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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detektoranordnung für ein Lidar-System, ein Lidar-System mit einer solchen Detektoranordnung sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Lidar-System.
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Stand der Technik
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Lidar-Systeme (Lidar=light detection and ranging) dienen zur Erfassung der Umgebung bzw. von Objekten in der Umgebung des Lidar-Systems. Beispielsweise werden dazu Laserpulse von einer Laserlichtquelle scannend ausgesandt und das an einem solchen Objekt rückgestreute Laserlicht mittels eines Detektors erfasst. Aus der Laufzeit der Signale und der Lichtgeschwindigkeit kann die Entfernung zum Ort der Streuung bestimmt und so eine Umgebung rekonstruiert werden.
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Lidar-Systeme bzw. Lidar-Sensoren finden zunehmend auch Anwendung in der Entwicklung von autonomen Fahrzeugen. Lidar-Sensoren des Standes der Technik nutzen dabei häufig einen mechanisch bewegten Spiegel, um einen oder mehrere kollimierte Lichtstrahlen über die zu beobachtende Szene zu bewegen. Derselbe Spiegel wird auch benutzt, um das jeweils aus der Szene rückgestreute Licht auf einen Punktdetektor zu lenken. Es existieren Lidar-Sensoren, die direkt die Laufzeit von kurzen Pulsen (pulsed Time-of-Flight TOF), die Phasenverschiebung einer Amplitudenmodulation oder die Schwebung einer Frequenzmodulation (FMCW) messen. Als Alternative zu den mechanisch bewegten Spiegeln werden für das Scannen des kollimierten Strahls Systeme auf Basis von mechanischen Mikrospiegeln, „optically phased arrays“ und Matrizen von vielen Lichtquellen vorgeschlagen.
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Auf Seite des Detektors bleibt allerdings das Problem, Licht aus einem großen Winkelbereich über eine große Apertur zu detektieren. Dabei ist es physikalisch nicht möglich mittels optischer Systeme die Etendue eines Lichtfeldes (Produkt aus Fläche und Winkelbereich) zu verkleinern. Somit ist es auch nicht möglich, das gesamte Licht, das eine große Fläche in einem großen Winkelbereich durchdringt, auf eine kleine Fläche (Punktdetektor) abzubilden. Allen obengenannten Prinzipien zur Vermeidung des großen mechanischen Spiegels ist dadurch gemeinsam, dass sie entweder auf eine scannende Detektoroptik oder einen großflächigen Detektor angewiesen sind. Beide Alternativen sind teuer und kompliziert.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Detektoranordnung für ein Lidar-System zur Detektion von rückgestreutem Licht zur Verfügung gestellt. Die Detektoranordnung umfasst dabei einen Lichtwellenleiter und eine Detektoreinheit. Der Lichtwellenleiter umfasst eine Lichteinkoppelfläche, welche durch eine Umfangsfläche des Lichtwellenleiters zur Einkoppelung des rückgestreuten Lichts des Lidar-Systems ausgebildet ist, und eine Lichtauskoppelfläche, welche durch eine Querschnittsfläche des Lichtwellenleiters an einem axialen Ende des Lichtwellenleiters ausgebildet ist, sowie ferner ein lumineszierendes Material, welches in das Innere des Lichtwellenleiters eingebracht ist und dazu ausgebildet ist, in einen Wellenlängenbereich eines Lidar-Systems durch Lumineszenz re-emittiertes Licht auszusenden. Die Detektoreinheit ist an der Lichtauskoppelfläche des Lichtwellenleiters zur Detektion zumindest eines Teils des re-emittierten Lichts angeordnet.
