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Stand der Technik
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Diverse physikalische Messtechniken basieren darauf, Licht einer vorbestimmten Wellenlänge zu detektieren. Beispielsweise kann bei einem LiDAR-System Laserlicht einer vorbestimmten Wellenlänge ausgesandt und an einem abzutastenden Objekt gestreut werden. Das gestreute Licht soll von einem Detektor erfasst werden, der möglichst insensitiv gegenüber Licht einer anderen Wellenlänge sein soll. Der Detektor kann mittels eines Filters vor Licht einer anderen Wellenlänge abgeschirmt werden. Der Filter wird üblicherweise als Interferenzfilter oder Farbglas ausgebildet. Dabei ist die Wellenlänge von Licht, das den Filter passieren kann, üblicherweise von einer Einfallsrichtung abhängig. Soll der Detektor ein relativ großes Sichtfeld (Field of View, FOV) aufweisen, beispielsweise mit einem Öffnungswinkel von ca. 50° in horizontaler und 10° in vertikaler Richtung, idealerweise auch bis zu 30° in vertikaler Richtung, so ist die durch den Filter durchgelassene Wellenlänge in den Außenbereichen des Sichtfelds kleiner als in der Mitte. Um trotzdem das gesamte einfallende, ursprünglich vom Laser stammende Licht an dem Detektor durchzulassen, muss die Bandbreite des Filters relativ groß gewählt werden. Ein Signal-Rausch-Verhältnis (Signal to Noise Ratio, SNR) kann dadurch verschlechtert werden. Eine Sensibilität oder Genauigkeit des umgebenden LiDAR-Systems kann dadurch verschlechtert sein.
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Zur Filterung von Licht einer vorbestimmten Wellenlänge sind unterschiedliche Vorschläge gemacht worden.
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US 5,339,189 schlägt vor, eine nicht lineare optische Einrichtung zu verwenden, um das einfallende Licht in seiner Frequenz mit einem Referenzlicht zu addieren oder die beiden voneinander zu subtrahieren.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben besteht darin, eine verbesserte Sensoranordnung anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Sensoranordnung umfasst eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht einer ersten vorbestimmten Wellenlänge; einem optischen Detektor zum Detektieren von Licht einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge; und einen optischen Konverter. Der Konverter enthält eine Substanz, deren Atome durch Anregung mittels Licht der ersten Wellenlänge von einem ersten Zustand in einen angeregten zweiten Zustand versetzt werden können. Beim Zurückkehren in den ersten Zustand senden die angeregten Atome Licht der zweiten Wellenlänge aus.
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Der Konverter basiert auf quantenmechanischen Zusammenhängen und kann eine extrem hohe Präzision erreichen. Insbesondere kann sichergestellt werden, dass die Substanz ausschließlich von Licht der ersten Wellenlänge angeregt wird und dass ausschließlich das von ihr ausgesandte Licht der zweiten Wellenlänge auf den Detektor fällt. Somit kann der Konverter als hyperfeiner Bandpassfilter wirken, dessen Bandbreite im Bereich von Nanometern oder sogar unterhalb eines Nanometers liegt. Eine Störung des Detektors durch Fremdlicht kann stark verringert werden. Ein Signal-Rausch-Verhältnis eines mittels des Detektors bereitgestellten Signals kann verbessert sein.
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Die Substanz kann von Licht der ersten Wellenlänge angeregt werden, gleich aus welcher Richtung dieses Licht einfällt. Die Filterwirkung des Konverters ist daher üblicherweise nicht von der Richtung des einfallenden Lichts abhängig. Die Bandbreite der optischen Filterwirkung kann extrem schmal sein. Die Qualität des durch den Detektor bereitgestellten Lichtsignals kann dadurch weiter verbessert werden. Insbesondere kann das Signal-Rausch-Verhältnis weiter vergrößert sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Substanz als Gas vor. Dadurch kann die Richtungsunabhängigkeit der Substanz gegenüber einfallendem Licht der ersten Wellenlänge verbessert ausgenutzt werden. Das Gas kann beispielsweise in einem sphärischen oder zylindrischen Gefäß angeordnet sein, um Oberflächenreflexionen möglichst zu minimieren. Das Gefäß kann beispielsweise aus Quarzglas oder auch einem elastischeren Material, beispielsweise einem Kunststoff oder Plexiglas hergestellt werden. Die Form des Gefäßes kann dabei an einen Anwendungszweck in weiten Grenzen angepasst werden.
