Title:
Projektionsvorrichtung und Verfahren zum Abtasten eines Raumwinkelbereichs mit einem Laserstrahl
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zum Abtasten eines Raumwinkelbereichs mittels eines Laserstrahls (6), mit einer Laserlichtquelle (1) zum Erzeugen des Laserstrahls (4), einen um zwei Achsen auslenkbaren Mikrospiegel (2) zum Umlenken des Laserstrahls und eine Aufweitungsoptik (3) zum Aufweiten des abtastbaren Winkelbereichs, mit einer optischen Achse (8), längs derer der vom Mikrospiegel (2) umgelenkte Laserstrahl (6) in einer Grundstellung des Mikrospiegels abgestrahlt wird, wobei ein Linsensystem der Aufweitungsoptik (3) so gestaltet ist, dass ein Austrittswinkel (β), unter dem der Laserstrahl (6) die Aufweitungsoptik (3) verlässt, größer ist als ein Ablenkwinkel (a), um den der vom Mikrospiegel (2) umgelenkte Laserstrahl (6) vor der Aufweitungsoptik (3) durch eine Auslenkung des Mikrospiegels (2) aus der optischen Achse (8) herausgelenkt wird. embedded image




Inventors:
Janes, Joachim, Dr. (25524, Itzehoe, DE)
Application Number:
DE102017200691A
Publication Date:
07/19/2018
Filing Date:
01/17/2017
Assignee:
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102007045334A1N/A
DE102012025281A1N/A
DE202012012948U1N/A
DE69428716T2N/A



Foreign References:
20120168605
20120275002
4282431
EP25142112014-03-26
Attorney, Agent or Firm:
Pfenning, Meinig & Partner mbB Patentanwälte, 10719, Berlin, DE
Claims:
Projektionsvorrichtung zum Abtasten eines Raumwinkelbereichs mittels eines Laserstrahls (6), umfassend eine Laserlichtquelle (1) zum Erzeugen des Laserstrahls (4) und einen um zwei Achsen auslenkbaren Mikrospiegel (2) zum Umlenken des Laserstrahls, gekennzeichnet durch eine Aufweitungsoptik (3) zum Aufweiten des abtastbaren Winkelbereichs mit einer optischen Achse (8), längs derer der vom Mikrospiegel (2) umgelenkte Laserstrahl (6) in einer Grundstellung des Mikrospiegels abgestrahlt wird, wobei ein Linsensystem der Aufweitungsoptik (3) so gestaltet ist, dass ein Austrittswinkel (β), unter dem der Laserstrahl (6) die Aufweitungsoptik (3) verlässt, größer ist als ein Ablenkwinkel (a), um den der vom Mikrospiegel (2) umgelenkte Laserstrahl (6) vor der Aufweitungsoptik (3) durch eine Auslenkung des Mikrospiegels (2) aus der optischen Achse (8) herausgelenkt wird.

Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrospiegel (2) Teil eines MEMS ist.

Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem eine Fisheye-Optik ist.

Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laserlichtquelle (1) und dem Mikrospiegel (2) eine Strahlformungsoptik (5) zum Erhöhen der Strahlqualität derart angeordnet ist, dass der von der Laserlichtquelle (1) erzeugte Laserstrahl (4) vor dem Umlenken durch den Mikrospiegel (2) die Strahlformungsoptik (5) durchläuft.

Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitungsoptik (3) eine erste, sammelnde Linsengruppe (10) oder Linse aufweist, die zwischen dem Mikrospiegel (2) und einer zweiten, zerstreuenden Linsengruppe (11) der Aufweitungsoptik angeordnet ist.

Projektionsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, sammelnde Linsengruppe (10) oder Linse und die zweite, zerstreuende Linsengruppe (11) so gestaltet sind, dass ein Strahlengang des vom Mikrospiegel (2) umgelenkten Laserstrahls (6) unabhängig vom Ablenkwinkel (a) zwischen der ersten, sammelnden Linsengruppe (10) oder Linse und der zweiten, zerstreuenden Linsengruppe (11) parallel zur optischen Achse (8) verläuft.

Detektionssystem, umfassend eine Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 sowie einen Detektor (17) zum Detektieren von durch Streuung des Laserstrahls (6) an einer Oberfläche (14) innerhalb des abgetasteten Raumwinkelbereichs entstandenem Nachweislicht (15).

Detektionssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Optik (16) für den Detektor aufweist, die so gestaltet ist, dass das Nachweislicht (15) auf eine Stelle des Detektors (17) fällt, die von einer Richtung des die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahls (6) und/oder von einem Ort der Oberfläche (14) unabhängig ist.

Detektionssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (16) für den Detektor (17) einen Kollimator zum Fokussieren des Nachweislichts (15) auf den Detektor (17) aufweist.

Detektionssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Aufweitungsoptik (3) oder zwischen dem Mikrospiegel (2) und der Aufweitungsoptik (3) ein Strahlteiler (12) zum Auskoppeln des Nachweislichts (15) angeordnet ist.

Detektionssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (12) zwischen der ersten Linsengruppe (10) oder Linse und der zweiten Linsengruppe (11) angeordnet ist.

Detektionssystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Strahlgang zwischen der Laserlichtquelle (1) und dem Strahlteiler (12) ein Polarisationsfilter (13) angeordnet ist, der zum Vermeiden von Störlicht (19) nur oder vornehmlich einen polarisierten Anteil des Laserstrahls transmittieren lässt, der vom polarisierenden Strahlteiler nicht reflektiert wird.

Detektionssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung, eingerichtet zum Zuordnen eines momentanen Ausgangssignals des Detektors (17) zu der momentanen Auslenkung des Mikrospiegels (2) zum Ermitteln einer momentanen Richtung des die Aufweitungsoptik (3) verlassenden Laserstrahls (6).

Detektionssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es ein LIDAR-System ist.

Verfahren zum Abtasten eines Raumwinkelbereichs mit einem Laserstrahl (6) mittels einer Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eines Detektionssystems nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem der Laserstrahl (6) durch die Laserlichtquelle (1) erzeugt wird, auf den Mikrospiegel (2) gerichtet wird und nach einer Reflexion durch den Mikrospiegel (2) durch die Aufweitungsoptik (3) fällt, wobei der Mikrospiegel (2) zum Schwingen angeregt wird, sodass der Raumwinkelbereich durch den die Aufweitungsoptik (3) verlassenden Laserstrahl (6) gescannt wird.

Verfahren nach Anspruch 15, sofern dieser auf einen der Ansprüche 7 bis 14 rückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch Streuung des Laserstrahls (6) an einer Oberfläche (14) innerhalb des gescannten Raumwinkelbereichs verursachtes Nachweislicht (15) durch den Detektor (17) detektiert wird, wobei ein Ausgangssignal des Detektors (17) durch Erfassen einer momentanen Auslenkung des Mikrospiegels (2) jeweils einer momentanen Richtung des die Aufweitungsoptik (3) verlassenden Laserstrahls (6) zugeordnet und zum Bestimmen eines Abstandes zur Oberfläche (14) durch eine Laufzeit- oder Phasenmessung verwendet wird.

Description:

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optik und der Laserabtastung und betrifft eine Projektionsvorrichtung, ein Detektionssystem sowie ein Verfahren zum Abtasten eines Raumwinkelbereichs mit einem Laserstrahl.

Aus dem Stand der Technik sind Projektionsvorrichtungen mit einer Laserlichtquelle und einer Ablenkeinrichtung um zwei Achsen bekannt. Dabei ist die Ablenkeinrichtung häufig durch einen 2D MEMS Scanner realisiert. Ein Vorteil scannender Laserprojektion mit 2D MEMS Scannern ist, dass für eine Projektion kein Objektiv erforderlich ist. Dies liegt darin begründet, dass ein Laserstrahl, der ein Objektiv durchläuft, in seinen geometrischen Eigenschaften wie beispielsweise Divergenz, Strahltaille und Rayleigh Range beeinflusst wird. Ohne ein Objektiv sind eine Strahlqualität und eine damit einhergehende Genauigkeit im Wesentlichen nur durch die Eigenschaften des Lasers definiert.

Die EP 2 514 211 B1 zeigt beispielsweise eine Projektionsvorrichtung umfassend eine Ablenkeinrichtung und eine Laserlichtquelle zum Projizieren von Lissajous-Figuren auf ein Beobachtungsfeld. Eine Ablenkeinheit schwingt dabei um eine erste und eine zweite Achse.

Ein Anwendungsfeld für derartige optische Einrichtungen sind Raumüberwachungs- und Entfernungsmesssysteme im Bereich der Fahrzeugsicherheit, insbesondere für Fahrerassistenzsysteme und Systeme zum autonomen Fahren. Hierzu werden optische Systeme benötigt, mit Hilfe derer ein breiter Raumwinkelbereich mit hinreichender Genauigkeit überwacht werden kann.

