Title:
LiDAR mit nachgeführtem Erfassungsbereich
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (101) mit mindestens einer Strahlenquelle (105), mindestens einem Spiegel (107), einem ersten Bereich (303) und einem zweiten Bereich (305); wobei der Detektor einen ersten Bereich (303) und einen zweiten Bereich (305) aufweist; wobei der Spiegel (107) ausgebildet ist, eine zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierende Schwenkbewegung auszuführen; wobei die Strahlenquelle (105) ausgebildet ist, mindestens ein Strahlenbündel auszusenden; wobei das Strahlenbündel von dem Spiegel (107) umgelenkt wird; wobei der erste Bereich (303) ausgebildet ist, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den ersten Bereich (303) treffen; wobei der zweite Bereich (305) ausgebildet ist, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den zweiten Bereich (305) treffen; und wobei in Abhängigkeit einer Position eines Objekts (111) eine Reflexion des von dem Spiegel (107) umgelenkten Strahlenbündels an dem Objekt (111) von dem Spiegel (107) zu dem ersten Bereich (303) oder dem zweiten Bereich (305) umgelenkt wird und zu einer Zeit t1 auf den ersten Bereich (303) oder zu einer Zeit t2, mit t1 < t2, auf den zweiten Bereich (305) trifft. Zu der Zeit t1 befindet der erste Bereich (303) sich in dem aktivierten Zustand, und der zweite Bereich (305) befindet sich ein einem deaktivierten Zustand befindet; wobei zu der Zeit t2 erste Bereich (303) sich in einem deaktivierten Zustand und der zweite Bereich (305) sich ein dem aktivierten Zustand befindet.





Inventors:
Beuschel, Ralf, Dr. (88239, Wangen, DE)
Heinle, Anna, Dr. (88250, Weingarten, DE)
Weuffen, Andrea (88239, Wangen, DE)
Kiesel, Rainer, Dr. (89160, Dornstadt, DE)
Application Number:
DE102016213427A
Publication Date:
01/25/2018
Filing Date:
07/22/2016
Assignee:
ZF FRIEDRICHSHAFEN AG, 88046 (DE)
International Classes:
G01S17/42; B81B3/00; G01S7/48; G01S7/481; G01S17/89; G01S17/93; G02B26/10
Domestic Patent References:
DE102004002936A1N/A
DE102008064652A1N/A
DE102011005746A1N/A
Claims:
1. Anordnung (101) mit mindestens einer Strahlenquelle (105), mindestens einem Spiegel (107) und mindestens einem Detektor; wobei
der Detektor einen ersten Bereich (303) und einen zweiten Bereich (305) aufweist; wobei
der Spiegel (107) ausgebildet ist, eine zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierende Schwenkbewegung auszuführen; wobei
die Strahlenquelle (105) ausgebildet ist, mindestens ein Strahlenbündel auszusenden; wobei
das Strahlenbündel von dem Spiegel (107) umgelenkt wird; wobei
der erste Bereich (303) ausgebildet ist, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den ersten Bereich (303) treffen; wobei
der zweite Bereich (305) ausgebildet ist, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den zweiten Bereich (305) treffen; und wobei
in Abhängigkeit einer Position eines Objekts (111) eine Reflexion des von dem Spiegel (107) umgelenkten Strahlenbündels an dem Objekt (111) von dem Spiegel (107) zu dem ersten Bereich (303) oder dem zweiten Bereich (305) umgelenkt wird und zu einer Zeit t1 auf den ersten Bereich (303) oder zu einer Zeit t2, mit t1 < t2, auf den zweiten Bereich (305) trifft; dadurch gekennzeichnet, dass
zu der Zeit t1 der erste Bereich (303) sich in dem aktivierten Zustand und der zweite Bereich (305) sich ein einem deaktivierten Zustand befindet; wobei
zu der Zeit t2 erste Bereich (303) sich in einem deaktivierten Zustand und der zweite Bereich (305) sich ein dem aktivierten Zustand befindet.

2. Anordnung (101) nach Anspruch 1; gekennzeichnet durch
mindestens einen Strahlteiler (103); wobei
der Strahlteiler (103) mindestens einen Teil des Strahlenbündels zu dem Spiegel (107) leitet; und wobei
die Reflexion von dem Spiegel (107) zu dem Strahlenteiler (103) umgelenkt wird; wobei
der Strahlteiler (103) mindestens einen Teil der von dem Spiegel (107) umgelenkten Reflexion zu dem ersten Bereich (303) oder dem zweiten Bereich (305) leitet.

3. Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Spiegel (107) um einen MEMS-Spiegel handelt.

4. Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwenkbewegung des Spiegels um mindestens eine Schwenkachse erfolgt; wobei
die Schwenkachse mindestens teilweise vertikal ausgerichtet ist.

5. Anordnung (101) mit mindestens einer Strahlenquelle (105), einem ersten Spiegel (401), einem zweiten Spiegel (403) und mindestens einem Detektor; wobei
der Detektor einen ersten Bereich (303) und einen zweiten Bereich (305) aufweist; wobei
der erste Spiegel (401) und der zweite Spiegel (403) ausgebildet sind, eine zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierende Schwenkbewegung auszuführen; wobei
die Strahlenquelle (105) ausgebildet ist, mindestens ein Strahlenbündel auszusenden; wobei
das Strahlenbündel von dem ersten Spiegel (401) umgelenkt wird; wobei
der erste Bereich (303) ausgebildet ist, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den ersten Bereich (303) treffen; wobei
der zweite Bereich (305) ausgebildet ist, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den zweiten Bereich (305) treffen; wobei
in Abhängigkeit einer Position eines Objekts (111) eine Reflexion des von dem ersten Spiegel (401) umgelenkten Strahlenbündels an dem Objekt (111) von dem zweiten Spiegel (403) zu dem ersten Bereich (303) oder dem zweiten Bereich (305) umgelenkt wird und zu einer Zeit t1 auf den ersten Bereich (303) oder zu einer Zeit t2, mit t1 < t2, auf den zweiten Bereich (305) trifft; und wobei
der erste Bereich (303) und der zweite Bereich (305) gegenüber dem ersten Spiegel (401) abgeschattet sind; dadurch gekennzeichnet, dass
zu der Zeit t1 der erste Bereich (303) sich in dem aktivierten Zustand und der zweite Bereich (305) sich ein einem deaktivierten Zustand befindet; wobei
zu der Zeit t2 erste Bereich (303) sich in einem deaktivierten Zustand und der zweite Bereich (305) sich ein dem aktivierten Zustand befindet.

6. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spiegel (403) gegenüber der Strahlenquelle (105) abgeschattet ist.

7. Anordnung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüchen; dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbewegung des ersten Spiegels (401) und die Schwenkbewegung des zweiten Spiegels (403) synchronisiert sind.

8. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz der Schwenkbewegung des ersten Spiegels (401) und eine Frequenz der Schwenkbewegung des zweiten Spiegels (403) sich gleichen.

