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Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System mit integrierter Verschmutzungserkennung und ein entsprechendes Verfahren zur Verschmutzungserkennung.
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Stand der Technik
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Systeme zur Verschmutzungserkennung bestehen üblicherweise aus einer Lichtquelle (Sendeeinheit für elektromagnetische Strahlung) sowie einem Detektor (Empfängereinheit für elektromagnetische Strahlung). Die Sende- und die Empfängereinheit können dabei in Transmission- beziehungsweise in Reflektion angeordnet sein. Mittels der Empfängereinheit wird die Menge des Lichts bestimmt, welches von einer auf der zu überwachenden Oberfläche aufgelagerten Verschmutzung gestreut wird und welche ein Grad für die Verschmutzung der zu überwachenden Oberfläche ist. Weitere Methoden basieren darauf, die Abbildung auf dem Detektor (zum Beispiel PIN-Diode, CCD-, CMOS-, APD-, SPAD-Chip, oder Arrays davon) mittels entsprechender Algorithmen auszuwerten und daraus Rückschlüsse auf die Menge der Verschmutzung zu ziehen. Als Verschmutzung werden insbesondere oberflächliche Auflagerungen von einzelnen Partikeln (zum Beispiel Staub, Pollen), Wasser, Schnee, etc. angesehen.
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Aus der
US 2012/0182553 A1 sind insbesondere eine Methode zur Abschätzung eines Grades der Verschmutzung der Frontscheibe einer optischen Detektionseinrichtung und eine optische Detektionseinrichtung bekannt. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Verschmutzungen sind auch in der
EP 1 983 334 B1 offenbart. Die
EP 1988389 B1 betrifft die Überwachung eines Raumbereichs mit Bestimmung des Verschmutzungsgrads einer transparenten Grenzfläche anhand des Bildkontrastes.
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In optoelektronischen 3D-Sensoren (LiDAR - light detection and ranging) wird aktuell keine Sensorik verbaut, die eine Verschmutzung des entsprechenden Austritts- beziehungsweise Außenfensters (auch als Deckglas bezeichnet) erkennt und somit Aussagen über die Verfügbarkeit der Systeme liefern kann. Insbesondere die Art und Stärke von Verunreinigungen bleibt daher dem LiDAR-System unbekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein optoelektronisches 3D-Sensorsystem (LiDAR-System) zur Verfügung gestellt, welches die im Stand der Technik auftretenden Probleme hinsichtlich einer Bewertung zur Verfügbarkeit des Systems vermeidet oder zumindest deutlich vermindert.
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Ein erfindungsgemäßes LiDAR-System umfasst eine Sendeeinheit, dazu ausgebildet, elektromagnetische Strahlung gerichtet in die Umgebung des LiDAR-Systems abzustrahlen; eine Empfängereinheit, dazu ausgebildet, einen aus der Umgebung des LiDAR-Systems in das LiDAR-System zurückgestreuten Anteil der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung zu detektieren; ein Austrittsfenster, dazu ausgebildet, das LiDAR-System zumindest in Abstrahlrichtung der Sendeeinheit von der Umgebung abzugrenzen, wobei die von der Sendeeinheit abgestrahlte elektromagnetische Strahlung durch das Austrittsfenster in die Umgebung transmittiert wird; wobei das LiDAR-System weiterhin einen Verschmutzungssensor umfasst, dazu ausgebildet, einen an einer Oberfläche des Austrittsfensters in das LiDAR-System zurückgestreuten Anteil der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung zu detektieren. Eine Rückstreuung kann dabei sowohl von der Innen- als auch von der Außenseite (oder von beiden Seiten) des Austrittsfensters erfolgen. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Kombination eines herkömmlichen LiDAR-Systems mit einer Kamera als Verschmutzungssensor handeln, welche hinter einem gemeinsamen Schutzglas als Austrittsfenster angeordnet sind.
