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Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System mit einer Optikanordnung, wobei die Optikanordnung ein erstes Linsenpaar und ein zweites Linsenpaar aufweist, das erste Linsenpaar eine erste Linse und eine zweite Linse umfasst und das zweite Linsenpaar eine dritte Linse und eine vierte Linse umfasst.
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Stand der Technik
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Die Abkürzung LiDAR steht für Light detection and ranging. Das LiDAR-Verfahren basiert, wie RADAR-Sensoren, auf der Aussendung von elektromagnetischen Strahlen in die Umgebung. Ein LiDAR-Sensor kann als eine Art Scanner umgesetzt sein und erlaubt eine Distanzmessung zu Objekten in der Umgebung. LiDAR-Systeme und Verfahren werden zunehmend in Kraftfahrzeugen verwendet, um beispielsweise den Verkehr in der Umgebung zu analysieren und zu bewerten. Beispielsweise kann mittels LiDAR der Abstand zu oder die Geschwindigkeit von Objekten wie zum Beispiel Autos in der Umgebung bestimmt werden. Häufig umfasst ein LiDAR-System mindestens eine Lichtquelle, die oftmals eine Laserquelle ist, und einen Detektor. Die Lichtquelle sendet Lichtstrahlen, also beispielsweise Laserstrahlen, in Richtung eines Objekts, zum Beispiel eines Autos, aus und der Detektor empfängt den von dem Objekt reflektierten Lichtstrahl. So kann zum Beispiel auch die Position des Objekts ermittelt werden, um einen Zusammenstoß zu vermeiden. Das LiDAR-System kann also, wenn es zum Beispiel in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, effektiv die Fahrsicherheit des Kraftfahrzeugs erhöhen. Zudem können LiDAR-Sensoren für die präzise Umgebungserfassung beim autonomen Fahren verwendet werden.
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Scannende LiDAR-Systeme verwenden meist ein rotierendes Element, um eine horizontale Ortsauflösung zu erzielen. Hierbei gibt es zwei übliche Ansätze. Beim ersten Ansatz rotiert das gesamte System mit Laserquelle und Detektor. Dies hat den Nachteil, dass mindestens eine Leistungsversorgung und mindestens eine Datenübertragung auf dem drehenden Element realisiert werden muss. Der zweite Ansatz umgeht die Nachteile des ersten Ansatzes, indem lediglich eine Strahlablenkungsoptik rotiert, wobei die Laserquelle, oft auch kurz als Laser bezeichnet, und meist auch der Detektor ortsfest sind.
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Bei gängigen Systemen ist die Strahlablenkungsoptik ein Spiegel, wie aus der
DE102012021831A1 und der
DE102013012789A1 bekannt, wobei die Hauptstrahlrichtung (also die ursprüngliche Strahlrichtung des Lasers) nicht genutzt werden kann, da der Laser im Strahlengang des Sendestrahls sitzt. Daher wird der horizontale Scanbereich meist entweder um 90° gedreht, wie aus der
DE102012021831A1 bekannt, oder die Einstrahlrichtung aus der horizontalen Ebene heraus gekippt, beispielsweise mit einem Spiegel, wie einem Polygonspiegel.
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Die
EP 2 304 489 B1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Laserabtastung, insbesondere eine Vorrichtung zur Abtastung eines Raumbereichs vor einem LiDAR-System mittels eines fokussierten Laserstahls. Die Vorrichtung umfasst im optischen Strahlengang ein erstes und ein zweites drehbar gelagertes Deflektorelement, wobei über die Drehung mindestens eines der Deflektorelemente eine Ablenkung der hindurchtretenden Strahlung erfolgt. Durch Drehung des drehbeweglich gelagerten Deflektorelements kann zur Steuerung der Strahlablenkung der Winkel zwischen den Außenflächen variiert werden, es erfolgt also eine Prismenverstellung.
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Ein Mangel an manchen LiDAR-Systemen gemäß dem Stand der Technik ist, dass aus der Drehung des horizontalen Scanbereichs ein asymmetrisches Verhalten bezüglich der Empfangsapertur entsteht. Das heißt, mit zunehmendem Rotationswinkel des Spiegels verringert sich die Empfangsfläche, also die projizierte Fläche des Spiegels. Zusätzlich wird aus diesem Grund oftmals ein größerer Spiegel benötigt.
