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Die Erfindung betrifft eine Empfängereinheit für eine Laserabtastvorrichtung, wobei die Empfängereinheit eine Konvexlinse mit einer Brennebene und einen Bildsensor umfasst, der in der Lage ist, Licht zu erfassen, das durch die Konvexlinse hindurchgetreten ist. Die Erfindung betrifft auch eine Laserabtastvorrichtung, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Erfassen von Licht mittels einer Empfängereinheit.
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Verschiedene Laserabtastvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie Lidars oder Projektoren. Insbesondere für fahrzeugbezogene Anwendungen ist das erforderliche Abtastsichtfeld, insbesondere in der horizontalen Richtung, gewöhnlich sehr groß, beispielsweise 150°. Die Abmessungen eines Bi Idsensors sollten sehr klein sein, da der Preis von solchen Bildsensoren von der Bildsensorfläche abhängt. Somit wäre einerseits für normale, kleine Bildsensoren eine Linse mit einer kurzen Brennweite zum Bereitstellen eines großen Sichtfeldes erforderlich. Um genügend Licht zu sammeln, um ein effektives empfangenes Signal zu erhalten, sollte andererseits die effektive Apertur einer solchen Empfängerlinse so groß wie möglich sein. Somit wäre eine Linse mit einer äußerst kleinen Blendenzahl erforderlich, die als Brennweite dividiert durch die Apertur definiert ist. Nominal ist jedoch der minimale Wert für die Blendenzahl in der Realität ungefähr 0,7 für herkömmliche Abbildungslinsen, was immer noch von der erforderlichen Blendenzahl von Linsen weit entfernt wäre, die für die vorstehend genannten Anwendungen geeignet sind. Überdies ist eine einzelne Linse mit einer niedrigen Blendenzahl auch schwierig herzustellen und daher ebenso teuer. Eine Möglichkeit zum Verwirklichen eines großen Sichtfeldes wäre die Verwendung einer Fischaugenlinse. Nominal sind jedoch solche Fischaugenlinsen sehr teuer und leiden insbesondere unter dem Nachteil, dass ihre effektive Apertur im Vergleich zu ihrem Durchmesser sehr klein ist. Zum Bereitstellen einer hohen Erfassungsqualität und gleichzeitig eines großen Sichtfeldes stehen daher bis jetzt nur teure Lösungen zur Verfügung, wie die Verwendung von großen und teuren Bildsensoren.
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Empfängereinheit, eine Laserabtastvorrichtung, ein Fahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, die eine hohe Erfassungsqualität und gleichzeitig eine kostengünstige Ausgestaltung ermöglichen, die insbesondere die Verwendung von preiswerteren Bildsensoren ermöglichen. Insbesondere ist es eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, ferner die Möglichkeit zu schaffen, ein großes Sichtfeld mit einer großen Apertur gleichzeitig in einer kostengünstigen Weise zu verwirklichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Empfängereinheit, eine Laserabtastvorrichtung, ein Fahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Die Empfängereinheit für eine Laserabtastvorrichtung gemäß der Erfindung umfasst eine erste Konvexlinse, die eine erste Brennebene aufweist, und einen Bildsensor, der in der Lage ist, Licht zu erfassen, das durch die erste Konvexlinse hindurchgetreten ist. Überdies umfasst die Empfängereinheit eine erste optische Einheit, die zwischen der ersten Konvexlinse und dem Bildsensor angeordnet ist, wobei die erste optische Einheit dazu ausgelegt ist, Licht, das durch einen bestimmten Bereich der Brennebene der ersten Konvexlinse hindurchtritt, auf einen bestimmten Bereich des Bildsensors zu projizieren, so dass der bestimmte Bereich des Bildsensors kleiner ist als der bestimmte Bereich der Brennebene.
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Durch Vorsehen einer ersten optischen Einheit zwischen der Konvexlinse und dem Bildsensor ist es somit möglich, den Brennpunktbereich effektiv zu verkleinern, was bedeutet, dass eine erste Konvexlinse verwendet werden kann, die einen Brennpunktbereich aufweist, der zumindest in einer Richtung viel größer ist als die Größe des tatsächlichen Bildsensorchips zumindest in dieser Richtung. Dies ermöglicht beispielsweise eine große Brennweite der Konvexlinse, die ferner eine große effektive Apertur aufweist, die mehr Licht sammeln kann und das empfangene Signal verstärken kann, und gleichzeitig kann die Größe des Bildsensors klein gehalten werden. Daher kann eine sehr kostengünstige Empfängereinheit bereitgestellt werden, da weder Linsen mit äußerst niedriger Blendenzahl noch Bildsensoren mit einer großen Größe erforderlich sind.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängereinheit mindestens eine zweite Konvexlinse und mindestens eine zweite optische Einheit, die zwischen der mindestens einen zweiten Konvexlinse und dem Bildsensor angeordnet ist, wobei die erste Konvexlinse einem ersten Sichtfeld zugeordnet ist und die mindestens eine zweite Konvexlinse mindestens einem zweiten Sichtfeld zugeordnet ist, wobei das erste und das mindestens eine zweite Sichtfeld ein Gesamtsichtfeld der Empfängereinheit bilden, wobei das Gesamtsichtfeld größer ist als das jeweils das erste und das mindestens eine zweite Sichtfeld.
