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.

LiDAR systems with usually large rotating mirror surfaces for transmission beam deflection, represent a common approach to state-of-the-art optical distance measurement in the automotive sector. However, such a mostly cost-intensive and precision-mechanical sensor construction usually results in a large required box volume. These system characteristics are disadvantageous in terms of economic industrialisability and market acceptance. Compact MEMS scanner systems offer advantages here, but have potential for improvement in terms of range and the angular accuracy of the transmission beam in the field of view. Here, large mirror surfaces lead to a significant disadvantage regarding fast and reproducible field of view scanning and robustness against vibrations and shocks. This significantly limits the angular accuracy of the deflected transmission beam into the field of view. The objective of the present work is to improve the angular accuracy of scanner systems while reducing the sensor volume. With regard to the applicability in the market of highly automated vehicles, an approach with a miniaturisable beam deflection and receiver unit is to be demonstrated. Additionally, this approach has to enable higher ranges without dropping across the field of view. The literature research has shown that, for the first time, a solution has been found for a scanner system based on a beam deflection by a MEMS mirror, which meets the requirements for range, sensor volume and angular accuracy. A comparison of LiDAR systems is carried out on the basis of a quality factor. For this purpose, different evaluation criteria are taken into account such as range and angular resolution, but also factors such as the assumed degree of miniaturisation and system costs. The presented scanner system is realised in the form of an experimental demonstrator setup. This setup demonstrates the actual functionality of the here developed LiDAR sensor concept, based on the direct time-of-flight measurement of the transmitted signal. Using a beam shaping unit consisting of a microlens array in combination with a system lens, a separate beam expansion can be created for each individual scan angle. This allows maximum beam diameters to be emitted into the field of view, thus ensuring the maximum possible eye safety. Therefore, it can be shown that ranges derived from the state-of-the-art can already be achieved with significantly smaller mirror dimensions. With a novel approach, using aperture stops between individual microlenses, a direct projection of the angular noise of the oscillating beam deflection unit into the field of view is additionally suppressed. In this way, the angular accuracy of state-of-the-art MEMS scanner systems can be improved and angular measurement uncertainties comparable to those of large, precision- mechanical scanner systems can be achieved. In order to increase the efficiency of the beam shaping unit, an additional optics approach is used, which is also novel for this application. This supplementary optic in the form of a wedge prism array prevents transmission beam cut-offs at the aperture stop of the system lens caused by the beam expansion during field of view scanning. Consequently, compared to conventional scanner systems with a beam expansion in front of their system lens, an improvement of the range over the entire field of view is realised, especially for large field angles.

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