9. Anordnung (101) nach einem der Ansprüche 5 bis 8; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Spiegel (401) und dem zweiten Spiegel (403) um MEMS-Spiegel handelt.

10. Anordnung (101) nach einem der Ansprüche 5 bis 9; dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwenkbewegung des ersten Spiegels (401) und/oder des zweiten Spiegels (403) jeweils um mindestens eine Schwenkachse erfolgt; wobei
die Schwenkachse mindestens teilweise vertikal ausgerichtet ist.

11. Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Bereich (303) keinerlei Strahlen detektiert, wenn er sich in dem deaktivierten Zustand befindet; wobei
der zweite Bereich (305) keinerlei Strahlen detektiert, wenn er sich in dem deaktivierten Zustand befindet.

12. Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Bereich (303) und der zweite Bereich (305) jeweils eine Mehrzahl von Teilbereichen (301) aufweisen; wobei
der erste Bereich (303) sich genau dann in dem aktivierten Zustand befindet, wenn alle Teilbereiche (301) des ersten Bereichs (303) sich in einem aktivierten Zustand befinden; wobei
der zweite Bereich (305) sich genau dann in dem aktivierten Zustand befindet, wenn alle Teilbereiche (301) des zweiten Bereichs (305) sich in einem aktivierten Zustand befinden; und wobei
die Teilbereiche (301) ausgebildet sind, in dem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren.

13. Anordnung (101) nach dem vorhergehenden Anspruch und Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Bereich (303) sich genau dann in dem deaktivierten Zustand befindet, wenn alle Teilbereiche (301) des ersten Bereichs (303) sich in einem deaktivierten Zustand befinden; wobei
der zweite Bereich (305) sich genau dann in dem deaktivierten Zustand befindet, wenn alle Teilbereiche (301) des zweiten Bereichs (305) sich ein dem deaktivierten Zustand befinden; und wobei
die Teilbereiche (301) keinerlei Strahlen detektieren, wenn sie sich in dem deaktivierten Zustand befinden.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass dass das Strahlenbündel eine horizontale Divergenz von 0.1° bis 0.5° und eine vertikale Divergenz von 10° bis 20° hat.

15. Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
mindestens ein Mittel zur Positionsberechnung (213), mindesten ein Mittel zur Winkelbestimmung (205) und mindestens ein Mittel zur Laufzeitmessung (211); wobei
das Mittel zur Winkelbestimmung (205) ausgebildet ist, einen Winkel zu bestimmen, der eine Position des Spiegels (107) zu einem Zeitpunkt kennzeichnet, in dem das Strahlenbündel mindestens teilweise von dem Spiegel (107) umgelenkt wird; wobei
das Mittel zur Laufzeitmessung (211) ausgebildet ist, eine erste Zeit und eine zweite Zeit zu bestimmen; wobei
zu der ersten Zeit das Strahlenbündel von der Strahlenquelle (105) ausgesendet wird; wobei
zu der zweiten Zeit die Reflexion auf den ersten Bereich (303) oder den zweiten Bereich (305) trifft; und wobei
das Mittel zur Positionsberechnung (213) ausgebildet ist, aus dem Winkel, der ersten Zeit und der zweiten Zeit eine Position des Objekts zu berechnen.

16. Fahrzeug mit mindestens einer Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten LiDAR-Systemen stellt Umgebungslicht ein Problem dar. Das Umgebungslicht überlagert Reflexionen eines von dem LiDAR-System ausgesendeten Laserstrahls an einem zu erkennenden Objekt. Um die Reflexionen dennoch erkennen zu können, müsste die Sendeleistung des Lasers erhöht werden. Dies führ aber zu Problemen mit der Augensicherheit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu vermeiden. Insbesondere soll die Erkennung der Position eines Objekts, etwa einer Person oder eines Hindernisses, bei hoher Umgebungshelligkeit verbessert werden. Dabei sind die Anforderungen zu beachten, die an die Augensicherheit gestellt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erste Anordnung nach Anspruch 1 und eine zweite Anordnung nach Anspruch 2. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die erste Anordnung und die zweite Anordnung umfassen jeweils mindestens eine Strahlenquelle und mindestens einen Detektor mit einem ersten und einem zweiten Bereich. Die erste Anordnung weist zudem mindestens einen Spiegel auf.

Der Spiegel ist ausgebildet, eine Schwenk- bzw. Drehbewegung um mindestens eine, vorzugsweise genau eine Schwenk- bzw. Drehachse auszuführen. Dabei oszilliert der Spiegel zwischen einer ersten Umkehrposition und einer zweiten Umkehrposition.

Die Schwenk- bzw. Drehbewegung des Spiegels erfolgt insbesondere relativ zu den übrigen Komponenten der ersten Anordnung. Diese Komponenten sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Bezugssystem feststehend angeordnet. Bei dem Bezugssystem handelt es sich etwa um ein Fahrzeug, dass mit der ersten Anordnung ausgestattet ist, in dem also die Komponenten der ersten Anordnung fixiert sind.

Ausgehend von der ersten Umkehrposition vollzieht sich die Schwenkbewegung des Spiegels derart, dass der Spiegel verschwenkt wird, bis er die zweite Umkehrposition erreicht. In der zweiten Umkehrposition kommt der Spiegel temporär zum Stillstand und führt ausgehend von der zweiten Umkehrposition eine Schwenkbewegung in entgegengesetzter Richtung aus, bis er in der ersten Umkehrposition temporär erneut zum Stillstand kommt. Ausgehend von der ersten Umkehrposition wiederholt sich der beschriebene Bewegungsablauf. Vorzugsweise ist die Bewegung des Spiegels sinusförmig

Mit Strahlenquelle wird ein Mittel bezeichnet, das ausgebildet ist, mindestens ein Strahlenbündel auszusenden.

Bei einem Strahlenbündel handelt es sich um eine Gesamtheit zeitgleich ausgesendeter Strahlen. Insbesondere kann es sich um elektromagnetische Strahlen, vorzugsweise aus dem nahen Infrarot, d. h. aus dem Bereich des elektromagnetischen Spektrums bezeichnet, der sich in Richtung größerer Wellenlänge an das sichtbare Licht anschließt, handeln. Dieser Bereich erstreckt sich von 780 nm bis 3 μm.

Die erste Anordnung und die zweite Anordnung sind bevorzugt als LiDAR-System ausgeführt, bei dem als Strahlenquelle ein Laser zum Einsatz kommt. Insbesondere kann es sich um einen gepulsten Laser handeln, der gepulste Strahlenbündel aussendet. Bei einer gepulsten Aussendung von Strahlenbündeln werden während eines oder mehrerer Zeitintervalle, d. h. von Beginn bis zum Ende des jeweiligen Zeitintervalls, kontinuierlich Strahlenbündel ausgesendet. Mit Pulsdauer wird die Länge der Zeitintervalle bezeichnet. Die Pulsdauer liegt bevorzugt im einstelligen Nanosekundenbereich.

