DE102016211013A1 - Lidar device and method for analyzing an object - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine Lidar-Vorrichtung (1; 3; 5; 7; 8; 9), mit einer Lichtaussendeeinrichtung (10), welche dazu ausgelegt ist, mindestens einen Laserlichtstrahl (12) auszusenden; einer schwenkbare Lichtablenkeinrichtung (11), welche dazu ausgebildet ist, den ausgesendeten mindestens einen Laserlichtstrahl (12) abzulenken; und einer Vielzahl von Detektionseinrichtungen (15a–c; 35a–c; 55a–c; 75a–c; 95a–e), welche dazu ausgebildet sind, Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls (12) zu detektieren.The invention relates to a lidar device (1; 3; 5; 7; 8; 9), comprising a light emitting device (10) which is designed to emit at least one laser light beam (12); a pivotable light deflection device (11), which is designed to deflect the emitted at least one laser light beam (12); and a plurality of detection means (15a-c; 35a-c; 55a-c; 75a-c; 95a-e) adapted to detect reflections of the deflected at least one laser light beam (12).

Description

Translated fromGerman

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lidar-Vorrichtung und ein Verfahren zum Analysieren eines Objekts.The present invention relates to a lidar device and a method for analyzing an object.

Stand der TechnikState of the art

Moderne Fahrzeugsysteme weisen eine Vielzahl von Sensoren zur Überwachung des Fahrzeugumfelds auf. So ist aus derDE 10 2011 007 464 A1 eine Überwachungskamera bekannt, welche Aufnahmen von 3D-Kameras sowie 2D-Kameras kombiniert. Zum Aufnehmen von Bildern umfasst diese Überwachungskamera mehrere voneinander unabhängige Sendemodule.Modern vehicle systems have a variety of sensors for monitoring the vehicle environment. So is out of the DE 10 2011 007 464 A1 a surveillance camera is known, which combines images of 3D cameras and 2D cameras. For capturing images, this surveillance camera includes several independent transmitter modules.

Zur Geschwindigkeitsmessung sowie Abstandsmessung werden häufig Lidar(Light detection and ranging)-Systeme eingesetzt. Um einen breiten Raumwinkelbereich um das Fahrzeug herum zu überwachen, wird jedoch eine Vielzahl von Lidar-Sensoren benötigt, welche einen großen Bauraum für sich beanspruchen.For speed measurement and distance measurement Lidar (light detection and ranging) systems are often used. In order to monitor a wide solid angle range around the vehicle, however, a large number of lidar sensors is required, which take up a large amount of space.

Es ist daher wünschenswert, eine Lidar-Vorrichtung mit kompaktem Aufbau bereitzustellen.It is therefore desirable to provide a lidar device of compact construction.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung schafft eine Lidar-Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Analysieren eines Objekts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.The invention provides a lidar device with the features of patent claim 1 and a method for analyzing an object with the features ofpatent claim 9.

Demnach schafft die Erfindung eine Lidar-Vorrichtung mit einer Lichtaussendeeinrichtung, welche zum Aussenden von mindestens einem Laserlichtstrahl ausgelegt ist. Die Lidar-Vorrichtung umfasst weiter eine schwenkbare Lichtablenkeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den ausgesendeten mindestens einen Laserlichtstrahl abzulenken. Weiter umfasst die Lidar-Vorrichtung eine Vielzahl von Detektionseinrichtungen, welche zum Detektieren von Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls ausgebildet sind.Accordingly, the invention provides a lidar device with a light emitting device, which is designed for emitting at least one laser light beam. The lidar device further comprises a pivotable light deflection device, which is designed to deflect the emitted at least one laser light beam. Furthermore, the lidar device comprises a plurality of detection devices, which are designed to detect reflections of the deflected at least one laser light beam.

