WO2020151898A1 - Optisches system, insbesondere lidar-system, sowie fahrzeug - Google Patents

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WO2020151898A1
WO2020151898A1 PCT/EP2019/087137 EP2019087137W WO2020151898A1 WO 2020151898 A1 WO2020151898 A1 WO 2020151898A1 EP 2019087137 W EP2019087137 W EP 2019087137W WO 2020151898 A1 WO2020151898 A1 WO 2020151898A1
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optical system
optical
beam path
mirror surfaces
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Stefan Spiessberger
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Optical system in particular LiDAR system, and vehicle
  • the present invention relates to an optical system, in particular a LiDAR system, comprising at least one optical transmitter and at least one optical detector, the optical transmitter being set up to emit a scanning light beam along a first beam path into an environment, and the optical detector being set up for this is a reflected light beam along a second beam path from a
  • Mirror surfaces deflect the light beam from a first plane into a second plane parallel to it.
  • Optical systems such as in particular LiDAR systems (for English: light detection and ranging) serve, among other things, as a method related to radar for optical distance and speed measurement.
  • LiDAR systems for English: light detection and ranging
  • Optical systems serve, among other things, as a method related to radar for optical distance and speed measurement.
  • radar In contrast to radar, however, significantly smaller and closer objects can be measured with greater accuracy, which has made technology more important in recent years, particularly for measuring the surroundings of vehicles.
  • Scanning LIDAR systems mostly use a rotating element to achieve spatial resolution, typically in the horizontal direction.
  • the optical transmitter usually comprising one or more lasers
  • the optical detector This has the disadvantage that a power supply and data transmission to the rotating element must be realized.
  • Beam deflection optics rotate, the optical transmitter and usually also the optical detector being stationary.
  • the rotating optic is usually a mirror, which both the emitted and the received beam over a certain
  • the effective transmission and detector area becomes smaller because the effective mirror area decreases.
  • the angular ranges are the
  • FoV must be coherent, usually only one side is used, e.g. 10 ° - 150 °.
  • WO 2011/150942 A1 relates to wind turbines and in particular discloses an improved Doppler anemometer for determining the wind speed by means of a LiDAR system.
  • it is proposed to fasten the corresponding LiDAR system on a stator and the beam path for tracking the wind direction takes place via a rotatably mounted deflection mirror.
  • a deflection via a second mirror inclined by 45 ° is also proposed.
  • EP 2 172 790 B1 discloses a LiDAR system which comprises a transmitting device and a receiving device.
  • the document discloses components of a conventional optical system for the detection of molecules, particles and aerosols in the troposphere.
  • the light beam with a diameter is deflected by means of prisms onto a light beam expander which expands the light beam to a larger diameter.
  • the light beam is guided through a Z-stage with two adjustable mirrors, the Z-stage being a non-rotatable periscope.
  • the mirror surfaces are rotatably supported and coupled to one another in such a way that when they are rotated together about an axis of rotation perpendicular to the two planes, the surroundings are scanned, so that no tilting of the light beam occurs during the rotation, with a beam shaping of the scanning light beam at least partially via a Curvature of the two mirror surfaces and / or at least partially takes place via a beam former in the first beam path.
  • the scanning light beam (for example a laser beam) is deflected over two mirror surfaces so that the emitted one
  • reflected light beam after the beam deflection is located on one of two parallel planes. This prevents the scanning light beam from tilting during the rotation of the mirror surfaces and at the same time enables a large FoV.
  • mirror surfaces are relative to that
  • the plane of propagation of the scanning light beam is tilted by 45 °.
  • the generated scanning light beam can first be shaped using a beam former.
  • the two mirror surfaces can also take on a task in beam shaping. This means that one or both of the mirror surfaces can have a curvature or other optical
  • the light beam is deflected twice by 90 ° through the mirror surfaces.
  • the two mirror surfaces rotate together around an axis.
  • the deflected light beam leaves the deflection unit, which comprises the two mirror surfaces, on a parallel plane which is so far away from the incident plane that the beam can now pass the optical transmitter unhindered.
  • the optical detector works accordingly.
  • a received reflected light beam is then deflected twice by 90 ° by a rotating deflection unit (strikes a beam former and / or is shaped by the mirror surfaces) and is detected by means of the optical detector.
  • it can make sense to deflect both the optical transmitter and the optical detector or in each case only the optical transmitter or the optical detector in this way.
  • the term “optical” is to be understood broadly in the context of this application and not only relates to visible light, but can also include infrared light and / or UV light.
  • the optical transmitter can be one or more
  • the optical transmitter and / or the optical detector are placed on a stator and do not rotate with the mirror surfaces. This simplifies the construction since no power supply and data connection for rotating components have to be provided.
  • the first beam path and the second beam path are superimposed, so that both beam paths use the same mirror surfaces.
  • the system can also be designed coaxially. This means that parts of the first and the second beam path are identical.