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Ein weiterer Mangel an einigen LiDAR-Systemen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist die Verzerrung des vertikalen Scans über der Rotation, wenn der Laser aus der horizontalen Ebene herausgekippt wird. Dies wird insbesondere dann deutlich, wenn große horizontale Ablenkwinkel (beispielsweise >50°) mit einem großen vertikalen Einstrahlwinkel (beispielsweise >20°) kombiniert werden. Zum Randbereich hin kippt die vertikale Scanrichtung zur Horizontalen, wodurch das vertikale Sichtfeld reduziert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein LiDAR-System ist vorgesehen, welches eine Optikanordnung umfasst, wobei die Optikanordnung ein erstes Linsenpaar, mit einer ersten Linse und einer zweiten Linse, und ein zweites Linsenpaar, mit einer dritten Linse und einer vierten Linse, aufweist. Erfindungsgemäß ist das erste Linsenpaar und das zweite Linsenpaar zum einen räumlich aufeinanderfolgend auf einer gemeinsamen Anordnungsachse und zum anderen zumindest teilweise rotationssymmetrisch um eine, in einem Winkel zur Anordnungsachse gedrehten, gemeinsame Rotationsachse angeordnet, wobei eine oder mehrere der ersten Linse, der zweiten Linse, der dritten Linse und der vierten Linse um die gemeinsame Rotationsachse rotierbar angeordnet ist.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße LiDAR-System mit vier Linsen hat den Vorteil, dass durch Rotation mindestens einer Linse der Optikanordnung eine Strahlablenkung in eine vorbestimmenbare Raumrichtung realisierbar ist. So ist eine Winkelbeziehung zwischen Oberflächen der mindestens einen Linse und Oberflächen der mindestens einen anderen Linse der Optikanordnung durch die Rotation der jeweiligen Linse um die gemeinsame Rotationsachse variierbar, um die vorbezeichnete Strahlablenkung zu bewirken. Beispielsweise, im Vergleich zu der Verwendung eines einfachen Linsenpaars, bei welchem nur eine Linse des Linsenpaars rotierbar ausgebildet ist, kann bei einer Rotation zweier Linsen eine größere Ablenkung bei gleichem Rotationswinkel erreicht werden. Dies bedeutet, dass bei einem erfindungsgemäßen LiDAR-System mit beispielhaft zwei, drei oder vier rotierbaren Linsen durch einen geringeren Rotationswinkel der jeweiligen Linsen der Optikanordnung eine große Strahlablenkung ermöglicht wird. Hierdurch verbessern sich die Eigenschaften der Strahlablenkungsoptik insbesondere bei großen Scanwinkeln, die zudem bei geringeren Rotationswinkeln erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein großer annährend linearer Bereich, in dem der Winkel der Strahlablenkung dem Rotationswinkel entspricht, einen koaxialen und biaxialen Aufbau ermöglichen kann. Es ist ferner denkbar, dass mindestens eine Linse in einer kardanischen Lagerung beziehungsweise in zwei Raumrichtungen drehbeweglich gelagert ist. Eine kardanische Lagerung ist eine Lagerung in zwei sich schneidenden und zueinander in einem rechten Winkel angeordneten Drehlagern. Dadurch kann eine flexible Drehpositionierung der jeweiligen Linse sichergestellt werden, wodurch eine Kombination von horizontaler und vertikaler Scanrichtung ermöglicht wird. Des Weiteren wird eine Brechung der Lichtstrahlen beziehungsweise der Laserstrahlen auf jeweils vier optische Flächen der jeweiligen Linsenpaare geteilt, was zu kleineren Einfalls-/Ausfallswinkeln führt, wodurch geringere Reflexionsverluste beziehungsweise Streuverluste entstehen.
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Des Weiteren kann mit dem Laser in der Strahlablenkungsebene auf die Optikanordnung gestrahlt werden und trotzdem in diese Hauptstrahlrichtung elektromagnetische Strahlung aus dem LiDAR-System austreten. Die Linsen der Optikanordnung haben keine oder höchstens geringe Auswirkungen auf die Strahlform. Ist mindestens eine Linse statisch angeordnet, kann deren Außenoberfläche als Begrenzung zur Umwelt dienen, sodass keine weiteren optischen Verluste bei einem Durchgang durch eine Abdeckung oder ein Gehäuse des LiDAR-Systems in Kauf genommen werden müssen, wie es sonst der Fall wäre. Das LiDAR-System kann ein Automotive LiDAR-System sein, also zum Einbau in ein Kraftfahrzeug, oder auch für ein anderes scannendes System, das eine hohe Anforderung an die Strahlform benötigt, geeignet sein. Des Weiteren kann eine derartige Optikanordnung kompakt gebaut sein.
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Die Begriffe „erstes Linsenpaar“ und „zweites Linsenpaar“ sowie die Begriffe „erste Linse“, „zweite Linse“, „dritte Linse“ und „vierte Linse“ sollen in der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung keine Rangordnung oder Reihenfolge der Linsenpaare beziehungsweise Linsen in der Optikanordnung zum Ausdruck bringen, sondern nur zu deren eindeutigen Unterscheidbarkeit, also der besseren Klarheit dienen. Alternativ kann das erste Linsenpaar also einfach nur als Linsenpaar und das zweite Linsenpaar als weiteres Linsenpaar der Optikanordnung bezeichnet werden. Alternativ kann die erste Linse also einfach nur als Linse und die zweite Linse als weitere Linse der Optikanordnung bezeichnet werden oder die dritte Linse also einfach nur als Linse und die vierte Linse als weitere Linse der Optikanordnung bezeichnet werden.
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Bevorzugt weist die erste Linse und/oder die dritte Linse eine im Wesentlichen konvexe Oberfläche und eine im Wesentlichen plane Oberfläche auf. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die erste Linse und/oder die dritte Linse plan-konvex geformt beziehungsweise ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass eine Rotation der plan-konvex Linsen mit geringem Abstand zu den plan-konkaven Linsen möglich ist. Die plan-konvexen Linsen führen zu einer Fokussierung eines Laserstrahls oder der Abbildung aus dem Unendlichen.
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Vorzugsweise weist die zweite Linse und/oder die vierte Linse eine im Wesentlichen konkave Oberfläche und eine im Wesentlichen plane Oberfläche auf. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die zweite Linse und/oder die vierte Linse plan-konkav geformt beziehungsweise ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass die plan-konkaven Linsen sich insbesondere dazu eignen, die fokussierende Eigenschaft der plan-konvexen Linsen zu kompensieren.
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Bevorzugt ist die Anordnungsachse deckungsgleich mit einem Lichtstrahl, der von einer Lichtquelle in einer vorbestimmten Abstrahlrichtung hin zur ersten Linse emittierbar ist, wobei die Lichtquelle auch ein Laserlicht erzeugen kann, welches durch die Linsen in eine vorbestimmte Raumrichtung abgelenkt wird. Bevorzugt sind entweder die erste Linse und die dritte Linse oder die zweite Linse und die vierte Linse paarweise um die gemeinsame Rotationsachse rotierbar.
