Title:
Lichtscanner mit Beschleunigungssensor
Kind Code:
A1


Abstract:

Ein Lichtscanner (99, 100) umfasst eine Basis (141), ein Schnittstellenelement (142), das eingerichtet ist, um eine zum Umlenken von Licht eingerichtete Umlenkeinheit (150) zu fixieren, und mindestens ein Stützelement (101, 102). Das mindestens eine Stützelement (101, 102) erstreckt sich zwischen der Basis (141) und dem Schnittstellenelement (142) und ist eingerichtet, um eine Bewegung (502) des Schnittstellenelements (142) gegenüber der Basis (141) zum Scannen des Lichts (180) durch elastische Verformung zu bewirken. Der Lichtscanner (99, 100) umfasst auch mindestens einen Beschleunigungssensor (4010), der eingerichtet ist, um ein Signal bereitzustellen, das indikativ für eine mindestens eine Beschleunigungskomponente der Bewegung des Schnittstellenelements (142) gegenüber der Basis (141) ist. embedded image




Inventors:
Petit, Florian, Dr. (81247, München, DE)
Application Number:
DE102017000827A
Publication Date:
08/02/2018
Filing Date:
01/27/2017
Assignee:
Blickfeld GmbH, 80689 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE19719601A1N/A1998-11-12
DE2645393A1N/A1977-04-21



Foreign References:
39287781975-12-23
WO2013014189A12013-01-31
Attorney, Agent or Firm:
Kraus & Weisert Patentanwälte PartGmbB, 80539, München, DE
Claims:
Lichtscanner (99, 100), der umfasst:
- eine Basis (141),
- ein Schnittstellenelement (142), das eingerichtet ist, um eine zum Umlenken von Licht eingerichtete Umlenkeinheit (150) zu fixieren,
- mindestens ein Stützelement (101, 102, 101-1, 101-2, 102-1, 102-2), wobei sich das mindestens eine Stützelement (101, 102, 101-1, 101-2, 102-1, 102-2) zwischen der Basis (141) und dem Schnittstellenelement (142) erstreckt und eingerichtet ist, um eine Bewegung (502) des Schnittstellenelements (142) gegenüber der Basis (141) zum Scannen des Lichts (180) durch elastische Verformung zu bewirken, und
- mindestens einen Beschleunigungssensor (4010), der eingerichtet ist, um ein Signal bereitzustellen, das indikativ für eine mindestens eine Beschleunigungskomponente der Bewegung (502) des Schnittstellenelements (142) gegenüber der Basis (141) ist.

Lichtscanner (99, 100) nach Anspruch 1,
wobei der mindestens eine Beschleunigungssensor (4010) am Schnittstellenelement (142) angebracht ist oder integriert mit diesem ausgebildet ist,
wobei optional die Basis (141), das Schnittstellenelement (142) und das mindestens eine Stützelement (101, 102, 101-1, 101-2, 102-1, 102-2) einstückig ausgebildet sind.

Lichtscanner (99, 100) nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin umfasst:
- einen die Umlenkeinheit (150) implementierenden Spiegel mit einer Spiegeloberfläche (151),
wobei der mindestens eine Beschleunigungssensor (4010) am Spiegel angebracht ist oder integriert mit diesem ausgebildet ist.

Lichtscanner (99, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, der weiterhin umfasst:
- mindestens eine elektrisch leitende Übertragungsstrecke (4011, 4033) für das Signal entlang des mindestens einen Stützelements (101, 102, 101-1, 101-2, 102-1, 102-2),
wobei die mindestens eine elektrisch leitende Übertragungsstrecke (4011, 4033) als Leiterbahn auf dem mindestens einen Stützelement (101, 102, 101-1, 101-2, 102-1, 102-2) aufgebracht ist oder integriert mit diesem ausgebildet ist oder als Bonddraht ausgebildet ist.

Lichtscanner (99, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, der weiterhin umfasst:
- mindestens eine optische Übertragungsstrecke (4021) für das Signal entlang des mindestens einen Stützelements (101, 102, 101-1, 101-2, 102-1, 102-2),
wobei das Signal die mindestens eine Beschleunigungskomponente entlang der optischen Übertragungsstrecke optional digital codiert.

Lichtscanner (99, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Signal indikativ für mindestens eine translatorische Beschleunigungskomponenten der Bewegung (502) ist und/oder indikativ für mindestens eine rotatorische Beschleunigungskomponenten der Bewegung (502) ist.

Lichtscanner (99, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, der weiterhin umfasst:
- mindestens ein Wuchtgewicht (4050),
wobei der mindestens eine Beschleunigungssensor (4010) und das mindestens eine Wuchtgewicht (4050) komplementär in Bezug auf eine Zentralachse (220) des mindestens einen Stützelements (101, 102, 101-1, 101-2, 102-1, 102-2) angeordnet sind.

Lichtscanner (99, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, der weiterhin umfasst:
- einen Aktuator (310, 320), der eingerichtet ist, um die Bewegung (502) anzuregen, und
- Steuerelektronik (4001), die eingerichtet ist, um den Aktuator (310, 320) basierend auf dem Signal anzusteuern.

Lichtscanner (99, 100) nach Anspruch 8,
wobei die Steuerelektronik (4001) eingerichtet ist, um eine Regelschleife zu implementieren,
wobei die Regelschleife eine Soll-Amplitude der Bewegung (502) als Führungsgröße umfasst und ferner eine basierend auf dem Signal bestimmte Ist-Amplitude der Bewegung (502) als Regelschleife umfasst,
wobei der Regelschleife optional einen externen Schock als Störgröße umfasst.

LIDAR-System (80), das umfasst:
- den Lichtscanner (99, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
- die Umlenkeinheit (150), die an dem Schnittstellenelement (142) des Lichtscanners (99, 100) angebracht ist,
- eine Lichtquelle (82), die eingerichtet ist, um Primärlicht in Richtung der Umlenkeinheit (150) auszusenden,
- einen Detektor (81), der eingerichtet, um von Umfeldobjekten reflektiertes Sekundärlicht zu detektieren, und
- eine Auswerteelektronik (83), die eingerichtet ist, um basierend auf dem Sekundärlicht eine Abstandsmessung der Umfeldobjekte durchzuführen und um eine laterale Position der Umfeldobjekte basierend auf dem Signal des mindestens einen Beschleunigungssensors (4010) zu bestimmen.

Description:
TECHNISCHES GEBIET

Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen im allgemeinen einen Lichtscanner mit einer Umlenkeinheit, die zum Umlenken von Licht eingerichtet ist. Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen insbesondere einen Lichtscanner mit mindestens einem Beschleunigungssensor.

HINTERGRUND

Die Abstandsmessung von Objekten ist in verschiedenen Technologiefeldern erstrebenswert. Zum Beispiel kann es im Zusammenhang mit Anwendungen des autonomen Fahrens erstrebenswert sein, Objekte im Umfeld von Fahrzeugen zu erkennen und insbesondere einen Abstand zu den Objekten zu ermitteln.

Eine Technik zur Abstandsmessung von Objekten ist die sogenannte LIDAR-Technologie (engl. Light detection and ranging; manchmal auch LADAR). Dabei wird gepulstes Laserlicht von einem Emitter ausgesendet. Die Objekte im Umfeld reflektieren das Laserlicht. Diese Reflexionen können anschließend gemessen werden. Durch Bestimmung der Laufzeit des Laserlichts kann ein Abstand zu den Objekten bestimmt werden.

Um die Objekte im Umfeld ortsaufgelöst zu erkennen, kann es möglich sein, das Laserlicht zu scannen. Je nach Abstrahlwinkel des Laserlichts können dadurch unterschiedliche Objekte im Umfeld erkannt werden.

In diesem Zusammenhang kann es oftmals erstrebenswert sein, den Abstrahlwinkel des Laserlichts besonders genau zu überwachen. Derart kann nämlich die laterale Position der Umfeldobjekte genau bestimmt werden.

Referenzimplementierungen benutzen beispielsweise kapazitive Sensoren, um die Positionierung eines Spiegels zum Umlenken des Laserlichts zu erkennen. Dabei wird typischerweise ein Signal bereitgestellt, dessen Amplitude in Abhängigkeit eines Abstands von Elektroden des Sensors variiert. Damit ist das Signal des Sensors indikativ für die Absolutposition des Spiegels.

Eine solche Technik kann bestimmte Nachteile und Einschränkungen aufweisen. Beispielsweise kann der Messbereich aufgrund der ineinandergreifenden Elektroden des kapazitiven Sensors begrenzt sein, zum Beispiel auf ca. 50° Verkippung des Spiegels. Manche Scanner weisen aber einen größeren Scanbereich auf, sodass solche kapazitiven Sensoren dort nicht oder nur eingeschränkt eingesetzt werden können.

