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Patent Searching and Data


Title:
LIDAR DISTANCE MEASUREMENT WITH SCANNER AND FLASH LIGHT SOURCE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/224095
Kind Code:
A1
Abstract:
An apparatus (100) comprises a first transmission beam path (161), which extends from a pulsed first light source (151) to the surroundings (190) of the apparatus (100) via a scanner (180). The apparatus (100) also comprises a reception beam path (169), which extends from the surroundings (190) to a detector (159) via the scanner (180). The apparatus (100) also comprises at least one second transmission beam path (162), which extends from at least one pulsed second light source (152) to the surroundings (190) without passing through the scanner (180).

Inventors:
MÜLLER MATHIAS (DE)
Application Number:
PCT/DE2018/100537
Publication Date:
December 13, 2018
Filing Date:
June 05, 2018
Export Citation:
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Assignee:
BLICKFELD GMBH (DE)
International Classes:
G01S7/481; G01S17/10; G01S17/42; G01S17/894; G01S7/497
Foreign References:
DE102010047984A12012-04-12
US20100277713A12010-11-04
US20160259038A12016-09-08
DE102010047984A12012-04-12
US7969558B22011-06-28
DE102017002235A2017-03-08
DE102017002866A2017-03-24
DE102017002870A2017-03-24
Attorney, Agent or Firm:
NEUSSER, Sebastian (DE)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE

1 . Vorrichtung (100), die umfasst:

- einen ersten Sendestrahlengang (161 ), der von einer gepulsten ersten Lichtquelle (151 ) über einen Scanner (180) zu einem Umfeld (190) der Vorrichtung (100) verläuft,

- einen Empfangsstrahlengang (169), der vom Umfeld (190) über den Scanner (180) zu einem Detektor (159) verläuft, und

- mindestens einen zweiten Sendestrahlengang (162), der von mindestens einer gepulsten zweiten Lichtquelle (152) und nicht über den Scanner (180) zum

Umfeld (190) verläuft,

- eine Steuerung, die eingerichtet ist, um die gepulste erste Lichtquelle (151 ) anzusteuern, um einen ersten Lichtpuls entlang des ersten Sendestrahlengangs (161 ) auszusenden, und um die gepulste zweite Lichtquelle (151 ) anzusteuern, um einen zweiten Lichtpuls entlang des zweiten Sendestrahlengangs (162)

auszusenden,

wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist, um den Detektor (159) zum Detektieren einer Reflektion des ersten Lichtpulses entlang des

Empfangsstrahlengangs (169) und zum Detektieren einer Reflektion des zweiten Lichtpulses entlang des Empfangsstrahlengangs (169) anzusteuern..

2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 , die weiterhin umfasst:

- mindestens eine Außenscheibe (171 ), welche die Vorrichtung (100) vom Umfeld (190) trennt,

wobei der erste Sendestrahlengang (161 ) und der mindestens eine zweite

Sendestrahlengang (162) die mindestens eine Außenscheibe (171 ) in

unterschiedlichen Bereichen (171 -1 , 171 -2) treffen.

3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, die weiterhin umfasst:

- eine Blende (172), die zwischen mindestens einer Außenscheibe (171 ) der

Vorrichtung (100) und dem Detektor (159) angeordnet ist und die eingerichtet ist, um an mindestens einer Außenscheibe (171 ) der Vorrichtung (100) reflektiertes Licht (162A) der mindestens einen zweiten Lichtquelle (152) zu blockieren.

4. Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine zweite Sendestrahlengang (162) in Bezug auf einen einzelnen Puls (157) der mindestens einen zweiten Lichtquelle (152) das Umfeld (190) in einem Winkelbereich (262) von nicht weniger als 40° beleuchtet, optional nicht weniger als 100°, weiter optional nicht weniger als 150°.

5. Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

wobei der mindestens eine zweite Sendestrahlengang (162) in Bezug auf einen einzelnen Puls (157) der mindestens einen zweiten Lichtquelle (152) das Umfeld (190) in einem Winkelbereich (262) beleuchtet, der nicht kleiner als 40 % eines Scanbereichs (252) des Scanners (180) ist, optional nicht kleiner als 70 %, weiter optional nicht kleiner als 100 %. 6. Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst:

- einen Diffusor (179), der im mindestens einen zweiten Sendestrahlengang (162) angeordnet ist und eingerichtet ist, um eine Divergenz des mindestens einen zweiten Sendestrahlengangs (162) zu vergrößern und/oder um den mindestens einen zweiten Sendestrahlengang (162) aufzufächern.

7. Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

wobei der Empfangsstrahlengang (169) und der erste Sendestrahlengang (161 ) zumindest teilweise deckungsgleich verlaufen, und/oder

wobei der Empfangsstrahlengang (169) und der mindestens eine zweite

Sendestrahlengang (162) nicht deckungsgleich verlaufen.

8. Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst:

- eine Steuerung (101 ), die eingerichtet ist, um die erste Lichtquelle (151 ) anzusteuern, um zu einem ersten Zeitpunkt einen ersten Lichtpuls (156) entlang des ersten Sendestrahlengangs (161 ) auszusenden, und um die mindestens zweite Lichtquelle (152) anzusteuern, um zu einem zweiten Zeitpunkt einen zweiten Lichtpuls (157) entlang des mindestens eines zweiten Sendestrahlengangs (162) auszusenden,

wobei der Betrag der Zeitdauer zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt nicht größer als 2 % der Scanperiode des Scanners (180) ist.