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In einer ersten Variante kehren die angeregten Atome unmittelbar vom zweiten in den ersten Zustand zurück, wobei die beiden Wellenlängen einander entsprechen. Die Substanz kann hierfür passend gewählt werden. Vorteilhaft kann dabei ein großer Teil der Energie des einfallenden Lichts umgewandelt werden, um Licht auf den Detektor zu lenken. Andererseits sollte der Konverter dann so aufgebaut sein, dass das einfallende Licht möglichst nicht unmittelbar auf den Detektor fallen kann, um die Richtungsunabhängigkeit oder Schmalbandigkeit der Sensoranordnung nicht herabzusetzen.
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In einer anderen Variante gehen die Atome vom angeregten zweiten Zustand zunächst in einen angeregten dritten Zustand und erst anschließend in den ersten Zustand über. Die Wellenlängen sind dabei unterschiedlich. Der dritte Zustand liegt üblicherweise energetisch zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand. Aus Gründen der Energieerhaltung ist die zweite Wellenlänge daher größer als die erste. Der Detektor kann speziell dazu eingerichtet sein, möglichst ausschließlich Licht der zweiten Wellenlänge zu erfassen. Die Empfindlichkeit der Sensoranordnung gegenüber Fremdlicht kann reduziert sein.
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Es ist besonders bevorzugt, dass der optische Detektor radialsymmetrisch zum Konverter angeordnet ist. Dazu kann ein Gefäß, in dem die Substanz vorgehalten ist, in einer Raumrichtung radialsymmetrisch sein (Zylinder) oder in zwei Richtungen (Kugel). Der Detektor kann auf der radialen Außenseite des Konverters angeordnet sein. Die Oberfläche des Detektors kann entsprechend vergrößert sein. Die Atome der Substanz strahlen das Licht der zweiten Wellenlänge üblicherweise mit einer isotropen Abstrahlcharakteristik aus, sodass durch die radialsymmetrische Anordnung die Ausbeute des detektieren Lichts verbessert sein kann. Zum Eintreten von Licht der ersten Wellenlänge kann der Konverter eine Aussparung oder ein Fenster besitzen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung weiter einen ersten optischen Filter im Strahlengang vor dem Konverter, um den Konverter von Licht einer anderen als der ersten Wellenlänge abzuschirmen. Dieser Filter kann ein konventioneller Filter sein, beispielsweise ein Mehrschichtfilter oder ein dielektrischer Filter.
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Es ist besonders bevorzugt, dass der erste Filter einen Tiefpassfilter bezüglich der Wellenlänge des Lichts umfasst. Licht mit einer kleineren als einer vorbestimmten Wellenlänge kann den Filter passieren. Die Grenzwellenlänge des Filters liegt bevorzugt unterhalb der zweiten Wellenlänge.
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Es kann ferner ein zweiter optischer Filter im Strahlengang vor dem Detektor vorgesehen sein, um den Detektor von Licht einer anderen als der zweiten Wellenlänge abzuschirmen. Der zweite Filter kann insbesondere einen Hochpassfilter bezüglich der Wellenlänge des Lichts umfassen. Licht, dessen Wellenlänge über einer vorbestimmten Grenzwellenlänge liegt, kann den zweiten Filter passieren. Diese zweite Grenzwellenlänge liegt bevorzugt unterhalb der zweiten Wellenlänge.
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Insbesondere durch die Kombination beider Filter kann sichergestellt werden, dass am Detektor ausschließlich Licht eintrifft, das die zweite Wellenlänge aufweist. Licht der zweiten Wellenlänge kann den ersten Filter nicht passieren und Licht einer niedrigeren als der zweiten Wellenlänge kann den zweiten Filter nicht passieren.