Die Erfindung schafft demgemäß weiter ein Verfahren zum Analysieren eines Objekts, wobei mindestens ein Laserlichtstrahl ausgesendet wird, der ausgesendete mindestens eine Laserlichtstrahl durch eine schwenkbare Lichtablenkeinrichtung abgelenkt wird, und Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls an dem Objekt mittels einer Vielzahl von Detektionseinrichtungen empfangen werden. Das Objekt wird anhand der empfangenen Reflexionen analysiert.The invention accordingly further provides a method for analyzing an object, wherein at least one laser light beam is emitted, the emitted at least one laser light beam is deflected by a pivotable light deflector, and reflections of the deflected at least one laser light beam are received at the object by a plurality of detection means. The object is analyzed based on the received reflections.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred embodiments are the subject of the respective subclaims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Detektionseinrichtungen können vorzugsweise flächig, insbesondere arrayförmig nebeneinander angeordnet sein, so dass sich die Lidar-Vorrichtung durch eine geringe Bautiefe auszeichnet. Weiter kann durch die Verwendung von mehreren Detektionseinrichtungen anstelle einer einzigen Detektionseinrichtung die erforderliche Detektorfläche reduziert werden. Mehrere Detektionseinrichtungen oder eine Vielzahl von Detektionseinrichtungen kann im Rahmen der Erfindung aufgefasst werden als eine Anzahl an zwei bis n Detektionseinrichtungen, wobei n eine ganze Zahl ist. Die verschiedenen Detektionseinrichtungen können gleiche optische und elektromechanische Komponenten aufweisen. Die Detektionseinrichtungen können sich jedoch auch zumindest teilweise in ihren optischen Eigenschaften unterscheiden, sodass beispielsweise unterschiedliche Messreichweiten in unterschiedlichen Raumwinkelbereichen erzielt werden können. Die Lidar-Vorrichtung zeichnet sich somit durch eine große Flexibilität aus.The detection devices can preferably be arranged flat, in particular array-shaped, next to each other, so that the lidar device is characterized by a small overall depth. Furthermore, by using a plurality of detection devices instead of a single detection device, the required detector area can be reduced. Several detection devices or a plurality of detection devices can be considered within the scope of the invention as a number of two to n detection devices, where n is an integer. The various detection devices may have the same optical and electromechanical components. However, the detection devices may also differ at least partially in their optical properties, so that, for example, different measuring ranges in different solid angle ranges can be achieved. The lidar device is thus characterized by a great deal of flexibility.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung sind die Detektionseinrichtungen verwinkelt zueinander angeordnet, so dass sie Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls aus jeweiligen Raumwinkelteilbereichen eines Raumwinkelbereichs erfassen. Vorzugsweise überlappt jeder Raumwinkelteilbereich mit mindestens einem weiteren Raumwinkelteilbereich. Die Raumwinkelteilbereiche können jedoch auch disjunkt sein. Die Lidar-Vorrichtung bietet somit die Möglichkeit, einen großen Raumwinkelbereich abzurastern. Je nach Anzahl und Anordnung der Detektionseinrichtungen kann der überwachte Raumwinkelbereich beliebig gewählt werden.According to a preferred development of the lidar device, the detection devices are arranged in an angled manner relative to one another so that they detect reflections of the deflected at least one laser light beam from respective solid angle partial regions of a solid angle range. Each solid angle partial region preferably overlaps with at least one further solid angle partial region. However, the solid angle portions may also be disjoint. The lidar device thus offers the possibility of scanning a large solid angle range. Depending on the number and arrangement of the detection devices, the monitored solid angle range can be chosen as desired.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung weisen die Detektionseinrichtungen Detektionsoberflächen auf, welche dazu ausgebildet sind, Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls zu detektieren, wobei die Detektionsoberflächen auf einer gekrümmten und/oder polygonalen Oberfläche einer Halteeinrichtung angeordnet sind. Die Halteeinrichtung kann eine geringe Bautiefe aufweisen, so dass die Lidar-Vorrichtung sehr kompakt gestaltet werden kann.According to a preferred development of the lidar device, the detection devices have detection surfaces which are designed to detect reflections of the deflected at least one laser light beam, wherein the detection surfaces are arranged on a curved and / or polygonal surface of a holding device. The holding device may have a small overall depth, so that the lidar device can be made very compact.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung weist die Halteeinrichtung eine Temperierungseinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, die Halteeinrichtung und die Detektionsoberflächen zu temperieren. Vorzugsweise kann ein Peltier-Element verwendet werden. Die Messergebnisse der Detektionseinrichtungen können im Allgemeinen stark temperaturabhängig sein. Durch das Temperieren der Detektionsoberflächen können diese auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, wodurch die Genauigkeit der Lidar-Vorrichtung verbessert werden kann.According to a preferred development of the lidar device, the holding device has a tempering device, which is designed to temper the holding device and the detection surfaces. Preferably, a Peltier element can be used. The measurement results of the detection devices can generally be strongly temperature-dependent. By controlling the temperature of the detection surfaces they can be kept at a constant temperature whereby the accuracy of the lidar device can be improved.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung weist jede Detektionseinrichtung eine Linseneinrichtung mit mindestens einer Linse zum Fokussieren des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls auf. Die Reflexionen werden dadurch auf entsprechende Detektionsoberflächen fokussiert. Im Allgemeinen vergrößern sich Aberrationsfehler bei großen Ablenkwinkeln. Im Gegensatz zu einer Lidar-Vorrichtung mit nur einer einzigen großen Detektionseinrichtung hat die erfindungsgemäße Lidar-Vorrichtung demnach den Vorteil, dass die jeweiligen Detektionseinrichtungen jeweils nur geringe Raumwinkelteilbereiche erfassen und somit die Aberrationsfehler reduziert und in der Auswertung vernachlässigt werden können, wodurch sich auch die Auswertung vereinfacht. Entsprechende Linseneinrichtungen bzw. Objektive können somit bei erhöhter Genauigkeit kleiner ausgebildet werden.According to a preferred development of the lidar device, each detection device has a lens device with at least one lens for focusing the deflected at least one laser light beam. The reflections are thereby focused on corresponding detection surfaces. Generally, aberrations increase at large deflection angles. In contrast to a lidar device with only a single large detection device, the lidar device according to the invention accordingly has the advantage that the respective detection devices only detect small solid angle partial areas and thus reduce the aberration errors and can be neglected in the evaluation, as a result of which the evaluation simplified. Corresponding lens devices or lenses can thus be made smaller with increased accuracy.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung umfasst die Lichtablenkeinrichtung einen Mikrospiegel und/oder einen Mikroscanner. Die Lidar-Vorrichtung kann somit sehr platzsparend ausgebildet werden und umfasst eine deutlich geringere Bautiefe als eine Lidar-Vorrichtung mit entsprechenden makroskopischen optischen Elementen.According to a preferred development of the lidar device, the light deflection device comprises a micromirror and / or a microscanner. The lidar device can thus be made very space-saving and includes a significantly smaller depth than a lidar device with corresponding macroscopic optical elements.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung weist jede Detektionseinrichtung mindestens ein Filter, insbesondere ein Farbfilter und/oder ein Bandpassfilter auf. Das Filter ist vorzugsweise als Interferenzfilter ausgebildet. Die Transmissionscharakteristik von Interferenzfiltern, wird mit steigenden Einfallswinkeln zu geringeren Wellenlängen verschoben. Erfindungsgemäß kann somit aufgrund des jeweils kleineren erfassten Raumwinkelbereichs der Toleranzbereich bzw. die Toleranzbreite des Bandpasses des Bandpassfilters schmäler gewählt werden als dies bei einer einzigen Detektionseinrichtung der Fall wäre. Die Bandbreite des Transmissionsbereichs kann somit sehr schmal gewählt werden, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems verbessert wird und eine höhere Detektionsreichweite erzielt werden kann.According to a preferred development of the lidar device, each detection device has at least one filter, in particular a color filter and / or a bandpass filter. The filter is preferably designed as an interference filter. The transmission characteristic of interference filters is shifted with increasing angles of incidence to lower wavelengths. According to the invention, the tolerance range or the tolerance bandwidth of the bandpass filter of the bandpass filter can thus be selected to be narrower than would be the case with a single detection device on account of the respective smaller detected solid angle range. The bandwidth of the transmission range can thus be chosen very narrow, whereby the signal-to-noise ratio of the system is improved and a higher detection range can be achieved.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung weist die Lichtaussendeeinrichtung eine Vielzahl von Laserquellen auf, welche dazu ausgebildet sind, jeweilige Laserlichtstrahlen auszusenden. Die Laserlichtstrahlen treffen vorzugsweise unter verschiedenen Auftreffwinkeln auf die Lichtablenkeinrichtung, wobei die Auftreffwinkel beispielsweise in einer Ruhelage der Lichtablenkeinrichtung gemessen werden können. Bei einem vorgegebenen Schwenkwinkel der Lichtablenkeinrichtung kann durch Erhöhung der Anzahl der Laserlichtstrahlen der erfasste Raumwinkelbereich deutlich vergrößert werden.According to a preferred embodiment of the lidar device, the light emitting device has a plurality of laser sources, which are designed to emit respective laser light beams. The laser light beams preferably strike the light deflection device at different angles of incidence, wherein the angles of incidence can be measured, for example, in a rest position of the light deflection device. At a given pivoting angle of the light deflection device, the detected solid angle range can be increased significantly by increasing the number of laser light beams.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Analysieren das Bestimmen einer Lichtlaufzeit des ausgesendeten mindestens einen Laserlichtstrahls durch Vergleichen einer Aussendezeit beim Aussenden des mindestens einen Laserlichtstrahls und einer Empfangszeit beim Empfangen der Reflexionen des ausgesendeten mindestens einen Laserlichtstrahls, sowie das Bestimmen eines Abstands des Objekts anhand der bestimmten Lichtlaufzeit.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the analyzing comprises determining a light propagation time of the emitted at least one laser light beam by comparing a transmission time when emitting the at least one laser light beam and a reception time upon receiving the reflections of the emitted at least one laser light beam, and determining a distance of the object the specific time of light.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer Lidar-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform; 1 a schematic cross-sectional view of a lidar device according to a first embodiment;

