DE102016220468A1

DE102016220468A1 - Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes

Info

Publication number: DE102016220468A1
Application number: DE102016220468.8A
Authority: DE
Inventors: Stefanie Mayer; Siegwart Bogatscher; Ernst Kretzek; Juergen Hasselbach; Annette Frederiksen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2018-04-19
Also published as: CN107966704A; US10845482B2; US20180106901A1; CN107966704B

Abstract

Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors, wobei der Lidar-Sensor mindestens eine Sendeeinheit zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung, mindestens eine Empfangseinheit zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung, die vom Objekt reflektiert wurde, mindestens ein refraktives Element, welches zumindestens teilweise durchlässig für die elektromagnetische Strahlung ist, eine rotierende Einheit, die wenigstens das mindestens eine refraktive Element, die mindestens eine Sendeeinheit und die mindestens eine Empfangseinheit enthält, umfasst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das mindestens eine refraktive Element wenigstens eine optische Linse und einen Strahlteiler zur Teilung der elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei zwei Brennebenen vorhanden sind. Hierbei sind die mindestens eine Sendeeinheit und die mindestens eine Empfangseinheit in wenigstens einer Brennebene mindestens eines refraktiven Elements positioniert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung und ein Verfahren zur Erfassung eines Objektes mit einem Lidar-Sensor gemäß dem Oberbegriff der unabhängig formulierten Ansprüche.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind LIDAR (light detection and ranging)-Sensoren bekannt, mit denen Objekte in der Umgebung des Lidar-Sensors erfasst werden können. Hierbei wird von einer Sendeeinheit Strahlung in die Umgebung ausgesendet, die dort von Objekten reflektiert bzw. zurückgestreut wird und von einer Empfangseinheit des Lidar-Sensors empfangen wird. Hierbei sind rotierende Lidar-Sensoren, sogenannte Makroscanner, bekannt, bei denen die optischen Achsen von Sendeeinheit und Empfangseinheit unter einem gewissen Abstand parallel verlaufen. Bei derartigen Makroscannern kann beispielsweise eine Ablenkeinheit in Form eines Spiegels oder eines Spiegelsystems rotierend angeordnet sein. Es sind weiterhin entsprechende Makroscanner bekannt, bei denen sich die Sendeeinheit und die Empfangseinheit auf einer rotierenden Einheit befinden. Diese Makroscanner weisen ein relativ großes Bauvolumen bzw. insbesondere eine relativ große Bauhöhe auf.
Aus der WO15026471 ist ein Lidar-Bauteil bekannt. Das Bauteil umfasst ein Gehäuse, welches dazu ausgerichtet ist, um eine Achse zu rotieren. Das Gehäuse hat einen Innenraum, der eine transmittierende Einheit, eine Empfangseinheit und einen gemeinsamen Bereich beinhaltet. In dem gemeinsamen Bereich hat die transmittierende Einheit eine Austrittsapertur und die Empfangseinheit hat eine Eingangsapertur. Das Bauteil umfasst weiterhin eine Vielzahl von Lichtquellen. Diese sind dazu ausgebildet, eine Vielzahl von Lichtstrahlen zu emittieren, welche durch die Austrittsapertur in den gemeinsamen Bereich eintreten und den gemeinsamen Bereich über einen Transmissionspfad durchlaufen. Die Lichtstrahlen weisen Licht von Wellenlängen in einem Wellenlängenbereich auf. Das Bauteil umfasst weiterhin eine Vielzahl von Detektoren in der Empfangseinheit. Die Vielzahl der Detektoren ist dazu ausgebildet, Licht mit Wellenlängen in einem Wellenlängenbereich zu detektieren. Das Bauteil umfasst weiterhin eine optische Linse, welche an dem Gehäuse befestigt ist. Die optische Linse ist dazu ausgebildet, Lichtstrahlen über einen Transmissionspfad zu empfangen und die Lichtstrahlen zur Transmission in die Umgebung des Lidar-Bauteils zu kollimieren. Die kollimierten Lichtstrahlen werden von einem oder mehreren Objekten in der Umgebung des Lidar-Bauteils reflektiert und das reflektierte Licht von der optischen Linse eingesammelt. Die optische Linse fokussiert das eingesammelte Licht auf die Detektoren über einen Empfangspfad, welcher sich durch den gemeinsamen Bereich und die Empfangsapertur der Empfangseinheit erstreckt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung. Der Lidar-Sensor umfasst mindestens eine Sendeeinheit zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung und mindestens eine Empfangseinheit zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung, die vom Objekt reflektiert wurde. Der Lidar-Sensor umfasst weiterhin mindestens ein refraktives Element, welches zumindestens teilweise durchlässig für die elektromagnetische Strahlung ist und eine rotierende Einheit, die wenigstens das mindestens eine refraktive Element, die mindestens eine Sendeeinheit und die mindestens eine Empfangseinheit enthält.
Erfindungsgemäß umfasst das mindestens eine refraktive Element wenigstens eine optische Linse und einen Strahlteiler zur Teilung der elektromagnetischen Strahlung, wobei zwei Brennebenen vorhanden sind. Die mindestens eine Sendeeinheit und die mindestens eine Empfangseinheit sind in wenigstens einer Brennebene mindestens eines refraktiven Elementes positioniert.
Die wenigstens eine optische Linse als Teil des refraktiven Elements weist jeweils nur eine Brennebene auf. Dadurch, dass der Strahlteiler ebenfalls Teil des refraktiven Elements ist, sind für das refraktive Element insgesamt zwei Brennebenen vorhanden. Der Lidar-Sensor kann beispielsweise ein refraktives Element umfassen, welches aus einem Strahlteiler und einer optischen Linse ausgebildet ist. Der Lidar-Sensor kann beispielsweise ein refraktives Element umfassen, welches aus einem Strahlteiler und zwei optischen Linsen ausgebildet ist. Der Lidar Sensor kann weiterhin beispielsweise zwei refraktive Elemente umfassen. Es kann jedes der beiden refraktiven Elemente jeweils aus einem Strahlteiler und einer optischen Linse ausgebildet sein. Es kann jedes der beiden refraktiven Elemente jeweils aus einem Strahlteiler und jeweils zwei optischen Linsen ausgebildet sind. Es kann eines der beiden refraktiven Elemente aus einem Strahlteiler und einer optischen Linse und das andere der beiden refraktiven Elemente aus einem Strahlteiler und zwei optischen Linsen ausgebildet ausgebildet sein.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Bauvolumen und/oder die Bauhöhe des Lidar-Sensors im Vergleich zu bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik verringert werden kann. Es ist möglich, den Durchmesser der rotierenden Einheit zu verringern. Weiterhin kann auf gewisse optische Elemente verzichtet werden. So kann es sein, dass jeweils für den Sendestrahlengang und den Empfangsstrahlengang keine separaten optischen Linsen notwendig sind. Es ist möglich, dass für den Sendestrahlengang und den Empfangsstrahlengang dieselbe optische Linse verwendet werden kann. Durch die Rotation der rotierenden Einheit können Messungen über einen Winkelberich von bis zu 360° realisiert werden. Es können auch Messungen über einen Winkelberich, der kleiner als 360° ist, realisiert werden.
Die optische Linse als Teil des refraktiven Elements kann durchlässig für die elektromagnetische Strahlung sein. Weiterhin kann die optische Linse refraktiv auf die elektromagnetische Strahlung wirken. Beim Durchgang der elektromagnetischen Strahlung durch die optische Linse kann Brechung auftreten. Der Strahlteiler kann für Teile der elektromagnetischen Strahlung durchlässig und für andere Teile reflektierend sein. Der Strahlteiler kann die Strahlung in einem definierten Verhältnis teilen. Dieses Verhältnis kann abhängig sein vom Aufbau und/oder den Materialien des Strahlteilers, sowie den physikalischen Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung.
Ein Objekt im Sinne der Erfindung kann eine Grenzfläche aufweisen, an der die elektromagnetische Strahlung reflektiert werden kann. Die elektromagnetische Strahlung kann auch an einem Streuzentrum eines Objektes gestreut werden. Ein Objekt im Sinne der Erfindung kann beweglich oder auch unbeweglich sein. Ein Objekt kann beispielsweise ein Lebewesen oder ein unbelebtes Hindernis in der Umgebung sein. Ein Objekt kann zum Beispiel ein Verkehrsteilnehmer, ein Fahrzeug und/oder eine Verkehrsregeleinrichtung sein. Ein Objekt kann zum Beispiel auch ein Atom oder ein Staubpartikel oder ein Wassertröpfchen in der Umgebung sein.
