Title:
LiDAR mit überlagerten Erfassungsbereichen
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer ersten Sende- und Empfangseinheit (101).




Inventors:
Beuschel, Ralf, Dr. (88239, Wangen, DE)
Heinle, Anna, Dr. (88250, Weingarten, DE)
Kiesel, Rainer, Dr. (89160, Dornstadt, DE)
Weuffen, Andrea (88239, Wangen, DE)
Application Number:
DE102016213509A
Publication Date:
01/25/2018
Filing Date:
07/22/2016
Assignee:
ZF FRIEDRICHSHAFEN AG, 88046 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102014118055A1N/A2016-06-09
DE102013012789A1N/A2015-02-05
DE102009007054A1N/A2010-08-05



Claims:
1. Anordnung mit einer ersten Sende- und Empfangseinheit (101) und mindestens einem Spiegel (105); wobei
der Spiegel (105) ausgebildet ist, eine zwischen einer ersten Umkehrposition und einer zweiten Umkehrposition oszillierende Schwenkbewegung um mindestens eine Schwenkachse (107) auszuführen; wobei
die erste Sende- und Empfangseinheit (101) ausgebildet ist, mindestens ein Strahlenbündel auszusenden; wobei
das von der ersten Sende- und Empfangseinheit (101) ausgesendete Strahlenbündel mindestens teilweise von dem Spiegel (105) reflektiert wird; und wobei
ein horizontaler Winkel ε1, den ein entlang der optischen Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit (101) verlaufender Strahl und eine Reflexion dieses Strahls durch den Spiegel (105) einschließen, wenn der Spiegel (105) sich in der ersten Umkehrposition befindet, kleiner ist als ein horizontaler Winkel ε1', den ein entlang der optischen Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit (101) verlaufender Strahl und eine Reflexion dieses Strahls durch den Spiegel (105) einschließen, wenn der Spiegel (105) sich in der zweiten Umkehrposition befindet; gekennzeichnet durch eine zweite Sende- und Empfangseinheit (103); wobei
die zweite Sende- und Empfangseinheit (103) ausgebildet ist, mindestens ein Strahlenbündel auszusenden; wobei
das von der zweiten Sende- und Empfangseinheit (103) ausgesendete Strahlenbündel mindestens teilweise von dem Spiegel reflektiert wird; wobei
ein horizontaler Winkel ε2, den ein entlang der optischen Achse der zweiten Sende- und Empfangseinheit (103) verlaufender Strahl und eine Reflexion dieses Strahls durch den Spiegel (105) einschließen, wenn der Spiegel (105) sich in der zweiten Umkehrposition befindet, kleiner ist als ein horizontaler Winkel ε2', den ein entlang der optischen Achse der zweiten Sende- und Empfangseinheit (103) verlaufender Strahl und eine Reflexion dieses Strahls durch den Spiegel (105) einschließen, wenn der Spiegel (105) sich in der ersten Umkehrposition befindet; und wobei
für einen horizontalen Winkel α, den die optische Achse (109) der ersten Sende- und Empfangseinheit (101) und die optische Achse (111) der zweite Sende- und Empfangseinheit (103) einschließen, für einen horizontalen Strahlwinkel σ1 der ersten Sende- und Empfangseinheit (101) und für einen horizontalen Strahlwinkel σ2 der zweiten Sende- und Empfangseinheit (103) gilt: α > ε1σ₁2 + ε2σ₂2.

2. Anordnung nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (107) durch den Spiegel (105) verläuft.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (109) der ersten Sende- und Empfangseinheit (101) und die optische Achse (111) der zweite Sende- und Empfangseinheit (103) sich schneiden.

4. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (109) der ersten Sende- und Empfangseinheit (101) und die optische Achse (111) der zweite Sende- und Empfangseinheit (103) sich in der Schwenkachse (107) schneiden.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass gilt: ε1 = ε2.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass gilt: σ1 = σ2.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung symmetrisch zu einer vertikalen, durch die Schwenkachse (107) verlaufenden Ebene ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass gilt: α > ε1σ₁2 + ε2σ₂2 + 20°.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass gilt: ε'1 + ε'2 – α + σ₁ + σ₂2 > 120°.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwenkachse (107) gegenüber der Vertikalen um einen Winkel θ verkippt ist; wobei
die optischen Achsen der ersten Sende- und Empfangseinheit (101) und der zweiten Sende- und Empfangseinheit (103) gegenüber der Horizontalen um einen Winkel 2 × θ verkippt sind.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Spiegel (105) um einen MEMS-Spiegel handelt.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Sende- und Empfangseinheit (101) und/oder die zweite Sende- und Empfangseinheit (103) jeweils mindestens zwei Sensoren (609a) aufweisen; wobei
die Sensoren (609b) vertikal übereinander angeordnet sind.

13. Fahrzeug mit mindestens einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere eine LiDAR- Sende- und Empfangseinheit.

Bei LiDAR- Sende- und Empfangseinheiten mit einem oszillierenden Spiegel führt der Spiegel eine Drehschwingung aus. Diese entspricht regelmäßig einer Sinusfunktion. Die Geschwindigkeit der Drehbewegung des Spiegels folgt entsprechend einer Kosinusfunktion. In einer Mittelstellung ist die Geschwindigkeit des Spiegels maximal, während sie in zwei Umkehrpositionen Null beträgt. Dies führt dazu, dass die Auflösung der Sende- und Empfangseinheit in der Mittelstellung am geringsten und im Bereich der Umkehrposition am größten ist. Wünschenswert aus Anwendungssicht wäre allerdings eine hohe Auflösung in einem mittleren bzw. zentralen Erfassungsbereich. Eine geringere Auflösung in den Randbereichen kann dabei eher toleriert werden.

Eine höhere Auflösung in einem zentralen Erfassungsbereich ermöglichen rotierende Spiegel. Diese rotieren mit gleichförmiger Geschwindigkeit um einen Winkel von 360°. Die Auflösung ist daher über den gesamten Erfassungsbereich gleichverteilt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile verfügbar zu machen. Insbesondere soll die Auflösung eines LiDAR-Systems in einem zentralen Erfassungsbereich vergrößert werden.

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

Die Anordnung umfasst eine erste Sende- und Empfangseinheit und mindestens einen Spiegel. Vorzugsweise handelt es sich um einen planaren Spiegel, d. h. einen Spiegel mit einer ebenen Spiegelfläche.

Eine Sende- und Empfangseinheit ist eine Anordnung mit einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit. Die Sendeeinheit ist ausgebildet, Strahlenbündel auszusenden. Bei dem Strahlenbündel handelt es sich um eine Gesamtheit zeitgleich ausgesendeter Strahlen. Insbesondere kann es sich dabei um Lichtstrahlen, d. h. um elektromagnetische Strahlen aus dem nahen Infrarot handeln. Hierbei handelt es sich um elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von 780 nm bis 3 μm.

Die Empfangseinheit ist ausgebildet, Reflexionen der ausgesendeten Strahlen zu detektieren. Die ausgesendeten Strahlen werden insbesondere an Objekten, die sich in der Umgebung der Sende- und Empfangseinheit befinden, reflektiert. Anhand des zeitlichen Versatzes zwischen dem Aussenden der Strahlen und dem Detektieren der Reflexionen lässt sich auf die Position der Objekten schließen.

Mit Reflexion eines Strahls wird ein Strahl bezeichnet, der durch Reflexion des erstgenannten Strahls entsteht.

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 Anordnung. Diese Komponenten sind vorzugsweise relativ zu einem gemeinsamen Bezugssystem feststehend angeordnet. Bei dem Bezugssystem handelt es sich etwa um ein Fahrzeug, das mit der erfindungsgemäßen Anordnung ausgestattet ist, in dem also die Komponenten der 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 zum Stillstand und führt ausgehend von der zweiten Umkehrposition eine Schwenkbewegung in entgegengesetzter Richtung aus, bis er in der ersten Umkehrposition erneut zum Stillstand kommt. Ausgehend von der ersten Umkehrposition wiederholt sich der beschriebene Bewegungsablauf.

