WO2020200807A1 - Laserabstrahlvorrichtung zur abstrahlung von gepulsten laserlichtstreifen - Google Patents

Laserabstrahlvorrichtung zur abstrahlung von gepulsten laserlichtstreifen Download PDF

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Definitions

  • Laser emitting device for emitting pulsed laser light strips
  • the present invention relates to a laser emitting device for emitting pulsed laser light strips in a horizontal radiation angle range, in particular for a LiDAR-based environment sensor for use in a vehicle, comprising a laser light source for generating pulsed laser beams, a laser beam spreading unit which pulsates the pulsed laser beams
  • Laser light stripes spreads open in the vertical direction with a predetermined spreading angle range, the pulsed laser light stripes having a non-uniform
  • the laser emitting device is designed to emit the pulsed laser light strips such that the
  • Intensity maximum lies essentially in a horizontal plane
  • the present invention also relates to a LiDAR-based environment sensor, in particular for use in a vehicle, with one of the above
  • Laser emitting device and a receiving unit for receiving reflections of the pulsed laser light strips emitted by the laser emitting device in the emission area.
  • the present invention further relates to a method for emitting pulsed laser light strips in a horizontal radiation angle range, in particular for a LiDAR-based environment sensor for use in a vehicle, comprising the steps of generating pulsed laser beams, spreading the pulsed ones
  • the pulsed laser light strips having an uneven intensity distribution over their length with a
  • Intensity maximum in the middle of the spread angle range deflection of the pulsed laser light strips in the horizontal beam angle range by pivoting a deflection mirror around a vertical axis, and emission of the pulsed laser light strips in such a way that the intensity maximum lies essentially in a horizontal plane.
  • ToF time-of-flight
  • the distance to the respective object can be detected.
  • an intensity of the received reflections can be determined in order to gain additional information about a condition of the object.
  • the laser emitting device of such a LiDAR-based environment sensor is shown schematically in FIG.
  • the laser emitting device 10 comprises a laser light source, not shown here, for generating pulsed laser beams.
  • the pulsed laser beams are spread or widened in a laser beam spreading unit 12 in a vertical direction with a spreading angle range a, so that they form a vertically aligned laser light strip 14 or laser beam.
  • various optical elements such as lenses and mirrors,
  • the laser beam or the laser light strip 14 be arranged in the light path of the emitted laser beam.
  • the laser light strip 14 is directed onto a movable deflection mirror 16 which can be pivoted about a vertical axis 18.
  • the laser light strip 14 has, for example, a spreading angle range a of 26 °, while the deflection mirror 16 can be pivoted in an angle range of +/- 37.5 °.
  • the spreading angle range a thus defines a vertical field of view 20, shown in FIG. 2, of the LiDAR-based environmental sensor, which is covered by the laser emitting device 10 with the laser light strips 14.
  • the vertical field of view 20 is indicated with an angular range of + ⁇ ° to - ⁇ ° with +/- 13 ° based on a central region o °.
  • the spread angle range a indicates a divergence of the pulsed laser light strips 14. As shown in FIGS. 2 and 3, the spreading of the pulsed laser light strips 14 results in an intensity 22 with a non-uniform one Intensity distribution over its length 24 with an intensity maximum 26 in the middle of the spread angle range a. The intensity 22 drops from the intensity maximum 26 to both the edges + ⁇ ° and - ⁇ ° of the spread angle range a.
  • the length 24 is to be understood here as a relative indication, since the pulsed laser light strips 14 have a greater length 24 with increasing distance from the laser beam spreading unit 12.
  • the laser emitting device 10 can cover a horizontal angle range of 150 ° and a vertical angle range of 26 °.
  • the laser light stripe 14 is typically emitted via an optical emitting element (not shown here) which deflects the pulsed laser light stripes 14 in such a way that the central area o ° of the vertical spread angle area a with the intensity maximum 26 is horizontal.
  • an optical emitting element not shown here
  • the optical emitting element deflects the pulsed laser light stripes 14 in such a way that the central area o ° of the vertical spread angle area a with the intensity maximum 26 is horizontal.
  • the emitting element thus deflects the pulsed laser light strips 14 in an opposite direction, i. downward.
  • the optical radiating element is usually designed as a prism.
  • the intensity maximum 26 of the pulsed laser light strips 14 is thus directed into the horizontal by the optical emitting element. This means that the LiDAR-based
  • the Environment sensor its greatest range in the horizontal direction.
  • the vertical angular range of 26 ° thus extends 13 ° up and down from the horizontal plane.
  • the LiDAR-based environment sensor also includes a receiving unit, not shown here, for receiving reflections of the laser pulses emitted by the laser emitting device in the emitting area.
  • the receiving unit has a plurality of receiving elements for receiving light with the wavelength of the pulsed laser beams, which are arranged in a matrix-like manner in a two-dimensional field.
  • the receiving unit can have optical elements in order to guide the reflections in a suitable manner onto the receiving units. Individual, vertical rows of the receiving units can be selectively activated in accordance with an angular position of the laser light strip for receiving the reflections of the emitted laser pulses. In the vertical direction, the reflections are directed in a suitable manner to the receiving units so that the reflections can be assigned to a vertical angular position.
  • the invention is based on the object of developing a laser emitting device for emitting pulsed laser light strips in a horizontal radiation angle range, in particular for a LiDAR-based environment sensor for use in a vehicle, a LiDAR-based environment sensor with such a laser emitting device and to specify a method for the emission of pulsed laser light strips in a horizontal emission angle range, which reliably captures the surroundings enable and the appearance of the so-called "smiley" effect when the laser light strips are emitted and reflections from the emitted light are received
  • a laser emitting device for emitting pulsed laser light strips in a horizontal radiation angle range, in particular for a LiDAR-based environment sensor for use in a vehicle, comprising a laser light source for generating pulsed laser beams, a laser beam spreading unit which pulsed the pulsed laser beams
  • Laser light stripes spreads open in the vertical direction with a predetermined spreading angle range, the pulsed laser light stripes having a non-uniform
  • the laser emitting device is designed to emit the pulsed laser light strips such that the
  • Intensity maximum lies essentially in a horizontal plane, and wherein the laser emitting device is designed, the pulsed laser light strips with an intensity distribution, the intensity maximum from the center of the
  • Spread angle range is shifted vertically to radiate.
  • a LiDAR-based environment sensor in particular for use in a vehicle, with an above laser emitting device, and a receiving unit for receiving reflections from the
  • a method for emitting pulsed radiation is also according to the invention.
  • Laser light strips in a horizontal radiation angle range in particular for a LiDAR-based environment sensor for use in a vehicle, comprising the steps of generating pulsed laser beams, spreading the pulsed laser beams into pulsed laser light strips with a predetermined spreading angle range in the vertical direction, the pulsed laser light strips having a non-uniform intensity distribution over their length with a
  • Intensity distribution is shifted along the length of the pulsed laser light strip.
  • the spread angle range can thus experience a different orientation overall than in the prior art, since the intensity maximum continues to be in the horizontal plane, but not the center of the spread angle range, which has the intensity maximum without the shift. This reduces distortion of the laser light beams, which in particular leads to a reduction in the smiley effect.
  • the spread angle range can be pivoted upwards out of the horizontal plane as a whole, which simplifies the design of the laser emitting device.
  • the laser emitting device can thus be designed to be compact. A deflection of the emitted pulsed laser light strips in the vertical direction can therefore be dispensed with or reduced in strength.
  • the spread angle range is reduced overall compared to the prior art.
  • an angular range of 13 ° from the horizontal direction was covered with the laser emitting device, which is usually considered to be sufficient to cover an area above the horizontal direction.
  • Angular range that does not provide any relevant information and is therefore already not used today.
  • the spread of the pulsed laser beams can thus be reduced by this remaining angular range, so that the intensity of the pulsed Laser beams are distributed over a shorter length of the pulsed laser light strips. This allows the detection range of the LiDAR-based environment sensor to be increased.
  • the pulsed laser light strips are emitted obliquely upwards, so that the intensity maximum in
  • the pulsed laser light strips are emitted obliquely downwards.
  • the intensity maximum must be in the opposite direction, i.e. upwards, in the horizontal plane.
  • the information horizontal and vertical are based on a mounted state of the laser emitting device, in particular in a mounted state on the vehicle.
  • Florizontal refers to a plane parallel to a floor plane in the area of the vehicle.
  • the laser emitting device is used in the LiDAR-based environment sensor in order to cover a detection area defined by the length of the pulsed laser light strips and the horizontal radiation angle range, which is also referred to as the field of view (FoV). Reflections of the pulsed laser light strips on objects in the vicinity are received by the receiving unit of the LiDAR-based environment sensor. Distances to the objects can be determined based on a transit time from the emission of the pulsed laser light strips to the reception of the respective reflections according to the Time of Flight (ToF) principle.
  • TOF Time of Flight
  • the LiDAR-based environment sensor is designed for use in a vehicle.
  • the LiDAR-based environment sensor is therefore designed to be as compact as possible overall.
  • the LiDAR-based environmental sensor typically delivers Sensor information with the distances to the objects in the vicinity and their position in the detection area to a driving support system of the vehicle.
  • the vehicle can in principle be any vehicle.
  • the vehicle is preferably designed for partially autonomous or autonomous driving.
  • the laser light source generates the pulsed laser beams.
  • the laser light source is preferably designed to generate pulsed laser beams which are harmless to humans, i.e. as a so-called class 1 laser.
  • the laser beam spreading unit generates pulsed laser light strips from the pulsed laser beams.
  • the pulsed laser beams are spread in a vertical direction.
  • the pulsed laser light strips have a predetermined
  • the pulsed laser light strips have an uneven intensity distribution over their length, with an intensity maximum being present in the middle of the spreading angle range. Accordingly, the pulsed laser light strips have the maximum intensity in their central position. Typically, the intensity drops from the intensity maximum on both sides of the spread angle range or the pulsed laser light strips.