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In der vorliegenden Detektoranordnung wird vorteilhaft nicht direkt das rückgestreute Licht eines Lidar-Systems detektiert, sondern es wird das in Folge einer Lichteinkoppelung des rückgestreuten Lichts in den Wellenleiter durch Lumineszenz des lumineszierenden Materials re-emittierte Licht detektiert. Die Lichteinkoppelfläche des Lichtwellenleiters wird durch zumindest einen Teilbereich der Umfangsfläche des Lichtwellenleiters ausgebildet. Die Lichteinkoppelfläche muss also nicht die gesamte Umfangsfläche eines Lichtwellenleiters sein, sondern kann auch nur ein Teil der Umfangsfläche sein, z.B. bevorzugt der Teil der Umfangsfläche, der dem einfallenden Licht zugewandt ist. Die Fläche der Detektoreinheit korrespondiert dabei mit der Fläche der Auskoppelfläche des Lichtwellenleiters, die wiederum zumindest ein Teil einer Querschnittsfläche des Lichtwellenleiters ist.
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Die erfindungsgemäße Detektoranordnung hat daher den Vorteil, dass die Länge des Lichtwellenleiters und damit die Lichteinkoppelfläche vergrößert werden kann, ohne dass dabei die Größe der Detektoreinheit verändern werden muss, da die Querschnittsfläche des Lichtwellenleiters und damit die Lichtauskoppelfläche sich bei Vergrößerung der Länge des Lichtwellenleiters nicht in ihrer Größe verändert. Demzufolge ist die Größe der Detektorapertur, die gegeben ist durch die von zumindest einem Teilbereich der Umfangsfläche des Lichtwellenleiters aufgespannte Lichteinkoppelfläche, entkoppelt von der Größe der Detektoreinheit. Somit kann Licht aus einem großen Winkelbereich über eine große Fläche auf eine kleine (und schnelle) Detektoreinheit gelenkt werden. Demnach kann also ein Lidar-System mit einer kleinen Detektoreinheit versehen werden, womit vorteilhaft übergroße Detektoreinheiten vermieden werden können.
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Als lumineszierendes Material kommen dabei lumineszierende Farbstoffe in Frage. Die Lumineszenz zerstört dabei die Richtungsinformation des einfallenden Lichts, wobei ein Teil dieses re-emittierten Lichts mittels Totalreflektion oder auch direkt entlang des Lichtwellenleiters in Axialrichtung über die seitliche Auskoppelfläche zur Detektoreinheit geleitet wird. Die Wellenlänge des re-emittierten Lichts ist dabei typischerweise etwas größer als die Nutzwellenlänge des Lidar-Systems. Der Begriff „einkoppeln“ bezeichnet im Rahmen der Erfindung das Eindringen von Licht in das Innere des Lichtwellenleiters. Als Detektoreinheiten kommen beispielsweise Photodioden in Betracht, wobei auch andere zweckmäßige Detektoreinheiten zur Detektion von Licht in Frage kommen.
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Bevorzugt ist ein Farbfilter zwischen der Detektoreinheit und dem Ende des Lichtwellenleiters positioniert, wobei der Farbfilter als Bragg-Filter ausgebildet ist. In herkömmlichen Detektoranordnungen muss der Farbfilter aufwendig groß und winkelsensitiv gemacht werden, um Störlicht wie beispielsweise Sonnenlicht nicht zur Detektoreinheit zu lassen. Vorliegend kann ein einfacher Bragg-Filter Verwendung finden, da die durch den Lichtwellenleiter propagierenden Lichtstrahlen einen weitestgehend kollimierten Lichtstrahl bilden, der nur einen geringen Winkelbereich abdeckt. Bragg-Filter haben eine hohe Filtereffizienz. Ferner wirkt sich die kleine Fläche des benötigten Filters positiv auf die Kosten des Gesamtsystems aus, da die Filterkosten direkt mit der Filterfläche positiv korrelieren.
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In einer besonderen Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter in Form einer Spirale ausgebildet. Hierbei kann vorteilhaft eine große Einkoppelfläche abgedeckt werden, wodurch die Apertur der Detektoranordnung vergrößert wird.
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Bevorzugt ist der mindestens eine Lichtwellenleiter als eine transparente Folie ausgebildet ist. Somit sind sowohl Lichtwellenleiter und auch das lumineszierende Material transparent, wobei mit transparent die Durchlässigkeit für den für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich bezeichnet ist. Eine solche Ausführung kann beispielsweise an Windschutzscheiben von Fahrzeugen vorteilhaft angebracht werden, ohne dass das Sichtfeld von Fahrzeuginsassen gestört wird.