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Die von der Sendeeinheit zur Umgebungserfassung abgestrahlte elektromagnetische Strahlung wird daher auch zur Probung beziehungsweise zur Beleuchtung einer Verschmutzung verwendet. Die von der Verschmutzung gestreute elektromagnetische Strahlung kann anschließend von dem Verschmutzungssensor (Strahlungsdetektor) gemessen werden. Hierbei können neben einer reinen Verschmutzungserkennung durch eine entsprechende Auswertung der sensorischen Daten näherungsweise auch die Art und Stärke der Verunreinigung bestimmt werden. Vorzugsweise weist die Sendeeinheit eine ausgewiesene Strahlachse zur richtungsabhängigen sensorischen Erfassung der Umgebung des LiDAR-Systems auf. Die Richtung der Strahlachse ist dabei vorzugsweise variabel gegenüber einer Oberfläche des Austrittsfensters (insbesondere bei scannenden oder rotierenden LiDAR-Systemen).
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Vorzugsweise handelt es sich bei einem LiDAR-System um einen hermetisch abgeschlossenen Aufbau mit einem Gehäuse, wobei die strahlungsrelevanten Komponenten des LiDAR-Systems innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und die vom System nach außen abgestrahlte elektromagnetische Strahlung außerhalb des Gehäuses mit einer zu erfassenden Umgebung in Wechselwirkung tritt. Ein aus der Umgebung des LiDAR-Systems in das Gehäuse zurückgestreuter Anteil der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung kann anschließend von der Empfängereinheit detektiert werden. Das Gehäuse trennt somit einen Innenraum von einem Außenbereich ab, wobei der Aus- beziehungsweise Wiedereintritt der elektromagnetischen Strahlung vorzugsweise über ein für die elektromagnetische Strahlung transparentes Austrittsfenster erfolgt.
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Ein solches Austrittsfenster hat die Aufgabe, das LiDAR-System zumindest in Abstrahlrichtung der Sendeeinheit physikalisch und strukturell von der Umgebung, das heißt vom Außenbereich, abzugrenzen. Das Austrittsfenster weist daher eine Innenseite und eine Außenseite mit entsprechenden Oberflächen auf, wobei insbesondere die zur Umgebung offene Außenseite des Austrittsfensters anfällig für umweltbedingte Verschmutzungen ist. Insbesondere oberflächliche Auflagerungen von Schmutzpartikel (zum Beispiel Staub, Insekten, Blätter) oder von Wasser (zum Beispiel Regentropfen oder Schnee) können die Transparenzeigenschaften des Austrittsfensters negativ beeinflussen. Verunreinigungen können sich jedoch auch an der Innenseite des Austrittsfensters ergeben, sodass das Austrittsfenster vorzugsweise als Ganzes sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite überwacht werden sollte.
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Ein an einer Oberfläche des Austrittsfensters in das LiDAR-System zurückgestreuter Anteil der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung kann von dem Verschmutzungssensor detektiert werden. Hierzu wird dieser vorzugsweise derart im LiDAR-System (zum Beispiel im Inneren eines Gehäuses) positioniert, dass diese Strahlungsanteile beispielsweise direkt an einer Oberfläche des Außenfensters in Richtung des Sensors zurückgestreut werden. Eine Positionierung kann auch derart erfolgen, dass eine Rückstreuung dieser Strahlungsanteile bevorzugt an auf der Oberfläche aufgelagerten Verschmutzungen auftritt. Rückstreuung an einer Oberfläche des Austrittsfensters bedeutet dabei, dass die Streuung entweder an der Oberfläche direkt oder durch eine auf der Oberfläche befindliche Auflagerung (Verschmutzung) erfolgt. Diese kann sich sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite des Austrittsfensters befinden.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße LiDAR-System hat den Vorteil, dass es insbesondere den Grad einer Verschmutzung (zum Beispiel Partikel, Wasser, Schnee, Eis, Öle, Feste, flüssige, transparente und nicht-transparente Verunreinigungen) von optisch für die vom LiDAR-System ausgesandte Strahlung durchlässigen (das heißt transparenten) Materialien, die zur Abdeckung eines 3D-Sensors (LiDAR) verwendet werden, feststellen kann. Dadurch kann die Verfügbarkeit des 3D-Sensors überwacht und gewährleistet werden.