  • the spreading angle range is not to be understood as an absolute angle specification, but merely indicates a dimension and a direction for the spreading.
  • the laser beam spreading unit is designed, for example, as a so-called FAC lens (Fast Axis Collimator).
  • the deflection mirror causes the pulsed laser light strips to be deflected in the horizontal radiation angle range.
  • the deflecting mirror is designed to be pivotable about a vertical axis.
  • the deflecting mirror is preferably designed as a so-called MEMS mirror using microsystem technology.
  • the deflecting mirror is preferably arranged within a hemispherical dome.
  • the laser emitting device generates the pulsed laser light strips with a
  • the laser emitting device is further designed to emit the pulsed laser light strips in such a way that the intensity maximum lies essentially in a horizontal plane.
  • the alignment of the spreading angle range when the pulsed Laser light stripes are therefore only selected as a function of the position of the intensity maximum within the spread angle range.
  • the laser emitting device has a shaped element for shaping the pulsed laser light strips, the shaped element being arranged in a light path of the pulsed laser light strips, in particular between the laser beam spreading unit and the deflecting mirror, and the
  • the shaped element is designed and / or arranged to shape the intensity distribution of the pulsed laser light strips in such a way that the intensity maximum of the emitted laser light strips is shifted vertically from the center of the spread angle range.
  • the shaped element can be supplemented as an additional element in basically existing laser emitting devices in order to adapt the intensity distribution of the laser light strip in a desired manner and that
  • the laser emitting device has a collimator element for collimating the pulsed laser light strips, the collimator element being arranged in a light path of the pulsed laser light strips between the laser beam spreading unit and the deflecting mirror, and that
  • the collimator element is designed and / or arranged in such a way that the intensity distribution of the pulsed laser light strips is shaped in such a way that the intensity maximum of the emitted laser light strips is shifted vertically from the center of the spread angle range.
  • a combined optical element is thus provided which, on the one hand, collimates the pulsed laser light strip and, on the other hand, that
  • the collimator element serves in particular to collimate the pulsed laser light strips in width and / or in fleas, ie in a horizontal direction as well as in a vertical direction
  • the collimator element for collimating the pulsed laser light strips is designed as a collimator mirror.
  • Corresponding collimator mirrors are known as such and are preferably used here in order to reverse the light path and thus limit a corresponding one
  • Laser emitting device as well as a compact LiDAR-based environment sensor can be provided.
  • the use of the collimator mirror is well suited for collimating laser light strips.
  • the collimator mirror can be designed, for example, in the manner of an SAC (slow axis collimator).
  • the collimator element has a decentralized arrangement based on the light path of the pulsed laser light strips and the intensity distribution of the pulsed laser light strips is shaped such that the maximum intensity of the emitted laser light strips comes from the center of the
  • Laser emitting device can be provided particularly inexpensively.
  • the collimator element can be twisted in the vertical direction compared to an arrangement in the prior art in which the intensity maximum is in the center of the spread angle range.
  • the laser emitting device has a beam adjuster which is designed in this way and in the light path of the pulsed
  • Laser light strips is arranged between the laser beam spreading unit and the collimator element in order to shape the intensity distribution of the pulsed laser light strips in such a way that the maximum intensity of the emitted laser light strips is shifted vertically from the center of the spread angle range.
  • a beam shifter is known, for example, as a so-called “beam shifter”.
  • Beam adjuster makes it possible, for example, that the arrangement of collimators in known laser emission devices does not have to be changed in order to achieve a desired change in the intensity distribution of the pulsed laser light strips cause. Further changes to known laser emitting devices are not required in order to remove the maximum intensity from the center of the
  • the beam adjuster is an optical component which is known as such and is not explained further.
  • the laser beam spreading unit is designed to spread the pulsed laser beams into pulsed laser light strips with a predetermined spread angle range in the vertical direction of less than 45 °, preferably less than 30 °, particularly preferably about 26 °.
  • a larger spreading allows in principle a coverage of a larger vertical angular range and thus a larger field of vision. However, this is accompanied by a decrease in the intensity of the laser light strip, which means that the LiDAR-based environment sensor loses its range.
  • the laser emitting device is designed to shape the intensity distribution of the pulsed laser light strips in such a way that the intensity maximum of the emitted laser light strips comes from the center of the
  • Spread angle range by at least a quarter, preferably half the angular range between the center of the spread angle range and one
  • the laser light source is designed as a laser diode rod with a plurality of laser diodes which are arranged in a vertical line to generate a field with a plurality of pulsed laser beams, and the laser beam spreading unit spreads the pulsed laser beams of the field with the plurality of pulsed laser beams together vertical direction to the pulsed laser light strips.
  • the laser diode rod provides the plurality of pulsed laser beams essentially in parallel and synchronously.
  • the individual laser diodes are preferably arranged as close to one another as possible in order to initially have a compact Provide laser beam.
  • the laser beam spreading unit then forms the laser light strip therefrom, which additionally has an improved homogeneity compared to the parallel pulsed laser beams.
  • the type of laser light strip is therefore basically identical for the use of laser light sources with a laser diode or with several laser diodes which are arranged together according to the type of laser diode rod.
  • the further refinements of the laser emitting device relate only to the laser light strip, which is why there are no differences depending on the use of laser light sources with a laser diode or with several laser diodes according to the type of laser diode rod.
  • the laser emitting device has an optical emitting element which deflects the pulsed laser light strips in the vertical direction so that the pulsed laser light strips are emitted in such a way that the maximum intensity is essentially in the horizontal plane.
  • the optical radiating element is typically designed as a prism.
  • the optical emitting element makes it possible to generate the pulsed laser light strips aligned obliquely in order to deflect them later in the direction of the horizontal plane. This enables a simple, compact design of the laser emitting unit. Compared to a laser emitting device from the prior art, the optical emitting element is typically designed as a prism.
  • Radiating element be reduced in size, since only a slight deflection of the pulsed laser light strips in the vertical direction is required to achieve the
  • FIG. 1 is a schematic representation of a laser emitting device
  • LiDAR-based environmental sensor with a deflection mirror that can be swiveled around a vertical axis
  • Laser light strips which have a symmetrical intensity distribution over the spreading angle range in relation to their center, the intensity maximum being in the horizontal plane,
  • FIG. 4 shows a perspective illustration of a laser emitting device of a
  • LiDAR-based environmental sensor with a laser light source, a laser beam spreading unit, a collimator mirror, a deflecting mirror, and an optical radiating element,
  • Laser light strips which have an asymmetrical intensity distribution over the spreading angle range in relation to one of their centers, the intensity maximum of the pulsed laser light strips lying in the horizontal plane, and
  • FIG. 4 shows a laser emitting device 30 according to a first preferred one
  • the laser emitting device 30 is not unique to one
  • LiDAR-based environmental sensor shown for use in a vehicle
  • the laser emitting device 30 comprises a laser light source 34 for generating pulsed laser beams 36.
  • the laser light source 34 is preferably designed to generate pulsed laser beams 36 which are harmless to humans, ie as a
  • the laser light source 34 is designed as a laser diode rod with a plurality of laser diodes which are arranged in a vertical line to generate a field with a plurality of pulsed laser beams 36.
  • the laser diode rod provides the plurality of pulsed laser beams 36 which are im
  • the individual laser diodes are preferably arranged as close to one another as possible in order to use the
  • Laser beams 36 first to form a compact laser beam.
  • the laser diodes are not shown individually in FIG.
  • the laser emitting device 30 further comprises a laser beam spreading unit 38 which spreads the pulsed laser beams 36 to form pulsed laser light strips 40 with a predetermined spreading angle range a in the vertical direction.
  • Spread angle range a is not to be understood as an absolute angle specification, but merely indicates a dimension and a direction for the spread.
  • the laser beam spreading unit 38 is designed as a so-called FAC lens (Fast Axis Collimator). In the case of the one shown in FIG.
  • Laser emitting device 30 the laser light strips 40 have, for example, a spread angle range a of 26 °. In accordance with the vertical
  • the spreading direction thus defines the spreading angle range a in FIG.
  • the illustrated vertical field of view 42 of the LiDAR-based environment sensor which is covered by the laser emitting device 30 with the laser light strips 40.
  • the vertical field of view 42 is indicated with an angular range from + ⁇ ° to - ⁇ ° based on a central region o °.
  • the spread angle range a indicates a divergence of the pulsed laser light strips 40. As shown in particular in FIG. 6, the following results for the pulsed
  • Laser light strips 40 by spreading an intensity 44 with an uneven intensity distribution over its length 46 with an intensity maximum 48 in the middle of the spread angle range a. This is shown in FIGS. 5 and 6 by the
  • the intensity 44 falls from the intensity maximum 48 symmetrically on both sides of the spread angle range a.
  • the length 46 is here to be understood as a relative indication, since the pulsed laser light strips 40 with
  • the laser emitting device 30 also comprises a collimator element 50 for collimating the pulsed laser light strips 40.
  • the collimator element 50 is used here initially to collimate the pulsed laser light strips 40 in width and / or height, i.e. in a horizontal direction or in a vertical direction.
  • the collimator element 50 for collimating the pulsed laser light strips 40 is designed as a collimator mirror on which the light path is reversed.
  • the collimator mirror 38 is designed in the manner of an SAC (Slow Axis Collimator).
  • the laser emitting device 30 also comprises a deflection mirror 52, which is designed to be pivotable about a vertical axis in order to deflect the pulsed laser light strips 40 in a horizontal direction, whereby a horizontal direction
  • the deflection mirror 52 is embodied here as a so-called MEMS mirror using microsystem technology.
  • the deflection mirror 52 is further preferably arranged within a hemispherical dome 54. Another reversal of the light path of the pulsed laser light strips 40 takes place at the deflecting mirror 52.
  • the laser emitting device 30 has an optical emitting element 56 which deflects the pulsed laser light strips 40 in the vertical direction.
  • the optical radiating element 56 is designed here as a prism. The optical emitting element 56 enables the pulsed
  • the laser emitting device 30 is designed, the pulsed laser light strips 40 with an intensity distribution whose intensity maximum 48 from the center of the
  • Spread angle range a is defined by a central range o ° shown in FIG.