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Die Detektoranordnung umfasst in einer besonderen Ausführungsform eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern mit jeweils zugeordneter Detektoreinheit, wobei jeder Lichtwellenleiter ein winkelselektives Element aufweist, wobei jedes winkelselektive Element zur Selektion eines bestimmten Winkelbereichs derart ausgebildet ist, dass das rückgestreute Licht nur aus diesem bestimmten Winkelbereich zum jeweiligen Lichtwellenleiter geführt wird. Bezogen auf ein Lidar-System in einem Fahrzeug, wird das gesamte zu erfassende Sichtfeld einer Windschutzscheibe in einzelne Sichtfelder mittels der winkelselektiven Elemente zerlegt bzw. aufgeteilt, wobei für jeden Sichtfeldbereich ein bestimmter Lichtwellenleiter zuständig ist. Eine solche Detektoranordnung kann vorteilhaft Einsatz finden bei Systemen, die störempfindlicher sind wie beispielsweise bei sogenannten direct Time-of-Flight (TOF) Verfahren mit Avalanche-Photo-Dioden (APDs), da hierbei der Sichtfeldbereich, der sogenannte „Field of View“ pro Lichtwellenleiter entsprechend verringert ist und somit das jeweilige Signal-Rausch-Verhältnis des Empfangssignals verbessert wird. Dabei kann das rückgestreute Licht aus einem bestimmter Sichtfeldbereich zu einem bestimmten Lichtwellenleiter transmittiert werden, während der übrige Teil des Sichtfeldbereiches reflektiert bzw. geblockt wird und somit diesen bestimmten Lichtwellenleiter nicht erreicht. Als winkelselektive Elemente kommen beispielsweise optische Instrumente in Betracht.
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Bevorzugt ist dabei jedes winkelselektive Element derart wellenlängenselektiv ausgebildet, dass nur ein bestimmter Wellenlängenbereich zu den Lichtwellenleitern geführt wird, wobei die Nutzwellenläge des Lidar-Systems von dem bestimmten Wellenlängenbereich umfasst wird. Dadurch wird eine weitere Filterwirkung erzielt.
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Bevorzugt ist das winkelselektive Element als ein holographisch-optisches Bauelement ausgebildet. Insbesondere sind diese holographisch-optische Bauelemente Volumenhologramme, welche sowohl als Transmissionshologramme als auch als Reflexionshologramme gefertigt sein können. Holographisch-optische Bauelemente sind dabei besonders geeignet, um eine definierte Aufnahmebedingung für einen bestimmten Sichtfeldbereich bzw. Winkelbereich und einen bestimmten Wellenlängenbereich zu implementieren. In ein Volumenhologramm kann mittels Schichtdicke und Brechungsindexmodulation die Aufnahmebedingung präzise eingestellt werden.
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In einer besonderen Ausführungsform ist mindestens eines der holographisch-optischen Bauelemente aus einer Mehrzahl von Unterhologrammen aufgebaut. Dabei kann noch präziser die Aufnahmebedingung für Winkel und Wellenlänge definiert werden. Diese Unterhologramme können beispielsweise durch holografisches Multiplexing in ein holografisches Volumen geschrieben werden, oder aber alternativ durch Bildung eines Stacks aus mehreren aufeinander laminierten holografischen Schichten.
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Ferner wird ein Lidar-System umfassend eine Laserlichtquelle zum Aussenden von Laserlicht mit einer bestimmten Nutzwellenlänge vorgeschlagen. Die Nutzwellenlänge liegt dabei beispielsweise im Infrarotbereich. Ferner umfasst das Lidar-System eine Detektoranordnung zur Detektion des rückgestreuten Lichts nach einem der obigen Ausführungen. Als Laserlichtquelle kommt insbesondere ein scannender Laser in Frage.