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Gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform können ein sehr großes Gesamtsichtfeld und eine große Apertur der Empfängereinheit gleichzeitig verwirklicht werden. Somit kann vorteilhafterweise ein großes Gesamtsichtfeld als Zusammensetzung der einzelnen Sichtfelder bereitgestellt werden, die den jeweiligen Konvexlinsen zugeordnet sind. Insbesondere kann wieder mittels der jeweiligen optischen Einheiten, die zwischen den jeweiligen Konvexlinsen und dem Bildsensor angeordnet sind, Licht, das durch die Konvexlinsen hindurchtritt, vorteilhaft durch ein und denselben Bildsensor erfasst werden. Und folglich kann das Gesamtsichtfeld ohne Notwendigkeit von mehreren oder größeren Bildsensoren vergrößert werden. Wiederum kann der Brennpunktbereich jeder Konvexlinse viel größer sein als die Größe des tatsächlichen Bildsensorchips. Hier muss der Brennpunktbereich als Bereich der Brennebene der Konvexlinse verstanden werden, auf den parallele Lichtstrahlen, die durch die Linse aus unterschiedlichen Richtungen hindurchtreten, fokussiert werden können. Insbesondere da ein erforderliches Gesamtsichtfeld in kleine Sichtfelder aufgeteilt werden kann, die jeweils einer Konvexlinse zugeordnet sind, kann die Anforderung für eine niedrige Blendenzahl der Konvexlinsen weiter gelockert werden und ein noch größeres Sichtfeld mit einer noch größeren Apertur kann durch diese vorteilhafte Ausführungsform ohne Notwendigkeit irgendeines größeren Bildsensorchips bereitgestellt werden. Somit können auch die Konvexlinsen in einer noch kostengünstigeren Weise hergestellt werden und weder teure Fischaugenlinsen noch teure Bildsensoren sind erforderlich.
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Überdies muss das Sichtfeld, das der Konvexlinse zugeordnet ist, nämlich der ersten und mindestens einen zweiten Konvexlinse, nicht notwendigerweise als Sichtfeld der Konvexlinse selbst verstanden werden, sondern vielmehr als effektives Sichtfeld der Kombination der Konvexlinse, der jeweiligen optischem Einheit und des Bildsensors. Vorzugsweise sind jedoch der Bildsensor und die jeweiligen optischen Einheiten derart ausgestaltet, dass das ganze Sichtfeld von jeder Konvexlinse zumindest in einer Richtung, insbesondere einer horizontalen Richtung im Hinblick auf die beabsichtigte Anordnungsposition der Empfängereinheit an einem Fahrzeug, durch den Bildsensor erfasst werden kann.
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Vorzugsweise weist die erste Konvexlinse eine erste optische Achse auf und die mindestens eine zweite Konvexlinse weist eine zweite optische Achse auf, wobei die erste optische Achse und die zweite optische Achse sich schneiden und in einer vordefinierten Ebene liegen. Insbesondere kann diese vordefinierte Ebene mit einer horizontalen Ebene in Bezug auf die beabsichtigte Anordnungsposition der Empfängereinheit an einem Fahrzeug übereinstimmen. Falls die Empfängereinheit mehr als zwei Konvexlinsen umfasst, schneiden sich auch vorzugsweise die optischen Achsen dieser jeweiligen Konvexlinsen und liegen in derselben vordefinierten Ebene. Folglich kann ein sehr großes Gesamtsichtfeld bereitgestellt werden, das sich über einen großen Winkelbereich im Hinblick auf diese vordefinierte Ebene erstreckt. Somit kann insbesondere für fahrzeugbezogene Anwendungen ein sehr großes Gesamtsichtfeld in der horizontalen Ebene bereitgestellt werden. Für andere Anwendungen, die beispielsweise auch ein großes Sichtfeld in der vertikalen Richtung erfordern, können natürlich Konvexlinsen bereitgestellt werden, die derart angeordnet sind, dass ihre optischen Achsen nicht innerhalb einer einzelnen vordefinierten Ebene liegen, sondern beispielsweise in mehreren verschiedenen, wahlweise sich schneidenden Ebenen.
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Im Allgemeinen kann die Empfängereinheit jede beliebige Anzahl von Konvexlinsen und jeweiligen optischen Einheiten umfassen. Somit kann die Empfängereinheit mehrere einzelne Empfängersegmente umfassen, wobei jedes Segment eine Konvexlinse und eine jeweilige optische Einheit umfasst. Da auch die Komplexität des Systems mit einer zunehmenden Anzahl von Empfängersegmenten zunimmt, ist es jedoch bevorzugt, dass die Empfängereinheit beispielsweise nur zwei oder drei Konvexlinsen und jeweilige optische Einheiten, folglich nur zwei oder drei Empfängersegmente, umfasst, da dies die kosteneffizienteste Weise ist, um ein Gesamtsichtfeld von vorzugsweise 120°bis 180°, insbesondere von 150°, in mindestens einer definierten Ebene bereitzustellen, das vorzugsweise die optische Achse jeder Konvexlinse umfasst, und die vorzugsweise die horizontale Ebene im Hinblick auf die beabsichtigte Anordnungsposition der Empfängereinheit an einem Fahrzeug bildet.
