Titel

Empfangseinheit für eine LIDAR-Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Empfangseinheit, insbesondere für eine LIDAR- Vorrichtung, zum Empfangen von an einem Objekt reflektieren und/oder rückgestreuten Strahlen, aufweisend eine Empfangsoptik und mindestens einen Detektor. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine LIDAR-Vorrichtung.

Stand der Technik

Durch den Trend in Richtung höherer Automatisierung in unterschiedlichen technischen Bereichen, wie beispielsweise dem automobilen Bereich, gewinnen LIDAR-Vorrichtungen zunehmend an Bedeutung. Zur Abdeckung großer horizontaler Abtastwinkel zwischen 150° und 360° sind derzeit nur mechanische Laserscanner bekannt.

Es sind als Drehspiegel-Laserscanner ausgeprägte LIDAR-Vorrichtungen bekannt, deren höchster horizontaler Abtastbereich auf ca. 150° beschränkt ist. Bei einer derartigen LIDAR-Vorrichtung dreht sich nur ein motorgetriebener Ablenkspiegel, während die Sendeeinheit und die Empfangseinheit relativ zum Ablenkspiegel stationär angeordnet sind.

Zum Umsetzen größerer horizontaler Abtastbereiche von bis zu 360° werden die Sendeeinheit und die Empfangseinheit auf einem motorgetriebenen Drehteller oder Rotor angeordnet.

Zum Filtern von Störreflexen und zum Erhöhen des Signal-Rausch-Verhältnisses werden üblicherweise Bandpassfilter in der Empfangseinheit verwendet. Die Realisierung von schmalbandigen Bandpassfiltern zur Unterdrückung des Fremdlichts kann jedoch problematisch sein, da die Wellenlänge der empfangenen Strahlen von einer Wellenlänge der emittierten Strahlen abweichen kann. Folglich kann das Signal-Rausch-Verhältnis reduziert und die Reichweite der LIDAR-Vorrichtung eingeschränkt sein. Offenbarung der Erfindung

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine Empfangseinheit und eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welche eine Anpassung des Wellenlängenbereichs an einen Wellenbereich von in einer Sendeeinheit erzeugten Strahlen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Empfangseinheit, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, bereitgestellt. Die Empfangseinheit dient zum Empfangen von an einem Objekt reflektieren und/oder rückgestreuten Strahlen, welche zuvor von einer Sendeeinheit in den Abtastbereich emittiert wurden. Die Empfangseinheit weist eine Empfangsoptik und mindestens einen Detektor auf, wobei in einem Strahlengang der Strahlen zwischen der Empfangsoptik und dem Detektor ein Richtungsfilter und eine wellenlängenselektive Einheit angeordnet sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von Abtastbereichen bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Sendeeinheit zum Erzeugen und Ausstrahlen von erzeugten Strahlen in einen Abtastbereich und mindestens eine erfindungsgemäße Empfangseinheit zum Empfangen und Auswerten von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen auf.

Eine derartige LIDAR-Vorrichtung kann beispielsweise im automobilen Bereich, in der Luftfahrt, in der Messtechnik und dergleichen eingesetzt werden. Als Detektor der Empfangseinheit können insbesondere Flächendetektoren verwendet werden. Der mindestens eine Detektor kann beispielsweise als ein CCD, ein CMOS oder als ein SPAD-Array ausgeführt sein.

Die aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen werden von der Empfangseinheit empfangen. Hierfür kann eine Empfangsoptik vorgesehen sein, welche die aus dem Abtastbereich ankommenden Strahlen direkt oder indirekt auf den Richtungsfilter lenken kann. Der Richtungsfilter bildet einen ersten Bereich der Empfangseinheit aus und ermöglicht eine Filterung der empfangenen Strahlen entsprechend ihrer Einstrahlrichtung auf die Empfangseinheit. Hierdurch können nur diejenigen empfangenen Strahlen transmittiert werden, welche aus einer vordefinierten Richtung in die Empfangseinheit eintreffen. Die vordefinierte Richtung kann bei einer LIDAR-Vorrichtung beispielsweise durch eine relative Ausrichtung der Sendeeinheit und der Empfangseinheit sowie einen resultierenden Reflektionswinkel an einer ebenen Fläche bestimmt werden. Somit kann in dem ersten Bereich der Empfangseinheit Störlicht aus der Umgebung der Empfangseinheit blockiert bzw. gefiltert werden. Bevorzugterweise können nur von der Sendeeinheit erzeugte und anschließend reflektierte bzw. rückgestreute Strahlen den Richtungsfilter passieren.

