Titel

LIDAR-Vorrichtung mit gekrümmtem Linsenarray zum Emittieren von Teilstrahlen

Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs, aufweisend eine Sendeeinheit mit mindestens einer Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen und aufweisend eine Empfangseinheit mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung mit mindestens einem gekrümmten Linsenarray.

Stand der Technik

Automatisiert betreibbare Fahrzeuge und Fahrfunktionen erlangen zunehmend an Bedeutung im öffentlichen Straßenverkehr. Zum technischen Umsetzen derartiger Fahrzeuge und Fahrfunktionen sind Sensoren, wie beispielsweise Kamerasensoren, Radarsensoren und LIDAR-Sensoren, notwendig.

LIDAR-Sensoren erzeugen hierbei elektromagnetische Strahlen, beispielsweise Laserstrahlen, und nutzen diese Strahlen zum Abtasten eines Abtastbereichs. Basierend auf einer Time-of-Flight Analyse können Distanzen zwischen dem LIDAR-Sensor und Objekten im Abtastbereich ermittelt werden. Für automatisierte Fahrfunktionen sind LIDAR-Sensoren mit einer Abtastrate von mehr als 1 Million Punkten pro Sekunde notwendig. Zum Abtasten von Objekten in einer Entfernung von 300 Metern wird jedoch eine Messdauer von mindestens zwei Mikrosekunden benötigt. Bei dem Einsatz von sogenannten FMCW bzw. frequenzmodulieren Dauerstrich-LIDAR-Sensoren ist eine Messdauer von bis zu zehn Mikrosekunden notwendig. Die Messdauer begrenzt somit die maximal mögliche Abtastrate des LIDAR-Sensors. Es sind gepulste LIDAR-Sensoren mit mehreren Strahlenquellen bekannt. Für FMCW LIDAR-Sensoren ist dieses Vorgehen jedoch mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden, da frequenzmodulierte Laserquellen einen großen Kostenfaktor darstellen.

Offenbarung der Erfindung

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welche ein Abstrahlen von mehreren kollimierten Strahlen bei einer eingesetzten Strahlenquelle ermöglicht.

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 eines Abtastbereichs bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist eine Sendeeinheit mit mindestens einer Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen und eine Empfangseinheit mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen auf.

Bevorzugterweise sind die Sendeeinheit und/oder die Empfangseinheit unbeweglich, drehbar oder schwenkbar ausgeführt. Erfindungsgemäß weist die Sendeeinheit ein gekrümmtes Linsenarray zum Aufspalten der erzeugten Strahlen in Teilstrahlen und zum Emittieren der Teilstrahlen in den Abtastbereich auf.

Die mindestens eine Strahlenquelle kann vorzugsweise ein Laser, eine LED und dergleichen sein. Insbesondere kann die mindestens eine Strahlenquelle eine frequenzmodulierte Strahlenquelle mit einer geringen Divergenz sein, sodass die erzeugten Strahlen kollimiert sind. Durch den Einsatz des gekrümmten Linsenarrays können die kollimierten Strahlen in mehrere Teilstrahlen aufgespalten werden, welche ebenfalls für sich kollimiert sind und somit eine maximale Abtastreichweite ermöglichen. Es können somit mehrere separate und schwach divergierende Teilstrahlen zum Abtasten eines räumlichen Abtastbereichs bereitgestellt werden. Durch die Möglichkeit einen kollimierten Strahl in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen, kann die Anzahl der verwendeten Strahlenquellen in der LIDAR-Vorrichtung minimiert und die Abtastrate bzw. die Anzahl der zur Verfügung stehenden Teilstrahlen zum Abtasten des Abtastbereichs erhöht werden. Die Teilstrahlen werden abhängig von einem Krümmungsradius des gekrümmten Linsenarrays in unterschiedlichen Abstrahlwinkeln in den Abtastbereich emittiert.

Die erzeugten Strahlen können, je nach Ausgestaltung des gekrümmten Linsenarrays, in kollimierter Form auf das gekrümmte Linsenarray auftreffen oder im Vorfeld durch ein vorgeschaltetes optisches Element auf das gekrümmte Linsenarray gebündelt oder divergiert werden.

Das gekrümmte Linsenarray weist eine gekrümmte Trägeroberfläche mit mindestens zwei Linsen auf. Das gekrümmte Linsenarray kann beispielsweise mittels dreidimensional gedruckter Gussformen oder durch Langmuir-Blodgett Abscheidung hergestellt werden.

Die Empfangseinheit einer LIDAR-Vorrichtung kann üblicherweise preiswerter ausgebildet werden, als die Sendeeinheit, sodass mehrere Detektoren eingesetzt werden können. Die Empfangseinheit kann hierbei ebenfalls ein gekrümmtes Linsenarray aufweisen, welches die aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen empfangen und auf den einen oder mehrere Detektoren lenken kann.

