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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Laserscanner für ein LIDAR-System, beispielsweise für ein Fahrerassistenzsystem.
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Stand der Technik
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Ein LIDAR-System kann unter Verwendung eines Laserscanners eine Szenerie optisch abtasten. Dabei wird von dem Laserscanner ein Laserstrahl mit in zumindest einer Achse veränderbarem Scanwinkel in einen Erfassungsbereich ausgesendet. Der Laserstrahl wird an Objekten in dem Erfassungsbereich reflektiert. Basierend auf einem Scanwinkel und einer Laufzeit des Laserstrahls und seiner Reflexion kann das LIDAR-System eine Entfernung und eine Richtung zu dem Objekt berechnen. Dies kann beispielsweise für ein Fahrerassistenzsystem in einem Kraftfahrzeug genutzt werden.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2016 221 245 A1 zeigt einen Lidarsensor mit einem Sendepfad, einem Empfangspfad und einem Spiegel. Der Spiegel weist zwei sich gegenüberliegende Seiten auf und ist geometrisch zwischen dem Sendepfad und dem Empfangspfad derart angeordnet, dass die eine Seite des Spiegels ein Teil des Sendepfads ist und die andere Seite des Spiegels ein Teil des Empfangspfads ist.
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Die
US 6,507,036 B1 zeigt das Scannen einer Zieloberfläche mit einem einfallenden Lichtstrahl, der eine Vielzahl von Komponentenwellenlängen enthält.
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Die
DE 10 2008 019 615 A1 zeigt einen optischen Laufzeitsensor zur Raumabtastung mit wenig bewegten Teilen, die ausschließlich durch Federelemente gelagert sind. Die Optiken der Empfänger- und Sende-Einheiten sind so gestaltet, dass die Strahlengänge eine Parallaxe aufweisen, um Eigenblendung im Nahbereich zu vermeiden.Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Laserscanner gemäß dem Hauptanspruch vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Es wird ein Laserscanner, mit einem Sendepfad und einem von dem Sendepfad zumindest bereichsweise räumlich getrennten Empfangspfad vorgeschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendepfad und der Empfangspfad auf entgegengesetzte Seiten eines winkelbeweglichen Ablenkspiegels des Laserscanners treffen, wobei eine Winkelstellung des Ablenkspiegels im Sendepfad einen Scanwinkel eines Laserlichts des Laserscanners definiert und die Winkelstellung im Empfangspfad einen Einfallswinkel einer Reflexion des Laserlichts kompensiert.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass bei dem Laserscanner im Sendepfad und/oder im Empfangspfad zumindest ein Umlenkspiegel angeordnet ist, um die jeweilige optische Achse auf dem Ablenkspiegel abzulenken. Weiterhin stimmen bei dem Laserscanner eine Sendeachse und eine Empfangsachse auf den entgegengesetzten Seiten des Ablenkspiegels zwischen einer Lichtquelle und einem Detektor mit einer Rotationsachse des Ablenkspiegels überein. Der im Sendepfad und/oder im Empfangspfad angeordnete Umlenkspiegel ist dabei mit dem Ablenkspiegel um die Rotationsachse auf einer Kreisbahn um die Rotationsachse beweglich.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Bei einem Laserscanner wird zumindest ein Laserstrahl durch eine Optik in einen Erfassungsbereich des Laserscanners gelenkt. Über die Zeit wird ein Winkel des Laserstrahls in zumindest einer Raumrichtung verändert, um den Erfassungsbereich in vielen aufeinander abfolgenden Messungen abzutasten. Wenn der Laserstrahl auf ein Objekt, wie beispielsweise einen Gegenstand in dem Erfassungsbereich oder den Boden trifft, wird das Laserlicht des Laserstrahls an dem Objekt gestreut. Ein Teil des gestreuten Laserlichts wird in Richtung des Laserscanners zurückgeworfen. Das zurückgeworfene gestreute Laserlicht wird durch eine Optik des Laserscanners auf einen Detektor des Laserscanners gelenkt.
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Das aus einer Laserquelle stammende gerichtete Laserlicht mit seinen bekannten und kontrollierbaren Eigenschaften verhält sich anders, als das von einem Objekt zurückgeworfene Laserlicht. Für beide Arten Laserlicht können jeweils optimierte Optiken und/oder Filter verwendet werden, um eine gute Erfassungsleistung des Laserscanners zu erreichen. Für unterschiedliche Optiken und/oder Filter kann ein Laserscanner mit zwei getrennten Pfaden für das Laserlicht verwendet werden.