Weitere Techniken zur Überwachung des Abstrahlwinkels des Laserlichts können vergleichsweise große und sperrige Sensoren benötigen. Solche großen Sensoren können aber die Integration des Scanners in ein Gehäuse mit kleinen Dimensionen - zum Beispiel zur Anwendung im Kraftfahrzeug - behindern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken, um den Abstrahlwinkel des Laserlichts zu überwachen. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, die zumindest einige der oben beschriebenen Nachteile und Einschränkungen beheben.

Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.

Ein Lichtscanner umfasst eine Basis und ein Schnittstellenelement. Das Schnittstellenelement ist eingerichtet, um eine zum Umlenken von Licht eingerichtete Umlenkeinheit zu fixieren. Der Lichtscanner umfasst auch mindestens ein Stützelement. Das mindestens eine Stützelement erstreckt sich zwischen der Basis und dem Schnittstellenelement und ist eingerichtet, um eine Bewegung des Schnittstellenelements gegenüber der Basis zum Scannen des Lichts durch elastische Verformung zu bewirken. Der Lichtscanner umfasst auch mindestens einen Beschleunigungssensor. Dieser ist eingerichtet, um ein Signal bereitzustellen, welches indikativ für mindestens eine Beschleunigungskomponente der Bewegung des Schnittstellenelements gegenüber der Basis ist.

In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Bereitstellen des Signals, welches indikativ für mindestens eine Beschleunigungskomponente der Bewegung des Schnittstellenelements des Lichtscanners gegenüber der Basis des Lichtscanners ist.

Beispielsweise wäre es möglich, dass das mindestens eine Stützelement durch mindestens eine Faser implementiert wird. Jede der mindestens einen Faser könnte einen Lichtwellenleiter umfassen, der eingerichtet ist, um das Licht hin zu der Umlenkeinheit zu übertragen. Alternativ oder zusätzlich wäre es aber auch möglich, dass das Licht nicht durch das mindestens eine Stützelement zu der Umlenkeinheit gelangt. Beispielsweise könnte die Umlenkeinheit durch einen Spiegel mit einer Spiegeloberfläche implementiert werden. Alternativ oder zusätzlich könnte die Umlenkeinheit durch ein Prisma implementiert werden. Die Umlenkeinheit könnte in manchen Beispielen eine Linse, beispielsweise eine Gradientenindex-Linse umfassen.

Ein Lichtscanner umfasst eine Basis und ein Schnittstellenelement. Das Schnittstellenelement ist eingerichtet, um eine zum Umlenken von Licht eingerichtete Umlenkeinheit zu fixieren. Der Lichtscanner umfasst auch mindestens ein Stützelement. Das mindestens eine Stützelement erstreckt sich zwischen der Basis und dem Schnittstellenelement und ist eingerichtet, um eine Bewegung des Schnittstellenelements gegenüber der Basis zum Scannen des Lichts durch elastische Verformung zu bewirken. Der Lichtscanner umfasst auch mindestens einen Drehratensensor. Dieser ist eingerichtet, um ein Signal bereitzustellen, welches indikativ für eine Drehrate der Bewegung des Schnittstellenelements gegenüber der Basis ist.

In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Bereitstellen des Signals, welches indikativ für eine Drehrate der Bewegung des Schnittstellenelements des Lichtscanners gegenüber der Basis des Lichtscanners ist.

Die oben genannten Beispiele können auch miteinander kombiniert werden.

Figurenliste

  • 1 illustriert schematisch einen Lichtscanner und eine Umlenkeinheit gemäß verschiedener Beispiele.
  • 2 illustriert schematisch einen Lichtscanner und eine Umlenkeinheit gemäß verschiedener Beispiele.
  • 3 illustriert schematisch einen Lichtscanner und eine Umlenkeinheit gemäß verschiedener Beispiele.
  • 4 illustriert schematisch einen Lichtscanner und eine Umlenkeinheit gemäß verschiedener Beispiele.
  • 5 illustriert schematisch einen Lichtscanner und eine Umlenkeinheit gemäß verschiedener Beispiele.
  • 6 illustriert schematisch einen Lichtscanner und eine Umlenkeinheit gemäß verschiedener Beispiele.
  • 7 illustriert schematisch einen Lichtscanner und eine Umlenkeinheit gemäß verschiedener Beispiele.
  • 8 illustriert schematisch einen Lichtscanner und eine Umlenkeinheit gemäß verschiedener Beispiele.
  • 9 illustriert schematisch einen Lichtscanner und eine Umlenkeinheit gemäß verschiedener Beispiele.
  • 10 illustriert schematisch einen Lichtscanner und eine Umlenkeinheit gemäß verschiedener Beispiele.
  • 11 illustriert schematisch einen Lichtscanner und Biegepiezoaktuatoren gemäß verschiedener Beispiele.
  • 12 illustriert schematisch einen Lichtscanner und Biegepiezoaktuatoren gemäß verschiedener Beispiele.
  • 13 ist eine schematische Seitenansicht der Biegepiezoaktuatoren gemäß verschiedener Beispiele.
  • 14 illustriert schematisch einen Lichtscanner gemäß verschiedener Beispiele.
  • 15 illustriert schematisch eine Torsionsmode eines Lichtscanners gemäß verschiedener Beispiele.
  • 16 illustriert schematisch ein LIDAR-System gemäß verschiedener Beispiele.
  • 17 illustriert schematisch einen Lichtscanner und Biegepiezoaktuatoren gemäß verschiedener Beispiele.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.

Nachfolgend werden verschiedene Techniken zum Scannen von Licht beschrieben. Die nachfolgend beschriebenen Techniken können zum Beispiel das zweidimensionale Scannen von Licht ermöglichen. Das Scannen kann wiederholtes Aussenden des Lichts unter unterschiedlichen Abstrahlwinkeln bezeichnen. Dazu kann das Licht durch eine Umlenkeinheit umgelenkt werden. Diese kann beispielsweise durch einen Spiegel mit einer Spiegeloberfläche oder ein Prisma implementiert werden. Das Scannen kann das wiederholte Abtasten von unterschiedlichen Punkten in der Umgebung mittels des Lichts bezeichnen. Z.B. kann die Menge der unterschiedlichen Punkte in der Umgebung und/oder die Menge der unterschiedlichen Abstrahlwinkel einen Scanbereich festlegen.

In verschiedenen Beispielen kann das Scannen von Licht durch die Bewegung mindestens eines Stützelements implementiert werden. Dabei kann das mindestens eine Stützelement mit einem Schnittstellenelement verbunden sein, welches eingerichtet ist, um die Umlenkeinheit zu fixieren. Dies bedeutet, dass zusammen mit dem mindestens einen Stützelement das Schnittstellenelement und die Umlenkeinheit bewegt werden kann. Je nach Zustand der Bewegung kann die Umlenkeinheit unterschiedlich positioniert und/oder orientiert sein und damit das Licht unterschiedlich umlenken, d.h. unterschiedliche Abstrahlwinkel implementieren. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ist es möglich, dass die Bewegung des mindestens einen Stützelement durch eine elastische Verformung des mindestens einen Stützelements erzielt wird. Beispielsweise kann das Material des mindestens einen Stützelements eine gewisse Elastizität aufweisen, welche die elastische Verformung ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich kann noch eine Form-induzierte Elastizität des mindestens einen Stützelements zum Implementieren der Bewegung verwendet werden.

In verschiedenen Beispielen kann zweidimensionales Scannen von Licht durch die zeitliche Überlagerung und optional eine örtliche Überlagerung von zwei Bewegungen entsprechend unterschiedlicher Freiheitsgrade mindestens eines beweglichen Stützelements erfolgen. Dadurch kann in verschiedenen Beispielen eine Überlagerungsfigur abgefahren werden. Manchmal wird die Überlagerungsfigur auch als Lissajous-Figur bezeichnet. Die Überlagerungsfigur kann eine Abfolge, mit der unterschiedliche Abstrahlwinkel durch die Bewegung des Stützelements umgesetzt werden, beschreiben.