  • the collimator mirror 50 has a decentralized arrangement the light path of the pulsed laser light strips 40.
  • the result is an intensity distribution of the pulsed laser light strips 40, which is shaped overall.
  • the intensity distribution is shaped in such a way that the intensity maximum 48 of the emitted
  • Laser light strip 40 is displaced vertically from the center of the spreading angle range a, as shown for example in FIGS. 5 and 6.
  • a shift 58 of the intensity maximum 48 is shown there, the shaped intensity 44 with the corresponding intensity maximum 48 being shown by the dashed curve.
  • the vertical displacement of the intensity maximum 48 results in an asymmetrical intensity distribution over the length 46 of the pulsed laser light strips 40 in relation to the center of the spread angle range a.
  • the intensity distribution of the pulsed laser light strips 40 is shaped in such a way that the intensity maximum 48 of the emitted laser light strips 40 from the center of the spread angle range a by more than half the angular range between the middle of the spread angle range a and a corresponding edge of the spread angle range a is shifted vertically.
  • the collimator mirror 50 can rotate in the vertical direction compared to an arrangement in the prior art, in which the
  • Intensity maximum 48 lies in the middle of the spread angle range a.
  • the collimator element 50 is thus provided as a combined optical element which, on the one hand, causes the collimation of the pulsed laser light strip 40 and, on the other hand, the displacement of the intensity maximum 48 of the emitted laser light strips 40 from the center of the spread angle range a in the vertical direction.
  • the spread angle range a can thus have an overall orientation upwards, i.e. the central area 0 ° is pivoted from the horizontal, but the pulsed laser light strips 30 are nevertheless emitted in such a way that the intensity maximum 48 lies essentially in the horizontal plane.
  • the shift of the intensity maximum 48 in the horizontal plane is in the embodiment shown by the vertical shift of the
  • the laser emitting device 30 does not include an optical emitting element 56, so that the
  • Displacement of the intensity maximum 48 in the horizontal plane is brought about solely by the displacement of the intensity maximum 48 in the vertical direction by the collimator element 50.
  • the laser emitting device 30 becomes a two-dimensional one
  • Emission area covered which results from the alignment and length 46 of the vertical pulsed laser light strips 40 and the movement of the deflection mirror 52 about the vertical axis in the horizontal emission angle range.
  • Laser emitting device 30 has a beam adjuster which is designed and arranged in the light path of the pulsed laser light stripes 40 between the laser beam spreading unit 38 and the collimator element 50 in order to shape the intensity distribution of the pulsed laser light stripes 40 in such a way that the intensity maximum 48 of the emitted laser light stripes 40 from the center of the spread angle range a is shifted vertically.
  • a beam shifter is known, for example, as a so-called “beam shifter”.
  • the LiDAR-based environment sensor is designed in particular for use in the vehicle 32.
  • the laser emitting device 30 is used in the LiDAR-based environment sensor in order to cover a detection area defined by the length 46 and alignment of the pulsed laser light strips 40 and the horizontal emission angle range, which is also referred to as the field of view (FoV) and corresponds to the emission area .
  • FoV field of view
  • the LiDAR-based environmental sensor includes in addition to the above
  • Laser emitting device 30 a receiving unit, not shown here, for receiving reflections of the pulsed laser light strips 40 emitted by the laser emitting device 30 in the emission area.
  • the LiDAR-based environment sensor typically supplies sensor information with distances to objects in a
  • the distances to the objects can be determined based on a transit time from the emission of the pulsed laser light strips 40 to the reception of the respective reflections according to the time of flight (ToF) principle.
  • ToF time of flight
  • the vehicle 32 can in principle be any vehicle 32.
  • the vehicle 32 is preferably designed for partially autonomous or autonomous driving.
  • the information is horizontal and vertical based on a mounted state of the laser emitting device 30, in particular in a mounted state on the vehicle 32.
  • Horizontal here refers to a plane parallel to a floor plane in the area of the vehicle 32.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserabstrahlvorrichtung (30) zur Abstrahlung von gepulsten Laserlichtstreifen in einem horizontalen Abstrahlwinkelbereich, insbesondere für einen LiDAR-basierten Umgebungssensor zur Verwendung in einem Fahrzeug (32), umfassend eine Laserlichtquelle (34) zur Erzeugung von gepulsten Laserstrahlen (36), eine Laserstrahlaufspreizeinheit (38), welche die gepulsten Laserstrahlen (36) zu gepulsten Laserlichtstreifen (40) mit einem vorgegebenen Aufspreizwinkelbereich (α) in vertikaler Richtung aufspreizt, wobei die gepulsten Laserlichtstreifen (40) eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung über ihre Länge (46) aufweisen mit einem Intensitätsmaximum (48) in der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs (α), und einen Ablenkspiegel (52), der um eine vertikale Achse schwenkbar ausgeführt ist, um die gepulsten Laserlichtstreifen (40) in dem horizontalen Abstrahlwinkelbereich abzulenken, wobei die Laserabstrahlvorrichtung (30) ausgeführt ist, die gepulsten Laserlichtstreifen (40) derart abzustrahlen, dass das Intensitätsmaximum (48) im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene liegt, und die Laserabstrahlvorrichtung (30) ausgeführt ist, die gepulsten Laserlichtstreifen (40) mit einer Intensitätsverteilung, deren Intensitätsmaximum (48) aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs (α) vertikal verschoben ist, abzustrahlen. Die Erfindung betrifft außerdem einen LiDAR-basierten Umgebungssensor, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug (32), mit einer obigen Laserabstrahlvorrichtung (30) und einer Empfangseinheit zum Empfang von Reflektionen der von der Laserabstrahlvorrichtung (30) in dem Abstrahlbereich abgestrahlten gepulsten Laserlichtstreifen (40). Die Erfindung betrifft weiterhin ein korrespondierend mit der Laserabstrahlvorrichtung (30) durchgeführtes Verfahren.

Description

Laserabstrahlvorrichtung zur Abstrahlung von gepulsten Laserlichtstreifen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserabstrahlvorrichtung zur Abstrahlung von gepulsten Laserlichtstreifen in einem horizontalen Abstrahlwinkelbereich, insbesondere für einen LiDAR-basierten Umgebungssensor zur Verwendung in einem Fahrzeug, umfassend eine Laserlichtquelle zur Erzeugung von gepulsten Laserstrahlen, eine Laserstrahlaufspreizeinheit, welche die gepulsten Laserstrahlen zu gepulsten
Laserlichtstreifen mit einem vorgegebenen Aufspreizwinkelbereich in vertikaler Richtung aufspreizt, wobei die gepulsten Laserlichtstreifen eine ungleichmäßige
Intensitätsverteilung über ihre Länge aufweisen mit einem Intensitätsmaximum in der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs, und einen Ablenkspiegel, der um eine vertikale Achse schwenkbar ausgeführt ist, um die gepulsten Laserlichtstreifen in dem
horizontalen Abstrahlwinkelbereich abzulenken, wobei die Laserabstrahlvorrichtung ausgeführt ist, die gepulsten Laserlichtstreifen derart abzustrahlen, dass das
Intensitätsmaximum im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene liegt,
Auch betrifft die vorliegende Erfindung einen LiDAR-basierten Umgebungssensor, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug, mit einer obigen
Laserabstrahlvorrichtung, und einer Empfangseinheit zum Empfang von Reflektionen der von der Laserabstrahlvorrichtung in dem Abstrahlbereich abgestrahlten gepulsten Laserlichtstreifen.
Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Abstrahlung von gepulsten Laserlichtstreifen in einem horizontalen Abstrahlwinkelbereich, insbesondere für einen LiDAR-basierten Umgebungssensor zur Verwendung in einem Fahrzeug, umfassend die Schritte Erzeugung von gepulsten Laserstrahlen, Aufspreizen der gepulsten
Laserstrahlen zu gepulsten Laserlichtstreifen mit einem vorgegebenen
Aufspreizwinkelbereich in vertikaler Richtung, wobei die gepulsten Laserlichtstreifen eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung über ihre Länge aufweisen mit einem
Intensitätsmaximum in der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs, Ablenken der gepulsten Laserlichtstreifen in dem horizontalen Abstrahlwinkelbereich durch Schwenken eines Ablenkspiegels um eine vertikale Achse, und Abstrahlen der gepulsten Laserlichtstreifen derart, dass das Intensitätsmaximum im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene liegt. Bei LiDAR-basierten Umgebungssensoren erfolgt eine Erfassung von Objekten in einer Umgebung nach dem sogenannten„time-of-flight“ Prinzip (ToF). Dabei werden einzelne Laserpulse von einer Laserabstrahlvorrichtung abgestrahlt und Reflektionen dieser Laserpulse an den Objekten in der Umgebung werden von der Empfangseinheit empfangen und ausgewertet. Aus einer Zeitdifferenz zwischen dem Abstrahlen des Laserpulses und dem Empfang von dessen Reflektion an den Objekten in der
Umgebung kann der Abstand zu dem jeweiligen Objekt erfasst werden. Zusätzlich kann eine Intensität der empfangenen Reflektionen ermittelt werden, um darüber zusätzliche Informationen über eine Beschaffenheit des Objekts zu gewinnen.
Die Laserabstrahlvorrichtung eines solchen LiDAR-basierten Umgebungssensors ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Die Laserabstrahlvorrichtung 10 umfasst eine hier nicht dargestellte Laserlichtquelle zur Erzeugung von gepulsten Laserstrahlen. Die gepulsten Laserstrahlen werden in einer Laserstrahlaufspreizeinheit 12 in einer vertikalen Richtung mit einem Aufspreizwinkelbereich a aufgespreizt oder aufgeweitet, so dass sie einen vertikal ausgerichteten Laserlichtstreifen 14 oder Laserbalken bilden. Zusätzlich können verschiedene optische Elemente wie Linsen und Spiegel,
beispielsweise zur Kollimation des Laserstrahls oder des Laserlichtstreifens 14, im Lichtpfad des abgestrahlten Laserstrahls angeordnet sein. Der Laserlichtstreifen 14 wird auf einen beweglichen Ablenkspiegel 16 gelenkt, der um eine vertikale Achse 18 schwenkbar ist.