Die wellenlängenselektive Einheit bildet einen zweiten Bereich der Empfangseinheit aus. Die wellenlängenselektive Einheit kann vorzugsweise durch den Richtungsfilter transmittierte Strahlen entsprechend ihrer Wellenlänge auffächern. Hierzu werden die auf die wellenlängenselektive Einheit auftreffenden Strahlen abhängig von ihrer Wellenlänge unterschiedlich stark abgelenkt. Dies führt dazu, dass die Strahlen in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge an unterschiedliche Stellen des Detektors auftreffen. Durch die beiden Bereiche der Empfangseinheit kann somit eine mehrstufige Filterung der Strahlen realisiert werden. Durch eine ortsabhängige Auswahl von Messdaten des Detektors kann eine wellenlängenabhängige Auswertung der Messdaten durchgeführt werden. Insbesondere kann durch eine Auswahl von Messdaten aus einem korrekten Bereich des Detektors störendes Hintergrundlicht von einem Nutzsignal getrennt werden. Je nach Ausgestaltung der Empfangseinheit kann somit ein oder mehrere Bereiche des Detektors für eine weitere Auswertung von Messdaten ausgewählt werden.

Die Bereiche des Detektors können quadratisch, linienförmig, kreisförmig und dergleichen geformt sein. Insbesondere können die Bereiche einen oder mehrere Pixel aufweisen. Der Detektor kann mit einer Auswerteeinheit verbindbar sein, die beispielsweise basierend auf den Eigenschaften der wellenlängenselektiven Einheit lichtempfindliche Bereiche des Detektors Wellenlängen zuweisen kann. Die Auswerteeinheit kann hierbei alle Messdaten des Detektors empfangen und anschließend filtern bzw. für eine weitere Auswertung nutzen oder nur Messdaten aus einem lichtsensitiven Bereich des Detektors empfangen. Die weitere Auswertung der Messdaten kann beispielsweise ein Ausführen eines sogenannten Time-of-Flight-Verfahrens beinhalten.

Durch die Empfangseinheit kann ein für die Auswertung relevanter Wellenlängenbereich an einen Wellenlängenbereich der durch die Sendeeinheit erzeugten Strahlen angepasst bzw. ausgewählt werden. Durch diese Maßnahme kann eine Bandbreite der Empfangseinheit reduziert und das Signal-zu- Rauschen-Verhältnis verbessert werden. Durch die reduzierte Bandbreite kann in Richtung der Empfangseinheit emittiertes Hintergrundlicht blockiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der mindestens eine für die Auswertung genutzte Bereich des Detektors automatisiert oder variabel ausgewählt werden. Hierdurch kann eine automatische Anpassung einer Bandbreite und des Wellenlängenbereichs der Empfangseinheit realisiert werden.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Richtungsfilter als eine Blende oder als eine Schlitzblende ausgeführt. Hierdurch können technisch einfach und effizient aus dem Abtastbereich reflektierte und/oder rückgestreute Strahlen aus einem bestimmten horizontalen und vertikalen Winkelbereich durchgelassen werden. Insbesondere können Strahlen aus abweichenden Quellen als die Sendeeinheit besonders einfach durch den Einsatz des Richtungsfilters ausgeblendet werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die wellenlängenselektive Einheit eine transmittierende oder reflektierende Wellenlängenselektivität auf. Die Empfangseinheit kann somit besonders flexibel konstruiert werden. Abhängig von einer Form und Größe der Empfangseinheit kann die wellenlängenselektive Einheit die ankommenden Strahlen transmittieren oder reflektieren können. Die wellenlängenselektive Einheit kann hierdurch in Durchlassrichtung oder reflektierend auf die ankommenden Strahlen wellenlängenspezifisch einwirken.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist durch die wellenlängenselektive Einheit ein für ankommende Strahlen wellenlängenabhängiger Brechungswinkel oder wellenlängenabhängiger Reflektionswinkel einstellbar. Hierdurch können die ankommenden Strahlen bei einer in Durchlassrichtung agierenden wellenlängenselektiven Einheit abhängig von der Wellenlänge unterschiedlich stark gebrochen werden. Bei einer reflektierend wirkenden wellenlängenselektiven Einheit kann eine Auffächerung der ankommenden Strahlen durch einen wellenlängenspezifischen Reflektionswinkel umgesetzt werden.