In verschiedenen Beispielen ist es möglich, Laserlicht zu scannen. Dabei kann zum Beispiel kohärentes oder inkohärentes Laserlicht verwendet werden. Es wäre möglich, polarisiertes oder unpolarisiertes Laserlicht zu verwenden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Laserlicht gepulst verwendet wird. Zum Beispiel können kurze Laserpulse mit Pulsbreiten im Bereich von Femtosekunden oder Pikosekunden oder Nanosekunden verwendet werden. Beispielsweise kann eine Pulsdauer im Bereich von 0,5 - 3 Nanosekunden liegen. Das Laserlicht kann eine Wellenlänge im Bereich von 700 - 1800 nm aufweisen. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend vornehmlich Bezug genommen auf Laserlicht; die verschiedenen hierin beschriebenen Beispiele können aber auch zum Scannen von Licht aus anderen Lichtquellen, zum Beispiel Breitbandlichtquellen oder RGB-Lichtquellen, angewendet werden. RGB-Lichtquellen bezeichnen hierin im Allgemeinen Lichtquellen im sichtbaren Spektrum, wobei der Farbraum durch Überlagerung mehrerer unterschiedlicher Farben - beispielsweise rot, grün, blau oder cyan, magenta, gelb, schwarz - abgedeckt wird.

In verschiedenen Beispielen wird zum Scannen von Licht mindestens ein Stützelement verwendet werden, das eine form- und/oder materialinduzierte Elastizität aufweist. Deshalb könnte das mindestens eine Stützelement auch als Federelement bezeichnet werden. Dann kann mindestens ein Freiheitsgrad der Bewegung des mindestens einen Stützelements angeregt werden, beispielsweise eine Torsionsmode und/oder eine Transversalmode. Es wäre beispielsweise möglich, dass mehr als ein einzelnes Stützelement verwendet wird, z.B. zwei oder drei oder vier Stützelemente. Diese können optional symmetrisch in Bezug zueinander angeordnet sein.

Das mindestens eine Stützelement kann sich zwischen einer Basis und dem Schnittstellenelement erstrecken. In manchen Implementierungen wäre es beispielsweise möglich, dass das mindestens eine Stützelement, die Basis, sowie das Schnittstellenelement (und optional die Umlenkeinheit) einstückig ausgebildet sind. Beispielsweise wäre es möglich, dieser einstückig ausgebildeten Teile mittels Techniken der Lithographie, Ätzen und der lateralen Strukturierung aus einem Wafer, beispielsweise einem Silizium-Wafer, herzustellen. Manchmal werden solche Techniken auch als MEMS Techniken der Mikrostrukturierung (engl. MEMS technology and micromachining) bezeichnet. In anderen Implementierungen wäre es aber auch möglich, dass das mindestens eine Stützelement nicht einstückig mit der Basis und dem Schnittstellenelement ausgebildet ist. In verschiedenen Beispielen wird zum Scannen des Laserlichts ein bewegliches Ende einer Faser oder mehrerer Fasern verwendet: dies bedeutet, dass das mindestens eine Stützelement durch eine oder mehrere Fasern ausgebildet sein kann.

Es können verschiedene Fasern als Stützelemente verwendet werden. Beispielsweise können Lichtfasern verwendet werden, die auch als Glasfasern bezeichnet werden. Dabei ist es aber nicht erforderlich, dass die Fasern aus Glas hergestellt sind. Die Fasern können zum Beispiel aus Kunststoff, Glas oder einem anderen Material hergestellt sein. Beispielsweise können die Fasern aus Quarzglas hergestellt sein. Die Fasern können beispielsweise eine Länge aufweisen, die im Bereich von 3 mm - 10 mm liegt, optional im Bereich von 3,8 mm - 7.5 mm. Beispielsweise können die Fasern ein 70 GPa Elastizität-Modul aufweisen. Dies bedeutet, dass die Fasern elastisch sein können. Beispielsweise können die Fasern bis zu 4 % Materialdehnung ermöglichen. In manchen Beispielen weisen die Fasern einen Kern auf, in welchem das eingespeiste Laserlicht propagiert und durch Totalreflektion an den Rändern eingeschlossen ist (Lichtwellenleiter). Die Faser muss aber keinen Kern aufweisen. In verschiedenen Beispielen können sogenannte Einmoden-Lichtfasern (engl. single mode fibers) oder Mehrmoden-Lichtfasern (engl. multimode fibers) verwendet werden. Die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern können zum Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es wäre zum Beispiel möglich, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern einen Durchmesser aufweisen, der nicht kleiner als 50 µm ist, optional nicht <150 µm ist, weiter optional nicht <500 µm ist, weiter optional nicht <1 mm ist. Zum Beispiel können die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern verbiegbar bzw. krümmbar ausgestaltet sein, d.h. flexibel bzw. elastisch. Dazu kann das Material der hierin beschriebenen Fasern eine gewisse Elastizität aufweisen. Die Fasern können einen Kern aufweisen. Die Fasern können eine Schutzbeschichtung aufweisen. In manchen Beispielen kann die Schutzbeschichtung zumindest teilweise entfernt sein, z.B. bei den Enden der Fasern.

Beispielsweise könnte das mindestens eine Stützelement in einer oder zwei Dimensionen bewegt werden. Dazu können ein oder mehrere Aktuatoren verwendet werden, beispielsweise piezoelektrische oder magnetische Aktuatoren. Beispielsweise wäre es möglich, dass das dem Schnittstellenelement zugewendete Ende des mindestens einen Stützelements zusammen mit dem Schnittstellenelement gegenüber der Basis verkippt wird; dies resultiert typischerweise aus einer Krümmung des mindestens einen Stützelements. Dies kann einem ersten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen; dieser kann als Transversalmode (oder manchmal auch als wiggle mode) bezeichnet werden. Die Transversalmode kann insbesondere translatorische Beschleunigungskomponenten aufweisen. Alternativ oder zusätzlich wäre es möglich, dass das dem Schnittstellenelement zugewendete Ende des mindestens einen Stützelements entlang einer Längsachse des Stützelements verdreht wird (Torsionsmode). Dies kann einem zweiten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen. Die Torsionsmode kann insbesondere rotatorische Beschleunigungskomponenten aufweisen. Durch eine solche Bewegung des mindestens einen Stützelements können unterschiedliche Abstrahlwinkel für das Licht implementiert werden. Im Allgemeinen entsprechend größere Amplituden der Bewegung größeren Scanbereichen.

In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ist es jeweils möglich, die Torsionsmode alternativ oder zusätzlich zur Transversalmode anzuregen, d.h. es wäre eine zeitliche und örtliche Überlagerung der Torsionsmode und der Transversalmode möglich. Diese zeitliche und örtliche Überlagerung kann aber auch unterdrückt werden. In anderen Beispielen könnten auch andere Freiheitsgrade der Bewegung implementiert werden. Beispielsweise könnten in manchen Implementierungen zwei sequenziell im Pfad des Lichts angeordnete Lichtscanner verwendet werden, um zweidimensionales Scannen zu implementieren.

Beispielsweise kann die Umlenkeinheit als Prisma oder Spiegel implementiert sein. Beispielsweise könnte der Spiegel durch einen Wafer, etwa einen Silizium-Wafer, oder ein Glassubstrat implementiert sein. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke im Beriech von 0,05 µm - 0,1 mm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke von 25 µm oder 50 µm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke im Bereich von 25 µm bis 75 µm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel quadratisch, rechtecksförmig oder kreisförmig ausgebildet sein. Beispielsweise könnte der Spiegel einen Durchmesser von 3 mm bis 12mm aufweisen oder insbesondere 8 mm. Der Spiegel könnte Strukturelemente wie z.B. Rippen oder Stege auf der der Spiegeloberfläche abgewendeten Seite aufweisen, um Verformung zu vermeiden.

Im Allgemeinen können solche Techniken zum Scannen von Licht in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Beispiele umfassen Endoskope und RGB-Projektoren und Drucker. In verschiedenen Beispielen können LIDAR-Techniken angewendet werden. Die LIDAR-Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Abstandsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen. Zum Beispiel kann die LIDAR-Technik Laufzeitmessungen des Laserlichts zwischen dem Spiegel, dem Objekt und einem Detektor umfassen. Im Allgemeinen können solche Techniken zum Scannen von Licht in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Beispiele umfassen Endoskope und RGB-Projektoren und Drucker. In verschiedenen Beispielen können LIDAR-Techniken angewendet werden. Die LIDAR-Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Abstandsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen. Zum Beispiel kann die LIDAR-Technik Laufzeitmessungen des Laserlichts umfassen.

Verschiedenen Beispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es erstrebenswert sein kann, beim Scannen des Laserlichts den Abstrahlwinkel mit einer hohen Genauigkeit zu erkennen. Zum Beispiel kann im Zusammenhang mit LIDAR-Techniken eine Ortsauflösung der Abstandsmessung durch eine Ungenauigkeit des Abstrahlwinkels begrenzt sein. Typischerweise wird eine höhere (niedrigere) Ortsauflösung erreicht, je genauer (weniger genau) der Abstrahlwinkel des Laserlichts bestimmt werden kann.

