DE102017213706A1

DE102017213706A1 - LiDAR-System

Info

Publication number: DE102017213706A1
Application number: DE102017213706.1A
Authority: DE
Inventors: Ingo Ramsteiner; Annette Frederiksen; Tobias Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2019-02-07
Also published as: CN109387843A; US20190041520A1

Abstract

Es wird ein LiDAR-System beschrieben, welches eine Laserstrahlungsquelle (10) zur Erzeugung kohärenter Laserstrahlung (12) umfasst, wobei das LiDAR-System dazu ausgebildet ist, die von dem LiDAR-System emittierte Laserstrahlung (12) im Wesentlichen in Propagationsmoden auszusenden, welche analytischen Lösungen der paraxialen Helmholtz-Gleichung mit zwei Ordnungszahlen entsprechen, wobei mindestens eine der beiden Ordnungszahlen größer als 0 ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System, bevorzugt ein augensicheres LiDAR-System.
Stand der Technik
LiDAR (Light Detection and Ranging) gewinnt zunehmend Bedeutung bei der Umfelderkennung von Kraftfahrzeugen oder Robotern. Obgleich verschiedene technische Ausführungsformen existieren, wird im Allgemeinen durch Aussenden von Licht und eine anschließende Detektion der von beleuchteten Oberflächen zurückgeworfenen Strahlung die Präsenz, Entfernung und gegebenenfalls Geschwindigkeit anderer Objekte detektiert. Insbesondere kann ein Laserstrahl zur Abtastung der Umgebung verwendet werden. Ein übliches Verfahren basiert darauf, dass von einem entsprechenden LiDAR-System in schneller Abfolge einzelne Laserpulse zur Abtastung der Umgebung in unterschiedliche Raumrichtungen ausgesandt und über eine Laufzeitmessung der jeweils zurückreflektierten Pulse der Abstand zur reflektierenden Oberfläche bestimmt wird (Laufzeitmessung).
Aus der EP 0 648 340 B1 ist beispielsweise ein LiDAR bekannt, mit dem ein Hindernisvermeidungssystem für Hubschrauber und Flugzeuge realisiert werden kann.
Die Reichweite eines LIDAR-Systems ist unter anderem dadurch begrenzt, dass bei zunehmender Distanz zu einer reflektierenden Oberfläche immer weniger Photonen zum Detektor zurückgelangen und deren Nachweis beziehungsweise eine Auswertung des reflektierten Signals irgendwann nicht mehr möglich wird.
Durch eine Erhöhung der Laserleistung kann die Reichweite zwar vergrößert werden, dem sind jedoch gewisse Obergrenzen gesetzt, weil stets die Augensicherheit für alle in Reichweite der Strahlung befindlichen Personen sichergestellt werden muss. Insbesondere bei Wellenlängen im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich (Wellenlänge unterhalb von 1,4 µm) ist dies eine kritische Einschränkung, weil solches Licht die Hornhaut und die Linse des Auges besonders gut durchdringt und somit auf die empfindliche Netzhaut gebündelt werden kann. Durch die Forderungen der Augensicherheit lässt sich somit die Laserleistung nicht beliebig erhöhen.
Bei kohärenter Laserstrahlung mit entsprechenden Wellenlängen besteht die Gefahr für das Auge insbesondere darin, dass das kohärente Licht durch die Linse des Auges sehr gut auf einzelne Punkte der empfindlichen Netzhaut fokussiert werden kann. Dadurch können an dieser Stelle sehr hohe Leistungsdichten auftreten, welche das empfindliche Netzhautgewebe irreversibel zerstören können. Der Einsatz inkohärenter Laserstrahlung würde die Größe des effektiven Brennpunkts zwar vergrößern, eine solche Strahlung weist jedoch eine deutlich höhere Divergenz auf und ist somit für eine hochaufgelöste Umgebungsabtastung nicht geeignet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein LiDAR-System zur Verfügung gestellt, welches die im Stand der Technik auftretenden Probleme bezüglich der Augensicherheit kohärenter Laserstrahlung bei hohen Leistungen vermeidet oder zumindest deutlich vermindert. Bei dem erfindungsgemäßen LiDAR-System handelt es sich bevorzugt um ein nicht kohärent detektierendes LiDAR. Bei einem solchen LiDAR bleibt die Phase (beziehungsweise die Phasenbeziehung innerhalb des Strahlungsfeldes) der zur Abtastung der Umgebung genutzten Laserstrahlung unberücksichtigt.