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Um ein Gesamtsichtfeld von beispielsweise 150°bereitzustellen, können drei Konvexlinsen bereitgestellt werden, die jeweils ein Sichtfeld von 50°aufweisen, oder zwei Konvexlinsen können verwendet werden, die jeweils ein Sichtfeld von 75°aufweisen, zumindest im Hinblick auf die vorstehend genannte definierte Ebene. Die Sichtfelder der Konvexlinsen müssen jedoch nicht gleich groß sein, sie können auch voneinander verschieden sein. Um ein Gesamtsichtfeld in einer sehr effektiven Weise aufzuteilen, ist es bevorzugt, dass jede Konvexlinse einem Sichtfeld von mindestens 20°und im Hinblick auf mindestens eine definierte Ebene zugeordnet ist. Daher werden viel Flexibilität und viele Möglichkeiten zum Bilden eines großen Gesamtsichtfeldes bereitgestellt und daher ist die Empfängereinheit auf einfache Weise konfigurierbar und an viele verschiedene Situationen oder Anwendungen anpassungsfähig.
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Das Funktionsprinzip der Kombination der mindestens einen zweiten Konvexlinse und der zweiten optischen Einheit ist mit dem der Kombination der ersten Konvexlinse und der ersten optischen Einheit identisch. Daher gelten alle weiteren Ausführungsformen und Ausgestaltungen in Bezug auf das erste Empfängersegment, nämlich die erste Konvexlinse und die erste optische Einheit und Elemente davon, die im Folgenden genauer beschrieben werden, in gleicher Weise für jedes weitere Empfängersegment.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die erste optische Einheit eine erste optische Ablenkanordnung, die eine Vielzahl von verschiedenen vordefinierten Bereichen in verschiedenen Positionen aufweist, wobei jeder Bereich einem jeweiligen ersten Einfallswinkelbereich zugeordnet ist, so dass das Licht, das auf die erste Konvexlinse in einem bestimmten ersten Einfallswinkelbereich auftrifft, in Richtung des zugehörigen Bereichs der ersten optischen Ablenkanordnung gelenkt wird, und wobei die erste optische Ablenkanordnung derart ausgestaltet ist, dass das Licht, das auf die unterschiedlichen vordefinierten Bereiche der ersten optischen Ablenkanordnung auftrifft, durch die erste optische Ablenkanordnung durchgelassen wird und dadurch in Richtung des Bildsensors abgelenkt wird, so dass es durch den Bildsensor in entsprechenden verschiedenen Bildsensorbereichen empfangen wird.
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Mittels der optischen Ablenkanordnung kann Licht umgelenkt und zu den korrekten Positionen des Bildsensors geleitet werden. Aufgrund der verschiedenen vordefinierten Bereiche der ersten optischen Ablenkanordnung können überdies verschiedene optische Kanäle bereitgestellt werden, die jeweils einem bestimmten Einfallswinkelbereich entsprechen. Dadurch kann ein räumlich aufgelöstes Bild der Umgebung der Empfängereinheit erfasst werden. Im Allgemeinen ist ein Einfallswinkel als Winkel zwischen einem einfallenden Lichtstrahl und einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Konvexlinse definiert.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die erste optische Einheit eine erste Mikrolinsenanordnung, die zwischen der ersten Konvexlinse und der ersten optischen Ablenkanordnung angeordnet ist, wobei die erste Mikrolinsenanordnung derart ausgestaltet ist, dass Licht, das auf die erste Konvexlinse in einem bestimmten ersten Einfallwinkelbereich auftrifft, mittels der ersten Mikrolinsenanordnung in Richtung des zugehörigen Bereichs der ersten optischen Ablenkanordnung gelenkt wird. Mittels dieser ersten Mikrolinsenanordnung können zusätzliche Vorteile erreicht werden, insbesondere kann die Spotgröße jedes Kanals verringert werden und die Auflösung und Genauigkeit der Lichterfassung können verbessert werden.