Die erste Sende- und Empfangseinheit ist ausgebildet, mindestens ein Strahlenbündel auszusenden. Weiterhin ist die erste Sende- und Empfangseinheit so ausgerichtet, dass das von ihr ausgesendete Strahlenbündel mindestens teilweise von dem Spiegel reflektiert wird. Dies gilt für jede Position, die der Spiegel im Verlaufe der oben beschriebenen Schwenkbewegung einnimmt. Vorzugsweise wird das von der ersten Sende- und Empfangseinheit ausgesendeten Strahlenbündel in jeder Position des Spiegels, die der Spiegel im Verlaufe seiner Schwenkbewegungen einnimmt, vollständig von dem Spiegel reflektiert, d. h. jeder zu dem Strahlenbündel gehörige Strahl wird in jeder Position des Spiegels von dem Spiegel reflektiert.

Ein horizontaler Winkel ε1, den ein entlang der optischen Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit verlaufender, von der ersten Sende- und Empfangseinheit ausgesendeter Strahl und eine Reflexion dieses Strahls durch den Spiegel einschließen, wenn der Spiegel sich in der ersten Umkehrposition befindet, ist kleiner als ein horizontaler Winkel ε1', den ein entlang der optischen Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit verlaufender, von der ersten Sende- und Empfangseinheit ausgesendeter Strahl und eine Reflexion dieses Strahls durch den Spiegel einschließen, wenn der Spiegel sich in der zweiten Umkehrposition befindet.

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. Der horizontale Winkel zwischen einem elektromagnetischen Strahl und der Reflexion dieses Strahls bezeichnet den horizontalen Winkel zwischen zwei Halbgeraden, die den Verlauf des Strahls und seiner Reflexion beschreiben.

Die vorliegende Anordnung kann beweglich sein, etwa wenn die Anordnung an einem Fahrzeug angebracht ist. Eine horizontale Ebene bezeichnet in diesem Fall eine Ebene, die bezüglich der Anordnung feststehend ist, und die horizontal verläuft, wenn die Anordnung sich in einer 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.

Eine optische Achse ist gleichbedeutend mit einer Symmetrieachse eines reflektierenden und/oder brechenden optischen Elements oder optischen Systems. Bei der optischen Achse des ersten Sende- und Empfangseinheit handelt es sich entsprechend um die optische Achse eines reflektierenden und/oder brechenden optischen Elements oder optischen Systems der Sendeeinheit der ersten Sende- und Empfangseinheit.

Erfindungsgemäß weist die Anordnung neben der ersten Sende- und Empfangseinheit eine zweite Sende- und Empfangseinheit auf. Bei der ersten und der zweiten Sende- und Empfangseinheit handelt es sich vorzugsweise um LiDAR-Einheiten. Diese weisen einen optischen Laser und eine oder mehrere Fotodetektoren auf. Der Laser sendet vorzugsweise gepulste Laserstrahlen aus, deren Reflexionen von den Fotodetektoren erfasst werden.

Bevorzugt ist die Anordnung darüber hinaus mit mindestens einer Auswerteeinheit versehen. Diese ermittelt die Zeit, die von der Aussendung eines Strahlenbündels durch die erste Sende- und Empfangseinheit und/oder die zweite Sende- und Empfangseinheit verstreicht, bis eine Reflexion eines zu dem ausgesendeten Strahlenbündel gehörenden Strahls durch ein Objekt, das sich in der Umgebung der Anordnung befindet, erfasst wird. Durch Kombination derartiger Messungen ist die Auswerteeinheit in der Lage, die Position des Objektes zu ermitteln.

Die zweite Sende- und Empfangseinheit ist analog zu der ersten Sende- und Empfangseinheit ausgebildet. So werden von der zweiten Sende- und Empfangseinheit ausgesendete Strahlenbündel in jeder Position des Spiegels mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, von dem Spiegel reflektiert.