Bei bekannten Systemen ist der abtastbare Raumwinkelbereich durch einen maximalen Auslenkwinkel des 2D-MEMS-Scanner bestimmt. Im Zuge fortschreitender Entwicklungen, besonders im Bereich des autonomen Fahrens, werden jedoch Anforderungen hinsichtlich des abtastbaren Raumwinkels gestellt, die bekannte MEMS-Scanner aufgrund ihres begrenzten maximalen Auslenkwinkels nicht bzw. nicht ausreichend erfüllen können. In gewissem Umfang ist es möglich besondere Scanner zu entwickeln, die einen größeren Winkelbereich durch entsprechende Torsionsschwingungen erschließen. Diese Scanner sind im Gegensatz zu herkömmlichen 2D MEMS Scannern jedoch sehr empfindlich gegenüber externen mechanischen Störungen wie beispielsweise Schock oder Vibrationen und damit für viele Anwendungsfälle ungeeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vergleichbares optisches System zu schaffen, das in der Lage ist, einen möglichst weiten Raumwinkelbereich abzudecken bzw. zu überwachen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Projektionsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch ein Detektionssystem gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.

Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Projektionsvorrichtung zum Abtasten eines Raumwinkelbereichs mittels eines Laserstrahls. Die Projektionsvorrichtung umfasst eine Laserlichtquelle zum Erzeugen des Laserstrahls, einen um zwei Achsen auslenkbaren Mikrospiegel zum Umlenken des Laserstrahls und eine Aufweitungsoptik zum Aufweiten des abtastbaren Winkelbereichs. Die Aufweitungsoptik weist eine optische Achse auf, längs derer der vom Mikrospiegel umgelenkte Laserstrahl in einer Grundstellung des Mikrospiegels abgestrahlt wird. Ein Linsensystem der Aufweitungsoptik ist so gestaltet, dass ein Austrittswinkel, unter dem der Laserstrahl die Aufweitungsoptik verlässt, größer ist als ein Ablenkwinkel, um den der vom Mikrospiegel umgelenkte Laserstrahl vor der Aufweitungsoptik durch eine Auslenkung des Mikrospiegels aus der optischen Achse herausgelenkt wird.

Die Laserlichtquelle erzeugt den Laserstrahl vorzugsweise in Form von Pulsen. Dabei können Dauer und Intensität der Pulse einstellbar sein und je nach Anwendungsfall angepasst werden. Die Laserlichtquelle kann beispielsweise auch derart einstellbar sein, dass sie Laserstrahlen nur erzeugt, wenn der Mikrospiegel derartig ausgelenkt ist, dass der Laserstrahl in die Aufweitungsoptik fällt. Vorzugsweise besitzt der Mikrospiegel einen Pivotpunkt. Der Pivotpunkt des Mikrospiegels liegt vorzugsweise auf der optischen Achse der Aufweitungsoptik und der Mikrospiegel ist um zwei Achsen, die vorzugsweise orthogonal aufeinander stehen, auslenkbar, um ein räumliches Abtasten zu ermöglichen. Der Mikrospiegel kann durch Schwingungen des Mikrospiegels um die zwei Achsen ausgelenkt werden, um beispielsweise Lissajous-Projektionen zum Abtasten des Raumwinkelbereichs zu realisieren. Zur genauen Erläuterung des räumlichen Abtastens in Form von Lissajous-Figuren sei auf die EP 2 514 211 B1 verwiesen. Die Aufweitungsoptik umfasst ein Linsensystem mit einer optischen Achse. Die optische Achse ist allgemein als die Symmetrielinie in einem optischen Aufbau bekannt, die durch die Krümmungszentren der Linsen des Linsensystems verläuft. Als eine Grundstellung wird eine Stellung des Mikrospiegels bezeichnet, in der der Laserstrahl vom Mikrospiegel längs der optischen Achse abgestrahlt wird. Der Austrittswinkel beschreibt den Winkel, unter dem der Laserstrahl die Aufweitungsoptik verlässt, und liegt zwischen der optischen Achse und einem durch Auslenkung des Mikrospiegels aus der optischen Achse herausgelenkten, die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahl. Der Ablenkwinkel beschreibt den Winkel zwischen der optischen Achse und einem durch Auslenkung des Mikrospiegels aus der optischen Achse herausgelenkten Laserstrahl vor der Aufweitungsoptik.

Der mit dem Laserstrahl abtastbare Winkelbereich ist also typischerweise weit mehr als doppelt so groß wie ein Auslenkbereich des Mikrospiegels. Mit den vorgeschlagenen Merkmalen ergibt sich also ein ausgesprochen großer abtastbarer Raumwinkelbereich. Vorzugsweise umfasst der abtastbare Raumwinkelbereich dabei alle möglichen Austrittswinkel von bis zu 60°, möglicherweise sogar bis zu 70°, 80° oder 90°.