2 eine schematische Frontansicht der Lidar-Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform; 2 a schematic front view of the lidar device according to the first embodiment;

3 eine schematische Querschnittsansicht einer Lidar-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform; 3 a schematic cross-sectional view of a lidar device according to a second embodiment;

4 eine schematische Frontansicht der Lidar-Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform; 4 a schematic front view of the lidar device according to the second embodiment;

5 eine schematische Querschnittsansicht einer Lidar-Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform; 5 a schematic cross-sectional view of a lidar device according to a third embodiment;

6 eine schematische Frontansicht der Lidar-Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform; 6 a schematic front view of the lidar device according to the third embodiment;

7 eine schematische Querschnittsansicht einer Lidar-Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform; 7 a schematic cross-sectional view of a lidar device according to a fourth embodiment;

8 eine schematische Querschnittsansicht einer Lidar-Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform; 8th a schematic cross-sectional view of a lidar device according to a fifth embodiment;

9 eine schematische Querschnittsansicht einer Lidar-Vorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform; 9 a schematic cross-sectional view of a lidar device according to a sixth embodiment;

10 eine schematische Frontansicht der Lidar-Vorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform; und 10 a schematic front view of the lidar device according to the sixth embodiment; and

11 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Analysieren eines Objekts. 11 a flowchart for explaining a method for analyzing an object.

In den verschiedenen Ausführungsformen werden gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. In the various embodiments, identical or functionally identical elements are identified by the same reference numerals.