Bei der in Figur 1 gezeigten Laserabstrahlvorrichtung 10 weist der Laserlichtstreifen 14 beispielsweise einen Aufspreizwinkelbereich a von 26° auf, während der Ablenkspiegel 16 in einem Winkelbereich von +/- 37,5° schwenkbar ist. In Übereinstimmung mit der vertikalen Aufspreizrichtung definiert der Aufspreizwinkelbereich a somit ein in Figur 2 dargestelltes vertikales Sichtfeld 20 des LiDAR-basierten Umgebungssensors, das von der Laserabstrahlvorrichtung 10 mit den Laserlichtstreifen 14 abgedeckt wird. In Figur 1 ist das vertikale Sichtfeld 20 mit einem Winkelbereich von +ß° bis -ß° mit +/- 13° bezogen auf einen Mittelbereich o° angegeben.
Der Aufspreizwinkelbereich a gibt eine Divergenz der gepulsten Laserlichtstreifen 14 an. Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, ergibt sich für die gepulsten Laserlichtstreifen 14 durch das Aufspreizen eine Intensität 22 mit einer ungleichmäßigen Intensitätsverteilung über ihre Länge 24 mit einem Intensitätsmaximum 26 in der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs a. Die Intensität 22 fällt von dem Intensitätsmaximum 26 zu beiden zu den Rändern +ß° und -ß° des Aufspreizwinkelbereichs a ab. Die Länge 24 ist hier als relative Angabe zu verstehen, da die gepulsten Laserlichtstreifen 14 mit zunehmendem Abstand von der Laserstrahlaufspreizeinheit 12 eine größere Länge 24 aufweisen.
Durch die Kombination aus den vertikalen Laserlichtstreifen 14 und der Bewegung des Ablenkspiegels 16 um die vertikale Achse 18 wird ein zweidimensionaler
Abstrahlbereich abgedeckt. Insgesamt kann die Laserabstrahlvorrichtung 10 einen horizontalen Winkelbereich von 150° und einen vertikalen Winkelbereich von 26° abdecken.
Die Abstrahlung des Laserlichtstreifens 14 erfolgt typischerweise über ein hier nicht dargestelltes optisches Abstrahlelement, welches die gepulsten Laserlichtstreifen 14 derart ablenkt, dass der Mittelbereich o° des vertikalen Aufspreizwinkelbereichs a mit dem Intensitätsmaximum 26 in der Horizontalen liegt. Bei einer Abstrahlung der Laserlichtstreifen 14 in einer Richtung schräg nach oben bewirkt das optische
Abstrahlelement somit eine Ablenkung der gepulsten Laserlichtstreifen 14 in einer entgegengesetzten Richtung, d.h. nach unten. Das optische Abstrahlelement ist üblicherweise als Prisma ausgeführt.
Durch das optische Abstrahlelement wird also das Intensitätsmaximum 26 der gepulsten Laserlichtstreifen 14 in die Horizontale gelenkt. Damit hat der LiDAR-basierten
Umgebungssensor seine größte Reichweite in der horizontalen Richtung. Der vertikale Winkelbereich von 26° erstreckt sich somit aus der horizontalen Ebene jeweils 13° nach oben und nach unten.
Der LiDAR-basierte Umgebungssensor umfasst weiterhin eine hier nicht dargestellte Empfangseinheit zum Empfang von Reflektionen der von der Laserabstrahlvorrichtung in dem Abstrahlbereich abgestrahlten Laserpulse. Die Empfangseinheit weist eine Mehrzahl Empfangselemente für den Empfang von Licht mit der Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlen auf, die in einem zweidimensionalen Feld matrixartig angeordnet sind. Zusätzlich kann die Empfangseinheit optische Elemente aufweisen, um die Reflektionen in geeigneter Weise auf die Empfangseinheiten zu leiten. Dabei können einzelne, vertikale Reihen der Empfangseinheiten in Übereinstimmung mit einer Winkelposition des Laserlichtstreifens selektiv zum Empfang der Reflektionen der abgestrahlten Laserpulse aktiviert werden. In der vertikalen Richtung werden die Reflektionen in geeigneter Weise auf die Empfangseinheiten geleitet, so dass die Reflektionen einer vertikalen Winkelposition zugeordnet werden können. Aktuelle LiDAR-basierte Umgebungssensoren erreichen dabei in vertikaler Richtung eine Auflösung von beispielsweise 1 ,8°, was hier mit sechzehn Empfangskanälen erreicht wird. Aufgrund des Laserlichtstreifens sind beispielsweise 120 Empfangseinheiten erforderlich, um die sechzehn Empfangskanäle zu realisieren. In horizontaler Richtung sind durch die selektive Aktivierung der Empfangseinheiten Winkelauflösungen von beispielsweise 0,1 ° bis 0,3° möglich, wobei sich die Anzahl der Empfangseinheiten in horizontaler Richtung typischerweise aus dem horizontalen Winkelbereich des LiDAR- basierten Umgebungssensors und der Auflösung ergibt. Dies ist beispielsweise aufgrund von Überlagerungen der Reflektionen erforderlich.
Bei diesen LiDAR-basierten Umgebungssensoren gibt es verschiedene
Herausforderungen. Eine Herausforderung bei aktuellen LiDAR-basierten
Umgebungssensoren ist der sogenannte„Smiley“-Effekt, d.h. die Erfassung der Reflektionen in der Umgebung erfolgt mit einer Verzerrung. Dadurch kann die Erfassung in horizontaler Richtung nicht mit horizontalen Linien erfolgen, sondern die Linien sind abhängig von ihrer horizontalen Position kreisbogensegmentartig verzerrt. Dies erschwert die Auswertung der empfangenen Reflektionen und die Zuordnung der empfangenen Reflektionen der erfassten Objekte zu Positionen in der Umgebung des Fahrzeugs. Der Smiley-Effekt ergibt sich dabei bereits durch eine entsprechende Verzerrung beim Abstrahlen der gepulsten Laserlichtstreifen durch die
Laserabstrah I vo rrichtu ng .
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Laserabstrahlvorrichtung zur Abstrahlung von gepulsten Laserlichtstreifen in einem horizontalen Abstrahlwinkelbereich, insbesondere für einen LiDAR-basierten Umgebungssensor zur Verwendung in einem Fahrzeug, einen LiDAR- basierten Umgebungssensor mit einer solchen Laserabstrahlvorrichtung sowie ein Verfahren zur Abstrahlung von gepulsten Laserlichtstreifen in einem horizontalen Abstrahlwinkelbereich anzugeben, die eine zuverlässige Erfassung der Umgebung ermöglichen und das Auftreten des sogenannten„Smiley“-Effekts bei der Abstrahlung der Laserlichtstreifen und dem Empfang von Reflektionen der abgestrahlten
Laserlichtstreifen an Objekten in der Umgebung reduzieren.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der
unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist somit eine Laserabstrahlvorrichtung zur Abstrahlung von gepulsten Laserlichtstreifen in einem horizontalen Abstrahlwinkelbereich, insbesondere für einen LiDAR-basierten Umgebungssensor zur Verwendung in einem Fahrzeug, angegeben, umfassend eine Laserlichtquelle zur Erzeugung von gepulsten Laserstrahlen, eine Laserstrahlaufspreizeinheit, welche die gepulsten Laserstrahlen zu gepulsten
Laserlichtstreifen mit einem vorgegebenen Aufspreizwinkelbereich in vertikaler Richtung aufspreizt, wobei die gepulsten Laserlichtstreifen eine ungleichmäßige
Intensitätsverteilung über ihre Länge aufweisen mit einem Intensitätsmaximum in der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs, und einen Ablenkspiegel, der um eine vertikale Achse schwenkbar ausgeführt ist, um die gepulsten Laserlichtstreifen in dem
horizontalen Abstrahlwinkelbereich abzulenken, wobei die Laserabstrahlvorrichtung ausgeführt ist, die gepulsten Laserlichtstreifen derart abzustrahlen, dass das
Intensitätsmaximum im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene liegt, und wobei die Laserabstrahlvorrichtung ausgeführt ist, die gepulsten Laserlichtstreifen mit einer Intensitätsverteilung, deren Intensitätsmaximum aus der Mitte des
Aufspreizwinkelbereichs vertikal verschoben ist, abzustrahlen.
Erfindungsgemäß ist außerdem ein LiDAR-basierter Umgebungssensor, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug, mit einer obigen Laserabstrahlvorrichtung, und einer Empfangseinheit zum Empfang von Reflektionen der von der
Laserabstrahlvorrichtung in dem Abstrahlbereich abgestrahlten gepulsten
Laserlichtstreifen angegeben.