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Vorzugsweise ist die im Wesentlichen konvexe Oberfläche der ersten Linse oder der dritten Linse der im Wesentlichen konkaven Oberfläche der zweiten Linse oder der vierten Linse zugewandt. Mit anderen Worten ausgedrückt bildet die im Wesentlichen konvexe Oberfläche der ersten Linse bevorzugt ein Gegenstück zu der im Wesentlichen konkaven Oberfläche der zweiten Linse und/oder die im Wesentlichen konvexe Oberfläche der dritten Linse ein Gegenstück zu der im Wesentlichen konkaven Oberfläche der vierten Linse. Vorzugsweise greift jeweils die im Wesentlichen konvexe Oberfläche in die im Wesentlichen konkave Oberfläche ein. Man erhält beim Strahldurchgang durch beide Linsen des Linsenpaares das Verhalten eines Prismas, das je nach Rotationswinkel der rotierbaren Linse unterschiedliche Scheitelwinkel aufweist und somit zu einer vom Rotationswinkel abhängigen Strahlablenkung führt. So ist eine platzsparende Konstruktion der prismenartigen Optikanordnung möglich.
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Um sich in vorteilhafter Weise auf die Lebensdauer der Optikanordnung und die Drehbarkeit der rotierbaren Linse auszuwirken, ist vorzugsweise ein Spalt zwischen der konkaven Oberfläche und der konvexen Oberfläche der jeweiligen Linsen des jeweiligen Linsenpaares gebildet, wobei der Spalt Auswirkung auf die Strahlform beim Strahldurchgang durch die beiden Linsen des Linsenpaares haben kann. Um den Einfluss des Spalts auf die Strahlform aufzuheben, ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Krümmungsradien der zwei Linsen mindestens eines der zwei Linsenpaare aufeinander abgestimmt sind und die jeweiligen gekrümmten Oberflächen der zwei Linsen des mindestens einen Linsenpaares einander zugewandt sind. Bevorzugt ist der Spalt ein radial konstanter Spalt. Vorzugsweise sind die Krümmungsradien der im Wesentlichen konvexen und/oder der im Wesentlichen konkaven Oberfläche also dafür angepasst, den radial konstanten Spalt zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse bereitzustellen. Dies wirkt sich auch vorteilhaft bezüglich der Robustheit des Systems aus.
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Weiter ermöglicht das erfindungsgemäße LiDAR-System sehr vorteilhaft, dass die im Wesentlichen konvexe Oberfläche der ersten Linse und/oder der dritten Linse und/oder die im Wesentlichen konkave Oberfläche der zweiten Linse und/oder der vierten Linse sphärisch ausgebildet sein kann. Mit anderen Worten kann die im Wesentlichen konvexe Oberfläche der ersten Linse und/oder der dritten Linse und/oder die im Wesentlichen konkave Oberfläche der zweiten Linse und/oder der vierten Linse als Kreissegment ausgeführt sein. Dann kann eine Drehachse in einer Aufsicht auf das Kreissegment senkrecht durch den Mittelpunkt eines gedachten Vollkreises, auf dem das Kreissegment liegt, angeordnet sein. Ein bevorzugtes Kreissegment ist ein Halbkreis. Prinzipiell sind beide Linsen des jeweiligen Linsenpaares sowohl statisch als auch drehbeweglich realisierbar, wobei die Drehachse in allen Ausführungsformen dieselbe ist. Dies ermöglicht vorteilhafterweise einen kleineren Spalt zwischen den Linsen des jeweiligen Linsenpaares.
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Bevorzugt ist zumindest eine erste Linse oder zweite Linse des ersten Linsenpaares und/oder zumindest eine dritte Linse oder vierte Linse des zweiten Linsenpaares zylinderförmig ausgebildet, besonders bevorzugt mit halbkreisförmigem Querschnitt. So kann eine Optikanordnung mit hoher Symmetrie bereitgestellt werden, was erlauben kann, einen großen Scanwinkel mit annähernd gleichbleibender Strahlgeometrie abzutasten. Bei einer zylinderförmigen Ausführung der Linsen wird der Scanwinkel in der zweiten Raumrichtung nicht beeinflusst. Somit kann beispielsweise durch einen statisch angeordneten Schwingspiegel zuerst ein auf einer Linie oszillierender Strahl erzeugt werden, der danach durch die Linsen zusätzlich in eine weitere Raumrichtung abgelenkt wird.
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Bevorzugt weist das LiDAR-System der Optikanordnung einen Schwingspiegel auf, der derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er eine Änderung des optischen Pfads ermöglicht. Vorzugsweise kann der Schwingspiegel statisch im LiDAR-System angeordnet sein. Bevorzugt ist, dass der Schwingspiegel dafür eingerichtet ist, den Lichtstrahl auf dem optischen Pfad in die zweite Scanrichtung umzulenken. Wird durch die erste Scanrichtung ein Scannen in einer horizontalen Ebene ermöglicht, dient die zweite Scanrichtung vorzugsweise einem Scannen in einer vertikalen Ebene. Des Weiteren wird durch die erste Scanrichtung ein Scannen in einer vertikalen Ebene ermöglicht, dient die zweite Scanrichtung vorzugsweise einem Scannen in einer horizontalen Ebene. Bevorzugte Strahlablenkungselemente sind der Schwingspiegel und/oder weitere Linsen zusätzlich zu der ersten Linse und der zweiten Linse. Vorzugsweise ist ein Detektor für den Lichtstrahl in Verlaufsrichtung des optischen Pfads dem Schwingspiegel nachgelagert, was ein Loch in der Empfangsapertur verursacht. Dies erlaubt eine mindestens teilweise koaxiale Anordnung. In alternativen Ausführungsformen kann eine biaxiale Anordnung vorgesehen sein. Dann kann die Empfangseinheit in eine andere Ebene verlagert werden. Dies setzt wiederum größere Linsen voraus, was zu einer Vergrößerung des Bauraums führen kann. Ein weiterer Effekt ist ein geringeres Empfangssignal, da der Empfangspfad nicht mehr auf der Sendeachse liegt und durch diesen axialen Versatz den beleuchteten Spot unter einem Winkel betrachtet. Ein bevorzugter Schwingspiegel ist ein Galvospiegel. Alternativ können auch andere Schwingspiegelkonzepte wie beispielsweise ein µ-Spiegel verwendet werden.