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Vorzugsweise ist die erste Mikrolinsenanordnung in einer vordefinierten Region mit der Brennebene der ersten Konvexlinse angeordnet und ist insbesondere in der Brennebene der ersten Konvexlinse angeordnet. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine sehr hohe aufgelöste Projektion von Licht, das den verschiedenen Einfallswinkelbereichen zugeordnet ist, auf die entsprechenden Bereiche der ersten optischen Ablenkanordnung und gleichzeitig können Lichtverluste sehr niedrig gehalten werden.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erste Mikrolinsenanordnung dazu ausgelegt, Licht, das durch die erste Mikrolinsenanordnung hindurchtritt, in Richtung der ersten optischen Ablenkanordnung zu konvergieren, und ist insbesondere derart ausgestaltet, dass Winkel zwischen jeweiligen Hauptstrahlen von jeweiligen Strahlenbündeln, die durch verschiedene Mikrolinsen der Mikrolinsenanordnung hindurchtreten, verringert werden, wenn sie durch die Mikrolinsen hindurchtreten. Die Ausgestaltung der ersten Mikrolinsenanordnung, um Licht in Richtung der ersten optischen Ablenkanordnung zu konvergieren, hat den großen Vorteil, dass der Durchmesser von Strahlspots mittels der Mikrolinsenanordnung verringert werden kann. Insbesondere können Lichtstrahlen, die durch jeweilige Mikrolinsen der ersten Mikrolinsenanordnung hindurchtreten, separat auf jeweilige Bereiche der ersten Ablenkanordnung konvergiert oder sogar fokussiert werden, wobei jede Mikrolinse der ersten Mikrolinsenanordnung einem bestimmten Bereich der ersten optischen Ablenkanordnung zugeordnet ist. Dadurch können die Auflösung, die Qualität und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Um das beste Ergebnis, insbesondere den kleinstmöglichen Durchmesser aller Spots von jeweiligen Kanälen, zu erreichen, ist es ferner bevorzugt, dass die erste optische Ablenkanordnung in einer vordefinierten Region mit einer Brennebene der ersten Mikrolinsenanordnung angeordnet ist und insbesondere in der Brennebene der ersten Mikrolinsenanordnung angeordnet ist. Dadurch können die größeren Spots in der Brennebene der ersten Konvexlinse mittels der ersten Mikrolinsenanordnung auf jeweilige Bereiche der ersten optischen Ablenkanordnung fokussiert werden. Überdies kann die erste Mikrolinsenanordnung auch verwendet werden, um die Lichtstrahlen, insbesondere empfangene Laserstrahlen, jedes Kanals zueinander parallel zu machen, zumindest in einer zeitlichen Sequenz, so dass die Ausbildung der optischen Ablenkanordnung zum Ablenken der jeweiligen Lichtstrahlen auf ihre entsprechenden Positionen auf dem Bildsensor in der Komplexität verringert werden kann. Ferner kann die erste Mikrolinsenanordnung auch als Freiform-Mikrolinsenanordnung ausgestaltet sein. Dies stellt mehr Flexibilität zum Ablenken und Formen von Strahlen in Anpassung an die jeweiligen Kanäle bereit, entlang derer sich diese Strahlen ausbreiten. Dies ist sehr vorteilhaft, da der Strahlengang jedes Kanals unterschiedlich ist, so dass die Freiform-Mikrolinsenanordnung bessere Anpassungsmöglichkeiten bereitstellt.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erste optische Ablenkanordnung derart ausgestaltet, dass jeder vordefinierte Bereich einem bestimmten Ablenkwinkel zugeordnet ist, um den Licht, das die erste optische Ablenkanordnung in diesem bestimmten Bereich durchläuft, abgelenkt wird. Insbesondere unterscheiden sich mindestens zwei der bestimmten Bereiche im Hinblick auf ihren zugehörigen Ablenkwinkel und insbesondere ist die erste optische Ablenkanordnung derart ausgestaltet, dass die Ablenkwinkel, die jeweiligen Bereichen an der ersten optischen Ablenkanordnung zugeordnet sind, umso größer sind, je weiter die Position der Bereiche von einer Mittelachse des Bildsensors liegt. Die Mittelachse des Bildsensors kann als Oberflächensenkrechte des Bildsensors in seinem Zentrum definiert sein. Daher kann Licht innerhalb Kanälen, die weiter von der Mittelachse des Bildsensors entfernt sind, mittels der ersten optischen Ablenkanordnung stärker abgelenkt werden als Licht, das sich in Kanälen ausbreitet, die sehr nahe der Mittelachse des Bildsensors liegen. Folglich kann Licht von sehr großen Brennpunktbereichen der Konvexlinsen auf einen sehr kleinen Bildsensor in einer sehr genauen, effektiven und homogenen Weise projiziert werden.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erste optische Ablenkanordnung als zweite Mikrolinsenanordnung ausgestaltet, insbesondere als außeraxiale Mikrolinsenanordnung. Eine solche außeraxiale Mikrolinsenanordnung, die auch dezentrierte Mikrolinsenanordnung genannt wird, kann mehrere Paare von Mikrolinsen umfassen, wobei jedes Paar zwei Mikrolinsen mit jeweiligen optischen Achsen aufweist, die parallel zueinander orientiert sind und mit einem bestimmten Abstand voneinander beabstandet sind. Ein solches Paar von außeraxialen Linsen hat den Effekt, dass beispielsweise ein Lichtstrahl, der in die erste Linse parallel zur ihrer optischen Achse eintritt und durch die erste und die zweite Linse hindurchtritt, dann die zweite Linse mit einem Neigungswinkel jeweils zur optischen Achse verlässt, der in seiner Größe von dem bestimmten Abstand abhängt, um den die optischen Achsen der Linsen beabstandet sind. Somit ändert vorteilhafterweise ein solches Paar von außeraxialen Linsen die Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen als Ganzes, insbesondere ohne starke Beeinflussung der Form eines solchen Lichtstrahls, was bedeutet ohne starkes Beeinflussen der Divergenz oder Konvergenz der Lichtstrahlen. Daher ist eine solche außeraxiale Mikrolinsenanordnung zum Umlenken des Lichts von verschiedenen Kanälen in die gewünschte Position am Bildsensor sehr vorteilhaft.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erste optische Ablenkanordnung als Mikroprismenanordnung ausgestaltet. Daher wird Licht, das sich entlang verschiedener Kanäle ausbreitet, mittels einer solchen Mikroprismenanordnung gemäß dem Snell-Gesetzt abgelenkt. Dies ist eine andere vorteilhafte Weise zum Ablenken eines Lichtstrahls als Ganzes um einen bestimmten Winkel, ohne die Form eines solchen Lichtstrahls stark zu beeinflussen.
