Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7251

Miniatur-Laserscanner für mobile Anwendungen

Daniel Brugger, Manfred Kohl

Zusammenfassung
Laserscanner-Systeme zur hochaufgelösten Umfelderfassung nutzen momentan hauptsächlich makroskopische Aktoren zur Strahlablenkung und unterliegen damit Einschränkungen hinsichtlich minimaler Baugröße und Unempfindlichkeit gegenüber Erschütterungen. Hauptgrund ist die Aktoreinheit, die meist große Spiegel- und Stellelemente und damit große bewegte Massen enthält. Eine deutliche Verbesserung verspricht der Einsatz von Mikroaktoren. Bisherige Entwicklungen ermöglichen meist jedoch nur kleine Scanwinkel um 10°. Große Winkel über 50° erfordern komplexe Aktorstrukturen, was mit aufwendiger Prozesstechnik und hohen Kosten verbunden ist.

Die hier vorgestellte Arbeit versucht die Nachteile makroskopischer Aktoren, sowie bisheriger Mikroaktoren, durch die gezielte Anwendung sogenannter „Smart Materials“ in mikroaktorischen Systemen zu beheben. Dazu wird zunächst ein neuartiger Aktormechanismus auf Basis der ferromagnetischen Formgedächtnislegierung Ni₂MnGa eingesetzt. Dieser vereint die Wirkmechanismen des Ferromagnetismus und des Formgedächtniseffektes in einem Dünnfilm-Bauteil. Den erzeugten antagonistischen Kräften stehen sehr kleine Rückstellkräfte gegenüber, wodurch sich große Scanwinkel in einem breiten Frequenzbereich erzeugen lassen. Weitere Mikroaktoren auf der Grundlage von „Smart Materials“ nutzen entweder Dünnfilm-Verbundschichten mit reinem Formgedächtniseffekt auf der Basis von NiTiCu oder mit rein ferromagnetischen Eigenschaften. In dieser Arbeit werden, ausgehend von den vorgestellten Aktormechanismen, 1D-Mikroaktoren mit einem Ablenkwinkel entwickelt und diese in einem weiteren Schritt zu 2D-Mikroaktoren mit zwei rechtwinklig zueinander stehenden Ablenkwinkeln erweitert. Abschließend erfolgt die Entwicklung eines 2D-Laserscanner-Systems bestehend aus einem 1D-Mikroaktor kombiniert mit einem Flugzeit–Entfernungsmesssystem (TOF-System).

Das Design der 1D-Mikroaktoren basiert auf Doppelbiegebalken, deren Strukturen auf eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung ausgelegt sind. Bei der Herstellung kommt eine Spaltschweiß-Technik zur Erzeugung kleiner und zuverlässiger elektrischer Verbindungen zum Einsatz. Verglichen mit anderen Wirkprinzipien, die meist eine passive Feder-Rückstellung nutzen, werden bei dem 1D-Mikroaktor aus Ni₂MnGa große, nahezu frequenzunabhängige optische Ablenkwinkel von 120°bei 60 Hz oder 60°bei 180 Hz erzielt. Die Baugröße liegt dabei im Millimeter-Bereich, der Energiebedarf bei weniger als 100mW. 1D-Mikroaktoren aus der Verbundschicht mit der Formgedächtnislegierung NiTiCu zeigen weit größere Scanwinkel bis zu 170°, jedoch nur in Resonanz bei 85 Hz.

Das Design der 2D-Mikroaktoren ist monolithisch ausgeführt und benötigt nur einen Mikrospiegel zur Strahlablenkung. 2D-Mikroaktoren aus Ni₂MnGa lehnen an das 1D-Design an und kombinieren Biegebewegungen mit einer zusätzlich hervorgerufenen Kippbewegung. Erste Prototypen zeigen in einem Frequenzbereich von 40 Hz bis 80 Hz bei leistungsoptimierter Ansteuerung 2D-Scanmuster mit optischen Scanwinkeln von 38°x 50°. Eine andere Variante besteht aus zwei strukturoptimierten und mechanisch gekoppelten, im 90°-Winkel zueinander angeordneten 1D-Aktoren aus der NiTiCu–Verbundschicht und erreicht maximale optische Scanwinkel von 20°x 40°. Diese Winkel treten nur bei 25, beziehungsweise 85 Hz in Resonanz auf und zeigen eine große mechanische Kopplung.