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Vorzugsweise weist das LiDAR-System ferner eine Strahlformungseinheit auf, wobei die Strahlformungseinheit dazu ausgebildet ist, mindestens eine Eigenschaft eines einfallenden Lichtstrahls zu verändern. Die Strahlformungseinheit kann sowohl den Schwingspiegel, als auch die vier Linsen umfassen, da sowohl der Schwingspiegel als auch die vier Linsen nur einen sehr geringen Einfluss auf die Strahlform haben. Die Strahlformungseinheit kann mindestens ein optisches Element (zum Beispiel Linsen) aufweisen und vor dem Schwingspiegel ausgebildet sein, um die gewünschten Strahleigenschaften für den Scan zu generieren. Bevorzugt ist also, dass das LiDAR-System eine Strahlformungseinheit aufweist, die dafür eingerichtet ist, Strahleigenschaften einzuprägen, bevor der Lichtstrahl auf ein Strahlablenkungselement des LiDAR-Systems trifft.
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Weiter ermöglicht das erfindungsgemäße LiDAR-System sehr vorteilhaft, dass das LiDAR-System mehrere Laser-Detektor-Paare umfasst. Vorzugsweise sieht das LiDAR-System mehrere Laser als Lichtquellen vor, die unter unterschiedlichen Einstrahlwinkeln in die Optikanordnung einstrahlen, vorzugsweise auf den Schwingspiegel. So kann ein größeres vertikales Sichtfeld und/oder eine höhere Auflösung für das LiDAR-System bereitgestellt werden. Zudem kann vorzugsweise die maximale Auslenkung des Schwingspiegels reduziert werden. Des Weiteren kann statt des Schwingspiegels auch eine Lichtquelle, beziehungsweise eine Lichtquelle mit zusätzlicher Optik mit linienförmiger Abstrahlcharakteristik zur Abtastung der zweiten Raumrichtung verwendet werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist ein LiDAR-System 100 gemäß einer ersten Ausführungsform in einer schematischen Aufsicht gezeigt. Das LiDAR-System 100 umfasst eine Optikanordnung 50. Die Optikanordnung 50 weist ein erstes Linsenpaar 12 auf. Das erste Linsenpaar 12 umfasst eine erste Linse 1 und eine zweite Linse 2. Die zweite Linse 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel statisch angeordnet. Die erste Linse 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel bezogen auf die zweite Linse 2 drehbeweglich gelagert.
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Ein Lichtpfad LA ist der Pfad, den ein Lichtstrahl zurücklegt, der von einer Lichtquelle 5 des LiDAR-Systems 100, hier einem Laser, ausgesendet wird. Eine gestrichelte Linie kennzeichnet in 1 und auch allen folgenden Figuren eine Abstrahlrichtung des Lichtstrahls, ausgehend von der Lichtquelle 5. Die Abstrahlrichtung wird hier auch als Hauptstrahlrichtung bezeichnet. Die Lichtquelle 5 kann bezogen auf die erste Linse 1 statisch angeordnet sein. Um das LiDAR-System 100 zu optimieren, ist die erste Linse 1 der Optikanordnung 50 um eine gemeinsame Rotationsachse RA rotierbar angeordnet, wobei der Laser, also die Lichtquelle 5, und meist auch ein Detektor 6 ortsfest sind. Die erste Linse 1 und die zweite Linse 2 liegen auf einer gemeinsamen Anordnungsachse AA. Die Anordnungsachse AA ist bis hin zur ersten Linse 1 deckungsgleich mit dem von der Lichtquelle 5 in die Hauptstrahlrichtung ausgehenden Lichtstrahl. Mit anderen Worten ist die Anordnungsachse AA deckungsgleich mit einem Teil des Lichtpfads LA.
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Die Lichtquelle 5, die erste Linse 1, die zweite Linse 2 und der Detektor 6 sind wie im ersten Ausführungsbeispiel koaxial zueinander auf einer gemeinsamen spiegelsymmetrischen Anordnungsachse AA angeordnet. Die Rotationsachse RA der ersten Linse 1 verläuft in einem Winkel, vorzugsweise senkrecht, zur Anordnungsachse AA und durch die Anordnungsachse AA hindurch. Es ist ferner denkbar, dass die drehbeweglich gelagerte erste Linse 1 auf der Anordnungsachse AA hinter der statischen zweiten Linse 2, von der Lichtquelle 5 aus betrachtet, angeordnet ist. Das heißt, der Lichtstrahl, der von der Lichtquelle 5 ausgesendet wird, durchläuft zuerst die zweite Linse 2 und dann die erste Linse 1.
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Die Optikanordnung 50 des LiDAR-Systems 100 erlaubt es, mittels der ersten Linse 1 und der zweiten Linse 2 eine Strahlablenkung des Lichtpfads LA in eine Raumrichtung zu bewirken. Hierdurch kann mit dem Laser, der Lichtquelle 5, in der Strahlablenkungsebene auf die Optikanordnung 50 gestrahlt und trotzdem die Hauptstrahlrichtung genutzt werden. Man erhält beim Strahldurchgang durch beide Linsen 1, 2 das Verhalten eines Prismas, das je nach Rotationswinkel der ersten Linse 1 unterschiedliche Scheitelwinkel aufweist und somit zu einer vom Rotationswinkel der ersten Linse 1 abhängigen Strahlablenkung führt.
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Vom Laser, der Lichtquelle 5, kann der Lichtstrahl auf dem Lichtpfad LA zunächst die erste Linse 1 und dann die zweite Linse 2 durchlaufen. Die erste Linse 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, in Rotation versetzt zu werden, um eine Strahlablenkung des Lichtpfads LA in mindestens eine Raumrichtung zu bewirken. Die erste Linse 1 ist zu diesem Zweck in eine Raumrichtung drehbeweglich gelagert, sodass eine Winkelbeziehung zwischen Oberflächen der ersten Linse 1 und Oberflächen der zweiten Linse 2 variierbar ist, um die Strahlablenkung zu bewirken. Die Lagerung kann durch ein einfaches Drehlager erfolgen, das die Rotation in einer Ebene parallel zur Scanebene des Lichtstrahls erlaubt.
