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WO2019020532A1 - Lidar-vorrichtung und verfahren mit einer verbesserten ablenkvorrichtung - Google Patents

Lidar-vorrichtung und verfahren mit einer verbesserten ablenkvorrichtung Download PDF

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WO2019020532A1
WO2019020532A1 PCT/EP2018/069823 EP2018069823W WO2019020532A1 WO 2019020532 A1 WO2019020532 A1 WO 2019020532A1 EP 2018069823 W EP2018069823 W EP 2018069823W WO 2019020532 A1 WO2019020532 A1 WO 2019020532A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/069823
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English (en)
French (fr)
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
Publication of WO2019020532A1 publication Critical patent/WO2019020532A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
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    • G01S7/4815—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone using multiple transmitters
    • G—PHYSICS
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Definitions

  • the invention relates to a LIDAR device for scanning a
  • a distance between the LIDAR device and an object is determined.
  • a beam is generated by a laser and emitted into a scanning region.
  • 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.
  • different concepts are pursued. In addition to the so-called
  • 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.
  • the deflection unit also directs the rays reflected by an object onto the detector.
  • no energy and data transmission to the rotating parts is needed.
  • LIDAR device which uses a rotating mirror for deflecting the generated beams. In these concepts, however, is the horizontal
  • 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.
  • a LIDAR device for scanning a scan area.
  • the LIDAR device comprises a statically arranged laser for producing at least one steel, a deflection device rotatable along an axis of rotation for deflecting the at least one generated beam into the scanning region and one
  • 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.
  • 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 can be one
  • the glass fibers may for example consist of a plastic or a glass and alternatively have no sheath.
  • 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 over a length of the Optical waveguide be arranged constant or have a variable arrangement along the length of the optical waveguide.
  • 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".
  • the respective optical fibers of the optical waveguide can carry light in any form loss.
  • the optical waveguide On a side facing the laser, the optical waveguide has an entry side.
  • 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.
  • the generated beam is simultaneously in the
  • the at least one beam is divided into at least two partial beams, which can be guided in each case by a glass fiber at least two glass fibers of the optical waveguide.
  • Optical waveguides can be bent, for example, at a 90 ° angle and be positioned in a rotating housing or in the rotatable deflection device.
  • the generated beam split into at least two sub-beams may be directed to one side toward the scanning area.
  • 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.
  • the generated beam leaves the glass fibers of the optical waveguide 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.
  • the individual optical waveguide On the exit side of the optical waveguide, the individual
  • 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.
  • the glass fibers can also be arranged horizontally or diagonally next to one another on the outlet side, so that, in addition to a larger vertical scanning region, a horizontal scanning region is faster can be sampled.
  • the optical waveguide can deflect the at least one generated beam along the scanning region.
  • the entrance side of the optical waveguide forms the axis of rotation.
  • the laser generates a beam that passes through the axis of rotation.
  • the structure of the LIDAR device can be simplified and downsized. The generated beam or
  • Laser beam is as well as the entrance 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.
  • the beam can be independent of a
  • Rotation direction and speed are coupled into the optical waveguide.
  • the glass fibers are arranged bundled on the inlet side of the optical waveguide.
  • a laser may be stationary or not rotatable positioned and the at least one beam generated a lens or directly into the
  • the at least one generated beam can be coupled into all optical fibers simultaneously.
  • a cross section of the respective glass fibers on the inlet side of 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.
  • Fiber optic reduced or enlarged Preferably, the
  • Fiber optic cables are coupled.
  • 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.
  • 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 used with a micro-lens directly be printed or equipped on a fiber facet. This can
  • These lenses printed on the fiber facet may have a
  • a printing of such an objective can be realized, for example, by 2-photon lithography.
  • the glass fibers on the outlet side of the optical waveguide on a common transmission optics can be of a particularly simple design, since only one common transmission optics is required. As a result, less
  • LIDAR device can be designed to save space.
  • Deflection device 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.
  • the vertically stacked glass fibers on the exit side of the optical waveguide form a linear laser beam.
  • Fiber optics in the scanning decoupled beams are combined by suitable transmission optics to 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.
  • the detector is designed annular and arranged statically around the laser.
  • 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.
  • the detector is arranged statically next to the laser or on a side of the device opposite the laser.
  • the detector may be implemented as a 2D array.
  • the detector may be arranged parallel to the laser.
  • a receiving optics which has a mirror and on the rotatable
  • 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. According to a further embodiment, the detector is in the
  • the detector can be rotatably arranged or integrated in the deflection device.
  • 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.
  • the at least one beam is deflected by the deflection device and along a
  • 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.
  • a deflected device arranged in the optical waveguide with at least two glass fibers for deflecting.
  • the at least one generated beam can be coupled out of the at least two glass fibers as at least two offset partial beams.
  • the deflection device in this case has an optical waveguide with at least two
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the respective glass fibers can be spaced from each other and / or angularly offset from each other.
  • Scanning area can be used.
  • a vertical resolution of a LIDAR device can be increased or a larger vertical range can be scanned without additional control effort.
  • Fig. 1a is a schematic representation of an optical waveguide of a
  • Fig. 1 b is a schematic representation of the optical waveguide a
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a transmission optical system of the optical waveguide of a deflection device according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a LIDAR device according to a first exemplary embodiment
  • Fig. 4 is a schematic representation of a LIDAR device according to a second embodiment
  • Fig. 5 is a schematic representation of a LIDAR device according to a third embodiment.
  • FIGS. 1 a and 1 b each show optical waveguides 1.
  • the optical waveguides 1 are arranged in a deflecting device shown in FIG. 3 and numbered.
  • the optical waveguides 1 have an entrance side 2 for coupling in of rays and an exit side 4 for decoupling of rays.
  • the optical waveguide 1 has two glass fibers 6 and is a so-called "bifurcated fiber.”
  • the glass fibers 6 each form a core of the optical waveguide 1.
  • the glass fibers 6 are arranged bundled on the inlet side 2.
  • On the outlet side 4 are the Glass fibers 6 from each other spaced and have an angle to each other.
  • a coupled into the optical waveguide 1 beam can be divided by the two glass fibers 6 into two sub-beams and fanned out at a decoupling.
  • the optical waveguide 1 according to the second exemplary embodiment has a large number of glass fibers 6.
  • the optical waveguide 1 is designed in the form of a so-called "multi-branch fiber".
  • FIG. 2 shows a glass fiber 6 of an optical waveguide 1.
  • the outlet side 4 of the optical waveguide 1 is shown enlarged.
  • a glass fiber 6 of an optical waveguide 1 is shown enlarged.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a LIDAR device 10 according to a first exemplary embodiment.
  • the LIDAR device 10 has a laser 12 which generates a beam 14.
  • the generated beam 14 is coupled on the inlet side 2 in the optical waveguide 1.
  • the optical waveguide 1 is positioned in the rotatable deflection device 16 and has a bend of 90 °.
  • the deflection device 16 can by not shown actuators or
  • the optical waveguide 1 is arranged in the deflection device 16 such that the entry side 2 lies in the axis of rotation R. Since the laser 12 is also located in the axis of rotation R, generated beams 14, regardless of rotation of the
  • Deflection device are coupled into the optical waveguide 1.
  • An objective 18 focuses the generated beam 14 on the bundled glass fibers 6 on the inlet side 2 of the optical waveguide 1.
  • the deflection device 16 also has a receiving optics 22.
  • the reflected at an object 24 partial beams 26 are received by the receiving optics 22 and Reflected via a also positioned in the deflector 16 mirror 28 to a detector 30.
  • the reflected beams 20 become received beams 32, which are directed onto the detector 30.
  • the detector 30 according to the embodiment is a ring detector, which is arranged around the laser 12 around and is carried out with the laser 12 stationary or immovable.
  • FIG 4 is a LIDAR device 10 according to a second
  • the LIDAR device 10 has a detector 30, which is designed in the form of a 2D array 30.
  • the detector 30 is arranged according to the embodiment on an opposite side of the laser 12.
  • the deflection device 16 to a receiving optics 22 and a mirror 28, which are arranged to deflect the reflected beams 26 of the laser 12 from.
  • the detector 30 is located in the axis of rotation R and may be rotationally symmetrical.
  • reflected rays 26 and subsequently received rays 32 may be directed to the detector 30.
  • only the orientation of the received beams 32 on the detector 30 varies since this is located outside of the deflection device 16 and thus stationary.
  • FIG. 5 illustrates a LIDAR device 10 according to a third exemplary embodiment. Unlike the ones already mentioned
  • the detector 30 is in or on the rotatable
  • the detector 30 is a line detector