Unter der Erfassung eines Objektes im Sinne der Erfindung kann verstanden werden, dass der Abstand eines Objektes vom Lidar-Sensor erfasst wird. Es können auch Bewegungseigenschaften des Objektes erfasst werden. Es kann auch die Lage eines Objektes erfasst werden. Es kann auch die Orientierung eines Objektes erfasst werden. Es kann die Geschwindigkeit eines Objekts erfasst werden. Es kann die Beschleunigung eines Objekts erfasst werden. Es kann die Bewegungsrichtung eines Objekts erfasst werden. Die Größe eines Objektes kann erfasst werden. Die physikalischen Eigenschaften eines Objektes können erfasst werden. Es können Rückschlüsse auf das Material des Objektes gezogen werden. Es können Rückschlüsse auf den Reflexionsgrad des Objektes gezogen werden. Es können Rückschlüsse auf die Reflexivität des Objektes gezogen werden. Es kann festgestellt werden, ob ein Objekt feucht ist. Es kann festgestellt werden, ob sich Wasser auf der Oberfläche eines Objekt befindet. Es kann festgestellt werden, ob ein Objekt vereist ist. Es kann festgestellt werden, ob sich Eis auf der Oberfläche eines Objekt befindet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Strahlteiler die elektromagnetische Strahlung polarisationsselektiv und/oder wellenlängenselektiv teilt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass Rückschlüsse auf die physikalischen Eigenschaften des Objektes, an dem die elektromagnetische Strahlung reflektiert wurde, getroffen werden können.
Beispielsweise können die Polarisationserhaltungseigenschaften der vermessenen Objekte erfasst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem Strahlengang der Sendeeinheit und/oder der Empfangseinheit weitere wellenlängenselektive und/oder polarisationsselektive und/oder polarisationsverändernde Bauteile vorgesehen sind. Es können ein oder mehrere wellenlängenselektive Filterelemente im Lidar-Sensor vorhanden sein. Es können ein oder mehrere polarisationsselektive Filterelemente im Lidar-Sensor vorhanden sein. Es können ein oder mehrere Bandpassfilter in der Sendeeinheit des Lidar-Sensors vorhanden sein. Es können ein oder mehrere Bandpassfilter in der Empfangseinheit des Lidar-Sensors vorhanden sein. Es können ein oder mehrere Polarisationsfilter in der Sendeeinheit des Lidar-Sensors vorhanden sein. Es können ein oder mehrere Polarisationsfilter in der Empfangseinheit des Lidar-Sensors vorhanden sein. Derartige Bauteile können dazu dienen, dass der Lidar-Sensor elektromagnetische Strahlung vorgegebener Wellenlänge in die Umgebung aussendet. Derartige Bauteile können dazu dienen, dass der Lidar-Sensor elektromagnetische Strahlung vorgegebener Polarisation in die Umgebung aussendet. Sie können auch dazu dienen, dass bevorzugt elektromagnetische Strahlung vorgegebener Wellenlänge die Empfangseinheit des Lidar-Sensors erreicht. Derartige Bauteile können auch dazu dienen, dass bevorzugt elektromagnetische Strahlung vorgegebener Polarisation die Empfangseinheit des Lidar-Sensors erreicht. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass vorzugsweise elektromagnetische Strahlung, die in der Umgebung vom Objekt reflektiert wurde, die Empfangseinheit des Lidar-Sensors erreicht. Störende Hintergrundstrahlung, die eine andere Wellenlänge und/oder andere Polarisation aufweist, erreicht nicht oder nur stark gedämpft die Empfangseinheit des Lidar-Sensors. Auf diese Weise kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Polarisationsverändernde Bauteile können beispielsweise Verzögerungsplatten sein. Diese werden auch λ/n-Plättchen genannt. Tritt elektromagnetische Strahlung durch derartige Bauteile kann die Polarisation und Phase der Strahlung geändert werden. Bekannt sind beispielsweise λ/4-Plättchen, die linear polarisierte elektromagnetische Strahlung in zirkular oder elliptisch polarisierte elektromagnetische Strahlung umwandeln können. λ/4-Plättchen können auch zirkular polarisierte elektromagnetische Strahlung in linear polarisierte elektromagnetische Strahlung umwandeln. λ/2-Plättchen können die Polarisationsrichtung von linear polarisierter elektromagnetischer Strahlung um einen wählbaren Winkel drehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Strahlteiler durch ein polarisationsselektives und/oder wellenlängenselektives holographisches Element ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das Bauvolumen und/oder die Bauhöhe des Lidar-Sensors noch stärker verringert werden kann. Bei holographischen optischen Elementen wird die Teilung der elektromagnetischen Strahlung und die Strahlungablenkung des einen Teils der elektromagnetischen Strahlung durch Beugung an einem Volumengitter bewirkt. Volumengitter sind Folien, welche beispielsweise interferenzlithographisch belichtet werden. Durch die Belichtung und/oder den anschließenden Entwicklungsprozess können die Volumengitter verschiedene optische Funktionalitäten erhalten. Eine optische Funktionalität kann eine Polarisationsselektivität sein. Eine optische Funktionalität kann eine Wellenlängenselektivität sein. Die holographisch optischen Elemente können auch durch kostengünstige Druckverfahren hergestellt werden. Die Herstellung der holographisch optischen Elemente mittels holographischen Multiplexings kann vermieden werden. Die holographisch optischen Elemente können hohe Beugungseffizienten aufweisen. Durch die Verwendung dünner Folien kann das Bauvolumen eines Lidar-Sensors verringert werden. Durch die Verwendung formbarer Folien kann das Bauvolumen eines Lidar-Sensors verringert werden. Durch die Verwendung dünner Folien kann die Bauhöhe eines Lidar-Sensors verringert werden. Durch die Verwendung formbarer Folien kann die Bauhöhe eines Lidar-Sensors verringert werden. Die holographisch optischen Elemente können transmittierend auf die elektromagnetische Strahlung wirken. Die holographisch optischen Elemente können reflektierend auf die elektromagnetische Strahlung wirken. Sie können gezielt für bestimmte Einfallswinkel und Ausfallswinkel hergestellt werden. Sie können gezielt für bestimmte Beugungswinkel hergestellt werden. Dadurch ermöglichen sie neue Bauformen des Lidar-Sensors. Die holographisch optischen Elemente können auch weitere optische Funktionalitäten aufweisen. Neben ihren Filterfunktionen können Sie zum Beispiel elektromagnetische Strahlung auf einen Detektor der Empfangseinheit fokussieren. Oder sie können die Strahlform der elektromagnetischen Strahlung verändern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Sendeeinheit dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung eines selektiven Wellenlängenbereichs und/oder einer selektiven Polarisationsrichtung auszusenden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass Objekte in der Umgebung mit besserer Genauigkeit erfasst werden können. So kann die Wellenlänge der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung derart gewählt werden, dass bei bekannten Umgebungsbedingungen wie beispielsweise einer bestimmten atmosphärischen Dämpfung, möglichst genaue Messergebnisse erzielt werden. Unterschiedliche Wellenlängen können auch spezifische Vorteile und/oder Nachteile bezüglich Reflexivitäten unterschiedlicher Objekte aufweisen. Durch eine gezielte Auswahl der Wellenlänge der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung können wiederum möglichst genaue Messergebnisse erzielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Lidar-Sensor mindestens zwei Sendeeinheiten umfasst. Hierbei unterscheidet sich der Wellenlängenbereich und/oder die Polarisationsrichtung der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung der ersten Sendeeinheit von dem Wellenlängenbereich und/oder der Polarisationsrichtung der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung der zweiten Sendeeinheit. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass zwei unterschiedliche Wellenlängen gleichzeitig gemessen werden können. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen gemessen werden können. Ein bereits erkanntes Objekt kann durch eine zweite Messung mit einer anderen Wellenlänge ein zweites Mal vermessen werden. Ein bereits erkanntes Objekt kann durch eine zweite Messung mit einer anderen Polarisationsrichtung ein zweites Mal vermessen werden. Die erste Messung kann hierdurch verifiziert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Empfangseinheit dafür ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereich und/oder einer bestimmten Polarisationsrichtung zu empfangen. Dies kann dadurch realisiert werden, dass in der Empfangseinheit entsprechende wellenlängenselektive Bauteile vorhanden sind. Ein wellenlängenselektives Bauteil kann beispielsweise Bandpassfilter sein. Oder es kann wenigstens ein Detektor als Bestandteil der Empfangseinheit wellenlängenselektiv sein. Der Detektor kann unterschiedlich empfindlich für unterschiedliche Wellenlängen sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass Objekte in der Umgebung mit besserer Genauigkeit erfasst werden können. Es kann ein Wellenlängenbereich gewählt werden, bei dem unter bekannten Umgebungsbedingungen wie beispielsweise einer bestimmten atmosphärischen Dämpfung, möglichst genaue Messergebnisse erzielt werden. Unterschiedliche Wellenlängen können spezifische Vorteile und/oder Nachteile bezüglich Reflexivitäten unterschiedlicher Objekte aufweisen. Durch eine gezielte Auswahl der Wellenlänge der empfangenen elektromagnetischen Strahlung, kann gesteuert werden, welche Objekte erfasst werden. Es können wiederum möglichst genaue Messergebnisse erzielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Lidar-Sensor mindestens zwei Empfangseinheiten umfasst. Hierbei unterscheidet sich der Wellenlängenbereich und/oder die Polarisationsrichtung der von der ersten Empfangseinheit empfangenen elektromagnetischen Strahlung von dem Wellenlängenbereich und/oder der Polarisationsrichtung der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen elektromagnetischen Strahlung. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass zwei unterschiedliche Wellenlängen gleichzeitig gemessen werden können. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen gleichzeitig gemessen werden können. Ein bereits erkanntes Objekt kann durch eine zweite Messung mit einer anderen Wellenlänge ein zweites Mal vermessen werden. Ein bereits erkanntes Objekt kann durch eine zweite Messung mit einer anderen Polarisationsrichtung ein zweites Mal vermessen werden. Die erste Messung kann hierdurch verifiziert werden.