Ein gepulster Laser lässt sich durch Verwendung von elektrisch gepulsten Laserdioden realisieren. Diese lassen sich mittels eines Silizium Avalance oder Galliumnitrid Feldeffekt Transistors und hohen Spannungen ansteuern. Um die erforderliche Impuls-Spitzenleistung zu erzielen, ist es gegebenenfalls erforderlich, mehrere Laser-Dioden zu verwenden, die vorzugsweise zeitgleich angesteuert werden. Alternativ können die Laser-Dioden sequentiell angesteuert werden, um die thermische Belastung der Bauteile zu verringern.

Ein alternativer Weg zur Erzeugung von kurzen Lichtpulsen mit hoher Energie besteht in der Verwendung eines Lasers mit passivem Güteschalter. (Passive Q-switched Microchiplaser). Dieser besteht aus einer speziellen Kristallstruktur, welche kontinuierlich eingespeistes Licht einer kurzen Wellenlänge (z. B. 808 Nm) in Lichtpulse einer größeren Wellenlänge (z. B. 1064 Nm) umwandelt.

Die Strahlenquelle ist – direkt oder indirekt – auf den Spiegel gerichtet. Dies bedeutet, dass das von der Strahlenquelle ausgesendete Strahlenbündel – nachdem es gegebenenfalls gebrochen und/oder umgelenkt wurde – zunächst auf den Spiegel trifft. Der Spiegel bildet eine reflektierende Oberfläche. Dies bewirkt, dass das Strahlenbündel von dem Spiegel umgelenkt wird. Die Richtung, in die das Strahlenbündel umgelenkt wird, ist abhängig von der Position des Spiegels, insbesondere von einem Winkel der Verschwenkung des Spiegels um seine Schwenkachse.

Der erste Bereich ist ausgebildet, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den ersten Bereich treffen. Entsprechend ist der zweite Bereich ausgebildet, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den zweiten Bereich treffen. Ziel ist es, Reflexionen des von dem Spiegel umgelenkten Strahlenbündels an einem Objekt zu detektieren. Anhand der Zeit, die verstreicht, bis das von der Strahlenquelle ausgesendete Strahlenbündel von dem ersten Bereich oder dem zweiten Bereich detektiert wird lässt sich in Verbindung mit einem Schwenkwinkel des Spiegels die Position des Objekts bestimmen.

Mit Reflexion eines ersten Strahls wird allgemein ein zweiter Strahl bezeichnet, der durch Reflexion des ersten Strahls entsteht.

Als Detektor bzw. Bestandteile des Detektors werden vorzugsweise Fotodetektoren auf Basis von Siliziumfotomultiplizierern (SIPM) verwendet. Diese ermöglichen eine hohe Verstärkung des auftretenden Lichts. Insbesondere kann die hohe Empfindlichkeit der SIPMs genutzt werden, um den Helligkeitsverlust eines kleineren MEMS-Spiegels im Vergleich zu einem klassischen rotierenden Spiegels zu kompensieren. Zudem können SIPMs kostengünstig in einem Standard CMOS Prozess hergestellt werden.

Da der Spiegel fortwährend verschwenkt wird, ist es von der Laufzeit des Strahlenbündels und dessen Reflexion an dem Objekt abhängig, auf welchen Bereich die von dem Spiegel umgelenkte Reflexion trifft. So ist bei einem nahen Objekt die Laufzeit des Strahlenbündels und seiner Reflexion an dem Objekt kürzer als bei einem weiter entfernten Objekt. Aufgrund der kontinuierlich fortlaufenden Schwenkbewegung des Spiegels, trifft daher die Reflexion des Strahlenbündels an dem nahen Objekt auf einen anderen Bereich als die Reflexion an dem weiter entfernten Objekt.

In Abhängigkeit einer Position des Objekts relativ zu der ersten Anordnung wird eine Reflexion des von dem Spiegel umgelenkten Strahlenbündels an dem Objekt von dem Spiegel zu dem ersten Bereich umgelenkt und trifft zu einer Zeit t1 auf den ersten Bereich, oder die Reflexion wird von dem Spiegel aufgrund der kontinuierlich fortlaufenden Verschwenkung des Spiegels nicht zu dem ersten Bereich, sondern zu dem zweiten Bereich umgelenkt und trifft zu einer Zeit t2, mit t1 < t2, auf den zweiten Bereich.

Es gibt also eine geeignet zu wählende erste und zweite Position des Objekts relativ zu der ersten Anordnung, für die folgendes gilt: Befindet sich das Objekt in der ersten Position, wird die Reflexion des von dem Spiegel umgelenkten Strahlenbündels an dem Objekt von dem Spiegel zu dem ersten Bereich umgelenkt und trifft zu der Zeit t1 auf den ersten Bereich. Befindet sich das Objekt in der zweiten Position, wird die Reflexion des von dem Spiegel umgelenkten Strahlenbündels an dem Objekt von dem Spiegel zu dem zweiten Bereich umgelenkt und trifft zu der Zeit t2 auf den zweiten Bereich.

Die erste und die zweite Position unterscheiden sich vorzugsweise hinsichtlich ihrer Entfernung zu der ersten Anordnung. So ist die Entfernung der ersten Position von einem Referenzpunkt der ersten Anordnung vorzugsweise geringer als die Entfernung der zweiten Position von dem Referenzpunkt.

Eine horizontale Winkellage der ersten Position und der zweiten Position hingegen stimmt vorzugsweise überein. Dies bedeutet, dass ein horizontaler Winkel zwischen einer Halbgeraden, die von einem Referenzpunkt der ersten Anordnung ausgehend durch die erste Position verläuft, und einer Halbgeraden, die von demselben Referenzpunkt ausgehend durch die zweite Position verläuft, gleich Null ist.

Ein horizontaler Winkel, auch Horizontalwinkel genannt, den eine erste Halbgerade und eine zweite Halbgerade einschließen, ist ein spitzer Winkel zwischen einer dritten Halbgerade und einer vierten Halbgerade, wobei die dritte Halbgerade durch Orthogonalprojektion der ersten Halbgerade auf eine horizontale Ebene und die vierte Halbgerade durch Orthogonalprojektion der zweiten Halbgerade auf dieselbe Ebene entstehen.

Um das Objekt erkennen zu können, wenn es sich in Positionen befindet, die sich von der ersten Position und der zweiten Position unterscheiden, insbesondere hinsichtlich ihrer Entfernung bei übereinstimmender horizontalen Winkellage, weist der Detektor der ersten Anordnung bevorzugt neben dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich weitere Bereiche auf, die analog zu dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich aktiviert und deaktiviert werden.

