WO2018215399A1 - Verfahren und vorrichtung zum abtasten eines raumwinkels - Google Patents

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Siegwart Bogatscher
Annemarie Holleczek
Reiner Schnitzer
Matthias Baier
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Rotation axis is added an additional deflection of the laser beam along a horizontal axis of rotation or pivot axis.
  • Laser beam is usually deflected in a line in such a way that the entire solid angle is scanned with a defined resolution. Decisive is in particular the distance between the scanning paths of the laser beam. Thus, a compromise must be made between the resolution and a sampling frequency of such a device. To fill the gaps between the
  • an interlaced method is known, which can reduce possible distances between the scanning paths similar to an interlaced scanning process by multiple scans or additional scans over an entire solid angle.
  • an interlaced method is known, which can reduce possible distances between the scanning paths similar to an interlaced scanning process by multiple scans or additional scans over an entire solid angle.
  • the object underlying the invention can be seen to provide a LIDAR device and a method for scanning a range or a solid angle with an increased resolution at least constant sampling frequency.
  • Solid angles provided with at least one electromagnetic beam.
  • at least one electromagnetic beam is generated and then deflected by a horizontal angle and / or by a vertical angle through a rotatable or pivotable mirror.
  • the at least one electromagnetic beam is decomposed by a duplicating unit, such as a beam splitter, into at least two sub-beams with different solid angles, the scanning of the solid angles being done with the at least two electromagnetic beams.
  • Electromagnetic rays can be reflected or scattered by objects in the room. By a along the horizontal angle in synchronization with the mirror rotatable receiving optics is at least one reflected
  • the entire pivoting range of the mirror and thus the entire angular range which an electromagnetic beam covers in space can be mapped onto a corresponding detector element.
  • the measuring rate of a scanner or a LIDAR device which represents the number of measuring points per revolution or angle I range, can be at least doubled.
  • the frame rate or sampling frequency can be the same or increased.
  • Beam is preferably generated by a laser or other light source such as highly focused LEDs.
  • the laser may be positioned stationary or non-rotatable and in the direction of the vertical
  • the horizontal angle and the Vertical angles span a solid angle, which may be conical or pyramidal.
  • the at least two beams may in this case be arranged horizontally next to each other, so that at least two scanning paths emerge from each scanning path, which may be arranged next to one another. This allows a larger horizontal angle at the same
  • Sampling frequency are scanned or scanned or at
  • Each scan path consists of a plurality of measurement points or
  • each generated measuring point can be unambiguously assigned to a generated measuring point in an evaluation of received reflected measuring points.
  • the at least two beams may alternatively be arranged vertically next to each other, so that analogous to a horizontal
  • the vertical angle, the sampling frequency or the vertical resolution can be increased. Combinations of the properties are possible.
  • a corresponding deflection mirror with lower requirements for a maximum possible pivoting range can be used. This creates a greater freedom of design in the design of the mirror or a mirror. Furthermore, blooming can be prevented or at least reduced because, due to the receiving optics, the respective beams are imaged onto separate detector elements. Since the at least one generated electromagnetic beam is divided into at least two partial beams with different solid angles, the points of impact of the at least two received beams on the detector elements are also spatially far apart. Therefore, the overexposure of a
  • Lead detector element or only limited to an overexposure of adjacent detector elements.
  • the at least two electromagnetic beams are offset by at least two angles
  • Radiation sources such as laser can be arranged side by side and each emit a beam to a mirror.
  • the least two Radiation sources can be angularly offset, so that after the
  • the rays also have an angular offset from each other.
  • the at least two radiation sources can also be aligned parallel to one another and thus generate parallel beams.
  • the angular offset can be realized by a mirror curvature.
  • an angular offset of the at least two beams can be increased or reduced via a mirror curvature.
  • At least one electromagnetic beam is generated by at least one radiation source, wherein the at least one electromagnetic beam is divided into at least two electromagnetic beams by a beam splitter connected downstream of the rotatable mirror.
  • a beam splitter can be realized, for example, by a plurality of mirrors which are partially transparent to the electromagnetic beams. Based on an orientation or angular position of the mirror, the respective branched rays can have an individual angle relative to one another.
  • the beams may, for example, be aligned parallel to one another or have a variable angular offset from one another.
  • the generated beam may also be split or split evenly or nonuniformly into at least two beams by a prism, a beam splitter cube or a diffractive optical element.
  • the beam splitter is preferably in an optical path of the at least one
  • the at least two generated electromagnetic beams are generated spaced from each other.
  • the generated electromagnetic radiation at a defined distance from each other, which is independent of an object or target to be scanned. This can simplify an evaluation of the scanned area.
  • the at least two generated electromagnetic beams are generated angularly offset from each other.
  • the generated rays have a
  • At least two parallel electromagnetic beams each become one
  • Beam group so that the light energy in a beam bundled meets an object point.