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Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Fahrzeug, welches ein nach obigen Ausführungen beschriebenes Lidar-System umfasst. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug handeln, insbesondere um ein straßengebundenes Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen oder ein Zweirad. Insbesondere kommen dabei autonome Personenkraftfahrzeuge in Betracht, bei denen entsprechende Lidar-Systeme zum Einsatz kommen können.
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Bevorzugt ist dabei der mindestens eine Wellenleiter in der Windschutzscheibe des Fahrzeugs eingebracht ist. Dadurch kann vorteilhaft auf eine zusätzliche separate Öffnung in der Karosserie eines Fahrzeugs verzichtet werden. Bevorzugt ist die mindestens eine Detektoreinheit ferner dazu ausgebildet, dass diese an einer Fahrzeugsäule eines Fahrzeugs anbringbar ausgebildet ist. Somit kann die Detektoreinheit unauffällig integriert und an der Seitenfläche der Windschutzscheibe kontaktiert werden. Als Fahrzeugsäule kommt insbesondere eine A-Säule in Betracht, wobei je nach Anwendung beispielsweise auch B-Säule, C-Säule oder D-Säule in Betracht kommen. Eine solche Anbringung ist zudem platzsparend und ohne größere Eingriffe in die Karosserie eines Fahrzeugs in herkömmlichen Fahrzeugkonzepten integrierbar.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Detektoranordnung für ein Lidar-System nach einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine Detektoranordnung für ein Lidar-System auf einer Windschutzscheibe nach einer zweiten Ausführungsform,
- 3 eine Detektoranordnung für ein Lidar-System auf einer Windschutzscheibe nach einer zweiten Ausführungsform,
- 4 eine Queransicht eines Lichtwellenleiters mit einem zugehörigen winkelselektiven Element, und
- 5 eine schematische Darstellung einer Aufteilung des Sichtfelds.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine Detektoranordnung 1 für ein Lidar-System 100 zur Detektion von rückgestreutem Licht 30 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das auf den Lichtwellenleiter 10 einfallende Licht, ist dabei das rückgestreute Licht 30 eines Lidar-Systems 100. In einem Lidar-System 100 wird Licht 130 von einer Laserstrahlquelle 110 mit einer bestimmten Nutzwellenlänge ausgesandt und von Objekten 120 beziehungsweise der Umgebung rückgestreut. Die Umgebung kann beispielsweise von der Laserstrahlquelle 110 scannend angestrahlt werden, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Das an den zu detektierenden Objekten 120 rückgestreute Licht 30, welches in Richtung der Detektoranordnung 1 rückgestreut wird, wird dann von der Detektoranordnung 1 detektiert.
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Dazu umfasst die Detektoranordnung 1 einen Lichtwellenleiter 10, welcher dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil des rückgestreuten Lichts 30 in den Lichtwellenleiter 10 über eine Lichteinkoppelfläche 11 einzukoppeln. Mit Einkoppeln wird hierbei das Eindringen von Licht in das Innere des Lichtwellenleiters 10 bezeichnet. Die Lichteinkoppelfläche 11 ist durch zumindest einen Teilbereich der Umfangsfläche des Lichtwellenleiters 10 ausgebildet, bevorzugt der Teilbereich, der dem rückgestreuten Licht 30 zugewandt ist.
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In dem Lichtwellenleiter 10 ist ein lumineszierendes Material 14 eingebracht, wobei das lumineszierende Material 14 bevorzugt aber nicht beschränkend in Form von Farbstoffen vorliegt. Dieses lumineszierende Material 14 ist dabei so abgestimmt, dass dieses im Wellenlängenbereich des rückgestreuten Lichts 30 luminesziert, d.h. es ist also auch entsprechend mit der Nutzwellenlänge des ausgesandten Lichts 130 des Lidar-Systems 100 abgestimmt. Durch die Lumineszenz wird ferner re-emittiertes Licht 32 erzeugt, wobei der Lichtwellenleiter 10 dazu ausgebildet ist, ein Teil dieses re-emittierten Lichts 32 axial entlang der Länge des Lichtwellenleiters 10 zu leiten. Dies kann beispielsweise mittels Totalreflexion oder auch direkt erfolgen.