Zeit wird hier synonym für Zeitpunkt verwendet. Durch die Angabe einer Zeitspanne wird ein Zeitpunkt zum Ende der Zeitspanne definiert. Entsprechend kann es sich bei den Zeiten t1 und t2 um Zeitspannen handeln, die seit dem Aussenden des Strahlenbündels vergangen sind. Die Zeitspanne t1 ist dann kürzer als die Zeitspanne t2. Entsprechend tritt der durch die Zeitspanne t1 definierte Zeitpunkt früher ein als der durch die Zeitspanne t2 definierte Zeitpunkt.

Erfindungsgemäß befindet sich der erste Bereich zu der Zeit t1 in dem aktivierten Zustand und der zweite Bereich in einem deaktivierten Zustand. Entsprechend befindet sich zu der Zeit t2 der erste Bereich in einem deaktivierten Zustand und der zweite Bereich in dem aktivierten Zustand. Der jeweils aktivierte Bereich wird also der von dem Spiegel umgeleiteten Reflexion des Strahlenbündels an dem Objekt nachgeführt.

Auf diese Weise wird sichergestellt, dass immer genau derjenige Bereich aktiviert ist, zu dem der Spiegel die Reflexion des Strahlenbündels an dem zu erkennenden Objekt umlenkt. Dadurch gelingt es, Reflexionen des von dem Spiegel umgelenkten Strahlenbündels an einem Objekt mit gleichzeitig geringem Anteil an Hintergrundlicht zu detektieren. Das Hintergrundlicht, das aus anderen Richtungen auf den Detektor fällt, wird vermindert.

In einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Anordnung ist ein Strahlenteiler vorgesehen, der die ausgesendeten Strahlenbündel und deren Reflexionen zwischen der Strahlenquelle, den beiden Bereichen und dem Spiegel verzweigt. Der Strahlenteiler ist so angeordnet, dass er das von der Strahlenquelle ausgesendete Strahlenbündel zu dem Spiegel leitet. Die Reflexion des Strahlenbündels an dem Objekt trifft zunächst auf den Spiegel und wird von dem Spiegel zu dem Strahlenteiler umgelenkt. Der Strahlenteiler leitet die Reflexion weiter zu dem Detektor. Im Einzelnen leitet der Strahlenteiler die von dem Spiegel umgelenkte Reflexion zu dem ersten Bereich, wenn die Reflexion zu der Zeit t1 auf den Spiegel trifft. Trifft die Reflexion zu der Zeit t2 auf den Spiegel, leitet der Strahlenteiler die von dem Spiegel umgelenkte Reflexion zu dem zweiten Bereich.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der ersten Anordnung handelt es sich bei dem Spiegel um einen sogenannten MEMS-Spiegel. Die Frequenz seiner Drehschwingung, d. h. seine oszillierenden Schwenkbewegung um die Schwenkachse entspricht vorzugsweise zu der Resonanzfrequenz des Spiegels.

Ein MEMS-Spiegel bezeichnet einen Mikrospiegelaktor. Hierunter ist ein mikroelektromechanisches Bauelement zur dynamischen Richtungssteuerung von Licht durch Spiegel zu verstehen.

Ein entscheidender Unterschied eines MEMS-Spiegels im Vergleich zu einem rotierenden Spiegel besteht in der Arbeitsfrequenz. Während der rotierende Spiegel mit typischerweise ca. 25 Umläufe pro Sekunde betrieben wird, oszilliert der MEMS-Spiegel mit einer Frequenz im Bereich von 0,5 bis 3 kHz. Daraus resultiert, dass der Spiegel während der Signallaufzeit, d. h. in der Zeit von der Aussendung des Strahlenbündels durch die Strahlenquelle bis zum Auftreffen der Reflexion des Strahlenbündels an dem Objekt auf dem ersten Bereich oder dem zweiten Bereich, eine Bewegung ausübt, in deren Folge sich der Drehwinkel des Spiegels signifikant ändert.

Die Schwenkachse verläuft vorzugsweise durch den Spiegel. Insbesondere kann die Schwenkachse durch eine durch den Spiegel gebildete Spiegelfläche verlaufen. Vorzugsweise verläuft die Schwenkachse durch mehrere Punkte der Spiegelfläche.

Die Schwenkachse ist in einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Anordnung mindestens teilweise vertikal ausgerichtet. Dies bedeutet, dass die Schwenkachse nicht horizontal verläuft, sondern gegenüber der Horizontalen um einen Winkel, der nicht Null, vorzugsweise 80° beträgt, verkippt ist.

Die erste Anordnung kann beweglich sein, etwa wenn die erste Anordnung an einem Fahrzeug angebracht ist. Eine Horizontale bezeichnet in diesem Fall eine Ebene, die bezüglich der Anordnung feststehend ist und horizontal verläuft, wenn die Anordnung sich in einer Referenzposition befindet. Entsprechendes gilt für die Vertikale. Eine Vertikale bezeichnet also eine Gerade, die bezüglich der ersten Anordnung feststehend ist, und die vertikal verläuft, wenn die Anordnung sich in der Referenzposition befindet. Die Referenzposition ist frei wählbar. Bei einem Fahrzeug wird die Referenzposition bevorzugt dann eingenommen, wenn das Fahrzeug eine Ebene, horizontal ausgerichtete Oberfläche befährt oder auf dieser Fläche zum Stehen kommt.

Die beschriebene Ausrichtung der Schwenkachse bedingt eine daran angepasste Ausrichtung der Strahlenquelle. Entsprechend ist eine optische Achse der Strahlenquelle vorzugsweise mindestens teilweise horizontal ausgerichtet. Die optische Achse der Strahlenquelle verläuft also nicht vertikal, sondern ist gegenüber der Vertikalen um einen von Null verschiedenen Winkel verkippt. Insbesondere kann die optische Achse der Strahlenquelle uneingeschränkt horizontal ausgerichtet sein.

Eine optische Achse ist gleichbedeutend mit einer Symmetrieachse eines reflektierenden und/oder brechenden optischen Elements oder optischen Systems. Bei der optischen Achse der Strahlenquelle handelt es sich entsprechend um die optische Achse eines reflektierenden und/oder brechenden optischen Elements oder optischen Systems der Strahlenquelle.

Die zweite Anordnung unterscheidet sich von der ersten Anordnung dadurch, dass sie anstelle des mindestens einen Spiegels zwei Spiegel – einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel – aufweist. Der erste Spiegel und der zweite Spiegel übernehmen in der zweiten Anordnung die Funktionen des mindestens einen Spiegels der ersten Anordnung.

Der erste Spiegel und der zweite Spiegel sind jeweils ausgebildet, eine Schwenk- bzw. Drehbewegung um mindestens eine, vorzugsweise genau eine Schwenk- bzw. Drehachse auszuführen. Dabei oszillieren der erste Spiegel und der zweite Spiegel jeweils zwischen einer ersten Umkehrposition und einer zweiten Umkehrposition.