In einer möglichen Ausführungsform kann der Mikrospiegel Teil eines MEMS-Bauelements sein, vorzugsweise Teil eines 2D-MEMS. Mikrospiegelaktoren, die dabei verwendet werden können, gehören zur Klasse der MEMS- (Micro Eletro Mechanical System) bzw. MOEMS- (Micro Opto Electro Mechanical System) -Bauelemente und sind aufgrund ihrer sehr kleinen Bauweise vorteilhaft, da sie einerseits in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden können und wegen ihrer kleinen Ausführungsform auch Resonanzfrequenzen bis zu 50 kHz und darüber hinaus aufweisen können. Der Mikrospiegel kann einen Durchmesser von z.B. mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm, und/oder einen Durchmesser von bis zu 2,5 mm, vorzugsweise maximal 2 mm, aufweisen. Der Mikrospiegel des MEMS-Bauelements kann elektrostatisch, piezo-elektrisch, magnetisch, mechanisch oder auf eine andere Art angetrieben werden.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform kann das Linsensystem eine sogenannte Fisheye-Optik sein. Fisheye-Objektive sind beispielsweise aus der Fotografie hinlänglich bekannt. Der von der Laserlichtquelle erzeugte Laserlichtstrahl durchläuft die Fisheye-Optik jedoch entgegen der Richtung eines Lichtstrahls bei Nutzung eines Fisheye-Objektivs in der Fotografie. Vorteilhaft ist bei der vorliegend beschriebenen Ausführungsform ein aufweitender Teil des Fish-eye-Objektivs. Vorzugsweise kann die Fisheye-Optik drei Linsen umfassen, besonders vorzugsweise eine plankonkave, eine konvexkonkave und eine weitere plankonkave Linse, die entlang der optischen Achse angeordnet sind. Die aufweitenden Eigenschaften der Fisheye-Optik können in der Richtung des von dem Mikrospiegel durch die Fisheye-Optik abgelenkten Laserstrahls einen abtastbaren Raumwinkel von mindestens 160° ermöglichen.

Die Aufweitungsoptik kann den Laserstrahl beim Durchlaufen der Aufweitungsoptik aufweiten. Dies kann nach dem Verlassen der Aufweitungsoptik, abhängig vom Austrittswinkel, zu Spotgrößen und Spotformen des Laserstrahls führen, die Verzerrungen aufweisen und zu daraus folgenden Messungenauigkeiten führen. In einer weiteren Ausführung kann deshalb zwischen der Laserlichtquelle und dem Mikrospiegel eine Strahlformungsoptik derart angeordnet sein, dass der von der Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl vor dem Umlenken durch den Mikrospiegel die Strahlformungsoptik durchläuft. Die Strahlformungsoptik kann mittels hintereinander gereihten Linsen geometrische Strahlparameter des Laserstrahls, insbesondere eine Divergenz, eine Rayleigh-Länge und einen Taillendurchmesser derart beeinflussen, dass eine Strahlqualität des Laserstrahls, insbesondere nach dem Verlassen der Aufweitungsoptik, verbessert werden kann. Somit kann erreicht werden, dass die Spotgrößen und -formen des Laserstrahls als Funktion des Ablenkwinkels im Wesentlichen gleichbleibend ist.

In einer weiteren möglichen Ausführung kann die Aufweitungsoptik eine erste, sammelnde Linsengruppe oder Linse und eine zweite, zerstreuende Linsengruppe aufweisen. Die erste, sammelnde Linsengruppe oder Linse kann zwischen dem Mikrospiegel und der zweiten, zerstreuenden Linsengruppe angeordnet sein. Die erste, sammelnde Linsengruppe oder Linse kann so ausgebildet sein, dass ein Strahlengang des vom Mikrospiegel umgelenkten Laserstrahls unabhängig vom Ablenkwinkel zwischen der ersten, sammelnden Linsengruppe oder Linse und der zweiten, zerstreuenden Linsengruppe parallel zur optischen Achse verläuft. Die erste, sammelnde Linsengruppe oder Linse kann somit ein Kollimator sein. Dies hat den Vorteil, dass in einem Bereich, in dem der Laserstrahl parallel zur optischen Achse verläuft, weitere optische Bauelemente wie beispielsweise Strahlteiler und/oder Polarisationsfilter eingebaut werden können.

Ein vorteilhaftes Detektionssystem kann eine Projektionsvorrichtung beschriebener Art umfassen und einen Detektor zum Detektieren von durch Streuung des Laserstrahls an einer Oberfläche eines Hindernisses innerhalb des abgetasteten Raumwinkelbereichs entstandenem Nachweislicht aufweisen. In guter Näherung kann für viele streuende Oberflächen angenommen werden, dass die Nachweislichtverteilung eine Cosinus-Verteilung (Lambert-Verteilung) ist. Somit kann eine Oberfläche, die sich im Raumwinkelbereich befindet, mit dem Detektor nachweisbar sein. Unter Verwendung gepulster Laser kann beispielsweise ein Laufzeitmessverfahren (TOF, time-of-flight) oder ein Phasendetektionsverfahren angewendet werden, mit Hilfe derer der Abstand der reflektierenden bzw. streuenden Oberfläche zum Detektor bestimmt werden kann. Die unabhängige Messung der Winkelstellung des Mikrospiegels und damit des Austrittswinkels des Laserstrahls in Verbindung mit der Abstandsbestimmung erlaubt die Lokalisierung der Oberfläche im Raumwinkelbereich.