  • the scanning light beam can then first be shaped (widened) and then, using the same component (s), an inverse beam shaping of the reflected light beam can be done at least partially via a curvature of the two mirror surfaces and / or at least partially via a beam former in the first / second beam path respectively.
  • additional components that are otherwise necessary can be saved in a separate second beam path.
  • a separate pair of mirror surfaces tilted by 90 ° relative to each other deflects the light beam from a first plane into a second plane parallel to it.
  • the scanning light beam is essentially shaped into a line profile.
  • the line profile has a finite length. “Essentially a line profile” is to be understood here in such a way that the line profile does not have an absolutely uniform line shape, but only a larger extension along one of the two transverse axes perpendicular to the direction of propagation.
  • the line profile can have an approximately elliptical cross section with high eccentricity.
  • the line profile of the scanning light beam does not rotate about the direction of propagation due to the rotation of the mirror surfaces. This can be achieved by the relative arrangement of the mirror surfaces according to the invention, which compensates for an otherwise occurring tilting of a scanning light beam with a non-round beam shape. This enables a significantly more uniform scanning result to be achieved across the entire FoV.
  • the invention also relates to a vehicle comprising at least one optical system according to one of the preceding embodiments, the optical system being installed in the vehicle such that the scanning light beam scans the surroundings of the vehicle essentially horizontally.
  • the optical system provides a coherent horizontal field of view of at least 200 °, preferably of at least 250 °, particularly preferably of at least 300 °.
  • the unusually large field of vision is caused by the “bypassing” of the optical transmitter or the optical detector by moving the
  • the optical system is arranged with the center of its coherent field of view in the direction of the main direction of travel of the vehicle.
  • the highest possible accuracy of the scanning in the direction of travel is usually desired in order to identify obstacles.
  • At least one optical system is arranged with the center of its coherent field of view against the main direction of travel of the vehicle.
  • the highest possible accuracy of the scanning is also desired against the direction of travel, for example in order to identify the following vehicles or obstacles when reversing.
  • FIG. 1 shows a top view of an optical system of the prior art
  • FIG. 2 shows an optical system of the prior art with a mirror at a deflection angle of 0 °
  • FIG. 3 shows an optical system of the prior art with a mirror at a deflection angle of 90 °
  • FIG. 4 shows an optical system according to the invention in a top view
  • Figure 5 is an illustration of the first beam path in one
  • FIG. 6 shows an optical system according to the invention at 0 ° deflection angle
  • FIG. 7 shows an optical system according to the invention at 90 ° deflection angle.
  • Figure 1 shows an optical system 1 of the prior art comprising an optical transmitter 2 and an optical detector 3, which are housed in a common housing.
  • the optical transmitter 2 is set up to emit a scanning light beam along a first beam path 4 into an environment.
  • An optical element 5 for beam shaping is arranged in the beam path.
  • the scanning light beam then strikes a mirror surface 6 which deflects the light beam so as to scan the surroundings.
  • the optical system has two separate FoVs of, for example, 140 ° each, which are arranged to the right and left of a blind spot by a deflection angle of 0 °. Therefore often only one of the two FoV is used and the functionality of the optical system is clearly limited.
  • FIGS. 2 and 3 illustrate another problem in the prior art.
  • the beam path 4 and the mirror surface 6 are shown, as well as two screens 9, 10, which illustrate the shape of the scanning light beam.
  • the scanning light beam is each shaped into a line profile.
  • Figure 2 shows a deflection angle of 0 ° in the scanning plane
  • Scanning light beam on the screen 9 generates a vertical line profile. This allows scanning in a certain area (for example in the case of a vehicle LiDAR) in the height direction.
  • the scanning light beam is tilted in the first beam path 4 and reaches the screen 10 horizontally.
  • FIG. 4 now shows an optical system 11 according to the invention, in particular a LiDAR system, comprising at least one optical transmitter 12 and at least one optical detector 13.
  • the optical transmitter 12 is set up to emit a scanning light beam along a first beam path 14 into an environment.
  • the optical transmitter 12 can comprise a laser, for example.
  • the optical detector 13 is set up to receive a reflected light beam from a surrounding area along a second beam path (not explicitly shown).
  • the second beam path can be superimposed on the first beam path 14 in the opposite direction, as is the case here, but it can also be arranged separately. There are two in at least one of the first beam path 14 and the second beam path
  • Mirror surfaces 15, 16 tilted relative to one another by 90 °, which deflect the light beam from a first plane into a second plane parallel to it (see also FIG. 5).
  • the mirror surfaces 15, 16 are rotatably mounted and coupled to one another in such a way that when they rotate together about an axis of rotation perpendicular to the two planes, the surroundings are scanned. The light beam is not tilted during the rotation (see also FIGS. 6 and 7).
  • a beam shaping of the scanning light beam takes place at least partially via a curvature of the two mirror surfaces and / or at least partially via a beam former 17 in the first beam path 14.
  • the beam is then deflected twice by 90 ° through the mirror surfaces 15, 16.
  • the two mirror surfaces 15, 16 rotate together about an axis.