9. Vorrichtung (100) nach Anspruch 8,

wobei die Steuerung eingerichtet ist, um vom Detektor (159) ein mit dem zweiten Lichtpuls (157) assoziiertes Messsignal zu empfangen und basierend auf dem Messsignal eine Sendeleistung des ersten Lichtpulses (156) zu bestimmen.

10. Verfahren, das umfasst:

- Ansteuern einer gepulsten ersten Lichtquelle (151 ), um einen ersten

Lichtpuls entlang eines ersten Sendestrahlengangs (161 ) über einen Scanner (180) in ein Umfeld (190) auszusenden,

- Ansteuern eines Detektors (159) zum Detektieren einer Reflektion des ersten

Lichtpulses entlang eines Empfangsstrahlengangs (169), der von dem Umfeld (190) über den Scanner (180) verläuft,

- Ansteuern mindestens einer gepulsten zweiten Lichtquelle (152) , um einen zweiten Lichtpuls entlang eines zweiten Sendestrahlengangs (162) und nicht über den Scanner (180) in das Umfeld (190) auszusenden, und

- Ansteuern des Detektors (159) zum Detektieren einer Reflektion des zweiten Lichtpulses entlang des Empfangsstrahlengangs (169).

Description:
LIDAR-Entfernungsmessung mit Scanner und FLASH-Lichtquelle

TECHNISCHES GEBIET Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffend im Allgemeinen das Aussenden von Lichtpulses z.B. zur Entfernungsmessung mittels LIDAR-Messtechniken. Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen insbesondere das Aussenden von Lichtpulsen entlang unterschiedlicher Sendestrahlengänge, die über einen Scanner und nicht über einen Scanner verlaufen.

HINTERGRUND

Die Abstandsmessung von Objekten ist in verschiedenen Technologiefeldern erstrebenswert. Zum Beispiel kann es im Zusammenhang mit Anwendungen des autonomen Fahrens erstrebenswert sein, Objekte im Umfeld von Fahrzeugen zu erkennen und insbesondere einen Abstand zu den Objekten zu ermitteln.

Eine Technik zur Abstandsmessung von Objekten ist die sogenannte LIDAR- Technologie (engl. Light detection and ranging; manchmal auch LADAR). Dabei wird z.B. gepulstes Laserlicht von einem Emitter ausgesendet. Die Objekte im Umfeld reflektieren das Laserlicht. Diese Reflexionen können anschließend gemessen werden. Durch Bestimmung der Laufzeit des Laserlichts kann ein Abstand zu den Objekten bestimmt werden. Um die Objekte im Umfeld ortsaufgelöst zu erkennen, kann es möglich sein, das Laserlicht zu scannen. Je nach Abstrahlwinkel des Laserlichts können dadurch unterschiedliche Objekte im Umfeld erkannt werden. Dazu kann ein Scanner vorgesehen sein. Um ein entsprechendes Gerät robust auszugestalten, ist es typischerweise erforderlich, dass die Lichtquelle und der Scanner in einem Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse kann eine für das Licht transparente Außenscheibe aufweisen. An der Außenscheibe kann es zu unerwünschten Reflektionen des Lichts kommen. Dies kann einerseits aufgrund einer Verkippung des Sendestrahlengangs gegenüber der Außenscheibe der Fall sein. Eine solche Verkippung kann insbesondere im Zusammenhang mit dem zweidimensionalen Scannen von Licht nicht oder nur schwer vermeidbar sein. Ein weiterer Grund für Reflektionen kann eine Verschmutzung der Außenscheibe sein.

Manchmal wird der Scanner auch zum Detektieren von rückreflektiertem Licht verwendet. Dann können der Empfangsstrahlengang und der Sendestrahlengang zumindest teilweise deckungsgleich verlaufen, bzw. antiparallel und überlagert. Sowohl der Sendestrahlengang, als auch der Empfangsstrahlengang verlaufen dabei über den Scanner. In einer solchen Implementierung kann eine Rückreflektion an der Außenscheibe eine Sättigung des verwendeten Detektors bewirken, weil dann vergleichsweise viel Licht auftrifft. Deshalb ist der Detektor für die ersten Nanosekunden nach Feuern eines Pulses„erblindet". Dies kann bedeutet, dass es oftmals schwierig sein kann, Objekte im nahen Umfeld - z.B. im Bereich von bis zu 10 m - zu messen.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken für LiDAR- Entfernungsmessungen. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, die zumindest einige der oben genannten Nachteile lindern oder beheben. Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.

In einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung einen ersten Sendestrahlengang. Der erste Sendestrahlengang verläuft von einer gepulsten ersten Lichtquelle über einen Scanner zu einem Umfeld der Vorrichtung. Außerdem umfasst die Vorrichtung auch einen Empfangsstrahlengang, der vom Umfeld über den Scanner zu einem Detektor verläuft. Die Vorrichtung umfasst auch mindestens einen zweiten Sendestrahlengang, der von mindestens einer gepulsten Lichtquelle zum Umfeld verläuft. Der mindestens eine zweite Sendestrahlengang verläuft dabei nicht über den Scanner. In einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung eine gepulste erste Lichtquelle, die eingerichtet ist, um Licht über einen Scanner zu einem Umfeld der Vorrichtung auszusenden. Die Vorrichtung umfasst auch einen Detektor, der eingerichtet ist, um Licht über den Scanner vom Umfeld zu detektieren. Die Vorrichtung umfasst auch mindestens eine gepulste zweite Lichtquelle, die eingerichtet ist, um Licht nicht über den Scanner zum Umfeld auszusenden.

