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DE102017212926A1 - LIDAR device and method with an improved deflection device - Google Patents

LIDAR device and method with an improved deflection device Download PDF

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DE102017212926A1
DE102017212926A1 DE102017212926.3A DE102017212926A DE102017212926A1 DE 102017212926 A1 DE102017212926 A1 DE 102017212926A1 DE 102017212926 A DE102017212926 A DE 102017212926A DE 102017212926 A1 DE102017212926 A1 DE 102017212926A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
optical waveguide
glass fibers
detector
laser
deflection device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102017212926.3A
Other languages
German (de)
Inventor
Axel Buettner
Jan MERTENS
Annette Frederiksen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102017212926.3A priority Critical patent/DE102017212926A1/en
Priority to PCT/EP2018/069823 priority patent/WO2019020532A1/en
Publication of DE102017212926A1 publication Critical patent/DE102017212926A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Offenbart ist eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches mit einem statisch angeordneten Laser zum Erzeugen mindestens eines Strahls, mit einer entlang einer Rotationsachse drehbaren Ablenkvorrichtung zum Ablenken des mindestens einen erzeugten Strahls in den Abtastbereich und mit einer Empfangsoptik zum Empfangen und zum Ablenken des mindestens einen an einem Objekt reflektierten Strahls auf einen Detektor, wobei die Ablenkvorrichtung einen Lichtwellenleiter mit mindestens zwei parallelen Glasfasern aufweist und wobei die mindestens zwei parallelen Glasfasern an einer Austrittseite des Lichtwellenleiters versetzt zueinander angeordnet sind. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Betrieb einer LIDAR-Vorrichtung offenbart.Disclosed is a LIDAR device for scanning a scanning region with a statically arranged laser for generating at least one beam, with a deflection device rotatable along a rotation axis for deflecting the at least one generated beam into the scanning region and with a receiving optics for receiving and deflecting the at least one reflected beam on an object to a detector, wherein the deflection device comprises an optical waveguide with at least two parallel glass fibers and wherein the at least two parallel glass fibers are arranged offset to one another at an exit side of the optical waveguide. Furthermore, a method for operating a LIDAR device is disclosed.

Description

Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen LIDAR-Vorrichtung.The invention relates to a LIDAR device for scanning a scanning region and a method for operating such a LIDAR device.

Stand der TechnikState of the art

Bei LIDAR (Light detection and ranging) - Vorrichtungen wird insbesondere ein Abstand zwischen der LIDAR-Vorrichtung und einem Objekt ermittelt. Hierzu wird ein Strahl von einem Laser erzeugt und in einen Abtastbereich emittiert. Durch eine Ablenkvorrichtung kann der Strahl über den Abtastbereich verteilt abgelenkt werden. Der an einem Objekt reflektierte Strahl kann anschließend von einer Empfangsoptik empfangen und auf einen Detektor geleitet werden. Hierzu werden unterschiedliche Konzepte verfolgt. Neben den sogenannten „Microscannern“ werden auch „Macroscanner“ verwendet. Rotierende Macroscanner können derart aufgebaut sein, dass der Laser und der Detektor statisch angeordnet sind. Die Ablenkvorrichtung besteht hierbei aus einem schwenkbaren Spiegel, der den erzeugten Strahl in den Abtastbereich ablenkt. Die Ablenkeinheit leitet hierbei auch die an einem Objekt reflektierten Strahlen auf den Detektor. Hierdurch wird keine Energie- und Datenübertragung auf die rotierenden Teile benötigt. Aus der DE 10 2011 107 594 ist eine derartige LIDAR-Vorrichtung bekannt, die einen rotierenden Spiegel zur Ablenkung der erzeugten Strahlen nutz. Bei diesen Konzepten ist jedoch der horizontale Sichtbereich, sogenannte „Field of View“, beschränkt, sodass eine Abdeckung von 360° nur durch mehrere optische Elemente realisiert werden kann, was zu einem komplexen Aufbau und Justage führt. Zudem ist die Auflösung in vertikaler Richtung durch die Anzahl diskreter Laser beschränkt.In LIDAR (light detection and ranging) devices, in particular, a distance between the LIDAR device and an object is determined. For this purpose, a beam is generated by a laser and emitted into a scanning region. By means of a deflection device, the beam can be deflected distributed over the scanning area. The reflected beam on an object can then be received by a receiving optical system and directed to a detector. For this purpose, different concepts are pursued. In addition to the so-called "Microscanners" also "Macroscanner" are used. Rotating macroscanners may be constructed such that the laser and the detector are statically arranged. The deflection device consists here of a pivotable mirror which deflects the generated beam into the scanning region. In this case, the deflection unit also directs the rays reflected by an object onto the detector. As a result, no energy and data transmission to the rotating parts is needed. From the DE 10 2011 107 594 Such a LIDAR device is known, which uses a rotating mirror for deflecting the generated beams. In these concepts, however, the horizontal field of view, so-called "Field of View" is limited, so that a coverage of 360 ° can only be realized by multiple optical elements, resulting in a complex structure and adjustment. In addition, the resolution in the vertical direction is limited by the number of discrete lasers.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung und ein Verfahren zum Abtasten eines möglichst großen Abtastbereiches mit verringerter Komplexität vorzuschlagen.The object underlying the invention can be seen to suggest a LIDAR device and a method for scanning as large a scanning as possible with reduced complexity.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by means of the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of each dependent subclaims.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches vorgeschlagen. Die LIDAR-Vorrichtung weist einen statisch angeordneten Laser zum Erzeugen mindestens eines Stahls, eine entlang einer Rotationsachse drehbare Ablenkvorrichtung zum Ablenken des mindestens einen erzeugten Strahls in den Abtastbereich und eine Empfangsoptik zum Empfangen und zum Ablenken des mindestens einen an einem Objekt reflektierten Strahls auf einen Detektor auf. Erfindungsgemäß weist die Ablenkvorrichtung einen Lichtwellenleiter mit mindestens zwei parallelen Glasfasern auf, wobei die mindestens zwei parallelen Glasfasern an einer Austrittseite des Lichtwellenleiters zueinander versetzt angeordnet sind.According to one aspect of the invention, a LIDAR device for scanning a scan area is proposed. The LIDAR device comprises a statically arranged laser for producing at least one steel, a deflection device rotatable along a rotation axis for deflecting the at least one generated beam into the scanning region, and receiving optics for receiving and deflecting the at least one beam reflected at an object onto a detector on. According to the invention, the deflection device has an optical waveguide with at least two parallel glass fibers, wherein the at least two parallel glass fibers are arranged offset from one another at an exit side of the optical waveguide.