Der Wellenlängenbereich und/oder die Polarisationsrichtung der ausgesendeten und der empfangenen elektromagnetischen Strahlung kann aufeinander abgestimmt werden. Dies geschieht vorteilhafter Weise derart, dass die Empfangseinheit empfindlich für den Wellenlängenbereich und/oder die Polarisationsrichtung der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Sendeeinheit ein Laser ist. Sie kann hierbei bevorzugt ein eindimensionaler Laserbarren oder eine zweidimensionale Lasermatrix sein. Ein eindimensionaler Laserbarren kann hierbei aus mehreren Laserdioden bzw. Sendelasern bestehen, die in einer linearen Anordnung, sprich einer Zeile, angeordnet sind. Bei der zweidimensionalen Lasermatrix sind mehrere Laserdioden in einer Matrix, sprich in einer zweidimensionalen Anordnung, angeordnet. Weiterhin ist vorgesehen, dass die mindestens eine Empfangseinheit ein lineares Detektorarray oder ein zweidimensionales Detektorarray ist. Sie kann mehrere Detektionskanäle aufweisen, die in einer linearen Anordnung, sprich einer Zeile, angeordnet sind. Oder die mehreren Detektionskanäle sind in einer Matrix, sprich in einer zweidimensionalen Anordnung, angeordnet. Die Empfangseinheit ist empfindlich für elektromagnetische Strahlung. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass durch die Verwendung von Laserbarren bzw. Lasermatrix und die Verwendung eines linearen Detektorarrays bzw. eines zweidimensionalen Detektorarrays die optische Auflösung in einer weiteren Achse ermöglicht wird. Der Lidar-Sensor kann einen eindimensionalen Laserbarren und ein lineares Detektoarray aufweisen. Der Lidar-Sensor kann einen eindimensionalen Laserbarren und ein zweidimensionales Detektoarray aufweisen. Der Lidar-Sensor kann eine zweidimensionale Lasermatrix und ein lineares Detektoarray aufweisen. Der Lidar-Sensor kann eine zweidimensionale Lasermatrix und ein zweidimensionales Detektoarray aufweisen.
Die optische Auflösung des Lidar-Sensors in der Achse, welche senkrecht zur Rotationsachse der rotierenden Einheit steht, kann durch die Rotation der rotierenden Einheit realisiert werden. Die optische Auflösung in der weiteren Achse kann realisiert werden, indem beispielsweise ein Laserbarren und ein lineares Detektorarray parallel zur Rotationsachse der rotierenden Einheit ausgerichtet werden. Die elektromagnetische Strahlung kann dadurch senkrecht zur Rotationsachse der rotierenden Einheit ausgesendet und auch senkrecht zu dieser Rotationsachse empfangen werden. Die einzelnen Laserdioden des Laserbarrens oder der Lasermatrix können gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten aktiviert werden. Dadurch lassen sich diskret einstellbare Abstrahlwinkel erzeugen. Gleichzeitig kann der jeweils zu einer Laserdiode korrespondierende Detektionskanal eines Detektorarrays oder einer Detektormatrix aktiviert werden. Es ist auch möglich, die Laserdioden und Detektionskanäle derart anzusteuern, dass unter mehreren Winkeln gleichzeitig gemessen werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Lidar-Sensor mindestens zwei Empfangseinheiten umfasst. Hierbei ist die eine Empfangseinheit in einer ersten Brennebene und die andere Empfangseinheit in einer zweiten, parallel zur ersten Brennebene ausgerichteten Brennebene positioniert. Die zwei Empfangseinheiten sind um einen vorgegebenen Abstand entlang der Ausrichtung der Brennebenen zueinander versetzt angeordnet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die die Winkelauflösung des Lidar-Sensors entlang einer Achse verdoppelt werden kann.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung beansprucht. Der Lidar-Sensor umfasst hierbei mindestens eine Sendeeinheit zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung und mindestens eine Empfangseinheit zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung, die vom Objekt reflektiert wurde. Der Lidar-Sensor umfasst weiterhin mindestens ein refraktives Element, welches zumindestens teilweise durchlässig für die elektromagnetische Strahlung ist und eine rotierende Einheit, die wenigstens das mindestens eine refraktive Element, die mindestens eine Sendeeinheit und die mindestens eine Empfangseinheit enthält. Weiterhin umfasst das mindestens eine refraktive Element wenigstens eine optische Linse und einen Strahlteiler zur Teilung der elektromagnetischen Strahlung, wobei zwei Brennebenen vorhanden sind. Die mindestens eine Sendeeinheit und die mindestens eine Empfangseinheit sind in wenigstens einer Brennebene mindestens eines refraktiven Elementes positioniert.