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Der Kern der Erfindung ist die Detektion von Verschmutzung beziehungsweise Partikel jeglicher Art auf dem Austrittsfenster eines optoelektronischen 3D-Sensors. Vorzugsweise kann es sich hierbei um ein LiDAR-System mit einen Makro- beziehungsweise Mikro-Scanner oder ein Solid-State-System handeln. Bei einem erfindungsgemäßen LiDAR-System kann eine kontinuierliche Erfassung des Zustandes des Austrittsfensters erfolgen. Vorteilhaft sind insbesondere ein kleines Einbauvolumen und ein geringes Gewicht, da die Strahlungsquelle des 3D-Sensors verwendet wird und keine zusätzliche weitere Strahlungsquelle im System integriert werden muss. Dadurch kann es auch zu keinerlei Störungen durch zusätzliche Beleuchtungsquellen kommen. Zudem können dadurch die Anforderungen an die eingesetzte Elektronik gering gehalten werden.
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Abhängig von der Auslegung des Verschmutzungssensors besteht die Möglichkeit, die Verschmutzung genau zu lokalisieren und deren Einfluss beziehungsweise deren Stärke zu bestimmen. Insbesondere bei Makrobeziehungsweise Mikro-Scannern ist durch die Kenntnis der momentanen Rotorbeziehungsweise Spiegelposition eine exakte Lokalisierung der Verschmutzungen möglich. Das Sensorprinzip zur Erkennung von Verschmutzungen kann auch bei gekrümmten oder geometrisch komplexeren Austrittsfenstern (zum Beispiel bei sogenannten Freiformen oder gekrümmten Fenstern) eingesetzt werden.
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Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßes LiDAR-System ein Mittel zur Auswertung, welches dazu ausgebildet ist, aus einer Zunahme der Intensität der am Verschmutzungssensor detektierten elektromagnetischen Strahlung oder aus einer Abnahme der Intensität in der spekularen Fresnel-Reflektion der elektromagnetischen Strahlung am Austrittsfenster eine Verschmutzung des Austrittsfensters festzustellen. Insbesondere kann die Menge der zurückgestreuten elektromagnetischen Strahlung auf dem Verschmutzungssensor oder auch der Verlust von Intensität in der spekularen Reflektion der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung (verursacht zum Beispiel von Fresnel-Reflexionen am Deckglas) gemessen werden. Liegt keine Verschmutzung auf dem Austrittsfenster vor, so tritt typischerweise nur spekulare Reflexion auf. Im Falle von Verschmutzung wird das Licht in einen großen Winkelbereich gestreut, dadurch wird die Intensität der spekularen Reflexion verringert und insbesondere Licht auch in bisher unbeleuchteten Bereichen innerhalb des LiDAR-Systems gestreut. Daher können ganz verschiedene Einbauorte für den Verschmutzungssensor verwendet werden.
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Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Verschmutzungssensoren an unterschiedlichen Positionen innerhalb des LiDAR-Systems angeordnet. Dies ermöglicht eine unter verschiedenen Winkeln erfolgende Detektion von an der Oberfläche des Austrittsfensters in das LiDAR-System zurückgestreuten Anteilen der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung (zum Beispiel zur Bestimmung einer „winkelaufgelösten“ Streuungsverteilung). Die Vielzahl von Verschmutzungssensoren kann dabei insbesondere zur redundanten Erfassung von Verschmutzungen auf dem gesamten für eine Umgebungserfassung relevanten Oberflächenbereichen des Austrittsfensters ausgebildet sein. Bei einem rotierenden System ist zudem meist zu jeder Position des Rotors (grundsätzlich kann diese durch eine Winkelkodierung ausgelesen werden) die zu erwartende Fresnel-Reflektion bekannt. Daher kann jede Abweichung davon ein Hinweis auf eine Verschmutzung und/oder Beschädigung des Austrittsfensters sein. Im Falle eines Solid-State-LiDAR, bei dem keine Rotorposition auslesbar ist, kann die räumliche Lokalisierung einer Verschmutzung auch über eine abbildende Optik auf dem Detektor ausgewertet werden.
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Vorzugsweise ist ein erfindungsgemäßes LiDAR-System biaxial oder koaxial aufgebaut. Biaxial bedeutet hierbei, dass sich die optischen Wege der von der Sendeeinheit abgestrahlten und von der Empfängereinheit detektierten elektromagnetischen Strahlung voneinander unterscheiden; mithin die optischen Wege in Richtung auf ein Streuzentrum in der Umgebung somit nicht deckungsgleich sind. Bei einem koaxialen LiDAR-System sind die optischen Wege hingegen deckungsgleich, dass heißt, abgestrahlte und detektierte Strahlung propagieren unter identischem Propagationswinkel.