Die Schwenk- bzw. Drehbewegung des ersten Spiegels und des zweiten Spiegels erfolgt insbesondere relativ zu den übrigen Komponenten der zweiten Anordnung. Diese Komponenten sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Bezugssystem feststehend angeordnet. Bei dem Bezugssystem handelt es sich etwa um ein Fahrzeug, das mit der zweiten Anordnung ausgestattet ist, in dem also die Komponenten der zweiten Anordnung fixiert sind.

Ausgehend von der ersten Umkehrposition vollzieht sich die Schwenkbewegung des ersten Spiegels bzw. des zweiten Spiegels derart, dass der erste Spiegel bzw. der zweite Spiegel verschwenkt wird, bis er die zweite Umkehrposition erreicht. In der zweiten Umkehrposition kommt der erste Spiegel bzw. der zweite Spiegel temporär zum Stillstand und führt ausgehend von der zweiten Umkehrposition eine Schwenkbewegung in entgegengesetzter Richtung aus, bis er in der ersten Umkehrposition temporär erneut zum Stillstand kommt. Ausgehend von der ersten Umkehrposition wiederholt sich der beschriebene Bewegungsablauf. Vorzugsweise sind die Bewegungen des ersten Spiegels und des zweiten Spiegels sinusförmig.

Die Strahlenquelle ist auf den ersten Spiegel gerichtet. Dies bedeutet, dass das von der Strahlenquelle ausgesendete Strahlenbündel zunächst auf den ersten Spiegel trifft. Der erste Spiegel bildet eine reflektierende Oberfläche. Dies bewirkt, dass das Strahlenbündel von dem ersten Spiegel umgelenkt wird. Die Richtung, in die das Strahlenbündel umgelenkt wird, ist abhängig von der Position des ersten Spiegels, insbesondere von einem Winkel der Verschwenkung des ersten Spiegels um seine Schwenkachse.

Die Funktionalität des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs des Detektors der zweiten Anordnung gleicht der Funktionalität des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs des Detektors der ersten Anordnung. So ist der erste Bereich des Detektors der zweiten Anordnung ausgebildet, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den ersten Bereich treffen. Entsprechend ist der zweite Bereich des Detektors der zweiten Anordnung ausgebildet, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den zweiten Bereich treffen.

Allerdings sind im Unterschied zu der ersten Anordnung der erste Bereich und der zweite Bereich des Detektors der zweiten Anordnung gegenüber dem ersten Spiegel abgeschattet. Dies bedeutet, dass der erste Bereich und der zweite Bereich so angeordnet sind, dass keine von dem ersten Spiegel umgelenkten Strahlen auf den ersten Bereich oder den zweiten Bereich treffen können.

Die von dem zu erkennenden Objekt ausgehenden Reflexionen werden stattdessen von dem zweiten Spiegel zu den beiden Bereichen umgelenkt. So wird in Abhängigkeit einer Position des Objekts relativ zu der zweiten Anordnung eine Reflexion des von dem ersten Spiegel umgelenkten Strahlenbündels an dem Objekt von dem zweiten Spiegel zu dem ersten Bereich umgelenkt und trifft zu einer Zeit t1 auf den ersten Bereich, oder die Reflexion wird von dem zweiten Spiegel aufgrund der kontinuierlich fortlaufenden Verschwenkung desselben nicht zu dem ersten Bereich, sondern zu dem zweiten Bereich umgelenkt und trifft zu einer Zeit t2, mit t1 < t2, auf den zweiten Bereich.

Es gibt also eine geeignet zu wählende erste und zweite Position des Objekts relativ zu der zweiten Anordnung, für die folgendes gilt: Befindet sich das Objekt in der ersten Position, wird die Reflexion des von dem ersten Spiegel umgelenkten Strahlenbündels an dem Objekt von dem zweiten Spiegel zu dem ersten Bereich umgelenkt und trifft zu der Zeit t1 auf den ersten Bereich. Befindet sich das Objekt in der zweiten Position, wird die Reflexion des von dem ersten Spiegel umgelenkten Strahlenbündels an dem Objekt von dem zweiten Spiegel zu dem zweiten Bereich umgelenkt und trifft zu der Zeit t2 auf den zweiten Bereich.

Auch hier sich die erste und die zweite Position sich vorzugsweise hinsichtlich ihrer Entfernungen. So ist die Entfernung der ersten Position von einem Referenzpunkt der zweiten Anordnung vorzugsweise geringer als die Entfernung der zweiten Position von dem Referenzpunkt. Ein horizontaler Winkel zwischen einer Halbgeraden, die von einem Referenzpunkt der zweiten

Eine horizontale Winkellage der ersten Position und der zweiten Position hingegen stimmt vorzugsweise überein. Dies bedeutet, dass ein horizontaler Winkel zwischen einer Halbgeraden, die von einem Referenzpunkt der zweiten Anordnung ausgehend durch die erste Position verläuft, und einer Halbgeraden, die von demselben Referenzpunkt ausgehend durch die zweite Position verläuft, gleich Null ist.

Um das Objekt erkennen zu können, wenn es sich in Positionen befinden, die sich von der ersten Position und der zweiten Position unterscheiden, insbesondere hinsichtlich ihrer horizontalen Winkellage, weist der Detektor die zweite Anordnung bevorzugt neben dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich weitere Bereiche auf.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der zweiten Anordnung stimmt mit der ersten Anordnung überein. So befindet sich der erste Bereich zu der Zeit t1 in dem aktivierten Zustand und der zweite Bereich in einem deaktivierten Zustand. Entsprechend befindet sich zu der Zeit t2 der erste Bereich in einem deaktivierten Zustand und der zweite Bereich in dem aktivierten Zustand.

Die zweite Anordnung ist bevorzugt derart weitergebildet, dass der zweite Spiegel gegenüber der Strahlenquelle abgeschattet ist. Dies bedeutet, dass die Strahlenquelle und der zweite Spiegel so angeordnet sind, dass keine von der Strahlenquelle ausgesendeten Strahlen direkt, d. h. ohne Reflexion, Brechung oder sonstige Richtungsänderung, auf den zweiten Spiegel treffen können. Insbesondere kann das von der Strahlenquelle ausgesendete Strahlenbündel nicht direkt auf den zweiten Spiegel treffen. Erst, nachdem die von der Strahlenquelle ausgesendeten Strahlen von dem ersten Spiegel umgelenkt wurden, können sie – etwa durch Reflexion an dem Objekt – auf den zweiten Spiegel treffen und so zu dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich umgelenkt werden.

Die Schwenkbewegungen des ersten Spiegels und des zweiten Spiegels sind in einer bevorzugten Weiterbildung synchronisiert. Die Schwenkbewegung des zweiten Spiegels erfolgt also in Abhängigkeit der Schwenkbewegung des ersten Spiegels. Dies bedeutet, dass mindestens ein Parameter der Schwenkbewegung des zweiten Spiegels als Funktion mindestens eines Parameters der Schwenkbewegung des ersten Spiegels festgelegt ist.