In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Ansteuern einer gepulsten ersten Lichtquelle, um einen ersten Lichtpuls entlang eines ersten Sendestrahlengangs über einen Scanner in ein Umfeld auszusenden. Das Verfahren umfasst auch das Ansteuern eines Detektors zum Detektieren einer Reflektion des ersten Lichtpulses entlang eines Empfangsstrahlengangs, der vom Umfeld über den Scanner verläuft. Das Verfahren umfasst ferner das Ansteuern mindestens einer gepulsten zweiten Lichtquelle, um einen zweiten Lichtpuls entlang eines zweiten Sendestrahlengangs und nicht über den Scanner in das Umfeld auszusenden. Das Verfahren umfasst ferner das Ansteuern des Detektors zum Detektieren einer Reflektion des zweiten Lichtpulses entlang des Empfangsstrahlengangs. In einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung für LIDAR-Entfernungsmessungen einen ersten Laser, der eingerichtet ist, um Laserpulse über einen Scanner auszusenden. Die Vorrichtung umfasst auch einen FLASH-Laser, der eingerichtet ist, um Laserpulse nicht über den Scanner auszusenden. Ein Detektor ist eingerichtet, um Reflektionen über den Scanner zu detektieren.

Die oben beschriebenen Beispiele können in weiteren Beispielen auch miteinander kombiniert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

FIG. 1 illustriert schematisch eine beispielhafte Vorrichtung mit einer Lichtquelle, die über einen Scanner sendet, einer weiteren Lichtquelle, die nicht über den Scanner sendet, sowie einem Detektor, der über den Scanner empfängt. FIG. 2 illustriert schematisch einen Winkelbereich, der durch die Lichtquelle beleuchtet wird, einen weiteren Winkelbereich, der durch die weitere Lichtquelle beleuchtet wird, sowie einen Scanbereich des Scanners der Vorrichtung aus FIG. 1.

FIG. 3 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.

FIG. 4 illustriert schematisch den Scanner gemäß verschiedener Beispiele. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.

Nachfolgend werden verschiedene Techniken zum Scannen von Licht beschrieben. Die nachfolgend beschriebenen Techniken können zum Beispiel das 2-D Scannen von Licht ermöglichen. Das Scannen kann wiederholtes Aussenden von Lichtpulsen unter unterschiedlichen Abstrahlwinkeln bezeichnen. Ein Scanner kann zum Scannen verwendet werden. Der Scanner kann z.B. eine Umlenkeinheit oder mehrere Umlenkeinheiten umfassen. Die eine oder die mehreren Umlenkeinheiten können eingerichtet sein, um Licht - z.B. gepulstes Laserlicht - einmal oder mehrfach umzulenken. Die Umlenkeinheit kann beispielsweise einen Spiegel umfassen. Die Umlenkeinheit könnte auch ein Prisma anstelle des Spiegels umfassen. Der Scanner kann ein elastisches Stützelement umfassen, das die Umlenkeinheit elastisch aufhängt. Durch reversible Verformung des elastischen Stützelements können unterschiedliche Positionen der Umlenkeinheit und damit unterschiedliche Scanwinkel implementiert werden. Es ist möglich, dass das elastische Element resonant oder semi-resonant angeregt wird, um das Scannen zu bewirken (solche Techniken werden manchmal als„resonant flexure scanning" bezeichnet). In verschiedenen Beispielen wird also zum Scannen von Licht mindestens ein Stützelement verwendet werden, das eine form- und/oder materialinduzierte Elastizität aufweist. Deshalb könnte des mindestens eine Stützelement auch als Federelement oder elastische Aufhängung bezeichnet werden. Das Stützelement weist ein bewegliches Ende auf. Dann kann mindestens ein Freiheitsgrad der Bewegung des mindestens einen Stützelements angeregt werden, beispielsweise eine Torsion und/oder eine transversale Auslenkung. Dabei können unterschiedliche Ordnungen von Transversalmoden angeregt werden. Durch eine solche Anregung einer Bewegung kann eine Umlenkeinheit, die mit dem beweglichen Ende des mindestens einen Stützelemente verbunden ist, bewegt werden. Deshalb definiert das bewegliche Ende des mindestens einen Stützelements ein Schnittstellenelement zur entsprechenden Umlenkeinheit. Es wäre beispielsweise möglich, dass mehr als ein einzelnes Stützelement verwendet wird, z.B. zwei oder drei oder vier Stützelemente. Diese können optional symmetrisch in Bezug zueinander angeordnet sein. Die ein oder die mehreren Umlenkeinheiten können unter unterschiedlichen Scanwinkeln positioniert werden; unterschiedliche Scanwinkel können dabei unterschiedlichen Abstrahlwinkeln des Lichts entsprechen. Die Abfolge von Scanwinkeln kann durch eine Überlagerungsfigur festgelegt sein, wenn z.B. zwei Freiheitsgrade der Bewegung zeitlich - und optional örtlich - überlagert zum Scannen verwendet werden. Z.B. kann die Menge der Scanwinkel einen Scanbereich festlegen. In verschiedenen Beispielen kann das Scannen von Licht durch die zeitliche Überlagerung und optional eine örtliche Überlagerung von zwei Bewegungen entsprechend unterschiedlicher Freiheitsgrade mindestens einer elastischen Aufhängung erfolgen. Dann wird ein 2-D Scanbereich erhalten. In verschiedenen Beispielen wird zum Scannen des Laserlichts ein bewegliches Ende einer Faser oder mehrerer Fasern als Stützelement verwendet: dies bedeutet, dass das mindestens eine Stützelement durch eine oder mehrere Fasern ausgebildet sein kann. Es können verschiedene Fasern als Stützelemente verwendet werden. Beispielsweise können Lichtfasern verwendet werden, die auch als Glasfasern bezeichnet werden. Dabei ist es aber nicht erforderlich, dass die Fasern aus Glas hergestellt sind. Die Fasern können zum Beispiel aus Kunststoff, Glas oder einem anderen Material hergestellt sein. Beispielsweise können die Fasern aus Quarzglas hergestellt sein. Die Fasern können beispielsweise eine Länge aufweisen, die im Bereich von 3 mm - 10 mm liegt, optional im Bereich von 3,8 mm - 7.5 mm. Beispielsweise können die Fasern ein 70 GPa Elastizität-Modul aufweisen. Dies bedeutet, dass die Fasern elastisch sein können. Beispielsweise können die Fasern bis zu 4 % Materialdehnung ermöglichen. In manchen Beispielen weisen die Fasern einen Kern auf, in welchem das eingespeiste Laserlicht propagiert und durch Totalreflektion an den Rändern eingeschlossen ist (Lichtwellenleiter). Die Faser muss aber keinen Kern aufweisen. In verschiedenen Beispielen können sogenannte Einmoden-Lichtfasern (engl. Single mode fibers) oder Mehrmoden-Lichtfasern (engl, multimode fibers) verwendet werden. Die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern können zum Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es wäre zum Beispiel möglich, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern einen Durchmesser aufweisen, der nicht kleiner als 50 pm ist, optional nicht <150 pm ist, weiter optional nicht <500 pm ist, weiter optional nicht <1 mm ist. Zum Beispiel können die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern verbiegbar bzw. krümmbar ausgestaltet sein, d.h. flexibel bzw. elastisch. Dazu kann das Material der hierin beschriebenen Fasern eine gewisse Elastizität aufweisen. Die Fasern können einen Kern aufweisen. Die Fasern können eine Schutzbeschichtung aufweisen. In manchen Beispielen kann die Schutzbeschichtung zumindest teilweise entfernt sein, z.B. bei den Enden der Fasern.

In anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass ein oder mehrere elastische Stützelemente mittels MEMS-Techniken hergestellt werden, d.h. mittels geeigneter Lithographie-Prozessschritte beispielsweise durch Ätzen aus einem Wafer hergestellt werden. Beispielsweise könnte das bewegliche Ende des Stützelements in einer oder zwei Dimensionen - bei einer zeitlichen und örtlichen Überlagerung von zwei Freiheitsgraden der Bewegung - bewegt werden. Dazu können ein oder mehrere Aktuatoren verwendet werden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das bewegliche Ende gegenüber einer Fixierung des mindestens einen Stützelements verkippt wird; dies resultiert in einer Krümmung des mindestens einen Stützelements. Dies kann einem ersten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen; dieser kann als Transversalmode (oder manchmal auch als wiggle mode) bezeichnet werden. Alternativ oder zusätzlich wäre es möglich, dass das bewegliche Ende entlang einer Längsachse des Stützelements verdreht wird (Torsionsmode). Dies kann einem zweiten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen. Durch das Bewegen des beweglichen Endes kann erreicht werden, dass Laserlicht unter verschiedenen Winkeln abgestrahlt wird. Dazu kann eine Umlenkeinheit, wie beispielsweise ein Spiegel optional mit geeigneter Schnittstelle zur Fixierung, vorgesehen sein. Dadurch kann ein Umfeld mit dem Laserlicht gescannt werden. Je nach Stärke der Bewegung des beweglichen Endes können unterschiedlich große Scanbereiche implementiert werden. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ist es jeweils möglich, die Torsionsmode alternativ oder zusätzlich zur Transversalmode anzuregen, d.h. es wäre eine zeitliche und örtliche Überlagerung der Torsionsmode und der Transversalmode möglich. Diese zeitliche und örtliche Überlagerung kann aber auch unterdrückt werden. In anderen Beispielen könnten auch andere Freiheitsgrade der Bewegung implementiert werden.

Manchmal wird die Überlagerungsfigur auch als Lissajous-Figur bezeichnet. Die Überlagerungsfigur kann eine Abfolge, mit der unterschiedliche Scanwinkel umgesetzt werden, beschreiben.

In verschiedenen Beispielen ist es möglich, Laserlicht zu scannen. Dabei kann zum Beispiel kohärentes oder inkohärentes Laserlicht verwendet werden. Es wäre möglich, polarisiertes oder unpolarisiertes Laserlicht zu verwenden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Laserlicht gepulst verwendet wird. Zum Beispiel können kurze Laserpulse mit Pulsbreiten im Bereich von Femtosekunden oder Pikosekunden oder Nanosekunden verwendet werden. Beispielsweise kann eine Pulsdauer im Bereich von 0,5 - 3 Nanosekunden liegen. Das Laserlicht kann eine Wellenlänge im Bereich von 700 - 1800 nm aufweisen. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend vornehmlich Bezug genommen auf Laserlicht; die verschiedenen hierin beschriebenen Beispiele können aber auch zum Scannen von Licht aus anderen Lichtquellen, zum Beispiel Breitbandlichtquellen oder RGB-Lichtquellen, angewendet werden. RGB- Lichtquellen bezeichnen hierin im Allgemeinen Lichtquellen im sichtbaren Spektrum, wobei der Farbraum durch Überlagerung mehrerer unterschiedlicher Farben - beispielsweise rot, grün, blau oder cyan, magnta, gelb, schwarz - abgedeckt wird.

Insbesondere kann gepulstes Laserlicht verwendet werden. Beispielsweise könnten Pulse mit einer Dauer von ca. 0,5 ps - 5 ns oder optional im Bereich von 1 - 2 ns verwendet werden. Die Laufzeit der Pulse kann dann zur LIDAR-Entfernungsmessung eines Objekts im Umfeld verwendet werden (engl. Time-of-flight, TOF-Messung).

