfassen des Primärlichts (57) oder eines Teils davon ausgebildet ist.
7. LiDAR-System (1) vom abtastenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50) für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug,
- mit einer Senderoptik (60) zum Erzeugen und Aussenden von
Primärlicht (57) in das Sichtfeld (50) und
- mit einer Empfängeroptik (30) zum Empfangen aus dem Sichtfeld (50) stammenden Sekundärlichts (58),
- wobei die Senderoptik (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 6
ausgebildet ist.
8. LiDAR-System (1) nach Anspruch 7,
- mit einem Stator (100) und einem gegenüber dem Stator (100) um eine Rotationsachse (5) rotierbaren Rotor (200),
- wobei zumindest ein Teil der Senderoptik (60) eine Ablenkoptik (62) und/oder eine Strahlformungsoptik (66) oder Teile davon, und/oder zumindest ein Teil der Empfängeroptik (30) im Rotor (200)
aufgenommen sind.
9. LiDAR-System (1) nach Anspruch 8, wobei
- die Lichtquelle (65) und/oder der Halbleiterlaser (65-1), der
Festkörperlaser (65-2) und der Q-Switch (65-3) außerhalb des Rotors (200) angeordnet sind und/oder
- zumindest ein Teil der Lichtquelle (65) außerhalb des Stators (100) angeordnet ist, insbesondere mit dem Halbleiterlaser (65-1) außerhalb des Stators (100), dem Festkörperlaser (65-2) und dem Q-Switch (65-3) innerhalb des Stators (100) und einem Lichtleiter (66-2) zur optischen Einkopplung der Strahlung des Halbleiterlasers (65-1) in den
Festkörperlaser (65-2).
10. Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug, mit einem LiDAR-System (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).
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