Weiter ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Abstrahlung von gepulsten
Laserlichtstreifen in einem horizontalen Abstrahlwinkelbereich, insbesondere für einen LiDAR-basierten Umgebungssensor zur Verwendung in einem Fahrzeug angegeben, umfassend die Schritte Erzeugung von gepulsten Laserstrahlen, Aufspreizen der gepulsten Laserstrahlen zu gepulsten Laserlichtstreifen mit einem vorgegebenen Aufspreizwinkelbereich in vertikaler Richtung, wobei die gepulsten Laserlichtstreifen eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung über ihre Länge aufweisen mit einem
Intensitätsmaximum in der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs, Ablenken der gepulsten Laserlichtstreifen in dem horizontalen Abstrahlwinkelbereich durch Schwenken eines Ablenkspiegels um eine vertikale Achse, und Abstrahlen der gepulsten Laserlichtstreifen derart, dass das Intensitätsmaximum im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene liegt, wobei das Verfahren einen zusätzlichen Schritt aufweist zum Verschieben der
Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen, so dass deren Intensitätsmaximum aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs verschoben ist.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, die Verwendung von gepulsten Laserlichtstreifen zur Erfassung eines Sichtfelds eines LiDAR-basierten
Umgebungssensors dahingehend zu optimieren, dass die asymmetrische
Intensitätsverteilung entlang der Länge der gepulsten Laserlichtstreifen verschoben wird. Damit kann der Aufspreizwinkelbereich insgesamt eine andere Ausrichtung erfahren als im Stand der Technik, da zwar weiterhin das Intensitätsmaximum in der horizontalen Ebene liegt, aber nicht die Mitte des Aufspreizwinkelbereichs, die ohne die Verschiebung das Intensitätsmaximum aufweist. Dies reduziert Verzerrungen der Laserlichtstrahlen, was insbesondere zu einer Reduktion des Smiley-Effekts führt. Der Aufspreizwinkelbereich kann insgesamt aus der horizontalen Ebene nach oben geschwenkt sein, was das Design der Laserabstrahlvorrichtung erleichtert. Die
Laserabstrahlvorrichtung kann somit kompakt ausgestaltet sein. Eine Ablenkung der abgestrahlten gepulsten Laserlichtstreifen in vertikaler Richtung kann somit entfallen oder in ihrer Stärke reduziert sein.
Auch ist es möglich, dass der Aufspreizwinkelbereich gegenüber dem Stand der Technik insgesamt reduziert wird. Im Stand der Technik wurde beispielsweise ein Winkelbereich von 13° aus der horizontalen Richtung mit der Laserabstrahlvorrichtung abgedeckt, was üblicherweise als ausreichend angesehen wird, um einen Bereich oberhalb der horizontalen Richtung zu erfassen. Bei der Verschiebung des
Intensitätsmaximums verbleibt über den Winkelbereich von 13° hinaus ein
Winkelbereich, der keine relevanten Informationen liefert und daher bereits heute nicht genutzt wird. Um diesen verbleibenden Winkelbereich kann somit die Aufspreizung der gepulsten Laserstrahlen reduziert werden, so dass die Intensität der gepulsten Laserstrahlen über eine geringere Länge der gepulsten Laserlichtstreifen verteilt wird. Damit kann die Reichweite der Erfassung des LiDAR-basierten Umgebungssensors erhöht werden.
Bei einer typischen Laserabstrahlvorrichtung erfolgt die Abstrahlung der gepulsten Laserlichtstreifen schräg nach oben, so dass das Intensitätsmaximum in
entgegengesetzter Richtung, d.h. nach unten, in die horizontale Ebene verschoben werden muss. Bei einer umgekehrten Anbringung der Laserabstrahlvorrichtung, beispielsweise bei einer Anbringung am Fahrzeugdach oder in einem oberen Bereich einer Windschutzscheibe, erfolgt die Abstrahlung der gepulsten Laserlichtstreifen schräg nach unten. In diesem Fall muss das Intensitätsmaximum in entgegengesetzter Richtung, d.h. nach oben, in die horizontale Ebene verschoben werden.
Durch die vertikale Verschiebung des Intensitätsmaximums ergibt sich eine
asymmetrischen Intensitätsverteilung über die Länge der gepulsten Laserlichtstreifen bezogen auf eine Mitte des Aufspreizwinkelbereichs.
Die Angaben horizontal und vertikal sind bezogen auf einen montierten Zustand der Laserabstrahlvorrichtung, insbesondere in einem an dem Fahrzeug montierten Zustand. Florizontal bezieht sich dabei auf eine Ebene parallel zu einer Bodenebene im Bereich des Fahrzeugs.
Die Laserabstrahlvorrichtung wird in dem LiDAR-basierten Umgebungssensor verwendet, um einen durch die Länge der gepulsten Laserlichtstreifen und den horizontalen Abstrahlwinkelbereich definierten Erfassungsbereich, der auch als Field of View (FoV) oder Sichtfeld bezeichnet wird, abzudecken. Reflektionen der gepulsten Laserlichtstreifen an Objekten in der Umgebung werden von der Empfangseinheit des LiDAR-basierten Umgebungssensors empfangen. Abstände zu den Objekten können basierend auf einer Laufzeit von dem Aussenden der gepulsten Laserlichtstreifen bis zum Empfang der jeweiligen Reflektionen nach dem Time of Flight (ToF) - Prinzip bestimmt werden.
Der LiDAR-basierte Umgebungssensor ist zur Verwendung in einem Fahrzeug ausgeführt. Somit ist der LiDAR-basierte Umgebungssensor insgesamt möglichst kompakt ausgeführt. Der LiDAR-basierte Umgebungssensor liefert typischerweise Sensorinformationen mit den Abständen zu den Objekten in der Umgebung und ihre Position in dem Erfassungsbereich an ein Fahrunterstützungssystem des Fahrzeugs. Das Fahrzeug kann ein prinzipiell beliebiges Fahrzeug sein. Vorzugsweise ist das Fahrzeug zum teilautonomen oder autonomen Fahren ausgeführt.
Die Laserlichtquelle erzeugt die gepulsten Laserstrahlen. Die Laserlichtquelle ist vorzugsweise ausgeführt, für den Menschen ungefährliche gepulste Laserstrahlen zu erzeugen, d.h. als ein sogenannter Klasse 1 Laser.
Die Laserstrahlaufspreizeinheit erzeugt aus den gepulsten Laserstrahlen gepulste Laserlichtstreifen. Dazu werden die gepulsten Laserstrahlen in vertikaler Richtung aufspreizt. Die gepulsten Laserlichtstreifen weisen einen vorgegebenen
Aufspreizwinkelbereich, der eine Divergenz der gepulsten Laserlichtstreifen angibt.
Durch das Aufspreizen weisen die gepulsten Laserlichtstreifen eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung über ihre Länge auf, wobei in der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs ein Intensitätsmaximum vorliegt. Entsprechend weisen die gepulsten Laserlichtstreifen das Intensitätsmaximum in ihrer Mittelposition auf. Typischerweise fällt die Intensität von dem Intensitätsmaximum zu beiden Seiten des Aufspreizwinkelbereichs bzw. der gepulsten Laserlichtstreifen ab. Der Aufspreizwinkelbereich ist nicht als absolute Winkelangabe zu verstehen, sondern gibt lediglich ein Maß und eine Richtung für die Aufspreizung an. Die Laserstrahlaufspreizeinheit ist beispielsweise als sogenannte FAC-Linse (Fast Axis Collimator) ausgeführt.
Der Ablenkspiegel bewirkt eine Ablenkung der gepulsten Laserlichtstreifen in dem horizontalen Abstrahlwinkelbereich. Dazu ist der Ablenkspiegel um eine vertikale Achse schwenkbar ausgeführt. Der Ablenkspiegel ist vorzugsweise als sogenannter MEMS- Spiegel in Mikrosystemtechnik ausgeführt. Der Ablenkspiegel ist vorzugsweise innerhalb eines halbkugelförmigen Doms angeordnet.
Die Laserabstrahlvorrichtung erzeugt die gepulsten Laserlichtstreifen mit einer
Intensitätsverteilung, deren Intensitätsmaximum aus der Mitte des
Aufspreizwinkelbereichs und damit aus ihrer Mittelposition vertikal verschoben ist. Die Laserabstrahlvorrichtung ist weiter ausgeführt ist, die gepulsten Laserlichtstreifen derart abzustrahlen, dass das Intensitätsmaximum im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene liegt. Die Ausrichtung des Aufspreizwinkelbereichs bei Abstrahlen der gepulsten Laserlichtstreifen wird also nur abhängig von der Position des Intensitätsmaximums innerhalb des Aufspreizwinkelbereichs gewählt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Laserabstrahlvorrichtung ein Formelement zum Formen der gepulsten Laserlichtstreifen auf, wobei das Formelement in einem Lichtpfad der gepulsten Laserlichtstreifen, insbesondere zwischen der Laserstrahlaufspreizeinheit und dem Ablenkspiegel, angeordnet ist, und das
Formelement ist derart ausgeführt und/oder angeordnet, die Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen derart zu formen, dass das Intensitätsmaximum der abgestrahlten Laserlichtstreifen aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs vertikal verschoben ist. Das Formelement kann als zusätzliches Element in prinzipiell existierenden Laserabstrahlvorrichtungen ergänzt werden, um die Intensitätsverteilung des Laserlichtstreifens in einer gewünschten Weise anzupassen und das
Intensitätsmaximum vertikal zu verschieben. Eine vollständige Neuentwicklung solcher Laserabstrahlvorrichtungen bzw. solcher LiDAR-basierter Umgebungssensoren kann daher vermieden werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Laserabstrahlvorrichtung ein Kollimatorelement zum Kollimieren der gepulsten Laserlichtstreifen auf, wobei das Kollimatorelement in einem Lichtpfad der gepulsten Laserlichtstreifen zwischen der Laserstrahlaufspreizeinheit und dem Ablenkspiegel, angeordnet ist, und das
Kollimatorelement ist derart ausgeführt und/oder angeordnet, die Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen derart zu formen, dass das Intensitätsmaximum der abgestrahlten Laserlichtstreifen aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs vertikal verschoben ist. Es wird also ein kombiniertes optisches Element bereitgestellt, das einerseits ein Kollimieren des gepulsten Laserlichtstreifen und andererseits das
Verschieben des Intensitätsmaximums der abgestrahlten Laserlichtstreifen aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs in vertikaler Richtung bewirkt. Somit kann die Anzahl optischer Elemente der Laserabstrahlvorrichtung gegenüber aktuellen
Laserabstrahlvorrichtungen konstant gehalten werden, wodurch die
Laserabstrahlvorrichtung und entsprechend der LiDAR-basierte Umgebungssensor mit kompakten Abmessungen bereitgestellt werden können. Das Kollimatorelement dient insbesondere zum Kollimieren der gepulsten Laserlichtstreifen in Breite und/oder Flöhe, d.h. in einer horizontalen Richtung wie auch in einer vertikalen Richtung In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Kollimatorelement zum Kollimieren der gepulsten Laserlichtstreifen als Kollimatorspiegel ausgeführt. Entsprechende Kollimatorspiegel sind als solche bekannt und werden hier bevorzugt verwendet, um eine Umkehr des Lichtpfads und damit eine Begrenzung einer entsprechenden
Baulänge der Laserabstrahlvorrichtung wie auch des LiDAR-basierten
Umgebungssensors zu bewirken. Dadurch können eine kompakte
Laserabstrahlvorrichtung wie auch ein kompakter LiDAR-basierten Umgebungssensor bereitgestellt werden. Die Verwendung des Kollimatorspiegel ist für das Kollimieren von Laserlichtstreifen gut geeignet. Der Kollimatorspiegel kann beispielsweise nach der Art eines SAC (slow axis collimator) ausgeführt sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Kollimatorelement eine dezentrale Anordnung bezogen auf den Lichtpfad der gepulsten Laserlichtstreifen auf und die Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen ist derart geformt, dass das Intensitätsmaximum der abgestrahlten Laserlichtstreifen aus der Mitte des
Aufspreizwinkelbereichs vertikal verschoben ist. Die Formung der Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen mit der Verschiebung des Intensitätsmaximums aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs kann somit unter alleiniger Verwendung von heutzutage üblichen und verwendeten Komponenten erreicht werden. Lediglich eine geänderte Montage des Kollimatorelements ist erforderlich, wodurch die
Laserabstrahlvorrichtung besonders kostengünstig bereitgestellt werden kann.