In verschiedenen Beispielen können also LIDAR-Techniken zur Entfernungsmessung angewendet werden. Die LIDAR-Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Abstandsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen. Zum Beispiel kann die LIDAR-Technik TOF-Messungen des Laserlichts zwischen dr Lichtquelle, dem Objekt im Umfeld und einem Detektor umfassen.

In verschiedenen Beispielen können ein Sendestrahlengang von einer Lichtquelle zur Umgebung und ein Empfangsstrahlengang von der Umgebung zu einem Detektor zumindest teilweise deckungsgleich verlaufen. Dies kann insbesondere bedeuten, dass sowohl der Sendestrahlengang, als auch der Empfangsstrahlengang über den Scanner verlaufen, d.h. durch ein oder mehrere Umlenkeinheiten abgelenkt werden. Dadurch kann eine räumliche Filterung (engl. Spatial filtering) erreicht werden: Es wird lediglich Licht aus demjenigen Umfeldbereich detektiert, der zuvor auch beleuchtet wurde. Dadurch kann ein besonders hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erzielt werden. Durch den deckungsgleichen Sende- und Empfangsstrahlengang können außerdem ein hoher Integrationsgrad und kleine Außenabmessungen erreicht werden. Verschiedene Beispiele beruhen auf der Erkenntnis, dass es in einem solchen Szenario der räumlichen Filterung schwierig sein kann, die Entfernung zu besonders nahen Objekten zu vermessen. Dies kann daran liegen, dass ein ausgesendeter Lichtpuls zumindest teilweise an der Außenscheibe der Vorrichtung reflektiert wird; das derart reflektierte Licht sättigt den Detektor - beispielsweise ein Einzelphoton Lawinendioden Arraydetektor (engl. Single photon avalanche diode array, SPAD, detector) - für eine gewisse Sättigungsdauer. Außerdem kann eine Reflektion an der oder den Umlenkeinheiten des Scanners stattfinden. Die Sättigungsdauer liegt typischerweise im Bereich von einigen 10 ns und damit im Bereich der Lichtlaufzeit für Objekte im nahen Umfeld im Bereich von z.B. bis zu 10 m. Eine Trennung von Sende- und Empfangsstrahlengang - vgl. z.B. DE 10 2010 047 984 A1 - zur Vermeidung einer solchen Sättigung kann insbesondere bei zweidimensionalen Scanbereichen nur schwer realisierbar sein bzw. eine signifikante Vergrößerung des Scanners notwendig machen. Deshalb werden nachfolgend Techniken beschrieben, bei denen es trotz räumlicher Filterung und deckungsgleichen Sende- und Empfangsstrahlengängen möglich ist, die Entfernung von Objekten im nahen Umfeld genau und zuverlässig zu vermessen.

In verschiedenen Beispielen kann dazu eine FLASH-Lichtquelle mit einem Scanner kombiniert werden. Eine FLASH-Lichtquelle sendet - zusätzlich zur Lichtquelle, die den primären Sendestrahlengang über den Scanner definiert - weiteres gepulstes Licht aus, das die Umgebung pro Puls in einem vergleichsweise großen Winkelbereich beleuchtet - insbesondere in einem größeren Winkelbereich, als die Lichtquelle pro Puls. Dazu kann ein stark divergenter Sendestrahlengang verwendet werden und/oder mehrere aufgefächerte Sub-Sendestrahlengänge. Ein entsprechender Diffusor kann vorgesehen sein. Z.B. kann ein Sendestrahlengang der FLASH-Lichtquelle die Umgebung in einem Winkelbereich von nicht weniger als 40° beleuchten, optional nicht weniger als 100°, weiter optional nicht weniger als 150°. Der von der FLASH- Lichtquelle beleuchtete Raumbereich kann dabei 1 -D oder 2-D ausgebildet sein. Z.B. könne ein 2-D Raumwinkel mit den Abmessungen 100° x 30° (horizontal x vertikal) beleuchtet werden. Dann kann von Objekten in der Umgebung rückreflektiertes Licht der FLASH-Lichtquelle über den über den Scanner verlaufenden Empfangsstrahlengang detektiert werden. Dadurch kann räumliche Filterung erzielt werden. Um ein ausreichendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erzielen, sollten der von der FLASH-Lichtquelle beleuchtete Winkelbereich und der Scanbereich vom Scanner aneinander ausgerichtet sein. Z.B. könnte der Scanbereich den Winkelbereich umfassen oder der Winkelbereich könnte den Scanbereich umfassen. Z.B. könnte der Winkelbereich nicht kleiner als 40 % des Scanbereichs sein, optional nicht kleiner als 70 %, weiter optional nicht kleiner als 100 %.

Mit der FLASH-Lichtquelle können dann Objekte im nahen Umfeldbereich vermessen werden, weil der entsprechende mindestens eine Sendestrahlengang weder über den Scanner, noch über denselben Bereich der Außenscheibe verläuft und damit Rückreflektionen an eine Umlenkeinheit des Scanners und/oder an der Außenscheibe kein besonders großes Signal am Detektor bewirken. Eine Sättigung des Detektors wird damit vermieden.

FIG. 1 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 kann LIDAR-Entfernungsmessungen von Objekten, die in einem Umfeld 190 angeordnet sind, durchführen. Dazu ist eine Steuerung 101 vorhanden, die Laser 151 , 152, einen Detektor 159 und einen Scanner 180 geeignet steuert. Die Steuerung 101 kann eine TOF-Messung durchführen, z.B. in Bezug auf Laser 151 und Detektor 159 und auch in Bezug auf Laser 151 und Detektor 159. Die Steuerung könnte als FPGA oder ASIC ausgebildet sein und/oder als Software, die auf einem Mikroprozessor ausgeführt wird.