Ein erfindungsgemäßes LiDAR-System umfasst eine Laserstrahlungsquelle zur Erzeugung kohärenter Laserstrahlung, wobei das LiDAR-System dazu ausgebildet ist, die von dem LiDAR-System emittierte Laserstrahlung im Wesentlichen in Propagationsmoden (auch als transversale Ausbreitungsmoden bezeichnet) auszusenden, welche analytischen Lösungen der paraxialen Helmholtz-Gleichung mit zwei Ordnungszahlen entsprechen, wobei mindestens eine der beiden Ordnungszahlen größer als 0 ist. Im Gegensatz zu Grundmoden, bei denen beide Ordnungszahlen gleich 0 sind, werden die genannten Moden auch als Propagationsmoden höherer Ordnung (das heißt mindestens einer Ordnung höher als die Grundmode) bezeichnet. Die vom LiDAR-System ausgesendete Strahlung ist vorzugsweise monochromatisch, das heißt im Wesentlichen auf eine einzige Wellenlänge festgelegt. Insbesondere kann es sich bei der Laserstrahlungsquelle um einen longitudinalen Einzelmodenemitter (nur eine longitudinale Ausbreitungsmode) handeln.
Bei der paraxialen Helmholtz-Gleichung handelt es sich um eine approximative Form der Helmholtz-Gleichung, welche sich aus der allgemeinen Wellengleichung nach Trennung der Variablen und unter der Annahme einer harmonischen Zeitabhängigkeit ergibt. Die paraxiale Helmholtz-Gleichung kann insbesondere zur Beschreibung der Ausbreitung kohärenter Laserstrahlung herangezogen werden.
Analytische Lösungen lassen sich typischerweise durch Entwicklung des Lösungsraums in einem vollständigen Satz von orthogonalen Eigenfunktionen für bestimmte geometrische Randbedingungen finden. Ein solcher Satz an Lösungen wird auch als Modenfamilie bezeichnet. Da es sich beim lateralen Anteil der paraxialen Helmholtz-Gleichung mathematisch um ein zweidimensionales Problem handelt (Feldverteilung in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung), lassen sich entsprechende Lösungen mittels zweier voneinander unabhängiger Lateralparameter beschreiben. Lässt sich jedes Mitglied der Modenfamilie durch ein Paar ganzer Zahlen als Lateralparameter darstellen, so werden diese Zahlen als Ordnungszahlen für die entsprechende Modenfamilie bezeichnet, wobei hierüber die Ordnung der entsprechenden Lösung beziehungsweise der jeweiligen Eigenfunktionen festgelegt wird.
Die Ordnungszahlen lassen sich auch unmittelbar aus dem Intensitätsprofil eines entsprechenden Strahls entnehmen, da die Anzahl der in bestimmten Richtungen auftretenden Feldmaxima mit der Höhe der Ordnung, das heißt mit den Werten der entsprechenden Ordnungszahlen, korreliert. Die Grundmode einer Modenfamilie zeichnet sich dadurch aus, dass eine Gerade durch das Strahlprofil in beliebiger Richtung genau ein Intensitätsmaximum in der Strahlmitte aufzeigt (zum Beispiel ideales Gauß-Profil). Moden höherer Ordnung sind dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest für einzelne Schnittgeraden eine unterschiedliche Anzahl von lokalen Feld- beziehungsweise Intensitätsmaxima feststellen lässt und/oder entlang einer solchen Schnittgeraden der Schwerpunkt der Feldverteilung außerhalb der Strahlmitte liegt.