Gemäß einerweiteren Ausführungsform sind die durch die wellenlängenselektive Einheit beeinflussten Strahlen mit einem wellenlängenabhängigen Brechungswinkel oder mit einem wellenlängenabhängigen Reflektionswinkel auf den Detektor lenkbar. Bevorzugterweise sind vom Detektor aus empfangenen Strahlen ermittelte Messwerte abhängig von ihrem Detektionsort auf dem Detektor für eine Auswertung verwendbar. Hierdurch kann eine Ortsauflösung des Detektors für eine winkelabhängige Auflösung der empfangenen Strahlen genutzt werden. Basierend auf einer derartigen wellenlängenabhängigen Auffächerung der Strahlen können nur diejenigen Messdaten für eine Auswertung herangezogen werden, welche aus Strahlen mit einer definierten Wellenlänge resultieren. Hierdurch kann eine Bandbreite der Empfangseinheit beispielsweise automatisiert angepasst werden. Insbesondere können die Messdaten selektiv entsprechend einer geforderten Wellenlänge für die Auswertung ausgewählt werden.

Nach einerweiteren Ausführungsform ist die wellenlängenselektive Einheit als ein diffraktives optisches Element ausgestaltet. Beispielsweise kann die wellenlängenselektive Einheit als ein holografisches Gitter oder als ein volumenholografisches Gitter ausgeführt sein. Eine derartige wellenlängenselektive Einheit kann technisch einfach hergestellt und zusätzliche Funktionen, wie beispielsweise Filterfunktionen, aufweisen.

Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist im Strahlengang zwischen dem Richtungsfilter und der wellenlängenselektiven Einheit mindestens ein erstes als Linse, Zylinderlinse oder Linsenarray ausgeführtes optisches Element zum Kollimieren von Strahlen, welche den Richtungsfilter passieren, angeordnet.

Nach dem Passieren des Richtungsfilters können die Strahlen durch das erste optische Element optimal auf die wellenlängenselektive Einheit ausgerichtet werden. Je nach Ausgestaltung der Empfangseinheit kann das erste optische Element flexibel ausgebildet werden.

Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Ausgestaltung kann das erste optische Element eine oder mehrere Zylinderlinsen aufweisen. Beispielsweise kann eine Zylinderlinse vor dem Richtungsfilter angeordnet sein und die empfangenen Strahlen auf den Richtungsfilter, wie beispielsweise eine Schlitzblende, fokussieren. Über eine weitere Zylinderlinse können die richtungsgefilterten Strahlen auf die wellenlängenselektive Einheit gelenkt und anschließend durch eine weitere Optik auf lichtsensitive Bereiche des Detektors gebündelt werden.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist im Strahlengang zwischen der wellenlängenselektiven Einheit und dem Detektor mindestens eine zweite optische Einheit angeordnet. Hierdurch können die wellenlängenabhängig aufgefächerten Strahlen derart fokussiert werden, dass lichtsensitive Bereiche des Detektors sich im Brennpunkt der zweiten optischen Einheit befinden.

Insbesondere können sich hierdurch die Messwerte, welche aus Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen resultieren, für die Auswertung besonders deutlich voneinander abgegrenzt werden.

Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist zwischen der wellenlängenselektiven Einheit und dem Detektor ein als Mikrolinsenarray ausgestaltetes zweites optisches Element angeordnet. Durch diese Maßnahme kann eine besonders platzsparende Ausgestaltung der Empfangseinheit bereitgestellt werden. Dabei kann direkt nach dem Richtungsfilter eine Ebene aus Mikrolinsen ausgebildet sein. Direkt hinter der Mikrolinsen-Ebene ist vorzugsweise die wellenlängenselektive Einheit angeordnet. Der wellenlängenselektiven Einheit kann eine weitere Mikrolinsen-Ebene bzw. Mikrolinsenarray nachgeordnet sein, um die Strahlen auf den Detektor zu lenken.