FIG. 1 illustriert insbesondere Aspekte in Bezug auf Strahlengänge 161 , 162, 169, die durch die Vorrichtung 100 definiert sind. Der Sendestrahlengang 161 verläuft von dem Laser 151 über einen Scanner 180 zum Umfeld 190. Dabei trifft der Strahlengang 161 eine Außenscheibe 171 der Vorrichtung im Bereich 171 -1 .

Der Sendestrahlengang 162 verläuft von dem Laser 152 zum Umfeld 190, passiert dabei aber nicht den Scanner 180. Dabei trifft der Strahlengang 162 die Außenscheibe 171 der Vorrichtung im Bereich 171 -2, der beabstandet gegenüber dem Bereich 171 - 1 ist. Ein Abstand zwischen den Bereichen 171 -1 , 171 -2 kann z.B. größer als 1 cm sein, und damit signifikant größer als die Strahlenquerschnitte der Sendestrahlengänge 161 , 162 im Bereich der Außenscheibe 171 . Die Außenscheibe kann im Allgemeinen einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein.

Ein Empfangsstrahlengang 169 verläuft vom Umfeld 190 über den Scanner 180 und dann zu einem Detektor 159. Reflektierte Lichtpulse 169 werden entlang des Empfangsstrahlengangs 159 empfangen und können durch den Detektor 159 detektiert werden. Aus FIG. 1 ist ersichtlich, dass zwischen der Außenscheibe 171 und einem Strahlteiler 173 die Strahlengänge 161 , 169 im Ortsraum überlagert verlaufen, d.h. antiparallel zueinander und deckungsgleich. Der Empfangsstrahlengang 169 verläuft aber nicht deckungsgleich mit dem Sendestrahlengang 162. Außerdem ist ersichtlich, dass die Sendestrahlengänge 161 , 162 beabstandet voneinander verlaufen.

Die Laser 151 , 152 können Laserlicht mit überlappenden oder gleichen Frequenzen aussenden. Dann kann der Detektor 159 besonders einfach betrieben werden, weil nicht zwischen unterschiedlichen sensitiven Spektralbereichen umgeschaltet werden muss.

Der Detektor 159 und die Laser 151 , 152 sind Statoren gegenüber dem bewegten Bezugssystem von ein oder mehreren Umlenkeinheiten des Scanners 180. Dies ermöglicht eine besonders kleine, platzsparende und robuste Ausbildung des Scanners, insbesondere im Vergleich zu Systemen, bei denen auch die Laser 151 , 152 und der Detektor 159 z.B. rotiert werden mittels eines Kugellagers, siehe z.B. US 7,969,558 B2.

Eine Reflektion des Sendestrahlengangs 161 bewirkt im Bereich 171 -1 der Außenscheibe 171 ein starkes Signal am Detektor 159, der dadurch für eine gewisse Zeitdauer - z.B. zwischen 50 ns und 150 ns - gesättigt ist. Außerdem können auch Reflektionen an einer oder mehreren Umlenkeinheiten des Scanners 180 eine Sättigung bewirken. Deshalb können Objekte, die nahe hinter der Außenscheibe 171 im Umfeld 190 angeordnet werden mittels Lichtpulsen 156, die vom Laser 151 ausgesendet werden, nicht oder nur eingeschränkt vermessen werden. Um solche nahen Objekte zu vermessen, werden stattdessen Lichtpulse 157 verwendet, die vom Laser 152 ausgesendet werden. Reflektionen 162A von Lichtpulsen 157, die entlang des Sendestrahlengangs 162 propagieren und die im Bereich 171 -2 der Außenscheibe 171 auftreten, erreichen den Detektor 159 nicht, denn eine entsprechende Blende 172 ist vorgesehen. Dies vermeidet eine Sättigung des Detektors 159. Durch die räumliche Trennung der Sendestrahlengänge 161 , 162 kann die Blende einfach angebracht werden.

Gleichzeitig sollte aber sichergestellt werden, dass die mittels des Empfangsstrahlengangs 169 - und damit über den Scanner 180 - zu vermessenden Objekte im Umfeld 190 mittels der Lichtpulse 157 beleuchtet werden. Dazu kann vorgesehen sein, dass der Sendestrahlengang 162 einen vergleichsweise großen Winkelbereich im Umfeld 190 beleuchtet. Dies ist im Zusammenhang mit FIG. 2 illustriert.