Die Randbedingungen legen zumeist ein besonders bevorzugtes Koordinatensystem für die Wahl der Eigenfunktionen fest. Passend zu diesen Randbedingungen kann das Problem dann in ein entsprechendes Koordinatensystem transformiert werden. Beispielsweise handelt es sich bei einem typischen Gauß-Strahl um eine Lösung der paraxialen Helmholtz-Gleichung in Zylinderkoordinaten mit kreisförmigen Randbedingungen.
Reale Laserstrahlung oder anderweitig erzeugbare Strahlprofile lassen sich zumeist gut durch einzelne Lösungen (zum Beispiel idealer Gauß-Strahl) oder eine Superposition von Lösungen einer Modenfamilie annähern. Aufgrund der Vollständigkeit der Entwicklung kann für eine Superposition mit einer großen Anzahl von unabhängigen Lösungen einer Modenfamilie prinzipiell jede beliebige Feldverteilung approximiert werden. Nichtsdestotrotz ist für eine Annäherung an eine reale Laserstrahlung eine Beschränkung der Superposition auf maximal drei Propagationsmoden einer Modenfamilie zumeist vollkommen ausreichend. Als ausreichend wird hierbei angesehen, wenn die betrachteten Propagationsmoden vorzugsweise mindestens 80 %, bevorzugter mindestens 90 %, bevorzugter mindestens 95 % und noch bevorzugter mindestens 99 % der Gesamtstrahlungsleistung der realen Laserstrahlung umfassen.
Dass sich die von dem LiDAR-System emittierte Laserstrahlung im Wesentlichen in bestimmten Propagationsmoden ausbreitet, bedeutet demnach, dass die sich erfindungsgemäß ausbreitenden Propagationsmoden (das heißt die wesentlichen Propagationsmoden) vorzugsweise mindestens 80 %, bevorzugter mindestens 90 %, bevorzugter mindestens 95 % und noch bevorzugter mindestens 99 % der vom LiDAR-System emittierten Gesamtstrahlungsleistung umfassen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße LiDAR-System hat den Vorteil, dass durch eine sich im Wesentlichen in höheren Propagationsmoden ausbreitende kohärente Laserstrahlung die mögliche Fokussierbarkeit der Strahlung, auch unter Zuhilfenahme optischer Geräte, gegenüber beispielsweise dem Gaußstrahl eines Grundmodenemitters deutlich herabgesetzt wird. Entsprechende Moden werden beim Durchgang durch eine Linse nicht auf einen einzelnen scharfen Punkt, sondern auf eine davon abweichende Intensitätsverteilung mit größerer Fläche abgebildet. Insbesondere wird eine durch die Linse des Auges eines Betrachters fokussierte kohärente Laserstrahlung für entsprechende Propagationsmoden bei der Abbildung der Strahlungsquelle auf der Netzhaut „unschärfer“ abgebildet, als dies bei Verwendung eines idealen Gauß-Strahls der Fall wäre.
Dadurch wird die fokussierte Strahlungsleistung auf eine größere Fläche der Netzhaut verteilt, sodass die Strahlungsbelastung pro Flächenelement demgegenüber reduziert wird (geringere Leistungsdichte). Somit wird lokal die Zerstörungsschwelle des Gewebes erst bei größeren Gesamtleistungen als bei einem Gauß-Strahl erreicht. Dies kann dazu genutzt werden, ein erfindungsgemäßes LiDAR System trotz einer im Vergleich zum Stand der Technik erhöhten Laserleistung augensicher zu betreiben.
Durch Verwendung spezieller Strahlprofile (das heißt entsprechender Propagationsmoden) kann somit eine größere Winkelausdehnung der scheinbaren Quelle auf der Netzhaut erreicht werden, wodurch sich die durch die Augensicherheitsnorm IEC 60825-1 vorgegebenen Grenzwerte zugänglicher Strahlung (GZS) erhöhen lassen. Außerdem wird bei der Abbildung dieser speziellen Strahlprofile die vom Auge eingefangene Leistung auf einen größeren Bereich verteilt, wodurch der Quotient ZS/GZS (ZS = zugängliche Strahlung) kleiner wird. Somit können augensichere Systeme mit einer erhöhten Sendeleistung realisiert werden, was sich wiederum positiv auf die Performance (Reichweite) der Systeme auswirkt.