Gemäß verschiedener Beispiele wird eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung des Abstrahlwinkels dadurch erreicht, dass der Scanner einen oder mehrere Sensoren umfasst, welche die Bewegung überwachen. In manchen Beispielen können ein oder mehrere Beschleunigungssensoren verwendet werden. In anderen Beispielen können z.B. ein oder mehrere Drehratensensoren verwendet werden.

Nachfolgend wird aus Gründen der Einfachheit auf Implementierungen Bezug genommen, die Beschleunigungssensoren verwenden. Die entsprechenden Techniken können aber auch unmittelbar für Drehratensensoren umgesetzt werden.

Der mindestens eine Beschleunigungssensor ist eingerichtet, um ein Signal auszugeben, welches indikativ für ein oder mehrere Beschleunigungskomponenten der Bewegung des Spiegels gegenüber der Basis ist. In manchen Beispielen wird das Signal dazu verwendet, um den Abstrahlwinkel zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich, das Signal dazu zu verwenden, um die Aktuierung des Spiegels zu steuern. Dadurch kann gezielt eine bestimmte Überlagerungsfigur von mehreren Freiheitsgraden der Bewegung implementiert werden.

1 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141, zwei Stützelemente 101, 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Die Stützelemente 101, 102 sind in einer Ebene ausgebildet (Zeichenebene der 1).

Dabei sind die Basis 141, die Stützelemente 101, 102, sowie das Schnittstellenelement 142 einstückig ausgebildet. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Basis 141, die Stützelemente 101, 102, sowie das Schnittstellenelement 142 mittels MEMS-Prozessen durch Ätzen eines Silizium-Wafers (oder eines anderen HalbleiterSubstrats) erhalten werden. In einem solchen Fall können die Basis 141, die Stützelemente 101, 102, sowie das Schnittstellenelement 142 insbesondere einkristallin ausgebildet sein. In anderen Beispielen könnten die Basis 141, die Stützelemente 101, 102, sowie das Schnittstellenelement 142 jedoch nicht einstückig ausgebildet sein; z.B. könnten die Stützelemente durch Fasern implementiert sein.

Es wäre auch möglich, dass das Scanmodul 100 nur ein einziges Stützelement aufweist oder mehr als zwei Stützelemente aufweist.

1 illustriert auch Aspekte in Bezug auf einen Laserscanner 99. Der Laserscanner 99 umfasst das Scanmodul 100, sowie einen eine Umlenkeinheit implementierenden Spiegel 150. In dem Beispiel der 1 ist der Spiegel 150, der auf der Vorderseite eine Spiegeloberfläche 151 mit hoher Reflektivität (beispielsweise größer als 95 % bei einer Wellenlänge von 950 µm, Optional >99 %, weiter optional >99,999 %; z.B. Alu oder Gold in einer Dicke von 80 - 250 nm) für Licht 180 ausbildet, nicht einstückig mit der Basis 141, den Stützelementen 101, 102, sowie dem Schnittstellenelement 142 ausgebildet. Beispielsweise könnte der Spiegel 150 auf das Schnittstellenelement 142 aufgeklebt sein. Das Schnittstellenelement 142 kann nämlich dazu eingerichtet sein, um den Spiegel 150 bzw. die Spiegeloberfläche 151 zu fixieren. Zum Beispiel könnte das Schnittstellenelement 142 für diesen Zweck eine Anlagefläche aufweisen, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Anlagefläche des Spiegels 150 zu fixieren. Um den Spiegel 150 mit dem Schnittstellenelement 142 zu verbinden, könnten beispielsweise ein oder mehrere der folgenden Techniken verwendet werden: Kleben; Löten; Formschluss; Kraftschluss; Stoffschluss; Klemmen; Schweißen.

Mittels solchen Techniken können große Spiegeloberflächen realisiert werden, z.B. nicht kleiner als 10 mm^2, optional nicht kleiner als 15 mm^2. Dadurch kann im Zusammenhang mit LIDAR-Techniken, die die Spiegeloberfläche 151 auch als Detektorapertur verwenden, eine hohe Genauigkeit und Reichweite erzielt werden.

In dem Beispiel der 1 weisen die Stützelemente 101, 102 eine Ausdehnung senkrecht zur Spiegeloberfläche 151 auf; diese Ausdehnung könnte z.B. ca. 2 - 8 mm betragen, im Beispiel der 1. Die Stützelemente sind insbesondere stabförmig entlang entsprechender Längsachsen 111, 112 ausgebildet. In 1 ist die Oberflächennormale 155 der Spiegeloberfläche 151 dargestellt; die Längsachsen 111, 112 sind parallel zu der Oberflächennormalen 155 orientiert, d. h. schließen mit dieser einen Winkel von 0° ein.

Deshalb ist die Ausdehnung der Stützelemente 101, 102 senkrecht zur Spiegeloberfläche 151 gleich der Länge 211 der Stützelemente 101, 102. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Länge 211 der Stützelemente 101, 102 nicht kürzer als 2 mm ist, optional nicht kürzer als 4 mm, weiter optional nicht kürzer als 6 mm. Zum Beispiel wäre es möglich, dass die Länge der Stützelemente 101, 102 nicht größer als 20 mm ist, optional nicht größer als 12 mm, weiter optional nicht größer als 7 mm. Wenn mehrere Stützelemente verwendet werden, können diese alle dieselbe Länge aufweisen.

Je nach relativer Orientierung der Längsachsen 111, 112 in Bezug auf die Spiegeloberfläche 151, wäre es aber möglich, dass die Ausdehnung der Stützelemente 101, 102 senkrecht zur Spiegeloberfläche 151 kürzer ist, als deren Länge 211 (weil lediglich die Projektion parallel zur Oberflächennormalen 155 berücksichtigt wird). Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Ausdehnung der Stützelemente 101, 102 senkrecht zur Spiegeloberfläche 151 nicht kleiner als 0,7 mm ist. Ein solcher Wert ist größer als die typische Dicke eines Wafers, aus welchem das Scanmodul 100 hergestellt werden kann. Dadurch können besonders große Scanwinkel für das Licht 180 implementiert werden.

Das Material der Stützelemente 101, 102 kann eine Material-induzierte Elastizität der Stützelemente 101, 102 bewirken. Ferner kann die längliche Form der Stützelemente 101, 102 auch eine Form-indizierte Elastizität der Stützelemente 101, 102 bewirken. Durch eine solche Elastizität der Stützelemente 101, 102 kann eine elastische Verformung zu einer Bewegung des Schnittstellenelements 142 und damit auch des Spiegels 150 erreicht werden. Beispielsweise könnte eine Torsionsmode und/oder eine Transversalmode der Stützelemente 101, 102 verwendet werden, um das Schnittstellenelement 142 - und damit den Spiegel 150 - zu bewegen. Dadurch kann das Scannen von Licht implementiert werden (in 1 ist der Ruhezustand der Stützelemente 101, 102 dargestellt).

2 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141, zwei Stützelemente 101, 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Dabei sind die Basis 141, die Stützelemente 101, 102, sowie das Schnittstellenelement 142 einstückig ausgebildet.

Das Beispiel der 2 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 1. Jedoch ist in dem Beispiel der 2 der Spiegel 150 einstückig mit dem Schnittstellenelement 142 bzw. den Stützelementen 101, 102 sowie der Basis 141 ausgebildet. Um eine möglichst große Spiegeloberfläche 151 zu erreichen, ist in dem Beispiel der 2 ein Überstand über einen Zentralbereich des Schnittstellenelement 142 vorgesehen.

3 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141, zwei Stützelemente 101, 102, sowie ein Schnittstellenelement 142.

Dabei sind die Basis 141, die Stützelemente 101, 102, sowie das Schnittstellenelement 142 einstückig ausgebildet.

Das Beispiel der 3 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 2. In dem Beispiel der 3 sind der Spiegel 150 und das Schnittstellenelement 142 durch ein und dasselbe Element implementiert. Die die Umlenkeinheit implementierende Spiegeloberfläche 151 ist auf dem Schnittstellenelement 142 direkt aufgebracht. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau und eine einfache Herstellung.

4 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141, zwei Stützelemente 101, 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Dabei sind die Basis 141, die Stützelemente 101, 102, sowie das Schnittstellenelement 142 einstückig ausgebildet.