Durch die Verwendung eines Lichtwellenleiters als Ablenkvorrichtung oder als Bestandteil der Ablenkvorrichtung im Sendepfad des erzeugten Strahls, kann die Komplexität einer LIDAR-Vorrichtung reduziert werden. Der Lichtwellenleiter besteht hierbei aus mindestens zwei Glasfasern, die den erzeugten Strahl führen bzw. ablenken können. Die mindestens zwei Glasfasern können eine Ummantelung aufweisen sowie nebeneinander oder gebündelt angeordnet sein. Die Glasfasern können beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Glas bestehen und alternativ keine Ummantelung aufweisen. Die jeweiligen Glasfasern können unbeschichtet oder zumindest teilweise beschichtet sein. Ein Lichtwellenleiter kann eine oder mehrere Glasfasern aufweisen, welche einen gemeinsamen Kern oder mehrere separate Kerne des Lichtwellenleiters bilden. Die jeweiligen Kerne bzw. Glasfasern können über eine Länge des Lichtwellenleiters konstant angeordnet sein oder eine variable Anordnung entlang der Länge des Lichtwellenleiters aufweisen. Beispielsweise können die Glasfasern an einer Eintrittsseite nebeneinander gebündelt angeordnet sein und an einer Austrittsseite des Lichtwellenleiters voneinander beabstandet sein und eine sogenannte „bi-furcated fibre“ oder „multi-furcated fibre“ bilden. Vorzugsweise können die jeweiligen Glasfasern des Lichtwellenleiters Licht in beliebiger Form verlustarm führen. Auf einer dem Laser zugewandten Seite weist der Lichtwellenleiter eine Eintrittsseite auf. Hier kann der erzeugte Strahl in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Einkoppeln bedeutet hierbei, dass der erzeugte Strahl möglichst vollständig in die Glasfasern des Lichtwellenleiters transmittiert. Vorzugsweise wird der erzeugte Strahl gleichzeitig in die mindestens zwei Glasfasern des Lichtwellenleiters eingekoppelt.. Durch das Einkoppeln wird der mindestens eine Strahl in mindestens zwei Teilstrahlen geteilt, die jeweils durch eine Glasfaser geführt werden können. Der Lichtwellenleiter kann beispielsweise in einem 90° Winkel gebogen sein und in einem rotierenden Gehäuse bzw. in der rotierbaren Ablenkvorrichtung positioniert sein. Somit kann der in mindestens zwei Teilstrahlen geteilte erzeugte Strahl zu einer Seite in Richtung des Abtastbereiches gelenkt werden. Auf der Austrittseite des Lichtwellenleiters sind die die Teilstrahlen führenden Glasfasern vertikal übereinander angeordnet, sodass die mindestens zwei Teilstrahlen vertikal übereinander aus dem Lichtwellenleiter entkoppeln können. Durch das Entkoppeln aus dem Lichtwellenleiter verlässt der erzeugte Strahl die Glasfasern des Lichtwellenleiters entsprechend der Ausrichtung der Glasfasern. Hierdurch kann abhängig von der Anzahl an Teilstrahlen bzw. Glasfasern ein größerer vertikaler Bereich abgetastet werden oder eine vertikale Auflösung erhöht werden. Auf der Austrittseite des Lichtwellenleiters können die einzelnen Glasfasern einen Winkel zueinander aufweisen oder voneinander beabstandet sein. Hierdurch kann eine vertikale Auflösung oder ein vertikaler Abtastwinkel eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Lichtwellenleiter beispielsweise eine sogenannte „multi-branch-fibre“ oder eine „multi-furcated fibre“ sein. Hierdurch kann auf der Austrittseite des Lichtwellenleiters eine Vielzahl an Glasfasern übereinander oder versetzt zueinander angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich können die Glasfasern an der Austrittseite auch horizontal oder diagonal nebeneinander angeordnet sein, sodass neben einem größeren vertikalen Abtastbereich ein horizontaler Abtastbereich schneller abgetastet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Lichtwellenleiter durch eine Verbiegung eines Bereiches des Lichwellenleiters anstelle einer Rotation des gesamten Lichtwellenleiters den mindestens einen erzeugten Strahl entlang des Abtastbereichs ablenken.By using an optical waveguide as a deflector or as part of the deflector in the transmit path of the generated beam, the complexity of a LIDAR device can be reduced. The optical waveguide here consists of at least two glass fibers that can guide or deflect the beam generated. The at least two glass fibers may have a sheath and be arranged next to one another or bundled. The glass fibers may for example consist of a plastic or a glass and alternatively have no sheath. The respective glass fibers may be uncoated or at least partially coated. An optical waveguide may comprise one or more glass fibers which form a common core or a plurality of separate cores of the optical waveguide. The respective cores or glass fibers can be arranged constant over a length of the optical waveguide or have a variable arrangement along the length of the optical waveguide. For example, the glass fibers may be arranged side by side at one entrance side and be spaced apart on an exit side of the optical waveguide and form a so-called "bi-furcated fiber" or "multi-furcated fiber". Preferably, the respective optical fibers of the optical waveguide can carry light in any form loss. On a side facing the laser, the optical waveguide has an entry side. Here, the generated beam can be coupled into the optical waveguide. Coupling means here that the generated beam transmits as completely as possible into the glass fibers of the optical waveguide. Preferably, the generated beam is simultaneously coupled into the at least two glass fibers of the optical waveguide. By coupling, the at least one beam is divided into at least two partial beams, which can be guided in each case by a glass fiber. The optical waveguide can for example be bent at a 90 ° angle and be positioned in a rotating housing or in the rotatable deflection device. Thus, the generated beam split into at least two sub-beams may be directed to one side toward the scanning area. On the exit side of the optical waveguide, the partial beams leading glass fibers are arranged vertically one above the other, so that the at least two partial beams can vertically decouple from each other from the optical waveguide. By decoupling from the optical fiber leaves the generated beam the optical fibers of the optical fiber according to the orientation of the glass fibers. In this way, depending on the number of partial beams or glass fibers, a larger vertical range can be scanned or a vertical resolution can be increased. On the exit side of the optical waveguide, the individual glass fibers may be at an angle to each other or spaced from each other. As a result, a vertical resolution or a vertical scanning angle can be set. Alternatively or additionally, the optical waveguide may for example be a so-called "multi-branch-fiber" or a "multi-furcated fiber". In this way, a multiplicity of glass fibers can be arranged one above the other or offset relative to one another on the exit side of the optical waveguide. Alternatively or additionally, the glass fibers can also be arranged horizontally or diagonally next to one another on the exit side, so that a horizontal scanning region can be scanned faster in addition to a larger vertical scanning region. Alternatively or additionally, by bending a region of the optical waveguide instead of rotating the entire optical waveguide, the optical waveguide can deflect the at least one generated beam along the scanning region.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung bildet die Eintrittsseite des Lichtwellenleiters die Rotationsachse. Der Laser erzeugt hierbei einen Strahl, der durch die Rotationsachse verläuft. Hierdurch kann der Aufbau der LIDAR-Vorrichtung vereinfacht und verkleinert werden. Der erzeugte Strahl bzw. Laserstrahl liegt ebenso wie die Eintrittsseite des Lichtwellenleiters in der Rotationsachse, sodass der erzeugte Strahl ohne weitere technische Hilfsmittel in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden kann. Alternativ kann zum Einkoppeln des erzeugten Strahls in den Lichtwellenleiter eine Optik bzw. ein Objektiv verwendet werden. Somit kann der Strahl unabhängig von einer Rotationsrichtung und -geschwindigkeit in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden.According to an embodiment of the LIDAR device, the entrance side of the optical waveguide forms the axis of rotation. The laser generates a beam that passes through the axis of rotation. As a result, the structure of the LIDAR device can be simplified and downsized. The generated beam or laser beam as well as the inlet side of the optical waveguide in the axis of rotation, so that the generated beam can be coupled without further technical aids in the optical waveguide. Alternatively, optics or a lens can be used for coupling the generated beam into the optical waveguide. Thus, the beam can be coupled independently of a direction of rotation and speed in the optical waveguide.