Weiterhin ist die zweite Sende- und Empfangseinheit relativ zu dem Spiegel so ausgerichtet, dass ein horizontaler Winkel ε2, den ein entlang der optischen Achse der zweiten Sende- und Empfangseinheit verlaufender, von der zweiten Sende- und Empfangseinheit ausgesendeter Strahl und einer Reflexion dieses Strahls durch den Spiegel einschließen, wenn der Spiegel sich in der zweiten Umkehrposition befindet, kleiner als ein horizontaler Winkel ε2', den ein von der zweiten Sende- und Empfangseinheit ausgesendeter, entlang der optischen Achse der zweiten Sende- und Empfangseinheit verlaufender Strahl und eine Reflexion dieses Strahls durch den Spiegel einschließen, wenn der Spiegel sich in der ersten Umkehrposition befindet.

α bezeichnet einen horizontalen Winkel, den die optische Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit und die optische Achse der zweiten Sende- und Empfangseinheit einschließen. Der Winkel α ist größer als Null, d. h. die optische Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit und die optische Achse der zweiten Sende- und Empfangseinheit sind antiparallel ausgerichtet.

Weiterhin bezeichnet σ1 einen horizontalen Strahlwinkel der ersten Sende- und Empfangseinheit bzw. des von der ersten Sende- und Empfangseinheit ausgesendeten Strahlenbündels. σ2 bezeichnet entsprechend einen horizontalen Strahlwinkel der zweiten Sende- und Empfangseinheit bzw. der von der zweiten Sende- und Empfangseinheit ausgesendeten Strahlenbündel.

Unter einem horizontalen Strahlwinkel eines Strahlenbündels ist ein Strahlwinkel einer Orthogonalprojektion der Strahlen bzw. des von den Strahlen durchquerten Raums auf eine horizontale Ebene zu verstehen. Bei dem Winkel, den die Begrenzungslinien dieser Orthogonalprojektion einschließen, handelt es sich um den horizontalen Strahlwinkel. Die Begrenzungslinien zeichnen sich dadurch aus, dass sämtliche Punkte der Orthogonalprojektion sich entweder auf selbige liegen oder dazwischen befinden. Kein solcher Punkt befindet sich außerhalb dieser Linien. Der horizontale Strahlwinkel wird auch horizontale Divergenz genannt.

Für die Erfindung gilt: α > ε1σ₁2 + ε2σ₂2.

Dies bedeutet, dass die Erfassungsbereiche der ersten Sende- und Empfangseinheit und der zweiten Sende- und Empfangseinheit sich in einem zentralen Bereich, im Folgenden zentraler Erfassungsbereich genannt, überlappen. Bereits durch die überlappende Abdeckung verbessert sich in dem zentralen Bereich die Auflösung. Hinzu kommt, dass der zentrale Bereich erfasst wird, wenn der Spiegel seine Umkehrpositionen ansteuert. Hier verlangsamt sich die Schwenkbewegung des Spiegels, so dass sich die Auflösung weiter verbessert. Demgegenüber liegt in den äußeren Randbereichen eine schlechtere Auflösung vor. Dies entspricht aber den an die Anordnung gestellten Anforderungen und lässt sich entsprechend tolerieren.

Bevorzugt ist der überlappende Bereich so groß, dass gilt: α > ε1 + ε2.

In einer bevorzugten Weiterbildung verläuft die Schwenkachse 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 optische Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit und die antiparallel dazu ausgerichtete optische Achse der zweiten Sende- und Empfangseinheit verlaufen in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung in einer gemeinsamen Ebene. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die optische Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit und die optische Achse der zweiten Sende- und Empfangseinheit schneiden. Bevorzugt schneiden sich die optische Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit und die optische Achse der zweiten Sende- und Empfangseinheit in der Schwenkachse des Spiegels.

Die einzelnen Parameter der Anordnung sind in bevorzugten Weiterbildungen symmetrisch. So gilt vorzugsweise: ε1 = ε2und/oder σ1 = σ2.