Nach einer weiteren Ausführungsform sind der Richtungsfilter, das erst optische Element, die wellenlängenselektive Einheit, das zweite optische Element und der Detektor einteilig ausgeführt oder integral miteinander verbunden. Hierdurch kann die Empfangseinheit besonders kompakt ausgestaltet sein. Die jeweiligen Bestandteile der Empfangseinheit können beispielsweise durch einen Rahmen oder durch einen Kleber miteinander verbunden sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Auswerten von Messdaten eines Detektors einer Empfangseinheit bereitgestellt. In einem Schritt werden Strahlen aus einem Abtastbereich durch die Empfangseinheit empfangen und durch einen Richtungsfilter gefiltert. Die gefilterten Strahlen werden direkt oder über mindestens ein erstes optisches Element auf eine wellenlängenselektive Einheit gelenkt. Die gefilterten Strahlen werden anschließend durch die wellenlängenselektive Einheit wellenlängenabhängig aufgefächert und wellenlängenabhängig auf unterschiedliche lichtsensitive Bereiche des Detektors gestrahlt. Die aufgefächerten Strahlen können darüber hinaus durch mindestens ein zweites optisches Element fokussiert oder abgelenkt werden bevor diese auf den Detektor auftreffen.

Hierdurch kann eine Möglichkeit der Verteilung der Lichtleistung auf mehrere lichtsensitive Bereiche, wie beispielsweise ein oder mehrere Pixel, des Detektors realisiert werden. Die Strahlen können entsprechend ihrer Wellenlänge entlang einer verfügbaren lichtsensitiven Detektorfläche verteilt werden, sodass anhand einer ortsabhängigen Auswertung der Messwerte des Detektors eine Beschränkung der Auswertung auf bestimmte Wellenlängen möglich ist.

Nach einer Ausführungsform werden durch Belichten der lichtsensitiven Bereiche des Detektors Messdaten erzeugt und von einer Auswerteeinheit empfangen, wobei mindestens ein lichtsensitiver Bereich des Detektors zum Empfangen von Messdaten für eine Auswertung durch die Auswerteeinheit automatisiert oder vordefiniert ausgewählt wird. Hierdurch kann der mindestens eine für die Auswertung genutzte Bereich des Detektors automatisiert oder variabel ausgewählt werden. Darüber hinaus kann eine automatische Anpassung einer Bandbreite und des Wellenlängenbereichs der Empfangseinheit realisiert werden.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Hierbei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Sendeeinheit 2 und eine Empfangseinheit 4 auf.

Die Sendeeinheit 2 dient zum Erzeugen und Emittieren von Strahlen 6 entlang eines Abtastbereiches A. Beispielsweise können die erzeugten Strahlen 6 als Laserstrahlen ausgestaltet sein. Hierfür weist die Sendeeinheit 2 einen oder mehrere Laseremitter 3 auf. Die Sendeeinheit 2 kann die Strahlen 6 mit einer definierten Pulsfrequenz erzeugen und emittieren. Dies kann durch eine Steuereinheit 8 koordiniert und initiiert werden.

Die Empfangseinheit 4 weist einen Detektor 10 und eine Empfangsoptik 12 auf. Die in Richtung der Empfangseinheit 4 aus dem Abtastbereich A reflektierten oder rückgestreuten Strahlen 14, 15 werden von der Empfangsoptik 12 empfangen und in die Empfangseinheit 4 gelenkt. Die im Abtastbereich A reflektierten oder rückgestreuten Strahlen 14, 15 setzen sich hierbei aus reflektierten oder rückgestreuten Strahlen 14 zusammen, welche von der Sendeeinheit 2 erzeugt wurden und aus Strahlen 15 zusammen, welche Störquellen entstammen.

Der Detektor 10 kann als ein Flächendetektor, wie beispielsweise ein CCD oder CMOS, ausgeführt sein. Der Detektor 10 weist einen lichtsensitiven Bereich 11 auf, welcher aus ankommenden Strahlen elektrische Signale in Form von Messdaten erzeugen kann. Der Detektor 10 ist derart mit der Steuereinheit 8 gekoppelt, dass eine ortsabhängige Auswertung der Messdaten des Detektors 10 möglich ist. Insbesondere können die Messdaten den lichtsensitiven Bereichen 11 zugeordnet werden, in welchen die jeweiligen Messdaten durch einfallende Strahlen erzeugt wurden.

Die Steuereinheit 8 kann vorzugsweise als eine Auswerteeinheit zum Auswerten der Messdaten des Detektors 10 ausgeführt sein.