Beispielsweise kann das Kollimatorelement in vertikaler Richtung eine Verdrehung gegenüber einer Anordnung im Stand der Technik, bei der das Intensitätsmaximum in der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs liegt, aufweisen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Laserabstrahlvorrichtung einen Strahlversteller auf, der derart ausgeführt und in dem Lichtpfad der gepulsten
Laserlichtstreifen zwischen der Laserstrahlaufspreizeinheit und dem Kollimatorelement angeordnet ist, um die Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen derart zu formen, dass das Intensitätsmaximum der abgestrahlten Laserlichtstreifen aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs vertikal verschoben ist. Ein solcher Strahlversteller ist beispielsweise als sogenannter„beam shifter“ bekannt. Die Verwendung des
Strahlverstellers ermöglicht es, dass beispielsweise die Anordnung von Kollimatoren in bekannten Laserabstrahlvorrichtungen nicht verändert werden müssen, um eine gewünschte Änderung der Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen zu bewirken. Weitergehende Änderungen von bekannten Laserabstrahlvorrichtungen sind nicht erforderlich, um das Intensitätsmaximum aus der Mitte des
Aufspreizwinkelbereichs vertikal zu verschieben. Es ist lediglich erforderlich, diese bekannten Laserabstrahlvorrichtungen mit dem Strahlversteller anzupassen, um eine erfindungsgemäße Laserabstrahlvorrichtung bereitzustellen. Dadurch ist kein vollständiges Neudesign der bekannten Laserabstrahlvorrichtungen erforderlich, um eine erfindungsgemäße Laserabstrahlvorrichtung bereitzustellen. Der Strahlversteller ist ein als solches bekanntes optisches Bauteil, welches nicht weiter erläutert wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Laserstrahlaufspreizeinheit ausgeführt, die gepulsten Laserstrahlen zu gepulsten Laserlichtstreifen mit einem vorgegebenen Aufspreizwinkelbereich in vertikaler Richtung von weniger als 45°, vorzugsweise weniger als 30°, besonders bevorzugt etwa 26°aufzuspreizen. Eine größere Aufspreizung ermöglicht prinzipiell eine Abdeckung eines größeren vertikalen Winkelbereichs und damit eines größeren Sichtfeldes. Allerdings geht damit eine Abnahme der Intensität des Laserlichtstreifens einher, wodurch der LiDAR-basierte Umgebungssensor an Reichweite verliert.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Laserabstrahlvorrichtung ausgeführt, die Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen derart zu formen, dass das Intensitätsmaximum der abgestrahlten Laserlichtstreifen aus der Mitte des
Aufspreizwinkelbereichs um wenigstens ein Viertel, vorzugsweise die Hälfte des Winkelbereichs zwischen der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs und einem
entsprechenden Rand des Aufspreizwinkelbereichs vertikal verschoben ist. Je größer die Verschiebung, desto weniger ist eine Ablenkung der gepulsten Laserlichtstreifen erforderlich, um das Intensitätsmaximum in der horizontalen Ebene zu positionieren.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Laserlichtquelle als Laserdiodenstab mit einer Mehrzahl Laserdioden, die in einer vertikalen Linie zur Erzeugung eines Felds mit einer Mehrzahl gepulster Laserstrahlen angeordnet sind, ausgeführt, und die Laserstrahlaufspreizeinheit spreizt die gepulsten Laserstrahlen des Feldes mit der Mehrzahl gepulster Laserstrahlen gemeinsam in vertikaler Richtung zu den gepulsten Laserlichtstreifen auf. Der Laserdiodenstab stellt die Mehrzahl gepulster Laserstrahlen im Wesentlichen parallel und synchron bereit. Dabei sind die einzelnen Laserdioden vorzugsweise möglichst nah beieinander angeordnet, um zunächst ein kompaktes Laserstrahlbündel bereitzustellen. Durch die Laserstrahlaufspreizeinheit wird daraus dann der Laserlichtstreifen gebildet, der zusätzlich eine gegenüber den parallelen gepulsten Laserstrahlen verbesserte Homogenität aufweist. Einzelne der parallelen Laserstrahlen sind in dem Laserlichtstreifen vorzugsweise nicht zu erkennen. Der Laserlichtstreifen ist somit von seiner Art her prinzipiell identisch für die Verwendung von Laserlichtquellen mit einer Laserdiode oder mit mehreren Laserdioden, die nach der Art des Laserdiodenstabs gemeinsam angeordnet sind. Die weiteren Ausgestaltungen der Laserabstrahlvorrichtung betreffen lediglich den Laserlichtstreifen, weshalb sich hier kein Unterschiede abhängig von der Verwendung von Laserlichtquellen mit einer Laserdiode oder mit mehreren Laserdioden nach der Art des Laserdiodenstabs ergeben.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Laserabstrahlvorrichtung ein optisches Abstrahlelement auf, welches die gepulsten Laserlichtstreifen in vertikaler Richtung ablenkt, so dass die gepulsten Laserlichtstreifen derart abgestrahlt werden, dass das Intensitätsmaximum im Wesentlichen in der horizontalen Ebene liegt. Das optische Abstrahlelement ist typischerweise als Prisma ausgeführt. Das optische Abstrahlelement ermöglicht es, die gepulsten Laserlichtstreifen schräg ausgerichtet zu erzeugen, um sie erst später in Richtung zu der horizontalen Ebene abzulenken. Dies ermöglicht ein einfaches, kompaktes Design der Laserabstrahleinheit. Gegenüber einer Laserabstrahlvorrichtung aus dem Stand der Technik kann das optische
Abstrahlelement in seiner Größe reduziert sein, da nur eine geringe Ablenkung der gepulsten Laserlichtstreifen in vertikaler Richtung erforderlich ist, um das
Intensitätsmaximum in die horizontalen Ebene abzulenken.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Laserabstrahlvorrichtung eines
LiDAR-basierten Umgebungssensors mit einem Ablenkspiegel, der um eine vertikale Achse schwenkbar ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit der
Laserabstrahlvorrichtung aus Fig. 1 mit abgestrahlten, gepulsten
Laserlichtstreifen, die über den Aufspreizwinkelbereich bezogen auf eine ihre Mitte einer symmetrische Intensitätsverteilung aufweisen, wobei das Intensitätsmaximum in der Florizontalen liegt,
Fig. 3 eine detailliierte Kurve der Intensitätsverteilung der abgestrahlten
gepulsten Laserlichtstreifen gemäß Fig. 2 über den
Aufspreizwinkelbereich der Laserlichtstreifen,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer Laserabstrahlvorrichtung eines
LiDAR-basierten Umgebungssensors mit einer Laserlichtquelle, einer Laserstrahlaufspreizeinheit, einem Kollimatorspiegel, einem Ablenkspiegel, und einem optischen Abstrahlelement,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit der
Laserabstrahlvorrichtung aus Fig. 2 mit abgestrahlten, gepulsten
Laserlichtstreifen, die über den Aufspreizwinkelbereich bezogen auf eine ihre Mitte einer asymmetrische Intensitätsverteilung aufweisen, wobei das Intensitätsmaximum der gepulsten Laserlichtstreifen in der Florizontalen liegt, und
Fig. 6 eine detaillierte Kurve der Intensitätsverteilung der abgestrahlten
gepulsten Laserlichtstreifen gemäß Fig. 5 über den
Aufspreizwinkelbereich der Laserlichtstreifen.
Die Figur 4 zeigt eine Laserabstrahlvorrichtung 30 gemäß einer ersten, bevorzugten
Ausführungsform. Die Laserabstrahlvorrichtung 30 ist für einen nicht einzeln
dargestellten LiDAR-basierten Umgebungssensor zur Verwendung in einem Fahrzeug
32, das in Figur 5 dargestellt ist, ausgeführt. Die Laserabstrahlvorrichtung 30 umfasst eine Laserlichtquelle 34 zur Erzeugung von gepulsten Laserstrahlen 36. Die Laserlichtquelle 34 ist vorzugsweise ausgeführt, für den Menschen ungefährliche gepulste Laserstrahlen 36 zu erzeugen, d.h. als ein
sogenannter Klasse 1 Laser. Die Laserlichtquelle 34 ist dabei als Laserdiodenstab mit einer Mehrzahl Laserdioden ausgeführt, die in einer vertikalen Linie zur Erzeugung eines Felds mit einer Mehrzahl gepulster Laserstrahlen 36 angeordnet sind. Der Laserdiodenstab stellt die Mehrzahl gepulster Laserstrahlen 36 bereit, die im
Wesentlichen parallel und synchron abgestrahlt werden. Dabei sind die einzelnen Laserdioden vorzugsweise möglichst nah beieinander angeordnet, um mit den
Laserstrahlen 36 zunächst ein kompaktes Laserstrahlbündel zu bilden. Die Laserdioden sind in Figur 4 nicht einzeln dargestellt.
