Makroskopische Lidar-Vorrichtung

Die Erfindung betrifft ein eine makroskopische Lidar-Vorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer makroskopischen Lidar- Vorrichtung.

Stand der Technik

Lidar-Makroscanner, bei dem alle optischen Elemente, sowie der Laser und der Detektor auf einem Rotor angeordnet sind, und die einen rotierenden Makro- spiegel mit einem Durchmesser im Zentimeterbereich aufweisen, sind bekannt. Dadurch kann im Sendepfad ein Strahl mit einem Durchmesser im Zentimeterbereich über den rotierenden Makrospiegel geführt werden. Vorteilhaft kann mit derartigen Systemen, in denen alle Komponenten„rotieren", ein horizontales Sichtfeld (engl, field of view, FOV) von 360° systemimmanent abgescannt werden.

Dies stellt insbesondere beim Einbau in einer Fahrzeugkarosserie (d.h. nicht auf dem Fahrzeugdach) jedoch gleichzeitig einen Nachteil dar, da bis zu 2/3 der Zeit nicht gemessen werden kann, wenn nämlich der Laser auf dem Rotor in

Richtung der Fahrzeugkarosserie zeigt. Zudem entstehen durch die Auswahl eines großen Sichtfelds weitere Nachteile für das System, z.B. werden die Anforderungen an eine Abbildungsoptik oder an optische Filter mit steigendem Einfallswinkel größer. Aus diesem Grund wird oftmals ein kleineres Sichtfeld gewählt, als durch den Einbauort eigentlich möglich wäre.

Fig. 1 zeigt einen eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche Lidar- Vorrichtung 100. Erkennbar ist ein Rotor 1 , auf dem eine erste Sendelinse 10 und eine zweite Sendelinse 1 1 angeordnet sind. Angedeutet ist ein Sichtfeld FOV, welches in einer bestimmungsgemäßen Anbringlage der Lidar-Vorrichtung 100 an einem Fahrzeug 200 nach vorne weist. Sendestrahlen eines Lasers sind durch Pfeile angedeutet. Ein Einbau der Lidar-Vorrichtung 100 im Fahrzeug ist deshalb erwünscht, da die Lidar-Vorrichtung möglichst unauffällig im Fahrzeug integriert werden soll. Durch einen verdeckten Einbauort wird allerdings das Sichtfeld FOV nicht mehr von 360° nutzbar. Eine Reduzierung des Sichtfelds FOV geht aber für das beschriebene System immer mit einer Reduzierung der Messzeit einher, wenn sich der Teil des Rotors 1 , der die Messung vornimmt, gerade außerhalb des Sichtfelds FOV befindet.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes scannendes makroskopisches Lidar-System bereitzustellen.

Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine makroskopische Lidar- Vorrichtung, aufweisend:

einen Stator; und

einen Rotor; wobei

auf dem Rotor ein Laser-Element und eine Sendeinrichtung angeordnet sind; wobei

in bestimmungsgemäßer Anbringlage der Lidar-Vorrichtung an einem Fahrzeug während jeder Halbdrehung des Rotors ein Strahl des Laser- Elements im Wesentlichen dauerhaft in ein nach vorne gerichtetes Sichtfeld emittierbar ist.

Auf diese Weise wird ein scannende, makroskopische Lidar-Vorrichtung bereitgestellt, die zwei Sendepfade aufweist, die während jeder Halbdrehung bzw. jeder vollen Umdrehung des Rotors eine nach vorne gerichtete

Laserleistung bereitstellt. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Bildrate der Lidar- Vorrichtung verdoppelt werden, weil eine nutzbare Zeit der Lidar-Vorrichtung voll ausgenutzt ist. Vorteilhaft ist dadurch lediglich ein einziges Laser-Element erforderlich und die Lidar-Vorrichtung eignet sich sehr gut für einen verdeckten Verbau im Chassis eines Fahrzeugs. Im Ergebnis weist die vorgeschlagene Vorrichtung beim Scannen der Umgebung keine bzw. nur eine minimale Totzeit auf. Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer makroskopischen Lidar-Vorrichtung, aufweisend die Schritte:

Bereitstellen eines Stators; und

Bereitstellen eines Rotors; wobei

auf dem Rotor ein Laser-Element und eine Sendeinrichtung angeordnet werden; wobei

die Sendeeinrichtung derart ausgebildet wird, dass in bestimmungsgemäßer Anbringlage der Lidar-Vorrichtung an einem Fahrzeug während jeder Halbdrehung des Rotors ein Strahl des Laser-Elements im