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Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die drehbeweglich gelagerte, erste Linse 1 eine im Wesentlichen konvexe Oberfläche 7 und eine im Wesentlichen plane Oberfläche 8 auf. Mit anderen Worten ausgedrückt kann die erste Linse 1 plan-konvex geformt beziehungsweise ausgeführt sein. Des Weiteren kann die zweite Linse 2 eine im Wesentlichen konkave Oberfläche 9 und eine im Wesentlichen plane Oberfläche 10 aufweisen. Mit anderen Worten ausgedrückt kann die zweite Linse 2 plan-konkav geformt beziehungsweise ausgeführt sein.
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Die im Wesentlichen konvexe Oberfläche 7 der rotierbaren ersten Linse 1 ist der im Wesentlichen konkaven Oberfläche 9 der zweiten Linse zugewandt. Zwischen der konvexen Oberfläche 7 und der im Wesentlichen konkaven Oberfläche 9 ist ein erster Spalt 11 gebildet. Dies bedeutet, dass die im Wesentlichen konvexe Oberfläche 7 der ersten Linse 1 bevorzugt ein Gegenstück zu der konkaven Oberfläche 9 der zweiten Linse ist. Genauer gesagt, ist die konvex gewölbte Oberfläche 7 angrenzend an die ebenfalls auf dem Lichtpfad LA liegende im Wesentlichen konkave Oberfläche 9 angeordnet, sodass die im Wesentlichen konvexe Oberfläche 7 der ersten Linse 1 in die im Wesentlichen konkave Oberfläche 9 der zweiten Linse 2 eingreift. Die Krümmungsradien der zwei Linsen 1, 2 des ersten Linsenpaares 12 sind aufeinander abgestimmt und die jeweiligen gekrümmten Oberflächen 7, 9 der zwei Linsen 1, 2 des ersten Linsenpaares 12 einander zugewandt. Dies bedeutet, dass der Krümmungsradius der im Wesentlichen konvexen Oberfläche 7 von dem Krümmungsradius der im Wesentlichen konkaven Oberfläche 9 abweicht, um den ersten Spalt 11 zwischen der ersten Linse 1 und der zweiten Linse 2 zu korrigieren. Manche nicht gezeigten Ausführungsformen sehen vor, dass ein Krümmungsradius der im Wesentlichen konvexen Oberfläche 7 hier also genau einem Krümmungsradius der im Wesentlichen konkaven Oberfläche 9 entspricht.
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Gemäß der 1 ist die plane Oberfläche 8 der ersten Linse 1 eine Außenoberfläche der ersten Linse 1, in die der Lichtstrahl auf dem Lichtpfad LA von der Lichtquelle 5 kommend als erstes eintritt, bevor er die erste Linse 1 und die zweite Linse 2 durchläuft. Des Weiteren weist auch die zweite Linse 2 als eine weitere Oberfläche auf dem Lichtpfad LA die plane Oberfläche 10 auf. Die plane Oberfläche 10 der zweiten Linse 2 ist eine Außenoberfläche der zweiten Linse 2, durch die der Lichtstrahl auf dem Lichtpfad LA von der Lichtquelle 5 kommend als letztes austritt, nachdem er die erste Linse 1 und die zweite Linse 2 durchlaufen hat. In der Aufsicht orthogonal zur Rotationsachse RA ist die im Wesentlichen konvexe Oberfläche 7 der ersten Linse 1 und/oder die im Wesentlichen konkave Oberfläche 9 der zweiten Linse 2 halbkreisförmig ausgebildet. Die Rotationsachse RA der ersten Linse 1 kann entlang der Mittelachse der planen Oberfläche 8 der ersten Linse 1 verlaufen. Die Rotationsachse RA der ersten Linse 1 kann in der Aufsicht durch den Kreismittelpunkt eines Kreises verlaufen, dessen halber Kreisumfang von der im Wesentlichen konvexen Oberfläche 7 beschrieben ist. Im Aufbau kann der Sendestrahl, also der vom Laser, der Lichtquelle 5, kommende Lichtstrahl, zuerst auf die rotierbare plan-konvexe erste Linse 1 treffen und abgelenkt werden und dann durch die statische plan-konkave zweite Linse 2 weiter abgelenkt werden. Mit anderen Worten ausgedrückt rufen die beiden Linsen 1 und 2 eine Strahlablenkung hervor.
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In der 2 ist das LiDAR-System 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer schematischen Aufsicht gezeigt. Das LiDAR-System 100 umfasst die Optikanordnung 50, die das erste Linsenpaar 12 und ein zweites Linsenpaar 34 aufweist. Das erste Linsenpaar 12 umfasst die erste Linse 1 und die zweite Linse 2. Das zweite Linsenpaar 34 umfasst eine dritte Linse 3 und eine vierte Linse 4. Das erste Linsenpaar 12 und das zweite Linsenpaar 34 sind räumlich aufeinanderfolgend auf der Anordnungsachse AA angeordnet. Die Lichtquelle 5 ist bezogen auf ein Gehäuse, das das LiDAR-System 100 abdecken kann, statisch angeordnet, wobei das LiDAR-System 100 in ein Kraftfahrzeug eingebaut sein kann, um effektiv die Fahrsicherheit des Kraftfahrzeugs zu erhöhen.
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Des Weiteren sind das erste Linsenpaar 12 und das zweite Linsenpaar 34 in diesem Ausführungsbeispiel teilweise rotationssymmetrisch um die gemeinsame Rotationsachse RA angeordnet. Dabei ist eine oder mehrere der ersten Linse 1, der zweiten Linse 2, der dritten Linse 3 und der vierten Linse 4 um die gemeinsame Rotationsachse RA rotierbar angeordnet, wobei der Laser, also die Lichtquelle 5, und meist auch der Detektor 6 ortsfest sind. Bevorzugt rotieren entweder die erste Linse 1 und die dritte Linse 3 oder die zweite Linse 2 und die vierte Linse 4 paarweise um die gemeinsame Rotationsachse RA.