Die Laserabstrahlvorrichtung 30 umfasst weiterhin eine Laserstrahlaufspreizeinheit 38, welche die gepulsten Laserstrahlen 36 zu gepulsten Laserlichtstreifen 40 mit einem vorgegebenen Aufspreizwinkelbereich a in vertikaler Richtung aufspreizt. Der
Aufspreizwinkelbereich a ist nicht als absolute Winkelangabe zu verstehen, sondern gibt lediglich ein Maß und eine Richtung für die Aufspreizung an. Die
Laserstrahlaufspreizeinheit 38 ist in diesem Ausführungsbeispiel als sogenannte FAC- Linse (Fast Axis Collimator) ausgeführt. Bei der in Figur 4 gezeigten
Laserabstrahlvorrichtung 30 weisen die Laserlichtstreifen 40 beispielsweise einen Aufspreizwinkelbereich a von 26° auf. In Übereinstimmung mit der vertikalen
Aufspreizrichtung definiert der Aufspreizwinkelbereich a somit ein in Figur 5
dargestelltes vertikales Sichtfeld 42 des LiDAR-basierten Umgebungssensors, das von der Laserabstrahlvorrichtung 30 mit den Laserlichtstreifen 40 abgedeckt wird. In Figur 5 ist das vertikale Sichtfeld 42 mit einem Winkelbereich von +ß° bis -ß° bezogen auf einen Mittelbereich o° angegeben.
Der Aufspreizwinkelbereich a gibt eine Divergenz der gepulsten Laserlichtstreifen 40 an. Wie insbesondere in Figur 6 dargestellt ist, ergibt sich für die gepulsten
Laserlichtstreifen 40 durch das Aufspreizen eine Intensität 44 mit einer ungleichmäßigen Intensitätsverteilung über ihre Länge 46 mit einem Intensitätsmaximum 48 in der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs a. Dies ist in den Figuren 5 und 6 durch die die
durchgehende Kurve dargestellt. Die Intensität 44 fällt von dem Intensitätsmaximum 48 symmetrisch zu beiden Seiten des Aufspreizwinkelbereichs a ab. Die Länge 46 ist hier als relative Angabe zu verstehen, da die gepulsten Laserlichtstreifen 40 mit
zunehmendem Abstand von der Laserstrahlaufspreizeinheit 38 eine größere Länge 46 aufweisen.
Die Laserabstrahlvorrichtung 30 umfasst ebenfalls ein Kollimatorelement 50 zum Kollimieren der gepulsten Laserlichtstreifen 40. Das Kollimatorelement 50 dient hier zunächst zum Kollimieren der gepulsten Laserlichtstreifen 40 in Breite und/oder Höhe, d.h. in einer horizontalen Richtung bzw. in einer vertikalen Richtung. In dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Kollimatorelement 50 zum Kollimieren der gepulsten Laserlichtstreifen 40 als Kollimatorspiegel ausgeführt, an dem eine Umkehr des Lichtpfads erfolgt. Der Kollimatorspiegel 38 ist vorliegend nach der Art eines SAC (Slow Axis Collimator) ausgeführt.
Die Laserabstrahlvorrichtung 30 umfasst außerdem einen Ablenkspiegel 52, der um eine vertikale Achse schwenkbar ausgeführt ist, um die gepulsten Laserlichtstreifen 40 einer horizontalen Richtung abzulenken, wodurch sich ein horizontaler
Abstrahlwinkelbereich der Laserabstrahlvorrichtung 30 ergibt. Der Ablenkspiegel 52 ist vorliegend als sogenannter MEMS-Spiegel in Mikrosystemtechnik ausgeführt. Der Ablenkspiegel 52 ist weiter bevorzugt innerhalb eines halbkugelförmigen Doms 54 angeordnet. An dem Ablenkspiegel 52 erfolgt eine erneute Umkehr des Lichtpfads der gepulsten Laserlichtstreifen 40.
In der vorliegenden Ausführungsform weist die Laserabstrahlvorrichtung 30 ein optisches Abstrahlelement 56 auf, welches die gepulsten Laserlichtstreifen 40 in vertikaler Richtung ablenkt. Das optische Abstrahlelement 56 ist hier als Prisma ausgeführt. Das optische Abstrahlelement 56 ermöglicht es, die gepulsten
Laserlichtstreifen 30 in der Laserabstrahlvorrichtung 30 zunächst schräg ausgerichtet zu erzeugen, um sie erst später mit dem optischen Abstrahlelement 56 in Richtung zu einer horizontalen Ebene abzulenken.
Die Laserabstrahlvorrichtung 30 ist ausgeführt, die gepulsten Laserlichtstreifen 40 mit einer Intensitätsverteilung, deren Intensitätsmaximum 48 aus der Mitte des
Aufspreizwinkelbereichs a vertikal verschoben ist, abzustrahlen. Die Mitte des
Aufspreizwinkelbereichs a ist durch eine in Figur 5 dargestellten Mittelbereich o° definiert. Dazu weist der Kollimatorspiegel 50 eine dezentrale Anordnung bezogen auf den Lichtpfad der gepulsten Laserlichtstreifen 40 auf. Es ergibt sich Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen 40, die insgesamt geformt ist. Die Intensitätsverteilung ist dabei so geformt, dass das Intensitätsmaximum 48 der abgestrahlten
Laserlichtstreifen 40 aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs a vertikal verschoben ist, wie beispielsweise in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist. Dort ist eine Verschiebung 58 des Intensitätsmaximum 48 dargestellt, wobei die geformte Intensität 44 mit dem entsprechenden Intensitätsmaximum 48 durch die gestrichelte Kurve dargestellt ist.
Durch die vertikale Verschiebung des Intensitätsmaximums 48 ergibt sich eine asymmetrische Intensitätsverteilung über die Länge 46 der gepulsten Laserlichtstreifen 40 bezogen auf die Mitte des Aufspreizwinkelbereichs a. Wie sich aus den Figuren 5 und 6 weiter ergibt, ist die Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen 40 derart geformt, dass das Intensitätsmaximum 48 der abgestrahlten Laserlichtstreifen 40 aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs a um mehr als die Hälfte des Winkelbereichs zwischen der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs a und einem entsprechenden Rand des Aufspreizwinkelbereichs a vertikal verschoben ist.
Um die Intensitätsverteilung zu formen ist gegenüber einer Laserabstrahlvorrichtung 30 aus dem Stand der Technik lediglich eine geänderte Montage des Kollimatorspiegels 50 erforderlich. Beispielsweise kann der Kollimatorspiegel 50 in vertikaler Richtung eine Verdrehung gegenüber einer Anordnung im Stand der Technik, bei der das
Intensitätsmaximum 48 in der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs a liegt, aufweisen.
Das Kollimatorelement 50 wird also als kombiniertes optisches Element bereitgestellt, das einerseits das Kollimieren des gepulsten Laserlichtstreifen 40 und andererseits das Verschieben des Intensitätsmaximums 48 der abgestrahlten Laserlichtstreifen 40 aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs a in vertikaler Richtung bewirkt.
Wie in Figur 5 dargestellt ist, kann somit der Aufspreizwinkelbereich a insgesamt eine Ausrichtung nach oben aufweisen, d.h. der Mittelbereich o° ist aus der Florizontalen verschwenkt, wobei aber trotzdem die gepulsten Laserlichtstreifen 30 derart abgestrahlt werden, dass das Intensitätsmaximum 48 im Wesentlichen in der horizontalen Ebene liegt. Die Verschiebung des Intensitätsmaximums 48 in die horizontale Ebene wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch die vertikale Verschiebung des
Aufspreizwinkelbereichs a durch das optische Abstrahlelement 56 zusammen mit der Verschiebung des Intensitätsmaximums 48 in der vertikalen Richtung durch das Kollimatorelement 50 bewirkt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst die Laserabstrahlvorrichtung 30 kein optische Abstrahlelement 56, so dass die
Verschiebung des Intensitätsmaximums 48 in die horizontale Ebene allein durch die Verschiebung des Intensitätsmaximums 48 in der vertikalen Richtung durch das Kollimatorelement 50 bewirkt wird.
Insgesamt wird von der Laserabstrahlvorrichtung 30 ein zweidimensionaler
Abstrahlbereich abgedeckt, der sich durch die Ausrichtung und Länge 46 der vertikalen gepulsten Laserlichtstreifen 40 und der Bewegung des Ablenkspiegels 52 um die vertikale Achse in dem horizontalen Abstrahlwinkelbereich ergibt.
In einer alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsform weist die
Laserabstrahlvorrichtung 30 einen Strahlversteller auf, der derart ausgeführt und in dem Lichtpfad der gepulsten Laserlichtstreifen 40 zwischen der Laserstrahlaufspreizeinheit 38 und dem Kollimatorelement 50 angeordnet ist, um die Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen 40 derart zu formen, dass das Intensitätsmaximum 48 der abgestrahlten Laserlichtstreifen 40 aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs a vertikal verschoben ist. Ein solcher Strahlversteller ist beispielsweise als sogenannter„beam shifter“ bekannt.
Der LiDAR-basierte Umgebungssensor ist insbesondere zur Verwendung in dem Fahrzeug 32 ausgeführt. Die Laserabstrahlvorrichtung 30 wird in dem LiDAR-basierten Umgebungssensor verwendet, um einen durch die Länge 46 und Ausrichtung der gepulsten Laserlichtstreifen 40 und den horizontalen Abstrahlwinkelbereich definierten Erfassungsbereich, der auch als Field of View (FoV) oder Sichtfeld bezeichnet wird und dem Abstrahlbereich entspricht, abzudecken.