Ferner kann das Detektionssystem eine Optik für den Detektor aufweisen, die so gestaltet ist, dass das Nachweislicht auf eine Stelle des Detektors fällt, die von einer Richtung des die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahls und/oder von einem Ort des Hindernisses unabhängig ist. Dies kann eine kompakte Bauweise des Detektionssystems ermöglichen, da Detektorarrays vermieden werden können und ein einzelner Detektor ausreichend ist.

Die Optik für den Detektor kann insbesondere einen Kollimator zum Fokussieren des Nachweislichts auf den Detektor aufweisen. Der Brennpunkt des Kollimators kann in der Detektorebene liegen und somit gewährleisten, dass das Nachweislicht auf nur eine Stelle des Detektors fällt. Ferner kann eine Blende beispielsweise zwischen dem Detektor und dem Kollimator angeordnet sein, sodass ein maximaler Nachweiswinkel des Nachweislichts definiert werden kann.

In einer weiteren Ausführung kann das Detektionssystem innerhalb der Aufweitungsoptik oder zwischen dem Mikrospiegel und der Aufweitungsoptik einen Strahlteiler zum Auskoppeln des Nachweislichts aufweisen. Besonders vorteilhaft kann eine Anordnung des Strahlteilers zwischen der ersten, sammelnden Linsengruppe oder Linse und der zweiten, zerstreuenden Linsengrupe sein, da ein Strahlengang des umgelenkten Laserstrahls hier parallel zur optischen Achse verläuft. So kann ein Teil des in die Aufweitungsoptik eintretenden Nachweislichts von dem Strahlteiler auf den Detektor abgelenkt werden. Typischerweise ist der Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler. Der polarisierende Strahlteiler kann einen Teil der passierenden Laserstrahlen durchlassen und einen weiteren Teil ablenken. Abgelenkte Strahlen können den polarisierenden Strahlteiler verlassen und danach beispielsweise absorbiert werden.

Vorteilhaft kann ferner ein Polarisationsfilter in einem Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle und dem Strahlteiler angeordnet sein. Der Polarisationsfilter kann derart ausgebildet sein, dass er nur oder vornehmlich einen polarisierten Anteil des Laserstrahls transmittieren lässt, der vom polarisierenden Strahlteiler nicht reflektiert wird, sodass Störlicht im Strahlteiler vermeidbar sein kann. Dies hat den Vorteil, dass in den Detektor nur oder vorrangig Nachweislicht gelenkt werden kann und eine Messgenauigkeit erhöht werden kann.

Zur weiteren Erhöhung der Messgenauigkeit und der Vermeidung von Störlicht können in den Strahlengang vor dem Detektor weitere optische Bauelemente, zum Beispiel ein Kantenfilter oder ein Interferenzfilter, eingebaut werden. Zur Unterdrückung von Tageslicht ist es auch möglich, die Zeitstruktur des Lasers auszunutzen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Detektionssystem eine Auswerteeinrichtung umfassen, die zum Zuordnen eines momentanen Ausgangssignals des Detektors zu der momentanen Auslenkung des Mikrospiegels und zum Ermitteln einer momentanen Richtung des die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahls eingerichtet sein kann. So kann ein den Laserstrahl streuendes Hindernis im Raumwinkelbereich auf einer Winkelgeraden, die entlang der momentanen Richtung des die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahls liegt, lokalisiert werden. Um einen Abstand des Hindernisses entlang der Winkelgeraden zu ermitteln, kann die Auswerteeinrichtung ferner einen Zeitpunkt eines Aussendens des Laserstrahls durch die Laserlichtquelle einem momentanen Eingangssignal des Detektors zuordnen.

In einer weiteren Ausführungsform können optische Materialien, beispielsweise CaF2 oder MgF2, die im nahen Infrarot-Bereich (NIR) lichtdurchlässig sind, für die Linsen und Detektoren verwendet werden. Auf diese Weise kann eine Beleuchtung von Oberflächen im NIR-Wellenlängenbereich, z.B. zwischen 0,8 µm -4 µm, möglich sein. In diesem Wellenlängenbereich ist der Nachweis vieler organischer Materialien möglich.