Dass eine Linse einfallendes Licht auf einen einzelnen Punkt der Bildebene bündelt, ist eigentlich ein Spezialfall für ebene Wellen. Laserstrahlen mit einem Gauß'schem Strahlprofil (Regelfall) weisen jedoch in der Strahltaille tatsächlich ebene Wellenfronten auf und entsprechen an anderen Stellen Kugelwellen mit extrem großem Krümmungsradius, die über eine Pupille hinweg somit ebenfalls näherungsweise eben sind. Die Annahme ebener Wellen ist somit gerechtfertigt.
Vorzugsweise kann es sich bei den erfindungsgemäß genutzten Propagationsmoden um Hermite-Gauß-Moden, Laguerre-Gauß-Moden oder Ince-Gauß-Moden handeln. Hierbei handelt es sich um wohlbekannte Lösungen (jeweils eine Modenfamilie ausbildend) der paraxialen Helmholtz-Gleichung für unterschiedliche Randbedingungen (vollständige Sätze von orthogonalen Eigenfunktionen). Insbesondere handelt es sich hierbei um analytische Lösungen der paraxialen Helmholtz-Gleichung mit zwei Ordnungszahlen, wobei für die jeweiligen Grundmoden beide Ordnungszahlen jeweils gleich 0 sind.
Bei Hermite-Gauß-Moden handelt es sich um eine Familie von stabilen Lösungen zur paraxialen Helmholtz-Gleichung mit einem rechteckigen Strahlungsquerschnitt (entspricht rechteckigen Randbedingungen) entlang der Ausbreitungsrichtung der Strahlung. Hermite-Gauß-Moden lassen sich als analytische Lösungen der paraxialen Helmholtz-Gleichung in kartesischen Koordinaten mittels des Produktes zweier Hermite-Polynome H_l × H_m darstellen. Einzelne Hermite-Gauß-Moden werden typischerweise als HG_l,m mit zwei Ordnungszahlen l und m (l und m umfassen die Menge der nichtnegativen ganzen Zahlen) abgekürzt.
Bei Laguerre-Gauß-Moden handelt es sich um eine Familie von stabilen Lösungen zur paraxialen Helmholtz-Gleichung mit einem kreisförmigen Strahlungsquerschnitt (entspricht kreisförmigen Randbedingungen) entlang der Ausbreitungsrichtung der Strahlung. Laguerre-Gauß-Moden lassen sich als analytische Lösungen der paraxialen Helmholtz-Gleichung in Zylinderkoordinaten mittels der zugeordneten Laguerre-Polynome $L_{p}^{l}$
darstellen. Einzelne Laguerre-Gauß-Moden werden typischerweise als LG_p,l mit zwei Ordnungszahlen p und l (p und l umfassen die Menge der nichtnegativen ganzen Zahlen) abgekürzt. Die zugeordneten Laguerre-Polynome $L_{p}^{l}$
lassen sich mittels der einfachen Laguerre-Polynome darstellen als $L_{p}^{l} (x) = {(- 1)}^{l} \frac{d^{l}}{d x^{l}} L_{p + l} (x) .$
Vorzugsweise handelt es sich bei den Propagationsmoden um LG_p,l Laguerre-Gauß-Moden mit p gleich 0 und l größer 0. Dies führt dazu, dass sich Ringe ausbilden und die Intensität pro Flächenelement in den ausgebildeten Ringen annähernd konstant ist. Somit wird eine Abschätzung der Bestrahlungsintensität pro Fläche deutlich einfacher als im Falle einer zusätzlichen azimutalen Variation des Intensitätsprofils. Weiterhin bevorzugt ist, dass die vom LiDAR-System emittierte Laserstrahlung sich im Wesentlichen in einer einzigen Propagationsmode (das heißt transversal monomodig) ausbreitet. Insbesondere kann es sich hierbei um eine als LG_0,1 abgekürzte Laguerre-Gauß-Mode mit den Ordnungszahlen p gleich 0 und l gleich 1 handeln. Weiterhin bevorzugt ist die Verwendung einer als LG_0,2, LG_0,3, LG_0,4 oder LG_0,5 abgekürzten Laguerre-Gauß-Mode zur Umgebungsabtastung. Allen die in diesem Absatz als bevorzugt angegebenen Moden haben gemein, dass die Intensität in der Strahlmitte ein Minimum annimmt und ansonsten kreisförmig um die Strahlmitte herum verteilt ist. Bei einer Fokussierung der Strahlung wird die Intensität ebenfalls räumlich (auf der Netzhaut) verteilt und nimmt daher auch kein gefährliches punktuelles Maximum (wie im Falle eines Gauß-Strahls) an.