Die Ansteuerung des Lidar-Sensors im Sinne der Erfindung kann den Schritt des Aussendens elektromagnetischer Strahlung in die Umgebung beinhalten. Durch die Ansteuerung der rotierenden Einheit kann die elektromagnetische Strahlung in verschiedene Richtungen bzw. unter verschiedenen Winkeln in die Umgebung ausgesendet werden. Durch die Ansteuerung von verschiedenen Sendelasern der Sendeeinheit kann die elektromagnetische Strahlung in verschiedene Richtungen bzw. unter verschiedenen Winkeln in die Umgebung ausgesendet werden. Die Ansteuerung des Lidar-Sensors kann weiterhin den Schritt des Empfangens von elektromagnetischer Strahlung aus der Umgebung beinhalten. Durch die Ansteuerung der rotierenden Einheit kann gezielt elektromagnetische Strahlung, die aus verschiedenen Richtungen bzw. unter verschiedenen Winkeln auf den Lidar-Sensor einfällt, von der Empfangseinheit empfangen werden. Durch die Ansteuerung von verschiedenen Detektionskanälen der Empfängereinheit kann gezielt elektromagnetische Strahlung, die aus verschiedenen Richtungen bzw. unter verschiedenen Winkeln auf den Lidar-Sensor einfällt, von der Empfangseinheit empfangen werden. Die Ansteuerung des Lidar-Sensors kann einen Schritt zur Ansteuerung wenigstens eines wellenlängenselektiven Bauteils beinhalten. Die Ansteuerung des Lidar-Sensors kann einen Schritt zur Ansteuerung wenigstens eines polarisationsselektiven Bauteils beinhalten. Die Ansteuerung des Lidar-Sensors kann einen Schritt zur Ansteuerung wenigstens eines polarisationsverändernden Bauteils beinhalten. Beispielsweise kann ein polarisationsselektives Bauteil in Form einer Flüssigkristall-Retardereinheit im Lidar-Sensor vorhanden sein. Dieses kann derart angesteuert werden, dass elektromagnetische Strahlung einer vorgegebenen Polarisation reflektiert wird. Dieses kann auch derart angesteuert werden, dass elektromagnetische Strahlung einer vorgegebenen Polarisation transmittiert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors vorgesehen, wobei der Lidar-Sensor mindestens zwei Empfangseinheiten umfasst. Hierbei unterscheidet sich der Wellenlängenbereich und/oder die Polarisationsrichtung der von der ersten Empfangseinheit empfangenen elektromagnetischen Strahlung von dem Wellenlängenbereich und/oder der Polarisationsrichtung der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen elektromagnetischen Strahlung. Das Empfangen der elektromagnetischen Strahlung erfolgt hierbei derart, dass elektromagnetische Strahlung, die von einem Objekt innerhalb eines Winkelbereichs reflektiert wird, in einem Schritt von der einen Empfangseinheit und in einem anderen Schritt von der anderen Empfangseinheit empfangen wird. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein Objekt, welches sich innerhalb des Winkelbereichs in der Umgebung des Lidar-Sensors befindet, sowohl von der einen als auch von der anderen Empfangseinheit erfasst werden kann. Das Erfassen eines Objektes mittels der ersten Empfangseinheit kann durch das Erfassen desselben Objektes mittels der zweiten Empfangseinheit verifiziert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors vorgesehen, bei dem das Empfangen der elektromagnetischen Strahlung derart erfolgt, dass die elektromagnetische Strahlung in einer zufällig bestimmten zeitlichen Reihenfolge unter jedem Winkel des Winkelbereichs von der mindestens einen Empfangseinheit empfangen wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Aussenden der elektromagnetischen Strahlung derart erfolgen, dass die Sendelaser der Sendeeinheit in einer zufällig bestimmten zeitlichen Reihenfolge betrieben werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass zufällige Scanmuster realisiert werden können. So kann beispielsweise das Ansteuern der einzelnen Sendelaser einer Sendeeinheit zufällig erfolgen. Auch das Ansteuern der rotierenden Einheit kann derart erfolgen, dass zufällige Scanmuster realisiert werden. Bei einem Lidar-Sensor mit zwei Empfangseinheiten kann das Ansteuern der rotierenden Einheit, sowie der ersten und der zweiten Empfangseinheit beispielsweise derart erfolgen, dass das die elektromagnetischen Strahlung in einer zufälligen Reihenfolge abwechselnd von der ersten Empfangseinheit und der zweiten Empfangseinheit empfangen wird. Ein Objekt innerhalb eines Winkelbereichs der Umgebung kann beispielsweise innerhalb einer zufällig bestimmten Anzahl an Meßschritten mittels der ersten Empfangseinheit erfasst werden. Anschließend kann die rotierende Einheit derart angesteuert werden, dass dasselbe Objekt innerhalb desselben Winkelbereichs der Umgebung innerhalb einer zufällig bestimmten Anzahl an Meßschritten mittels der zweiten Empfangseinheit erfasst wird. Das Scanmuster kann durch das zufällige Hin- und Herwechseln zwischen der ersten Empfangseinheit und der zweiten Empfangseinheit sehr flexibel bzw. wenig vorhersehbar gestaltet werden. Das Erfassen von Geisterobjekten, zum Beispiel durch die elektromagnetische Strahlung von Lasern, die sich außerhalb des Lidar-Sensors befinden, wird signifikant erschwert. Durch eine Variation der Pulsrate, mit der die elektromagnetische Strahlung des Lidar-Sensors ausgesendet wird, kann das Erfassen von elektromagnetischer Strahlung von Strahlungsquellen außerhalb des Lidar-Sensors weiter erschwert bzw. unmöglich gemacht werden.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 Lidar-Sensor mit rotierender Einheit, Sendeeinheit, Empfangseinheit und einer optischen Linse;
2 Lidar-Sensor mit Strahlteiler als Teil des refraktiven Elements;
3 Möglichkeiten räumlicher Anordnungen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit;
4 weitere Möglichkeit der räumlichen Anordnung von Sendeeinheiten und Empfangseinheiten;
5 Lidar-Sensor mit Strahlteiler als Teil des refraktiven Elements, sowie zwei Empfangseinheiten und zwei Sendeeinheiten;
6 Lidar-Sensor mit Strahlteiler als Teil des refraktiven Elements, zwei Empfangseinheiten, zwei Sendeeinheiten und einer Flüssigkristall-Retardereinheit;
7 Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors mit zwei Sendeeinheiten und zwei Empfangseinheiten;
8 Lidar-Sensor mit Strahlteiler als Teil des refraktiven Elements und je zwei räumlich voneinander getrennten Sendeeinheiten und Empfangseinheiten;
9 Lidar-Sensor mit Strahlteiler als Teil des refraktiven Elements, einer Sendeeinheit und zwei räumlich voneinander getrennten Empfangseinheiten;
10 Lidar-Sensor mit zwei refraktiven Elementen umfassend jeweils eine optische Linse und einen Strahlteiler;
11 Möglichkeit zur Erfassung des Nahbereich mittels eines Lidar-Sensors;
12 Lidar-Sensor mit einem holographischen optischen Element als Strahlteiler.

1 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Lidar-Sensors. Dieser umfasst eine rotierende Einheit 101, auf der sich eine Sendeeinheit 102, eine Empfangseinheit 103 und eine optische Linse 107 befinden. Die Sendeeinheit 102 und die Empfangseinheit 103 liegen beide in der Brennebene 109 der optische Linse 107. Die Sendeeinheit 102 sendet elektromagnetische Strahlung 105 aus. Die elektromagnetische Strahlung 105 gelangt durch die optische Linse 107 in die Umgebung des Lidar-Sensors. In der Umgebung kann elektromagnetische Strahlung 105 an einem Objekt reflektiert werden und anschließend als elektromagnetische Strahlung 106 vom Lidar-Sensor empfangen werden. Hierbei wird die elektromagnetische Strahlung 106 von der optischen Linse 107 transmittiert und auf die Brennebene 109 der optischen Linse 107 fokussiert. Der Strahlengang der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung 105 und der Strahlengang der empfangenen elektromagnetischen Strahlung 106 sind übereinander positioniert, sprich koaxial in einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet. Es kann passieren, dass es mittels der Empfangseinheit 103 nur ungenau oder gar nicht möglich ist, elektromagnetische Strahlung 106, die zuvor an einem Objekt im Nahbereich des Lidar-Sensors reflektiert wurde, derart zu empfangen, dass ein genaues Erfassen des Objektes realisiert werden kann. Der Nahbereich des Lidar-Sensors ist beispielsweise der Bereich, der sich bis zu einer Entfernung des 100fachen der Brennweite der optischen Linse 107 um den Lidar-Sensor befindet. Bei einer Brennweite der optischen Linse 107 von beispielsweise 2 cm, befinden sich Objekte, die bis zu einer Entfernung von 2 m vom Lidar-Sensor entfernt sind, in dessen Nahbereich. Die Ursache für die Schwierigkeit der Erfassung eines Objekts im Nahbereich kann hierbei darin liegen, dass die Empfangseinheit 103 durch Teile der von der Sendeeinheit 102 ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung 105 gestört wird. Um dennoch auch Objekte im Nahbereich des Lidar-Sensors zu erfassen, kann der Lidar-Sensor weiterhin eine zweite Empfangseinheit 104 enthalten. Die Empfangseinheit 104 kann als Nahbereichdetektor bzw. als Nahbereichdetektorarray ausgebildet sein. Sie kann einen Teil der empfangenen elektromagnetischen Strahlung 106 auskoppeln.
2 zeigt beispielhaft einen Lidar-Sensor auf einer rotierenden Einheit 101, bei dem das refraktive Element eine optische Linse 107 und einen Strahlteiler 201 zur Teilung der elektromagnetischen Strahlung umfasst. Durch den Strahlteiler 201 sind die zwei Brennebenen 109-1 und 109-2 vorhanden. In diesen zwei Brennebenen sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit positioniert.