Insbesondere eine vollständig symmetrische Anordnung wird bevorzugt. So ist die Anordnung bevorzugt symmetrisch zu einer vertikalen, d. h. zu der obengenannten horizontalen Ebene orthogonal angeordneten, durch die Schwenkachse des Spiegels verlaufenden Ebene spiegelsymmetrisch. Im Falle des Spielgels gilt diese Symmetrieeigenschaft nur für eine einzige Schwenkposition, Ruheposition genannt.

Der horizontale Winkel, den der zentrale Erfassungsbereich einschließt, beträgt vorzugsweise mehr als 20°. Dies bedeutet, dass gilt: α > ε1σ₁2 + ε2σ₂2 + 20°.

Bevorzugt werden darüber hinaus zentrale Erfassungsbereiche, die größer als 25°, größer als 30° oder größer als 40° sind.

Ein horizontaler Winkel, den der gesamte Erfassungsbereich einschließt, ist bevorzugt größer als 120°. Entsprechend gilt in einer bevorzugten Weiterbildung für einen horizontalen Winkel ε1', den eine entlang der optischen Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit verlaufender, von der ersten Sende- und Empfangseinheit ausgesendeter Strahl und eine Reflexion dieses Strahls durch den Spiegel einschließen, wenn der Spiegel sich in der zweiten Umkehrposition befindet, und für einen horizontalen Winkel ε2', den ein entlang der optischen Achse der zweiten Sende- und Empfangseinheit verlaufender von der zweiten Sende- und Empfangseinheit ausgesendeter Strahl und eine Reflexion dieses Strahls durch den Spiegel einschließen, wenn der Spiegel sich in der ersten Umkehrposition befindet: ε1' + ε2' – α + σ₁ + σ₂2 > 120°.

Bevorzugt werden darüber hinaus horizontale Winkel des sekundären Erfassungsbereichs von mehr als 125°, mehr als 130° oder mehr als 140°.

Damit die Sende- und Empfangseinheiten nicht die zu detektierenden Objekte verdecken, sind die Komponenten der Anordnung in einer bevorzugten Weiterbildung gegenüber der Vertikalen verkippt. So ist die Schwenkachse gegenüber der vertikal weiterbildungsgemäß um einen Winkel θ, der bevorzugt größer als Null ist, verkippt. Damit die von den Sende- und Empfangseinheiten ausgesendeten entlang ihrer optischen Achsen verlaufenden Strahlen im zentralen Erfassungsbereich möglichst horizontal verlaufen, bedingt dies eine Verkippung der optischen Achsen der ersten Sende- und Empfangseinheit und der zweiten Sende- und Empfangseinheit gegenüber der Horizontalen um einen doppelten Winkel, d. h. um einen Winkel von 2 × θ.

Bei dem Spiegel handelt es sich in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung um einen sogenannten MEMS-Spiegel. Die Frequenz seiner Drehschwingung, d. h. seiner oszillierenden Schwenkbewegung um die Schwenkachse entspricht vorzugsweise der Resonanzfrequenz des Spiegels.

Ein MEMS-Spiegel bezeichnet einen Mikrospiegelaktor. Hierunter ist ein Mikroelektromechanisches Bauelement zur dynamischen Ablenkung von Licht durch Spiegelung zu verstehen.

Um einen vertikalen Strahlwinkel der ersten Sende- und Empfangseinheit bzw. des von der ersten Sende- und Empfangseinheit ausgesendeten Strahlenbündels und/oder zu der zweiten Sende- und Empfangseinheit bzw. des von der zweiten Sende- und Empfangseinheit ausgesendeten Strahlenbündels vergrößern, sind die Empfangseinheiten der ersten Sende- und Empfangseinheit und/oder der zweiten Sende- und Empfangseinheit sind in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung als vertikale Sensorarrays aufgebaut. Als vertikales Sensorarray werden mindestens zwei Sensoren bezeichnet, die vertikal übereinander angeordnet sind.