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Lidar-Vorrichtung1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Lidar-Vorrichtung1 umfasst eine Lichtaussendeeinrichtung10, welche eine Laserquelle sowie optionale optische Elemente wie Linsen oder Spiegel umfasst und dazu ausgebildet ist, einen Laserlichtstrahl12 auszusenden. Der ausgesendete Laserlichtstrahl12 trifft auf eine schwenkbare Lichtablenkeinrichtung11, welche dazu ausgebildet ist, den ausgesendeten mindestens einen Laserlichtstrahl12 abzulenken. Die Lichtablenkeinrichtung11 ist vorzugsweise eine mikroelektromechanische (MEMS) Vorrichtung, insbesondere ein Mikrospiegel oder ein Mikroscanner, und um einen Winkel x3 schwenkbar. Vorzugsweise ist die Lichtablenkeinrichtung11 in zwei Richtungen schwenkbar, so dass durch Schwenken der Lichtablenkeinrichtung11 der ausgesendete Laserlichtstrahl12 innerhalb eines entsprechenden Raumwinkelbereichs abgelenkt werden kann und dieser abgerastert werden kann. 1 shows a schematic cross-sectional view of a lidar device 1 according to a first embodiment of the invention. The lidar device 1 includes alight emitting device 10 which comprises a laser source and optional optical elements such as lenses or mirrors and is adapted to alaser light beam 12 send out. The emittedlaser light beam 12 meets a pivotablelight deflector 11 , which is adapted to the emitted at least onelaser light beam 12 distract. Thelight deflection device 11 is preferably a microelectromechanical (MEMS) device, in particular a micromirror or a microscanner, and pivotable through an angle x3. Preferably, thelight deflecting device 11 pivotable in two directions, so that by pivoting thelight deflecting device 11 the emittedlaser light beam 12 can be deflected within a corresponding solid angle range and this can be scanned.

Weiter umfasst die Lidar-Vorrichtung1 drei Detektionseinrichtungen15a,15b,15c, welche dazu ausgebildet sind, Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls12 zu detektieren. Unter „Reflexionen“ werden die von einem Objekt, beispielsweise einem Fahrzeug oder einem Baum, reflektierten Laserlichtstrahlen12 verstanden. Die Detektionseinrichtungen15a–c umfassen jeweils eine Linseneinrichtung14a–c mit mindestens einer Linse, beispielsweise mit drei hintereinander angeordneten Linsen, zum Fokussieren der Reflexionen. Die Linsen können Sammellinsen und/oder Zerstreuungslinsen umfassen. Weiter umfassen die Detektionseinrichtungen15a–c jeweils eine Detektionsoberfläche13a–c, welche dazu ausgebildet ist, die Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls12 zu detektieren. Die Detektionsoberflächen13a–c umfassen beispielsweise mindestens eine Lawinenphotodiode (APD-Photodiode), vorzugsweise ein Array von APD-Photodioden.Further, the lidar device comprises 1 threedetection devices 15a . 15b . 15c which are adapted to reflections of the deflected at least onelaser light beam 12 to detect. Reflections are the laser light rays reflected from an object, such as a vehicle or atree 12 Understood. Thedetection devices 15a -C each include alens device 14a C with at least one lens, for example with three lenses arranged one behind the other, for focusing the reflections. The lenses may comprise converging lenses and / or diverging lenses. Furthermore, the detection devices comprise 15a C each have adetection surface 13a C, which is adapted to the reflections of the deflected at least onelaser light beam 12 to detect. The detection surfaces 13a For example, -c include at least one avalanche photodiode (APD photodiode), preferably an array of APD photodiodes.

Die Detektionsoberflächen13a–13c sind auf einer trapezförmigen Oberfläche einer Halteeinrichtung16 angeordnet. Die Halteeinrichtung16 kann auch eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Die Anzahl der Detektionseinrichtungen ist hierbei beliebig, wobei Detektionsoberflächen der jeweiligen Detektionseinrichtungen auf einer entsprechenden polygonalen Oberfläche der Halteeinrichtung16 angeordnet sein können.The detection surfaces 13a - 13c are on a trapezoidal surface of a holdingdevice 16 arranged. The holdingdevice 16 may also have a curved surface. The number of detection devices here is arbitrary, wherein detection surfaces of the respective detection devices on a corresponding polygonal surface of the holdingdevice 16 can be arranged.

Die Detektionseinrichtungen15a–15c sind aufgrund ihrer Anordnung auf der trapezförmigen Oberfläche der Halteeinrichtung16 derart verwinkelt zueinander angeordnet, dass sie Reflexionen von abgelenkten Laserlichtstrahlen12 aus jeweiligen Raumwinkelteilbereichen erfassen. Die Raumwinkelteilbereiche haben einen jeweiligen Öffnungswinkel x1, welcher beispielsweise 17° betragen kann. Im in1 illustrierten Ausführungsbeispiel erfasst die Lidar-Vorrichtung Reflexionen von Laserlichtstrahlen aus einem Raumwinkelbereich mit einem Öffnungswinkel x2 von drei Mal so groß ist wie der Öffnungswinkel x1 der Raumwinkelteilbereiche, das heißt gleich 51° ist. Die Öffnungswinkel x1 der Raumwinkelteilbereiche sowie der entsprechende Öffnungswinkel x2 des Raumwinkelbereichs sind hierbei beliebig. Vorzugsweise können sich die Raumwinkelteilbereiche zumindest teilweise überlappen.Thedetection devices 15a - 15c are due to their arrangement on the trapezoidal surface of the holdingdevice 16 arranged so angled to each other that they reflections of deflected laser light rays 12 from respective solid angle partial areas. The solid angle partial regions have a respective opening angle x1, which may be 17 °, for example. Im in 1 In the illustrated embodiment, the lidar device detects reflections of laser light beams from a solid angle range having an opening angle x2 of three times as large as the opening angle x1 of the solid angle partial areas, that is equal to 51 °. The opening angle x1 of the solid angle partial areas and the corresponding opening angle x2 of the solid angle range are arbitrary. Preferably, the solid angle partial areas may at least partially overlap.