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung sind die Glasfasern auf der Eintrittsseite des Lichtwellenleiters gebündelt angeordnet. Somit kann ein Laser stationär bzw. nicht rotierbar positioniert sein und den mindestens einen erzeugten Strahl ein Objektiv oder direkt in den Lichtwellenleiter einkoppeln. Durch die gebündelte Anordnung der Glasfasern auf der Eintrittsseite des Lichtwellenleiters kann der mindestens eine erzeugte Strahl in alle Glasfasern gleichzeitig eingekoppelt werden kann. Zusätzlich kann hierbei ein Querschnitt der jeweiligen Glasfasern auf der Eintrittsseite des Lichtwellenleiters verkleinert oder vergrößert sein. Vorzugsweise sind die Glasfasern rotationssymmetrisch gebündelt an der Eintrittsseite angeordnet. Dadurch kann der mindestens eine Strahl jederzeit in einen rotierenden Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Der Querschnitt kann hierbei sowohl durch eine verteilte oder gebündelte Anordnung der jeweiligen Glasfasern als auch durch einen Querschnitt der jeweiligen Glasfasern variiert werden.According to a further embodiment of the LIDAR device, the glass fibers are arranged bundled on the inlet side of the optical waveguide. Thus, a laser can be positioned stationary or not rotatable and couple the at least one generated beam an objective or directly into the optical waveguide. Due to the bundled arrangement of the glass fibers on the inlet side of the optical waveguide, the at least one generated beam can be coupled into all optical fibers simultaneously. In addition, in this case a cross-section of the respective glass fibers on the inlet side of the optical waveguide can be reduced or enlarged. Preferably, the glass fibers are arranged rotationally symmetrical bundled on the inlet side. As a result, the at least one beam can be coupled into a rotating optical waveguide at any time. The cross section can in this case be varied both by a distributed or bundled arrangement of the respective glass fibers and by a cross section of the respective glass fibers.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Glasfasern an der Austrittsseite des Lichtwellenleiters jeweils eine eigene Sendeoptik auf. Die einzelnen oder ausgewählten Glasfasern können mit einem Mikroobjektiv direkt auf einer Faserfacette bedruckt oder bestückt sein. Hierdurch kann beispielsweise eine Abbildung in einem Fernfeld als Punkt oder Linie ermöglicht werden. Diese auf die Faserfacette gedruckten Objektive können eine Sendeoptik ersetzen. Ein Druck eines derartigen Objektivs kann zum Beispiel durch 2-photonen Lithographie realisiert werden.According to a further embodiment, the glass fibers each have their own transmitting optics on the exit side of the optical waveguide. The individual or selected glass fibers can be printed or equipped with a micro-objective directly on a fiber facet. As a result, for example, an image in a far field as a point or line can be made possible. These lenses printed on the fiber facet can replace a transmission optics. A printing of such an objective can be realized, for example, by 2-photon lithography.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Glasfasern an der Austrittseite des Lichtwellenleiters eine gemeinsame Sendeoptik auf. Hierdurch kann eine LIDAR-Vorrichtung technisch besonders einfach aufgebaut sein, da nur eine gemeinsame Sendeoptik benötigt wird. Da hierdurch weniger Komponenten notwendig sind kann eine derartige LIDAR-Vorrichtung platzsparender ausgeführt sein.According to a further embodiment, the glass fibers on the outlet side of the optical waveguide on a common transmission optics. As a result, a LIDAR device can be of a particularly simple design, since only one common transmission optics is required. As a result, fewer components are necessary, such a LIDAR device can be designed to save space.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist die Ablenkvorrichtung entlang eines 360° Winkels rotierbar. Durch eine Rotation der Ablenkvorrichtung um 360° kann Licht bzw. der mindestens eine erzeugte Strahl in alle Richtungen ausgestrahlt werden, sodass ein horizontaler Abtastbereich von 360° ermöglicht wird. Der vertikale Abtastbereich bzw. Field of View kann durch die Anzahl der Glasfasern, deren Ausrichtung oder Beabstandung zueinander und in Verbindung mit der Sendeoptik sowie der Detektorauflösung definiert werden.According to a further embodiment of the LIDAR device, the deflection device is rotatable along a 360 ° angle. By rotating the deflection device through 360 °, light or the at least one generated beam can be emitted in all directions, so that a horizontal scanning range of 360 ° is made possible. The vertical scanning area or field of view can be defined by the number of optical fibers, their orientation or spacing from one another and in conjunction with the transmitting optics and the detector resolution.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel formen die vertikal übereinander angeordneten Glasfasern auf der Austrittseite des Lichtwellenleiters einen linienförmigen Laserstrahl. Vorzugsweise können die einzelnen aus dem Lichtwellenleiter in den Abtastbereich entkoppelten Strahlen durch geeignete Sendeoptiken zu einer vertikal ausgerichteten Linie vereint werden, sodass eine Divergenz der Linie den vertikalen Abtastwinkel bzw. Field of View definiert. Die Line kann entweder durch Aufweiten mindestens eines Strahls mithilfe optischer Elemente wie beispielsweise Zylinderlinsen oder durch Positionierung mehrerer Glasfasern übereinander realisiert werden. Hierdurch kann eine hohe vertikale Auflösung des Abtastbereichs auf dem Detektor realisiert werden.According to a further embodiment, the vertically stacked glass fibers on the exit side of the optical waveguide form a linear laser beam. Preferably, the individual beams decoupled from the optical waveguide into the scanning area can be combined by suitable transmitting optics into a vertically aligned line, so that a divergence of the line defines the vertical scanning angle or field of view. The line can be realized either by expanding at least one beam using optical elements such as cylindrical lenses or by positioning a plurality of optical fibers on top of each other. As a result, a high vertical resolution of the scanning area can be realized on the detector.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist der Detektor ringförmig ausgeführt und statisch um den Laser angeordnet. Hier wird der Detektor ringförmig um den Laser angeordnet und optisch isoliert. Von einem Objekt reflektierte oder gestreute Strahlen werden mit einer in der rotierenden Ablenkvorrichtung angebrachten Empfangsoptik eingesammelt und durch einen ebenfalls in der Ablenkvorrichtung angeordneten Spiegel auf den ringförmigen Detektor abgelenkt. Die so empfangenen Strahlen werden linienförmig mit einer Rotationsgeschwindigkeit der Ablenkvorrichtung auf den Detektor abgebildet. Basierend auf der Bewegung der Ablenkvorrichtung kann ein aktiver Bereich auf dem Detektor ebenfalls variable angesteuert werden, ohne den Detektor selbst bewegen zu müssen. Alternativ ist eine Integration des Lichtwellenleiters in die Empfangsoptik möglich, wodurch zwar ein vertikal ausgerichteter „blinder Fleck“ in der Detektion entsteht, der aber durch eine Drehung der Ablenkvorrichtung kompensiert werden kann. Eine solche Integration ermöglicht einen nahezu koaxialen Aufbau der LIDAR-Vorrichtung, wodurch die Bauhöhe der LIDAR-Vorrichtung verringert und optische Parallaxenfehler minimiert werden können. Die Ablenkvorrichtung kann somit sowohl zum Führen und Ablenken mindestens eines erzeugten Strahls als auch zum Empfangen und Ablenken mindestens eines reflektierten Strahls dienen.According to another embodiment of the LIDAR device, the detector is annular executed and statically arranged around the laser. Here, the detector is arranged in a ring around the laser and optically isolated. Rays reflected or scattered by an object are collected by a receiving optic mounted in the rotating deflector and deflected by a mirror also disposed in the deflector onto the annular detector. The rays thus received are imaged linearly on the detector at a rotational speed of the deflection device. Based on the movement of the deflection device, an active area on the detector can also be controlled in a variable manner without having to move the detector itself. Alternatively, an integration of the optical waveguide in the receiving optics is possible, whereby, although a vertically aligned "blind spot" arises in the detection, but which can be compensated by a rotation of the deflection device. Such integration allows for a nearly coaxial design of the LIDAR device, thereby reducing the overall height of the LIDAR device and minimizing optical parallax errors. The deflection device can thus serve both to guide and deflect at least one generated beam and to receive and deflect at least one reflected beam.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Detektor statisch neben dem Laser oder auf einer dem Laser gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung angeordnet. Der Detektor kann beispielsweise als ein 2D-Array ausgeführt sein.According to a further embodiment, the detector is arranged statically next to the laser or on a side of the device opposite the laser. For example, the detector may be implemented as a 2D array.

