Titel

LIDAR-Vorrichtunq mit hoher Fremdlichtrobustheit und Verfahren

Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von Abtastbereichen, aufweisend mindestens eine Sendeeinheit zum Erzeugen und Ausstrahlen von erzeugten Strahlen in einen Abtastbereich und aufweisend mindestens eine Empfangseinheit zum Empfangen von an einem Objekt reflektierten Strahlen, mit mindestens einem Detektor. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von reflektierten Strahlen.

Stand der Technik

Es sind als Makroscanner ausgestaltete LIDAR-Vorrichtungen bekannt, bei welchen alle benötigten optischen Komponenten sowie der Laser und der Detektor auf einem Rotor sitzen. Des Weiteren sind auch scannende LIDAR- Vorrichtungen bekannt, die nur einen rotierenden Spiegel zur Strahlablenkung aufweisen. In beiden Fällen wird üblicherweise mit einer gepulsten Strahlenquelle ein Strahl ausgesandt und dessen Reflexion detektiert, um eine Abstandsmes- sung zu realisieren und ein„Bild“ eines Abtastbereichs aufzunehmen.

Herkömmliche Systeme verwenden eine so genannte koaxiale Anordnung. Dabei werden die reflektierten Strahlen ebenfalls über den Lichtpfad der aussendenden Optik geleitet. Um ausreichend Licht in der Empfangseinheit der LIDAR- Vorrichtung zu sammeln, müssen die Komponenten des Lichtpfads entsprechend groß sein. Die Verwendung von Mikrospiegeln ist somit für den Empfangspfad nachteilig. Darüber hinaus erfordert die Verwendung von biaxialen Anordnungen aufgrund der Linsengröße und des Abbildungsmaßstabs einen großen Detektor. Da dieser zum einen nicht schnell genug für eine Pulsmessung wäre und zum anderen die optische Rauschleistung der Gesamtszene mit Fremdlicht sammeln würde, wird in derartigen Anordnungen oftmals ein kostenintensives

Detektorarray eingesetzt.

Biaxial ausgestaltete LIDAR-Vorrichtungen mit statischen Empfangskanälen haben zudem den Nachteil, dass sie aus einem sehr großen Winkelbereich beleuchtet werden. Die Realisierung von schmalbandigen Bandpassfiltern zur Unterdrückung des Fremdlichts kann problematisch sein. 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 LIDAR-Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbessern eines Signal-Rausch- Verhältnisses vorzuschlagen

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 LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von Abtastbereichen bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Sendeeinheit zum Erzeugen und Ausstrahlen von erzeugten Strahlen in einen Abtastbereich. Des Weiteren weist die LIDAR-Vorrichtung mindestens eine Empfangseinheit zum Empfangen von an einem Objekt reflektierten Strahlen, mit mindestens einem Detektor auf. Erfindungsgemäß weist die mindestens eine Empfangseinheit im Strahlengang der reflektierten Strahlen eine Empfangsoptik und einen Resonator auf.

Hierdurch kann eine LIDAR-Vorrichtung realisiert werden, welche darauf basiert, dass erzeugte Strahlen mit einem oder mehreren Objekten interagiert und über eine als ein Linsensystem ausgestaltete Empfangsoptik sowie einen Filter mit optional integriertem Verstärker auf einen Detektor geleitet werden.

Der Resonator kann als ein wellenlängenselektiver Filter betrieben werden, welcher transparent für die Wellenlänge der erzeugten Strahlen ist, sodass kein Fremdlicht den Resonator passieren kann. Folglich wird kein schmalbandiger Bandpassfilter mehr benötigt, der aus einem großen Winkelbereich heraus bestrahlt wird. Unter Fremdlicht können alle unerwünschten elektromagnetischen Strahlen zusammengefasst werden, welche in Richtung der LIDAR-Vorrichtung strahlen. Insbesondere ist ein breidbandiges Licht der Sonne oder Licht von fremden Lichtquellen ein Fremdlicht.