2 zeigt eine Frontansicht der Lidar-Vorrichtung1 gemäß der ersten Ausführungsform. Wie bereits durch die Strichelung in1 angedeutet, sind die Lichtaussendeeinrichtung10 und die schwenkbare Lichtablenkeinrichtung11 gegenüber den Detektionseinrichtungen15a–c räumlich versetzt, so dass der abgelenkte Laserlichtstrahl12 unterhalb der Detektionseinrichtungen15a–c ausgesendet wird. Beispielsweise kann die Lichtaussendeeinrichtung10 an einer Unterseite der Halteeinrichtung16 angeordnet sein und die Lichtablenkeinrichtung11 kann an einem von der Halteeinrichtung beabstandeten Substrat17 angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Lichtablenkeinrichtung11 ebenfalls an der Halteeinrichtung16 angeordnet sein. 2 shows a front view of the lidar device 1 according to the first embodiment. As already indicated by the dashes in 1 indicated, thelight emitting device 10 and the pivotablelight deflector 11 towards thedetection devices 15a -C spatially offset so that the deflectedlaser light beam 12 below thedetection devices 15a -C is sent out. For example, thelight emitting device 10 on an underside of the holdingdevice 16 be arranged and thelight deflecting device 11 can on a substrate spaced from the holdingdevice 17 be arranged. According to further embodiments, thelight deflecting device 11 also on the holdingdevice 16 be arranged.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann die Lichtaussendeeinrichtung10 eine Laserquelle umfassen, welche als Linienlaser ausgebildet ist, und somit mittels geeigneter Optiken einen in einer Aussendeebene aufgefächerten Laserlichtstrahl12 mit einem vorgegebenen Öffnungswinkel aussendet. Der ausgesendete Laserlichtstrahl12 trifft auf einen linienförmigen Bereich der Lichtablenkeinrichtung11, wobei die Lichtablenkeinrichtung11 vorzugsweise um eine Achse parallel zu diesem linienförmigen Bereich schwenkbar ist. Der Laserlichtstrahl12 kann somit in einen Raumwinkelbereich abgelenkt werden. Die Detektionsoberflächen13a–c weisen vorzugsweise SPAD-Photodioden (single photon avalanche diode) auf, welche geeignet sind, die detektierten Reflexionen örtlich aufzulösen.According to a preferred development, thelight emitting device 10 comprise a laser source, which is designed as a line laser, and thus by means of suitable optics a fanned out in a transmission planelaser light beam 12 emits with a given opening angle. The emittedlaser light beam 12 meets a line-shaped area of thelight deflection device 11 , wherein thelight deflecting device 11 is preferably pivotable about an axis parallel to this line-shaped area. Thelaser light beam 12 can thus be deflected into a solid angle range. The detection surfaces 13a -C preferably have SPAD photodiodes (single photon avalanche diode), which are suitable for locally resolving the detected reflections.

3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht und4 eine schematische Frontansicht einer Lidar-Vorrichtung3 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Während die Lidar-Vorrichtung1 gemäß der ersten Ausführungsform Linseneinrichtungen14a–14c mit optischen Linsen mit kreisförmigem Durchmesser aufweist, sind Linseneinrichtungen34a–34c von Detektionseinrichtungen35a–35c der Lidar-Vorrichtung3 gemäß der zweiten Ausführungsform rechteckig ausgebildet. Durch Einsatz von rechteckigen Linseneinrichtungen34a–34c kann die Bauhöhe bzw. Bautiefe weiter verringert werden. 3 shows a schematic cross-sectional view and 4 a schematic front view of a lidar device 3 according to a second embodiment of the invention. While the lidar device 1 According to the first embodiment,lens devices 14a - 14c with circular-diameter optical lenses arelens devices 34a - 34c ofdetection devices 35a - 35c the lidar device 3 formed rectangular according to the second embodiment. Through the use ofrectangular lens devices 34a - 34c The overall height or depth can be further reduced.

Die Lichtaussendeeinrichtung10 kann hierbei so angeordnet sein, dass sie den Laserlichtstrahl12 derart aussendet, dass dieser unter einem rechten Winkel auf die in einer Ruheposition befindliche Lichtablenkeinrichtung11 trifft. Die Lichtaussendeeinrichtung10 kann jedoch auch versetzt sein, so dass der Laserlichtstrahl12 unter einem beliebig vorgegebenen Winkel auf die in der Ruheposition befindliche Lichtablenkeinrichtung11 trifft.Thelight emitting device 10 may be arranged so that it thelaser light beam 12 sends out so that this at a right angle to the light deflecting device located in arest position 11 meets. Thelight emitting device 10 However, it can also be offset so that thelaser light beam 12 at an arbitrarily predetermined angle to the light deflection device located in therest position 11 meets.