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Um den Erfassungsbereich abzutasten, wird dem gerichteten Laserlicht beim Senden ein Abstrahlwinkel eingeprägt. Das Laserlicht wird also in einer bestimmten Richtung abgestrahlt und kann auf ein in der Richtung zu dem Laserscanner angeordnetes Objekt treffen. Das von dem Objekt zurückgeworfene Laserlicht kommt am Laserscanner wieder aus der Richtung an. Beim Empfangen kann ein Einfallswinkel des zurückgeworfenen Laserlichts kompensiert werden, um das zurückgeworfene Laserlicht auf den Detektor auszurichten und einen einfachen, nicht bildgebenden Detektortyp mit minimalen Abmessungen verwenden zu können, der auch kostengünstig ist. Für das Einprägen des Abstrahlwinkels und das Kompensieren des Einfallswinkels kann das gleiche Ablenkelement verwendet werden, da der einzuprägende Abstrahlwinkel und der zu kompensierende Einfallswinkel den gleichen Betrag aufweisen. Wenn die Winkel über entgegengesetzte Seiten des Ablenkelements eingeprägt und wieder kompensiert werden, entsprechen sich Winkelsummen im Sendepfad und im Empfangspfad.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden getrennte Pfade für das gerichtete Laserlicht und das gestreute Laserlicht verwendet, wobei die beiden Pfade auf unterschiedlichen Seiten des gleichen Ablenkelements aus entgegengesetzten Richtungen zusammentreffen, um den Abstrahlwinkel einzuprägen und den Einfallswinkel zu kompensieren.
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Unter einem Sendepfad kann ein optischer Pfad beziehungsweise Weg verstanden werden, der dazu optimiert ist, das gerichtete Laserlicht von der Laserlichtquelle in den Erfassungsbereich des Laserscanners zu lenken. Ein Empfangspfad kann ein optischer Pfad beziehungsweise Weg sein, der dazu optimiert ist, das gestreute Laserlicht aus dem Erfassungsbereich zu dem Detektor des Laserscanners zu transportieren. Ein Ablenkspiegel kann ein Mikrospiegel sein. Der Ablenkspiegel kann um einen Drehpunkt drehbar gelagert sein, in dem sich der Sendepfad und der Empfangspfad schneiden. Der Ablenkspiegel kann beidseitig ein frontreflektierender Spiegel sein.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, spezifisch auf das gerichtete Laserlicht beziehungsweise auf das gestreute Laserlicht abgestimmte Filter in den jeweiligen Pfaden zu verwenden. Durch das Kompensieren des Einfallswinkels des gestreuten Laserlichts kann ein nicht bildgebender einfacher Detektor verwendet werden, da das zurückgeworfene Laserlicht immer auf den gleichen Bereich des Detektors gelenkt wird. Eine Größe von Sensorpixeln des Detektors wird dabei nicht durch eine optische Auflösung des Detektors eingeschränkt, was zu einer hohen Empfindlichkeit des Detektors führt.
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Der Ablenkspiegel kann um zwei Achsen winkelbeweglich sein. Die Achsen verlaufen dabei quer, vorzugsweise senkrecht, zueinander. Der Ablenkspiegel kann Laserlicht somit in zwei verschiedene Richtungen ablenken. Durch die beidseitige Reflexion an dem Ablenkspiegel werden Abbildungsfehler so kompensiert, dass die zweidimensionale Ablenkung unter Verwendung eines einzigen Spiegels möglich ist. Durch die zweidimensionale Ablenkung kann der Laserscanner flächige Objekte unter Verwendung eines Ablenkspiegels erfassen.
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Die Winkelstellung des Ablenkspiegels kann einen Auftreffpunkt des Laserlichts auf einer Strahlformungseinheit des Laserscanners definieren, wobei die Strahlformungseinheit dazu ausgebildet sein kann, das von dem Laserscanner emittierte Laserlicht in Abhängigkeit von dem Auftreffpunkt zu formen. Die Strahlformungseinheit kann das Laserlicht beispielsweise mit einem vergrößerten Abstrahlwinkel aufweiten. Dann kann das Laserlicht zeitgleich in einen größeren Bereich gesendet werden.