FIG. 2 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Winkelbereich 262, der im Umfeld 190 mittels der Lichtpulse 157 durch den Sendestrahlengang 162 beleuchtet wird. Aus FIG. 2 ist ersichtlich, dass der Winkelbereich 262 ca. 160° beträgt. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass der Winkelbereich 262 nicht kleiner als 40° ist, optional nicht kleiner als 100°, weiter optional nicht größer als 150° ist. Der Winkelbereich 262 ist also vergleichsweise groß, weswegen der Laser 152 auch als FLASH-Laser 152 bezeichnet werden kann: es wird nämlich der große Winkelbereich 262 mit jedem Laserpuls 157 beleuchtet - und nicht nur ein kleiner Ausschnitt der Umgebung 190. Es sind verschiedene Techniken denkbar, um solche vergleichsweise großen Winkelbereiche 262 zu implementieren. Beispielsweise kann ein Diffusor 179 (cf. FIG. 1 ) im Strahlengang 162 vorgesehen sein. Der Diffusor 179 kann eingerichtet sein, um die Divergenz des Strahlengangs 162 zu vergrößern: dies bedeutet, dass ein Lichtpuls 157 vor dem Diffusor 179 eine kleinere Ortsraum-Divergenz aufweist, beispielsweise in der Größenordnung von 1 ° oder 10°. Hinter dem Diffusor 179 kann die Divergenz vergrößert sein, entsprechend des Winkelbereichs 262, also z.B. um einen Faktor 5 oder 10 oder mehr. Der Diffusor könnte durch eine Streuscheibe beispielsweise aus Quarzglas oder Kunststoff implementiert werden. Der Diffusor 179 könnte aber auch eingerichtet sein, um den Strahlengang 162 aufzufächern, d.h. merhere kleine Sub- Strahlengänge zu formen. Jeder Sub-Strahlengang kann dann eine vergleichsweise kleine Divergenz aufweisen; während durch die Auffächerung trotzdem der große Winkelbereich 262 beleuchtet werden kann. In manchen Beispielen könnten auch mehrere FLASH-Laser verwendet werden, die mehrere Fächer-artig positionierte Sendestrahlengänge erzeugen, um den Winkelbereich 262 zu beleuchten; dann kann der Diffusor 179 entbehrlich sein. Z.B. könnte ein vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL)-Array verwendet werden.

FIG. 2 illustriert auch Aspekte in Bezug auf einen Winkelbereich 261 , der im Umfeld 190 mittels der Lichtpulse 156 durch den Sendestrahlengang 161 beleuchtet wird. Dabei ist der Winkelbereich 261 exemplarisch in Bezug auf einen einzelnen Scanwinkel des Scanners 180 dargestellt. Durch das Bewegen der mindestens einen Umlenkeinheit des Scanners 180, wird ein Scanbereich 252 durch den Sendestrahlengang 161 abgetastet - sowie durch den Empfangsstrahlengang 169. Durch das Scannen kann der Sendestrahlengang 161 eine vergleichsweise kleine Divergenz aufweisen, z.B. im Bereich von 0,05 - 1 ,5°; dadurch können auch weit entfernte Objekte detektiert werden, weil das verfügbare Licht auf den kleinen Winkelbereich 161 gebündelt wird. Z.B. können Objekte im Umfeld 190 erkannt werden, die eine Entfernung von 100 - 200 m aufweisen. Gleichzeitig können aber Objekte detektiert werden, die in dem größeren Scanbereich 252 angeordnet sind.

Aus FIG. 2 ist ersichtlich, dass der Scanbereich 252 mit dem Winkelbereich 262 überlappt. Deshalb können Objekte im Umfeld 190, die mittels des Sendestrahlengangs 162 durch die Lichtpulse 157 beleuchtet werden, über den Empfangsstrahlengang 169 mittels der reflektierten Lichtpulse 158 detektiert werden. Dies bedeutet auch, dass pro Scanwinkel jeweils nur ein kleiner Teil des vom FLASH- Laser 152 ausgesendeten Lichts gemessen wird, nämlich der Teil, der durch die räumliche Filterung des Scanners 180 erfasst wird. Dadurch können mittels des vom FLASH-Laser 152 ausgesendeten Lichts vor allem Objekte in der nahen Umgebung 190 detektiert werden, z.B. in einer Entfernung von bis zu 10 m oder 20 m. Im Allgemeinen kann der Winkelbereich 262 nicht kleiner als 40 % des Scanbereichs 252 sein, optional nicht kleiner als 70 %, weiter optional nicht kleiner als 100 %, weiter optional nicht kleiner als 120 %. In FIG. 2 sind der Scanbereich 252 und der Winkelbereich 262, sowie der Winkelbereich 261 in 1 -D dargestellt; im Allgemeinen können der Scanbereich 252 und der Winkelbereich 262 und der Winkelbereich 261 aber 2-D ausgebildet sein, wobei dann - entsprechend den oben dargelegten Merkmalen - eine Überlappung in zwei Dimensionen vorliegen kann bzw. wiederum der Winkelbereich 262 den Scanbereich 252 umfassen kann oder der Scanbereich 252 den Winkelbereich 262 umfassen kann.

FIG. 3 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Das Verfahren beginnt in Block 1001 . In Block 1001 wird eine erste Lichtquelle - beispielsweise der Laser 151 - angesteuert, sodass diese einen Lichtpuls - beispielsweise den Lichtpuls 156 - entlang eines ersten Sendestrahlengangs - beispielsweise dem Sendestrahlengang 161 - aussendet. Diese Lichtpulse werden über einen Scanner ausgesendet.

Dann wird in Block 1002 ein Detektor - beispielsweise der Detektor 159 - angesteuert, sodass dieser eine Reflektion des Lichtpulses aus Block 1001 entlang eines Empfangsstrahlengangs - beispielsweise dem Empfangsstrahlengang 169 - detektiert.

Dann wird in Block 1003 mindestens ein zweiter Laser - beispielsweise der FLASH- Laser 152 - angesteuert, sodass dieser einen Lichtpuls - beispielsweise den Lichtpuls 157 - entlang mindestens eines zweiten Sendestrahlengangs - beispielsweise dem Sendestrahlengang 162 - aussendet. Diese Lichtpulse werden nicht über den Scanner ausgesendet. Dann wird in Block 1003 der Detektor angesteuert, sodass dieser eine Reflektion des Lichtpulses aus Block 1003 entlang des Empfangsstrahlengangs detektiert.

