Miniaturisierbares LiDAR mit großer Sendeapertur für hochautomatisierte Fahrzeuge

LiDAR-Systeme mit üblicherweise großen rotierenden Spiegeloberflächen zur Sendestrahlablenkung stellen einen nach dem Stand der Technik gängigen Ansatz der optischen Distanzmessung im Kraftfahrzeugbereich dar. Ein solcher, oftmals kostenintensiver und feinmechanischer Sensoraufbau resultiert jedoch meist in einem großen benötigten Bauraum. Derartige Systemeigenschaften wirken sich nachteilig hinsichtlich wirtschaftlicher Industrialisierbarkeit und Marktakzeptanz aus. Kompakte MEMS-Scannersysteme bieten hier zwar Vorteile, weisen aber in Bezug auf die Reichweite sowie die Winkelgenauigkeit des Sendestrahls im Sichtfeld Verbesserungspotenzial auf. Vor allem große MEMSSpiegeloberflächen führen zu einem wesentlichen Nachteil hinsichtlich reproduzierbarer Sichtfeldabtastung und Robustheit gegenüber Erschütterungen und Stöße. Dies wiederum limitiert maßgeblich die Winkelgenauigkeit des abzulenkenden Sendestrahls im Sichtfeld. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist es, eine Verbesserung der Winkelgenauigkeit von Scannersystemen bei gleichzeitiger Verringerung des Sensorvolumens zu erreichen. Im Hinblick auf die Einsetzbarkeit im Bereich hochautomatisierter Fahrzeuge ist demnach ein Lösungsansatz aufzuzeigen, welcher mit einer miniaturisierbaren Strahlablenk- und Empfangseinheit zudem höhere Reichweiten ohne Abfall über das Sichtfeld ermöglicht. Die Literaturrecherche hat ergeben, dass erstmals eine Lösung für ein Scannersystem, basierend auf einer Sendestrahlablenkung mittels eines MEMS-Spiegels, gefunden werden konnte, welches die Anforderungen an Reichweite, Sensorvolumen und Winkelgenauigkeit erfüllt. Anhand eines Gütefaktors wird ein Vergleich von LiDAR-Systemen durchgeführt. Hierzu werden unterschiedliche Bewertungskriterien wie beispielsweise Reichweite und Winkelauflösung, aber auch Faktoren wie angenommener Miniaturisierungsgrad und Systemkosten berücksichtigt. Das vorgestellte Scannersystem wird in Form eines experimentellen Demonstratoraufbaus realisiert. Dieser Aufbau zeigt die tatsächliche Funktionsfähigkeit des hier erarbeiteten LiDAR-Sensor-Konzepts in Bezug auf Distanzmessungen, basierend auf der direkten Laufzeitmessung des Sendesignals. Mithilfe einer Strahlformungseinheit, bestehend aus einem Mikrolinsen-Array in Verbindung mit einem Systemobjektiv, lässt sich eine separate Strahlaufweitung für jeden einzelnen Scanwinkel erzeugen. Diese erlaubt es, maximale Sendestrahldurchmesser ins Sichtfeld zu emittieren und folglich größtmögliche Augensicherheit zu gewährleisten. Dadurch kann gezeigt werden, dass aus dem Stand der Wissenschaft hervorgehende Reichweiten mit bereits deutlich geringeren Spiegelabmessungen erzielt werden können. Zusätzlich wird anhand eines neuartigen Ansatzes mittels Aperturblenden zwischen einzelnen Mikrolinsen eine unmittelbare Projektion des Winkelrauschens der oszillierenden Sendestrahlablenkeinheit ins Sichtfeld unterdrückt. Auf diese Weise lässt sich die bisher übliche Winkelgenauigkeit von MEMS-Scannersystemen verbessern und Winkelmessunsicherheiten vergleichbar derer von großen, feinmechanisch aufgebauten Scannersystemen erreichen. Um die Effizienz der Strahlformungseinheit zu erhöhen, wird ein für diesen Anwendungsfall ebenfalls neuartiger Ansatz einer Zusatzoptik verwendet. Diese Zusatzoptik in Form eines Keilprismen-Arrays verhindert während der Sichtfeldabtastung, dass durch die Strahlaufweitung hervorgerufene Sendestrahlbeschneidungen an der Aperturblende des Systemobjektivs auftreten können. Folglich wird damit gegenüber üblichen Scannersystemen mit Sendestrahlaufweitungen vor deren Systemobjektiv, eine Verbesserung der Reichweite über den gesamten Sichtfeldbereich insbesondere für große Feldwinkel realisiert.