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Ein LiDAR-Sensor umfasst die oben beschriebene Sensoranordnung und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Länge eines optischen Pfades zu bestimmen, der zwischen der Lichtquelle und dem Detektor liegt. Üblicherweise ist die Lichtquelle nahe am optischen Detektor angeordnet und der optische Pfad verläuft von der Lichtquelle zu einem abzutastenden Objekt und zurück zur Sensoranordnung. Somit kann der LiDAR-Sensor zur Bestimmung des Abstandes zum Objekt eingesetzt werden. Die Lichtquelle ist bevorzugt dazu eingerichtet, Laserlicht auszustrahlen, wobei die Lichtquelle in Dauer-Betrieb oder moduliert angesteuert werden kann. Die Länge des optischen Pfades wird üblicherweise auf der Basis der Reisedauer des Lichts von der Lichtquelle bis zum Detektor bestimmt.
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Besonders vorteilhaft ist diese Filterung des einfallenden Lichts, wenn es sich bei den Detektoren um Einzelphotondetektoren, sogenannte SPADs, handelt.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 einen LiDAR-Sensor;
- 2 eine Sensoranordnung für einen LiDAR-Sensor;
- 3 eine Veranschaulichung der Arbeitsweise eines optischen Konverters; und
- Fig. 4 mögliche Bauformen eines optischen Konverters;
darstellt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines LiDAR-Sensors 100. Der LiDAR-Sensor 100 umfasst ein Sensorsystem 105 und eine Verarbeitungseinrichtung 110. Zum Erfassen eines Objekts 115 wird Licht mittels einer Lichtquelle 120 auf ein Objekt 115 gestrahlt, dort gestreut und zum LiDAR-Sensor 100 zurückgeworfen. Einem Detektor 125 ist bevorzugt ein optischer Filter 130 vorgeschaltet, um möglichst nur Licht der Wellenlänge an den Detektor 125 gelangen zu lassen, das von der Lichtquelle 120 ausgesandt wurde. Fremd- oder Streulicht 135 hingegen soll zurückgehalten werden. Die Verarbeitungseinrichtung 110 kann dann bestimmen, wie lange Licht von der Lichtquelle 120 zum Objekt 115 und von dort zum Detektor 125 unterwegs war und daraus die Entfernung des Objekts 115 vom Sensorsystem 105.
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Der LiDAR-Sensor 100 kann zum Einsatz an Bord eines Kraftfahrzeugs eingerichtet sein. Eine maximale Entfernung des Objekts 115 vom Sensorsystem 105 kann 150 m und mehr betragen, ein Öffnungswinkel des Detektors 125 in horizontaler Richtung ca. 50° oder mehr und in vertikaler Richtung ca. 10° oder mehr.
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Der Filter 130 ist bevorzugt als Bandpass ausgebildet. Üblicherweise umfasst der Filter 130 ein Interferenzfilter oder ein Farbglas. Im unteren Bereich von 1 ist eine Durchlasskurve des Filters 130 angedeutet. In horizontaler Richtung ist eine Wellenlänge und in vertikaler Richtung ein durch den Filter 130 tretender Signalanteil dargestellt. Die Lichtquelle 120 sendet Licht mit einer Wellenlänge von λ1 aus. Mit einer strichpunktierten Linie ist ein Durchlassverhalten eines beispielhaften Bandpassfilters nach dem Stand der Technik gezeigt. Üblicherweise ist die scheinbare Wellenlänge eintreffenden Lichts bezüglich des Filters 130 kleiner, wenn ein Richtungswinkel φ größer wird. Für ein seitlich ausgewandertes Objekt 115' müsste daher die Wellenlänge λ1' durchgelassen werden. Mit unterbrochener Linie ist die mögliche Durchlasskurve eines Bandpassfilters angedeutet. Da Licht über das gesamte vorbestimmte Gesichtsfeld durch den Filter 130 gelassen werden soll, müssen Wellenlängen zwischen λ1' und λ1 abgedeckt werden. Die tatsächliche Durchlasskurve des Filters 130 umfasst daher beide zuvor genannten Durchlasskurven und ist in 1 mit durchgezogener Linie dargestellt.