  • an increased measuring range can be achieved with regard to eye safety.
  • the at least two electromagnetic beams of at least one beam group are generated aligned parallel to one another.
  • a plurality of beams of a beam group may have an equal angle relative to a common optical axis.
  • Other or further groups of rays may have a different angle. By the same angle all rays of a ray group, a ray group can be technically easily realized.
  • the at least one received by the receiving optics is reflected
  • Each group of rays generated can be assigned a detector group.
  • the receiving optics can deflect or guide reflected beams to specific detector groups.
  • At least one detector element is assigned based on a spacing or an angular offset to at least one generated electromagnetic beam or a beam group.
  • the detector elements may be relative to a lo emission angle or an alignment of the generated beam groups
  • a LIDAR apparatus for scanning solid angles with at least one electromagnetic beam in accordance with a method of one aspect of the invention.
  • the LIDAR device has at least one radiation source for generating at least one electromagnetic beam.
  • the device has a receiving optics rotatable synchronously with the mirror for receiving at least one electromagnetic beam reflected on an object, wherein at least two electromagnetic beams are generated.
  • At least two scanning paths arranged next to one another can be generated instead of a scanning path.
  • possible gaps between the scanning paths can be reduced in order to increase a resolution of the LIDAR device 30, since at least two scanning paths are already generated during a pivot movement of the mirror.
  • the time for scanning a defined solid angle or angle can be reduced and thus the sampling frequency can be increased.
  • the scanning paths can here linear in a vertical or horizontal direction or meandering.
  • the mirror, the receiving optics and the at least one detector element are rotatable depending on or independently of each other along a vertically extending axis of rotation.
  • the receiving optics may rotate or pivot simultaneously with the mirror or have a time delay.
  • the at least one detector element or the detector array can in this case be coupled to the receiving optics or be arranged stationarily or independently of other rotatable components of the device.
  • the mirror or micro mirror, the receiving optics and the at least one detector element perform congruent movements.
  • the mirror is pivotable orthogonal to the axis of rotation.
  • a mirror can be designed technically very simple.
  • the axis of rotation is congruent with at least one electromagnetic beam generated by the radiation source before the beam can be deflected by the mirror.
  • the radiation source can thus be designed stationary, so that the radiation source undergoes lower mechanical stress during operation of the LIDAR device.
  • a stationary radiation source can be optimally thermally regulated and easily connected to downstream evaluation units.
  • 1 a shows a schematic representation of a LIDAR device according to a first exemplary embodiment
  • 1 b is a schematic representation of a LIDAR device according to the first embodiment with a different deflection of a mirror
  • 2 is a schematic representation of a LIDAR device according to a second embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a LIDAR device according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a LIDAR device according to a fourth exemplary embodiment.
  • FIGs 1 a and 1 b show a first embodiment of a LIDAR device 1.
  • the LIDAR device 1 has a radiation source 2, which is a laser 2 according to the embodiment.
  • the laser 2 is stationarily arranged in the device 1 and generates an electromagnetic beam 4.
  • the generated beam 4 extends vertically from the laser 2 to a mirror 6 and defines a vertical axis of rotation V of the device 1.
  • the mirror 6 is thus in the device 1 arranged that the vertical axis of rotation V centered through the mirror 6 passes.
  • the mirror 6 reflects the generated beam 4 and deflects the beam 4 in a defined direction.
  • the mirror 6 is rotatably supported along the axis of rotation V and can
  • the mirror 6 For example, rotate or pan freely in any defined area. During a rotation, the mirror 6 performs an uninterrupted one
  • the mirror 6 has an additional horizontal axis of rotation H. Along the horizontal
  • Rotation axis H performs the mirror 6 a pivoting movement in a defined vertical angle. According to the embodiment is in one
  • the beam splitter 8 may consist of a plurality of partially transparent mirrors 10, which preferably partially transmit and partially reflect the generated beam 4.
  • the beam splitter 8 may also be a beam splitter prism.
  • the beam splitter 10 is rotatable about the vertical axis of rotation and with the Mirror 6 is connected so that the generated beam 4 is passed optimally to the beam splitter 8.
  • the partially reflected beam 12 is directed to another partially transmissive mirror 10 and there again partially transmitted and partially reflected.
  • a plurality of beams 4, 12 can be generated.
  • the beams 4, 12 are in this case spaced apart along a vertical orientation of the device 1.
  • the split beams 12 have a deviating from the original beam 4 beam angle, so that a larger vertical angle can be sampled.
  • the generated beams 4, 12 are operated pulsed and deflected according to the movement of the mirror 6 meandering along the entire solid angle.
  • the LIDAR device 1 can scan the solid angle with the beam 4. Due to the increased number of generated beams 4, 12, the device 1 has several
  • Detector elements 14 which are adapted to the number and orientation of the beams 4, 12.