Wesentlichen dauerhaft in ein nach vorne gerichtetes Sichtfeld (FOV) emittierbar ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Lidar-Vorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Lidarvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Strahl des Laser-Elements mittels einer Modulationseinrichtung in das nach vorne gerichtete Sichtfeld emittierbar ist. Auf diese Weise können unterschiedliche Modulationseinrichtungen zum Emittieren des Laserstrahls nach vorne genutzt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung sieht vor, dass die

Modulationseinrichtung einen nicht-polarisierenden Strahlteiler umfasst. Auf diese Weise wird eine besonders einfache und kostengünstige Variante der Modulationseinrichtung bereitgestellt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung sieht vor, dass die Modulationseinrichtung einen Polarisationsrotator und einen polarisierenden Strahlteiler umfasst. Auf diese Weise kann eine Polarisation des Laserstrahls definiert eingestellt und auf diese Weise in Kombination mit dem polarisierenden Strahlteiler eine nach vorne abgestrahlte Laserleistung eingestellt werden. Im Ergebnis wird dadurch eine Leistungsanpassung aufgrund von unterschiedlichen Polarisationen des Laserstrahls mit einer dadurch realisierten unterschiedlichen Reichweite der Lidar-Vorrichtung erreicht. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsrotator zwischen Extremwerten von horizontaler und vertikaler Polarisation schaltbar ist. Diese Funktionalität kann vorteilhaft mit kann mit einem langsamen und kostengünstigen Polarisationsrotator realisiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Lidar-Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Polarisationsrotator in Abhängigkeit eines reflektierten Strahls des Laser- Elements in definierten Stellungen schaltbar ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine schnelle Umschaltung der Polarisationsart bereitgestellt, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn ein Augensicherheitsaspekt berücksichtigt werden soll. Dies ist für eine Einstellung von Strahlungsleistung bei einer Erkennung von vor dem Fahrzeug befindlichen Lebewesen bedeutsam.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Lidar-Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass der Polarisationsrotator eine Pockelszelle oder ein mechanischer Polarisationsrotator ist. Auf diese Weise können für die Lidar- Vorrichtung vorteilhaft unterschiedliche Arten von Polarisationsrotoren genutzt werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Sendepfad und ein Empfangspfad der Lidar-Vorrichtung nicht überlagert sind. Auf diese Art und Weise wird eine biaxiale Ausführung der Lidar-Vorrichtung von bereitgestellt, bei der zwei getrennte Sende- und

Empfangsoptiken ausgebildet sind.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Sendepfad und ein Empfangspfad der Lidar- Vorrichtung überlagert sind. Auf diese Weise wird ein koaxiales System bereitgestellt, bei dem ein gegenüber dem biaxialen System verringerter

Parallaxeneffekt realisierbar ist. Vorteilhaft ist bei dieser Variante lediglich ein einzelner Detektor im selben Lichtweg erforderlich, weil eine Sendeoptik auch für den Empfangsweg verwendet werden kann.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bauelemente haben dabei gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbe- sondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.

Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die makroskopische Lidar-Vorrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung einer makroskopischen Lidar-Vorrichtung ergeben und umgekehrt.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Draufsicht auf eine

herkömmliche scannende makroskopische Lidar-Vorrichtung;

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der vorgeschlagenen makroskopischen Lidar-Vorrichtung ;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorgeschlagenen makroskopischen Lidar-Vorrichtung;

Fig. 5 und 6 Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der vorgeschlagenen makroskopischen Lidar-Vorrichtung; und

Fig. 7 eine prinzipielle Darstellung des Ablaufs einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer makroskopischen Lidar- Vorrichtung.

Beschreibung von Ausführungsformen

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, ein effizienter betreibbares makroskopisches, scannendes Lidarsystem bereit zu stellen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Lidar-Vorrichtung derart ausgebildet wird, dass während jeder Halbdrehung das Sichtfeld der Lidar-Vorrichtung permanent nach vorne gerichtet ist. Dies wird durch nachfolgend näher erläuterte unterschiedliche technische Mittel bereitgestellt.

In der einfachsten (nicht in Figuren dargestellt) Variante wird für die makroskopische Lidar-Vorrichtung ein nicht-polarisierender Strahlteiler bereitgestellt, der einen Laser-Strahl jeweils hälftig auf beide Richtungen aufteilt, sodass jeweils beide Richtungen des Sichtfelds durch einen scannenden Laserstrahl ausgeleuchtet sind.