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Die Strahlformungseinheit kann eine Matrix aus Strahlformungselementen aufweisen. Jedes Strahlformungselement kann dazu ausgebildet sein, einen Scanstrahl mit einem festen Scanwinkel zu formen, wenn das Laserlicht auf das Strahlformungselement fällt. Ein Strahlformungselement kann das Laserlicht in mit einer definierten Form formen und/oder um einen definierten Winkel ablenken. Immer wenn ein Strahlformungselement von dem Laserlicht getroffen wird, wirkt es in gleicher Weise.
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Die Strahlformungseinheit kann dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit des Auftreffpunkts aus dem Laserlicht je zumindest zwei divergierende Scanstrahlen zu formen. Es können mehrere Strahlformungselemente gleichzeitig von dem Laserlicht beleuchtet werden. Alle gleichzeitig beleuchteten Strahlformungselemente können je einen Scanstrahl formen. Die Scanstrahlen können beispielsweise divergieren. So kann immer ein Strahlenfächer aus Scanstrahlen in den Erfassungsbereich gesendet werden.
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Ein Detektor des Laserscanners kann mehrere Sensorpixel aufweisen. Eine Anzahl der Sensorpixel kann zumindest einer Anzahl der simultan emittierten Scanstrahlen entsprechen. Die Sensorpixel können in einem Raster angeordnet sein. Die Scanstrahlen können ein ähnliches Raster in den Erfassungsbereich projizieren. Einem Scanstrahl kann je zumindest ein Sensorpixel zugeordnet sein. Durch die Kompensation über die Winkelstellung des Ablenkspiegels werden Reflexionen von verschieden ausgerichteten Strahlenfächern immer auf dieselbe Position des Detektors abgebildet. Beispielsweise wird die Reflexion eines zentralen Scanstrahls des Strahlenfächers immer auf einem zentralen Sensorpixel des Detektors abgebildet, obwohl die verschiedenen Strahlenfächer in unterschiedliche Scanwinkel ausgerichtet sind.
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Der Laserscanner kann eine im Sendepfad und im Empfangspfad angeordnete Sende- und Empfangsoptik zum koaxialen Senden des Laserlichts und Empfangen der Reflexion aufweisen. Zwischen der Sende- und Empfangsoptik und dem Ablenkspiegel kann ein Strahlteiler zum Ablenken der Reflexion in den Empfangspfad angeordnet sein. Durch koaxiales Senden und Empfangen kann ein Parallaxenfehler vermieden werden. Ebenso können Optikkomponenten eingespart werden. Beim koaxialen Senden und Empfangen ist nur ein Objektiv beziehungsweise eine Apertur erforderlich. Dadurch kann Bauraum eingespart werden.
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Im Sendepfad und/oder im Empfangspfad kann zumindest ein Umlenkspiegel angeordnet sein, um die jeweilige optische Achse auf dem Ablenkspiegel abzulenken. Umlenkspiegel können winkelfeste Spiegel sein. Die Umlenkspiegel können frontreflektierend sein. Die Umlenkspiegel können Zerrspiegel mit konvexer oder konkaver Spiegelfläche sein. Ebenso können Umlenkspiegel Planspiegel sein. Als Zerrspiegel kann ein Umlenkspiegel die Funktion einer optisch wirksamen Komponente übernehmen. Beispielsweise kann ein Zerrspiegel fokussieren beziehungsweise kollimieren. Ein Spiegel kann eine optische Funktion ohne zusätzliche Beugungsfehler bereitstellen.