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Wie in 2 veranschaulicht weist die erste Linse 1 die im Wesentlichen konvexe Oberfläche 7 und die im Wesentlichen plane Oberfläche 8 auf. Des Weiteren weist die dritte Linse 3 eine im Wesentlichen konvexe Oberfläche 13 und eine im Wesentlichen plane Oberfläche 14 auf. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die erste Linse 1 und/oder die dritte Linse 3 plan-konvex geformt beziehungsweise ausgeführt. Vorzugsweise weist die zweite Linse 2 die im Wesentlichen konkave Oberfläche 9 und die im Wesentlichen plane Oberfläche 10 auf. Des Weiteren weist die vierte Linse 4 eine im Wesentlichen konkave Oberfläche 15 und eine im Wesentlichen plane Oberfläche 16 auf. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die zweite Linse 2 und/oder die vierte Linse 4 plan-konkav geformt beziehungsweise ausgeführt.
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Die im Wesentlichen konvexe Oberfläche 7 der ersten Linse 1 ist der im Wesentlichen konkaven Oberfläche 9 der zweiten Linse 2 zugewandt. Des Weiteren ist die im Wesentlichen konvexe Oberfläche 13 der dritten Linse 3 der im Wesentlichen konkaven Oberfläche 15 der vierten Linse 4 zugewandt. Vorzugsweise greifen die entsprechend im Wesentlichen konvexen Oberflächen 7; 13 in die im Wesentlichen konkaven Oberflächen 9; 15 ein. Man erhält beim Strahldurchgang durch beide Linsen 1, 2 beziehungsweise 3, 4 des Linsenpaares 12 beziehungsweise 34 das Verhalten eines Prismas, das je nach Rotationswinkel der rotierbaren Linse 1, 2, 3, 4 unterschiedliche Scheitelwinkel aufweist und somit zu einer vom Rotationswinkel abhängigen Strahlablenkung führt. So ist eine platzsparende Konstruktion der prismenartigen Optikanordnung möglich. Des Weiteren können eine oder mehrere der Linsen 1,2,3,4 in jeder Kombinationsmöglichkeit drehbar um die gemeinsame Rotationsachse RA sein.
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Bei dem ersten Linsenpaar 12 ist der erste Spalt 11 zwischen der im Wesentlichen konvexen Oberfläche 7 der ersten Linse 1 und der im Wesentlichen konkaven Oberfläche 9 der zweiten Linse 2 gebildet. Auf ähnliche Weise ist bei dem zweiten Linsenpaar 34 ein zweiter Spalt 17 zwischen der im Wesentlichen konvexen Oberfläche 13 der dritten Linse 3 und der im Wesentlichen konkaven Oberfläche 15 der vierten Linse 4 gebildet. Dies bedeutet, dass die im Wesentlichen konvexen Oberflächen 7, 13 der zwei Linsen 1, 3 bevorzugt Gegenstücke zu den konkaven Oberflächen 9, 15 der zwei Linsen 2, 4 sind. Genauer gesagt, sind die konvex gewölbten Oberflächen 7, 13 angrenzend an die ebenfalls auf dem Lichtpfad LA liegenden im Wesentlichen konkaven Oberflächen 9, 15 angeordnet, sodass die im Wesentlichen konvexen Oberflächen 7,13 der zwei Linsen 1, 3 in die im Wesentlichen konkaven Oberflächen 9, 15 der zwei Linsen 2, 4 eingreifen. Die Krümmungsradien der zwei Linsen 1, 2 beziehungsweise 3, 4 mindestens eines der zwei Linsenpaare 12 beziehungsweise 34 können aufeinander abgestimmt sein. Dies bedeutet, dass die Krümmungsradien der im Wesentlichen konvexen Oberflächen 7, 13 von den Krümmungsradien der im Wesentlichen konkaven Oberflächen 9, 15 abweichen, um den ersten Spalt 11 zwischen den zwei Linsen 1, 2 beziehungsweise den zweiten Spalt 17 zwischen den zwei Linsen 3, 4 zu korrigieren. Das heißt, dass in diesem Ausführungsbeispiel, die im Wesentlichen konvexe Oberfläche 7 beziehungsweise 13 und die im Wesentlichen konkave Oberfläche 9 beziehungsweise 15, der zwei Linsen 1, 2 beziehungsweise 3, 4 des mindestens einen Linsenpaares 12 beziehungsweise 34 einander zugewandt sind.
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Die im Wesentlichen konvexe Oberfläche 7 der ersten Linse 1 und/oder die im Wesentlichen konkave Oberfläche 9 der zweiten Linse 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel sphärisch ausgebildet. Des Weiteren sind die im Wesentlichen konvexe Oberfläche 13 der dritten Linse 3 und/oder die im Wesentlichen konkave Oberfläche 15 der vierten Linse 4 sphärisch ausgebildet. Es ist ferner denkbar, dass zumindest eine der ersten Linse 1 oder der zweiten Linse 2 des ersten Linsenpaares 12 und/oder zumindest eine der dritten Linse 3 oder der vierten Linse 4 des zweiten Linsenpaares 34 zylinderförmig ausgebildet sein kann, besonders vorzugsweise mit halbkreisförmigem Querschnitt.