Hierzu kann der Detektor parallel neben dem Laser angeordnet sein. Über eine Empfangsoptik, die einen Spiegel aufweist und auf der rotierbaren Ablenkvorrichtung angeordnet ist, können reflektierte Strahlen entlang eines begrenzten Abtastbereiches auf den Detektor gelenkt werden. Alternativ kann der Detektor in der Rotationsachse angeordnet sein und auf einer dem Laser gegenüberliegenden Seite der LIDAR-Vorrichtung positioniert sein. Hierdurch können die reflektierten Strahlen uneingeschränkt entlang eines horizontalen 360° Abtastbereiches empfangen und detektiert werden.For this purpose, the detector may be arranged parallel to the laser. Reflected beams can be directed onto the detector along a limited scanning range via a receiving optical system which has a mirror and is arranged on the rotatable deflection apparatus. Alternatively, the detector may be disposed in the axis of rotation and positioned on a side of the LIDAR device opposite the laser. Thereby, the reflected beams can be received and detected unrestrictedly along a horizontal 360 ° scanning range.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Detektor in der Ablenkvorrichtung angeordnet. Alternativ zu einer stationären Ausführung eines Detektors, kann der Detektor in der Ablenkvorrichtung rotierbar angeordnet bzw. integriert sein. Hierbei kann der Detektor technisch einfacher aufgebaut sein, da ein Zeilendetektor bereits ausreichend ist. Die empfangenen Strahlen werden auf den Zeilendetektor abgebildet, sodass eine optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Detektionspixel gewährleistet werden kann.According to a further embodiment, the detector is arranged in the deflection device. As an alternative to a stationary embodiment of a detector, the detector can be rotatably arranged or integrated in the deflection device. In this case, the detector can be constructed technically simpler, since a line detector is already sufficient. The received beams are imaged on the line detector, so that an optimal use of the available detection pixels can be ensured.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer LIDAR-Vorrichtung bereitgestellt. Hierbei wird mindestens ein Strahl von einem Laser erzeugt und in eine Ablenkvorrichtung eingekoppelt. Der mindestens eine Strahl wird durch die Ablenkvorrichtung umgelenkt und entlang eines Abtastwinkels abgestrahlt. Es wird hierfür der mindestens eine erzeugte Strahl in einen in der Ablenkvorrichtung angeordneten Lichtwellenleiter mit mindestens zwei Glasfasern zum Umlenken eingekoppelt. An einer Austrittseite des Lichtwellenleiters kann der mindestens eine erzeugte Strahl aus den mindestens zwei Glasfasern als mindestens zwei versetzte Teilstrahlen ausgekoppelt werden.According to another aspect of the invention, a method of operating a LIDAR device is provided. In this case, at least one beam is generated by a laser and coupled into a deflection device. The at least one beam is deflected by the deflection device and emitted along a scanning angle. For this purpose, the at least one generated beam is coupled into a deflected device arranged in the optical waveguide with at least two glass fibers for deflecting. At an exit side of the optical waveguide, the at least one generated beam can be coupled out of the at least two glass fibers as at least two offset partial beams.