Durch die Kombination der Empfangsoptik mit dem Resonator kann

kosteneffizient ein Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und die LIDAR- Vorrichtung fremdlichtrobust ausgestaltet werden.

Gemäß einer Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung weist die Empfangsoptik mindestens eine Linse und/oder einen optischen Trichter auf. Durch die

Empfangsoptik werden die reflektierten Strahlen gesammelt und durch den Resonator bandpassgefiltert. Die Empfangsoptik kann als ein Linsensystem mit unterschiedlichen Linsen und/oder diffraktiven Elementen, wie beispielsweise Beugungsgittern oder Hologrammen, ausgeführt sein.

Die reflektierten Strahlen können über einen optischen Trichter gesammelt und anschließend bandpassgefiltert und wahlweise durch den Resonator verstärkt werden.

Bevorzugterweise können die reflektierten Strahlen nach Interaktion mit der mindestens einen Linse in dem optischen Trichter gesammelt werden. Der optische Trichter kann mikromechanisch, beispielsweise als ein Taper oder Einkoppler, realisiert sein. Durch den Trichter und/oder die mindestens eine Linse kann ein abgetaster Raumwinkel auf einen Raumwinkel oder eine Fläche reduziert werden, welche ohne Lichtverlust zum Einkoppeln in den Resonator notwendig ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung sind die Empfang- soptik, der mindestens eine Detektor und der Resonator durch Wellenleiter miteinander strahlenleitend gekoppelt. Es kann somit am Ende des Trichters ein optischer Wellenleiter angeordnet sein, welcher als Einkoppelelement für den Resonator dient. Zwischen dem Resonator und dem mindestens einen Detektor ist ebenfalls ein Wellenleiter angeordnet, wodurch die gefilterten Strahlen zielgerichtet auf den Detektor geführt werden können. Durch den Einsatz von Wellenleitern können die jeweiligen Komponenten und Einheiten der LIDAR- Vorrichtung flexibel und unabhängig von einer geradlinigen Ausbreitung der Strahlen angeordnet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung ist der

Resonator ein Stehwellenresonator ein optischer Kreis oder ein Ringresonator. Der Durchmesser des optischen Kreisels oder des Ringresonators oder ein Abstand von Spiegeln des Stehwellenresonators wird so gewählt, dass der Umfang bzw. die Länge des Resonators einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge des Lasers entspricht. So entstehen konstruktive Interferenzen, wodurch alle anderen Frequenzanteile, welche beispielsweise durch Fremdlicht entstehen, unterdrückt werden. Hierdurch kann der Resonator als Filter eingesetzt werden, welcher einen Bandpassfilter ersetzen kann.

Der Ringresonator oder optische Kreisel ist vorzugsweise aus Silizium oder Siliziumdioxid aufgebaut und ist im Bereich der Frequenz bzw. Wellenlänge der erzeugten und reflektierten Strahlen transparent ausgestaltet.

Nach einer weiteren Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung weist der als Ringresonator oder optische Kreisel ausgestaltet Resonator mindestens eine Dotierung auf. Optional kann der Resonator eine Dotierung aufweisen und eine Vorrichtung den Resonator zu Pumpen, um eine optische Verstärkung zu erreichen und somit das Signal bzw. die eingekoppelten Strahlen in ihrer Intensität verstärken. Die Verstärkung vor der Wandlung in ein elektrisches Signal hat fundamentale Vorteile hinsichtlich der Rauscheigenschaften des Empfangskanals bzw. der Empfangseinheit, weil das Rauschen des Detektors nicht versstärkt wird. Hierdurch kann eine gleichzeitige Filterfunktion und

Verstärkungsfunktion realisiert werden, die unabhängig von der Detektorwahl ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung ist der mindestens eine Detektor eine Fotodiode, eine Avalanche-Diode oder eine SPA- Diode bzw. eine Einzelphoton-Avalanche-Diode. Der mindestens eine Detektor kann somit preiswert aus Dioden hergestellt werden. Nach einer weiteren Ausführungsform weist die LIDAR-Vorrichtung mehrere eindimensional oder mehrdimensional nebeneinander angeordnete