Für die räumliche Anordnung der mindestens einen Sendeeinheit 102 und der mindestens einen Empfangseinheit 103 im Lidar-Sensor gibt es verschiedene Möglichkeiten. So können die mindestens eine Sendeeinheit 102 und die mindestens eine Empfangseinheit 103 räumlich voneinander separiert positioniert sein. Die Sendeeinheit 102 kann beispielsweise als linearer Laserbarren oder zweidimensionale Lasermatrix ausgebildet sein, welche jeweils aus mehreren Laserdioden 102-1 bis 102-x aufgebaut sind. Hierbei bezeichnet x die Anzahl der Laserdioden. Die Empfangseinheit 103 kann beispielsweise als lineares Detektorarray oder zweidimensionale Detektormatrix ausgebildet sein, welche jeweils aus mehreren Detektionskanälen 103-1 bis 103-y aufgebaut sind. Hierbei bezeichnet y die Anzahl der Detektionskanäle. Die räumliche Anordnung kann auch der Art sein, dass ein linearer Laserbarren 102 und ein lineares Detektorarray 103 sich berührende Grenzflächen aufweisen. Hierdurch entsteht eine Kombination 204 aus einer Sendeeinheit 102 und einer Empfangseinheit 103, wie sie in 3A gezeigt ist. Eine weitere Möglichkeit der räumlichen Anordnung der mindestens einen Sendeeinheit 102 und der mindestens einen Empfangseinheit 103 besteht darin, dass die Laserdioden 102-1 bis 102-x der Sendeeinheit 102 und die Detektionskanäle 103-1 bis 103-y der Empfangseinheit 103 gemeinsam in einem linearen Array angeordnet sind. Eine derartige Kombination 204 aus einer Sendeeinheit 102 und einer Empfangseinheit 103 ist in 3B gezeigt.
In der in 2 gezeigten Brennebene 109-1 kann eine Sendeeinheit 102 oder eine Kombination 204a aus einer Sendeeinheit 102 und einer Empfangseinheit 103 positioniert sein. In der Brennebene 109-2 kann eine Empfangseinheit 103 oder eine zweite Kombination 204b aus einer Sendeeinheit 102 und einer Empfangseinheit 103 positioniert sein. Im gezeigten Beispiel wird elektromagnetische Strahlung 105 von der in der Brennebene 109-1 positionierten Sendeeinheit 102 bzw. der Kombination 204a ausgesendet. So ist es beispielsweise möglich, dass die ausgesandte elektromagnetische Strahlung 105 linear polarisiert ist. Der polarisationsselektive Strahlteiler 201 kann wie im Beispiel gezeigt, nahezu vollständig durchlässig für z.B. vertikal linear polarisierte elektromagnetische Strahlung sein. Beim Durchlaufen der elektromagnetischen Strahlung 105 des Strahlteilers 201 geht keine Energie am Strahlteiler 201 verloren. Im gezeigten Beispiel durchläuft die elektromagnetische Strahlung 105 weiterhin ein optisches Bauteil 202, welches auf die Phase von elektromagnetischer Strahlung wirkt. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein λ/4-Plättchen handeln, welches im Beispiel die z.B. vertikal linear polarisierte in z.B. rechts zirkular polarisierte elektromagnetische Strahlung 105 umwandeln kann. Weiterhin kann die elektromagnetische Strahlung 105 eine optische Linse 107 durchlaufen. Weiterhin kann die elektromagnetische Strahlung 105 einen optischen Filter 203 durchlaufen. Im Beispiel wird die nun z.B. rechts zirkular polarisierte elektromagnetische Strahlung 105 in die Umgebung des Lidar-Sensors ausgesandt. Dort kann sie an einem Objekt gestreut und/oder reflektiert werden. Die vom Objekt zurückgestreute und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung 106 kann entweder polarisiert, teilweise polarisiert oder unpolarisiert sein. Wird die im Beispiel ausgesendete, zirkular polarisierte elektromagnetische Strahlung 105 z.B. an einem metallischen Objekt reflektiert, so kann sie einen Phasensprung um eine halbe Wellenlänge erfahren und ist anschließend links zirkular polarisiert. Die zurück gestreute und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung 106 kann auf den Lidar-Sensor gelangen. Sie durchläuft beispielsweise den optischen Filter 203 und kann von der optische Linse 107 gebrochen werden. Durchläuft die elektromagnetische Strahlung 106 auf dem Weg zur Empfangseinheit wiederum ein Bauteil 202, kann die Phase der elektromagnetischen Strahlung 106 verändert werden. Im Beispiel kann links zirkular polarisierte elektromagnetische Strahlung 106 durch das λ/4-Plättchen 202 in horizontal linear polarisierte elektromagnetische Strahlung 106 umgewandelt werden. Diese kann anschließend an dem Strahlteiler 201, der für horizontal linear polarisierte elektromagnetische Strahlung reflektiv ist, reflektiert werden. Sie kann als elektromagnetische Strahlung 106b auf die in der Brennebene 109-2 liegende Empfangseinheit 103 oder die Kombination 204b fokussiert werden. Es kann entsprechend davon ausgegangen werden, dass Signale, die von der Empfangseinheit 103 oder der Kombination 204b empfangen werden, durch die Reflexion an einem metallischen Objekt verursacht worden sind. Wird die ausgesendete elektromagnetische Strahlung 105 hingegen zum Beispiel an einem nicht-metallischen Objekt reflektiert, so kann die z.B. rechts zirkulare Polarisation als unpolarisiertes Licht von dem Objekt reflektiert werden. Im Beispiel wird die zurück gestreute und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung 106 durch das A/4-Plättchen 202 nicht verändert und teilt sich anschließend am Strahlteiler 201 in zwei Teilstrahlen auf. Ein Teil kann als Strahlung 106a auf die in der Brennebene 109-1 liegende Kombination 204a und ein anderer Teil als Strahlung 106b auf die in der Brennebene 109-2 liegende Kombination 204b fokussiert werden.
In 4 ist eine weitere Möglichkeit der räumlichen Anordnung einer Sendeeinheit 102 und einer Empfangseinheit 103 gezeigt. Beispielsweise kann ein Lidar-Sensor eine Kombination 204a in einer Brennebene 109-1 (siehe 3) und eine Kombination 204b in einer Brennebene 109-2 (siehe 3) aufweisen. Die beiden Kombinationen 204a und 204b können parallel zur Rotationsachse der rotierenden Einheit 101 ausgerichtet und um einen Abstand 402 in den Brennebenen 109-1 und 109-2 zueinander versetzt angeordnet sein. Der Abstand 402 kann beispielsweise genau einem halben Barren-Pitch entsprechen. Unter einem Barren-Pitch kann der zentrale Abstand zwischen den Laserdioden eines Laserbarrens oder einer Lasermatrix verstanden werden. Unter einem Barren-Pitch kann auch die räumliche Ausdehnung einer Laserdiode entlang der Achse eines eindimensionalen Laserbarrens bzw. entlang einer Achse einer zweidimensionalen Lasermatrix verstanden werden. In 4 ist beispielhaft der Barren-Pitch 401 der Laserdiode 102-1 des Laserbarren 102 gezeigt. Durch den Versatz der beiden Kombinationen 204a und 204b kann die Winkelauflösung entlang einer parallel zur Rotationsachse der rotierenden Einheit 101 gelegenen Achse verdoppelt werden.
In 5 ist ein Lidar-Sensors auf einer rotierenden Einheit 101 mit einem Strahlteiler 201 als Teil des refraktiven Elements, sowie zwei Empfangseinheiten und zwei Sendeeinheiten gezeigt. Die zwei Sendeeinheiten und die zwei Empfangseinheiten sind jeweils Teil der zwei Kombinationen 204a und 204b. Weiterhin weist der Lidar-Sensor in diesem Ausführungsbeispiel zwei optische Linsen 107a und 107b auf. Die erste optische Linse 107a kann somit zusammen mit dem Strahlteiler 201 ein erstes refraktives Element ausbilden. Die optische Linse 107a kann auf elektromagnetische Strahlung, die entlang der optischen Achse 108a der optischen Linse 107a ausgesendet oder empfangen wird, refraktiv wirken. Die zweite optische Linse 107b kann zusammen mit dem Strahlteiler 201 ein zweites refraktives Element ausbilden. Die optische Linse 107b kann auf elektromagnetische Strahlung, die entlang der optischen Achse 108b der optischen Linse 107b ausgesendet oder empfangen wird, refraktiv wirken. Durch das Vorhandensein des Strahlteiles 201 weist jedes der beiden refraktiven Elemente zwei Brennebenen auf. Das erste refraktive Element bildet eine erste Brennebene 109a-1 und eine zweite Brennebene 109a-2 aus. Das zweite refraktiven Element bildet eine erste Brennebene 109b-1 und eine zweite Brennebene 109b-2 aus. Da im gezeigten Beispiel derselbe Strahlteiler 201 jeweils Teil der beiden refraktiven Elemente ist, kann die Brennebene 109a-1 identisch mit der Brennebene 109b-2 sein und die Brennebene 109a-2 kann identisch mit der Brennebene 109b-1 sein. Entlang der optischen Achse der optischen Linse 107a können sich weiterhin ein optischer Filter 203a und/oder ein optisches Bauteil 202a, welches auf die Phase der transmittierten elektromagnetischen Strahlung wirkt, befinden. Entlang der optischen Achse der optischen Linse 107b können sich weiterhin ein optischer Filter 203b und/oder ein optisches Bauteil 202b, welches auf die Phase der transmittierten elektromagnetischen Strahlung wirkt, befinden. Die Anordnung der verschiedenen optischen Bauteile entlang der optischen Achsen kann hierbei der Anordnung entsprechen, wie sie in 2 gezeigt wurde. Alternativ kann auch die in 5 gezeigte Anordnung gewählt werden. Im Vergleich zu 2 ist hier die Reihenfolge der optischen Bauteile anders. Außerdem sind die Bauteile sehr kompakt angebracht. Auf diese Weise können viele Justage-Freiheitsgrade durch mechanischen Anschlag eliminiert werden.