  • the deflected beam leaves the deflection unit, which comprises the two mirror surfaces 15, 16, on a parallel plane which is so far away from the incident plane that the beam can now pass the optical transmitter unhindered.
  • Deflection unit can also include other optical elements.
  • the optical detector 13 functions accordingly.
  • a received beam is then deflected twice by 90 ° by a rotating deflection unit, optionally strikes a beam shaper and is detected by means of the optical detector 13.
  • a rotating deflection unit optionally strikes a beam shaper and is detected by means of the optical detector 13.
  • the two mirror surfaces 15, 16 can also take on a task in beam shaping. This means that one or both of the mirror surfaces 15, 16 can have a curvature or contain other optical elements.
  • the beam former 17 shown in FIG. 4 is therefore optional.
  • the optical system 11 has a coherent horizontal field of view 18 of approximately 200 °. But there are also fields of view of over 300 ° without
  • Detector 13 by moving the scanning light beam in a parallel plane achieved by a double reflection on the mirror surfaces 15, 16. This is shown schematically in FIG. 5 in a simplified side view of the embodiment in FIG. According to the invention, the scanning light beam
  • the scanning light beam is moved to a certain extent in a parallel, higher plane, so that the optical transmitter 12 and the optical detector 13 no longer block the scanning light beam.
  • the mirror surfaces 15, 16 which can rotate together about an axis.
  • the mirror surfaces are each tilted relative to one another and to the propagation plane of the scanning light beam by 45 °, as shown in FIG. 5.
  • the scanning light beam is each shaped into a line profile.
  • Figure 6 shows a deflection angle of 0 ° in the scanning plane
  • Scanning light beam on the screen 19 generates a vertical line profile.
  • the scanning light beam in the first beam path 14 is only rotated about the axis of rotation of the mirror surfaces 15, 16, without tilting.
  • the scanning light beam thus continues to produce a vertical line profile on the screen 20.

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Abstract

Es wird ein optisches System (11), insbesondere LiDAR-System,beschrieben, umfassend mindestens einen optischen Sender (12) und mindestens einen optischen Detektor (13). Der optische Sender (12) ist dazu eingerichtet, einen Abtastlichtstrahl entlang eines ersten Strahlengangs (14) in eine Umgebung auszusenden.Der optische Detektor (13) ist dazu eingerichtet, einen reflektierten Lichtstrahl entlang eines zweiten Strahlengangs aus einer Umgebung zu empfangen. In mindestens einem des ersten Strahlengangs (14) und des zweiten Strahlengangs lenken zwei gegeneinander um 90° verkippte Spiegelflächen (15, 16) den Lichtstrahl aus einer ersten Ebene in eine dazu parallele zweite Ebene um. Bekannte optische Systeme dieser Art haben nur ein begrenztes Sichtfeld und erlauben keine gleichmäßige Abtastung senkrecht zur Abtastebene. Erfindungsgemäß sind die Spiegelflächen (15, 16) derart drehbar gelagert und miteinander gekoppelt, dass bei deren gemeinsamer Drehung um eine zu den beiden Ebenen senkrechte Drehachse ein Abtasten der Umgebung erfolgt, sodass keine Verkippung des Lichtstrahls während der Drehung auftritt.Eine Strahlformung des Abtastlichtstrahls erfolgt zumindest teilweise über eine Krümmung der beiden Spiegelflächen (15, 16) und/oder zumindest teilweise über einen Strahlformer (17) im ersten Strahlengang (14). Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug umfassend ein solches optisches System (11).

Description

Beschreibung
Titel
Optisches System, insbesondere LiDAR-Svstem, sowie Fahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System, insbesondere LiDAR- System, umfassend mindestens einen optischen Sender und mindestens einen optischen Detektor, wobei der optische Sender dazu eingerichtet ist, einen Abtastlichtstrahl entlang eines ersten Strahlengangs in eine Umgebung auszusenden, und wobei der optische Detektor dazu eingerichtet ist, einen reflektierten Lichtstrahl entlang eines zweiten Strahlengangs aus einer
Umgebung zu empfangen, wobei in mindestens einem des ersten Strahlengangs und des zweiten Strahlengangs zwei gegeneinander um 90° verkippte
Spiegelflächen den Lichtstrahl aus einer ersten Ebene in eine dazu parallele zweite Ebene umlenken.
Stand der Technik
Optische Systeme wie insbesondere LiDAR-Systeme (für englisch: light detection and ranging) dienen unter anderem als mit dem Radar verwandte Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung. Im Gegensatz zum Radar können jedoch deutlich kleinere und nähere Objekte mit höherer Genauigkeit vermessen werden, wodurch die Technik in den letzten Jahren insbesondere für die Umgebungsmessung von Fahrzeugen an Bedeutung gewonnen hat.