  • the mirror 6 can be performed mechanically simpler, this can also along the vertical axis of rotation V in a
  • the device 1 Rotate the direction of rotation and be shielded in a certain range of angles, so that the beams 4, 12 can leave the device 1 only in a defined horizontal angle.
  • the device 1 has a receiving device 18 which is also rotatable or pivotable synchronously with the mirror 6.
  • Receiving optics 18, which focuses the reflected beams 16 and deflects on defined detector elements 14.
  • certain beams 4, 12, 16 defined detector elements 14 are assigned, so that a complete or at least partial pivot angle can be displayed on a detector.
  • the mirror 6 has a comparison with Figure 1 a changed pivot angle along the horizontal axis of rotation H.
  • the beam splitter 8 is designed to be static with respect to vertical alignment. Although the beam splitter 8 is rotatable synchronously with the mirror 6, the partially transparent mirror 10 according to the
  • FIG. 2 shows a LIDAR device 1 according to a second one
  • the LIDAR device 1 has a beam splitter 8 which branches or deflects the generated beams 4, 12 in such a way that the beams 4 12 to three beam groups 20, 22, 24 with within a beam group 20, 22, 24 mutually parallel beams 4, 12 can be summarized.
  • the beams 4, 12 of the different beam groups 20, 22, 24 in this case have an angular offset from one another.
  • FIG. 3 shows a LIDAR device 1 according to a third
  • Embodiment. In contrast to the second exemplary embodiment, in the third exemplary embodiment, not the adjacent generated beams 4, 12 are combined into a respective beam group 20, 22, 24, but a plurality of beams 4, 12 separated from each other by one or more other beams 12.
  • FIG. 4 shows a LIDAR device 1 according to a fourth
  • Embodiment shown Unlike the ones shown so far
  • the LIDAR device 1 in this case no beam splitter 8.
  • Several beams 4 are here by several beam sources 2 and
  • the lasers 2 have an angular offset from one another.
  • the lasers 2 are positioned such that all generated beams 4 hit the mirror 6 at the point of intersection with the vertical axis of rotation V.
  • the generated beams 4 also have an angular offset, which is the
  • Angular offset of the laser 2 corresponds.
  • the generated beams 4 propagate even after being deflected by the mirror 6 in accordance with the curl defined by the lasers 2.

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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Abtasten von Raumwinkeln mit mindestens zwei elektromagnetische Strahlen, wobei mindestens ein elektromagnetischer Strahl erzeugt wird, der anschließend entlang eines Horizontalwinkels und/oder entlang eines Vertikalwinkels durch einen drehbaren Spiegel abgelenkt wird, die Raumwinkel mit dem mindestens einem elektromagnetischen Strahl abgetastet werden und mindestens ein reflektierter elektromagnetischer Strahl nach einer Reflektion an einem Objekt durch eine entlang dem Horizontalwinkel synchron mit dem Spiegel drehbare Empfangsoptik empfangen wird. Des Weiteren ist eine LIDAR-Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens offenbart.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten eines Raumwinkels Verfahren zum Abtasten eines Raumwinkels mit mindestens einem
elektromagnetischen Strahl, sowie eine LI DAR- Vorrichtung.
Stand der Technik Es sind bereits rotierende 3D-Scanner bekannt, die nach dem LI DAR (Light
Detection And Ranging)-Prinzip betrieben werden. Dabei wird üblicherweise ein Laserstrahl mäanderförmig abgelenkt, sodass ein Raumwinkel abgetastet werden kann. Zu einer Ablenkung entlang einer vertikal verlaufenden
Rotationsachse kommt noch eine zusätzliche Ablenkung des Laserstrahles entlang einer horizontalen Rotationsachse bzw. Schwenkachse hinzu. Der
Laserstrahl wird üblicherweise linienförmig derart abgelenkt, dass der gesamte Raumwinkel mit einer definierten Auflösung abgetastet wird. Ausschlaggebend ist insbesondere der Abstand zwischen den Abtastpfaden des Laserstrahles. Somit muss ein Kompromiss zwischen der Auflösung und einer Abtastfrequenz einer derartigen Vorrichtung eingegangen werden. Um die Lücken zwischen den
Abtastpfaden des Laserstrahles abzudecken und das Auflösungsvermögen eines 3D-Scanners zu erhöhen ist beispielsweise ein Interlaced-Verfahren bekannt, das ähnlich einem Zeilensprungverfahren durch mehrere Abtastvorgänge bzw. Zusatzscans jeweils über einen gesamten Raumwinkel mögliche Abstände zwischen den Abtastpfaden verringern kann. Hierbei wird jedoch die
Abtastfrequenz um die Anzahl der Zusatzscans reduziert.