Das Beispiel der 4 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 1. In dem Beispiel der 4 sind jedoch die Längsachsen 111, 112der Stützelemente 101, 102 nicht senkrecht zur Spiegeloberfläche 151 orientiert. In 4 ist der Winkel 159 zwischen der Oberflächennormalen 155 der Spiegeloberfläche 151 und den Längsachsen 111, 112 dargestellt. Der Winkel 159 beträgt in dem Beispiel der 4 45°, könnte aber im Allgemeinen im Bereich von -60° bis +60° liegen.

Eine solche Verkippung der Spiegeloberfläche 151 gegenüber den Längsachsen 111, 112 kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Torsionsmode der Stützelemente 101, 102 zur Bewegung des Spiegels 150 verwendet wird. Dann kann ein Periskop-artiges Scannen des Lichts 180 implementiert werden.

5 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141, zwei Stützelemente 101, 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Das Beispiel der 5 entspricht grundsätzlich dem Beispiel der 4. Dabei sind die Basis 141, die Stützelemente 101, 102, sowie das Schnittstellenelement 142 jedoch nicht einstückig ausgebildet, sondern durch einzelne Elemente implementiert.

Beispielsweise wäre es möglich, dass jedes der Stützelemente 101, 102 durch eine entsprechende Faser ausgebildet ist. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Basis 141 durch mehrere Ferrulen ausgebildet ist, wobei pro Faser eine Ferrule vorhanden ist. Entsprechend wäre es möglich, dass das Schnittstellenelement 142 durch mehrere Ferrulen ausgebildet ist, wobei pro Faser eine Ferrule vorhanden ist. Die Fasern können sich dabei innerhalb eines zylindrischen Hohlraums der Ferrulen erstrecken. Es wären aber auch andere Querschnittsformen für den Hohlraum und/oder die Fasern möglich.

In den 1-5 ist jeweils dargestellt, dass ein Beschleunigungssensor 4010 am Schnittstellenelement 142 angebracht ist. Der Beschleunigungssensor 4010 ist eingerichtet, um ein Signal bereitzustellen, das indikativ für mindestens eine Beschleunigungskomponente der Bewegung des Schnittstellenelement 142 - und damit der Spiegeloberfläche 151, die das Licht 180 umgelenkt - ist. Das Signal könnte also die zweite Ableitung der Position des Spiegels 150 bzw. des Schnittstellenelements 142 nach der Zeit angeben. Auf Grundlage dieses Signals können unterschiedliche Funktionalitäten betreffend die Überwachung und/oder Steuerung des Scannens von Licht 180 mittels des Scanmoduls 99 implementiert werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass ein Umlenkwinkel 901, 902, mit welchem das Licht 180 abgelenkt wird, besonders genau bekannt ist.

Beispielsweise könnte der Beschleunigungssensor als mikro-elektro-mechanische System (MEMS) implementiert sein. Beispielsweise könnte der Beschleunigungssensor aus Silizium hergestellt sein. Beispielsweise könnte der Beschleunigungssensor ein Feder-Masse-System umfassen. Dabei könnten wiederum elastische Elemente, die zum Beispiel aus Silizium hergestellt sind und dünne Stege umfassen, verwendet werden. Beispielsweise könnte eine kapazitive Auslesetechnik verwendet werden, die beispielsweise die Position der Masse erfasst. Siehe z.B. DE 197 19 601 A1.

Aus dem Beispiel der 1-5 ist ersichtlich, dass der Beschleunigungssensor 4010 nicht zur Aktuierung der Bewegung der Stützelemente 101, 102 verwendet wird. Dies ermöglicht es insbesondere, den Beschleunigungssensor 4010 im Bereich des beweglichen Endes der Stützelemente 101, 102 bzw. an Schnittstellenelement 142 oder dem Spiegel 150 anzubringen. Dort ist typischerweise die Amplitude der Bewegung besonders groß, sodass ein großes Signal zu Rauschverhältnis für das vom Beschleunigungssensor 4010 bereitgestellte Signale erhalten wird. Außerdem weist der Beschleunigungssensor 4010 keine feste Verbindung mit dem Bezugssystem der Basis auf.

In den Beispielen der 1-5 ist der Beschleunigungssensor 4010 als eigenes Bauteil jeweils an dem Schnittstellenelement 142 angebracht. Dies bedeutet, dass der Beschleunigungssensor 4010 einen eigenen Chip als Substrat aufweisen kann und optional auch ein eigenes Gehäuse aufweisen kann. In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass der Beschleunigungssensor 4010 integriert mit dem Schnittstellenelement 142 ausgebildet ist, d.h. einstückig mit diesem ausgebildet ist. Das ist beispielhaft in FIG. 6 für das Szenario der 5 dargestellt, könnte aber auch auf die Szenarien der 1-4 übertragen werden. Wenn der Beschleunigungssensor 4010 integriert mit dem Schnittstellenelement 142 ausgebildet ist, können beispielsweise das Schnittstellenelement 142 und der Beschleunigungssensor 4010 aus demselben Wafer hergestellt werden. Der Beschleunigungssensor 4010 kann also kein separates Substrat aufweisen. Durch das integrierte Ausbilden des Beschleunigungssensors 4010 und des Schnittstellenelement 142 kann ein besonders geringer Platzbedarf für das Vorsehen des Beschleunigungssensors 4010 erreicht werden. Außerdem können die Kosten zum Bereitstellen des Beschleunigungssensors 4010 durch eine besonders einfache Fertigung reduziert werden.

In den Beispielen der 1-6 ist der Beschleunigungssensor 4010 jeweils am Schnittstellenelement 142 angebracht. In anderen Beispielen wäre es jedoch auch möglich, dass der Beschleunigungssensor 4010 an einem anderen Bauteil des Scanmoduls 100 angebracht ist. Beispielsweise könnte der Beschleunigungssensor 4010 am Spiegel 150 angebracht sein. Eine solche Implementierung ist für das Szenario der 5 und 6 in der 7 dargestellt, könnte aber auch auf die Szenarien der 1 - 4 übertragen werden. Während in dem Beispiel der 7 der Beschleunigungssensor 4010 nicht einstückig mit dem Spiegel 150 ausgebildet ist, wäre es in anderen Implementierungen wiederum möglich, dass der Spiegel 150 und der Beschleunigungssensor 4010 einstückig ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass es möglich sein kann, dass der Beschleunigungssensor integriert mit dem Spiegel ausgebildet ist.

Wenn der Beschleunigungssensor 4010 am Spiegel 150 angebracht ist, kann erreicht werden, dass ein Abstand zwischen dem Beschleunigungssensor 4010 und einer Zentralachse 220 der Stützelemente 101, 102 besonders groß ist. In anderen Worten kann dann erreicht werden, dass der Beschleunigungssensor 4010 in einem großen radialen Abstand in Bezug auf die Zentralachse 220 angeordnet ist. Bei rotatorischen Freiheitsgraden der Bewegung des Schnittstellenelement 142 und des Spiegels 150 können größere Beschleunigungen auftreten, je größer dieser Abstand zwischen dem Punkt der Messung, an welchem der Beschleunigungssensor 4010 positioniert ist, und der Zentralachse 220 ist. Dadurch kann erreicht werden, dass besonders große Signale mittels des Beschleunigungssensors 4010 erfasst werden können. Dies kann die Messgenauigkeit erhöhen.

In manchen Beispielen könnten auch noch ein oder mehrere weitere Beschleunigungssensoren 4010 vorgesehen sein, die z.B. an der Basis 141 bzw. im Bezugssystem der Basis 141 angebracht sind. Aus einem Vergleich des weiteren Signals von dem oder den mehreren weiteren Beschleunigungssensoren mit dem Signal des Beschleunigungssensors 4010 kann dann externer Schock gegenüber Beschleunigung aufgrund der Bewegung des Schnittstellenelements 142 gegenüber der Basis 141 aufgrund gewollter Aktuierung diskriminiert werden. Z.B. könnte eine Differenzbildung erfolgen.

Es sind grundsätzlich verschiedene Techniken denkbar, um das Signal des Beschleunigungssensors 4010 aus dem bewegten Bezugssystem der Spiegeloberfläche 151 in das Bezugssystem der Basis 141 zu übertragen. Beispielsweise können drahtgebundenen oder drahtlosen Übertragungstechniken verwendet werden. Beispielhaft Übertragungstechniken werden nachfolgend diskutiert.

8 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141, zwei Stützelemente 101, 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Insbesondere illustriert 8 Techniken, um das Signal des Beschleunigungssensors 4010 - der in 8 beispielhaft am Spiegel 1050 befestigt ist, aber auch an anderen Stellen des Scanmoduls 100 befestigt sein könnte - in das Bezugssystem der Basis 141 zu übertragen.