Es hat sich jedoch als schwierig herausgestellt, ein großes Field of View (FoV, englisch für Sichtfeld) des optischen Systems zu erreichen ohne mehrere optische Sender und optische Detektoren zu verwenden. Scannende LIDAR- Systeme verwenden meist ein rotierendes Element, um eine Ortsauflösung, typischerweise in horizontaler Richtung, zu erzielen. Hierbei gibt es zwei Ansätze: Bei Ansatz 1 rotiert das gesamte System mit dem optischen Sender (umfassend üblicherweise einen oder mehrere Laser) und dem optischen Detektor. Dies hat den Nachteil, dass eine Leistungsversorgung und eine Datenübertragung auf das drehende Element realisiert werden muss.
Ansatz 2 umgeht die Nachteile von Ansatz 1 , indem lediglich eine
Strahlablenkungsoptik rotiert, wobei der optische Sender und meist auch der optische Detektor ortsfest sind.
Die drehende Optik ist normalerweise ein Spiegel, welcher sowohl den ausgesendeten als auch den empfangenen Strahl über einen gewissen
Winkelbereich ablenkt. Auch hier gibt es zwei Ansätze. Zum einen gibt es Systeme, bei welchen sich der Strahl vor und nach der Strahlablenkung auf einer Ebene befindet. Der Nachteil dieser Variante ist, dass bei größeren
Strahlablenkungswinkeln die effektive Sende- und Detektorfläche kleiner wird, da die effektive Spiegelfläche sinkt. Dadurch sind die Winkelspannen der
erreichbaren horizontalen FoV begrenzt und die Auflösung und Genauigkeit des Systems wird für größere Ablenkungswinkel immer schlechter. Die maximale Sende- und Detektorfläche würde unter einem Winkel von 0° erreicht werden (direkte Rückreflektion des Abtastlichtstrahls). Hier würde der ausgesendete, beziehungsweise der empfangene, Strahl allerdings durch den optischen Sender, beziehungsweise den optischen Detektor, blockiert werden. Aus diesem Grunde können durch diese Variante lediglich Winkelbereiche von typischerweise 10° - 150° oder -10° - -150° ausgeleuchtet werden (wobei der Winkel den Drehwinkel der Spiegelfläche relativ zu einem senkrechten Auftreffen des Lichtstrahls angibt). Das Sichtfeld hat also einen toten Winkel. Da für die meisten
Anwendungen das FoV zusammenhängend sein muss, wird in der Regel lediglich eine Seite, also zum Beispiel 10° - 150° verwendet.
Derartige Lösungen sind beispielsweise aus US 2015 268 331 A1 und DE 10 2010 047 984 A1 bekannt.
Alternativ gibt es Anordnungen, bei welchen der Strahl um typischerweise 90° abgelenkt wird. Bei dieser Variante können auf einfache Art und Weise FoV von 360° realisiert werden. Bei der Aussendung mehrerer Pixel unter
unterschiedlichen Winkeln oder einer Laserlinie ergibt sich allerdings folgender Nachteil: Trifft der bereits als Laserlinie geformte Laserstrahl unter einem Winkel von ca. 45° auf die Ablenkungsoptik, lässt sich eine Linienausleuchtung nicht ohne eine Drehung der Linienorientierung über große Raumwinkel realisieren, da bei größerem Winkel eine vertikal ausgerichtete Linie in Richtung einer horizontalen Linie gekippt wird. Dies würde in der Folge bedeuten, dass die vertikale Ausdehnung des Sichtfeldes bei größeren Auslenkwinkeln kleiner werden würde. Dies ist allerdings bei den meisten Anwendungen nicht gewünscht und würde die Genauigkeit des Systems winkelabhängig
verschlechtern.
Die WO 2011/150942 A1 betrifft Windturbinen und offenbart insbesondere ein verbessertes Doppler-Anemometer zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit mittels eines LiDAR-Systems. Bei einer speziellen Ausführungsform wird zur Vereinfachung der Konstruktion vorgeschlagen, das entsprechende LiDAR- System auf einem Stator zu befestigen und der Strahlengang zur Nachführung der Windrichtung über einen drehbar gelagerten Ablenkspiegel erfolgt. Weiterhin wird zur verbesserten Ausrichtung des Strahlengangs an die Windrichtung auch eine Umlenkung über einen um 45° geneigten zweiten Spiegel vorgeschlagen.