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

1 ein LiDAR-System;

2 einen Spiegel des Systems in einer ersten Umkehrposition;

3 einen Spiegel des Systems in einer zweiten Umkehrposition;

4 einen Erfassungsbereich des Systems;

5 eine Seitenansicht des Systems; und

6 ein Blockschaltbild.

Das in 1 dargestellte LiDAR System umfasst eine erste Sende- und Empfangseinheit 101, eine zweite Sende- und Empfangseinheit 103 und einen Spiegel 105. Der Spiegel 105 ist um eine Schwenkachse 107 drehbar. Die Schwenkachse 107 verläuft mittig durch den Spiegel 105.

Eine optische Achse 109 der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 und eine optische Achse 111 der zweiten Sende- und Empfangseinheit 103 schneiden sich in einem Punkt der Schwenkachse 107. Die optische Achse 109 der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 und die optische Achse 111 der zweiten Sende- und Empfangseinheit 103 schließen einen Winkel α von beispielsweise 60° ein.

Aus der beschriebenen Anordnung ergibt sich eine optische Achse 113 des LiDAR-Systems, die mittig verläuft. In der in 1 dargestellten Aufsicht verläuft die optische Achse 113 des LiDAR-Systems orthogonal zu dem in Ruheposition befindlichen Spiegel 105. Insbesondere schließen die optische Achse 113 des LiDAR-Systems und die optische Achse 109 der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 sowie die optische Achse 113 des LiDAR Systems und die optische Achse 111 der zweiten Sende- und Empfangseinheit 103 einen Winkel von jeweils α2 ein.

Der Spiegel 105 oszilliert in einer Drehbewegung um die Schwenkachse 107 zwischen zwei Umkehrpositionen. Eine erste Umkehrposition ist in 2 dargestellt. Gegenüber seiner in 1 dargestellten Ruhelage ist der Spiegel 105 um einen bestimmten Winkel, beispielsweise von 20°, in Richtung der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 verkippt. Eine Reflexion 201 eines entlang der optischen Achse 109 der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 verlaufenden, von der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 ausgesendeten Strahls und die optische Achse 113 des LiDAR Systems sind entsprechend divergent.

Weiterhin ist ein horizontaler Winkel ε1, den die Reflexion 201 und die optische Achse 109 ersten Sende- und Empfangseinheit 101 einschließen, kleiner als der Winkel α2, den die optische Achse 109 der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 und die optische Achse 113 des LiDAR-Systems einschließen. Im vorliegenden Beispiel beträgt der Winkel ε1 = 20°.

Die zweite Sende- und Empfangseinheit 103 ist in den 2 und 3 der Einfachheit halber nicht dargestellt.

3 zeigt den Spiegel 105 in seiner zweiten Umkehrposition. Die optische Achse 109 der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 und die Reflexion 201 an dem Spiegel 105 schließen hier einen Winkel ein, welcher der Summe aus dem Winkel α und dem Doppelten des Winkels, um den der Spiegel 105 gegenüber seiner Ruheposition verkippt ist, entspricht.

Einen aus der Oszillation des Spiegels 105 zwischen der ersten Umkehrposition und der zweiten Umkehrposition resultierende Erfassungsbereich 401 der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 stellt 4 dar. Weiterhin zeigt 4 einen entsprechenden Erfassungsbereich 403 der zweiten Sende- und Empfangseinheit 103.

Der Erfassungsbereich 401 der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 und der Erfassungsbereich 403 der zweiten Sende- und Empfangseinheit 103 überlappen sich in einem zentralen Erfassungsbereich 405. Der zentrale Erfassungsbereich 405 ist um die optische Achse 113 des LiDAR-Systems herum ausgebildet. Diese Achse 113 verläuft mittig durch den zentralen Erfassungsbereich 405. Durch die Überlappung des Erfassungsbereichs 401 der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 und des Erfassungsbereichs 403 der zweiten Sende- und Empfangseinheit 103 lässt sich in dem zentralen Erfassungsbereich 405 eine höhere Auflösung des LiDAR-Systems erzielen.