In dem Beispiel der 8 wird dazu eine elektrisch leitende Übertragungsstrecke 4011 zwischen dem Beschleunigungssensors 4010 und der Basis 141 entlang des Stützelements 102 verwendet. Zum Beispiel könnte die Übertragungstrecke 4011 als Leiterbahnen auf einer Oberfläche des Stützelements 102 aufgebracht sein. Dazu könnten beispielsweise Techniken der Bedampfung, zum Beispiel mit Gold oder Silber, im Zusammenhang mit Lithographie-Techniken verwendet werden. Es könnten auch nasschemische Techniken zum Abscheiden von Metall verwendet werden.

In einem weiteren Beispiel wäre es auch möglich, dass die Übertragungsstrecke 4011 integriert mit dem Stützelement 102 ausgebildet ist. Dazu könnten beispielsweise Techniken der Dotierung verwendet werden. Beispielsweise könnten Donatoren in ein Halbleitermaterial des Stützelements 102 implementiert werden, um freie Ladungsträger zu erzeugen. Eine solche Technik weist den Vorteil auf, dass die Elastizität bzw. die Verspannung, die das Material des Stützelements 102 ohne Beschädigung aushalten kann, nicht oder nicht signifikant durch die Übertragungsstrecke 4011 beeinflusst wird.

9 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141, zwei Stützelemente 101, 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Insbesondere illustriert 9 Techniken, um das Signal des Beschleunigungssensors 4010 - der in 9 beispielhaft am Spiegel 1050 befestigt ist, aber auch an anderen Stellen des Scanmoduls 99 befestigt sein könnte - in das Bezugssystem der Basis 141 zu übertragen.

In dem Beispiel der 9 wird dazu eine optische Übertragungstrecke 4021 entlang des Stützelements 102 verwendet. Dazu ist eine Lichtquelle 4022 im Bereich des Beschleunigungssensors 4010 vorgesehen (wobei die Lichtquelle 4022 auch beabstandet vom Beschleunigungssensor 4010 angeordnet sein könnte und mit diesem über Leiterbahnen verbunden sein könnte) und ein Detektor 4023 im Bereich der Basis 141 vorgesehen. Zum Beispiel wäre es möglich, dass das Signal die mindestens eine Beschleunigungskomponente, die durch den Beschleunigungssensors 4010 gemessen wird, entlang der optischen Übertragungsstrecke 4021 digital codiert. Es wäre aber auch eine analoge Kodierung möglich. Beispielsweise könnte eine Pulsweiten-Modulation verwendet werden.

Insbesondere kann es erstrebenswert sein, wenn das Licht entlang der optischen Übertragungsstrecke 4021 eine andere Wellenlänge aufweist, wie das Licht 180. Dadurch können Interferenzen vermieden werden.

10 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141, zwei Stützelemente 101, 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Insbesondere illustriert 10 Techniken, um das Signal des Beschleunigungssensors 4010 - der in der 10 beispielhaft am Spiegel 150 befestigt ist, aber auch an anderen Stellen des Scanmoduls 99 befestigt sein könnte - in das Bezugssystem der Basis 141 zu übertragen.

In dem Beispiel der 10 wird dazu ein Bonddraht 4033 verwendet, der sich zwischen zwei Bond-Pads 4032, 4034 erstreckt. Der Bonddraht 4033 kann beispielsweise einen vergleichsweise geringen Durchmesser aufweisen, beispielsweise kleiner als 10 µm, optional kleiner als 6 µm, weiter optional kleiner als 2 µm. Beispielsweise könnte der Bonddraht 4033 aus Gold oder Aluminium hergestellt sein. Der Bonddraht 4033 kann eine besonders große Material-induzierte Elastizität aufweisen, wodurch die Bewegung der Spiegeloberfläche 151 gegenüber der Basis 141 durch den Bonddraht 4033 nicht oder nicht signifikant beeinträchtigt wird. Außerdem kann erreicht werden, dass das Material des Bonddraht 4033 keine Beschädigung aufgrund dieser Bewegung erfährt. Es wäre auch möglich, dass der Bonddraht 4033 eine große Form-induzierte Elastizität aufweist. Dies könnte zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass der Bonddraht eine Länge aufweist, die wesentlich größer als die Länge der Stützelemente 101, 102 ist. Beispielsweise könnte dadurch eine relative Längenänderung des Bonddrahts vergleichsweise gering dimensioniert sein - dadurch können Spannungen reduziert werden.

11 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Laserscanner 99. Der Laserscanner 99 umfasst das Scanmodul 100, welches zum Beispiel gemäß den verschiedenen anderen hierin beschriebenen Beispielen konfiguriert sein könnte (jedoch ist in 11 beispielhaft ein Scanmodul 100 mit lediglich einem einzelnen Stützelement 101 dargestellt).

11 illustriert insbesondere Aspekte in Bezug auf Piezoaktuatoren 310, 320. In verschiedenen Beispielen können zur Anregung des Stützelements 101 Biegepiezoaktuatoren 310, 320 verwendet werden.

Zum Beispiel können im Allgemeinen ein erster und ein zweiter Biegepiezoaktuator verwendet werden. Es wäre möglich, dass der erste Biegepiezoaktuator und/oder der zweite Biegepiezoaktuator plattenförmig ausgebildet sind. Im Allgemeinen kann eine Dicke der Biegepiezoaktuatoren z.B. im Bereich von 200 µm - 1 mm liegen, optional im Bereich von 300 µm - 700 µm. Es wäre beispielsweise möglich, dass der erste Biegepiezoaktuator und/oder der zweite Biegepiezoaktuator eine Schichtstruktur umfassend eine alternierende Anordnung mehrerer piezoelektrischer Materialien aufweist. Diese können einen unterschiedlich starken piezoelektrischen Effekt aufweisen. Dadurch kann eine Verbiegung bewirkt werden, ähnlich einem Bimetallstreifen bei Temperaturänderungen. Beispielsweise ist es möglich, dass der erste Biegepiezoaktuator und/oder der zweite Biegepiezoaktuator an einer Fixierstelle fixiert sind: ein der Fixierstelle gegenüberliegendes Ende kann dann aufgrund einer Verbiegung bzw. Krümmung des ersten Biegepiezoaktuators und/oder des zweiten Biegepiezoaktuators bewegt werden.

Durch die Verwendung von Biegepiezoaktuatoren kann eine besonders effiziente und starke Anregung erreicht werden. Die Biegepiezoaktuatoren können nämlich die Basis 141 bewegen und insbesondere - zum Anregen einer Torsionsmode des mindestens einen Stützelements - verkippen. Außerdem kann es möglich sein, eine hohe Integration der Vorrichtung zur Anregung zu erzielen. Dies kann bedeuten, dass der benötigte Bauraum besonders gering dimensioniert werden kann.

Insbesondere in dem Beispiel der 11 sind die Piezoaktuatoren 310, 320 als Biegepiezoaktuatoren ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Anlegen einer Spannung an elektrischen Kontakten der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 eine Krümmung bzw. Verbiegung der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 entlang deren Längsachsen 319, 329 bewirkt. Dazu weisen die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 eine Schichtstruktur auf (in 11 nicht dargestellt und senkrecht zur Zeichenebene orientiert). Derart wird ein Ende 315, 325 der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 gegenüber einer Fixierstelle 311, 321 senkrecht zur jeweiligen Längsachse 319, 329 ausgelenkt (die Auslenkung ist in dem Beispiel der 11 senkrecht zur Zeichenebene orientiert). Die Auslenkung 399 der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 aufgrund der Verbiegung ist in 13 dargestellt.

13 ist eine Seitenansicht der Biegepiezoaktuatoren 310, 320. 13 zeigt die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 in einer Ruhelage, zum Beispiel ohne Treiber-Signal bzw. Verspannung/Krümmung.

Wieder Bezug nehmend auf 11: Beispielsweise könnten die Fixierstelle in 311, 321 eine starre Verbindung zwischen den Biegepiezoaktuatoren 310, 320 und einem Gehäuse des Laserscanners 99 (in 11 nicht dargestellt) herstellen.

Aus dem Beispiel der 11 ist ersichtlich, dass die Verbindung der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 mit dem Stützelement 101 über die Randbereiche 146 der Basis 141 implementiert wird. Weil diese Randbereiche 146 eine Elastizität aufweisen, kann die Verbiegung 399 aufgenommen werden und führt zu einer Auslenkung der Basis 141. Dadurch können ein oder mehrere Freiheitsgrade der Bewegung des Schnittstellenelement 101 gekoppelt über die Basis 141 angeregt werden. Dadurch wird eine besonders effiziente und platzsparende Anregung erzielt.