Die Ablenkvorrichtung weist hierbei einen Lichtwellenleiter mit mindestens zwei Glasfasern auf. Die Strahlen können in die jeweiligen Glasfasern, welche einen gemeinsamen Kern oder jeweils separate Kerne des Lichtwellenleiters bilden können, eingekoppelt werden. Die Glasfasern leiten die eingekoppelten Strahlen über einen definierten Winkelbereich und lenken damit mindestens einen erzeugten Strahl um. An einer Austrittseite des Lichtwellenleiters kann der mindestens eine eingekoppelte Strahl den Lichtwellenleiter verlassen. Der Lichtwellenleiter ist als Teil der Ablenkvorrichtung ebenfalls rotierbar und kann somit den mindestens einen erzeugten Strahl entlang eines Abtastbereiches ablenken. Vorzugsweise ist ein Eintrittsbereich des Lichtwellenleiters in einer Rotationsachse der Ablenkvorrichtung positioniert. Der Laser ist hierbei derart angeordnet, dass ein erzeugter Strahl ebenfalls durch die Rotationsachse verläuft und in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden kann. Hierbei erfüllt der Lichtwellenleiter mit den mindestens zwei Glasfasern als ein oder mehrere Kerne des Lichtwellenleiters die Funktion eines Strahlteilers, der mindestens einen erzeugten Strahl aufnehmen, führen und aufteilen kann. An der Austrittseite des Lichtwellenleiters können die jeweiligen Glasfasern zueinander beabstandet und/oder winkelversetzt zu einander angeordnet sein. Hierdurch werden mehrere Teilstrahlen erzeugt, die zum vertikalen oder horizontalen Abtasten des Abtastbereiches verwendet werden können. Somit kann eine vertikale Auflösung einer LIDAR-Vorrichtung erhöht werden oder ein größerer vertikaler Bereich ohne zusätzlichen Steuerungsaufwand abgetastet werden.In this case, the deflection device has an optical waveguide with at least two glass fibers. The beams can be coupled into the respective glass fibers, which can form a common core or separate cores of the optical waveguide. The glass fibers guide the coupled beams over a defined angular range and thus deflect at least one generated beam. At an exit side of the optical waveguide, the at least one coupled beam can leave the optical waveguide. The optical waveguide is also rotatable as part of the deflection device and can thus deflect the at least one generated beam along a scanning region. Preferably, an entry region of the optical waveguide is positioned in an axis of rotation of the deflection device. The laser is in this case arranged such that a generated beam also extends through the axis of rotation and can be coupled into the optical waveguide. In this case, the optical waveguide with the at least two glass fibers as one or more cores of the optical waveguide fulfills the function of a beam splitter which can receive, guide and divide at least one generated beam. At the exit side of the optical waveguide, the respective glass fibers can be spaced apart from each other and / or arranged angularly offset from one another. As a result, multiple partial beams are generated, which can be used for vertical or horizontal scanning of the scanning. Thus, a vertical resolution of a LIDAR device can be increased or a larger vertical range can be scanned without additional control effort.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