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Eine Sendeachse und eine Empfangsachse können auf den entgegengesetzten Seiten des Ablenkspiegels zwischen einer Lichtquelle und einem Detektor mit einer Rotationsachse des Ablenkspiegels übereinstimmen. Der im Sendepfad und/oder im Empfangspfad angeordnete Umlenkspiegel kann mit dem Ablenkspiegel um die Rotationsachse auf einer Kreisbahn um die Rotationsachse beweglich sein. Dadurch läuft der Sendestrahl um den Laserscanner um und der Laserscanner kann Objekte in allen Richtungen erfassen. Durch die mitrotierenden Umlenkspiegel sind der Sendestrahl und die zurückgeworfenen Reflexionen zueinander ausgerichtet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Laserscanners gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 2 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Laserscanners 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Laserscanner 100 weist einen Sendepfad 102 und einen davon getrennten Empfangspfad 104 auf. Der Sendepfad 102 weist eine optische Sendeachse 106 auf, die parallel versetzt zu einer optischen Empfangsachse 108 des Empfangspfads 104 aus dem Laserscanner 100 austritt. Der Sendepfad 102 beginnt an einer Laser-Lichtquelle 110 des Laserscanners 100 und verläuft über einen winkelbeweglichen Ablenkspiegel 112 sowie über einen starren Umlenkspiegel 114 in einen Erfassungsbereich 116 des Laserscanners 100. Eine Winkelstellung 118 des Ablenkspiegels 112 bestimmt einen Ausfallswinkel 120 des Laserlichts aus dem Laserscanner 100. Im Sendepfad 102 können weitere optisch wirksame Elemente angeordnet sein, die beispielsweise eine Winkelverstärkung und/oder Strahlaufweitung bewirken. Der Empfangspfad 104 beginnt im Erfassungsbereich 116, verläuft über einen weiteren starren Umlenkspiegel 122, den Ablenkspiegel 112 und endet an einem Detektor 124 des Laserscanners 100. Die Winkelstellung 118 des Ablenkspiegels 112 kompensiert einen Einfallswinkel 126 einer Reflexion des Laserlichts aus dem Erfassungsbereich 116. Im Empfangspfad 104 können ebenso weitere optisch wirksame Elemente angeordnet sein. Beispielsweise können diese Elemente lichtsammelnd wirken und/oder dazu ausgebildet sein, die Effekte der optischen Elemente im Sendepfad 102 zu kompensieren. Der Sendepfad 102 und der Empfangspfad 104 werden auf entgegengesetzten Seiten 128, 130 des Ablenkspiegels 112 abgelenkt. Der Ablenkspiegel 112 ist zwischen der Laser-Lichtquelle 110 und dem Detektor 124 angeordnet. Die Lichtquelle 110 ist auf einen Drehpunkt 132 des Ablenkspiegels 112 gerichtet. Der Ablenkspiegel 112 ist auch zwischen dem Umlenkspiegel 114 und dem weiteren Umlenkspiegel 122 angeordnet.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Lichtquelle 110 und der Detektor 124 statisch auf einer Achse aufgebaut. Der Ablenkspiegel 112 ist in einer einzelnen Achse winkelbeweglich. Der Ablenkspiegel 112 mitsamt sämtlicher weiterer optischer Komponenten ist um diese Achse drehbar gelagert. Die optischen Komponenten bewegen sich auf senkrecht zu der Achse ausgerichteten Kreisbahnen um die Achse.
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Mit anderen Worten ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Rotationsachse des Ablenkspiegels 112 quer zu einer Zeichenebene der 1 ausgerichtet und durchdringt die Zeichenebene. Der Ablenkspiegel 112 ist schräg zu der Zeichenebene und der Rotationsachse verkippt angeordnet. Die Sendeachse 106 zwischen der Lichtquelle 110 und dem Ablenkspiegel 112 stimmt mit der Rotationsachse des Ablenkspiegels 112 überein. Die Empfangsachse 108 zwischen dem Ablenkspiegel 112 und dem Detektor 124 stimmt ebenso mit der Rotationsachse überein. Das Laserlicht wird also von dem Ablenkspiegel 112 in die Zeichenebene radial zu der Rotationsachse abgelenkt. Die Umlenkspiegel 114, 122 bewegen sich synchron zu dem Ablenkspiegel 112 auf einer in der Zeichenebene liegenden Kreisbahn um die Rotationsachse. Die Umlenkspiegel 114, 122 können beispielsweise mit dem Ablenkspiegel 112 und hier nicht dargestellten anderen optischen Komponenten auf einem gemeinsamen, um die Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor des Laserscanners angeordnet sein. Durch den synchron zu dem Ablenkspiegel 112 auf der Kreisbahn bewegten Umlenkspiegel 114 wird das Laserlicht tangential zu der Kreisbahn in den Erfassungsbereich 116 umgelenkt. Die Reflexion wird durch den ebenfalls synchron zu dem Ablenkspiegel 112 auf der Kreisbahn bewegten weiteren Umlenkspiegel 122 aus einer tangential zu der Kreisbahn ausgerichteten Einfallsrichtung radial zu der Rotationsachse auf den Ablenkspiegel 112 umgelenkt und durch den Ablenkspiegel 112 aus der Zeichenebene heraus in Richtung der Rotationsachse abgelenkt.