Je nach Ausgestaltung der LIDAR-Vorrichtung können die Sendeeinheit und die Empfangseinheit ein gemeinsames gekrümmtes Linsenarray verwenden oder jeweils ein sendeseitiges und empfangsseitiges gekrümmtes Linsenarray aufweisen. Der Einsatz eines gekrümmten Linsenarrays ist weiterhin vorteilhaft im Hinblick auf die Modularität der LIDAR-Vorrichtung. Insbesondere können durch das verwendete gekrümmte Linsenarray definierte Betriebsparameter, wie beispielsweise Auflösung, Anzahl von Teilstrahlen zum Abtasten, initialer Abtastwinkel ohne zusätzliche Bewegung der Sendeeinheit, eingestellt und auch nachträglich durch einen Austausch des gekrümmten Linsenarrays verändert werden. Es wird somit die Bauteilvielfalt gesenkt und die Herstellungskosten der LIDAR-Vorrichtung gesenkt.

Die LIDAR-Vorrichtung ist nicht auf den Einsatz von frequenzmodulieren Dauerstrich-LIDAR-Sensoren beschränkt. Insbesondere kann die erfindungsgemäße LIDAR-Vorrichtung mit dem gekrümmten Linsenarray mit beliebigen Strahlenquellen und Funktionsprinzipien verwendet werden.

Des Weiteren ermöglicht das gekrümmte Linsenarray eine Parallelisierung von Messungen, wobei die resultierenden Teilstrahlen kollimiert und damit für FMCW-LIDAR-Messungen geeignet sind. Es können weiterhin mehr Teilstrahlen für eine höhere Abtastrate erzeugt werden. Durch den Einsatz von einer Strahlenquelle kann die produzierte Verlustwärme und die Herstellungskosten der LIDAR-Vorrichtung minimiert werden.

Darüber hinaus kann die LIDAR-Vorrichtung als scannende LIDAR-Vorrichtung oder als ein sogenannter Flash-LIDAR ohne bewegliche Komponenten eingesetzt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das gekrümmte Linsenarray mindestens zwei Linsen auf, welche als Mikrolinsen oder Makrolinsen ausgestaltet sind. Es können somit unterschiedlich ausgestaltete Linsen für das gekrümmte Linsenarray eingesetzt werden. Insbesondere kann durch die Wahl einer Linsengröße eine maximal mögliche Anzahl an Linsen pro Linsenarray und damit auch die höchstmögliche Auflösung der LIDAR-Vorrichtung eingestellt werden.

Nach einerweiteren Ausführungsform sind die Linsen des gekrümmten Linsenarrays in eine sphärische Trägerstruktur integriert oder an der sphärischen Trägerstruktur angeordnet. Durch diese Maßnahme können die Linsen basierend auf unterschiedlichen Herstellungsverfahren auf der Trägerstruktur angeordnet oder in die Trägerstruktur integriert werden. Beispielsweise kann bei einem Gussverfahren die sphärische Trägerstruktur integral bzw. einteilig mit den Linsen ausgeführt werden.

Alternativ können die Linsen nachträglich auf einer bereitgestellten sphärischen Trägerstruktur, beispielsweise durch Kleben, angeordnet werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Linsen des gekrümmten Linsenarrays eine Brennweite auf, welche einem Radius der sphärischen Trägerstruktur entspricht. Hierdurch kann ein Krümmungsradius der sphärischen Trägerstruktur bzw. Trägerfläche derart eingestellt werden, dass ein Mittelpunkt der sphärischen Trägerstruktur mit den Brennpunkten der Linsen übereinstimmt. Hierzu kann die sphärische Trägerstruktur als ein Halbkreis mit einem definierten Radius ausgestaltet sein.

Alternativ kann die Trägerstruktur als ein Halbkreissegment ausgestaltet sein. Des Weiteren ist auch eine asphärisch geformte Trägerstruktur verwendbar.

Durch die Einstellung der Brennweite der Linsen entsprechend dem Radius der Trägerstruktur können die auf das gekrümmte Linsenarray geleiteten Strahlen in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt und gleichzeitig durch die Linsen kollimiert werden. Die jeweiligen Teilstrahlen unterscheiden sich hierbei in einem versetzten Abstrahlwinkel.