Offenbarung der Erfindung Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung und ein Verfahren zum Abtasten eines Bereiches bzw. eines Raumwinkels mit einer erhöhten Auflösung bei mindestens gleichbleibender Abtastfrequenz zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Abtasten von
Raumwinkeln mit mindestens einem elektromagnetischen Strahl bereitgestellt. In einem ersten Schritt wird mindestens ein elektromagnetischer Strahl erzeugt und anschließend um einen Horizontalwinkel und/oder um einen Vertikalwinkel durch einen drehbaren bzw. schwenkbaren Spiegel abgelenkt. Der mindestens eine elektromagnetische Strahl wird durch eine Vervielfältigungseinheit, wie bspw. ein Strahlteiler, in mindestens zwei Teilstrahlen mit unterschiedlichen Raumwinkeln zerlegt, wobei das Abtasten der Raumwinkel mit den mindestens zwei elektromagnetischen Strahlen geschieht. Diese mindestens zwei
elektromagnetischen Strahlen können von Objekten im Raum reflektiert oder gestreut werden. Durch eine entlang dem Horizontalwinkel synchron mit dem Spiegel drehbare Empfangsoptik wird mindestens ein reflektierter
elektromagnetischer Strahl empfangen. Der gesamte Schwenkbereich des Spiegels und somit der gesamte Winkelbereich, den ein elektromagnetischer Strahl im Raum abdeckt, kann auf ein korrespondierendes Detektorelement abgebildet werden.
Hierdurch kann die Messrate eines Scanners bzw. einer LIDAR-Vorrichtung, die die Anzahl der Messpunkte pro Umdrehung bzw. Winke Ibereich darstellt, mindestens verdoppelt werden. Die Framerate bzw. Abtastfrequenz kann hierbei gleich bleiben oder erhöht werden. Der mindestens eine elektromagnetische
Strahl wird vorzugsweise durch einen Laser oder eine andere Lichtquelle wie beispielsweise stark fokussierte LEDs erzeugt. Der Laser kann stationär bzw. nicht-rotierbar positioniert sein und in Richtung der vertikal verlaufenden
Rotationsachse auf einen Spiegel oder Microspiegel strahlen. Dies kann die thermische Anbindung des Lasers vereinfachen. Der Horizontalwinkel und der Vertikal winkel spannen hierbei einen Raumwinkel auf, der kegelförmig oder pyramidenförmig sein kann. Die mindestens zwei Strahlen können hierbei horizontal nebeneinander angeordnet sein, sodass aus jedem Abtastpfad mindestens zwei Abtastpfade entstehen, die nebeneinander angeordnet sein können. Hierdurch kann ein größerer Horizontalwinkel bei gleichbleibender
Abtastfrequenz abgetastet bzw. gescannt werden oder jedoch bei
gleichbleibendem Horizontalwinkel eine Erhöhung der Abtastfrequenz ermöglicht werden. Bei gleichbleibendem Horizontalwinkel und gleichbleibender
Abtastfrequenz kann eine Erhöhung der horizontalen Auflösung erreicht werden. Jeder Abtastpfad besteht aus einer Vielzahl von Messpunkten bzw.
Strahlenimpulsen, die einen zeitlichen Abstand zueinander aufweisen. Durch den zeitlichen Abstand kann jeder erzeugte Messpunkt bei einer Auswertung von empfangenen reflektierten Messpunkten eindeutig einem erzeugten Messpunkt zugeordnet werden. Die mindestens zwei Strahlen können alternativ vertikal nebeneinander angeordnet sein, sodass analog zu einer horizontalen
Anordnung, der Vertikalwinkel, die Abtastfrequenz oder die vertikale Auflösung vergrößert werden kann. Kombinationen der Eigenschaften sind möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann ein entsprechender Ablenkspiegel mit geringeren Anforderungen an einen maximal möglichen Schwenkbereich verwendet werden. Hierdurch entsteht eine größere Designfreiheit bei der Auslegung des Spiegels bzw. eines Spiegels. Des Weiteren kann Blooming verhindert oder zumindest reduziert werden, da aufgrund der Empfangsoptik die jeweiligen Strahlen auf getrennte Detektorelemente abgebildet werden. Da der mindestens eine erzeugte elektromagnetische Strahl in mindestens zwei Teilstrahlen mit unterschiedlichen Raumwinkeln aufgeteilt wird, liegen die Auftreffpunkte der mindestens zwei empfangenen Strahlen auf den Detektorelementen außerdem räumlich weit auseinander. Daher kann die Überbelichtung eines
Detektorelements nicht oder nur begrenzt zu einer Überbelichtung angrenzender Detektorelemente führen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die mindestens zwei elektromagnetischen Strahlen durch mindestens zwei winkelversetzte
Strahlenquellen erzeugt. Hierbei können zwei oder mehr benachbarte
Strahlenquellen wie beispielsweise Laser nebeneinander angeordnet sein und auf einen Spiegel jeweils einen Strahl emittieren. Die mindestens zwei Strahlenquellen können hierbei winkelversetzt sein, sodass nach dem