Bei dem beschriebenen Detektionssystem mit der Aufweitungsoptik und der typischerweise zum Aussenden von Laserpulsen eingerichteten Laserlichtquelle kann es sich z.B. um ein LIDAR-System handeln. LIDAR-Systeme senden Laserimpulse aus und detektieren zurückgestreutes Licht. LIDAR-Systeme können in vielfältigen Anwendungsbereichen vorteilhaft sein, beispielsweise bei Fahrerassistenzsystemen für die Sensorik bei autonomem Fahren, Geschwindigkeitsmessungen von Fahrzeugen oder dem Nachweis von Wolken- oder Staubteilchen in der Luft, da sie genaue Messergebnisse generieren. Ein Detektionssystem mit dem erfindungsgemäßen Aufbau und einer Ausgestaltung als LIDAR-System ist besonders aufgrund des weiten, abtastbaren Raumwinkelbereichs, einer hohen Messgenauigkeit des LIDARS und dennoch kompakter Bauweise vorteilhaft.

Für ein Scannen bzw. Abtasten eines verhältnismäßig großen Raumwinkelbereichs ist ein Verfahren vorteilhaft, das mit einer Projektionsvorrichtung oder einem Detektionssystem der oben beschriebenen Art durchgeführt wird und bei dem der Laserstrahl durch die Laserlichtquelle erzeugt wird, auf den Mikrospiegel gerichtet wird und nach einer Reflexion durch den Mikrospiegel durch die Aufweitungsoptik fällt, wobei der Mikrospiegel zum Schwingen angeregt wird, sodass der Raumwinkelbereich durch den die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahl gescannt wird.

Dieses Verfahren eignet sich z.B. zum Detektieren und Lokalisieren von Hindernissen innerhalb des genannten Raumwinkelbereichs und/oder für eine Analyse von Oberflächen solcher Hindernisse, wenn es mit der beschriebenen Detektionsvorrichtung durchgeführt wird und wenn durch Streuung des vorzugsweise gepulsten Laserstrahls an einer Oberfläche innerhalb des gescannten Raumwinkelbereichs verursachtes Nachweislicht durch den Detektor detektiert wird und ein Ausgangssignal des Detektors durch Erfassen einer momentanen Auslenkung des Mikrospiegels jeweils einer momentanen Richtung des die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahls zugeordnet und zum Bestimmen eines Abstandes zur Oberfläche durch eine Laufzeit- oder Phasenmessung verwendet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung mit optionaler Strahlformungsoptik,
  • 2 eine schematische Darstellung der Projektionsvorrichtung mit der Strahlformungsoptik und einer ersten, sammelnden Linsengruppe,
  • 3 eine perspektivische Ansicht der Projektionsvorrichtung mit der Strahlformungsoptik und der ersten, sammelnden Linsengruppe und einem Strahlteiler,
  • 4 eine schematische Darstellung der Projektionsvorrichtung mit der Strahlformungsoptik, der ersten, sammelnden Linsengruppe und dem Strahlteiler,
  • 5 eine schematische Darstellung der Projektionsvorrichtung mit der Strahlformungsoptik, der ersten, sammelnden Linsengruppe, einem polarisierenden Strahlteiler und einem Polarisationsfilter,
  • 6 eine schematische Darstellung eines Detektionssystems mit einer Strahlformungsoptik, einer ersten, sammelnden Linsengruppe, einem Strahlteiler, einer Optik für den Detektor und einem Detektor und
  • 7 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt des Detektionssystems aus 6.

In 1 ist schematisch eine Projektionsvorrichtung mit einer Laserlichtquelle 1, einem Mikrospiegel 2, und einer Aufweitungsoptik 3 gezeigt. Die Laserlichtquelle 1 erzeugt einen Laserstrahl 4, der durch eine Strahlformungsoptik 5 auf den Mikrospiegel 2 trifft. Die 1 zeigt einen beispielhaften Strahlengang des Laserstrahls 4, der nach einer Umlenkung durch den Mikrospiegel 2 mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichnet ist. Die Strahlformungsoptik 5 ist ein Linsensystem, das geometrische Parameter des Laserstrahls 4, beispielsweise eine Rayleigh-Länge, einen Taillendurchmesser und eine Divergenz des Laserstrahls 4, definiert. Der Mikrospiegel 2 ist um zwei Achsen auslenkbar und Teil eines 2D-MEMS. In diesem Ausführungsbeispiel schwingt der Mikrospiegel um die zwei Torsionsachsen. Der Laserstrahl 6 ist mit einer Strahlrichtung bei einer Auslenkung des Mikrospiegels 2 mit einem maximalen Ablenkwinkel α, in dem der Laserstrahl 6 noch durch die Aufweitungsoptik 3 gelenkt wird, gezeigt. Ein Laserstrahl 7 zeigt beispielhaft einen weiteren Strahlengang bei einer Auslenkung des Mikrospiegels 2, in der der Laserstrahl 7 noch durch die Aufweitungsoptik 3 gelenkt wird. Der Mikrospiegel lenkt den Laserstrahl 6 bzw. 7 also aus einer optischen Achse 8 der Aufweitungsoptik 3 heraus. Die optische Achse 8 bildet eine Symmetrielinie der Aufweitungsoptik 3. Die Aufweitungsoptik 3 umfasst ein Linsensystem 9, das in diesem Beispiel aus drei Linsen besteht. Im in 1 gezeigten Beispiel handelt es sich bei den drei Linsen um zwei plankonkave und eine konvexkonkave Linse, das Linsensystem kann aber auch eine abweichende Linsenkombination und -anzahl aufweisen. Der Laserstrahl 6 verlässt die Aufweitungsoptik mit einem Austrittswinkel β. Der Austrittswinkel β ist größer als der Ablenkwinkel α. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Austrittswinkel β beispielsweise 60 Grad, während der Ablenkwinkel α 10 Grad beträgt. In dem gezeigten Beispiel hat der Laserstrahl 6 unter einem Austrittswinkel von 60° und in einem Abstand von 10 m vom Austrittspunkt der optischen Achse aus der Aufweitungsoptik einen Durchmesser von 5 cm, unter einem Austrittswinkel von 0° beträgt der Durchmesser 1 cm. Eine Baulänge der Projektionsvorrichtung entlang der optischen Achse beträgt beispielsweise etwa 7 cm.