Vorzugsweise sind die Schwenkbewegungen des ersten Spiegels und des zweiten Spiegels derart synchronisiert, dass eine Frequenz der Schwenkbewegung des ersten Spiegels und eine Frequenz der Schwenkbewegung des zweiten Spiegels sich gleichen. Dies impliziert eine periodische Schwenkbewegung des ersten Spiegels und eine periodische Schwenkbewegung des zweiten Spiegels.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der zweiten Anordnung handelt es sich bei dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel um MEMS-Spiegel. Die Frequenz von deren Drehschwingung entspricht vorzugsweise den Resonanzfrequenzen der Spiegel.

Die Schwenkachse des ersten Spiegels verläuft vorzugsweise durch den ersten Spiegel, die Schwenkachse des zweiten Spiegels durch den zweiten Spiegel. Insbesondere können die Schwenkachsen durch eine durch den jeweiligen Spiegel gebildete Spiegelfläche verlaufen. Vorzugsweise verlaufen die Schwenkachsen durch mehrere Punkte der Spiegelfläche.

Die Schwenkachsen sind in einer bevorzugten Weiterbildung der zweiten Anordnung mindestens teilweise vertikal ausgerichtet. Dies bedeutet, dass die Schwenkachsen nicht horizontal verlaufen, sondern gegenüber der Horizontalen um einen Winkel, der nicht Null, vorzugsweise 80° beträgt, verkippt sind. Insbesondere können die Schwenkachsen des ersten Spiegels und des zweiten Spiegels parallel zueinander ausgerichtet sein.

Die zweite Anordnung kann beweglich sein, etwa wenn die zweite Anordnung an einem Fahrzeug angebracht ist. Eine Horizontale bezeichnet in diesem Fall eine Ebene, die bezüglich der Anordnung feststehend ist und horizontal verläuft, wenn die Anordnung sich in einer Referenzposition befindet. Entsprechendes gilt für die Vertikale. Eine Vertikale bezeichnet also eine Gerade, die bezüglich der zweiten Anordnung feststehend ist, und die vertikal verläuft, wenn die Anordnung sich in der Referenzposition befindet. Die Referenzposition ist frei wählbar. Bei einem Fahrzeug wird die Referenzposition bevorzugt dann eingenommen, wenn das Fahrzeug eine Ebene, horizontal ausgerichtete Oberfläche befährt oder auf dieser Fläche zum Stehen kommt.

Die beschriebene Ausrichtung der Schwenkachsen bedingt eine daran angepasste Ausrichtung der Strahlenquelle. Entsprechend ist eine optische Achse der Strahlenquelle vorzugsweise mindestens teilweise horizontal ausgerichtet. Die optische Achse der Strahlenquelle verläuft also nicht vertikal, sondern ist gegenüber der Vertikalen um einen von Null verschiedenen Winkel verkippt. Insbesondere kann die optische Achse der Strahlenquelle uneingeschränkt horizontal ausgerichtet sein.

In einer bevorzugten Weiterbildung der ersten und der zweiten Anordnung detektieren der erste Bereich und der zweite Bereich keinerlei Strahlen, wenn sie sich im deaktivierten Zustand befinden. Dies bedeutet, dass zu der Zeit t1 der erste Bereich ausgebildet ist, Strahlen zu detektieren und von dem zweiten Bereich keinerlei Strahlen detektiert werden. Entsprechend werden in der Zeit t2 von dem ersten Bereich keinerlei Strahlen detektiert, während der zweite Bereich ausgebildet ist, Strahlen zu detektieren. Durch die gezielte Deaktivierung der Bereiche, die zu einem bestimmten Zeitpunkt keinerlei Reflexionen des ausgesendeten Strahlenbündels empfangen können, lässt sich die Einstreuung von störendem Umgebungslicht verringern. Dies wiederum verbessert die Genauigkeit der Erkennung des Objekts, die Energie der ausgesendeten Strahlenbündel zu reduzieren. Insbesondere im Hinblick auf die Augensicherheit bei Laserstrahlen ist dies vorteilhaft.

Der erste Bereich und der zweite Bereich können physisch oder logisch deaktiviert werden. Bei einer physischen Deaktivierung werden der erste Bereich bzw. der zweite Bereich in einen physischen Zustand versetzt, in dem sie keinerlei Strahlen detektieren können, d. h. in dem sie physisch nicht in der Lage sind, Strahlen zu detektieren. Dies kann etwa durch Ausschalten einer Versorgungsspannung geschehen. Bei einer logischen Deaktivierung bleiben der erste Bereich bzw. der zweite Bereich physisch aktiviert. Das physische Verhalten des ersten Bereichs bzw. des zweiten Bereichs im deaktivierten Zustand ändert sich also im Vergleich zum aktivierten Zustand nicht. Allerdings werden Signale, die der erste Bereich bzw. der zweite Bereich beim Auftreffen von Strahlen generieren, im deaktivierten Zustand ignoriert, d. h. nicht ausgewertet.

Die erste Anordnung und die zweite Anordnung weisen in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung ein Array von Detektorzellen auf, das sich zweidimensional erstreckt. Eine erste Raumrichtung dieses Arrays wird von dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich aufgespannt. Der erste Bereich und der zweite Bereich umfassen jeweils eine Mehrzahl von Teilbereichen, im Folgenden Zellen genannt. Die Zellen spannen eine zweite Raumrichtung auf.

Insbesondere können der erste Bereich und der zweite Bereich horizontal versetzt zueinander angeordnet sein, während die einzelnen Zellen des ersten Bereichs bzw. des zweiten Bereichs jeweils vertikal versetzt zueinander angeordnet sind. Die Zellen jedes einzelnen Bereichs bilden also eine Spalte des Detektorarrays. In ihrer vertikalen Anordnung übereinstimmende Zellen der einzelnen Bereiche bilden jeweils eine Zeile.

Durch die Spalten, d. h. durch die einzelnen Bereichen wird eine vertikale Auflösung realisiert. Die Zeilen, d. h. entsprechende Zellen der einzelnen Bereiche realisieren eine vertikale Auflösung.

Der erste Bereich befindet sich weiterbildungsgemäß genau dann in dem aktivierten Zustand, wenn die Zellen des ersten Bereichs sich in einem aktivierten Zustand befinden. Entsprechend befindet sich der zweite Bereich genau dann im aktivierten Zustand, wenn die Zellen des zweiten Bereichs sich in dem aktivierten Zustand befinden. Die Zellen sind ausgebildet, in dem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren.

In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung befindet sich der erste Bereich genau dann in dem deaktivierten Zustand, wenn die Zellen des ersten Bereichs sich in einem deaktivierten Zustand befinden. Entsprechend befindet sich der zweite Bereich genau dann in dem deaktivierten Zustand, wenn die Zellen des zweiten Bereichs sich in einem deaktivierten Zustand befinden. In dem deaktivierten Zustand detektieren die Zellen keinerlei Strahlen.