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Ferner umfasst die Detektoranordnung 1 eine Detektoreinheit 20, welche an einer Lichtauskoppelfläche 12 des Lichtwellenleiters 10 an einem axialen Ende 13 des Lichtwellenleiters 10 positioniert ist. Diese Detektoreinheit 20 ist dazu ausgebildet, zumindest einen Teil des axial entlang des Lichtwellenleiters 10 geleitete re-emittierte Licht 32 zu detektieren.
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Es wird also nicht direkt das rückgestreute Licht 30 eines Lidar-Systems 100 detektiert, sondern Sekundärlicht bzw. re-emittiertes Licht 32, welches durch Auftreffen des rückgestreuten Lichts 30 auf das lumineszierende Material 14 im Inneren des Lichtwellenleiters 10 entsteht. Die Lumineszenz des lumineszierenden Materials 14 zerstört die Richtungsinformation des auf den Lichtwellenleiter 10 einfallenden, rückgestreuten Lichts 30 des Lidar-Systems 100. Ein Teil dieses re-emittierten Lichts 32 wird in Axialrichtung des Lichtwellenleiters 10 geleitet und zur Auskoppelfläche 12 und somit zur Detektoreinheit 20 z.B. mittels einfacher, mehrfacher Totalreflexion oder auch direkt geführt. Die Wellenlänge des re-emittierten Lichts 32 liegt dabei typischerweise leicht unterhalb von der Nutzwellenlänge des Lidar-Systems 100.
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Für die Detektoranordnung 1 kann somit die Länge des Lichtwellenleiters 10 beliebig vergrößert werden, ohne dabei die Fläche der Detektoreinheit 20 verändern zu müssen. Demnach kann aus einem großen Winkelbereich, in der 1 durch zwei aus sehr unterschiedlichen Richtungen einfallende Lichtfronten des rückgestreuten Lichts 30 angezeigt, über eine große Umfangs- bzw. Lichteinkoppelfläche auf eine kleine (und schnelle) Detektoreinheit 20 Licht gelenkt werden. Demzufolge ist die Größe der Detektorapertur, die gegeben ist durch die Fläche, die der Lichtwellenleiter 10 aufspannt, entkoppelt von der Größe der Detektoreinheit 20.
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Zwischen der Detektoranordnung 1 und dem axialen Ende 13 des Lichtwellenleiters 10 an der Auskoppelfläche 12 kann bevorzugt ein Farbfilter 40 positioniert werden. Der Farbfilter 40 kann dabei insbesondere als einfacher Bragg-Filter ausgebildet sein. Die Größe des Farbfilters 40 kann auf Grund der klein wählbaren Detektoreinheit 20 ebenfalls klein ausgebildet sein, so dass vorteilhaft nur eine kleine Filterfläche benötigt wird und dadurch Kosten gespart werden können. Alternativ kann auch die Wellenlängenselektivität des lumineszierenden Materials bereits den gewünschten Filtereffekt erzielen.
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Die Laserlichtquelle 110 des Lidar-Systems 100 kann beispielsweise scannend die Umgebung bzw. Szenerie abtasten, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt. Eine entsprechende Auswerteeinrichtung zur Rekonstruktion der Umgebung aus den detektierten Signalen ist lediglich aus Gründen der Übersicht nicht eingezeichnet, eine derartige Auswerteeinrichtung ist hier wie auch den folgenden Figuren vorteilhaft vorgesehen.