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Allgemein gilt, dass die Messung des Detektors 125 umso besser ist, je schmaler die Durchlasskurve des Bandpassfilters 130 ist. Ist der mögliche Einfallswinkel φ groß, so kann das herkömmliche Filter 130 nicht optimal schmalbandig ausgelegt werden.
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Es wird vorgeschlagen, das an dem Objekt 115 gestreute Licht der Lichtquelle 120 mittels eines optischen Konverters so umzuwandeln, dass eine verbessert richtungsunabhängige Filterung stattfinden kann. Auf dem Detektor 125 einfallendes Licht soll verbessert schmalbandig gefiltert werden.
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2 zeigt eine Sensoranordnung 105 für den LiDAR-Sensor 100 aus 1. Es wird vorgeschlagen, einen Konverter 205 vorzusehen, der eine Substanz 210 enthält, deren Atome mittels Licht der Lichtquelle 120 angeregt werden können, sodass sie von einem ersten Zustand in einen angeregten zweiten Zustand versetzt werden. Angeregte Atome kehren in den ersten Zustand zurück, wobei sie Licht einer zweiten Wellenlänge λ2 aussenden, das vom Detektor 125 erfasst werden kann. Dieser Effekt wird auch Fluoreszenz genannt. Die Dauer zwischen dem Übergang eines Atoms in den angeregten Zustand und dem Rückübergang in den Grundzustand kann durch Wahl der Substanz 210 beeinflusst werden. Geeignete Substanzen 210 können einen beliebigen Aggregatszustand aufweisen. Es wird jedoch bevorzugt, eine Substanz 210 zu verwenden, die unter vorbestimmten Bedingungen gasförmig ist. Dazu kann die Substanz 210 in einem Gefäß 215 beispielsweise in Gemisch mit einem vorbestimmten, bevorzugt inerten Gas vorgesehen sein. Das Gefäß 215 weist bevorzugt einen Einlass 220 zum Eintreten von Licht der ersten Wellenlänge λ1 auf. Dazu kann das Gefäß 215 mit einer transparenten Scheibe beispielsweise aus Quarzglas verschlossen sein. In einer weiteren Ausführungsform ist das gesamte Gefäß 215 aus einem Material gefertigt. Es ist weiterhin bevorzugt, dass der optische Konverter 205 geometrisch so aufgebaut ist, dass möglichst kein unkonvertiertes Licht von der Lichtquelle 120 auf den Detektor 125 trifft und gleichzeitig möglichst alles Licht der zweiten Wellenlänge λ2 der Substanz 210 vom Detektor 125 aufgefangen wird.
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3 zeigt eine Veranschaulichung 300 der Arbeitsweise eines optischen Konverters 205. Atome der Substanz 210 befinden sich üblicherweise in einem ersten Zustand, der einem ersten Energieniveau E1 entspricht. Ohne weiteres Zutun verlässt das Atom diesen Zustand nicht. Durch Anregen mittels Licht der ersten Wellenlänge λ1 kann das Atom der Substanz 210 in einen zweiten Zustand überführt werden, der ein höheres Energieniveau E2 aufweist. Dieser Vorgang wird auch „pumpen“ genannt. Im zweiten Zustand verbleibt das Atom üblicherweise nur für kurze Zeit, deren Dauer charakteristisch für die Substanz 210 sein kann. Beim Zurückfallen in den ersten Zustand sendet das Atom der Substanz 210 Licht der ersten Wellenlänge λ1 aus. In einer anderen Variante geht es vom zweiten Zustand zunächst in einen dritten Zustand über, dem ein drittes Energieniveau E3 zugeordnet ist, das zwischen den Niveaus E1 und E2 liegt. Vom dritten Zustand aus erfolgt dann der Übergang zurück in den ersten Zustand. Licht wird erst beim Übergang in den ersten Zustand wird Licht ausgesandt. Das ausgesandte Licht weist eine größere Wellenlänge λ2 und eine entsprechend niedrigere Energie aufweist.