Empfangseinheiten auf. Hierdurch kann eine Vielzahl von Trichtern mit jeweils eigenem Resonator und Detektor parallel zueinander eingesetzt werden. Dabei werden die Trichter in der Bildebene des optischen Systems dicht nebeneinander in einer, in zwei oder drei Dimensionen platziert. Auf diese Weise wird das photonische Rauschen, insbesondere durch das Sonnenlicht, des Objekts bzw. des gesamten Raumwinkels, welcher von den erzeugten Strahlen beleuchtet wird auf die Trichter bzw. Detektionspfade anteilig aufgeteilt. Die Intensität der reflektierten Strahlen kann somit auf mehrere Detektoren und Empfangseinheiten verteilt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der LIDAR-Vorrichtung ist mindestens ein Detektor der Empfangseinheiten von einer Auswerteeinheit zum Durchführen einer Auswertung auswählbar. Da die Ablenkvorrichtung der Steuerung des Systems unterliegt, ist bekannt, aus welcher Richtung ein reflektierter Strahl erwartet wird. Folglich kann die Auswerteeinheit den richtigen Detektorpfad auswählen.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Detektieren von reflektierten Strahlen mit einer erfindungsgemäßen LIDAR-Vorrichtung bereitgestellt. In einem Schritt werden reflektierte Strahlen aus einem

Raumwinkel gebündelt und/oder kollimiert. Die reflektierten Strahlen werden anschließend in einen Resonator zum Durchführen einer wellenlängenselektiven Filterung eingekoppelt. Anschließend werden die gefilterten reflektierten Strahlen nach einem Auskoppeln aus dem Resonator auf mindestens einen Detektor gelenkt.

Durch das Sammeln der reflektierten Strahlen im optischen Trichter und/oder die Empfangsoptik können reflektierten Strahlen in einen Wellenleiter eingekoppelt werden. Hierdurch kann eine einfallswinkelabhängigkeit für die Filterung von Störreflexen unterbunden werden. Darüber hinaus können die gebündelten reflektierten Strahlen durch den Resonator präzise gefiltert werden und somit das Signal-Rausch-Verhältnis der LIDAR-Vorrichtung maximieren. Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen

Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der LIDAR-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines

erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.

In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.

In der Figur 1 ist eine schematische Darstellung der LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Sendeeinheit 2 und eine Empfangseinheit 4 auf.

Die Sendeeinheit 2 besteht aus einem Laser 6 als Strahlenquelle 6 und einem Ablenkspiegel 8 zum Ablenken von erzeugten Strahlen 10 entlang eines

Abtastbereichs A. Die Strahlenquelle 6 kann gepulste Strahlen 10 mit einer Frequenz fO erzeugen.

Der Ablenkspiegel 8 kann gemäß dem Ausführungsbeispiel als ein Mikrospiegel 8 oder als ein rotierender Makrospiegel 8 ausgeführt sein. Ein abgelenkter Strahl 10 kann anschließend auf ein im Abtastbereich A angeordnetes Objekt 12 treffen und mit einer Oberfläche des Objekts 12 wechselwirken.

Durch Reflektion oder Rückstrahlung wird der erzeugte Strahl 10 zu einem reflektierten Strahl 14. Der reflektierte Strahl 14 kann von der Empfangseinheit 4 ermittelt werden. Dabei können die reflektierten Strahlen 14 mit einer

Empfangsoptik 16 interagieren, welche als eine erste Komponente der

Empfangseinheit 4 im Strahlengang der reflektierten Strahlen 14 positioniert ist.

Die Empfangsoptik 16 ist ein optisches Linsensystem, welches die reflektierten Strahlen 14 einfangen und fokussieren kann. Auf einen schmalbandigen Bandpassfilter zum trennen von Fremdlicht vom Nutzstrahl der Frequenz fO kann gemäß dem Ausführungsbeispiel verzichtet werden.