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Ein Makroscanner kann ein in mindestens einer Achse rotierend bewegliches System sein. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise horizontale Auflösungen von bis zu 360° realisieren. Durch große Sendeaperturen beziehungsweise Empfangsaperturen sind sowohl ein hohes Maß an Augensicherheit als auch eine sehr hohe Reichweite beziehungsweise Messdistanz erzielbar. Große Abmessungen von Sendeapertur und Empfangsapertur wirken sich ebenfalls positiv auf die Unempfindlichkeit gegen Regentropfen sowie Staubpartikel und Schmutzpartikel aus. Dafür weisen diese Systeme eine große Baugröße, eine geringe Framerate sowie eine geringe mögliche Auflösung in der nicht rotierenden Achse auf.
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Ein koaxialer Scanner weist eine gemeinsame Sende- und Empfangsoptik auf. Bei einem biaxialen System sind der Sendepfad sowie der Empfangspfad komplett voneinander getrennt aufgebaut. Das koaxiale Makroscanner System kann in horizontaler Richtung rotierend beweglich sein. Die vertikale Auflösung kann mit einer Mehrzahl von Sendequellen erreicht werden. Die biaxiale Bauweise weist einen sogenannten Parallaxenfehler auf.
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Als Mikroscanner können Systeme bezeichnet werden, welche die Sendestrahlablenkung mittels eines sich alternierend bewegenden Mikrospiegels realisieren. Da bei dieser Bauart von Laser-Scannern lediglich ein sehr kleiner Mikrospiegel bewegt wird, werden Mikroscanner oftmals als Solid-State Systeme bezeichnet. Diese Systeme zeichnen sich durch ihre relativ kleine Bauform, hohe Frameraten und kompakt realisierbaren Strahlablenkungen in horizontaler sowie vertikaler Richtung, beispielsweise über einen 2D-Mikrospiegel aus. Dafür sind die maximale Winkelauslenkung hinsichtlich des maximal möglich scanbaren Sichtfelds und die mögliche Strahlaufweitung aufgrund der Spiegel-Abmessungen begrenzt. Weiterhin sind die Augensicherheit und die Robustheit gegen Verschmutzung der Sendeapertur beziehungsweise Empfangsapertur reduziert. Koaxiale Mikroscanner können im Idealfall detektorseitig mit lediglich einer einzigen Fotodiode realisiert werden, was ein hohes Potential an Kostenersparnis durch die geringere Detektorfläche ermöglicht. Dies ist aufgrund der für jeden Scanpunkt eindeutigen Spiegelstellung möglich. Bei biaxialen Systemen ist die Auflösung mittels eines Detektorarrays zu bewerkstelligen, welches das gesamte abzuscannende Sichtfeld eindeutig je Messpunkt zuordenbar macht.
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Ein Mikroscanner kann auch koaxial mit einer Strahlaufweitung basierend auf Mikrooptik ausgeführt werden. Die Strahlaufweitung ist dabei für große Messdistanzen ausreichend, ohne gleichzeitig den Scanwinkel des Sendestrahls zu reduzieren und bietet genügende Augensicherheit. Durch die Verwendung mikrooptischer Elemente kann dabei die allgemeine Problematik der Gegenläufigkeit von Strahlaufweitung und Ablenkwinkel umgangen werden.
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Bei einem Offset-Koaxial Lidar mit Teil-Flash kann trotz starker Entkopplung von Sende- und Empfangsseite eine 1 D-Sendestrahlablenkung auf einen konstanten Bildpunkt detektorseitig abgebildet werden. Aufgrund des Teil-Flashbetriebs können Messungen parallelisiert und die Messrate erhöht werden. Eine 2D-Scanstrahlablenkung kann ebenfalls näherungsweise kompensiert werden. Der entkoppelte Aufbau der beiden optischen Pfade lässt zudem eine hohe Flexibilität hinsichtlich spezifischer Optimierungsmöglichkeiten optischer Bauelemente zu.