In5 ist eine schematische Querschnittsansicht und in6 eine schematische Frontansicht einer Lidar-Vorrichtung5 gemäß einer dritten Ausführungsform illustriert. Die Linseneinrichtungen54a–54c von Detektionseinrichtungen55a–55c sind hierbei ebenfalls rechteckig und umfassen mindestens eine Fresnellinse.In 5 is a schematic cross-sectional view and in 6 a schematic front view of a lidar device 5 illustrated according to a third embodiment. Thelens devices 54a - 54c ofdetection devices 55a - 55c are also rectangular and include at least one Fresnel lens.

In7 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Lidar-Vorrichtung7 gemäß einer vierten Ausführungsform illustriert. Die Detektionseinrichtungen75a–75c umfassen hierbei jeweilige Filter70a–70c, welche dazu ausgebildet sind, die Reflexionen zu filtern. Die Filter70a–70c können hierbei entweder im Strahlengang vor oder hinter den Linseneinrichtungen14a–14c eingebracht sein. In einer weiteren Ausführungsform können die Filter70a–70c auch direkt vor den jeweiligen Detektionseinrichtungen75a–75c angeordnet sein und können dadurch flächenmäßig sehr klein gewählt werden.In 7 is a schematic cross-sectional view of a lidar device 7 illustrated according to a fourth embodiment. Thedetection devices 75a - 75c includerespective filters 70a - 70c which are adapted to filter the reflections. Thefilters 70a - 70c can here either in the beam path in front of or behind thelens devices 14a - 14c be introduced. In a further embodiment, thefilters 70a - 70c also directly in front of therespective detection devices 75a - 75c be arranged and can be chosen very small in terms of area.

Vorzugsweise umfassen die Filter70a–70c jeweils mindestens ein Farbfilter und/oder mindestens ein Bandpassfilter.Preferably, the filters include 70a - 70c in each case at least one color filter and / or at least one bandpass filter.

Die Lidar-Vorrichtung7 umfasst weiter ein Austrittsfenster71, welches vorzugsweise zusätzlich als Transmissionsfilter ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Austrittsfenster71 für vorgegebene Wellenlängen, zum Beispiel Wellenlängen kleiner als 1100 nm zu einem vorgegebenen Prozentsatz, beispielsweise einem Wert zwischen 90 und 99 % durchlässig sein. In einem anderen Wellenlängenbereich kann das Austrittsfenster71 absorbierend wirken.The lidar device 7 further includes anexit window 71 , which is preferably additionally designed as a transmission filter. For example, theexit window 71 for given wavelengths, for example, wavelengths less than 1100 nm to a given percentage, for example, a value between 90 and 99% permeable. In another wavelength range, theexit window 71 have an absorbent effect.

8 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Lidar-Vorrichtung8 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Die Lidar-Vorrichtung8 umfasst ein Gehäuse83 mit dem bereits oben beschriebenen Austrittsfenster71, sowie Seitenwänden82 und einem Gehäuseboden80, wobei die Halteeinrichtung16 mittels eines Peltier-Elements81 mit dem Gehäuseboden81 verbunden ist. Der Gehäuseboden80 besteht vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Material und das Peltier-Element81 kann dazu ausgebildet sein, die Halteeinrichtung16 und/oder die Detektionsoberflächen13a–13c zu temperieren. Vorzugsweise ist das Peltier-Element81 zum Kühlen und/oder zum Erwärmen der Halteeinrichtung16 und/oder der Detektionsoberflächen13a–13c ausgebildet. 8th shows a schematic cross-sectional view of a lidar device 8th according to a fifth embodiment of the invention. The lidar device 8th includes ahousing 83 with the exit window already described above 71 , as well asside walls 82 and acaseback 80 , wherein the holdingdevice 16 by means of aPeltier element 81 with the case back 81 connected is. Thecaseback 80 is preferably made of a thermally conductive material and thePeltier element 81 may be adapted to the holdingdevice 16 and / or the detection surfaces 13a - 13c to temper. Preferably, thePeltier element 81 for cooling and / or for heating theholding device 16 and / or the detection surfaces 13a - 13c educated.

9 zeigt eine schematische Querschnittsansicht und10 eine schematische Frontansicht einer Lidar-Vorrichtung9 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Lidar-Vorrichtung9 umfasst fünf Detektionseinrichtungen95a–95e, welche jeweils Detektionsoberflächen93a–93e sowie Linseneinrichtungen94a–94e umfassen, welche den oben beschriebenen Detektionsoberflächen bzw. Linseneinrichtungen entsprechen können. Ein entsprechender erfassbarer Raumwinkelbereich x4 ist somit gleich fünf mal 17°, das heißt 85°. Die Lidar-Vorrichtung9 unterscheidet sich von der in1 gezeigten Ausführungsform weiter dadurch, dass eine Lichtaussendeeinrichtung90 drei Laserquellen90a,90b,90c aufweist, welche verwinkelt zueinander angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, jeweilige Laserlichtstrahlen auf die Lichtablenkeinrichtung11 auszusenden. 9 shows a schematic cross-sectional view and 10 a schematic front view of alidar device 9 according to a sixth embodiment of the present invention. Thelidar device 9 includes fivedetection devices 95a - 95e , which each detection surfaces 93a - 93e as well aslens devices 94a - 94e include, which may correspond to the detection surfaces or lens devices described above. A corresponding detectable solid angle range x4 is thus equal to fivetimes 17 °, ie 85 °. Thelidar device 9 is different from the one in 1 shown embodiment further characterized in that alight emitting device 90 three laser sources 90a . 90b . 90c which are arranged angled to each other and are adapted to respective laser light beams on thelight deflecting device 11 send out.