Die beiden in 5 gezeigten Kombinationen 204a und 204b können Laserdioden aufweisen, die der Art sind, dass sich die Wellenlänge der von den Laserdioden der Kombination 204a ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung 105 von der Wellenlänge der von den Laserdioden der Kombination 204b ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung 105 unterscheidet. Die optischen Filter 203a und 203b können jeweils einen für die verschiedenen Wellenlängen passenden Bandpass aufweisen. Die Detektionskanäle der Kombinationen 204a und 204b können empfindlich für beide Wellenlängen der empfangenen elektromagnetischen Strahlung 106 sein. Die Detektionskanäle der Kombinationen 204a und 204b können empfindlich für jeweils eine der beiden Wellenlängen der empfangenen elektromagnetischen Strahlung 106 sein. Es ist möglich, dass die beiden Kombinationen 204a und 204b unterschiedliche Empfindlichkeiten für die beiden Wellenlängen der empfangenen elektromagnetischen Strahlung 106 aufweisen. Mit einem derartigen Lidar-Sensor können Messungen mit elektromagnetischer Strahlung zweier Wellenlängen gleichzeitig ausgeführt werden. Durch derartige Zweitmessungen kann das Vorhandensein eines erfassten Objekts durch eine Messung mit elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Wellenlänge verifiziert werden. Das Verwenden elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen kann je nach Wellenlänge spezifische Vorteile und/oder Nachteile zum Beispiel bezüglich atmosphärischer Dämpfung und/oder Reflektivitäten von Objekten aufweisen. Durch das Verwenden elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen können somit mehr Objekte, gegebenenfalls auch mit höherer Genauigkeit, erfasst werden.
Das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Lidar-Sensors entspricht dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel, wobei die Kombination 204b durch eine Empfangseinheit 103 ersetzt wurde. Weiterhin kann zwischen dem Strahlteiler 201 und der Kombination 204a eine Flüssigkristall-Retardereinheit 601 vorhanden sein. Die Flüssigkristall-Retardereinheit 601 kann derart angesteuert werden, dass sie auf die Polarisation der von der Kombination 204a ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung 105 wirkt. Die Polarisation der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung 105 kann derart eingestellt werden, dass sie von einem polarisationsselektiven Strahlteiler 201 transmittiert und entlang der optischen Achse 108a der optischen Linse 107a in die Umgebung ausgesendet wird. Die Polarisation der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung 105 kann alternativ derart eingestellt werden, dass sie von den polarisationsselektiven Strahlteiler 201 reflektiert und entlang der optischen Achse 108b der optischen Linse 107b in die Umgebung ausgesendet wird.
Die bereits genannte Möglichkeit, dass ein Objekt, welches sich innerhalb eines Winkelbereichs in der Umgebung des Lidar-Sensors befindet, sowohl von der einen als auch von der anderen Empfangseinheit zu erfassen, ist in 7 näher dargestellt. Das dort gezeigte Verfahren bedient sich beispielsweise eines Lidar-Sensors wie in 5 oder 6 beschrieben wurde. Der Lidar-Sensor kann zwei Sendeeinheiten entweder als zwei Sendeeinheiten 102a und 102b oder als Teil zweier Kombinationen 204a und 204b aufweisen. Der Lidar-Sensor kann außerdem zwei Empfangseinheiten, entweder als zwei Empfangseinheiten 103a und 103b oder als Teil zweier Kombinationen 204a und 204b aufweisen. Der Einfachheit halber ist in 7 jeweils nur eine Kombination 204a und eine Kombination 204b gezeigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Lidar-Sensor einen Winkelbereich 701 erfassen, der auf der einen Seite durch die Grenze 703 und auf der anderen Seite durch die Grenze 704 definiert sein kann. Der Winkelbereich kann wie in 7 gezeigt 120° betragen. Der Winkelbereich kann jedoch auch jeden anderen beliebigen Winkel zwischen 0° und 360° sein. Der Winkelbereich kann auch 360° sein. Das Erfassen des Winkelbereich 701 kann dadurch realisiert werden, dass die rotierende Einheit 101 derart angesteuert wird, dass elektromagnetische Strahlung unter dem Winkelbereich 701 ausgesendet wird. Der Lidar-Sensor kann außerdem elektromagnetische Strahlung aus dem Winkelbereich 701 empfangen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann in einem ersten Schritt von einer Kombination 204a beispielsweise elektromagnetische Strahlung 105a einer ersten Wellenlängen vom Strahlteiler 201 transmittiert und entlang der optischen Achse 108a der optischen Linse 107a ausgesandt werden. Diesen Schritt veranschaulicht 7A. In der Umgebung kann die elektromagnetische Strahlung an einem Objekt reflektiert werden und anschließend vom Lidar-Sensor empfangen werden. Je nach Polarisation und/oder Wellenlängen kann die elektromagnetische Strahlung beispielsweise von der Kombination 204a oder 204b empfangen werden. Anschließend kann die rotierende Einheit 101 beispielsweise derart angesteuert werden, dass sie in die Richtung 702 rotiert. Die Rotation kann derart erfolgen, dass im nächsten Schritt von einer Kombination 204b beispielsweise elektromagnetische Strahlung 105b einer zweiten Wellenlängen vom Strahlteiler 201 transmittiert und entlang der optischen Achse 108b der optischen Linse 107b ausgesendet werden kann. In der Umgebung kann die elektromagnetische Strahlung an einem Objekt reflektiert werden und anschließend vom Lidar-Sensor empfangen werden. Je nach Polarisation und/oder Wellenlängen kann die elektromagnetische Strahlung beispielsweise von der Kombination 204a oder 204b empfangen werden.
Das Aussenden der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Schritt kann in der gleichen Richtung bzw. unter dem gleichen Winkel innerhalb des Winkelbereich 701 wie beim ersten Schritt stattfinden. Im Ausführungsbeispiel würde dies bedeuten, dass die ausgesandte elektromagnetische Strahlung 105a bzw. 105b in beiden Schritten parallel zur Grenze 703 des Winkelbereich 701 ausgesandt wird. Alternativ kann die im zweiten Schritt ausgesandte elektromagnetische Strahlung 105b auch wie in 7B gezeigt unter einem anderen Winkel bzw. in eine andere Richtung 705 in den Winkelbereich 701 ausgesandt werden. Die Ansteuerung der rotierenden Einheit 101 kann auch derart erfolgen, dass die elektromagnetische Strahlung in einer zufällig bestimmten zeitlichen Reihenfolge unter jedem Winkel des Winkelbereichs ausgesandt und/oder empfangen wird. Alternativ oder zusätzlich können die einzelnen Sendelaser jeder Sendeeinheit 102a und/oder 102b in einer zufällig bestimmten zeitlichen Reihenfolge betrieben werden.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lidar-Sensors. Ähnlich wie in 5 oder 6 gezeigt, weist der Lidar-Sensor einen Strahlteiler 201 auf, der jeweils Teil zweier refraktiver Elemente ist. Im Ausführungsbeispiel der 8 weist der Lidar-Sensor die räumlich voneinander getrennten Sendeeinheiten 102a und 102b und Empfangseinheiten 103a und 103b auf. Durch die räumliche Trennung der Sendeeinheiten 102a und 102b von den Empfangseinheiten 103a und 103b kann eine elektromagnetische Störung der Empfangseinheiten 103a und 103b durch ausgesendete elektromagnetische Strahlung 105 der Sendeeinheiten 102a und 102b vermieden werden. Die räumliche Trennung kann im Ausführungsbeispiel dadurch realisiert werden, dass der Strahlteiler 201 in seiner räumlichen Ausdehnung größer ist, als die optischen Linsen 107a und 107b. 8A zeigt wie beispielsweise die elektromagnetische Strahlung 105a von der Sendeeinheit 102a in die Umgebung ausgesandt werden kann. Die empfangene elektromagnetische Strahlung 106a kann beispielsweise am Strahlteiler 201 reflektiert werden und auf die Empfangseinheit 103a treffen. 8B zeigt wie beispielsweise die elektromagnetische Strahlung 105b von der Sendeeinheit 102b in die Umgebung ausgesandt werden kann. Die empfangene elektromagnetische Strahlung 106b kann beispielsweise am Strahlteiler 201 reflektiert werden und auf die Empfangseinheit 103b treffen. Sowohl die ausgesendete elektromagnetische Strahlung 105a und 105b, sowie auch die empfangene elektromagnetische Strahlung 106a und 106b können jeweils voneinander verschiedene Wellenlängen und/oder Polarisationen aufweisen.