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Wahlweise kann auch die optische Ablenkanordnung, insbesondere die außeraxiale Mikrolinsenanordnung oder Mikroprismenanordnung, eine Freiformstruktur aufweisen und z. B. als Anordnung mit Freiformlinsen oder -prismen ausgestaltet sein. Die wäre besonders vorteilhaft, wenn die optische Einheit nur die optische Ablenkanordnung und keine separate erste Mikrolinsenanordnung aufweist.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängereinheit eine Brechungsbeschichtung, die an dem Bildsensor angeordnet ist, wobei die Brechungsbeschichtung derart ausgelegt ist, dass Lichtstrahlen, die auf die Brechungsbeschichtung mit einem ersten Einfallswinkel, der von 90°verschieden ist, auftreffen, gebrochen werden, so dass sie auf den Bildsensor mit einem zweiten Einfallswinkel auftreffen, der größer ist als der erste Einfallswinkel. Wenn beispielsweise ein paralleles Strahlenbündel mit einem bestimmten Durchmesser auf die Oberfläche des Bildsensors in einem sehr flachen Winkel auftrifft, würde dies einen Spot auf der Oberfläche des Bildsensors erzeugen, der viel größer wäre als der Spot eines Strahlenbündels, das auf den Bildsensor mit einem Einfallswinkel von 90°auftrifft. Gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann daher die Spotgröße von Strahlen, insbesondere in Randbereich des Bildsensors, vorteilhafterweise verringert werden. Die Beschichtung kann beispielsweise durch ein transparentes Material mit einem Brechungsindex vorgesehen sein, der größer ist als jener von Luft, was eine Brechung von einfallendem Licht in Richtung der Senkrechten der Beschichtungsoberfläche verursacht. Somit können die Spotgrößen vorteilhafterweise über den ganzen Bildsensorbereich homogenisiert werden und ungefähr dieselbe Qualität und Genauigkeit im Randbereich des Bildsensors wie in dessen Mitte erreicht werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Laserabtastvorrichtung mit einer Empfängereinheit gemäß der Erfindung oder einer ihrer Ausführungsformen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Laserabtastvorrichtung, die vorzugsweise als Impulslaserabtaster ausgestaltet ist, umfasst die Laserabtastvorrichtung eine Sendeeinheit, die dazu ausgelegt ist, Laserlichtstrahlen nacheinander in verschiedenen Richtungen zu emittieren. Wenn ein Objekt in mindestens einer dieser verschiedenen Richtungen positioniert ist, werden die jeweiligen emittierten Laserlichtstrahlen zumindest teilweise reflektiert und durch die Empfängereinheit mit einem entsprechenden Einfallswinkel innerhalb eines der bestimmten Einfallswinkelbereiche empfangen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer Empfängereinheit gemäß der Erfindung und einer ihrer Ausführungsformen und insbesondere mit einer Laserabtastvorrichtung gemäß der Erfindung oder einer ihrer Ausführungsformen.
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Die im Hinblick auf die Empfängereinheit gemäß der Erfindung und ihren Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten analog auch für die Laserabtastvorrichtung und das Fahrzeug gemäß der Erfindung und ihren Ausführungsformen.
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Überdies betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Erfassen von Licht mittels einer Empfängereinheit für eine Laserabtastvorrichtung, wobei die Empfängereinheit eine erste Konvexlinse und einen Bildsensor umfasst, der in der Lage ist, Licht zu erfassen, das durch die erste Konvexlinse hindurchgetreten ist. Überdies umfasst die Empfängereinheit eine erste optische Einheit, die zwischen der ersten Konvexlinse und dem Bildsensor angeordnet ist, wobei die erste optische Einheit Licht, das durch einen bestimmten Bereich der Brennebene hindurchtritt, auf einen bestimmten Bereich des Bildsensors projiziert, so dass der bestimmte Bereich des Bildsensors kleiner ist als der bestimmte Bereich der Brennebene.