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2 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Laserscanner 100 entspricht vom Prinzip dem Laserscanner in 1. Im Gegensatz dazu ist der Laserscanner 100 hier koaxial aufgebaut, was bedeutet, dass der Sendepfad 102 und der Empfangspfad 104 des Laserscanners 100 durch dieselbe Sende- und Empfangsoptik 200 verlaufen. Dazu weist der Laserscanner eine Strahlteiler 202 auf, in dem der Empfangspfad 104 seitlich aus dem Sendepfad heraus abgelenkt wird, während der Sendepfad 102 geradlinig durch den Strahlteiler 202 verläuft. Der Strahlteiler 202 kann alternativ den Sendepfad 102 von der Seite in den geradlinig verlaufenden Empfangspfad 104 einkoppeln.
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Zwischen dem Umlenkspiegel 114 im Sendepfad 102 und dem Ablenkspiegel 112 ist eine Kollimationsoptik 204 angeordnet. Durch die Kollimationsoptik 204 wird das Laserlicht der Lichtquelle 110 kollimiert. Zwischen dem weiteren Umlenkspiegel 122 im Empfangspfad 104 und dem Ablenkspiegel 112 ist eine Fokussieroptik 206 angeordnet. Durch die Fokussieroptik 206 wird das Licht der Reflexionen auf den Drehpunkt 132 des Umlenkspiegels 112 fokussiert.
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Im Sendepfad 102 ist eine Strahlformungseinheit 207 angeordnet. Die Strahlformungseinheit 207 umfasst hier eine Strahlerweiterungseinheit 208 und einen Strahlvervielfältiger 210. Die Winkelstellung des Ablenkspiegels 112 bestimmt einen Auftreffpunkt des Laserlichts auf der Strahlformungseinheit 207. Nach dem Umlenkspiegel 114 trifft das kollimierte Laserlicht auf die Strahlerweiterungseinheit 208. In der Strahlerweiterungseinheit 208 wird das bis dahin stark gebündelte Laserlicht aufgeweitet. Das aufgeweitete Laserlicht beleuchtet eine größere Fläche, als das gebündelte Laserlicht. Das aufgeweitete Laserlicht trifft auf den Strahlvervielfältiger 210. Im Strahlvervielfältiger 210 werden aus einem einzelnen aufgeweiteten Laserstrahl 212 mehrere Scanstrahlen 214 geformt. In Abhängigkeit von dem Auftreffpunkt werden unterschiedliche Scanstrahlen geformt. Die Scanstrahlen 214 laufen durch den Strahlteiler 202 und die Sende- und Empfangsoptik 200 in den Erfassungsbereich 116. Die Sende- und Empfangsoptik 200 fächert die Scanstrahlen 214 zu einem Strahlenfächer 216 auf. Die Winkelstellung des Ablenkspiegels 112 bestimmt einen Raumwinkel, in dem ein zentraler Scanstrahl 214 des Strahlenfächers 216 ausgestrahlt wird. Mit anderen Worten wird der Strahlenfächer 216 in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Ablenkspiegels 112 durch den Erfassungsbereich 116 geschwenkt.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der Strahlvervielfältiger 210 eine Matrix aus Strahlformungselementen auf. Die Strahlformungselemente können beispielsweise holografisch optische Elemente sein. In jedem holografisch optischen Element ist eine optische Funktion für einen Scanstrahl 214 gespeichert. Der aufgeweitete Laserstrahl 212 trifft immer mindestens zwei der holografisch optischen Elemente, wodurch immer zumindest zwei Scanstrahlen 214 erzeugt werden.
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Im Erfassungsbereich 116 ist hier ein Objekt 218 angeordnet, das von zumindest einem der Scanstrahlen 214 des Strahlenfächers 216 getroffen wird. Die Scanstrahlen 216 werden an dem Objekt 218 diffus gestreut. Ein geringer Teil des Laserlichts wird als Reflexion zurück in Richtung der Sende- und Empfangsoptik 200 geworfen. Dieser Teil des reflektierten Laserlichts wird im Strahlteiler 202 aus dem Sendepfad 102 ausgekoppelt und trifft im Empfangspfad 104 auf einen Strahlparallelisierer 220. Im Strahlparallelisierer 220 wird das Licht parallel ausgerichtet und von dem weiteren Umlenkspiegel 122 zu der Fokussieroptik 206 umgelenkt.