In der Figur 2 ist eine schematische Darstellung der Empfangseinheit 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Es wird der Aufbau der Empfangseinheit 4 im Detail veranschaulicht. Die Empfangseinheit 4 weist eine Empfangsoptik 12 auf, welche als eine konvex plane Linse ausgeführt ist. Im Strahlengang der reflektierten Strahlen 14 ist der Empfangsoptik 12 ein Richtungsfilter 16 nachgeschaltet. Der Richtungsfilter 16 ist als eine Blende bzw. Schlitzblende ausgestaltet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel entsteht eine Richtungsfilterung der reflektierten oder rückgestreuten Strahlen 14, 15 durch eine Kombination aus der Empfangsoptik 12 und dem Richtungsfilter 16, da nur Strahlen 14 aus einer definierten Richtung den Richtungsfilter 16 passieren können. Strahlen 15 aus anderen Richtungen werden durch die Empfangsoptik 12 nicht auf den Schlitz des Richtungsfilters 16 fokussiert und werden somit blockiert.

Die Empfangsoptik 12 und der Richtungsfilter 16 bilden einen ersten Bereich B1 der Empfangseinheit 4 aus. Die durch den Richtungsfilter 16 gefilterten Strahlen 18 werden anschließend in einen zweiten Bereich B2 der Empfangseinheit 4 geführt. Im zweiten Bereich B2 werden die Strahlen 18 durch eine erste optische Einheit 20 geformt. Die erste optische Einheit 20 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als eine plankonvexe Linse ausgestaltet und fokussiert die gefilterten Strahlen 18 auf eine wellenlängenselektive Einheit 22.

Insbesondere werden die gefilterten Strahlen 18 durch die erste optische Einheit 20 kollimiert, sodass sie einen gleichen Einstrahlwinkel auf die wellenlängenselektive Einheit 22 aufweisen.

Die wellenlängenselektive Einheit 22 ist als ein holografisches Gitter ausgebildet und weist einen Reflektionsgrad auf, welcher abhängig von einer Wellenlänge der gefilterten Strahlen 18 ist. Beispielsweise können Strahlen mit einer geringen Wellenlänge stärker abgelenkt werden als Strahlen mit einer größeren Wellenlänge.

Die von der wellenlängenselektiven Einheit 22 abgelenkten Strahlen 24 werden anschließend durch eine zweite optische Einheit 26 auf den Detektor 10 gebündelt. Durch diesen Schritt werden mit Hilfe des wellenlängenabhängigen Elements 22 einfallende Strahlen 18 mit unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedlich stark abgelenkt. Dies führt dazu, dass nach der erneuten Fokussierung mit Hilfe der zweiten optischen Einheit 26 die Strahlen 24 in Abhängigkeit ihrer Wellenlänge an unterschiedlichen Stellen des Detektors 10 eintreffen. Nun kann durch die Auswahl des korrekten Bereichs 11 des Detektors 10 störendes Hintergrundlicht vom Nutzsignal getrennt werden. Ändert sich die Wellenlänge der durch die Sendeeinheit 2 ausgesendeten Strahlen 6, kann dieser Bereich 11 entsprechend verändert werden.

Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Empfangseinheit 4 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wirkt die wellenlängenselektive Einheit 22 auf die gefilterten Strahlen 18 in Durchlassrichtung. Hierbei erfolgt eine Brechung oder Beugung der gefilterten Strahlen 18 bei einem Transmittieren der wellenlängenselektiven Einheit 22.

In der Figur 4 ist eine schematische Darstellung der Empfangseinheit 4 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen, ist der Richtungsfilter 16, die erste optische Einheit 20, die wellenlängenselektive Einheit 22, die zweite optische Einheit 26 und der Detektor 10 einteilig ausgeführt. Die Komponenten 10, 16, 20,

22, 26 sind beispielsweise miteinander verklebt. Zwischen dem Richtungsfilter 16 und der wellenlängenselektiven Einheit 22 ist die erste optische Einheit 20 angeordnet. Zwischen der wellenlängenselektiven Einheit 22 und dem Detektor 10 ist die zweite optische Einheit 26 positioniert. Die erste optische Einheit 20 und die zweite optische Einheit 26 sind gemäß dem Ausführungsbeispiel als Mikrolinsenarrays ausgestaltet.