2 zeigt die Projektionsvorrichtung aus 1 mit einer ersten, sammelnden Linsengruppe 10. Wiederkehrende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Die erste, sammelnde Linsengruppe 10 ist zwischen dem Mikrospiegel 2 und einer zweiten, zerstreuenden Linsengruppe 11 angeordnet. Die erste, sammelnde Linsengruppe ist ein Kollimator, sodass ein Strahlengang des vom Mikrospiegel 2 umgelenkten Laserstahls 6 unabhängig vom Ablenkwinkel zwischen der ersten, sammelnden Linsengruppe 10 und der zweiten, zerstreuenden Linsengruppe 11 parallel zur optischen Achse 8 verläuft. Im in 2 gezeigten Beispiel ist eine Baulänge der Projektionsvorrichtung entlang der optischen Achse gegenüber dem Beispiel in 1 verkürzt. Eine Baulänge beträgt hier beispielsweise etwa 6 cm.

3 illustriert die schematisch in 2 gezeigte Projektionsvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht, erweitert um einen Strahlteiler 12. Der Strahlteiler 12 ist zwischen der ersten, sammelnden Linsengruppe 10 und der zweiten, zerstreuenden Linsengruppe 11 angeordnet. In diesem Bereich verläuft ein Strahlengang parallel zur optischen Achse 8 (in 3 nicht gezeigt) der Aufweitungsoptik 3. Der Strahlteiler ist in diesem Beispiel als Strahlteilerwürfel ausgebildet, kann aber auch anderer Form sein. In 4 ist die Projektionsvorrichtung aus 3 in einer schematischen Darstellung gezeigt.

5 zeigt die Projektionsvorrichtung aus 4 ebenfalls in schematischer Darstellung, erweitert um einen Polarisationsfilter 13. Der Polarisationsfilter 13 ist zwischen der ersten, sammelnden Linsengruppe 10 und dem Strahlteiler 12 angeordnet, sodass der Polarisationsfilter 13 wie auch der Strahlteiler 12 in dem Bereich angeordnet ist, in dem der Strahlengang des Laserstrahls 6 parallel zur optischen Achse 8 verläuft. Sowohl der Strahlteiler 12 als auch der Polarisationsfilter 13 können auch an anderer Stelle in die Aufweitungsoptik 3 integriert werden. Der Strahlteiler 12 ist in dem gezeigten Beispiel ein polarisierender Strahlteilerwürfel. Der Polarisationsfilter 13 vermeidet, dass Störlicht in den Strahlteiler 12 gelangt, indem der Polarisationsfilter 13 nur oder vornehmlich einen polarisierten Anteil des Laserstrahls 6 transmittieren lässt, der vom polarisierenden Strahlteiler nicht reflektiert wird. Da der Einbau eines Polarisationsfilters keine Auswirkung auf eine Richtung oder Geometrie des Laserstrahls 6 hat, entspricht die Richtung und Geometrie des Laserstrahls 6 denen aus der 4.