Nach einer weiteren Ausführungsform weisen die Linsen des gekrümmten Linsenarrays einen Durchmesser von 100 pm bis 10 cm auf. Es können somit Linsen mit unterschiedlichen Abmessungen auf der sphärischen Trägerstruktur angeordnet werden. Insbesondere ergibt sich hierdurch eine Flexibilität bei der Ausgestaltung des gekrümmten Linsenarrays. Analog zum verwendeten Durchmesser der Linsen kann eine entsprechende Anpassung einer Größe der sphärischen Trägerstruktur erfolgen. Durch diese Maßnahme kann das gekrümmte Linsenarray im Hinblick auf kompakte Abmessungen der LIDAR- Vorrichtung und/oder eine Lichtempfindlichkeit optimiert werden. Gleichzeitig können hierbei die notwendigen Grenzwerte für die Intensität der emittierten Strahlen bzw. Teilstrahlen zum Gewährleisten der Augensicherheit eingehalten werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Sendeeinheit mindestens zwei Strahlenquellen auf, welche dazu eingerichtet sind, erzeugte Strahlen parallel zueinander oder über Strahlenteiler auf das gekrümmte Linsenarray zu projizieren. Insbesondere können die unterschiedlichen Strahlenquellen zum Umsetzen einer Frequenzmodulierung eingesetzt werden. Hierzu können die jeweiligen Strahlenquellen Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und/oder mit unterschiedlicher Pulsfrequenz emittieren, wobei eine abwechselnde Ansteuerung der jeweiligen Strahlenquellen durchgeführt wird. Die von den Strahlenquellen erzeugten Strahlen können durch den Strahlenteiler in den Strahlengang eingekoppelt werden, welcher zum gekrümmten Linsenarray führt.

Nach einer weiteren Ausführungsform sind die erzeugten Strahlen durch mindestens ein optisches Element auf das gekrümmte Linsenarray strahlbar. Das optische Element kann beispielsweise eine konkave oder eine konvexe Linse sein. Das optische Element dient zum Einwirken auf die erzeugten Strahlen und verändert somit die Divergenz der erzeugten Strahlen, um eine optimale Wechselwirkung mit dem gekrümmten Linsenarray zu ermöglichen.

Insbesondere kann das optische Element derart ausgelegt sein, dass die aus dem gekrümmten Linsenarray emittierten Teilstrahlen kollimiert sind. Hierzu kann das optische Element die erzeugten Strahlen vor einem Eintreffen in das gekrümmte Linsenarray ausrichten und kollimieren bzw. ihre Divergenz minimieren.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Empfangseinheit mindestens zwei Detektoren auf, welche parallel zueinander oder in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Der Winkel der Detektoren kann beispielsweise entsprechend dem Winkel der Linsen auf der sphärischen Trägerstruktur ausgebildet sein, um ein optimales Auftreffen der aus dem Abtastbereich reflektierten Strahlen zu ermöglichen. Bei einem Einsatz eines gekrümmten Linsenarrays im Empfangspfad der LIDAR- Vorrichtung können der oder die Detektoren ohne einen Winkelversatz angeordnet sein. Ein Detektor kann hierbei auch ein Pixel eines flächigen Detektors, wie beispielsweise eines CMOS oder CCD Sensors sein.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen LIDAR-Vorrichtung mit mindestens einem gekrümmten Linsenarray bereitgestellt. Das gekrümmte Linsenarray weist mindestens zwei voneinander beabstandete Linsen auf, welche relativ zueinander gedrehte optische Achsen aufweisen. Insbesondere können somit Teilstrahlen emittiert werden, welche unterschiedliche Abstrahlwinkel aufweisen. Die maximal möglichen Abstrahlwinkel können hierbei einen Öffnungswinkel des gekrümmten Linsenarrays definieren.

Zum Ausgleichen eines Abstrahlwinkels bzw. einer Wnkeldifferenz der mindestens zwei Linsen des Linsenarrays oder zum Abtasten eines gegenüber dem Öffnungswinkel des Arrays größeren Abtastbereichs werden die Sendeeinheit und/oder die Empfangseinheit in mindestens einer Raumrichtung geschwenkt. Durch diese Maßnahme können der Abtastbereich und die Auflösung der LIDAR-Vorrichtung vergrößert werden.

Insbesondere kann eine geringfügige Bewegung der Sendeeinheit und/oder der Empfangseinheit zum Ausgleichen einer Wnkeldifferenz der jeweiligen Linsen des keilförmigen Linsenarrays eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Bewegung der Sendeeinheit und/oder der Empfangseinheit derart ausgeweitet werden, dass ein größerer Abtastbereich der LIDAR-Vorrichtung abgetastet wird.

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 einer Ausführungsform, Fig. 2 eine Detailansicht auf emittierte Teilstrahlen eines gekrümmten Linsenarrays und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit einer LIDAR- Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

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

Die Sendeeinheit 2 weist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Strahlenquelle 6 auf, welche als ein Infrarotlaser ausgestaltet ist. Die Strahlenquelle 6 dient zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen 7. Des Weiteren weist die Sendeeinheit 2 ein optisches Element 8 und ein gekrümmtes Linsenarray 10 auf.