In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lidar-Sensors gezeigt. Dieser weist einen Strahlteiler 201 als Teil eines refraktiven Elements auf. Weiterhin weist er eine Sendeeinheit 102 und zwei, von der Sendeeinheit 102 sowie auch voneinander räumlich getrennte Empfangseinheiten 103a und 103b auf. Die räumliche Trennung kann auch hier wiederum vorteilhaft dafür sein, dass elektromagnetische Störungen der Empfangseinheiten 103a und 103b vermieden werden können. Im Ausführungsbeispiel ist die Sendeeinheit 102 in einer durch den Doppelpfeil markierten Richtung polarisiert. Die von der Sendeeinheit 102 ausgesandte elektromagnetische Strahlung 105 wird am polarisationsselektiven Strahlteiler 201 reflektiert und in die Umgebung ausgesandt. Je nach den physikalischen Eigenschaften eines Objekts in der Umgebung, an dem die elektromagnetische Strahlung reflektiert wird, kann sich die Polarisation der elektromagnetischen Strahlung durch die Reflexion ändern. Die Empfangseinheit 103a kann dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung 106a zu empfangen, welche beim Auftreffen auf die Empfangseinheit 103a in einer durch den Doppelpfeil markierten Richtung polarisiert ist. Im Ausführungsbeispiel unterscheidet sich diese von der Polarisation der von der Sendeeinheit 102 ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung 105. Elektromagnetische Strahlung 106b, welche beim Auftreffen auf die Empfangseinheit 103b in einer durch den dort positionierten Doppelpfeil markierten Richtung polarisiert ist, kann von dieser Empfangseinheit 103b empfangen werden. Auch mit einem derartigen Lidar-Sensor kann ein Objekt, welches sich innerhalb eines Winkelbereichs in der Umgebung des Lidar-Sensors befindet, sowohl von der einen Empfangseinheit 103a als auch von der anderen Empfangseinheit 103b erfasst werden. Auch hier kann das Verifizieren einer ersten Messung durch eine zweite Meesung erfolgen.
In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lidar-Sensors gezeigt. Dieser weist zwei refraktive Elementen auf, die jeweils eine optische Linse 107a bzw. 107b und einen Strahlteiler 201a bzw. 201b aufweisen. Die Sendeeinheit 102a kann hierbei elektromagnetische Strahlung 105a aussenden, deren Polarisation sich von der Polarisation der von der Sendeeinheit 102b ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung 105b unterscheiden kann. Weiterhin weist der Lidar-Sensor zwei Sendeeinheiten 102a und 102b und zwei, von den Sendeeinheiten 102a und 102b, sowie auch voneinander räumlich getrennte Empfangseinheiten 103a und 103b auf. Die räumliche Trennung kann auch hier wiederum vorteilhaft dafür sein, dass elektromagnetische Störungen der Empfangseinheiten 103a und 103b vermieden werden können. Auch mit einem derartigen Lidar-Sensor kann ein Objekt, welches sich innerhalb eines Winkelbereichs in der Umgebung des Lidar-Sensors befindet, sowohl von der einen Empfangseinheit 103a als auch von der anderen Empfangseinheit 103b erfasst werden.
11 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Erfassung des Nahbereich mittels eines Lidar-Sensors. Eine elektromagnetische Störung einer nahe an einer Empfangseinheit 103 positionierten Sendeeinheit 102 kann möglich sein. Dies kann durch die Ausnutzung des sogenannten Selfmixing Interference in der Sendeeinheit 102 realisiert werden. Die Sendeeinheit 102 kann als ein Oberflächenemitter (VCSEL, vertical-cavity surface-emitting laser) ausgebildet sein.
12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Lidar-Sensors mit einem holographischen optischen Element 1201 als Strahlteiler. Wie in den anderen Ausführungsbeispiel beschrieben, weist der Lidar-Sensor eine rotierende Einheit 101 auf. Auf dieser befindet sich eine Empfangseinheit 102, welche in der einen Brennebene 109-1 des refraktiven Elements positioniert ist. In einer zweiten Brennebene 109-2 ist eine Empfangseinheit 103 positioniert. Es ist wiederum möglich, dass in einer und/oder in beiden Brennebenen alternativ Kombinationen 204a und/oder 204b aus Sendeeinheit und Empfangseinheit positioniert sind. Das refraktive Element wird im Ausführungsbeispiel ausgebildet aus einer optischen Linse 107 mit einem holographischen optischen Element 1201. Zwischen der Oberfläche des holographischen optischen Elements 1201 und der optischen Achse 108 der optischen Linse 107 bildet sich ein Winkel 1202 aus. Das holographische optische Element 1201 kann polarisationsselektiv sein. Es kann sich zusammensetzen aus einem Stapel aus transmissiven holographischen optischen Elementen für eine erste Polarisation und einem Reflexion-holographischen optischen Element für eine zweite Polarisation. Es können alternativ auch anisotope holographische Materialien zur Ausbildung des holographischen optischen Elements 1201 verwendet werden. In diesem Fall ist es möglich, dass immer nur eine definierte Polarisation der elektromagnetischen Strahlung an der holographischen optischen Struktur gebeugt wird. Der Lidar-Sensor kann ein optisches Bauteil 202, das auf die Phase der transmittierten elektromagnetischen Strahlung wirkt, aufweisen. Die Wirkung der einzelnen optischen Elemente auf die ausgesandte elektromagnetische Strahlung 105 und die empfangene elektromagnetische Strahlung 106 entspricht der in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Wirkungen der dortigen optischen Elemente. Es ist weiterhin möglich, dass die Positionen der Sendeeinheit 102 und der Empfangseinheit 103 vertauscht sind. Die Empfangseinheit 102 kann auch in der zweiten Brennebene 109-2 positioniert sein, wobei dann die Empfangseinheit 103 in der Brennebene 109-1 positioniert ist. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Beugungseffizienz des holographischen optischen Elements 1201 nicht 100% beträgt. In diesem Fall wird die von der Sendeeinheit 102 ausgesendete elektromagnetische Strahlung 105 nicht zu 100% am holographischen optischen Element 1201 gebeugt und in die Umgebung ausgesandt. Dieser Verlust kann durch eine höhere Leistung der Sendeeinheit 102 ausgeglichen werden. Auf den Empfangspfad würde sich in diesem Beispiel die geringere Beugungseffizienz nicht negativ auswirken, sondern im Gegenteil sogar positiv. Die empfangene elektromagnetische Strahlung 106 kann effizient durch das holographische optische Element 1201 durchgelassen werden.