Im letzten Teil der Arbeit wird ein 2D-Laserscanner-System zur horizontalen Detektion von Entfernung und Winkel hergestellt. Dies gelingt durch die Integration einer Hochleistungs-Halbleiterlaserdiode, eines Ni₂MnGa 1D-Mikroaktors, eines optischen Winkelsensors und eines TOFSystems. Der Winkelsensor wird durch einen Strahlteiler und einen positionsempfindlichen Photodetektor (PSD) auf einer optischen Bank realisiert. Dabei stellen die optischen Aperturen des TOF-Empfängers große Anforderungen an die Strahlkollimation des Lasers und die Fokussieroptik im Detektorstrahlengang. Berücksichtigt werden muss weiterhin die Abstimmung der komplexen Hardware- und Software-Komponenten der Sensorik. Ein erster Demonstrator zeigt eine maximale Messentfernung von 30 m, die neben der Laserleistung durch die Empfindlichkeit des optischen Empfängers begrenzt wird. Die erzielbare Ortsauflösung des Systems ist einerseits durch die Auflösung des Winkelsensors von 0.5° vorgegeben und wird weiterhin durch die zeitliche Auflösung des TOF-Systems von etwa 1 ns bestimmt.

Miniature-Laserscanner for Mobile Applications

Abstract
Laserscanning systems for highly resolved sensing of the environment are currently using macroscopic actuators for beam deflection and, thus, are restricted with respect to their size and insensitivity to shock. Main reason is the actuation unit, comprising large mirrors and actuators and, thus, large moving masses. It is expected that the use of microactuators will lead to a considerable improvement. In most cases, however, previous developments enable only small scanning angles in the order of 10 deg. Large angles above 50 deg require complex actuator structures resulting in extensive processing technology and higher costs.

This work is an effort to resolve the disadvantages of macroscopic as well as current microactuators by the systematic implementation of so called smart materials in microactuators. For this purpose, first a novel actuation mechanism on the basis of the ferromagnetic shape memory alloy Ni₂MnGa is introduced, combining the ferromagnetic and shape memory effect in one thin film component. The resulting antagonistic forces are opposed by small reset forces, thus, allowing large scanning angles in a wide frequency range. Further microactuators on the basis of smart materials make use of thin film composites with either pure shape memory effect on the basis of NiTiCu or pure ferromagnetic properties. Based on these actuation mechanisms this work pursuits the development of 1D microactuators with one deflection angle and, in a further step, their extension to 2D microactuators with two scanning directions being at right angles with respect to each other. Finally, a 2D laserscanner system is developed consisting of a 1D microactuator combined with a time-of-flight (TOF) system.

The designs of the 1D microactuators are based on double-beam cantilever structures, which are constructed for a temperature distribution as homogeneous as possible. Fabrication technology comprises a gap welding technology to generate small size and reliable electrical contacts. Compared to other actuation mechanisms, which mostly utilize a passive reset spring, the 1D microactuators of Ni₂MnGa achieve large, nearly frequency-independent optical scanning angles of 120 deg at 60 Hz or 60 deg at 180 Hz. The size of the actuator is in the millimeter-range, while energy consumption is less than 100 mW. 1D microactuators of the NiTiCu composite show even larger scanning angles up to 170 deg but only at their resonance frequency of 85 Hz.

The 2D microactuators are designed monolithically using one micromirror for beam deflection. The 2D microactuators of Ni₂MnGa are based on the 1D design and combine the bending motion with an additionally excited tilting motion. First prototypes show in the frequency range of 40 to 80 Hz at optimized driving power 2D scanning patterns with optical scanning angles of 38 x 50 deg. An other variant comprising of two mechanically coupled, at right angles oriented 1D actuators of the NiTiCu composite achieves optical scanning angles of 20 x 40 deg. These scanning angles only occur at the resonance frequencies of 25 and 85 Hz, respectively, and show a stronger mechanical coupling.

In the final part of this work, a 2D laserscanner system for horizontal detection of distance and angle is built up. This is achieved by integration of a high-power semiconducting laser diode, a Ni₂MnGa 1D microactuator, an angle sensor and a TOF system. The angle sensor is realized on an optical bench by a beam splitter and a position sensitive detector (PSD). Thereby, the optical apertures of the TOF detector are making high demands on the beam collimation and focussing optics in the detector beam path. Furthermore, the adjustment of the complex software and hardware components of the sensor system has to be taken into account. A first demonstrator shows a maximum range detection of 30 m which is limited, besides the laser power, by the receiver sensitivity. The achievable spatial resolution of the system is on the one hand given by the resolution of the angle sensor of 0.5 deg and in addition by the time resolution of the TOF system of about 1 ns.

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