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Die beiden plan-konvexen Linsen 1, 3, das heißt, die erste Linse 1 und die dritte Linse 3, sind derart ausgebildet, dass die beiden plan-konvexen Linsen 1, 3 synchron um die Rotationsachse RA rotieren können. Dadurch kann eine Lichtbrechung für eine Strahlablenkung auf die vier planen Flächen 8, 10, 14, 16 aufgeteilt werden, dies kann zu kleineren Einfalls-/Ausfallswinkeln führen, was weniger Reflexionsverluste, beziehungsweise Streuverluste ermöglicht. Des Weiteren sind die beiden konkav-planen Linsen 2, 4, das heißt, die zweite Linse 2 und die vierte Linse 4, derart ausgebildet, dass sie synchron um die Rotationsachse RA rotieren können. Ferner können drei Linsen oder vier Linsen 1, 2, 3, 4 um die Rotationsachse RA rotieren. Im Fall, dass mehrere Linsen um die Rotationsachse RA rotieren, können diese Rotationsbewegungen auch asynchron oder gegenläufig ausgeführt werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Optikanordnung 50 derart aufgebaut, dass die Lichtquelle 5 den Sendestrahl zuerst auf die erste Linse 1 des ersten Linsenpaares 12 in einer in 2 veranschaulichten Hauptstrahlrichtung des Lichtpfades LA emittiert. Es ist ferner denkbar, dass die Lichtquelle 5 derart ausgelegt ist, dass die Lichtquelle 5 den Sendestrahl zuerst auf die vierte Linse 4 des zweiten Linsenpaares 34 in einer entgegengesetzten Richtung zur Hauptstrahlrichtung emittiert. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Lichtquelle 5 vor der ersten Linse 1 ausgebildet oder hinter der vierten Linse 4 des zweiten Linsenpaares 34 angeordnet.
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Das in 3 schematisch veranschaulichte dritte Ausführungsbeispiel des LiDAR-Systems 100 weist im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen in 1 und 2 statt einer Lichtquelle 5 zwei Lichtquellen 5, 5' auf, die zueinander angewinkelt angeordnet sind, sodass sie zueinander angewinkelte Lichtstrahlen entlang des jeweiligen Lichtpfades LA, LA', die zueinander angewinkelt sind, in einer gemeinsamen Ebene emittieren. Die Lichtquelle 5 und die Linsenpaare 12, 34 sind auf einer gemeinsamen Anordnungsachse AA platziert. Die Lichtquelle 5' und die Linsenpaare 12', 34' sind auf einer weiteren gemeinsamen Anordnungsachse AA' platziert. Die Anordnungsachsen AA, AA' sind in einem Winkel zueinander angeordnet.
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Das in 3 gezeigte LiDAR-System 100 weist die Optikanordnung 50 auf, die das erste Linsenpaar 12, das zweite Linsenpaar 34, das dritte Linsenpaar 12' und das vierte Linsenpaar 34' umfasst. Das erste Linsenpaar 12 weist die erste Linse 1 und die zweite Linse 2 auf. Das zweite Linsenpaar 34 weist die dritte Linse 3 und die vierte Linse 4 auf. Das dritte Linsenpaar 12' weist eine fünfte Linse 1' und eine sechste Linse 2' auf. Das vierte Linsenpaar 34' weist eine siebte Linse 3' und eine achte Linse 4' auf. Hierbei ist mindestens eine Linse der jeweiligen Linsenpaare 12, 34, 12', 34' um eine gemeinsame Hauptrotationsachse HA rotierbar. Es ist ferner denkbar, dass die Linsen 1, 1', 3, 3' gemeinsam rotieren und /oder die Linsen 2, 2', 4, 4' gemeinsam rotieren, wobei immer die Linsen mit derselben Zahl (zum Beispiel 1, 1') synchron rotieren können, aber verschiedene Zahlenpaare (zum Beispiel 1, 1' und 3, 3') synchron, asynchron oder gegenläufig rotieren können. Die vier zueinander angewinkelt angeordneten Linsenpaare 12, 34, 12', 34' haben den Zweck, ein Sichtfeld des LiDAR-Sensors zu parallelisieren und/oder zu vergrößern.
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In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des LiDAR-Systems 100 in einer Seitenansicht senkrecht zur Aufsicht schematisch veranschaulicht. Die Optikanordnung des LiDAR-Systems 100 weist einen meist ortsfesten Schwingspiegel 18 auf, der im Lichtpfad LA nach der Lichtquelle 5 und vor der ersten Linse 1 und der zweiten Linse 2 des ersten Linsenpaares 12 angeordnet ist, wobei sich das zweite Linsenpaar 34 hinter dem ersten Linsenpaar 12 entsprechend der Abstrahlrichtung der Lichtquelle 5 befindet. Der Schwingspiegel 18 ermöglicht eine Änderung des Lichtpfads LA. So wird eine weitere Scanrichtung bereitgestellt, senkrecht zur Scanrichtung aus den ersten drei Ausführungsbeispielen. Die erste Linse 1, die zweite Linse 2, die dritte Linse 3 und die vierte Linse 4 können hier aufgrund der Durchtrittsrichtung des Lichtstrahls durch die erste Linse 1, die zweite Linse 2, die dritte Linse 3 und die vierte Linse 4 und deren zylinderförmiger Ausführung keinen Einfluss auf die Scanrichtung des vom Schwingspiegel 12 abgelenkten Lichtstrahls haben.
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Gemäß des vierten Ausführungsbeispiels in 4 ist der Detektor 6 auf der Anordnungsachse AA hinter dem Schwingspiegel 18 zur Detektion des einfallenden Lichtstrahls, wenn er von einem zu scannenden Objekt (nicht gezeigt) reflektiert beziehungsweise gestreut worden ist, angeordnet. Die Lichtquelle 5 liegt in einem Winkel, vorzugsweise senkrecht, zur Anordnungsachse AA.
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In 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des LiDAR-Systems 100 in einer Seitenansicht senkrecht zur Aufsicht schematisch veranschaulicht. Hier ist der Detektor 6 auf dem optischen Pfad LA hinter dem Schwingspiegel 18 angeordnet, für den einfallenden Lichtstrahl, wenn er von einem zu scannenden Objekt (nicht gezeigt) reflektiert worden ist. Die Detektionsrichtung des Detektors 6 liegt senkrecht zur Abstrahlrichtung der Lichtquelle 5. Hier kann in der Empfangsapertur bedingt durch den Schwingspiegel 18 ein Loch verursacht sein, da der Schwingspiegel 18 den Detektor 6 zur ersten Linse 1, zweiten Linse 2, dritten Linse 3 und vierten Linse 4 hin teilweise abschattet. Hier wird dies auch als teilweise koaxiale Anordnung bezeichnet, da die Lichtquelle 5 seitlich zu der Anordnungsachse zwischen Detektor 6 und Schwingspiegel 18 liegt. Für den Detektor 6 ist eine Fokussieroptik 19 vorgesehen, um den einfallenden Lichtstrahl auf den Detektor 6 zu fokussieren. Die Fokussieroptik 19 ist im Lichtpfad LA zwischen Schwingspiegel 18 und Detektor 6 auf der Anordnungsachse meist ortsfest positioniert.