Bei Ince-Gauß-Moden handelt es sich um eine Familie von stabilen Lösungen zur paraxialen Helmholtz-Gleichung mit einem ellipsenförmigen Strahlquerschnitt (entspricht ellipsenförmigen Randbedingungen) entlang der Ausbreitungsrichtung der Strahlung. Eine analytische Beschreibung kann mithilfe der Ince-Polynomen C_p ^m ebenfalls mithilfe zweier Ordnungszahlen p und m erfolgen. Einzelne Ince-Gauß-Moden werden typischerweise als IG_p,m abgekürzt.
Vorzugsweise breitet sich die von dem LiDAR-System emittierte Laserstrahlung im Wesentlichen in einer einzigen Propagationsmode aus. Dadurch kann der Aufwand zur Erzeugung des gewünschten Strahlprofils gering gehalten werden.
Falls die verwendete Laserstrahlungsquelle nicht bereits selbst der Erfindung entsprechende Propagationsmoden liefert (zum Beispiel eine entsprechende Resonatorgeometrie aufweist), gibt es verschiedene Möglichkeiten, entsprechende Propagationsmoden zu erzeugen. Häufig kann von dem Fall eines Gauß-Strahls als Ausgangsprofil der Laserstrahlungsquelle ausgegangen werden, welcher innerhalb des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems durch ein entsprechendes Mittel zur Transformation oder eine Vielzahl entsprechender Mittel vor einer Aussendung transformiert wird.
Vorzugsweise wird die von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung mittels eines diffraktiven optischen Elementes (DOE) oder eines Hologramms in die sich ausbreitenden Propagationsmoden transformiert. Diese Mittel zur Transformation sind vor allem besonders preisgünstig zu fertigen. Insbesondere die sogenannten Pitchfork-Hologramme sind hierbei besonders bevorzugt, da sie in der Beugungsordnung reine Laguerre-Gauß-Strahlen erzeugen, während unvollständig konvertierte Lichtanteile (ebene Wellen) in null-ter Ordnung transmittiert und mit einer Strahlfalle abgefangen werden können. Besonders augensicher sind sie dadurch, dass sie bei Beschädigung überhaupt keinen Strahl mehr in Beugungsrichtung erzeugen. Es ist möglich, durch Überlagerung einer Fresnel-Linse mit dem gleichen Element auch zu fokussieren.
Möglich ist auch eine Transformation der von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlung mittels einer spiralen Phasenplatte oder einer Vortex-Linse. Diese kommerziell erhältlichen Mittel zur Transformation bieten je nach Qualität sehr hohe Konversionseffizienz, sind jedoch relativ teuer, genau auf die jeweilige Wellenlänge abgestimmt und erfordern daher eine sehr präzise Abstimmung auf den Rest des LiDAR-Systems.