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In der 2 ist eine Detektoranordnung 1 gezeigt, die beispielhaft in eine Windschutzscheibe 210 eines Fahrzeugs 200 eingebracht ist, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Der Lichtwellenleiter 10 ist dabei beispielhaft in dieser Ausführungsform in Form einer Spirale 15 ausgebildet. Dadurch kann eine größere Lichteinkoppelfläche 11 für den Lichtwellenleiter 10 erzeugt werden, wodurch entsprechend auch die Detektorapertur vergrößert wird. Die Erfindung ist dabei jedoch nicht auf eine Spiralform beschränkt. Beispielsweise können auch andere geometrische Ausbildungen verwendet werden, wie zum Beispiel streifenartige Anordnungen, die eine große Lichteinkoppelfläche 11 zur Folge haben. Ferner ist in dieser Ausführungsvariante der Lichtwellenleiter 10 beispielhaft transparent ausgebildet und dabei insbesondere beispielhaft als transparente Folie ausgebildet. Entsprechend ist auch das lumineszierende Material 14 bzw. der dazu verwendete Farbstoff transparent. Vorteilhaft wird dadurch das Sichtfeld für einen Fahrer oder Fahrzeuginsassen des Fahrzeugs 200 nicht nachteilhaft eingeschränkt. Auch hierbei weist die Detektoranordnung 1 rein beispielhaft einen als Braggfilter ausgebildeten Farbfilter 40 auf.
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Die eigentliche Detektoreinheit 20 ist hierbei rein beispielhaft an dem Rand der Windschutzscheibe 210 im Bereich einer Fahrzeugsäule 220 eines Fahrzeugs 200 integriert bzw. eingebracht. Die Fahrzeugsäule 220 ist bevorzugt eine A-Säule eines Fahrzeugs. Jedoch kann je nach Anwendung auch eine B-Säule, C-Säule oder D-Säule in Betracht kommen. Eine solche Positionierung ist unauffällig und ferner kann die Detektoreinheit 20 an der Seitenfläche der Windschutzscheibe 210 kontaktiert werden. Eine solche Anbringung ist auch platzsparend und ohne größere Eingriffe in die Karosserie eines Fahrzeugs 200 in herkömmlichen Fahrzeugkonzepten integrierbar.
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Auch in dieser Ausführung ist ferner schematisch ein Lidar-System 100 beschrieben, welches neben der Detektoranordnung 1 noch eine Laserlichtquelle 110 umfasst. Diese Laserlichtquelle 110 kann beispielsweise scannend die Umgebung bzw. Objekte 120 abtasten, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
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In der 3 ist eine dritte Ausführungsform einer Detektoranordnung 1 für ein Lidar-System 100 beschrieben. Wie in 2 ist die Detektoranordnung 1 in einer Windschutzscheibe 210 eines Fahrzeugs 200 integriert, wobei auch hier die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Alternativ können derartige Detektoranordnungen 1 auch in Bereichen außerhalb des automotiven Bereichs Anwendung finden. Im Unterschied zu 2 umfasst diese Ausführungsvariante der Detektoranordnung 1 jedoch eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern 10-1, ..., 10-8 mit jeweils einer zugeordneten Detektoreinheit 20-1, ..., 20-8. Jeder einzelne Lichtwellenleiter 10-1, ..., 10-8 mit zugehöriger Detektoreinheit 20-1, ..., 20-8 ist dabei grundsätzlich entsprechend der in 1 beschriebenen Eigenschaften ausgebildet. Auch hier sind die Lichtwellenleiter 10-1, ..., 10-8 rein beispielhaft und nicht beschränkend in Form von Spiralen 15 ausgebildet, insbesondere auch beispielhaft als transparente Folie wie auch in 2. Rein beispielhaft beträgt die Anzahl der Lichtwellenleiter neun, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Die Detektoranordnung 1 ist also in Detektorteilflächen 50-1,...,50-8 unterteilt.
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Jede Detektoreinheit 20 ist bevorzugt am Rande der Windschutzscheibe 210 positioniert. Insbesondere können die Detektoreinheiten ebenfalls beispielhaft in einer Fahrzeugsäule 220 eines Fahrzeugs 200 analog zu 2 integriert werden. Ferner sind die Lichtwellenleiter 10 entlang des Randes der Windschutzscheibe 210 angeordnet, so dass ein mittiger Teil der Windschutzscheibe 210 unbedeckt verbleibt und das Sichtfeld eines Fahrers nicht beeinträchtigt wird.