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Im Hinblick auf die Empfängereinheit gemäß der Erfindung und ihren Ausführungsformen beschriebene Vorteile gelten ebenso für das Verfahren gemäß der Erfindung. Überdies bilden die im Hinblick auf die Ausführungsformen der Empfängereinheit beschriebenen Merkmale weiter entsprechende vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ersichtlich. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf ein Fahrzeug mit einer Laserabtastvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2a eine schematische Querschnittssdarstellung einer Empfängereinheit mit drei Empfängersegmenten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2b eine schematische Darstellung eines Bildsensors mit einer Brechungsbeschichtung einer Empfängereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 3a eine schematische Darstellung einer Mikroprismenanordnung einer Empfängereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 3b eine schematische Darstellung eines Mikroprismas der Mikroprismenanordnung von 3a; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Paars von Mikrolinsen einer Mikroprismenanordnung einer Empfängereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der Draufsicht auf ein Fahrzeug 1, insbesondere den vorderen Teil eines Fahrzeugs 1, mit einem Laserabtaster 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Laserabtaster 2 umfasst eine Sendeeinheit 3 und eine Empfängereinheit 4. Die Sendeeinheit 3 ist dazu ausgelegt, Laserstrahlen 5 in einer gepulsten Weise zu emittieren, so dass jeder der dargestellten Laserstrahlen 5 durch die Sendeeinheit 3 in einem bestimmten Zeitschritt in einer bestimmten Richtung in Bezug auf die horizontale Ebene emittiert wird, die hier der x-y-Ebene des gezeigten Koordinatensystems entspricht, und die durch eine zur vertikalen Achse des Fahrzeugs 1 senkrechte Ebene definiert ist. Überdies ist die Sendeeinheit 3 dazu ausgelegt, monochromatische Lichtstrahlen mit einer bestimmten Wellenlänge in jedem beliebigen Wellenlängenbereich, vorzugsweise im Infrarotspektralbereich, bei 905 nm, zu emittieren. Wenn ein Objekt 6 in der Richtung angeordnet ist, in der ein Laserstrahl 5 emittiert wird, dann wird zumindest ein Teil des Laserstrahls 5 zurückreflektiert und durch die Empfängereinheit 4 empfangen.
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Die Empfängereinheit 4 ist in 2a genauer zu sehen, die eine schematische Darstellung der Empfängereinheit 4 zeigt, die in diesem Beispiel drei Empfängersegmente 4a, 4b und 4c und einen Bildsensor 9 umfasst, der als 2D-Bildsensor mit einer 2D-Pixelanordnung ausgestaltet sein kann. Jedes der Empfängersegmente 4a, 4b, 4c umfasst eine Konvexlinse 7 und eine optische Einheit 8.
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Durch Vorsehen von mehreren Konvexlinsen 7, die jeweils einem jeweiligen Sichtfeld FOV1, FOV2, FOV3 zugeordnet sind, kann zuallererst ein äußerst großes Gesamtsichtfeld FOV sowie eine große Gesamtapertur der Empfängereinheit 4 bereitgestellt werden. Aufgrund der jeweiligen optischen Einheiten 8 kann außerdem der Bildsensorchip, der die Erfassungsoberfläche des Bildsensors 9 ist, viel kleiner sein als die jeweiligen Brennpunktbereiche der Konvexlinsen 7. Dies ermöglicht eine große Brennweite jeder Konvexlinse 7 und ermöglicht ferner eine große effektive Apertur, die ohne Notwendigkeit von irgendwelchen Linsen mit niedriger Blendenzahl und irgendwelchen großen und teuren Bildsensoren mehr Licht sammeln kann und die empfangenen Signale verstärken kann. In dieser Weise wird ein großes Sichtfeld sowie eine große Apertur gleichzeitig in einer sehr kostengünstigen Weise verwirklicht, was eine hohe Erfassungsqualität bereitstellt.
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Das Gesamtsichtfeld FOV als Zusammensetzung der einzelnen Sichtfelder FOV1, FOV2, FOV3 ist auch in 1 dargestellt. Jedes der einzelnen Sichtfelder FOV1, FOV2, FOV3 kann einen bestimmten Blickwinkel α1, α2, α3 in der horizontalen Ebene abdecken, der gleich sein kann, aber nicht gleich sein muss. Dadurch kann z. B. ein Gesamtsichtfeld FOV von 150°durch die Zusammensetzung der drei Sic htfelder FOV1, FOV2, FOV3 bereitgestellt werden, die jeweils einen Blickwinkel α1, α2, α3 von 50° in der horizontalen Ebene abdecken.
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Mit Rückbezug auf 2 weist jede Konvexlinse 7 eine optische Achse A auf und die Konvexlinsen 7 sind vorzugsweise derart angeordnet, dass diese optischen Achsen A in derselben Ebene liegen, die hier wieder die x-y-Ebene ist und die der horizontalen Ebene entspricht. In dieser Weise kann ein großes Sichtfeld in der horizontalen Richtung erzeugt werden.