In 12A ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Sendeeinheit 102 auf der optischen Achse 108 der optischen Linse 107 positioniert ist. Dies kann als sogenannte Inline-Geometrie bezeichnet werden. Da holographische optische Elemente mit verschiedenen Einfallswinkeln und Ausfallswinkeln dargestellt werden können, können beispielsweise auch andere Bauformen realisiert werden. So ist die Sendeeinheit 102 in dem in 12B gezeigten Ausführungsbeispiel nicht auf der optischen Achse 108 der optischen Linse 107 positioniert, sondern versetzt davon auf der Brennebene 109-1 angeordnet. Dies kann als sogenannte Off-Axis-Bauform bezeichnet werden. Der Winkel 1202 des in 12B gezeigten Ausführungsbeispiels ist hierbei verschieden zu dem Winkel 1202 des in 12A gezeigten Ausführungsbeispiels. Zusätzlich kann auch die Position der Empfangseinheit 103 verschieden gewählt werden. Die optische Linse 107 kann in den gezeigten Ausführungsbeispielen optional sein. Ihre Funktion kann auch von dem polarisationsselektiven holographischen optischen Element 1201 übernommen werden. Hierfür kann das holographische optische Element 1201 selber eine Fokussierfunktion aufweisen. Das holographische optische Element 1201 kann weiterhin auch eine Wellenlängenselektivität aufweisen. Hierdurch kann es auch eine Filterfunktion besitzen, und je nach genauem Aufbau des Lidar-Sensors bzw. der Meßanwendungen den optischen Filter 203 ersetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 15026471 [0003]

Claims

Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung umfassend • mindestens eine Sendeeinheit (102, 102a, 102b, 204, 204a, 204b) zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung (105, 105a, 105b), • mindestens eine Empfangseinheit (103, 103a, 103b, 204, 204a, 204b) zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung (106, 106a, 106b), die vom Objekt reflektiert wurde, • mindestens ein refraktives Element, welches zumindestens teilweise durchlässig für die elektromagnetische Strahlung (105, 105a, 105b, 106, 106a, 106b) ist, • eine rotierende Einheit (101), die wenigstens das mindestens eine refraktive Element, die mindestens eine Sendeeinheit (102, 102a, 102b, 204, 204a, 204b) und die mindestens eine Empfangseinheit (103, 103a, 103b, 204, 204a, 204b) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass • das mindestens eine refraktive Element wenigstens eine optische Linse (107, 107a, 107b) und einen Strahlteiler (201, 201a, 201b, 1201) zur Teilung der elektromagnetischen Strahlung (105, 105a, 105b, 106, 106a, 106b) umfasst, wobei zwei Brennebenen (109, 109-1, 109-2, 109a-1, 109a-2, 109b-1, 109b-2) vorhanden sind, und dass • die mindestens eine Sendeeinheit (102, 102a, 102b, 204, 204a, 204b) und die mindestens eine Empfangseinheit (103, 103a, 103b, 204, 204a, 204b) in wenigstens einer Brennebene (109, 109-1, 109-2, 109a-1, 109a-2, 109b-1, 109b-2) mindestens eines refraktiven Elements positioniert sind.
Lidar-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (201, 201a, 201b, 1201) die elektromagnetische Strahlung (105, 105a, 105b, 106, 106a, 106b) polarisationsselektiv und/oder wellenlängenselektiv teilt.
Lidar-Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Strahlengang der Sendeeinheit (102, 102a, 102b, 204, 204a, 204b) und/oder der Empfangseinheit (103, 103a, 103b, 204, 204a, 204b) weitere wellenlängenselektive und/oder polarisationsselektive und/oder polarisationsverändernde Bauteile (202, 202a, 202b, 203, 203a, 203b, 601) vorgesehen sind.
Lidar-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler durch ein polarisationsselektives und/oder wellenlängenselektives holographisches Element (1201) ausgebildet ist.
Lidar-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sendeeinheit (102, 102a, 102b, 204, 204a, 204b) dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung (105, 105a, 105b) eines selektiven Wellenlängenbereichs und/oder einer selektiven Polarisationsrichtung auszusenden.
Lidar-Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lidar-Sensor mindestens zwei Sendeeinheiten (102a, 102b, 204a, 204b) umfasst und wobei sich der Wellenlängenbereich und/oder die Polarisationsrichtung der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung (105a) der ersten Sendeeinheit (102a, 204a) von dem Wellenlängenbereich und/oder der Polarisationsrichtung der ausgesendeten elektromagnetischen (105b) Strahlung der zweiten Sendeeinheit (102b, 204b) unterscheidet.
Lidar-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Empfangseinheit (103, 103a, 103b, 204, 204a, 204b) dafür ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung (106, 106a, 106b) eines bestimmten Wellenlängenbereichs und/oder einer bestimmten Polarisationsrichtung zu empfangen.
Lidar-Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lidar-Sensor mindestens zwei Empfangseinheiten (103a, 103b, 204a, 204b) umfasst und wobei sich der Wellenlängenbereich und/oder die Polarisationsrichtung der von der ersten Empfangseinheit (103a, 204a) empfangenen elektromagnetischen Strahlung (106a) von dem Wellenlängenbereich und/oder der Polarisationsrichtung der von der zweiten Empfangseinheit (103b, 204b) empfangenen elektromagnetischen Strahlung (106b) unterscheidet.
Lidar-Sensor einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass • die mindestens eine Sendeeinheit (102, 102a, 102b, 204, 204a, 204b) ein Laser, bevorzugt ein Laserbarren oder eine Lasermatrix, und • die mindestens eine Empfangseinheit (103, 103a, 103b, 204, 204a, 204b) ein lineares Detektorarray oder ein 2-dimensionales Detektorarray ist.
Lidar-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lidar-Sensor mindestens zwei Empfangseinheiten (103a, 103b, 204a, 204b) umfasst, wobei • die eine Empfangseinheit (103a, 204a) in einer ersten Brennebene (109a-1, 109b-2) positioniert ist und wobei • die andere Empfangseinheit (103b, 204b) in einer zweiten, parallel zur ersten Brennebene (109a-1, 109b-2) ausgerichteten, Brennebene (109b-1, 109a-2) positioniert ist, und wobei • die zwei Empfangseinheiten um einen vorgegebenen Abstand (402) entlang der Ausrichtung der Brennebenen (109-1, 109-2, 109a-1, 109a-2, 109b-1, 109b-2) zueinander versetzt angeordnet sind.
Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors zur Erfassung eines Objektes in der Umgebung, wobei der Lidar-Sensor umfasst • mindestens eine Sendeeinheit (102, 102a, 102b, 204, 204a, 204b) zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung (105, 105a, 105b), • mindestens eine Empfangseinheit (103, 103a, 103b, 204, 204a, 204b) zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung (106, 106a, 106b), die vom Objekt reflektiert wurde, • mindestens ein refraktives Element, welches zumindestens teilweise durchlässig für die elektromagnetische Strahlung (105, 105a, 105b, 106, 106a, 106b) ist, • eine rotierende Einheit (101), die wenigstens das mindestens eine refraktive Element, die mindestens eine Sendeeinheit (102, 102a, 102b, 204, 204a, 204b) und die mindestens eine Empfangseinheit (103, 103a, 103b, 204, 204a, 204b) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass • das mindestens eine refraktive Element wenigstens eine optische Linse (107, 107a, 107b) und einen Strahlteiler (201, 201a, 201b, 1201) zur Teilung der elektromagnetischen Strahlung (105, 105a, 105b, 106, 106a, 106b) umfasst, wobei zwei Brennebenen (109, 109-1, 109-2, 109a-1, 109a-2, 109b-1, 109b-2) vorhanden sind, und dass • die mindestens eine Sendeeinheit (102, 102a, 102b, 204, 204a, 204b) und die mindestens eine Empfangseinheit (103, 103a, 103b, 204, 204a, 204b) in wenigstens einer Brennebene (109, 109-1, 109-2, 109a-1, 109a-2, 109b-1, 109b-2) mindestens eines refraktiven Elements positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass • der Lidar-Sensor mindestens zwei Empfangseinheiten (103a, 103b, 204a, 204b) gemäß Anspruch 8 umfasst, und dass • das Empfangen der elektromagnetischen Strahlung (106a, 106b) derart erfolgt, dass elektromagnetische Strahlung (106a, 106b), die von einem Objekt innerhalb eines Winkelbereichs (701) reflektiert wird, in einem Schritt von der einen Empfangseinheit (103a, 204a) und in einem anderen Schritt von der anderen Empfangseinheit (103b, 204b) empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass • das Empfangen der elektromagnetischen Strahlung (106, 106a, 106b) derart erfolgt, dass die elektromagnetische Strahlung (106, 106a, 106b) in einer zufällig bestimmten zeitlichen Reihenfolge unter jedem Winkel (705) des Winkelbereichs (701) von der mindestens einen Empfangseinheit (103, 103a, 103b, 204, 204a, 204b) empfangen wird und/oder dass • das Aussenden der elektromagnetischen Strahlung (105, 105a, 105b) derart erfolgt, dass die Sendelaser (102-1, 102-2, 102-3, 102-4) der Sendeeinheit (102, 102a, 102b, 204, 204a, 204b) in einer zufällig bestimmten zeitlichen Reihenfolge betrieben werden.