Ablenkvorgang durch einen Spiegel die Strahlen ebenfalls einen Winkelversatz zueinander aufweisen. Alternativ können die mindestens zwei Strahlenquellen auch parallel zueinander ausgerichtet sein und somit parallele Strahlen erzeugen. Der Winkelversatz kann hierbei durch eine Spiegelwölbung realisiert werden. Des Weiteren kann über eine Spiegelwölbung ein Winkelversatz der mindestens zwei Strahlen vergrößert oder verkleinert werden.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels des Verfahrens wird mindestens ein elektromagnetischer Strahl durch mindestens eine Strahlenquelle erzeugt, wobei der mindestens eine elektromagnetische Strahl durch einen dem drehbaren Spiegel nachgeschalteten Strahlteiler in mindestens zwei elektromagnetische Strahlen geteilt wird. Ein Strahlteiler kann beispielsweise durch mehrere für die elektromagnetischen Strahlen teilweise durchlässige Spiegel realisiert werden. Anhand einer Ausrichtung bzw. Winkelstellung der Spiegel können die jeweiligen abgezweigten Strahlen einen individuellen Wnkel relativ zueinander aufweisen. Die Strahlen können beispielsweise parallel zueinander ausgerichtet sein oder einen variablen Winkelversatz zueinander aufweisen. Alternativ kann der erzeugte Strahl auch durch ein Prisma, einen Strahlteilerwürfel oder durch ein diffraktives optisches Element gleichmäßig oder ungleichmäßig in mindestens zwei Strahlen aufgeteilt bzw. aufgespalten werden. Der Strahlteiler ist vorzugsweise in einem optischen Pfad des mindestens einen
elektromagnetischen Strahls angeordnet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die mindestens zwei erzeugten elektromagnetischen Strahlen voneinander beabstandet erzeugt. Hierdurch weisen die erzeugten elektromagnetischen Strahlen einen definierten Abstand zueinander auf, der unabhängig von einem abzutastenden Objekt oder Ziel ist. Dies kann eine Auswertung des abgetasteten Bereiches vereinfachen.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels des Verfahrens werden die mindestens zwei erzeugten elektromagnetischen Strahlen voneinander winkelversetzt erzeugt. Hierdurch weisen die erzeugten Strahlen einen
Winkelversatz zueinander auf, sodass die Strahlen sich mit zunehmender Entfernung von mindestens einem Strahlenerzeuger voneinander entfernen. Hierdurch kann ein größerer Winkelbereich abgetastet werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden jeweils mindestens zwei parallele elektromagnetische Strahlen zu jeweils einer
Strahlengruppe zusammengefasst. Hierdurch weisen alle Strahlen einer
Strahlengruppe einen gleichen Winkel relativ zu einer gemeinsamen optischen Achse auf. Andere bzw. weitere Strahlengruppen weisen abweichende Winkel auf. Hierdurch können mindestens zwei erzeugte und anschließend von einem abgetasteten Objektpunkt reflektierte Strahlen von einer Empfangsoptik derart abgelenkt werden, dass Strahlen jeweils einer Strahlengruppe auf ein
Detektorelement treffen. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Augensicherheit im Nahbereich aus. Im Nahbereich wird die erforderlicher Lichtenergie auf die Anzahl, der in einer Strahlengruppe enthaltenen Strahlen, aufgeteilt. Da nicht mehr ein einziger Strahl zum Abtasten eines Raumwinkels genutzt wird sondern mindestens zwei Strahlen, kann jeder Strahl schwächer ausgeführt sein, sodass die Augensicherheit verbessert werden kann, da die möglicherweise in
Augenkontakt tretenden Strahlen weniger stark konzentriert bzw. weniger intensiv vorliegen. Im Fernfeld überlagern sich die Einzelstrahlen einer
Strahlgruppe, sodass die Lichtenergie in einem Strahl gebündelt auf einen Objektpunkt trifft. Im Vergleich zu einem auf einzelnen elektromagnetischen Sendestrahlen basierenden System, kann hier hinsichtlich der Augensicherheit ein erhöhter Messbereich erreicht werden.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels des Verfahrens werden die mindestens zwei elektromagnetischen Strahlen mindestens einer Strahlengruppe parallel zueinander ausgerichtet erzeugt. Hierdurch können mehrere Strahlen einer Strahlengruppe einen gleichen Winkel relativ zu einer gemeinsamen optischen Achse aufweisen. Andere bzw. weitere Strahlengruppen können einen abweichenden Wnkel aufweisen. Durch den gleichen Winkel alles Strahlen einer Strahlengruppe kann eine Strahlengruppe technisch einfach realisiert werden.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels des Verfahrens wird der mindestens eine durch die Empfangsoptik empfangene reflektierte
elektromagnetische Strahl auf mindestens eine Detektorgruppe geleitet. Hierbei kann jeder erzeugten Strahlengruppe eine Detektorgruppe zugewiesen werden.