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Ferner umfasst jede optische Einheit 8 eine Mikrolinsenanordnung 10 und eine optische Ablenkanordnung 11. Die Mikrolinsenanordnungen 10 sind vorzugsweise in den Brennebenen der jeweiligen Konvexlinsen 7 angeordnet. Daher fokussiert jede Konvexlinse 7 Licht in Abhängigkeit von seinem Einfallswinkel auf die jeweiligen Regionen der Mikrolinsenanordnung 10. Daher entspricht Licht, das auf jeweilige Mikrolinsen der Mikrolinsenanordnung 10 auftrifft, Licht mit einem Einfallswinkel innerhalb eines zugehörigen bestimmten Einfallswinkelbereichs. Der Einfallswinkel ist hierdurch als Winkel zwischen einem Lichtstrahl und einer Ebene definiert, die zur optischen Achse A einer jeweiligen Konvexlinse 7 senkrecht ist. Für jeden Einfallswinkelbereich sind daher separate Kanäle innerhalb der jeweiligen Empfängersegmente 4a, 4b, 4c vorgesehen. Die Mikrolinsenanordnung 10 ist dazu ausgelegt, die größeren Spots von Lichtstrahlen, insbesondere Laserlichtstrahlen, die durch die jeweiligen Konvexlinsen 7 hindurchgetreten sind, auf einen kleineren Bereich, insbesondere auf die Brennebene der jeweiligen Mikrolinsenanordnung 10 zu fokussieren, in der die optische Ablenkanordnung 11 angeordnet ist. Ferner kann die Mikrolinsenanordnung 10 auch dazu ausgelegt sein, die Laserstrahlen jedes Kanals zueinander parallel zu machen. Mittels der Mikrolinsenanordnung 10 können somit relativ größere Spots von der äußeren Optik, die die Konvexlinsen 7 sind, in einen noch kleineren Bereich fokussiert werden, und ferner können die Laserstrahlen oder vielmehr die Hauptstrahlen jedes Strahls, jedes Kanals parallelisiert werden. Für diesen Zweck kann die Mikrolinsenanordnung 10 auch als Freiform-Mikrolinsenanordnung ausgestaltet sein, um mit den Differenzen zwischen den Strahlengängen der jeweiligen Kanäle besser zurechtzukommen.
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Die jeweiligen optischen Ablenkanordnungen 11 leiten dann die jeweiligen Lichtstrahlen von entsprechenden Kanälen zu ihren korrekten Positionen auf dem Bildsensor 9. Die jeweiligen optischen Ablenkanordnungen 11 können entweder als Mikrolinsenanordnung oder als Mikroprismenanordnung ausgestaltet sein, was später genauer erläutert wird. In dieser Weise entspricht jede Position am Bildsensor 9 einem zugehörigen Einfallswinkelbereich im Hinblick auf die jeweilige Konvexlinse 7.
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Wie aus 2a zu sehen ist, trifft Licht, das sich entlang der Kanäle ausbreitet, die von der Mitte des Bildsensors 9 weiter weg sind, auf den Bildsensor 9 mit Einfallswinkeln auf, die viel kleiner sind als jene von Licht in den Kanälen näher an der Mitte des Bildsensors 9. Um diese Differenzen der Einfallswinkel im Hinblick auf den Bildsensor 9 zu kompensieren, kann der Bildsensor eine brechende und transparente Beschichtung umfassen, die in 2b dargestellt ist.
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2b zeigt eine schematische Darstellung eines Bildsensors 9 einer Empfängereinheit 4 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Oberfläche des Bildsensors 9 umfasst eine transparente und brechende Beschichtung 12. Diese Beschichtung 12 weist einen Brechungsindex auf, der größer ist als jener von Luft, und daher ist sie vorteilhafterweise dazu ausgelegt, Licht in Richtung der senkrechten Oberfläche zu brechen, wie dargestellt. Überdies kann die Beschichtung eine planare Oberfläche und eine bestimmte Dicke aufweisen. Hier ist Licht, das von den jeweiligen Bereichen der optischen Ablenkanordnungen 11 ausgeht, die verschiedenen Kanälen entsprechen, mit 13 bezeichnet. Wie zu sehen ist, können die Neigungswinkel insbesondere im Hinblick auf den Randbereich des Bildsensors 9 vergrößert werden.