Weiterhin möglich ist auch die Transformation der von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlung mittels einer Zylinderlinse, einem SLM, Q-Platten. Diese Verfahren sind jedoch zumeist wenig praktikabel, ineffizient oder sehr teuer.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System, wobei das LiDAR-System mit einem Steuerungssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Unter dem Steuerungssystem eines Fahrzeugs wird dabei insbesondere ein elektronisches Steuerungssystem zur Kontrolle, Regelung und Steuerung des momentanen Fahrzeugzustandes verstanden. Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System, wobei das LiDAR-System zur augensicheren Umgebungsabtastung verwendet wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 Phasenfronten kollimierter Strahlen und Intensitätsverteilungen nach Fokussierung am Beispiel eines Gauß-Strahls (oben) und eines erfindungsgemäßen Laguerre-Gauß-Strahls höherer Ordnung (unten),
2 eine schematische Darstellung einer Phasenverteilung in Beziehung zu einem Auge, und
3 eine Simulation der Netzhautbilder für die Fernakkommodation eines Auges.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 sind die Phasenfronten kollimierter Strahlen und Intensitätsverteilungen nach Fokussierung am Beispiel eines Gauß-Strahls (oben) und eines erfindungsgemäßen Laguerre-Gauß-Strahls höherer Ordnung (unten) gezeigt. Weiterhin ist schematisch ein LiDAR-System mit einer Laserstrahlungsquelle 10 zur Erzeugung kohärenter Laserstrahlung 12 dargestellt, wobei die erzeugte Laserstrahlung 12 im weiteren Strahlenverlauf durch eine Linse 22 auf eine Bildebene fokussiert wird. Insbesondere kann es sich bei der Linse 22 um die Linse 10 eines Auges 20 und bei der Bildebene 24 um eine entsprechende Netzhaut 24 handeln.
Für die nahe dem LiDAR-System eingezeichnete Schnittebene sind die jeweiligen Phasenfronten (Phasenverteilung) vor der Fokussierung und für die entfernt vom LiDAR-System eingezeichnete Schnittebene die entsprechenden Intensitätsverteilungen in der Bildebene nach der Fokussierung dargestellt. Die obere Reihe zeigt dabei typische Verteilungen für einen Gauß-Strahl eines herkömmlichen LiDAR-Systems. Die untere Reihe zeigt typische Verteilungen für einen Laguerre-Gauß-Strahl erster Ordnung, wie er auch in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems eingesetzt wird. Insbesondere kann es sich bei der dargestellten Propagationsmode um eine LG_0,5 Laguerre-Gauß-Mode als analytischer Lösung der paraxialen Helmholtz-Gleichung in zylindrischen Koordinaten über zugeordnete Laguerre-Polynome mit Ordnungszahlen p gleich 0 und l gleich 5 handeln.
Ein herkömmlicher Gauß-Strahl weist im Wesentlichen ebene Wellenfronten auf und wird bei der Fokussierung auf einen einzigen Punkt abgebildet. Demgegenüber kommt es bei der dargestellten Laguerre-Gauß-Mode aufgrund der in Phasenverteilung erkennbaren helikalen Wellenfront zu einer ringförmigen Intensitätsverteilung um den Fokuspunkt herum. Die eingestrahlte optische Leistung wird daher auf eine größere Fläche der Netzhaut 24 verteilt, wodurch das Auftreten von optischen Strahlungsschäden verhindert werden kann.
In der 2 ist eine schematische Darstellung einer Phasenverteilung in Beziehung zu einem Auge 20 gezeigt. Die dargestellte Phasenverteilung entspricht der in 1 dargestellten Phasenverteilung für einen erfindungsgemäßen Laguerre-Gauß-Strahl höherer Ordnung. Wie beschrieben kommt es bei der dargestellten Laguerre-Gauß-Mode aufgrund der in Phasenverteilung erkennbaren helikalen Wellenfront bei einer Abbildung durch die Linse 22 zu einer ringförmigen Intensitätsverteilung auf der Netzhaut 24. Die fehlende Intensität im Zentrum ist Konsequenz daraus, dass dort alle Phasen von 0 bis 2π interferieren. Dieser Effekt bleibt so lange erhalten, wie der sogenannte Vortex Teil der eingefangenen Wellenfront ist.