Die Empfangsoptik kann hierbei reflektierte Strahlen je nach Winkel oder Abweichung von einer optischen Achse der Empfangsoptik auf bestimmte Detektorgruppen ablenken bzw. leiten.
5
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird mindestens ein Detektorelement basierend auf einer Beabstandung oder einem Winkelversatz mindestens einem erzeugten elektromagnetischen Strahl oder einer Strahlengruppe zugeordnet. Die Detektorelemente können relativ zu einem l o Abstrahlwinkel oder einer Ausrichtung der erzeugten Strahlengruppen
angeordnet sein, sodass die reflektierten Strahlen einer definierten Strahlengruppe möglichst auf ein hierfür vorgesehenes Detektorelement treffen können.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von Raumwinkeln mit mindestens einem elektromagnetischen Strahl gemäß einem Verfahren nach einem Aspekt der Erfindung bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen mindestens eines elektromagnetischen Strahls auf. Der mindestens eine
2 0 erzeugte elektromagnetische Strahl kann von einem Spiegel entlang eines
Horizontalwinkels und/oder entlang eines Vertikalwinkels abgelenkt werden. Die Vorrichtung weist eine synchron mit dem Spiegel drehbare Empfangsoptik zum Empfangen mindestens eines an einem Objekt reflektierten elektromagnetischen Strahles auf, wobei mindestens zwei elektromagnetische Strahlen erzeugt werden.
Hierdurch kann anstatt einem Abtastpfad mindestens zwei nebeneinander angeordnete Abtastpfade erzeugt werden. So können mögliche Lücken zwischen den Abtastpfaden verkleinert werden um eine Auflösung der LIDAR-Vorrichtung 30 zu erhöhen, da bereits bei einer Schwenkbewegung des Spiegels mindestens zwei Abtastpfade erzeugt werden. Alternativ kann bei gleichbleibenden Abständen zwischen den Abtastpfaden je nach Anzahl der erzeugten Strahlen die Zeit zum Abtasten eines definierten Raumwinkels oder Wnkels verringert werden und somit die Abtastfrequenz erhöht werden. Die Abtastpfade können hierbei linear in vertikaler oder horizontaler Richtung oder mäanderförmig verlaufen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung sind der Spiegel, die Empfangsoptik und das mindestens eine Detektorelement abhängig oder unabhängig voneinander entlang einer vertikal verlaufenden Rotationsachse drehbar. Hierbei kann sich die Empfangsoptik gleichzeitig mit dem Spiegel drehen bzw. schwenken oder eine zeitliche Verzögerung aufweisen. Das mindestens eine Detektorelement bzw. das Detektorarray kann hierbei an die Empfangsoptik gekoppelt sein oder stationär bzw. unabhängig von anderen drehbaren Bauteilen der Vorrichtung angeordnet sein. Vorzugsweise vollführen der Spiegel oder Microspiegel, die Empfangsoptik und das mindestens eine Detektorelement kongruente Bewegungen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist der Spiegel orthogonal zur Rotationsachse schwenkbar. Ein derartiger Spiegel kann technisch besonders einfach ausgeführt sein. Hierbei ist vorteilhafterweise die Rotationsachse deckungsgleich mit mindestens einem durch die Strahlenquelle erzeugten elektromagnetischen Strahl bevor der Strahl durch den Spiegel abgelenkt werden kann. Die Strahlenquelle kann somit stationär ausgeführt sein, sodass die Strahlenquelle geringere mechanische Beanspruchung im Betrieb der LIDAR-Vorrichtung erfährt. Des Weiteren kann eine stationäre Strahlenquelle optimal thermisch reguliert werden und technisch einfach an nachgeschaltete Auswerteeinheiten angebunden werden.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen
Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen Fig. 1 a eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 1 b eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einer abweichenden Auslenkung eines Spiegels, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
Figuren 1 a und 1 b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer LIDAR- Vorrichtung 1. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Strahlenquelle 2 auf, die ein Laser 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist. Der Laser 2 ist stationär in der Vorrichtung 1 angeordnet und erzeugt einen elektromagnetischen Strahl 4. Der erzeugte Strahl 4 verläuft vertikal von dem Laser 2 zu einem Spiegel 6 und definiert eine vertikale Rotationsachse V der Vorrichtung 1. Der Spiegel 6 ist derart in der Vorrichtung 1 angeordnet, dass die vertikale Rotationsachse V zentriert durch den Spiegel 6 hindurch verläuft. Der Spiegel 6 reflektiert den erzeugten Strahl 4 und lenkt den Strahl 4 in eine definierte Richtung um. Der Spiegel 6 ist entlang der Rotationsachse V drehbar gelagert und kann