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3a zeigt eine schematische Darstellung einer Mikroprismenanordnung 11a als mögliche Ausgestaltung der optischen Ablenkanordnung 11 einer Empfängereinheit 4 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie bereits erläutert, ist es der Zweck der optischen Ablenkanordnung 11, eintreffende Laserstrahlen abzulenken, um sie zu den entsprechenden Bildsensorbereichen zu lenken. Für diesen Zweck kann vorteilhafterweise eine Mikroprismenanordnung 11a verwendet werden. Eine solche Mikroprismenanordnung 11a umfasst eine Vielzahl von Mikroprismen 14. Und in Abhängigkeit von der Anwendung kann die Anordnung 11a eine eindimensionale Anordnung mit nur einer Linie einer Vielzahl von Mikroprismen 14 sein oder kann auch als zweidimensionale Anordnung ausgestaltet sein, wie in 3a gezeigt, die mehrere Linien umfasst, die jeweils eine Vielzahl von Mikroprismen 14 umfassen. Obwohl hier der Einfachheit halber gezeigt, muss das Mikroprisma 14 keine identische Form aufweisen, das Mikroprisma 14 kann im Gegenteil anders geformt sein, um verschiedene Ablenkwinkel für verschiedene Kanäle zu erreichen. Das Prinzip der Ablenkung von Strahlen, die durch ein solches Mikroprisma hindurchtreten, wird nun im Hinblick auf 3b genauer erläutert.
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3b zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht eines Mikroprismas 14 sowie einen beispielhaften Strahl 15 von monochromatischem Licht. Dieser Strahl trifft auf die erste Oberfläche 14a des Mikroprismas 14 mit einem Einfallswinkel α auf, wird durch die erste Oberfläche 14a gebrochen, trifft auf die zweite Oberfläche 14b auf, und wird schließlich noch einmal durch die zweite Oberfläche 14b gebrochen. Aufgrund dieser Brechungen wird der resultierende Strahl um einen Ablenkwinkel Θ in Bezug auf die Richtung des eintreffenden Strahls 15 abgelenkt. Dieser Ablenkwinkel Θ hängt vom Brechungsindex des Prismas 14, vom Einfallswinkel α sowie vom inneren Winkel γ des Prismas 14 zwischen den zwei Oberflächen 14a, 14b ab. Zum Vorsehen von verschiedenen Ablenkeigenschaften in verschiedenen Positionen der Mikroprismenanordnung 11a können somit die Mikroprismen 14 beispielsweise mit verschiedenen inneren Winkeln γ in verschiedenen Positionen versehen sein.
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Als Alternative kann die optische Ablenkanordnung 11 auch als Mikrolinsenanordnung mit mehreren Paaren von Mikrolinsen ausgestaltet sein, von denen eine in 4 dargestellt ist. Dadurch zeigt 4 eine schematische Darstellung eines solchen Paars von Mikrolinsen mit einer ersten Mikrolinse 16 und einer zweiten Mikrolinse 17. Die erste Mikrolinse 16 weist eine optische Achse auf, die mit 16a bezeichnet ist, und die zweite Mikrolinse 17 weist eine optische Achse auf, die mit 17a bezeichnet ist, wobei die optischen Achsen 16a, 17a zueinander parallel sind und einen Abstand Δ aufweisen. Ferner ist ein eintreffendes Bündel von parallelen Strahlen, die auf die erste Linse 16 auftreffen, wieder mit 15 bezeichnet. Die erste Linse 16 fokussiert dann dieses eintreffende Strahlenbündel 15, das in diesem Beispiel eine Ausbreitungsrichtung parallel zur optischen Achse 16a aufweist, auf einen Brennpunkt F, der einen Abstand von der zweiten Mikrolinse 17 aufweist, der der Brennweite f der zweiten Mikrolinse 17 entspricht. Wenn es weiter durch die zweite Mikrolinse 17 hindurchtritt, wird das Strahlenbündel 15 daher wieder kollimiert, wobei es nun jedoch einen Ablenkwinkel Θ im Hinblick auf die Richtung des eintreffenden Strahlenbündels 15 aufweist, die in diesem Fall zur optischen Achse 16a, 17a parallel ist.
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Obwohl in diesem Beispiel nicht gezeigt, müssen die Mikrolinsen 16, 17 nicht identisch ausgestaltet sein. Insbesondere können sie verschiedene Brennweiten f aufweisen und können auch verschiedene Größen oder Aperturen aufweisen. Wie in 4 zu sehen ist, geht in dieser Ausgestaltung ein Teil des eintreffenden Strahlenbündels 15 verloren und nur der Teil des Strahlenbündels 15, der schraffiert gezeichnet ist, kann durch die zweite Mikrolinse 17 erfasst werden. Dieser Verlust kann jedoch durch eine entsprechende große Ausgestaltung der zweiten Mikrolinse 17, z. B. mit einer größeren Apertur, vermieden werden.
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Daher können auch mittels einer solchen außeraxialen Mikrolinsenanordnung auf einfache Weise verschiedene Ablenkwinkel Θ für verschiedene Regionen der Mikrolinsenanordnung durch entsprechende Abstände Δ zwischen den jeweiligen optischen Achsen der Mikrolinsenpaare bereitgestellt werden.
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Zusammenfassend kann mittels der Erfindung eine Empfängereinheit bereitgestellt werden, die es möglich macht, ein großes Sichtfeld und eine große Apertur gleichzeitig zu verwirklichen, wodurch eine hohe Erfassungsgenauigkeit und -qualität in einer sehr kostengünstigen Weise bereitgestellt werden.