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Durch die Winkelstellung des Ablenkspiegels 112 wird der Einfallswinkel des fokussierten Lichts kompensiert und in Richtung des Detektors 124 abgelenkt. Zwischen dem Ablenkspiegel 112 und dem Detektor 124 ist eine weitere Kollimationsoptik 222 angeordnet. Das abgelenkte Licht fällt so kollimiert auf den Detektor 124.
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Der Detektor 124 weist mehrere Sensorpixel auf. Eine Anzahl der Sensorpixel korreliert mit einer Anzahl an gleichzeitig ausgesandten Scanstrahlen 214. Beispielsweise kann der Detektor 124 für jeden Scanstrahl 214 ein Sensorpixel aufweisen. Durch die Kompensation des Ablenkspiegels 112 fällt das Licht der Reflexion eines bestimmten Scanstrahls 214 unabhängig von dem Scanwinkel des Strahlenfächers 216 immer auf das gleiche Sensorpixel.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden makroskopisch bewegliche Bauteile vermieden, da kein rotierendes System vorhanden ist und eine kleine Bauform beispielsweise durch µ-Spiegel verwendet wird. So wird eine hohe mechanische Robustheit erreicht. Die große Sendeapertur bewirkt bei dem hier vorgestellten Laserscanner 100 eine hohe Augensicherheit und eine hohe Robustheit gegen Partikel, Staub und Dreck. Die große Empfangsapertur bewirkt eine hohe Reichweite. Durch den koaxialen Strahlengang werden Parallaxenfehler vermieden. Es erfolgt eine Entkopplung zwischen dem maximal erforderlichen Auslenkwinkel des Spiegels 112 und dem maximal möglichem Sichtfeld (FoV) des Systems. Dabei ist der Auslenkwinkel minimal und das Sichtfeld maximal. Durch mehrere gleichzeitige Messungen wird die Messrate erhöht. Trotz des koaxialen Strahlengangs ergibt sich eine sehr starke Entkopplung der Sendeseite zur Empfangsseite bei gleichzeitiger minimaler Detektorfläche. Die Abbildung einer 2D-Ablenkung des Sendestrahls wird ohne systematischer Fehler auf einen konstanten Bildpunkt detektorseitig abgebildet.
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Mit anderen Worten zeigt 2 eine Prinzipdarstellung eines 2D-Offset-Koaxial Systems mit beidseitig genutztem Ablenkspiegel. Die 2D-Ablenkung des Sendestrahls wird dabei ohne systematischer Fehler konstant auf einen Bildpunkt detektorseitig abgebildet. Das hier vorgestellte System kann unter Verwendung der Vorder- und Rückseite des Ablenkspiegels für die Sende- bzw. Empfangsseite eine 2D-Scanstrahlablenkung auf einen konstanten Bildpunkt projizieren unter gleichzeitiger Entkopplung von Sende- und Empfangspfad.
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Das dargestellte System ist so konzipiert, dass sich die Beträge der Winkel sende- sowie empfangsseitg entsprechen. Dabei ist das System punktsymmetrisch zum Rotationspunkt des Ablenkspiegels aufgebaut. Der einzige Punkt im System, der die Kompensation sämtlicher Ablenkpositionen des Spiegels sendeseitig ohne systematischer Fehler der Abbildungsposition auf einem einzigen Detektorpunkt realisieren lässt, liegt exakt auf der gegenüberliegenden Seite der Sende-Ablenkposition des Spiegels. Bei einem unendlich dünnen Spiegel würde dieser Punkt auf den Rotationspunkt bzw. Pivotpunkt des Spiegels zusammenfallen und somit einem einzigen Punkt entsprechen. Durch eine reale Dicke des Spiegels entfernen sich beide Punkte zwar voneinander, resultieren jedoch, aufgrund des symmetrischen Aufbaus, lediglich in einem konstanten Offset der Abbildung.
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Ein Triggerpuls für die Lichtlaufzeitmessung kann am Beamsplitter abgegriffen werden. Die Systemanordnung ist variabel. Beispielsweise können Laserquelle und Detektor so ausgerichtet werden, dass die Auftreffwinkel der jeweiligen Strahlen steiler werden, wodurch sich ein größerer möglicher Scanbereich ergibt.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