Der LiDAR-basierte Umgebungssensor umfasst neben der obigen
Laserabstrahlvorrichtung 30 eine hier nicht dargestellte Empfangseinheit zum Empfang von Reflektionen der von der Laserabstrahlvorrichtung 30 in dem Abstrahlbereich abgestrahlten gepulsten Laserlichtstreifen 40. Der LiDAR-basierte Umgebungssensor liefert typischerweise Sensorinformationen mit Abständen zu Objekten in einer
Umgebung des Fahrzeugs 32 und ihre Position in einem Erfassungsbereich an ein Fahrunterstützungssystem des Fahrzeugs 32. Die Abstände zu den Objekten können basierend auf einer Laufzeit von dem Aussenden der gepulsten Laserlichtstreifen 40 bis zum Empfang der jeweiligen Reflektionen nach dem Time of Flight (ToF) - Prinzip bestimmt werden.
Das Fahrzeug 32 kann ein prinzipiell beliebiges Fahrzeug 32 sein. Vorzugsweise ist das Fahrzeug 32 zum teilautonomen oder autonomen Fahren ausgeführt.
In der obigen Beschreibung sind die Angaben horizontal und vertikal bezogen auf einen montierten Zustand der Laserabstrahlvorrichtung 30, insbesondere in einem an dem Fahrzeug 32 montierten Zustand. Horizontal bezieht sich dabei auf eine Ebene parallel zu einer Bodenebene im Bereich des Fahrzeugs 32.
Bezugszeichenliste
10 Laserabstrahlvorrichtung (Stand der Technik)
12 Laserstrahlaufspreizeinheit (Stand der T echnik)
14 Laserlichtstreifen (Stand der Technik)
16 Ablenkspiegel (Stand der Technik)
18 vertikale Achse (Stand der T echnik)
20 Fahrzeug (Stand der Technik)
22 Intensität (Stand der T echnik)
24 vertikales Sichtfeld (Stand der Technik)
26 Intensitätsmaximum (Stand der Technik)
30 Laserabstrahlvorrichtung
32 Fahrzeug
34 Laserlichtquelle
36 Laserstrahl
38 Laserstrahlaufspreizeinheit
40 Laserlichtstreifen
42 vertikales Sichtfeld
44 Intensität
46 Länge
48 Intensitätsmaximum
50 Kollimatorelement, Kollimatorspiegel
52 Ablenkspiegel
54 Dom
56 optisches Abstrahlelement
58 Verschiebung a Aufspreizwinkelbereich
+ß°/-ß° Winkelbereich
o° Mittelbereich

Claims

Patentansprüche
1. Laserabstrahlvorrichtung (30) zur Abstrahlung von gepulsten Laserlichtstreifen in einem horizontalen Abstrahlwinkelbereich, insbesondere für einen LiDAR- basierten Umgebungssensor zur Verwendung in einem Fahrzeug (32), umfassend eine Laserlichtquelle (34) zur Erzeugung von gepulsten Laserstrahlen (36), eine Laserstrahlaufspreizeinheit (38), welche die gepulsten Laserstrahlen (36) zu gepulsten Laserlichtstreifen (40) mit einem vorgegebenen
Aufspreizwinkelbereich (a) in vertikaler Richtung aufspreizt, wobei die gepulsten Laserlichtstreifen (40) eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung über ihre Länge (46) aufweisen mit einem Intensitätsmaximum (48) in der Mitte des
Aufspreizwinkelbereichs (a), und
einen Ablenkspiegel (52), der um eine vertikale Achse schwenkbar ausgeführt ist, um die gepulsten Laserlichtstreifen (40) in dem horizontalen Abstrahlwinkelbereich abzulenken, wobei
die Laserabstrahlvorrichtung (30) ausgeführt ist, die gepulsten
Laserlichtstreifen (40) derart abzustrahlen, dass das Intensitätsmaximum (48) im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene liegt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserabstrahlvorrichtung (30) ausgeführt ist, die gepulsten
Laserlichtstreifen (40) mit einer Intensitätsverteilung, deren Intensitätsmaximum (48) aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs (a) vertikal verschoben ist, abzustrahlen.
2. Laserabstrahlvorrichtung (30) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserabstrahlvorrichtung (30) ein Formelement zum Formen der gepulsten Laserlichtstreifen (40) aufweist, wobei
das Formelement in einem Lichtpfad der gepulsten Laserlichtstreifen (40), insbesondere zwischen der Laserstrahlaufspreizeinheit (38) und dem
Ablenkspiegel (52), angeordnet ist, und
das Formelement derart ausgeführt und/oder angeordnet ist, die Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen (40) derart zu formen, dass das Intensitätsmaximum (48) der abgestrahlten Laserlichtstreifen (40) aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs (a) vertikal verschoben ist.
3. Laserabstrahlvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserabstrahlvorrichtung (30) ein Kollimatorelement (50) zum Kollimieren der gepulsten Laserlichtstreifen (40) aufweist, wobei
das Kollimatorelement (50) in einem Lichtpfad der gepulsten
Laserlichtstreifen (40) zwischen der Laserstrahlaufspreizeinheit (38) und dem Ablenkspiegel (52) angeordnet ist, und
das Kollimatorelement (50) derart ausgeführt und/oder angeordnet ist, die Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen (40) derart zu formen, dass das Intensitätsmaximum (48) der abgestrahlten Laserlichtstreifen (40) aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs (a) vertikal verschoben ist.
4. Laserabstrahlvorrichtung (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollimatorelement (50) zum Kolllimieren der gepulsten Laserlichtstreifen (40) als Kollimatorspiegel (50) ausgeführt ist.
5. Laserabstrahlvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
das Kollimatorelement (50) eine dezentrale Anordnung bezogen auf den Lichtpfad der gepulsten Laserlichtstreifen (40) aufweist und die
Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen (40) derart formt, dass das Intensitätsmaximum (48) der abgestrahlten Laserlichtstreifen (40) aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs (a) vertikal verschoben ist.
6. Laserabstrahlvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserabstrahlvorrichtung (30) einen Strahlversteller aufweist, der derart ausgeführt und in dem Lichtpfad der gepulsten Laserlichtstreifen (40) zwischen der Laserstrahlaufspreizeinheit (38) und dem Kollimatorelement (50) angeordnet ist, um die Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen (40) derart zu formen, dass das Intensitätsmaximum (48) der abgestrahlten Laserlichtstreifen (40) aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs (a) vertikal verschoben ist.
7. Laserabstrahlvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserstrahlaufspreizeinheit (38) ausgeführt ist, die gepulsten Laserstrahlen (36) zu gepulsten Laserlichtstreifen (40) mit einem vorgegebenen Aufspreizwinkelbereich (a) in vertikaler Richtung von weniger als 45°,
vorzugsweise weniger als 30°, besonders bevorzugt etwa 26°aufzuspreizen.
8. Laserabstrahlvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserabstrahlvorrichtung (30) ausgeführt ist, die Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen (40) derart zu formen, dass das Intensitätsmaximum (48) der abgestrahlten Laserlichtstreifen (40) aus der Mitte des
Aufspreizwinkelbereichs (a) um wenigstens ein Viertel, vorzugsweise die Hälfte, des Winkelbereichs zwischen der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs (a) und einem entsprechenden Rand des Aufspreizwinkelbereichs (a) vertikal verschoben ist.
9. Laserabstrahlvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserlichtquelle (32) als Laserdiodenstab mit einer Mehrzahl Laserdioden, die in einer vertikalen Linie zur Erzeugung eines Felds mit einer Mehrzahl gepulster Laserstrahlen (36) angeordnet sind, ausgeführt ist, und
die Laserstrahlaufspreizeinheit (38) die gepulsten Laserstrahlen (36) des Feldes mit einer Mehrzahl gepulster Laserstrahlen (36) gemeinsam in vertikaler Richtung zu den gepulsten Laserlichtstreifen (40) aufspreizt.
10. Laserabstrahlvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserabstrahlvorrichtung (30) ein optisches Abstrahlelement (56) aufweist, welches die gepulsten Laserlichtstreifen (40) in vertikaler Richtung ablenkt, so dass die gepulsten Laserlichtstreifen (40) derart abgestrahlt werden, dass das Intensitätsmaximum (48) im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene liegt.
1 1 . LiDAR-basierter Umgebungssensor, insbesondere zur Verwendung in einem
Fahrzeug (32), mit
einer Laserabstrahlvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und
einer Empfangseinheit zum Empfang von Reflektionen der von der Laserabstrahlvorrichtung (30) in dem Abstrahlbereich abgestrahlten gepulsten Laserlichtstreifen (40).
12. Verfahren zur Abstrahlung von gepulsten Laserlichtstreifen (40) in einem
horizontalen Abstrahlwinkelbereich, insbesondere für einen LiDAR-basierten Umgebungssensor zur Verwendung in einem Fahrzeug (32), umfassend die Schritte
Erzeugung von gepulsten Laserstrahlen (36),
Aufspreizen der gepulsten Laserstrahlen (36) zu gepulsten Laserlichtstreifen (40) mit einem vorgegebenen Aufspreizwinkelbereich (a) in vertikaler Richtung, wobei die gepulsten Laserlichtstreifen (40) eine ungleichmäßige
Intensitätsverteilung über ihre Länge (46) aufweisen mit einem
Intensitätsmaximum (48) in der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs (a),
Ablenken der gepulsten Laserlichtstreifen (40) in dem horizontalen Abstrahlwinkelbereich durch Schwenken eines Ablenkspiegels (34) um eine vertikale Achse (38), und
Abstrahlen der gepulsten Laserlichtstreifen (40) derart, dass das Intensitätsmaximum (48) im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene liegt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren einen zusätzlichen Schritt aufweist zum Verschieben der Intensitätsverteilung der gepulsten Laserlichtstreifen (40), so dass deren
Intensitätsmaximum (48) aus der Mitte des Aufspreizwinkelbereichs (a) vertikal verschoben ist.
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