Die Figuren 2 und 3 zeigen eine weitere Ausführungsform der vorgeschlagenen Lidar-Vorrichtung 100. Erkennbar ist ein Stator 1 , auf dem ein Rotor 2 angeordnet, wobei auf dem Rotor 2 ein Laser-Element 20 angeordnet ist. Ein Strahl des Laser-Elements 20 trifft auf einen Polarisationsrotator 30, mit dessen Hilfe die Polarisation des Laserstrahls modulierbar bzw. definiert einstellbar ist. Der vom Polarisationsrotator 30 in seiner Polarisation veränderte Strahl trifft auf einen nachgeschalteten polarisierenden Strahlteiler 31 , der den auftreffenden Strahl in seiner Intensität in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung durch die erste Sendelinse 10 leitet. Eine Abhängigkeit des Schaltens des Polarisationsrotators 30 ist durch eine dem Polarisationsrotator 30 zugeführte Drehfrequenz f des Rotors 2 angedeutet.

Fig. 3 zeigt die Anordnung von Fig. 2 um 180° verdreht, wobei der Strahl des Laser-Elements 20 auf den Polarisationsrotator 30 trifft, der nunmehr die

Polarisation umgeschaltet hat, sodass auf den polarisierenden Strahlteiler 31 ein in der Polarisation geänderter Strahl auftrifft, sodass im Ergebnis der Strahl durch die zweite Sendelinse 1 1 , die am Rotor 2 um 180° gegenüber der ersten

Sendelinse 10 angeordnet ist, austritt. Im Ergebnis ist dadurch erreicht, dass in jeder Halbdrehung der Strahl der Lidar-Vorrichtung 100 nach vorne abgestrahlt wird.

Auf diese Weise kann mit der makroskopischen Lidar-Vorrichtung 100 vorteilhaft eine höhere Bildrate erzielt werden, weil der scannende Strahl stets nach vorne gerichtet ist. Der Polarisationsrotator 30 kann als ein langsames (ca. 10 ms Schaltzeit, engl, rise time) oder als ein schnelles (ca. 100 ns Schaltzeit) Element ausgebildet sein, wodurch die Polarisation des Laserstrahls entsprechend langsam oder schnell umgeschaltet werden kann.

Langsame Polarisationsrotatoren 30 sind in der Regel kostengünstiger als schnelle und benötigen vorteilhaft auch weniger elektrischen Spannungs- bzw. Energieeintrag. Da die Einstellung der Polarisation des Laserstrahls auf die Drehfrequenz f der scannenden Lidar-Vorrichtung 100 abgestimmt sein muss, ist eine Schaltfrequenz von ca. 10...20 Hz für das Umschalten der Polarisation ausreichend, weil zwischen den beiden orthogonalen Polarisationszuständen H (Horizontal) und V (Vertikal) nur ein binäres Umschalten erfolgen muss. Dies resultiert in einer konstanten, maximalen Austrittsleistung auf der Vorderseite und auf der Rückseite der Lidar-Vorrichtung 100. Der schnell schaltende

Polarisationsrotator kann z.B. in Form einer Pockelszelle ausgebildet sein.

Im Falle des schnellen Umschaltens der Polarisation kann für die Lidar- Vorrichtung 100 ein Augensicherheitsaspekt berücksichtigt werden, weil in diesem Fall eine Feedback-Information verarbeitet werden kann, die eine Aussage über ein sich vor der Lidar-Vorrichtung 100 befindliches Lebewesen (z.B. ein Kind) trifft, woraufhin die Polarisationsrichtung derart schnell umgeschaltet wird, dass eine austretende Strahlungsleistung aufgrund der geänderten Polarisation auf geeignete Weise verringert wird. Beispielsweise kann dies durch eine Erfassung von reflektierter Strahlung eines Zielobjekts mittels einer Detektoreinrichtung (nicht dargestellt) erreicht werden.

Die Austrittsleistung kann durch dieses Umschalten (z.B. durch ein sinusförmiges Ansteuersignalmuster) über das horizontale Sichtfeld FOV hinweg kontinuierlich variiert werden.

Die vorgeschlagenen Lidar-Vorrichtung 100 kann in vorteilhaften Ausführungsformen als ein koaxiales System (mit identischem Sende- und Empfangspfad) oder als ein biaxiaes System (mit getrenntem Sende- und Empfangspfad) ausgebildet werden, wie nachfolgend näher erläutert. Eine schematische Skizze eines biaxialen Systems zeigt Fig. 4. Nach dem Laser- Element 20 durchläuft der Laserstrahl den Polarisationsrotator bzw. Polarisationsschalter 30, der wie oben bereits erwähnt, langsam oder schnell ausgebildet sein kann. Der Laserstrahl verlässt den Polarisationsrotator 30 mit einer bestimmten Polarisationsrichtung (H oder V bzw. P oder S) und trifft auf einen nachgeschalteten polarisierenden Strahlteiler 31 (PBS, engl, polarising beam splitter).