Insbesondere bei einem großen Strahlquerschnitt (groß gegen die Pupille des Auges 20) kann es vorkommen, dass der Vortex, wie hier dargestellt, nicht auf die Pupille trifft. In diesem Fall fängt die Pupille nur einen Teil des Strahlquerschnitts ein, wobei die Phasensingularität des Strahls gegebenenfalls nicht darin enthalten ist. Das Auge 20 sieht dadurch eine relativ homogene (gegebenenfalls linear variierende) Wellenfront, die im Wesentlichen wieder auf einen einzelnen Punkt der Netzhaut 24 abgebildet wird. Allerdings beträgt dann auch die von der Netzhaut 24 erfasste Gesamtintensität nur einen Bruchteil der Intensität des Gesamtstrahls. Im Extremfall (Vortex liegt genau auf dem Pupillenrand) wird dabei nur knapp die Hälfte der Intensität auf die Netzhaut 24 abgebildet. Die restliche Strahlung wird vom Auge 20 beziehungsweise dessen unmittelbarer Umgebung absorbiert. Somit können auch im Falle einer unvollständigen Abbildung der Laserstrahlung 12 eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems die Anforderungen an die Augensicherheit erfüllt werden.
In der 3 ist eine Simulation der Netzhautbilder für die Fernakkommodation eines Auges 20 gezeigt. Dabei wurden zur Erstellung der Simulationsumgebung die typischen Abbildungsparameter eines Auges 20 sowie die einschlägigen Normen zur Augensicherheit herangezogen und anschließend eine entsprechende wellenoptische Simulation durchgeführt.
Die Normen (IEC 60825-1, DIN EN 60825-1) geben für die verschiedenen Laserklassen Grenzwerte zugänglicher Strahlung (GZS) vor, welche von einem Lasersystem der jeweiligen Klasse nicht überschritten werden dürfen. Bei LiDAR-Systemen ist insbesondere die Laserklasse 1 von Bedeutung, da diese ein augensicheres System erlaubt. Klasse 2 kann nur für den sichtbaren Spektralbereich verwendet werden und bei Klasse 3 kann nicht davon ausgegangen werden, dass das System bei längerem Blicken in den Strahl zu keiner Schädigung führt. Bei der Bewertung der Augensicherheit müssen sowohl alle Abstände, alle Positionen im Field-of-View (FOV) des LiDAR Sensors, alle Akkommodationszustände des Auges 20 als auch alle zeitlichen Unterabschnitte des in das Auge 20 treffenden Pulsmusters bis zu 100 s betrachtet werden.
Falls es sich um gepulste Systeme handelt, müssen weiterhin die drei durch die Normen vorgegebenen Pulskriterien ausgewertet werden. Da diese Rechnung für reale Systeme sehr komplex ist, wird zumeist nur auf einen Strahl (entspricht einem einzelnen Puls) eingegangen. Die Pupille des Auges 20 wird in der Augensicherheit mit 7 mm (maximal geweitete Pupille) angenommen und die Akkommodationsbandbreite des Auges 20 kann durch eine ideale Linse 22 mit der Brennweite 14,5 mm bis 17 mm, bei einem Netzhautabstand zur Linse 22 von 17 mm angenommen werden. Unter der Winkelausdehnung der scheinbaren Quelle wird der Winkel verstanden, unter dem eine Quelle von einem bestimmten Raumpunkt aus erscheint. Der Akkommodationszustand wurde mit dem Fokus auf unendlich gesetzt. Die Fernakkommodation ist der kritischste Bereich, da hierbei die kleinsten Bilder auf der Netzhaut 24 entstehen.
Die linke Abbildung zeigt die Netzhautabbildung eines Gauß-Strahl eines herkömmlichen LiDAR-Systems. Die rechte Abbildung zeigt eine entsprechende Netzhautabbildung eines Laguerre-Gauß-Strahls eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems. Insbesondere handelt es sich bei der simulierten Propagationsmode um eine LG_0,5 Laguerre-Gauß-Mode mit Ordnungszahlen p gleich 0 und l gleich 5. Die gezeigten Netzhautbilder entsprechen einer Linsenbrennweite von 17 mm.