beispielsweise frei in einem beliebig definierten Bereich rotieren oder schwenken. Bei einer Rotation vollführt der Spiegel 6 eine ununterbrochene in eine
Drehrichtung gerichtete Bewegung. Bei einem Schwenkvorgang wechselt der Spiegel bei einem Erreichen bestimmter Winkel bzw. Horizontalwinkel oder Vertikalwinkel seine Schwenk- bzw. Drehrichtung. Bei einer Rotation oder einer
Schwenkung lenkt der Spiegel 6 den erzeugten Strahl 4 kontinuierlich
entsprechend einer Ausrichtung des Spiegels 6 ab. Der Spiegel 6 weist eine zusätzliche horizontale Rotationsachse H auf. Entlang der horizontalen
Rotationsachse H vollführt der Spiegel 6 eine Schwenkbewegung in einem definierten Vertikalwinkel. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist in einem
Strahlengang des elektromagnetischen Strahls 4 dem Spiegel 6 ein Strahlteiler 8 nachgeschaltet. Der Strahlteiler 8 kann aus mehreren teildurchlässigen Spiegeln 10 bestehen, die vorzugsweise den erzeugten Strahl 4 teilweise durchlassen und teilweise reflektieren. Alternativ kann der Strahlteiler 8 auch ein Strahlteilerprisma sein. Der Strahlteiler 10 ist um die vertikale Rotationsachse rotierbar und mit dem Spiegel 6 verbunden, sodass der erzeugte Strahl 4 optimal auf den Strahlteiler 8 geleitet wird. Der teilweise reflektierte Strahl 12 wird auf einen weiteren teildurchlässigen Spiegel 10 geleitet und dort erneut teilweise transmittiert und teilweise reflektiert . So können mehrere Strahlen 4, 12 erzeugt werden. Die Strahlen 4, 12 sind hierbei entlang einer vertikalen Ausrichtung der Vorrichtung 1 voneinander beabstandet. Die geteilten Strahlen 12 weisen einen von dem ursprünglichen Strahl 4 abweichenden Abstrahlwinkel auf, sodass ein größerer Vertikalwinkel abgetastet werden kann. Der Vertikalwinkel und der
Horizontalwinkel spannen einen Raumwinkel auf, der kegelförmig oder pyramidenförmig sein kann. Die erzeugten Strahlen 4, 12 werden gepulst betrieben und entsprechend der Bewegung des Spiegels 6 mäanderförmig entlang des gesamten Raumwinkels abgelenkt. Somit kann die LIDAR- Vorrichtung 1 den Raumwinkel mit dem Strahl 4 abtasten. Durch die erhöhte Anzahl an erzeugten Strahlen 4, 12 weist die Vorrichtung 1 mehrere
Detektorelemente 14 auf, die auf die Anzahl und Ausrichtung der Strahlen 4, 12 abgestimmt sind. Damit der Spiegel 6 mechanisch einfacher ausgeführt werden kann, kann dieser auch entlang der vertikalen Rotationsachse V in eine
Drehrichtung rotieren und in einem bestimmten Winkelbereich abgeschirmt sein, sodass die Strahlen 4, 12 lediglich in einem definierten Horizontalwinkel die Vorrichtung 1 verlassen können. Zum Empfangen von an Objekten 17 reflektierten Strahlen 16 weist die Vorrichtung 1 eine ebenfalls synchron mit dem Spiegel 6 rotierbare oder schwenkbare Empfangsvorrichtung 18 bzw.
Empfangsoptik 18 auf, die die reflektierten Strahlen 16 fokussiert und auf definierte Detektorelemente 14 ablenkt. Somit können bestimmten Strahlen 4, 12, 16 definierte Detektorelemente 14 zugeordnet werden, sodass ein kompletter oder zumindest teilweiser Schwenkwinkel auf einem Detektor abgebildet werden kann. In Figur 1 b weist der Spiegel 6 einen gegenüber Figur 1 a veränderten Schwenkwinkel entlang der horizontalen Rotationsachse H auf. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Strahlteiler 8 hinsichtlich einer vertikalen Ausrichtung statisch ausgeführt. Der Strahlteiler 8 ist zwar synchron mit dem Spiegel 6 rotierbar, jedoch werden die teildurchlässigen Spiegel 10 gemäß dem
Ausführungsbeispiel nicht nachgestellt. Dies kann jedoch technisch ebenfalls realisiert werden. Die Figur 2 zeigt eine LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist die LIDAR-Vorrichtung 1 einen Strahlteiler 8 auf, der die erzeugten Strahlen 4, 12 derart abzweigt bzw. ablenkt, dass die Strahlen 4 12 zu drei Strahlengruppen 20, 22, 24 mit innerhalb einer Strahlengruppe 20, 22, 24 parallel zueinander verlaufenden Strahlen 4, 12 zusammengefasst werden können. Die Strahlen 4, 12 der unterschiedlichen Strahlengruppen 20, 22, 24 weisen hierbei einen Winkelversatz zueinander auf. Gemäß des Ausführungsbeispiels sind jeweils zwei benachbarte Strahlen 4, 12 zu einer Strahlengruppe 20, 22, 24
zusammengefasst.