In dem Beispiel der 11 erstrecken sich die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 weg von dem Schnittstellenelement 142. Es wäre aber auch möglich, dass die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 sich entlang zumindest 50 % Ihrer Länge hin zu dem Schnittstellenelement 142 erstrecken. Dadurch kann eine besonders kompakte Anordnung erreicht werden. Das ist in 12 gezeigt.

12 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Laserscanner 99. Der Laserscanner 99 umfasst das Scanmodul 100, welches zum Beispiel gemäß den verschiedenen anderen hierin beschriebenen Beispielen konfiguriert sein könnte (jedoch ist in 12 ein Scanmodul 100 mit lediglich einem einzelnen Stützelement 101 dargestellt).

Das Beispiel der 12 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 11. Dabei erstrecken sich aber die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 hin zum Schnittstellenelement 142 bzw. hin zu einem frei beweglichen Ende des mindestens einen Stützelements 101. Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau des Lichtscanners 99 erreicht werden.

14 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Laserscanner 99. Der Laserscanner 99 umfasst eine Steuereinheit 4001, die beispielsweise als Mikroprozessor oder applikationsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) implementiert werden könnte. Die Steuereinheit 4001 könnte auch als feldprogrammierbares Array (FPGA) implementiert werden. Die Steuereinheit 4001 ist eingerichtet, um Steuersignale an einen Treiber 4002 auszugeben. Beispielsweise könnten die Steuersignale in digitaler oder analoger Form ausgegeben werden.

Der Treiber 4002 ist wiederum eingerichtet, um ein oder mehrere Spannungssignale zu erzeugen, und diese an entsprechende elektrische Kontakte der Piezoaktuatoren 310, 320 auszugeben. Typische Amplituden der Spannungssignale liegen im Bereich von 50 V bis 250 V.

Die Piezoaktuatoren 310, 320 sind wiederum mit dem Scanmodul 100 gekoppelt, wie beispielsweise voranstehenden Bezug auf die 11 und 12 beschrieben. Dadurch können ein oder mehrere Freiheitsgrade der Bewegung des Scanmoduls 100, insbesondere von einem oder mehreren Stützelementen 101, 102 des Scanmoduls 100 angeregt werden. Dadurch wird die Umlenkeinheit ausgelenkt. Dadurch kann der Umfeldbereich des Laserscanners 99 mit Licht 180 gescannt werden.

In 11 ist ferner dargestellt, dass eine Kopplung zwischen der Steuereinheit 4001 und dem Beschleunigungssensor 4010 vorhanden ist. Die Steuereinheit 4001 kann eingerichtet sein, um den oder die Piezoaktuatoren 310, 320 basierend auf dem Signal des Beschleunigungssensors 4010 anzusteuern. Durch solche Techniken kann eine Überwachung der Bewegung der Spiegeloberfläche 151 durch die Steuereinheit 4001 erfolgen. Falls benötigt kann die Steuereinheit 4001 die Ansteuerung des Treibers 4002 anpassen, um Abweichungen zwischen einer gewünschten Bewegung der Spiegeloberfläche 151 und einer beobachteten Bewegung der Spiegeloberfläche 151 zu reduzieren.

Beispielsweise wäre es möglich, dass eine Regelschleife implementiert wird. Beispielsweise könnte die Regelschleife die Soll-Amplitude der Bewegung als Führungsgröße umfassen. Beispielsweise könnte die Regelschleife die Ist-Amplitude der Bewegung als Regelgröße umfassen. Dabei könnte die Ist-Amplitude der Bewegung basierend auf dem Signal des Beschleunigungssensors 4010 bestimmt werden. Beispielsweise könnte eine einfache oder zweifache Integration im Zeitraum des Signals des Beschleunigungssensors 4010 erfolgen; dadurch kann eine Größe erhalten werden, die indikativ für die Geschwindigkeit bzw. die Position der Umlenkeinheit ist. Beispielsweise könnte dazu ferner ein Modell in einem Speicher hinterlegt sein, welches einen Zusammenhang zwischen der Ansteuerung des Treibers 4002 bzw. der Bewegung der Piezoaktuatoren 310, 320 und der Position der Umlenkeinheit bereitstellt. Dieses Modell könnte dann verwendet werden, um die IST-Amplitude der Bewegung basierend auf dem Signal des Beschleunigungssensors 4010 zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich könnte dieses Modell auch dazu verwendet werden, um basierend auf einer Regelabweichung zwischen der ist-Amplitude der Bewegung und der Soll-Amplitude der Bewegung eine Anpassung der Ansteuerung des Treibers 4002 zu ermitteln, welche diese Regelabweichung reduziert.

In manchen Beispielen könnte zum Implementieren der Regelschleife auch ein weiteres Modell verwendet werden. Das weitere Modell kann einen Zusammenhang herstellen zwischen dem Signal, welches indikativ für die mindestens eine Beschleunigungskomponente der Bewegung des Schnittstellenelements ist und einer Position der Umlenkeinheit. Beispielsweise könnte dieses weitere Modell die bereits beschriebene doppelte Integration im Zeitraum beinhalten. Außerdem könnten bestimmte Zusammenhänge in Bezug auf die Umkehrpunkte der Bewegung, die typischerweise einer verschwindenden Beschleunigung entsprechen, und der Position der Umlenkeinheit in einer bestimmten Entfernung zu den Umkehrpunkten abbilden. Dabei könnte das weitere Modell zum Beispiel bestimmte vorhergesagte Muster der Bewegung beschreiben, zum Beispiel auf Grundlage eines harmonischen Oszillator oder aber auch Nichtlinearitäten eines anharmonischen Oszillators. Zum Beispiel könnte dieses weitere Modell durch Lösung der Bewegungsgleichung für das dynamische System umfassen die Basis 141, dass mindestens eine Stützelement 101, 102, sowie das Schnittstellenelement 142 und gegebenenfalls die Umlenkeinheit erhalten werden. Zum Beispiel könnte dieses weitere Modell auch durch Simulationen, beispielsweise Finite-Elemente (FEM) Simulationen erhalten werden.

In manchen Beispielen wäre es auch möglich, dass im Zusammenhang mit der Regelschleife externer Schock als Störgröße berücksichtigt wird. Zum Beispiel könnte ein externer Schock als Abweichung der Beschleunigung von einer Referenzbeschleunigung erkannt werden, die z.B. a priori Wissen entspricht. Die Referenzbeschleunigung kann beispielsweise mit der vorhergesagten Position der Umlenkeinheit auf Grundlage des oben genannten weiteren Modells korrelieren.

Ein solcher geregelter Betrieb der Anregung der Bewegung mittels der Regelschleife kann für unterschiedlichste angeregte Freiheitsgrade der Bewegung implementiert werden. Beispielsweise könnte ein Freiheitsgrad der Bewegung angeregt werden, welcher einer Torsionsmode des mindestens einen Stützelements 101, 102 entspricht. Alternativ oder zusätzlich könnte aber auch ein Freiheitsgrad der Bewegung angeregt werden, welche einer Transversalmoden des mindestens einen Stützelements 101, 102 entspricht. Im Allgemeinen könnten auch mehrere Transversalmoden gleichzeitig angeregt werden. Je nach angeregtem Freiheitsgrad der Bewegung könnten mittels des Beschleunigungssensors 4010 unterschiedliche Beschleunigungskomponenten der Bewegung überwacht werden. Beispielsweise könnte es im Zusammenhang mit der Transversalmode des mindestens einen Stützelements 101, 102 erstrebenswert sein, einen oder mehrere translatorische Beschleunigungskomponenten mittels des Beschleunigungssensors 4010 zu überwachen. Beispielsweise könnte es im Zusammenhang mit der Torsionsmode des mindestens einen Stützelements 101, 102 erstrebenswert sein, eine rotatorische Beschleunigungskomponente - zum Beispiel mit der Zentralachse 220 als Rotationsachse - zu überwachen.

In manchen Beispielen könnte das Signal des Beschleunigungssensors auch mit einem weiteren Signal eines weiteren Beschleunigungssensors verglichen werden und dann die oben beschriebene Steuerfunktionalität basierend auf dem Vergleichen implementiert werden. Dabei wäre es z.B. möglich, dass der weitere Beschleunigungssensor im stationären Bezugssystem der Basis angeordnet ist. Dadurch lassen sich insbesondere externe Schocks besonders gut erkennen, weil diese auch auf den weiteren Beschleunigungssensor wirken - während die gezielt aktuierte Bewegung lediglich auf den Beschleunigungssensor wirkt.