Nach der Interaktion der reflektierten Strahlen 14 mit der Empfangsoptik 16 werden die reflektierten Strahlen 14 in einem optischen Trichter 18 gesammelt. Der Trichter 18 ist hier beispielhaft als ein sogenannter optical Taper mikro- mechanisch ausgeführt.

An einem der Empfangsoptik 16 gegenüber liegendem Ende des Trichters 18 ist ein erster Wellenleiter 20 angeordnet. Der T richter 18 dient als Einkoppler für die reflektierten Strahlen 14 in den Wellenleiter 20.

Die in den Wellenleiter 20 eingekoppelten Strahlen werden zu einem

Resonator 22 geführt. Der Resonator 22 ist ein Ringresonator 22. Die durch den Wellenleiter 20 geführten Strahlen werden in den Resonator 22 eingekoppelt.

Der Resonator 22 kann vorzugsweise aus Silizium oder Siliziumdioxid hergestellt sein und für die Frequenz fO transparent sein. Hierfür weist der Ringresonator 22 einen derartigen Durchmesser auf, dass der Umfang einem ganzzahligen Vielf- achen der Wellenlänge der erzeugten Strahlen 10 oder reflektierten Strahlen 14 entspricht. Es können somit konstruktive Interferenzen für die Frequenzen fO erzeugt werden. Alle übrigen Frequenzanteile der Strahlen werden durch destruktive Interferenzen unterdrückt. Es werden somit auch Fremdlichtanteile aus den empfangenen Strahlen beseitigt.

Optional kann der Ringresonator 22 eine Dotierung aufweisen und somit das Signal verstärken. Die Verstärkung vor der Wandlung in ein elektrisches Signal hat fundamentale Vorteile hinsichtlich der Rauscheigenschaften des Empfangs- kanals, weil das Rauschen eines Detektors hierdurch nicht versstärkt wird. Dem Resonator 22 ist ein zweiter Wellenleiter 24 nachgeschaltet. Der zweite Wellen- leiter 24 dient als Auskoppler der Strahlen aus dem Resonator 22. Die aus dem Resonator 22 ausgekoppelten Strahlen werden von dem zweiten Wellenleiter 24 bis zu einem Detektor 26 geführt, wo die Strahlen aus dem zweiten Wellen- leiter 24 ausgekoppelt und vom Detektor 26 ermittelt werden.

Der Detektor 26 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als eine Avalanche-Diode ausgestaltet. Eine Auswerteeinheit 28 ist mit dem Detektor 26 elektronisch gekoppelt und kann die Messdaten des Detektors 26 auswerten. Bei mehreren Detektoren 26 kann die Auswerteeinheit 28 die Detektoren 26 gemeinschaftlich oder selektiv aus- wählen und für eine Auswertung die entsprechenden Daten nutzen.

Die Figur 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens 30 zum Detektieren von reflektierten Strahlen 14 gemäß einer Ausführungsform.

In einem ersten Schritt 32 werden die an einem Objekt 12 reflektierten oder zurückgestreuten Strahlen 14 von einer Empfangsoptik 16 empfangen und gebündelt. Optional können die Strahlen je nach Ausgestaltung des optischen Trichters 18 von der Empfangsoptik 16 kollimiert werden.

In einem weiteren Schritt 34 werden die Strahlen einem Resonator 22 zugeführt und dort unter Ausnutzung von konstruktiver Interferenz gefiltert.

Anschließend 36 werden die gefilterten Strahlen aus dem Resonator 22 mit einer Frequenz fO der erzeugten Strahlen 10 ausgekoppelt.

In einem weiteren Schritt 38 erfolgt ein Führen der ausgekoppelten Strahlen zum Detektor 26, sodass die gefilterten Strahlen detektiert und von der

Auswerteeinheit 28 ausgewertet werden können.