  • 1a eine schematische Darstellung eines Lichtwellenleiters einer Ablenkvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 1b eine schematische Darstellung des Lichtwellenleiters einer Ablenkvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Sendeoptik des Lichtwellenleiters einer Ablenkvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
  • 3 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 4 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
  • 5 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
In the following, preferred exemplary embodiments of the invention are explained in greater detail on the basis of greatly simplified schematic representations. Show here
  • 1a a schematic representation of an optical waveguide of a deflection apparatus according to a first embodiment,
  • 1b a schematic representation of the optical waveguide of a deflection apparatus according to a second embodiment,
  • 2 a schematic representation of a transmitting optical system of the optical waveguide of a deflection apparatus according to a third embodiment,
  • 3 a schematic representation of a LIDAR device according to a first embodiment,
  • 4 a schematic representation of a LIDAR device according to a second embodiment and
  • 5 a schematic representation of a LIDAR device according to a third embodiment.

In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.In the figures, the same constructive elements each have the same reference numerals.

Die 1a und 1b zeigen jeweils Lichtwellenleiter 1. Die Lichtwellenleiter 1 sind in einer in 3 gezeigten und bezifferten Ablenkvorrichtung angeordnet. Die Lichtwellenleiter 1 weisen eine Eintrittsseite 2 zum Einkoppeln von Strahlen und eine Austrittseite 4 zum Auskoppeln von Strahlen auf. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel weist der Lichtwellenleiter 1 zwei Glasfasern 6 auf und ist eine sogenannte „Bifurcated Fibre“. Die Glasfasern 6 bilden hier jeweils einen Kern des Lichtwellenleiters 1. Auf der Eintrittsseite 2 sind die Glasfasern 6 gebündelt angeordnet. Auf der Austrittseite 4 sind die Glasfasern 6 voneinander beabstand und weisen einen Winkel zueinander auf. Somit kann ein in den Lichtwellenleiter 1 eingekoppelter Strahl durch die zwei Glasfasern 6 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt werden und bei einem Auskoppeln aufgefächert werden. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, weist der Lichtwellenleiter 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl an Glasfasern 6 auf. Hierbei ist der Lichtwellenleiter 1 in Form eines sogenannten „Multi-Branch Fibre“ ausgeführt.The 1a and 1b each show optical fibers 1 , The optical fibers 1 are in an in 3 arranged and numbered deflection arranged. The optical fibers 1 have an entry side 2 for coupling in beams and an exit side 4 for decoupling of rays. According to a first embodiment, the optical waveguide 1 two glass fibers 6 and is a so-called "bifurcated fiber". The glass fibers 6 each form here a core of the optical waveguide 1 , On the entrance side 2 are the glass fibers 6 bundled arranged. On the exit side 4 are the glass fibers 6 spaced apart and have an angle to each other. Thus, one in the optical fiber 1 coupled beam through the two glass fibers 6 be divided into two sub-beams and fanned out at a decoupling. In contrast to the first embodiment, the optical waveguide 1 According to the second embodiment, a plurality of glass fibers 6 on. Here is the optical fiber 1 executed in the form of a so-called "multi-branch fiber".

In der 2 ist eine Glasfaser 6 eines Lichtwellenleiters 1 gezeigt. Hierbei ist die Austrittseite 4 des Lichtwellenleiters 1 vergrößert dargestellt. Auf einer Glasfaserfacette ist eine Sendeoptik 8 aufgedruckt, die einen Strahl bei einem Auskoppeln fokussieren oder aufweiten kann. Jede Glasfaser 6 kann jeweils eine derartige Sendeoptik 6 aufweisen.In the 2 is a glass fiber 6 an optical fiber 1 shown. Here is the exit side 4 of the optical fiber 1 shown enlarged. On a Glasfaserfacette is a transmission optics 8th imprinted, which can focus or expand a beam at a decoupling. Every fiber 6 can each have such a transmission optics 6 exhibit.

Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die LIDAR-Vorrichtung 10 weist einen Laser 12 auf, der einen Strahl 14 erzeugt. Der erzeugte Strahl 14 wird auf der Eintrittsseite 2 in den Lichtwellenleiter 1 eingekoppelt. Der Lichtwellenleiter 1 ist in der rotierbaren Ablenkvorrichtung 16 positioniert und weist eine Biegung um 90° auf. Die Ablenkvorrichtung 16 kann durch nicht dargestellte Aktuatoren bzw. Motoren um eine Rotationsachse R gedreht werden. Der Lichtwellenleiter 1 ist hierbei derart in der Ablenkvorrichtung 16 angeordnet, dass die Eintrittsseite 2 in der Rotationsachse R liegt. Da der Laser 12 ebenfalls in der Rotationsachse R liegt, können erzeugte Strahlen 14 unabhängig von einer Rotation der Ablenkvorrichtung in den Lichtwellenleiter 1 eingekoppelt werden. Ein Objektiv 18 fokussiert den erzeugten Strahl 14 auf die gebündelten Glasfasern 6 auf der Eintrittsseite 2 des Lichtwellenleiters 1. Durch die Biegung des Lichtwellenleiters 1 folgen eingekoppelte Strahlen der Form des Lichtwellenleiters 1 und werden ebenfalls um 90° umgelenkt auf der Austrittseite 4 aus dem Lichtwellenleiter 1 entkoppelt. Da die Glasfasern 6 auf der Austrittseite 4 vertikal übereinander angeordnet sind, wird der erzeugte Strahl 14 in mehrere Teilstrahlen 20 gespalten, die über einen vertikalen Abtastbereich gefächert sind. Somit kann ein größerer vertikaler Abtastbereich belichtet werden. Die Ablenkvorrichtung 16 weist darüber hinaus eine Empfangsoptik 22 auf. Die an einem Objekt 24 reflektierten Teilstrahlen 26 werden von der Empfangsoptik 22 empfangen und über einen ebenfalls in der Ablenkvorrichtung 16 positionierten Spiegel 28 zu einem Detektor 30 reflektiert. Die reflektierten Strahlen 20 werden hierbei zu empfangenen Strahlen 32, die auf den Detektor 30 gelenkt werden. Der Detektor 30 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Ringdetektor, der um den Laser 12 herum angeordnet ist und mit dem Laser 12 stationär bzw. unbeweglich ausgeführt ist.The 3 shows a schematic representation of a LIDAR device 10 according to a first embodiment. The LIDAR device 10 has a laser 12 up, a ray 14 generated. The generated beam 14 will be on the entrance page 2 in the optical fiber 1 coupled. The optical fiber 1 is in the rotatable deflection device 16 positioned and has a bend of 90 °. The deflection device 16 can by actuators or motors, not shown, about an axis of rotation R to be turned around. The optical fiber 1 is in this case in the deflection device 16 arranged that the entrance side 2 in the axis of rotation R lies. Because the laser 12 also in the rotation axis R lies, can generate rays 14 regardless of a rotation of the deflection device in the optical waveguide 1 be coupled. A lens 18 focuses the generated beam 14 on the bundled glass fibers 6 on the entrance side 2 of the optical fiber 1 , Due to the bending of the optical waveguide 1 follow coupled beams of the shape of the optical waveguide 1 and are also deflected by 90 ° on the exit side 4 from the optical fiber 1 decoupled. Because the glass fibers 6 on the exit side 4 Vertically stacked, the generated beam 14 into several partial beams 20 cleaved, which are fanned over a vertical scanning area. Thus, a larger vertical scanning area can be exposed. The deflection device 16 also has a receiving optics 22 on. The on an object 24 reflected partial beams 26 be from the receiving optics 22 received and via a likewise in the deflection device 16 positioned mirror 28 to a detector 30 reflected. The reflected rays 20 become beams 32 pointing to the detector 30 be steered. The detector 30 According to the embodiment, a ring detector is the one around the laser 12 is arranged around and with the laser 12 is executed stationary or immovable.

In der 4 ist eine LIDAR-Vorrichtung 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist die LIDAR-Vorrichtung 10 einen Detektor 30 auf, der in Form eines 2D-Arrays 30 ausgeführt ist. Der Detektor 30 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel auf einer dem Laser 12 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Hierzu weist die Ablenkvorrichtung 16 eine Empfangsoptik 22 und einen Spiegel 28 auf, die entsprechend angeordnet sind, um die reflektierten Strahlen 26 von dem Laser 12 ab zu lenken. Der Detektor 30 liegt in der Rotationsachse R und kann rotationssymmetrisch geformt sein. Somit können reflektierte Strahlen 26 und anschließend empfangene Strahlen 32 auf den Detektor 30 geleitet werden. Hierbei variiert lediglich die Orientierung der empfangenen Strahlen 32 auf dem Detektor 30, da dieser außerhalb der Ablenkvorrichtung 16 und somit stationär aufgestellt ist.In the 4 is a LIDAR device 10 shown according to a second embodiment. Unlike the first embodiment, the LIDAR device 10 a detector 30 on, in the form of a 2D array 30 is executed. The detector 30 is according to the embodiment on a the laser 12 arranged opposite side. For this purpose, the deflection device 16 a receiving optics 22 and a mirror 28 on, which are arranged according to the reflected rays 26 from the laser 12 to steer off. The detector 30 lies in the axis of rotation R and can be rotationally symmetrical. Thus, reflected rays can 26 and subsequently received rays 32 on the detector 30 be directed. Here, only the orientation of the received beams varies 32 on the detector 30 as this is outside the deflector 16 and thus is stationary.