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Jedes Paar aus Lichtwellenleiter 10-1, ..., 10-8 und zugehöriger Detektoreinheit 20-1, ..., 20-8 bildet dabei ein Empfangselement aus. Beispielsweise ist der erste Lichtwellenleiter 10-1 und die erste Detektoreinheit 20-1 ein erstes Empfangselement usw. Jedes Empfangselement, das heißt jedes Paar aus Lichtwellenleiter 10-1, ..., 10-8 und Detektoreinheit 20-1, ..., 20-8 ist in dieser Ausführungsvariante derart ausgebildet, dass dieses nur für einen bestimmten, eingeschränkten Winkelbereich 62-1,... ,62-8, der auch Sichtfeldbereich (Field of View) des gesamten Sichtfeldbereich genannt werden kann, des von Objekten 120 rückgestreuten Lichts 30 zuständig ist. Beispielsweise ist demnach der erste Lichtwellenleiter 10-1 mit der zugehörigen ersten Detektoreinheit 20-1 zur Detektion eines ersten Winkel- oder Sichtfeldbereichs 62-1 ausgebildet usw.
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Dafür weist in dieser Ausführungsvariante jeder Lichtwellenleiter 10 ein winkelselektives Element 60 auf. Dieses winkelselektives Element 60 ist dabei zur Selektion eines bestimmten Wellenlängenbereichs und eines bestimmten Winkel- bzw. Sichtfeldbereichs 62 derart ausgebildet, dass nur rückgestreutes Licht 30 aus diesem bestimmten Winkel- bzw. Sichtfeldbereich 60 zum jeweiligen Lichtwellenleiter 10 geführt wird. Beispielsweise lässt hierbei das erste winkelselektive Element 60 nur rückgestreutes Licht 30 aus dem ersten Winkel- bzw. Sichtfeldbereich 62 zu dem ersten Lichtwellenleiter 10 passieren usw.
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Dabei ist die Anordnung bevorzugt derart ausgelegt, dass entsprechend das gesamte Sichtfeld in einzelne, bestimmte Detektorteilbereiche 50-1,...,50-8 bzw. damit korrespondierende Winkel- bzw. Sichtfeldbereiche 62-1, ..., 62-8 zerlegt bzw. aufgeteilt wird. Die verschiedenen Detektorteilfächen 50-1,... ,50-8 bzw. Winkelbereiche 62-1, ..., 62-8 sind dabei bevorzugt disjunkt, d.h. sie sind räumlich getrennt voneinander und unterscheiden sich und es gibt bevorzugt keinen Winkel- bzw. Sichtfeldbereichüberlapp.
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Bevorzugt ist jedes winkelselektive Element 60 wellenlängenselektiv ausgebildet. Insbesondere wird dabei derjenige Wellenlängenbereich zu den Lichtwellenleitern 10 durchgelassen, welcher die Nutzwellenlänge umfasst, so dass das Laserlicht und damit die Wellenlänge des rückgestreuten Lichts 30 in die Lichtwellenleiter 10 eingekoppelt werden kann. Vorteilhaft wird dadurch eine weitere Filtereigenschaft erzielt. In alternativen Ausführungsformen können sowohl winkelselektive Elemente als auch zusätzliche wellenlängenselektive Elemente vorgesehen sein.
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Als ein solches winkelselektives Element 60 mit wellenlängenselektiven Eigenschaften können bevorzugt holographisch-optische Bauelemente 66 zum Einsatz kommen. Diese können als Volumenhologramme ausgebildet sein. Bei holografisch-optischen Bauelementen 66, welche als Volumenhologramme realisiert sind, wird Strahlumlenkung durch Beugung am Volumengitter bewirkt. Diese können als Transmissionshologramme oder auch als Reflexionshologramme gefertigt sein, wobei durch freie Wahl von Einfalls- und Ausfalls- bzw. Beugungswink neue Bauformen möglich sind. Vorteilhaft können sehr gezielte Durchlassbedingungen (Wellenlänge, Winkel) eingestellt werden, so dass bei einem holographisch-optischen Bauelement 66 nur Licht aus einer definierten Richtung und mit definierter Wellenlänge zum jeweiligen Lichtwellenleiter 10 geführt bzw. transmittiert und der übrige Winkelbereich 64 geblockt bzw. reflektiert wird.