Die Durchmesser der sich ergebenden Netzhautabbildungen sind für die beiden Strahlen in etwa gleich groß. Für die Augensicherheit kommt es jedoch nicht auf die Größe der Abbildung, sondern vielmehr auf die Intensitätsverteilung innerhalb der Netzhautabbildung an. Für eine umfangreiche Bewertung der Augensicherheit müssen daher alle möglichen Unterbereiche einer Abbildung auf der Netzhaut 24, insbesondere in den Bereichen maximaler Intensität, ausgewertet werden. Hierbei zeigt sich der große Vorteil der Laguerre-Gauß-Strahlen. In den beispielhaft dargestellten Unterbereichen befindet sich im Fall des normalen Gaußstrahls 3,96 % der gesamten Leistung, im Laguerre-Gauß-Fall sind es hingegen nur 0,55 %. Dadurch fällt der Quotient ZS/GZS im Laguerre-Gauß-Fall deutlich niedriger aus (Anmerkung: ZS/GZS muss < 1 sein, damit das System die Laserklasse erfüllt).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0648340 B1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 60825-1 [0037]

Claims

LiDAR-System, umfassend eine Laserstrahlungsquelle (10) zur Erzeugung kohärenter Laserstrahlung (12), dadurch gekennzeichnet, dass das LiDAR-System dazu ausgebildet ist, die von dem LiDAR-System emittierte Laserstrahlung (12) im Wesentlichen in Propagationsmoden auszusenden, welche analytischen Lösungen der paraxialen Helmholtz-Gleichung mit zwei Ordnungszahlen entsprechen, wobei mindestens eine der beiden Ordnungszahlen größer als 0 ist.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Propagationsmoden um Hermite-Gauß-Moden, Laguerre-Gauß-Moden oder Ince-Gauß-Moden handelt.
LiDAR-System nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei den Propagationsmoden um Laguerre-Gauß-Moden als stabile Lösungen der paraxialen Helmholtz-Gleichung in zylindrischen Koordinaten über die zugeordneten Laguerre-Polynome $L_{p}^{l}$
mit Ordnungszahlen p und l handelt, wobei p gleich 0 und l größer 0 ist.
LiDAR-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die von dem LiDAR-System emittierte Laserstrahlung (12) sich im Wesentlichen in einer einzigen Propagationsmode ausbreitet.
LiDAR-System nach Anspruch 4, wobei es sich bei der Propagationsmode um eine Laguerre-Gauß-Mode als stabile Lösung der paraxialen Helmholtz-Gleichung in zylindrischen Koordinaten über ein zugeordnetes Laguerre-Polynom $L_{p}^{l}$
mit Ordnungszahlen p gleich 0 und l gleich 1, 2 oder 3 handelt.
LiDAR-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die von der Laserstrahlungsquelle (10) erzeugte Laserstrahlung (12) mittels eines diffraktiven optischen Elements oder eines Hologramms in die sich ausbreitenden Propagationsmoden transformiert wird.
LiDAR-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die von der Laserstrahlungsquelle (10) erzeugte Laserstrahlung (12) mittels einer spiralen Phasenplatte oder einer Vortex-Linse in die sich ausbreitenden Propagationsmoden transformiert wird.
LiDAR-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die von der Laserstrahlungsquelle (10) erzeugte Laserstrahlung (12) mittels einer Zylinderlinse, einem SLM, Q-Platten in die sich ausbreitenden Propagationsmoden transformiert wird.
LiDAR-System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die genannten Propagationsmoden mindestens 80 % der vom LiDAR-System emittierten Gesamtstrahlungsleistung umfassen.
Kraftfahrzeug mit einem LiDAR-System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das LiDAR-System mit einem Steuerungssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.