Die Zellen können auf physischem oder auf logischem Wege deaktiviert werden. Bei einer physischen Deaktivierung werden die Zellen in einen physischen Zustand versetzt, in dem sie keinerlei Strahlen detektieren können, d. h. in dem sie physisch nicht in der Lage sind, Strahlen zu detektieren. Dies kann etwa durch Ausschalten einer Versorgungsspannung geschehen. Bei einer logischen Deaktivierung bleiben die Zellen physisch aktiviert. Das physische Verhalten der Zellen im deaktivierten Zustand ändert sich also im Vergleich zum aktivierten Zustand nicht. Allerdings werden Signale, welche die Zellen beim Auftreffen von Strahlen generieren, im deaktivierten Zustand ignoriert, d. h. nicht ausgewertet.

Das Strahlenbündel hat bevorzugt die Form eines vertikalen Lichtbalkens. Bei einem vertikalen Lichtbalken ist horizontale Divergenz geringer als die vertikale Divergenz. So hat das Strahlenbündel in einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung eine Horizontale Divergenz von 0,1° bis 0,5° und eine vertikale Divergenz von 10° bis 40°, bevorzugt 20°.

Die ersten Anordnung und die zweite Anordnung weisen bevorzugt mindestens ein Mittel zur Positionsberechnung, mindestens ein Mittel zur Winkelbestimmung und mindestens ein Mittel zur Laufzeitmessung auf. Das Mittel zur Winkelbestimmung ist ausgebildet, einen Winkel zu bestimmen, der eine Position des Spiegels zu einem Zeitpunkt kennzeichnet, in dem das Strahlenbündel auf den Spiegel trifft und von dem Spiegel umgelenkt wird. Der Winkel kennzeichnet dabei ein Maß einer Drehung des Spiegels um die Schwenkachse.

Durch den von dem Mittel zur Winkelbestimmung bestimmten Winkel ist eindeutig eine Richtung festgelegt, in die das Strahlenbündel von dem Spiegel umgelenkt wird. Anhand des Winkels lässt sich also die Richtung der Umlenkung des Strahlenbündels durch den Spiegel bestimmen.

Das Mittel zur Laufzeitmessung ist ausgebildet, eine erste Zeit und eine zweite Zeit zu bestimmen. Zu der ersten Zeit wird das Strahlenbündel von der Strahlenquelle ausgesendet. Insbesondere kann es sich bei der ersten Zeit um den Beginn der Aussendung des Strahlenbündels durch die Strahlenquelle handeln. Zu der zweiten Zeit trifft die Reflexion des Strahlenbündels an dem Objekt, die zuvor von dem Spiegel umgelenkt wurde, auf den ersten Bereich oder den zweiten Bereich. Insbesondere kann es sich bei der zweiten Zeit um den Zeitpunkt des erstmaligen Auftreffens der Reflektion auf den ersten Bereich oder den zweiten Bereich handeln. Als Differenz der ersten Zeit und der zweiten Zeit ergibt sich eine Laufzeit (Time of Flight) des von der Strahlenquelle ausgesendeten Strahlenbündels und dessen Reflexion an dem Objekt.

Das Mittel zur Positionsberechnung ist ausgebildet, aus dem bestimmten Winkel, der ersten Zeit und der zweiten Zeit eine Position des Objekts zu berechnen. Dabei gibt der Winkel an, in welcher Richtung das Objekt sich befindet. Aus der Differenz der ersten Zeit und der zweiten Zeit lässt sich eine Entfernung des Objekts ermitteln. Weiterhin ist es möglich, durch Auswertung der einzelnen Zellen des ersten Bereichs bzw. des zweiten Bereichs eine Information über die vertikale Lage des Objekts zu erhalten.

Vorzugsweise ist zudem eine Steuereinheit vorgesehen, welche die Zustände des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs steuert. Befindet sich der erste Bereich bzw. der zweite Bereich in dem aktivierten Zustand, versetzt die Steuereinheit den ersten Bereich bzw. den zweiten Bereich bei Bedarf in den deaktivierten Zustand. Ausgehend von dem deaktivierten Zustand wiederum versetzt die Steuereinheit den ersten Bereich bzw. den zweiten Bereich bei Bedarf in den aktivierten Zustand.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:

1 den Aufbau eines LiDARs mit Strahlteiler;

2 einzelne Komponenten des LiDARs;

3 ein Detektorarray; und

4 ein LiDAR mit zwei Spiegeln.

Ein LiDAR-System 101 mit einem Strahlenteiler 103 ist in 1 dargestellt. Das LiDAR-System 101 umfasst neben dem Strahlenteiler 103 einen Laser 105, einen MEMS-Spiegel 107 und einen Detektor 109.

Um die Position eines Objekts 111 zu ermitteln, sendet der Laser 105 ein gepulstes Strahlenbündel 113 aus. Ein Teil des Strahlenbündels 113 wird von den Strahlenteiler 103 zu dem Spiegel 107 geleitet. Der Teil des Strahlenbündels 113, der auf den Spiegel 107 trifft, wird von dem Spiegel 107 in Richtung des Objekts 111 umgeleitet.

Durch Reflexion an dem Objekt 111 gelangt ein Teil des von dem Spiegel 107 in Richtung des Objekts 111 umgeleiteten Teils des Strahlenbündels 113 zurück zu dem Spiegel 107 und wird von diesem zu dem Strahlenteiler 103 umgelenkt. Der Strahlenteiler 103 schließlich leitet die Strahlen dem Empfänger 109 zu.

Bei dem Strahlenteiler 103 handelt es sich um einen halbdurchlässigen Spiegel. Dieser kann, wie in 1 gezeigt, so angeordnet sein, dass die von dem Laser 105 ausgesendeten Strahl zu einem ersten Teil in Richtung des Spiegels 107 reflektiert werden. Zu einem zweiten Teil werden die Strahlen von dem Strahlteiler 103 durchgelassen. In umgekehrter Richtung werden die von dem Spiegel 107 zu dem Strahlteiler 103 umgeleiteten Strahlen zu einem ersten Teil zu dem Empfänger durchgelassen. Zu einem zweiten Teil werden die Strahlen reflektiert.

Ein detaillierter Aufbau eines solchen LiDAR-Systems 101 ist in 2 dargestellt. Neben den in 1 dargestellten Komponenten umfasst dieses System einen Lasertreiber 201, eine Spiegelsteuerung 203, eine Positionsmessung 205, eine Optik 207, eine Detektorbereichsaktivierung 209, eine Laufzeitmessung 211 sowie eine Entfernungs- und Winkelberechnung 213. Zwischen dem Laser 105 und dem Spiegel 107 können sich weitere Optiken befinden.