Es wäre dann möglich, eine LIDAR-Entfernungsmessung durchzuführen, d.h. z.B. die Lichtlaufzeiten jeweils zwischen Blöcken 1001 und 1002, sowie zwischen Blöcken 1003 und 1004 zu messen. Dabei kann die Lichtlaufzeit zwischen Blöcken 1001 und 1002 geeignet sein, um vergleichsweise weit entfernte Objekte zu detektieren, z.B. Objekte die weiter entfernt angeordnet sind als 10 m. Dies kann durch eine vergleichsweise kleine Divergenz des ersten Sendestrahlengangs erreicht werden. Gleichzeit kann aber kurz nach Aussenden des Lichtpulses in Block 1001 eine Reflektion dieses Lichtpulses an einer Außenscheibe der entsprechenden Vorrichtung den Detektor sättigen, für eine Zeitdauer von z.B. bis zu 100 ns. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der erste Sendestrahlengang und der Empfangsstrahlengang überlappend angeordnet sind, sodass dass an der Außenscheibe und/oder an einer Umlenkeinheit des Scanners reflektierte Licht ungehindert den Detektor erreichen kann. Objekte, die eine Entfernung aufweisen, die einer Lichtlaufzeit in der Größenordnung dieser Sättigungs-Zeitdauer entspricht, können dann nicht durch Reflektion des Lichtpulses aus Block 1001 vermessen werden; stattdessen können Reflektionen des Lichtpulses aus Block 1003 in Block 1004 verwendet werden. Der entsprechende mindestens eine zweite Sendestrahlengang kann nämlich nicht-überlappend mit dem Empfangsstrahlengang angeordnet sein, sodass an der Außenscheibe reflektiertes Licht nicht oder nur sehr begrenzt den Detektor erreichen kann. Deshalb findet keine Sättigung des Detektors in Block 1003 durch Reflektion an der Außenscheibe statt.

Eine Zeitdauer zwischen Blöcken 1001 und 1003 kann kleiner als 2 % der Scanperiode des Scanners sein, optional kleiner als 1 %, weiter optional kleiner als 0,1 %, weiter optional kleiner als 0,01 %. Dies bedeutet, dass die Zeitdauer zwischen dem Puls des FLASH-Lasers und dem Puls des weiteren Lasers mit der Scanfrequenz korrelieren kann. Beispielsweise könnte die Scanfrequenz im Bereich von 100 Hz - 5 kHz liegen, d.h. die Scanperiode könnte im Bereich von 100 ms - 0,2 ms liegen. Entsprechend könnte die Zeitdauer zwischen Blöcken 1001 und 1003 nicht größer als 2 ms bzw. 4 s sein. Eine solche Zeitdauer ist groß genug, um sicherzustellen, dass in Block 1003 keine Sättigung durch das in Block 1001 ausgesendete Licht mehr vorliegt; gleichzeitig hat sich die Umlenkeinheit noch nicht signifikant weiterbewegt, sodass die laterale Ortsauflösung hoch ist.

Manchmal kann es erstrebenswert sein, zunächst Blöcke 1003 und 1004 durchzuführen, und dann erst Blöcke 1001 und 1002. Wenn beispielsweise mittels Blöcken 1003 und 1004 nur Objekte in einer Entfernung von bis zu 10 m gemessen werden, kann die Zeitdauer bis zum anschließenden durchführen von 1001 und 1002 kurz dimensioniert werden, z.B. kleiner als 0,5 s: es werden aufgrund der kurzen TOF keine Zweideutigkeiten zwischen Reflektionen des in 1001 und 1003 ausgesendeten Lichts auf dem Detektor erwartet. Außerdem kann in einem solchen Szenario mittels 1003 und 1004 überprüft werden, ob sich ein Objekt im nahen Umfeld befindet - wäre dies der Fall, kann das Durchführen von 1001 und 1002 entfallen oder der Laser angesteuert werden, um den Puls mit geringerer Lichtleistung auszusenden, um Augensicherheit zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass basierend auf dem mit dem zweiten Lichtpuls assoziierten Messsignal aus 1004 die Sendeleistung des ersten Lichtpulses aus 1001 angepasst werden kann.

FIG. 4 illustriert Aspekte in Bezug auf den Scanner 180. Im Beispiel der FIG. 4 umfasst der Scanner 180 zwei Spiegel 350, die sequentiell vom Sendestrahlengang 161 bzw. vom Empfangsstrahlengang 169 getroffen werden. Das Licht wird also zweimal umgelenkt, wodurch ein 2-D Scanbereich 252 definiert wird. Die Spiegel 350 werden jeweils durch eine elastische Aufhängung 301 mit jeweils vier Stützelementen gehalten, die durch Verformung unterschiedliche Scanwinkel umsetzen kann. Beispielsweise kann eine resonante Torsion um die zentrale, längs orientierte Symmetrieachse der elastischen Aufhängung 301 erfolgen (Torsionsmode). Die elastische Aufhängung 301 erstreckt sich von einer Rückseite des Spiegels 350, z.B. im Ruhezustand unter einem Winkel von 45° gegenüber der Spiegeloberfläche. Die elastische Aufhängungen 301 können aus Silizium hergestellt sein, z.B. aus einkristallinem Silizium in einem Wafer-Prozess (MEMS-Fertigung). Es könnten auch Fasern verwendet werden. Als Aktuatoren könnten z.B. elektrostatische interdigitale Fingerstrukturen oder Biegepiezoaktuatoren verwendet werden (in FIG. 4 nicht dargestellt). Entsprechende Techniken in Bezug auf den Scanner 180 sind z.B. in den deutschen Patentanmeldungen 10 2017 002 235.6, 10 2017 002 866.4 und 10 2017 002 870.2 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hierin durch Querverweis komplett übernommen wird.

Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.