Die langsamere Bewegung des Spiegels 105 in den Umkehrpositionen kann zur Erhöhung der Reichweite genutzt werden. Beispielsweise kann mittels eines unter dem Namen als TCSPC (Time Correlated Single Photon Counting) bekannten Verfahrens durch mehrfaches Aussenden, Empfangen und Auswerten eines Laserstrahls in dieselbe Raumrichtung die Reichweite und das Signal zu Rauschleistungsverhältnis erhöht werden.

Die vertikale Anordnung der Komponenten des LiDAR-Systems veranschaulicht 5. Der Spiegel 105 mit seiner Schwenkachse 107 ist um einen Winkel von 20° aus der Vertikalen heraus verkippt. Damit die optische Achse 113 des LiDAR-Systems horizontal verläuft, ist weiterhin die optische Achse 109 der ersten Sende- und Empfangseinheit 101 gegenüber dem Spiegel 105 um einen vertikalen Winkel von 70° verkippt. Ebenso ist die optische Achse 111 der zweiten Sende- und Empfangseinheit 103 – in 5 nicht dargestellt – um einen vertikalen Winkel von 70° gegenüber dem Spiegel 105 verkippt. Auf diese Weise lässt sich eine Abschattung der zu detektierenden Objekte durch die erste Sende- und Empfangseinheit 101 oder die zweite Sende- und Empfangseinheit 103 verhindern.

Die einzelnen Komponenten des LiDAR-Systems im Detail und deren Zusammenwirken veranschaulicht 6. Die erste Sende- und Empfangseinheit 101 umfasst im Einzelnen einen ersten Lasertreiber 601a, einen ersten Halbleiterlaser 603a, einen ersten Strahlteiler 605a, eine erste Optik 607a, einen ersten Detektor 609a und eine erste Detektorbereichsaktivierung 611a. Entsprechend umfasst die zweite Sende- und Empfangseinheit 103 einen zweiten Lasertreiber 601b, einen zweiten Halbleiterlaser 603b, einen zweiten Strahlteiler 605b, eine zweite Optik 607b, einen zweiten Detektor 609b und eine zweite Detektorbereichsaktivierung 611b.

Die Lasertreiber 601a, 601b erzeugen kurze elektrische Pulse einer Dauer von ca. 1–10 ns. Diese Pulse setzen die Halbleiterlaser 603a, 603b in Lichtpulse um.

Die erzeugten Lichtpulse besitzen ein ovales Lichtprofil. Dieses wird durch in 6 nicht dargestellte die Optiken zu einem Balken mit definierter Divergenz, z. B. 0,1° in horizontaler Richtung und 20° in vertikaler Richtung, umgeformt.

Mittels der Strahlteiler 605a, 605b wird ein Teil des Lichts ausgekoppelt und zu dem Spiegel 105 geleitet. Die Strahlteiler 605a, 605b können etwa als halbdurchlässige Spiegel realisiert werden.

Trifft das Licht auf ein zu detektierendes Objekt 613, wird ein Teil des Lichts von dem Objekt zurück in Richtung des Spiegels 105 reflektiert. Von dort gelangt das reflektierte Licht über die Strahlteiler 605a, 605b durch die Optiken 607a, 607b zu den Detektoren 609a, 609b. Die Optik 607a, 607bb beinhaltet einen optischen Bandpassfilter, der Licht in der Wellenlänge des ausgesendeten Laserpulses durchlässt und andere Wellenlängen absorbiert oder zurück reflektiert.

Die Frequenz der Bewegung des Spiegels 105 beträgt beispielsweise 500 Hz bis 3 kHz. Als Detektoren 609a, 609b können etwa Silizim-Photomultiplier (SiPM) verwendet werden.

In einem Funktionsblock zur Laufzeitmessung 615 wird eine zeitliche Differenz zwischen dem Aussenden des Lichts durch die Laser 603a, 603b ausgesendeten Lichts auf den Detektoren 609a, 609b und dem Auftreffen des von dem Objekt 613 reflektierten Lichts auf den Detektoren 609a, 609b ermittelt.