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Die Zerlegung des Sichtfeldbereichs wie in den obigen Ausführungsformen vorgeschlagen bewirkt dabei vorteilhaft, dass das Signal-Rausch-Verhältnis pro Lichtwellenleiter 10-1, ..., 10-8 und Detektoreinheit 20-1, ..., 20-8 verbessert und nicht durch das Störlicht begrenzt wird. Somit ist eine solche Anordnung insbesondere für störempfindlichere Lidar-Systeme von Vorteil, wie beispielsweise für direkte TOF-Verfahren mit Avalanche-Photo-Dioden.
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4 zeigt eine Queransicht von Lichtwellenleitern 10 mit je einem zugehörigen winkelselektiven Element 60, welches hierbei beispielhaft als holographisch-optisches Bauelement 66 ausgebildet ist. Das holgraphisch-optische Bauelement 66 ist hierbei beispielhaft als dünne Schicht ausgebildet, die in dieser Ausführungsform auf einem zugehörigen Lichtwellenleiter 10 bzw. einer Lichtwellenleiterschicht aufgebracht ist. Schematisch wird ferner ein bestimmter Winkel- bzw. Sichtfeldbereich 62 dargestellt, aus dem Licht in den jeweiligen Lichtwellenleiter 10 eingekoppelt wird. Beispielhaft ist dabei schematisch ein geblockter Sichtfeldbereich 64 angezeigt, aus dem kein Licht in den Lichtwellenleiter 10 eingekoppelt werden kann.
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Eine Aufnahme zur Erzeugung eines solchen holographisch-optischen Bauelements 66 kann entweder analog erfolgen oder durch einen holografischen Drucker erstellt werden. In einer Massenfertigung kann man so nur ein Masterhologramm herstellen und dieses dann mit dem Verfahren der Kontaktkopie vervielfältigen. Ferner kann das hierbei beispielhaft verwendete holographisch-optische Bauelement 66 auch alternativ aus einer Mehrzahl von Unterhologrammen aufgebaut sein, wodurch bestimmtere Aufnahmebedingungen für Winkel und Wellenlänge erzielt werden können. Diese Unterhologramme können beispielsweise durch holografisches Multiplexing in ein holografisches Volumen geschrieben werden, oder aber alternativ durch Bildung eines Stacks aus mehreren aufeinander laminierten holografischen Schichten.
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In der 5 wird zur weiteren Illustration eine schematische Anordnung einer Vielzahl von holographisch-optischen Bauelementen 66-1, ..., 66-9 zur Aufteilung des Sichtfeldes gezeigt. Alternativ können auch andere optische winkelselektive Elemente 60-1,..., 60-9 Verwendung finden. Diese holographisch-optischen Bauelemente 66-1, ..., 66-9 sind wie in 4 oberhalb von jeweiligen Lichtwellenleitern angeordnet (hier nicht gezeigt) positioniert. Rückgestreutes Licht, welches einfallend aus einem bestimmten Winkel- bzw. Sichtfeldbereich, zum Beispiel dem fünften Winkel- bzw. Sichtfeldbereich 62-5 kommt, wird nur über das zugehörige fünfte holographisch-optische Bauelement 66-5 transmittiert bzw. zum zugehörigen fünften Lichtwellenleiter weitergeitet, angedeutet durch das schraffiertes Feld. Alle übrigen holographisch-optischen Bauelemente 66 blockieren bzw. reflektieren Licht aus diesem beispielhaften fünften Winkel- bzw. Sichtfeldbereich 62-5. Analog wird in dem rechten Schema die Situation für einen weiteren bestimmten Winkel- bzw. Sichtfeldbereich, hier dem vierten Sichtfeldbereich 62-4, beschrieben. Ferner kann die Aufteilung genutzt werden, um ein einkommendes Signal einem bestimmten Winkel- bzw. Sichtfeldbereich zuzuordnen.