Die Figur 3 zeigt eine LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel werden in dem dritten Ausführungsbeispiel nicht die benachbarten erzeugten Strahlen 4, 12 zu jeweils einer Strahlengruppe 20, 22, 24 zusammengefasst, sondern jeweils mehrere durch einen oder mehrere andere Strahlen 12 voneinander getrennte Strahlen 4, 12.
In Figur 4 ist eine LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Unterschied zu den bisher gezeigten
Ausführungsbeispielen weist die LIDAR-Vorrichtung 1 hierbei keinen Strahlteiler 8 auf. Mehrere Strahlen 4 werden hier durch mehrere Strahlquellen 2 bzw.
separate Laser 2 erzeugt. Die Laser 2 weisen einen Wnkelversatz zueinander auf. Die Laser 2 sind derart positioniert, dass alle erzeugten Strahlen 4 den Spiegel 6 im Schnittpunkt mit der vertikalen Rotationsachse V treffen. Die erzeugten Strahlen 4 weisen ebenfalls einen Winkelversatz auf, der dem
Winkelversatz der Laser 2 entspricht. Somit breiten sich die erzeugten Strahlen 4 auch nach der Ablenkung durch den Spiegel 6 gemäß der durch die Laser 2 definierten Wnkelung aus.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Abtasten von Raumwinkeln mit mindestens einem
elektromagnetischen Strahl (4, 12) aufweisend die Schritte:
- Erzeugen mindestens eines elektromagnetischen Strahls (4)
- Ablenken des mindestens einen elektromagnetischen Strahls (4) entlang eines Horizontalwinkels und/oder entlang eines Vertikalwinkels durch einen drehbaren oder schwenkbaren Spiegel (6),
- Abtasten der Raumwinkel mit dem mindestens einem elektromagnetischen Strahl (4, 12),
- Empfangen von mindestens einem reflektierten elektromagnetischen Strahl
(16)durch eine entlang des Horizontalwinkels synchron mit dem Spiegel (6) drehbare Empfangsoptik (18),
dadurch gekennzeichnet, dass
Abtasten durch wenigstens mindestens zwei elektromagnetische Strahlen (4, 12) geschieht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die mindestens zwei elektromagnetischen Strahlen (4) durch mindestens zwei winkelversetzte Strahlenquellen (2) erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei mindestens ein elektromagnetischer Strahl (4) durch mindestens eine Strahlenquelle (2) erzeugt wird und der mindestens eine elektromagnetische Strahl (4) durch einen dem drehbaren Spiegel (6) nachgeschalteten Strahlteiler (8) in mindestens zwei elektromagnetische
Strahlen (12) geteilt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens zwei erzeugten elektromagnetischen Strahlen (4) voneinander beabstandet erzeugt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens zwei erzeugten elektromagnetischen Strahlen (4) voneinander winkelversetzt erzeugt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens zwei parallele elektromagnetischen Strahlen (4, 12) zu mindestens einer Strahlengruppe (20, 22, 24) zusammengefasst werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens zwei elektromagnetischen Strahlen (4, 12) mindestens einer Strahlengruppe (20, 22, 24) parallel zueinander ausgerichtet erzeugt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens zwei durch die Empfangsoptik (18) empfangene reflektierte elektromagnetische Strahlen (16) auf mindestens zwei Detektorelemente (14) geleitet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens ein
Detektorelement (14) basierend auf einer Beabstandung oder einem
Winkelversatz mindestens einem erzeugten elektromagnetischen Strahl (4, 12) oder Strahlengruppe (20, 22, 24) zugeordnet wird.
10. LI DAR- Vorrichtung (1) zum Abtasten von Raumwinkeln mit mindestens einem elektromagnetischen Strahl (4, 12) gemäß eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einer Strahlquelle (2) zum Erzeugen mindestens eines elektromagnetischen Strahls (4), mit einem schwenkbaren Spiegel (6) zum Ablenken des erzeugten mindestens einen elektromagnetischen Strahls (4) entlang eines Horizontalwinkels und/oder entlang eines Vertikalwinkels und mit einer synchron mit dem Spiegel (6) drehbare Empfangsoptik (18) zum Empfangen von mindestens einem an einem Objekt (17) reflektierten elektromagnetischen Strahls (16), dadurch
gekennzeichnet, dass das Abtasten durch mindestens einen in mindestens zwei winkel- und/oder lateral versetzte Teilstrahlen (12) aufgeteilten
elektromagnetischen Strahl (4) geschieht.
1 1 . LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Spiegel (6), die
Empfangsoptik (18) und das Detektorelement (14) abhängig oder unabhängig voneinander drehbar entlang einer vertikal verlaufenden Rotationsachse (V) sind. 12. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , wobei der Spiegel (6) orthogonal zur vertikalen Rotationsachse (V) schwenkbar ist.
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