Um die Laufzeitmessung 615 zu ermöglichen, benötigt es einen Startimpuls. Dieser kann prinzipiell auf zwei unterschiedliche Arten erzeugt werden. Im einfachen Fall wird das Signal benutzt mit dem die Aussendung eines Laserpulses ausgelöst wird. Hier ergibt sich allerdings das Problem, dass die Treiberlaufzeit für die Ansteuerung der Laser-Diode durch Temperatur und Produktionsschwankungen variieren kann. Alternativ besteht die Möglichkeit den ausgesendeten optischen Impuls als Startsignal zu verwenden. Durch die Verwendung der Strahlteiler 605a, 605b kann ein Teil der Sendeenergie automatisch an entsprechende Detektoren weitergegeben werden, so dass diese den Start der Messung feststellen können.

Ein Funktionsblock zur Positionsmessung 617 ermittelt kontinuierlich die Position, insbesondere den Schwenkwinkel, des Spiegels 105. Die Position eines MEMS Spiegels kann beispielsweise mittels eines kapazitiven Messverfahrens bestimmt werden. Mittels einer zusätzlichen kapazitiven Detektorschaltung lassen sich Amplitude, Phase und Position des Spiegels 105 jederzeit präzise ermitteln.

Anhand der Ergebnisse der Laufzeitmessung 615 und der Positionsmessung 617 wird in einem Positionsblock Entfernungs- und Winkelberechnung 619 die Entfernung des Objekts 613 und dessen Winkellage ermittelt.

Die Ergebnisse der Laufzeitmessung 615 werden in Distanzen umgerechnet. Diesen Distanzen werden die entsprechenden Winkelpositionen beim Aussenden des Laserpulses zugeordnet. Die Datensätze werden schließlich als Lidar-Rohdaten an eine Verarbeitungseinheit ausgegeben.

Über einen Funktionsblock Laser Puls Timer 621 werden die Lasertreiber 601a, 601b getriggert. Dies geschieht in Abhängigkeit der Positionsmessung 617. Auf diese Weise lassen sich die von den Lasern 603a, 603b erzeugten Laserpulse mit der Position des Spiegels 105 synchronisieren.

Ein Messzyklus besteht bei 1 kHz Oszillationsfrequenz des Spiegels 105 aus ca. 33 Schwingungsperioden. Der Funktionsblock Laser Puls Timer 621 stellt sicher, dass die Laserpulse zu den korrekten Zeitpunkten ausgesendet werden, dass mit jedem Messzyklus eine gleichmäßige Abdeckung des Raumes erreicht wird. Der Zeitpunkt der Laserpulse wird so gewählt, dass bei einer Wiederholrate von ca. 25 bis 30 Hz alle 0.1° eine Messung vorliegt.

Bezugszeichenliste

101
erste Sende- und Empfangseinheit
103
zweite Sende- und Empfangseinheit
105
Spiegel
107
Schwenkachse
109
optische Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit
111
optische Achse der zweiten Sende- und Empfangseinheit
113
optische Achse des Lidar-Systems
201
Reflexion der optischen Achse der ersten Sende- und Empfangseinheit
401
Erfassungsbereich der ersten Sende- und Empfangseinheit
403
Erfassungsbereich der zweiten Sende- und Empfangseinheit
405
zentraler Erfassungsbereich
601a
erster Lasertreiber
601b
zweiter Lasertreiber
603a
erster Halbleiterlaser
603b
zweiter Halbleiterlaser
605a
erster Strahlteiler
605b
zweiter Strahlteiler
607a
erste Optik
607b
zweite Optik
609a
erster Detektor
609b
zweiter Detektor
611a
erste Detektorbereichsaktivierung
611b
zweite Detektorbereichsaktivierung
613
Objekt
615
Laufzeitmessung
617
Positionsmessung
619
Entfernungs- und Winkelberechnung
621
Laser Puls Timer