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4 zeigt beispielhafte mögliche Bauformen eines optischen Konverters 205. 4a zeigt eine erste mögliche Bauform für eine Substanz 210, die sich durch Licht der ersten Wellenlänge λ1 anregen lässt und die Licht der zweiten Wellenlänge λ2 aussendet. Im Strahlengang vor dem Gefäß 215 befindet sich bevorzugt ein erster Filter 405, um den Konverter 205 von Licht einer anderen als der ersten Wellenlänge λ1 abzuschirmen. Der erste Filter 405 umfasst bevorzugt einen Tiefpassfilter bezüglich der Wellenlänge λ des Lichts. Weiter bevorzugt ist ein zweiter Filter 410 vorgesehen, der im Strahlengang zwischen dem Konverter 205 und dem Detektor 125 angeordnet ist. Der zweite Filter 410 ist dazu eingerichtet, den Detektor 125 von Licht einer anderen als der zweiten Wellenlänge λ2 abzuschirmen. Bevorzugt ist der zweite Filter 410 als Hochpassfilter bezüglich der Wellenlänge des Lichts λ ausgebildet. Grenzfrequenzen der Filter 405, 410 sind bezüglich der Wellenlängen λ1 und λ2 bevorzugt so gewählt, dass Licht einer kürzeren als der ersten Wellenlänge λ1 nicht in den Konverter 205 eintreten und Licht einer größeren als der zweiten Wellenlänge λ2 nicht in Richtung des Detektors 125 aus ihm austreten kann. Die beiden Filter 405 und 410 bilden somit einen Bandpass, in dem die Wellenlängen λ1 und λ2 liegen.
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4b zeigt eine weitere Ausführungsform eines optischen Konverters 205. Hier ist ein radialsymmetrischer Aufbau entsprechend dem von 2 gewählt. Licht der Wellenlänge λ1 fällt senkrecht zur Zeichenebene in den Innenraum des Gefäßes 215. Auf dessen radialer Außenseite befindet sich der Detektor 125. Dabei kann beispielsweise ein zylindrischer oder zumindest annähernd kugelförmiger Aufbau des Gefäßes 215 zugrunde gelegt sein. Optional befindet sich zwischen der Außenseite des Gefäßes 215 und der dem Gefäß 215 zugewandten Seite des Detektors 125 ein optischer Filter 410.
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4c zeigt noch eine mögliche Ausführungsform des optischen Konverters 205. In der gewählten Darstellung fällt Licht von unten in das Gefäß 215. Dem Gefäß 215 kann ein erster Filter 405 vorgelagert sein. An der entgegengesetzten Seite kann ein Spiegel 415 vorgesehen sein. Bevorzugt ist der Spiegel 415 selektiv ausgeführt, sodass er möglichst nur Licht der zweiten Wellenlänge λ2 reflektiert. Anderes Licht, insbesondere Fremdlicht 135 kann den Spiegel 415 passieren. In anderen Richtungen, beispielsweise seitlich, können weitere Spiegel 415 vorgesehen sein.
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Trifft Licht der ersten Wellenlänge λ1 auf ein Atom der Substanz 210, so entsteht, wie oben genauer beschrieben wurde, Licht der zweiten Wellenlänge λ2. Dieses kann einfach oder mehrfach an Spiegeln 415 reflektiert werden und das Gefäß 215 an einer vorhergesehenen Stelle verlassen. Dort kann der zweite Filter 410 oder eine andere Optik vorgesehen sein. Danach trifft das Licht bevorzugt auf den Detektor 125.
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Um die Effizienz des Sensorsystems 105 weiter zu steigern, kann die Lichtquelle 120 in ihrer Wellenlänge auf den hyperfeinen Atomübergang stabilisiert werden. Bei Verwendung einer Wellenlänge um 780 nm kann hierzu die Rubidium D1- oder D2-Linie verwendet werden. Bei einer Wellenlänge um 895 nm kann der hyperfeine Cäsium-Atom-Übergang ausgenutzt werden. Soll eine Wellenlänge um 1550 nm anvisiert werden, bietet sich Acetylen (C2H2) an, das die Resonanz bei 1530 nm besitzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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