EP 2 172 790 B1 offenbart ein LiDAR-System, das eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung umfasst. Insbesondere offenbart das Dokument Komponenten eines herkömmlichen optischen Systems zur Detektion von Molekülen, Partikeln und Aerosolen in der Troposphäre. Der Lichtstrahl mit einem Durchmesser wird mittels Prismen auf einen Lichtstrahlaufweiter umgelenkt, der den Lichtstrahl auf einen größeren Durchmesser aufweitet. Der Lichtstrahl wird durch eine Z-Stufe mit zwei justierbaren Spiegeln geleitet, wobei die Z-Stufe ein nicht drehbar gelagertes Periskop darstellt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß sind die Spiegelflächen derart drehbar gelagert und miteinander gekoppelt, dass bei deren gemeinsamer Drehung um eine zu den beiden Ebenen senkrechte Drehachse ein Abtasten der Umgebung erfolgt, sodass keine Verkippung des Lichtstrahls während der Drehung auftritt, wobei eine Strahlformung des Abtastlichtstrahls zumindest teilweise über eine Krümmung der beiden Spiegelflächen und/oder zumindest teilweise über einen Strahlformer im ersten Strahlengang erfolgt.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird also der Abtastlichtstrahl (beispielsweise ein Laserstrahl) über zwei Spiegelflächen so abgelenkt, dass sich der ausgesendete
beziehungsweise empfangene, reflektierte Lichtstrahl nach der Strahlablenkung auf einer von zwei parallelen Ebenen befindet. Dadurch wird ein Kippen des Abtastlichtstrahls während der Drehung der Spiegelflächen verhindert und gleichzeitig ein großes FoV ermöglicht.
Erfindungsgemäß erfolgt eine doppelte Strahlablenkung um jeweils 90° mit zwei Spiegelflächen, welche gemeinsam um eine Achse rotieren können. Die
Spiegelflächen sind hierfür im einfachsten Fall jeweils relativ zu der
Ausbreitungsebene des Abtastlichtstrahls um 45° gekippt.
Der erzeugte Abtastlichtstrahl kann zunächst über einen Strahlformer geformt werden. Die beiden Spiegelflächen können alternativ oder zusätzlich auch eine Aufgabe bei der Strahlformung übernehmen. Das bedeutet, eine oder beide der Spiegelflächen können eine Krümmung aufweisen oder andere optische
Elemente enthalten. Dadurch wird der Aufbau vereinfacht und weniger fehleranfällig.
Der Lichtstrahl wird zweimal um jeweils 90° durch die Spiegelflächen abgelenkt. Die beiden Spiegelflächen rotieren gemeinsam um eine Achse. Der abgelenkte Lichtstrahl verlässt die Ablenkeinheit, die die beiden Spiegelflächen umfasst, auf einer parallelen Ebene, die so weit von der einfallenden Ebene entfernt ist, dass der Strahl nun ungehindert den optischen Sender passieren kann. Der optische Detektor funktioniert entsprechend. Hier wird ein empfangener reflektierter Lichtstrahl dann zweimal um 90° durch eine rotierende Ablenkeinheit abgelenkt (trifft auf einen Strahlformer und/oder wird durch die Spiegelflächen geformt) und wird mittels des optischen Detektors detektiert. Je nach Anwendung kann es Sinn machen, sowohl den optischen Sender als auch den optischen Detektor oder jeweils nur den optischen Sender oder den optischen Detektor auf diese Art und Weise abzulenken. Der Begriff„optisch“ ist im Rahmen dieser Anmeldung breit zu verstehen und betrifft nicht nur sichtbares Licht, sondern kann auch Infrarotlicht und/oder UV- Licht mit einbeziehen. Der optische Sender kann einen oder mehrere
(vorzugsweise optische) Laser umfassen.
In einer Ausführungsform sind der optische Sender und/oder der optische Detektor auf einem Stator platziert und drehen sich nicht mit den Spiegelflächen. Dies vereinfacht den Aufbau, da keine Stromversorgung und Datenverbindung für rotierende Komponenten bereitgestellt werden müssen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste Strahlengang und der zweite Strahlengang überlagert, sodass beide Strahlengänge dieselben Spiegelflächen verwenden. Das System kann also auch koaxial ausgelegt sein. Das bedeutet, dass Teile des ersten und des zweiten Strahlengangs identisch sind. Der Abtastlichtstrahl kann dann also zunächst geformt (aufgeweitet) werden und dann kann durch dieselbe(n) Komponente(n) eine inverse Strahlformung des reflektierten Lichtstrahls zumindest teilweise über eine Krümmung der beiden Spiegelflächen und/oder zumindest teilweise über einen Strahlformer im ersten/zweiten Strahlengang erfolgen. Dadurch können sonst notwendige zusätzliche Komponenten in einem separaten zweiten Strahlengang eingespart werden.
Alternativ lenkt im ersten Strahlengang und im zweiten Strahlengang jeweils ein eigenes Paar gegeneinander um 90° verkippte Spiegelflächen den Lichtstrahl aus einer ersten Ebene in eine dazu parallele zweite Ebene um. Je nach Ausführungsform kann es gewünscht sein, den optischen Detektor räumlich vom optischen Sender versetzt anzuordnen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Abtastlichtstrahl im Wesentlichen in ein Linienprofil geformt. Das Linienprofil hat dabei eine endliche Länge.„Im Wesentlichen ein Linienprofil“ ist hier so zu verstehen, dass das Linienprofil keine absolut gleichmäßige Linienform, sondern lediglich eine größere Ausdehnung entlang einer der beiden Querachsen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufweist. Beispielsweise kann das Linienprofil einen näherungsweise elliptischen Querschnitt mit hoher Exzentrizität aufweisen. In einer Ausführungsform dreht sich das Linienprofil des Abtastlichtstrahls durch die Rotation der Spiegelflächen nicht um die Ausbreitungsrichtung. Dies kann durch die erfindungsgemäße relative Anordnung der Spiegelflächen erreicht werden, die ein sonst auftretendes Verkippen eines Abtastlichtstrahls mit nicht runder Strahlform kompensiert. Dadurch kann über das gesamte FoV ein deutlich gleichmäßigeres Abtastergebnis erzielt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug umfassend mindestens ein optisches System nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das optische System so in das Fahrzeug installiert ist, das der Abtastlichtstrahl im Wesentlichen horizontal die Umgebung des Fahrzeugs abtastet.