In 6 ist ein Detektionssystem gezeigt. Dieses Detektionssystem, bei dem es sich um ein LIDAR-System handelt, umfasst eine Projektionsvorrichtung mit einer Laserlichtquelle 1, einer Strahlformungsoptik 5, einem Mikrospiegel 2, einer ersten, sammelnden Linsengruppe 10 und einer zweiten, zerstreuenden Linsengruppe 11. Die Laserlichtquelle 1 erzeugt einen Laserstrahl 4, der durch eine Strahlformungsoptik 5 auf den Mikrospiegel 2 trifft. Nach einer Umlenkung durch den Mikrospiegel 2 ist der Laserstrahl mit dem Bezugszeichen 6 versehen. Der Laserstrahl 6 ist mit einer Strahlrichtung bei einer Auslenkung des Mikrospiegels 2 mit einem maximalen Ablenkwinkel, in dem der Laserstrahl 6 noch durch die Aufweitungsoptik 3 gelenkt wird, gezeigt. Das Detektionssystem umfasst ferner einen Strahlteiler 12, der zwischen der ersten, sammelnden Linsengruppe 10 und der zweiten, zerstreuenden Linsengruppe 11 derart angeordnet ist, dass durch Streuung des Laserstrahls 6 an einer Oberfläche 14 innerhalb des abgetasteten Raumwinkel entstandenes Nachweislicht 15 von dem Strahlteiler durch eine Optik 16 auf einen Detektor 17 abgelenkt wird. Der Laserstrahl 6 wird von dem Mikrospiegel 2 somit zunächst durch die erste, sammelnde Linsengruppe 10, folgend durch den Strahlteiler 12 und daraufhin in die zweite, zerstreuende Linsengruppe 11 gelenkt. Während der Laserstrahl den Strahlteiler 12 durchläuft, wird ein Teil des Laserlichts an den Oberflächen des Strahlteilers 12 reflektiert und bildet Störlicht 19. Dieses Störlicht 19 kann von einem zusätzlichen optischen Bauteil absorbiert werden oder beispielsweise durch einen vorgeschalteten Polarisationsfilter stark reduziert werden, wie in 5 gezeigt ist.

Im gezeigten Beispiel trifft der Laserstrahl 6 nach der Aufweitungsoptik auf das Hindernis 14, an dem der Lasterstrahl 6 gestreut wird, sodass Nachweislicht 15 in die Aufweitungsoptik 3 fällt. Das Nachweislicht 15 strahlt durch die zweite, zerstreuende Linsengruppe 11 in dem Laserstrahl 6 entgegengesetzter Richtung und wird von dem Strahlteiler 12 durch eine Optik 16 für den Detektor gebündelt. Daraufhin trifft das Nachweislicht 15 unabhängig von einer Richtung des die Aufweitungsoptik verlassenden Laserstrahls 6 und/oder von einem Ort der Hindernisse 14 auf eine Stelle des Detektors 17. Aufgrund des Strahlteilers 12 gelangt nur etwa 50 Prozent des Nachweislichts 15 in den Detektor 17. Das Nachweislicht 15 ist in 6 als zwei Strahlenbänder dargestellt, die im Strahlteilerwürfel jeweils zu einem Teil durch den Kollimator 16 auf den Detektor fokussiert werden und zu einem weiteren Teil den Strahlteiler 12 unabgelenkt durchstrahlen. Eine Blende 18, die zwischen dem Detektor 17 und der Optik 16 angeordnet ist, verbessert das Signal-Rausch-Verhalten von Nachweislicht 15 zum Untergrund.

Das Detektionssystem in 6 umfasst zudem eine Auswerteeinrichtung, die jedoch nicht gezeigt ist. Die Auswerteeinrichtung ordnet ein momentanes Ausgangssignal des Detektors 17 einer momentanen Spiegelauslenkung des Mikrospiegels 2 zu, um eine momentane Richtung des die Aufweitungsoptik 3 verlassenden Laserstrahls 6 zu ermitteln. Die Auswerteeinrichtung ordnet ferner der momentanen Richtung des die Aufweitungsoptik 3 verlassenden Laserstrahls 6 einen Zeitpunkt eines Erzeugens des Laserstrahls 4 zu und ermittelt so eine Laserlichtzeit, die ein Zeitintervall beschreibt, das zwischen einer Aussendung des Laserstrahls 4 durch die Laserlichtquelle 1 und einer Detektion von resultierendem Nachweislicht 15 auf dem Detektor 17 vergeht. Aus dieser Information kann mittels eines Algorithmus eine Entfernung des Hindernisses entlang der Richtung des die Aufweitungsoptik 3 verlassenden Laserstrahls 6 ermittelt werden. Somit lokalisiert die Auswerteeinrichtung das Hindernis 14.

In 7 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Detektionssystems aus 6 gezeigt. Die Laserlichtquelle 1, die Strahlformungsoptik 5, der Mikrospiegel 2 und die erste, sammelnde Linsengruppe 10 sind zur besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Zudem ist nur ein Strahlengang des Nachweislichts 15 eingezeichnet, nicht aber der Laserstrahl 4 beziehungsweise 6.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • EP 2514211 B1 [0003, 0009]