Die Anzahl der Laserquellen kann hierbei kleiner, gleich groß oder größer als die Anzahl der Detektionseinrichtungen sein.The number of laser sources here may be smaller, equal to or greater than the number of detection devices.

11 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Analysieren eines Objekts. Hierbei wird in einem ersten Schritt S1 mindestens ein Laserlichtstrahl12 durch eine Lichtaussendeeinrichtung10 ausgesendet, welche insbesondere eine oder mehrere Laserquellen umfassen kann. 11 shows a flowchart for explaining a method for analyzing an object. In this case, in a first step S1 at least onelaser light beam 12 through alight emitting device 10 emitted, which may in particular comprise one or more laser sources.

In einem zweiten Schritt S2 wird der ausgesendete mindestens eine Laserlichtstrahl12 durch eine schwenkbare Lichtablenkeinrichtung11, insbesondere einen Mikrospiegel oder einen Mikroscanner abgelenkt.In a second step S2, the emitted at least onelaser light beam 12 by a pivotablelight deflecting device 11 , in particular a micromirror or a microscanner deflected.

In einem weiteren Verfahrensschritt S3 werden Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls12 an dem Objekt mittels einer Vielzahl von Detektionseinrichtungen empfangen. Die Detektionseinrichtungen können, wie oben beschrieben, Linseneinrichtungen mit mindestens einer Linse oder Filter umfassen.In a further method step S3 reflections of the deflected at least onelaser light beam 12 received at the object by means of a plurality of detection means. As described above, the detection devices may comprise lens devices with at least one lens or filter.

Schließlich wird in einem Verfahrensschritt S4 das Objekt anhand der empfangenen Reflexionen analysiert. Das Analysieren kann durch eine Auswerteeinrichtung der Lidar-Vorrichtung durchgeführt werden.Finally, in a method step S4, the object is analyzed on the basis of the received reflections. The analyzing can be carried out by an evaluation device of the lidar device.

So kann gemäß einer Ausführungsform zuerst eine Lichtlaufzeit des ausgesendeten mindestens einen Laserlichtstrahls12 durch Vergleichen bzw. Differenzbilden zwischen einer Aussendezeit beim Aussenden des mindestens einen Laserlichtstrahls12 und einer Empfangszeit beim Empfangen der Reflexionen des ausgesendeten mindestens einen Laserlichtstrahls12 bestimmt werden. Weiter kann ein Abstand des Objekts anhand der bestimmten Lichtlaufzeit bestimmt werden. Das Verfahren kann auch zum Bestimmen einer Geschwindigkeit des Objekts verwendet werden.Thus, according to one embodiment, first a light transit time of the emitted at least onelaser light beam 12 by comparing or subtracting between a transmission time when transmitting the at least oneLaser light beam 12 and a reception time in receiving the reflections of the emitted at least onelaser light beam 12 be determined. Furthermore, a distance of the object can be determined on the basis of the determined light transit time. The method may also be used to determine a speed of the object.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 102011007464 A1[0002]DE 102011007464 A1[0002]

Claims (10)