In einer Ausführungsform stellt das optische System ein zusammenhängendes horizontales Sichtfeld von mindestens 200°, vorzugsweise von mindestens 250°, besonders bevorzugt von mindestens 300° bereit. Das ungewöhnlich große Sichtfeld wird durch die erfindungsgemäße„Umgehung“ des optischen Senders beziehungsweise des optischen Detektors durch das Verlegen des
Abtastlichtstrahls in eine parallele Ebene erreicht. Eine Rundumabtastung ist damit grundsätzlich bereits mit zwei Abtastlichtstrahlen erreichbar, also beispielsweise mit zwei optischen Sendern und zwei optischen Empfängern.
In einer Ausführungsform ist das optische System mit der Mitte seines zusammenhängenden Sichtfeldes in Richtung der Hauptfahrtrichtung des Fahrzeuges angeordnet. Bei einer fahrzeuggestützten Anwendung ist üblicherweise in Fahrtrichtung eine möglichst hohe Genauigkeit der Abtastung gewünscht, um Hindernisse zu erkennen.
In einer Ausführungsform ist mindestens ein optisches System mit der Mitte seines zusammenhängenden Sichtfeldes entgegen der Hauptfahrtrichtung des Fahrzeuges angeordnet. Bei einer fahrzeuggestützten Anwendung ist gleichzeitig entgegen der Fahrtrichtung ebenfalls eine möglichst hohe Genauigkeit der Abtastung gewünscht, beispielsweise um folgende Fahrzeuge oder Hindernisse beim Rückwärtsfahren zu erkennen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein optisches System des Standes der Technik in einer Draufsicht,
Figur 2 ein optisches System des Standes der Technik mit einem Spiegel bei 0° Ablenkungswinkel,
Figur 3 ein optisches System des Standes der Technik mit einem Spiegel bei 90° Ablenkungswinkel,
Figur 4 ein erfindungsgemäßes optisches System in einer Draufsicht,
Figur 5 eine Veranschaulichung des ersten Strahlengangs in einem
erfindungsgemäßen optischen System,
Figur 6 ein erfindungsgemäßes optisches System bei 0° Ablenkungswinkel, und Figur 7 ein erfindungsgemäßes optisches System bei 90° Ablenkungswinkel. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein optisches System 1 des Standes der Technik umfassend einen optischen Sender 2 und einen optischen Detektor 3, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Der optische Sender 2 ist dazu eingerichtet, einen Abtastlichtstrahl entlang eines ersten Strahlengangs 4 in eine Umgebung auszusenden. Im Strahlengang ist ein optisches Element 5 zur Strahlformung angeordnet. Danach trifft der Abtastlichtstrahl auf eine Spiegelfläche 6, die den Lichtstrahl ablenkt, um so die Umgebung abzutasten. Das optische System weist zwei getrennte FoV von beispielsweise jeweils 140° auf, die rechts und links eines toten Winkels um einen Ablenkungswinkel von 0° angeordnet sind. Daher wird oftmals nur eines der beiden FoV verwendet und die Funktionalität des optischen Systems ist deutlich eingeschränkt.
Figuren 2 und 3 verdeutlichen ein weiteres Problem des Standes der Technik. Hier sind im Vergleich zu Figur 1 der Einfachheit halber nur der Strahlengang 4 und die Spiegelfläche 6 dargestellt, sowie zwei Schirme 9,10, die die Form des Abtastlichtstrahls verdeutlichen. Der Abtastlichtstrahl ist jeweils in ein Linienprofil geformt.
Figur 2 zeigt einen Ablenkwinkel von 0° in der Abtastebene, wobei der
Abtastlichtstrahl auf dem Schirm 9 ein senkrechtes Linienprofil erzeugt. Dadurch kann in einem gewissen Bereich eine Abtastung (beispielsweise bei einem Fahrzeug-LiDAR) in Höhenrichtung erfolgen.
Wird die Spiegelfläche 6 nun wie in Figur 3 dargestellt um 90° gedreht, so wird der Abtastlichtstrahl im ersten Strahlengang 4 verkippt und erreicht den Schirm 10 waagerecht. Je weiter der Ablenkwinkel von 0° abweicht, umso weniger kommt also das Linienprofil auch für eine Abtastung in Höhenrichtung zum Tragen.