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Bei dem vierten und fünften Ausführungsbeispiel können mehrere Laser-Detektor-Paare in Abwandlungen ausgeführt sein. Dann sind mehrere Laser vorgesehen, die unter unterschiedlichen Einstrahlwinkeln auf den Schwingspiegel 18 gerichtet sind. Zudem kann das vierte Ausführungsbeispiel insbesondere mit dem ersten Ausführungsbeispiel, dem zweiten Ausführungsbeispiel oder dem dritten Ausführungsbeispiel kombiniert werden, um ein LiDAR-System 100 mit zwei Scanrichtungen bereitzustellen. Die erste Scanrichtung kann dabei die Brechung durch die erste Linse 1, die zweite Linse 2, die dritte Linse 3 und die vierte Linse 4 nutzen, während die zweite Scanrichtung den Schwingspiegel 18 nutzen kann. Die erste Linse 1, die zweite Linse 2, die dritte Linse 3 und die vierte Linse 4 können aber keinen Einfluss auf die zweite Scanrichtung haben.
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In den gezeigten Ausführungsformen sind die erste Linse 1, die zweite Linse 2, die dritte Linse 3 und die vierte Linse 4 zylinderförmig ausgeführt. Bei einer zylinderförmigen Ausführung der Linsen 1, 2, 3, 4 kann der Scanwinkel in der zweiten Raumrichtung bei entsprechendem Aufbau nicht beeinflusst werden. Somit wird beispielsweise durch den statisch angeordneten Schwingspiegel 12 zuerst ein auf einer Linie oszillierender Lichtstrahl erzeugt, der danach durch die erste Linse 1, die zweite Linse 2, die dritte Linse 3 und die vierte Linse 4 noch um einen weiteren Winkel bezüglich der Linie abgelenkt wird.
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In weiteren nicht gezeigten Ausführungsformen weist das LiDAR-System 100 eine Strahlformungseinheit auf, die dafür eingerichtet ist, Strahleigenschaften einzuprägen, bevor der Lichtstrahl auf ein Strahlablenkungselement des LiDAR-Systems 100 trifft. In manchen nicht gezeigten Ausführungsformen sind beispielsweise eine Strahlformung vor dem Schwingspiegel 18 vorgesehen. Auch dann ist eine koaxiale Umsetzung des LiDAR-Systems 100 möglich. Alle vorherigen beschriebenen Ausführungsformen des LiDAR-Systems 100 können als eine biaxiale Umsetzung des LiDAR-Systems 100 möglich sein. Der Detektor kann statisch oder auf einem Rotor dynamisch angeordnet sein. Ein bevorzugter Detektor 6 ist ein photosensitiver Zeilendetektor, besonders vorzugsweise ein APD-Array. Ein APD-Array kann im Vergleich zu einer Einzel-APD mit gleicher Detektorfläche ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis erreichen.
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Es sollte verstanden werden, dass das LiDAR-System 1 neben den hier beschriebenen Komponenten, wie beispielsweise der Lichtquelle 5, 5', dem Detektor 6, der ersten Linse 1, der zweiten Linse 2, der dritten Linse 3, der vierten Linse 4 und dem Schwingspiegel 18, noch weitere Komponenten aufweisen kann, wie beispielsweise ein Schutzglas zur Verkapselung des LiDAR-Systems 100, Strahlformungsoptiken, Umlenkspiegel, optische Filter, etc. Diese weiteren Komponenten sind aus Gründen der Vereinfachung jedoch weder in den Figuren gezeigt, noch voranstehend beschrieben worden. Die zwei Lichtquellen 5, 5' und vier Linsenpaare 12, 34, 12', 34' können auf zwei in einem Winkel zueinanderstehenden Anordnungsachsen angeordnet sein, und ferner dazu ausgebildet sein, eine Vergrößerung und/oder Parallelisierung eines Sichtfelds zu ermöglichen.
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Es ist denkbar, dass ein Detektorelement auf der Anordnungsachse AA hinter den Linsenpaaren 12, 34, 12', 34' für den einfallenden Lichtstrahl, wenn er von einem zu scannenden Objekt reflektiert beziehungsweise gestreut worden ist, angeordnet ist. Des Weiteren ist ein Detektorelement versetzt zur Anordnungsachse AA angeordnet. Ferner kann das Detektorelement ein photosensitiver Zeilendetektor sein.
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Es ist denkbar, dass eine oder mehrere der ersten Linse 1, der zweiten Linse 2, der dritten Linse 3 und der vierten Linse 4 zwei oder mehr zueinander angewinkelt angeordnete Facetten aufweisen, um ein Sichtfeld zu parallelisieren und/oder zu vergrößern. Beispielsweise ist die erste Linse 1 des ersten Linsenpaares 12 aus zwei der mehreren Teillinsen gebildet, die jeweils eine Facette darstellen, wobei einer Innenfläche der zweiten Linse 2 zwei oder mehr zueinander angewinkelt angeordnete Facetten zugeordnet sein können, um ein Sichtfeld zu parallelisieren und/oder zu vergrößern.
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Voranstehend wird also ein LiDAR-System 100 beschrieben, das eine Strahlablenkung in einem großen Winkelbereich mit hohen Anforderungen an die Strahlform in effizienter Weise ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012021831 A1 [0004]
- DE 102013012789 A1 [0004]
- EP 2304489 B1 [0005]