Translated fromGerman

Lidar-Vorrichtung (1;3;5;7;8;9), mit einer Lichtaussendeeinrichtung (10), welche dazu ausgelegt ist, mindestens einen Laserlichtstrahl (12) auszusenden; einer schwenkbare Lichtablenkeinrichtung (11), welche dazu ausgebildet ist, den ausgesendeten mindestens einen Laserlichtstrahl (12) abzulenken; und einer Vielzahl von Detektionseinrichtungen (15a–c;35a–c;55a–c;75a–c;95a–e), welche dazu ausgebildet sind, Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls (12) zu detektieren.Lidar device ( 1 ; 3 ; 5 ; 7 ; 8th ; 9 ), with a light emitting device ( 10 ), which is adapted to at least one laser light beam ( 12 ) to send out; a pivotable light deflector ( 11 ), which is adapted to the emitted at least one laser light beam ( 12 ) to distract; and a plurality of detection devices ( 15a c; 35a c; 55a c; 75a c; 95a -E) which are designed to reflect reflections of the deflected at least one laser light beam (US Pat. 12 ) to detect.Lidar-Vorrichtung (1;3;5;7;8;9) nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinrichtungen (15a–c;35a–c;55a–c;75a–c;95a–e) verwinkelt zueinander angeordnet sind, sodass sie Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls (12) aus jeweiligen Raumwinkelteilbereichen (x1) eines Raumwinkelbereichs (x2; x4) erfassen, wobei jeder Raumwinkelteilbereich (x1) mit mindestens einem weiteren Raumwinkelteilbereich überlappt.Lidar device ( 1 ; 3 ; 5 ; 7 ; 8th ; 9 ) according to claim 1, wherein the detection devices ( 15a c; 35a c; 55a c; 75a c; 95a -E) are arranged in an angle to each other so that they reflect the deflected at least one laser light beam ( 12 ) from respective solid angle partial regions (x1) of a solid angle region (x2; x4), each solid angle partial region (x1) overlapping with at least one further solid angle partial region.Lidar-Vorrichtung (1;3;5;7;8;9) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Detektionseinrichtungen (15a–c;35a–c;55a–c;75a–c;95a–e) Detektionsoberflächen (13a–c;33a–c;53a–c;73a–c;93a–e) aufweisen, welche dazu ausgebildet sind, Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls (12) zu detektieren, wobei die Detektionsoberflächen (13a–c;33a–c;53a–c;73a–c;93a–e) auf einer gekrümmten und/oder polygonalen Oberfläche einer Halteeinrichtung (16) angeordnet sind.Lidar device ( 1 ; 3 ; 5 ; 7 ; 8th ; 9 ) according to one of claims 1 or 2, wherein the detection devices ( 15a c; 35a c; 55a c; 75a c; 95a -E) detection surfaces ( 13a c; 33a c; 53a c; 73a c; 93a E), which are designed to reflect reflections of the deflected at least one laser light beam ( 12 ), the detection surfaces ( 13a c; 33a c; 53a c; 73a c; 93a E) on a curved and / or polygonal surface of a holding device ( 16 ) are arranged.Lidar-Vorrichtung (8) nach Anspruch 3, wobei die Halteeinrichtung (16) eine Temperierungseinrichtung (81) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Halteeinrichtung (16) und die Detektionsoberflächen (13a–c) zu temperieren.Lidar device ( 8th ) according to claim 3, wherein the holding device ( 16 ) a tempering device ( 81 ), which is adapted to the holding device ( 16 ) and the detection surfaces ( 13a -C) to temper.Lidar-Vorrichtung (1;3;5;7;8;9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede Detektionseinrichtung (15a–c;35a–c;55a–c;75a–c;95a–e) eine Linseneinrichtung (14a–c;34a–c;54a–c;94a–e) mit mindestens einer Linse zum Fokussieren der Reflexionen aufweist.Lidar device ( 1 ; 3 ; 5 ; 7 ; 8th ; 9 ) according to one of the preceding claims, wherein each detection device ( 15a c; 35a c; 55a c; 75a c; 95a -E) a lens device ( 14a c; 34a c; 54a c; 94a -E) with at least one lens for focusing the reflections.Lidar-Vorrichtung (1;3;5;7;8;9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lichtablenkeinrichtung (11) einen Mikrospiegel und/oder einen Mikroscanner umfasst.Lidar device ( 1 ; 3 ; 5 ; 7 ; 8th ; 9 ) according to one of the preceding claims, wherein the light deflecting device ( 11 ) comprises a micromirror and / or a microscanner.Lidar-Vorrichtung (7) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede Detektionseinrichtung (75a–c) mindestens ein Farbfilter (70a–c) und/oder ein Bandpassfilter (70a–c) aufweist.Lidar device ( 7 ) according to one of the preceding claims, wherein each detection device ( 75a -C) at least one color filter ( 70a -C) and / or a bandpass filter ( 70a -C).Lidar-Vorrichtung (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lichtaussendeeinrichtung (90) eine Vielzahl von Laserquellen (90a–c) aufweist, welche dazu ausgebildet sind, jeweilige Laserlichtstrahlen (12) auszusenden.Lidar device ( 9 ) according to one of the preceding claims, wherein the light emitting device ( 90 ) a plurality of laser sources ( 90a C) which are adapted to receive respective laser light beams ( 12 ).Verfahren zum Analysieren eines Objekts, mit den Schritten: Aussenden (S1) von mindestens einem Laserlichtstrahl (12); Ablenken (S2) des ausgesendeten mindestens einen Laserlichtstrahls (12) durch eine schwenkbare Lichtablenkeinrichtung (11); Empfangen (S3) von Reflexionen des abgelenkten mindestens einen Laserlichtstrahls (12) an dem Objekt mittels einer Vielzahl von Detektionseinrichtungen (15a–c;35a–c;55a–c;75a–c;95a–e); und Analysieren (S4) des Objekts anhand der empfangenen Reflexionen.Method for analyzing an object, comprising the steps of: emitting (S1) at least one laser light beam (S1) 12 ); Deflecting (S2) the emitted at least one laser light beam ( 12 ) by a pivotable light deflecting device ( 11 ); Receiving (S3) reflections of the deflected at least one laser light beam ( 12 ) on the object by means of a plurality of detection devices ( 15a c; 35a c; 55a c; 75a c; 95a -e); and analyzing (S4) the object based on the received reflections.Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Analysieren (S4) umfasst: Bestimmen einer Lichtlaufzeit des ausgesendeten mindestens einen Laserlichtstrahls (12) durch Vergleichen einer Aussendezeit beim Aussenden des mindestens einen Laserlichtstrahls (12) und einer Empfangszeit beim Empfangen der Reflexionen des ausgesendeten mindestens einen Laserlichtstrahls (12); und Bestimmen eines Abstands des Objekts anhand der bestimmten Lichtlaufzeit.The method of claim 9, wherein analyzing (S4) comprises: determining a light transit time of the emitted at least one laser light beam ( 12 ) by comparing a transmission time when emitting the at least one laser light beam ( 12 ) and a reception time when receiving the reflections of the emitted at least one laser light beam ( 12 ); and determining a distance of the object based on the determined light transit time.

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