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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.

Description

Beschreibung Titel
LIDAR-Vorrichtung und Verfahren mit einer verbesserten Ablenkvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines
Abtastbereiches sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen LIDAR- Vorrichtung.
Stand der Technik
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 10 201 1 107 594 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. Offenbarung der Erfindung
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
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.
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. 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.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer LI DAR- 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. 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.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen
Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1a eine schematische Darstellung eines Lichtwellenleiters einer
Ablenkvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 1 b eine schematische Darstellung des Lichtwellenleiters einer
Ablenkvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Sendeoptik des Lichtwellenleiters einer Ablenkvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
Die Figuren 1a und 1 b zeigen jeweils Lichtwellenleiter 1. Die Lichtwellenleiter 1 sind in einer in Figur 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.
In der Figur 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. Die Figur 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.
In der Figur 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.
Die Figur 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.

Claims

Ansprüche
1. 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.
2. 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.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Glasfaser (6) auf der
Eintrittsseite (2) des Lichtwellenleiters (1) gebündelt angeordnet sind.
4. 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.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Glasfaser (6) an der Austrittseite (4) des Lichtwellenleiters (1) eine gemeinsame Sendeoptik (8) aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ablenkvorrichtung (16) entlang eines 360° Winkels rotierbar ist.
. 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.
. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Detektor (30) ringförmig geformt ist und statisch um den Laser (12) angeordnet ist.
. 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.
0. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Detektor (30) in der Ablenkvorrichtung (16) angeordnet ist.
1. Verfahren zum Betreiben einer LI DAR- 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.
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