Der Lasertreiber 201 steuert die von dem Laser 105 ausgesendeten Strahlenbündel 113. Die Spiegelsteuerung 203 beeinflusst die Oszillation des Spiegels 107, insbesondere dessen Amplitude. Über die Positionsmessung 205 wird zu definierten Zeitpunkten der Schwenkwinkel des Spiegels 107 ermittelt. Das Positionssignal wird unter anderem von der Spiegelsteuerung 203 zur Regelung der Amplitude verwendet.

In Abhängigkeit von der Position des Spiegels 107 steuert die Detektorbereichsaktivierung 209 den Detektor 109. Um den Einfluss von Streulicht zu verringern, werden gezielt einzelne Spalten des Detektors 109 in Abhängigkeit der von der Positionsmessung 205 an die Detektorbereichsaktivierung 209 übertragenen Werte aktiviert.

Die Optik 207 ist in einem Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 103 und dem Detektor 109 angeordnet. Sie bündelt die von dem Strahlenteiler 103 auf den Detektor 109 treffenden Strahlen.

Insbesondere beinhaltet die Optik 207 einen optischen Bandpass der für das Licht des Lasers 103 durchlässig ist und Licht anderer Wellenlänge in Richtung des Spiegels zurück reflektiert. Bei der Verwendung eines NIR Lasers mit 905 nm Wellenlänge wird vorzugsweise ein optischer Bandpass mit einem Durchlassbereich von 905 nm +/–20 nm verwendet. Je kleiner der Durchlassbereich desto besser kann Störlicht anderer Wellenlängen unterdrückt werden.

Die Laufzeitmessung 211 ermittelt die Zeit, die vergeht vom Aussenden eines Strahlenbündels durch den Laser 105 bis zum Auftreffen der Reflexion auf den Detektor 109. Hierbei können beispielsweise Time to Digital Converter (TDC) verwendet werden denen eine Komparatorschaltung zur Überwachung einer vorgebenen Schwellwertüberschreitung des Detektorausgangssignals vorgeschaltet ist. Für jede Zeile des Detektors 109 wird eine TDC mit Komparatorschaltung verwendet. Die Signale aller aktivierten Zellen 301 in einer Zeile werden im Detektor analog zu einem Summensignal addiert.

Aus der von der Laufzeitmessung 211 ermittelten Zeit, aus einer von der Positionsmessung 205 ermittelten Winkelstellung des Spiegels 107 und aus einer Zeilenposition der von dem Detektor 109 detektierten Strahlung ermittelt die Entfernungs- und Winkelberechnung 213 die Position des Objekts 111.

Den Aufbau des Detektors 109 veranschaulicht 3. Der Detektor 109 besteht aus lichtempfindlichen Zellen 301, die in Form einer Matrix angeordnet sind. Die Matrix umfasst mehrere Zeilen und Spalten von Zellen 301.

Durch die Detektorbereichsaktivierung 209 werden gezielt einzelne Spalten des Detektors 109 aktiviert. Beispielhaft dargestellt ist in 3 eine erste Spalte 303, die aktiviert wurde. Diese Spalte ist in der Lage, auftreffende Strahlungen zu detektieren. Die übrigen Spalten sind deaktiviert. Beispielhaft in eine zweite Spalte 305 gekennzeichnet, die deaktiviert ist.

Die zweite Spalte 305 ist im deaktivierten Zustand nicht in der Lage, Strahlung zu detektieren. Insbesondere detektiert die zweite Spalte 305 keinerlei eingestreuter Umgebungsstrahlung, welche die Laufzeitmessung 211 beeinträchtigen könnte. Die Aktivierung der ersten Spalte 303 erfolgt durch die Detektorbereichsaktivierung 209 in Abhängigkeit der von der Positionsmessung 205 ermittelten Stellung des Spiegels 107.

Das in 4 dargestellte LiDAR-System 101 weist keinen Strahlenteiler 103 auf, sondern zwei Spiegel – einen ersten Spiegel 401 und einen zweiten Spiegel 403. Der Laser 105 bestrahlt hier nicht den Strahlenteiler 103, sondern direkt den ersten Spiegel 401. Das von dem Laser 105 ausgesendete Strahlenbündel 113 trifft also direkt auf den ersten Spiegel 401 und wird von diesem zu dem Objekt 111 umgeleitet. Ein Teil des umgeleiteten Strahlenbündels 113 wird von dem Objekt 111 zu dem zweiten Spiegel 403 reflektiert. Dieser lenkt die Reflexion zu dem Detektor 109 um. Auf dem Weg von dem zweiten Spiegel 403 zu dem Detektor 109 wird die umgelenkte Reflexion durch die Optik 207 gebündelt.

Durch die Verwendung zweier Spiegel 401, 403 anstelle eines einzigen Spiegels 107 mit einem Strahlenteiler 103 lassen sich Verluste vermeiden, die in dem Strahlenteiler 103 auftreten. Allerdings ist eine Synchronisierung des ersten Spiegels 401 und des zweiten Spiegels 403 erforderlich. Die Synchronisierung übernimmt die Spiegelsteuerung 203.

Die Positionsmessung 205 ermittelt zu definierten Zeitpunkten die Schwenkwinkel des ersten Spiegel 401 und des zweiten Spiegels 403. Die Winkelstellung des ersten Spiegels 401 zum Zeitpunkt der Umlenkung des von dem Laser 105 ausgesendeten Strahlenbündels 113 ist relevant für die Bestimmung der Position des Objekts 111. Der entsprechende Wert wird daher von der Positionsmessung 205 an die Entfernungs- und Winkelberechnung 213 übermittelt. Die Spiegelsteuerung 203 verwendet den Schwenkwinkel des ersten Spiegel 401 und des zweiten Spiegels 403, um den ersten Spiegel 401 und den zweiten Spiegel 403 in Phase, Frequenz und Amplitude zu synchronisieren.

Über die Winkellage des ersten Spiegels 401 zum Zeitpunkt der Umlenkung des von dem Laser 105 ausgesendeten Strahlenbündels 113 und Winkellage des zweiten Spiegels 403 zum Zeitpunkt des Auftreffens der Reflexion des von dem ersten Spiegel umgelenkten Strahlenbündels 113 an dem Objekt 111 auf den zweiten Spiegel 403 bestimmen sich die zu aktivierenden Bereiche des Detektors 109. Die Winkellage des ersten Spiegels 401 und die Winkellage des zweiten Spiegels 403 werden zu diesem Zweck von der Positionsmessung 205 an die Detektorbereichsaktivierung 209 übermittelt.

Bezugszeichenliste

101
LiDAR-System
103
Strahlteiler
105
Laser
107
Spiegel
109
Detektor
111
Objekt
113
Strahlenbündel
201
Lasertreiber
203
Spiegelsteuerung
205
Positionsmessung
207
Optik
209
Detektorbereichsaktivierung
211
Laufzeitmessung
213
Entfernung- und Winkelberechnung
301
Zelle
303
erste Spalte
305
zweite Spalte
401
erster Spiegel
403
zweiter Spiegel