15 illustriert Aspekte in Bezug auf die Torsionsmode 502. 15 illustriert schematisch die Auslenkung der Torsionsmode 502 für das Scanmodul 100 (in 15 ist der ausgelenkte Zustand mit den durchgezogenen Linien dargestellt und der Ruhezustand mit den gestrichelten Linien dargestellt). In dem Beispiel der 15 umfasst das Scanmodul 100 vier Stützelemente 101-1, 102-1, 101-2, 102-2, die rotationssymmetrisch in Bezug auf eine Zentralachse 220 angeordnet sind.

16 illustriert Aspekte in Bezug auf ein LIDAR-System 80. Das LIDAR-System 80 umfasst einen Laserscanner 99, der beispielsweise gemäß den verschiedenen hierin beschriebenen Implementierungen ausgebildet sein kann. Das LIDAR-System umfasst auch eine Lichtquelle 81. Beispielsweise könnte die Lichtquelle 81 als Laserdiode ausgebildet sein, die gepulstes Laserlicht 180 im nahen Infrarotbereich mit einer Pulslänge im Bereich von Nanosekunden aussendet.

Das Licht 180 der Lichtquelle 81 kann dann auf eine Spiegeloberfläche des Scanners 99 auftreffen. Je nach Orientierung der Umlenkeinheit wird das Licht unterschiedlich umgelenkt. Dadurch können unterschiedliche Abstrahlwinkel implementiert werden. Das von der Lichtquelle 81 ausgesendete und von der Spiegeloberfläche des Scanners 99 umgelenkt Licht wird oftmals auch als Primärlicht bezeichnet.

Das Primärlicht kann dann ein Umfeldobjekt des LIDAR-Systems 80 treffen. Dass derart reflektierte Primärlicht wird als Sekundärlicht bezeichnet. Das Sekundärlicht kann von einem Detektor 82 des LIDAR-Systems 80 detektiert werden. Basierend auf einer Laufzeit - die als Zeitversatz zwischen dem Aussenden des Primärlicht durch die Lichtquelle 81 und dem Detektieren des Sekundärlichts durch den Detektor 82 bestimmt werden kann - , kann mittels einer Auswertungselektronik 83 ein Abstand zwischen der Lichtquelle 81 bzw. dem Detektor 82 und dem Umfeldobjekt bestimmt werden.

Außerdem kann zusätzlich zu dieser Abstandsmessung auch eine laterale Position des Umfeldobjekts bestimmt werden, beispielsweise durch die Auswerteelektronik 83. Dies kann durch Überwachung der Position bzw. Orientierung der der Umlenkeinheit des Laserscanners 99 erfolgen. Dabei kann die Position bzw. Orientierung der Umlenkeinheit im Moment des Auftreffens des Lichts 180 einem Umlenkwinkel 901, 902 entsprechen; daraus kann auf die laterale Position des Umfeldobjekts zurückgeschlossen werden. Beispielsweise kann es möglich sein, die Position bzw. Orientierung der Umlenkeinheit basierend auf einem Signal des Beschleunigungssensors 4010 zu bestimmen. In einem Beispiel wäre es möglich, dass die Position der Umlenkeinheit basierend auf einer zweifachen Integration des Signals des Beschleunigungssensors 4010 im Zeitraum bestimmt wird. Beispielsweise wäre es möglich, dass dazu das bereits oben erwähnte weitere Modell der Bewegung der Umlenkeinheit verwendet wird, welches einen Zusammenhang zwischen der gemessenen Beschleunigungskomponente und der der Position und/oder Orientierung der Umlenkeinheit herstellt.

Beispielsweise könnte bei der Bestimmung der Position bzw. Orientierung der Spiegeloberfläche weiterhin eine Frequenz berücksichtigt werden, mit welcher die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 durch den Treiber 4002 angetrieben werden.

Indem das Signal des Beschleunigungssensors 4010 beim Bestimmen der lateralen Position der Umfeldobjekte berücksichtigt wird, kann es möglich sein, die laterale Position der Umfeldobjekte mit einer besonders großen Genauigkeit zu bestimmen. Insbesondere im Vergleich zu Techniken, die lediglich ein Treibersignal zum Ansteuern von Aktuatoren der Bewegung beim Bestimmen der lateralen Position der Umfeldobjekte berücksichtigen, kann derart eine erhöhte Genauigkeit erreicht werden.

17 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141, zwei Stützelemente 101, 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Die Stützelemente 101, 102 sind in einer Ebene ausgebildet (Zeichenebene der 17).

Das Beispiel der 17 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 1. 17 illustriert weiterhin Aspekte in Bezug auf ein Wuchtgewicht 4050. Das Wuchtgewicht 4050 ist eingerichtet, um eine Unwucht des bewegten Teils des Scanners 99 aufgrund des Beschleunigungssensors 4010 zu reduzieren. Dazu sind das Wuchtgewicht 4050 und der Beschleunigungssensor 4010 komplementär in Bezug auf die Zentralachse 220 der Stützelemente 101, 102 angeordnet. In dem Beispiel der 17 ist diese komplementäre Anordnung durch gleiche Abstände zwischen der Zentralachse 220 und dem Beschleunigungssensors 4010, sowie zwischen der Zentralachse 220 und dem Wuchtgewicht 4050 implementiert. In anderen Beispielen könnten auch unterschiedliche Abstände verwendet werden, wenn beispielsweise die Drehachse der Torsionsmode 502 abweicht von der Zentralachse 220.

Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.

Beispielsweise wurden obenstehend verschiedene Techniken in Bezug auf Scanmodul mit einer bestimmten Anzahl von Stützelementen beschrieben. Die verschiedenen Techniken können aber auch für Scanmodul mit einer anderen Anzahl von Stützelementen angewendet werden.

Während obenstehend beispielsweise verschiedene Techniken in Bezug auf einen Laserscanner beschrieben wurden, wäre es im Allgemeinen aber auch möglich, anderes Licht als Laserlicht zu scannen.

Beispielsweise wurden voranstehend Implementierungen beschrieben, bei welchen ein einzelner Beschleunigungssensor verwendet wird. In anderen Implementierungen wäre es aber auch möglich, mehrere Beschleunigungssensoren zu verwenden, die zum Beispiel beabstandet zueinander angeordnet sein könnten. Dadurch kann es beispielsweise möglich sein, rotatorische Beschleunigungskomponenten der Bewegung besonders genau zu erfassen.

Beispielsweise wurden voranstehend verschiedene Implementierungen eines Scanmoduls auf Grundlage eines Spiegels mit einer Spiegeloberfläche beschrieben. In anderen Beispielen könnte das Kernmodul aber auch auf Grundlage eines Prismas implementiert werden.

Ferner wurden voranstehend verschiedene Implementierungen eines Scanmoduls beschrieben, bei welchem Licht auf eine Spiegeloberfläche einfällt, die abgewendet von einem elastisch verformten Stützelement angeordnet ist. In anderen Beispielen wäre es auch möglich, das Licht durch das elastisch verformbare Stützelement zu einer Umlenkeinheit gelangt. Beispielsweise könnte in solchen Implementierungen das elastisch verformbare Stützelement durch eine Faser mit einem Lichtwellenleiter implementiert werden.

Beispielsweise wurden voranstehenden verschiedene Techniken beschrieben, bei denen Biegepiezoaktuatoren verwendet werden, um eine Bewegung zu erzeugen. In anderen Beispielen könnten aber auch andere Typen von Aktuatoren verwendet werden. Beispielsweise könnten Stapelpiezoaktuatoren verwendet werden oder piezoelektrische Schichten, die direkt auf einem oder mehreren Stützelementen abgeschieden sind.

Während voranstehend verschiedene Techniken beschrieben wurden, bei denen ein Beschleunigungssensor verwendet wird, können in anderen Beispielen diese Techniken auch für Drehratensensoren implementiert werden. Die Drehratensensoren können vergleichbar zu den Beschleunigungssensoren z.B. integriert mit dem Schnittstellenelement oder dem Spiegel ausgebildet sein oder aber separat ausgebildet sein. Wiederum können MEMS Prozesse verwendet werden. Es wäre z.B. möglich, das Signal des Drehratensensors zur Steuerung der Bewegung zu verwenden, z.B. indem eine Regelschleife implementiert wird. Es wäre alternativ oder zusätzlich auch möglich, das Signal des Drehratensensors zur Bestimmung der lateralen Position von Umfeldobjekten zu verwenden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 19719601 A1 [0054]