Man erkennt, dass in der biaxialen Lidar-Vorrichtung 100 von Fig. 4 jeweils zwei Sende- und Empfangspfade ausgebildet sind. Dabei wird das über die erste Sendelinse 10 ausgestrahlte Laserlicht über eine erste Empfangslinse 12 empfangen und einem ersten Detektorelement 50 zugeführt. Im Falle des über die zweite Sendelinse 1 1 ausgestrahlten Laserlichts wird das empfangene Laserlicht über eine zweite Empfangslinse 13 empfangen und einem zweiten Detektorelement 51 zugeführt. Zwischen dem ersten Detektorelement 50 und dem polarisierenden Strahlteiler 31 kann optional eine Linse 70 angeordnet sein.

Fig. 5 zeigt ein Prinzip einer weiteren Variante in Form einer koaxialen Lidar- Vorrichtung 100. Wenn das Laserlicht im H-Zustand bzw. horizontal polarisiert ist, wird es am polarisierenden Strahlteiler 31 reflektiert („Weg 1 "). Wenn das Laserlicht im V-Zustand bzw. vertikal polarisiert ist, wird es am polarisierenden Strahlteiler 31 transmittiert und über einen Spiegel 40 durch die zweite

Sendelinse 1 1 geführt („Weg 2").

Im Ergebnis ist dadurch ermöglicht, dass mittels der Polarisation des Laserstrahls zwei unterschiedliche Strahlengänge realisiert werden, wobei jeweils ein Sendepfad und ein Empfangspfad identisch sind.

Das an einem Ziel (nicht dargestellt) reflektierte Laserlicht wird in der Zeit zwischen t = 0 und t = Umdrehungszeit/2 mittels der als Empfangslinse fungierenden ersten Sendelinse 10 oder in der Zeit zwischen t =

Umdrehungszeit/2 und t = Umdrehungszeit mittels der als Empfangslinse fungierenden zweiten Sendelinse 1 1 gesammelt und auf das Detektorelement 50 geführt. Es ist in diesem Fall also vorteilhaft nur ein einziges Detektorelement 50 erforderlich, wodurch gegenüber dem biaxialen System ein Detektorelement eingespart werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der emittierte Laserstrahl, der vom polarisierenden Strahlteiler 31 reflektiert wird, durch eine Lambda/4-Platte 60 geführt wird, wodurch der Laserstrahl zirkulär polarisiert wird. Auf dem Rückweg vom Zielobjekt wird der Empfangsstrahl bei nochmaligem Passieren der Lambda/4-

Platte 60 wieder linear polarisiert und ist dadurch um 90° gedreht. Dadurch wird der Strahl durch den polarisierenden Strahlteiler 31 hindurch auf das

Detektorelement 50 geleitet. Dieses Verfahren der„optischen Isolation von Strahlengängen" ist an sich bereits bekannt. Im rechten Abschnitt von Fig. 5 ist der vorgehend erläuterte„Weg 1 " des Laserstrahls nochmals schematisch dargestellt.

In Fig. 6 ist der oben genannte„Weg 2" der Lidar-Vorrichtung 100 prinzipiell dargestellt. In diesem Fall wird beim zweimaligen transmissiven Durchgang des Laserstrahls durch eine zweite Lambda/4-Platte 61 der Strahl im Rückweg nicht mehr transmittiert, sondern am polarisierenden Strahlteiler 31 umgelenkt und dem Detektorelement 50 zugeführt. Der dadurch realisierte„Weg 2" des Laserstrahls ist im rechten Abschnitt von Fig. 6 nochmals schematisch dargestellt.

Mit den oben erläuterten Varianten der vorgeschlagenen Lidar-Vorrichtung 100 ist es vorteilhaft ermöglicht, dass die gesamte Drehungszeit des Rotors 2 der Lidar-Vorrichtung 100 als aktive Messzeit genutzt werden kann. Fig. 7 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen einer Lidar-Vorrichtung 100.

In einem Schritt 300 wird ein Stator bereitgestellt. In einem Schritt 310 wird ein Rotor 2 bereitgestellt, wobei auf dem Rotor 2 ein

Laser-Element 20 und eine Sendeinrichtung angeordnet werden.

In einem Schritt 320 wird die Sendeeinrichtung derart am Rotor 2 ausgebildet, dass in bestimmungsgemäßer Anbringlage der Lidar-Vorrichtung 100 an einem Fahrzeug 200 während jeder Halbdrehung des Rotors 2 ein Strahl des Laser-

Elements 20 in ein nach vorne gerichtetes Sichtfeld FOV emittierbar ist. Vorteilhaft ist die Reihenfolge des Schrittes 300 mit den Schritten 310 und 320 beliebig.

Der Fachmann erkennt, dass eine Vielzahl von Abwandlungen der Erfindung möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.