Figur 4 zeigt nun ein erfindungsgemäßes optisches System 11 , insbesondere ein LiDAR-System, umfassend mindestens einen optischen Sender 12 und mindestens einen optischen Detektor 13. Der optische Sender 12 ist dazu eingerichtet, einen Abtastlichtstrahl entlang eines ersten Strahlengangs 14 in eine Umgebung auszusenden. Der optische Sender 12 kann beispielsweise einen Laser umfassen. Der optische Detektor 13 ist dazu eingerichtet, einen reflektierten Lichtstrahl entlang eines zweiten Strahlengangs (nicht explizit dargestellt) aus einer Umgebung zu empfangen. Der zweite Strahlengang kann dem ersten Strahlengang 14 in umgekehrter Richtung überlagert sein, wie hier der Fall ist, er kann aber auch separat angeordnet sein. In mindestens einem des ersten Strahlengangs 14 und des zweiten Strahlengangs sind zwei
gegeneinander um 90° verkippte Spiegelflächen 15, 16 angeordnet, die den Lichtstrahl aus einer ersten Ebene in eine dazu parallele zweite Ebene umlenken (siehe auch Figur 5). Erfindungsgemäß sind die Spiegelflächen 15, 16 derart drehbar gelagert und miteinander gekoppelt, dass bei deren gemeinsamer Drehung um eine zu den beiden Ebenen senkrechte Drehachse ein Abtasten der Umgebung erfolgt. Dabei erfolgt keine Verkippung des Lichtstrahls während der Drehung (siehe auch Figuren 6 und 7).
Eine Strahlformung des Abtastlichtstrahls erfolgt zumindest teilweise über eine Krümmung der beiden Spiegelflächen und/oder zumindest teilweise über einen Strahlformer 17 im ersten Strahlengang 14. Im Anschluss daran wird der Strahl zweimal um jeweils 90° durch die Spiegelflächen 15, 16 abgelenkt. Die beiden Spiegelflächen 15, 16 rotieren gemeinsam um eine Achse. Der abgelenkte Strahl verlässt die Ablenkeinheit, die die beiden Spiegelflächen 15, 16 umfasst, auf einer parallelen Ebene, die so weit von der einfallenden Ebene entfernt ist, dass der Strahl nun ungehindert den optischen Sender passieren kann. Die
Ablenkeinheit kann aber auch noch weitere optische Elemente umfassen. Der optische Detektor 13 funktioniert entsprechend. Hier wird ein empfangener Strahl dann zweimal um 90° durch eine rotierende Ablenkeinheit abgelenkt, trifft optional auf einen Strahlformer und wird mittels des optischen Detektors 13 detektiert. Je nach Anwendung kann es Sinn machen, sowohl den ersten
Strahlengang 14 vom optischen Sender 12 als auch den zweiten Strahlengang zum optischen Detektor 13 oder jeweils nur den ersten Strahlengang 14 vom optischen Sender 12 oder nur den zweiten Strahlengang zum optischen Detektor 13 auf diese Art und Weise abzulenken.
Die beiden Spiegelflächen 15, 16 können alternativ oder zusätzlich auch eine Aufgabe bei der Strahlformung übernehmen. Das bedeutet, eine oder beide der Spiegelflächen 15, 16 können eine Krümmung aufweisen oder andere optische Elemente enthalten. Der in Figur 4 dargestellte Strahlformer 17 ist also optional.
Das optische System 11 weist ein zusammenhängendes horizontales Sichtfeld 18 von etwa 200° auf. Es sind aber auch Sichtfelder von über 300° ohne
Unterbrechungen realisierbar.
Das ungewöhnlich große Sichtfeld wird durch die erfindungsgemäße
„Umgehung“ des optischen Senders 12 beziehungsweise des optischen
Detektors 13 durch das Verlegen des Abtastlichtstrahls in eine parallele Ebene durch eine zweifache Reflektion an den Spiegelflächen 15, 16 erreicht. Dies ist in Figur 5 schematisch in einer vereinfachten Seitenansicht der Ausführungsform der Figur 4 dargestellt. Erfindungsgemäß wird also der Abtastlichtstrahl
(beispielsweise ein Laserstrahl) über die zwei Spiegelflächen 15, 16 so abgelenkt, dass sich der ausgesendete beziehungsweise empfangene, reflektierte Lichtstrahl nach der Strahlablenkung auf einer von zwei parallelen Ebenen befindet. In Figur 5 wird der Abtastlichtstrahl gewissenmaßen in eine parallele, höhere Ebene verlegt, sodass der optische Sender 12 und der optische Detektor 13 nicht mehr den Abtastlichtstrahl blockieren.
Erfindungsgemäß erfolgt eine doppelte Strahlablenkung um jeweils 90° mit zwei Spiegelflächen 15, 16, welche gemeinsam um eine Achse rotieren können. Die Spiegelflächen sind hierfür im einfachsten Fall jeweils relativ zueinander und zu der Ausbreitungsebene des Abtastlichtstrahls um 45° gekippt wie in Figur 5 dargestellt.