Das optische Element 8 ist als eine konvexe Linse ausgestaltet und ist zwischen der Strahlenquelle 6 und dem gekrümmten Linsenarray 10 im Strahlengang der erzeugten Strahlen 7 angeordnet.

Das gekrümmte Linsenarray 10 dient zum Aufteilen der erzeugten Strahlen 7 in mehrere Teilstrahlen 11, welche in einen Abtastbereich A emittiert werden.

Das optische Element 8 kann die erzeugten Strahlen 7 derart divergieren bzw. fokussieren, dass die von dem gekrümmten Linsenarray 10 emittierten Teilstrahlen 11 kollimiert in den Abtastbereich A gestrahlt werden. Die Teilstrahlen 11 werden hierbei in unterschiedliche Abstrahlrichtungen emittiert.

Die Empfangseinheit 4 weist ebenfalls ein gekrümmtes Linsenarray 12 auf, welches dazu eingerichtet ist, aus dem Abtastbereich A reflektierte und/oder rückgestreute Strahlen 13 zu empfangen.

Die empfangenen Strahlen 15 werden anschließend von einer optionalen Empfangsoptik 14 auf einen Detektor 16 fokussiert. Der Detektor 16 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als ein Detektorarray ausgestaltet. Je nach Ausgestaltung der LIDAR-Vorrichtung 1 können die Sendeeinheit 2 und die Empfangseinheit 4 jeweils ein gekrümmtes Linsenarray 10, 12 aufweisen oder ein einziges gekrümmtes Linsenarray miteinander teilen bzw. gemeinsam verwenden.

In der Figur 2 ist eine Detailansicht auf emittierte Teilstrahlen 11 des gekrümmten Linsenarrays 10 der Sendeeinheit 2 gezeigt. Das gekrümmte Linsenarray 10 weist eine Vielzahl von Linsen 18 auf, welche auf einer sphärischen Trägerstruktur 20 angeordnet bzw. in die sphärische Trägerstruktur 20 integriert sind.

Die Linsen 18 können als Makrolinsen oder als Mikrolinsen ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind die Linsen 18 derart an die sphärische Trägerstruktur 20 und das optische Element 8 angepasst, dass die Teilstrahlen 11 in kollimierter Form in den Abtastbereich A emittiert werden. Hierdurch verlaufen alle Teilstrahlen 11 einer Linse 18 in einem nahezu gleichen Winkel zueinander. Die Teilstrahlen 11 unterschiedlicher Linsen 18 können unterschiedliche Abstrahlwinkel b1-b3 aufweisen.

Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit 2 einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einerweiteren Ausführungsform. Im Gegensatz zur in Figur 1 gezeigten LIDAR-Vorrichtung 1, weist die Sendeeinheit 2 ein gekrümmtes Linsenarray 10 mit größer geformten Makrolinsen 18 auf.

Die Linsen 18 weisen vorzugsweise eine gleiche Brennweite auf, welche einem Radius R der sphärischen Trägerstruktur 20 entspricht.

Die sphärische Trägerstruktur 20 ist als eine Halbkugel ausgeführt und bildet ein Abstrahlfenster der Sendeeinheit 2 aus.

Durch eine gegenüber der in Figur 1 gezeigten Sendeeinheit 2 geringere Anzahl an Linsen 18 ist die Anzahl von Teilstrahlen 11 ebenfalls geringer. Zum Kompensieren der geringeren Anzahl von Teilstrahlen 11 kann die Sendeeinheit 2 oder die gesamte LIDAR-Vorrichtung 1 auf einer Schwenkmechanik 22 angeordnet sein, welche die Sendeeinheit 2 in zumindest einer Raumrichtung schwenken kann.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die Sendeeinheit 2 um zwei Achsen schwenkbar. Die Pfeile 24 verdeutlichen die möglichen Schwenkrichtungen der

Sendeeinheit 2 durch die Schwenkmechanik 22.

Das gekrümmte Linsenarray 10 weist einen Öffnungswinkel O auf, welcher von einer Anordnung der Linsen 18 eingestellt ist. Der Öffnungswinkel O wird von den emittierten Teilstrahlen 11 aufgespannt und kann eindimensional oder zweidimensional ausgeführt sein.

Der Öffnungswinkel O stellt somit einen maximalen Abtastwinkel eines unbeweglichen gekrümmten Linsenarrays 10 dar. Durch den Einsatz der Schwenkmechanik 22 kann ein maximal möglicher Abtastwinkel der LIDAR-

Vorrichtung 1 erhöht werden.