Die 5 veranschaulicht eine LIDAR-Vorrichtung 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu den bereits erwähnten Ausführungsbeispielen ist der Detektor 30 in bzw. an der drehbaren Ablenkvorrichtung 16 angeordnet. Hierbei ist der Detektor 30 ein Zeilendetektor 30, der die empfangenen Strahlen 32 in-situ bzw. während der Rotation der Ablenkvorrichtung 16 detektiert.The 5 illustrates a LIDAR device 10 according to a third embodiment. Unlike the ones already mentioned Embodiments is the detector 30 in or on the rotatable deflection device 16 arranged. Here is the detector 30 a line detector 30 who received the rays 32 in-situ or during the rotation of the deflection device 16 detected.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (11)

LIDAR-Vorrichtung (10) zum Abtasten eines Abtastbereiches mit einem statisch angeordneten Laser (12) zum Erzeugen mindestens eines Stahls (14), mit einer entlang einer Rotationsachse (R) drehbaren Ablenkvorrichtung (16) zum Ablenken des mindestens einen erzeugten Strahls (14) in den Abtastbereich und mit einer Empfangsoptik (22) zum Empfangen und zum Ablenken des mindestens einen an einem Objekt (24) reflektierten Strahls (26) auf einen Detektor (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkvorrichtung (16) einen Lichtwellenleiter (1) mit mindestens zwei parallelen Glasfasern (6) als mindestens ein Kern des Lichtwellenleiters (1) aufweist und dass die mindestens zwei parallelen Glasfasern (6) an einer Austrittseite (4) des Lichtwellenleiters (1) zueinander versetzt angeordnet sind.LIDAR device (10) for scanning a scanning area with a statically arranged laser (12) for producing at least one steel (14), with a deflection device (16) rotatable along an axis of rotation (R) for deflecting the at least one generated beam (14) in the scanning region and with a receiving optical system (22) for receiving and deflecting the at least one beam (26) reflected by an object (24) onto a detector (30), characterized in that the deflection device (16) comprises an optical waveguide (1). with at least two parallel glass fibers (6) as at least one core of the optical waveguide (1) and that the at least two parallel glass fibers (6) on an exit side (4) of the optical waveguide (1) are arranged offset from each other. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Eintrittsseite (2) des Lichtwellenleiters (1) die Rotationsachse (R) bildet und der Laser (12) einen Strahl (14) erzeugt, der durch die Rotationsachse (R) verläuft.Device after Claim 1 in which an entry side (2) of the optical waveguide (1) forms the axis of rotation (R) and the laser (12) generates a beam (14) which passes through the axis of rotation (R). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Glasfaser (6) auf der Eintrittsseite (2) des Lichtwellenleiters (1) gebündelt angeordnet sind.Device after Claim 1 or 2 , wherein the glass fiber (6) on the inlet side (2) of the optical waveguide (1) are arranged in a cluster. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Glasfaser (6) an der Austrittseite (4) des Lichtwellenleiters (1) jeweils eine eigene Sendeoptik (8) aufweisen.Device according to one of Claims 1 to 3 , wherein the glass fiber (6) on the outlet side (4) of the optical waveguide (1) each have their own transmitting optics (8). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Glasfaser (6) an der Austrittseite (4) des Lichtwellenleiters (1) eine gemeinsame Sendeoptik (8) aufweisen.Device according to one of Claims 1 to 4 , wherein the glass fiber (6) on the outlet side (4) of the optical waveguide (1) have a common transmission optics (8). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ablenkvorrichtung (16) entlang eines 360° Winkels rotierbar ist.Device according to one of Claims 1 to 5 wherein the deflection device (16) is rotatable along a 360 ° angle. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die vertikal übereinander angeordneten Glasfasern (6) auf der Austrittseite (4) des Lichtwellenleiters (1) einen linienförmigen Strahl (20) formen.Device according to one of Claims 1 to 6 , wherein the vertically stacked glass fibers (6) on the outlet side (4) of the optical waveguide (1) form a linear beam (20). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Detektor (30) ringförmig geformt ist und statisch um den Laser (12) angeordnet ist.Device according to one of Claims 1 to 7 wherein the detector (30) is annular shaped and statically disposed about the laser (12). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Detektor (30) statisch neben dem Laser (12) oder auf einer dem Laser (12) gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung (10) angeordnet ist.Device according to one of Claims 1 to 8th wherein the detector (30) is arranged statically next to the laser (12) or on a side of the device (10) opposite the laser (12). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Detektor (30) in der Ablenkvorrichtung (16) angeordnet ist.Device according to one of Claims 1 to 9 wherein the detector (30) is arranged in the deflection device (16). Verfahren zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - mindestens ein Strahl (14) von einem Laser (12) erzeugt und in eine Ablenkvorrichtung (16) eingekoppelt wird, - der mindestens eine Strahl (14) durch die Ablenkvorrichtung (16) entlang eines Abtastwinkels umgelenkt und abgestrahlt wird, - mindestens ein an einem Objekt (24) reflektierter Strahl (26) von einer Empfangsoptik (22) auf einen Detektor (30) gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erzeugte Strahl (14) in einen in der Ablenkvorrichtung (16) angeordneten Lichtwellenleiter (1) mit mindestens zwei Glasfasern (6) zum Umlenken des erzeugten Strahls (14) eingekoppelt wird und an einer Austrittseite (4) des Lichtwellenleiters (1) der mindestens eine erzeugte Strahl (14) aus den mindestens zwei Glasfasern (6) als mindestens zwei zueinander versetzte Teilstrahlen (20) ausgekoppelt wird.Method for operating a LIDAR device (10) according to one of the preceding claims, wherein - at least one beam (14) is generated by a laser (12) and coupled into a deflection device (16), - the at least one beam (14) the deflection device (16) is deflected and radiated along a scanning angle, - at least one beam (26) reflected by an object (24) is directed by a receiving optical system (22) onto a detector (30), characterized in that the at least one generated beam Beam (14) in an in the deflection device (16) arranged optical waveguide (1) with at least two glass fibers (6) for deflecting the generated beam (14) is coupled and at an exit side (4) of the optical waveguide (1) of at least one generated Beam (14) from the at least two glass fibers (6) as at least two mutually offset partial beams (20) is coupled out.
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