Gleichzeitig wird ein Kippen des Abtastlichtstrahls während der Drehung der Spiegelflächen 15, 16 durch die Verwendung der zwei Spiegelflächen 15, 16 verhindert wie die Figuren 6 und 7 verdeutlichen.
Ähnlich wie in Figuren 2 und 3 sind im Vergleich zu Figur 4 der Einfachheit halber nur der erste Strahlengang 14 und die Spiegelflächen 15, 16 dargestellt sowie zwei Schirme 19, 20. Der Abtastlichtstrahl ist jeweils in ein Linienprofil geformt.
Figur 6 zeigt einen Ablenkwinkel von 0° in der Abtastebene, wobei der
Abtastlichtstrahl auf dem Schirm 19 ein senkrechtes Linienprofil erzeugt.
Dadurch kann in einem gewissen Bereich eine Abtastung (beispielsweise bei einem Fahrzeug-LiDAR) in Höhenrichtung erfolgen.
Werden die Spiegelflächen 15, 16 nun wie in Figur 7 dargestellt gemeinsam um 90° gedreht, so wird der Abtastlichtstrahl im ersten Strahlengang 14 lediglich um die Drehachse der Spiegelflächen 15, 16 gedreht, ohne das ein Verkippen erfolgt. Der Abtastlichtstrahl erzeugt also nach wie vor auf dem Schirm 20 ein senkrechtes Linienprofil. Im Vergleich zum Stand der Technik kann also nicht nur ein größeres FoV, sondern auch eine gleichmäßigere Abtastung senkrecht zur Abtastebene im FoV erreicht werden.

Claims

Ansprüche
1. Optisches System (11), insbesondere LiDAR-System, umfassend
mindestens einen optischen Sender (12) und mindestens einen optischen Detektor (13),
wobei der optische Sender (12) dazu eingerichtet ist, einen Abtastlichtstrahl entlang eines ersten Strahlengangs (14) in eine Umgebung auszusenden, und
wobei der optische Detektor (13) dazu eingerichtet ist, einen reflektierten Lichtstrahl entlang eines zweiten Strahlengangs aus einer Umgebung zu empfangen,
wobei in mindestens einem des ersten Strahlengangs (14) und des zweiten Strahlengangs zwei gegeneinander um 90° verkippte Spiegelflächen (15, 16) den Lichtstrahl aus einer ersten Ebene in eine dazu parallele zweite Ebene umlenken,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spiegelflächen (15, 16) derart drehbar gelagert und miteinander gekoppelt sind, dass bei deren gemeinsamer Drehung um eine zu den beiden Ebenen senkrechte Drehachse ein Abtasten der Umgebung erfolgt, sodass keine Verkippung des Lichtstrahls während der Drehung auftritt, wobei eine Strahlformung des Abtastlichtstrahls zumindest teilweise über eine Krümmung der beiden Spiegelflächen (15, 16) und/oder zumindest teilweise über einen Strahlformer (17) im ersten Strahlengang (14) erfolgt.
2. Optisches System (11) nach Anspruch 1 , wobei der optische Sender
und/oder der optische Detektor auf einem Stator platziert sind und sich nicht mit den Spiegelflächen (15, 16) drehen.
3. Optisches System (11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste
Strahlengang (14) und der zweite Strahlengang überlagert sind, sodass beide Strahlengänge dieselben Spiegelflächen (15, 16) verwenden.
4. Optisches System (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im ersten Strahlengang (14) und im zweiten Strahlengang jeweils ein eigenes Paar gegeneinander um 90° verkippte Spiegelflächen (15, 16) den Lichtstrahl aus einer ersten Ebene in eine dazu parallele zweite Ebene umlenken.
5. Optisches System (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abtastlichtstrahl im Wesentlichen in ein Linienprofil geformt wird.
6. Optisches System (11) nach Anspruch 5, wobei sich das Linienprofil des Abtastlichtstrahls durch die Rotation der Spiegelflächen (15, 16) nicht um die Ausbreitungsrichtung dreht.
7. Fahrzeug umfassend mindestens ein optisches System (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische System (11) so in das
Fahrzeug installiert ist, das der Abtastlichtstrahl im Wesentlichen horizontal die Umgebung des Fahrzeugs abtastet.
8. Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei das optische System (11) ein
zusammenhängendes horizontales Sichtfeld (18) von mindestens 200°, vorzugsweise von mindestens 250°, besonders bevorzugt von mindestens 300° bereitstellt.
9. Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei mindestens ein optisches System (11) mit der Mitte seines zusammenhängenden Sichtfeldes (18) in Richtung der Hauptfahrtrichtung des Fahrzeuges angeordnet ist.
10. Fahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, wobei mindestens ein optisches System (11) mit der Mitte seines zusammenhängenden Sichtfeldes (18) entgegen der Hauptfahrtrichtung des Fahrzeuges angeordnet ist.
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