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Vorzugsweise können die Sendeeinheit und die Empfängereinheit des LiDAR-Systems nebeneinander oder übereinander angeordnet werden. Bevorzugt ist auch eine sowohl seitlich als auch in der Höhe versetzte Anordnung dieser beiden Komponenten möglich.
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Vorzugsweise handelt es sich bei einem erfindungsgemäßen LiDAR-System um ein starres oder ein rotierend scannendes System. Unter einem starren LiDAR-System werden dabei Anordnungen verstanden, bei denen die räumliche Ausrichtung zwischen Sendeeinheit, Empfängereinheit und Austrittsfenster statisch und zeitinvariant ist. Der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung erfasste Bereich des Austrittsfensters ist somit konstant. Bei einem rotierend scannenden System variiert die räumliche Ausrichtung zwischen Sendeeinheit, Empfängereinheit und Austrittsfenster mit der Zeit, insbesondere können Sendeeinheit, Empfängereinheit um eine feste Rotationsachse (in einer bestimmten Rotationsebene) rotieren. Dadurch verändern diese Komponenten auch ihre räumliche Ausrichtung zum Austrittsfenster, das heißt, es werden stets unterschiedliche Bereiche des Austrittsfensters von der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung erfasst.
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Im Falle eines rotierenden Systems kann bei jedem Schuss (im Falle eines gepulsten Systems) jeweils ein bestimmter Teilbereich des Austrittsfensters mit der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung entlang der Rotationsrichtung nach Verschmutzung abgescannt werden. Dadurch kann ein vollständiges Bild über den Verschmutzungsgrad ermittelt werden. Im Fall eines starren Systems wird hingegen stets der gleiche Bereich des Austrittsfensters nach Verschmutzung abgescannt.
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Vorzugsweise wird ein an einer Oberfläche des Austrittsfensters in das LiDAR-System zurückgestreuter Anteil der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung über eine abbildende Optik auf den Verschmutzungssensor abgebildet. Durch die abbildende Optik kann eine genauere Ortsauflösung hinsichtlich Position und Größe einer auf dem Austrittsfenster aufgelagerten Verschmutzung erzielt werden. Weiterhin kann durch die Strahlungsbündelung auf einen kleineren Bereich des Verschmutzungssensors für ortsauflösende Detektoren das SNR bei der Detektion und damit die Zuverlässigkeit der Verschmutzungserkennung erhöht werden (insbesondere durch eine geringere Anzahl an ausgeleuchteten Pixeln).
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Vorzugsweise ist der Verschmutzungssensor eine Einzeldiode, ein 1D-Array-Detektor oder ein 2D-Array-Oberflächendetektor zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung. Während eine Einzeldiode lediglich die in einem Bereich einfallende elektromagnetische Strahlung registrieren und eventuell deren Intensität bestimmen kann, erlauben 1D- und 2D-Detektoren zusätzlich eine über die Oberfläche des jeweiligen Detektors verlaufende örtliche Bestimmung der am Detektor vorliegenden Intensitätsverhältnisse. Insbesondere kann mittels eines 2D-Array-Oberflächendetektors in Kombination mit einer vorgelagerten abbildenden Optik eine ortsaufgelöste Verschmutzungserkennung auf einer Oberfläche des Austrittsfensters erfolgen.
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Bevorzugt kann der Verschmutzungssensor in die Empfängereinheit integriert sein. Hierbei kann es sich insbesondere um Ausführungsformen handeln, bei denen einer oder mehrere der oben genannten Detektortypen mit in das Gehäuse der Empfängereinheit integriert sind. Vorzugsweise kann der Verschmutzungssensor jedoch auch integral von demjenigen Bereich der Empfängereinheit mit ausgebildet sein, der zur Detektion eines aus der Umgebung des LiDAR-Systems in das LiDAR-System zurückgestreuten Anteils der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist (strahlungsempfindlicher Bereich). Insbesondere kann eine Detektion eines aus der Umgebung des LiDAR-Systems in das LiDAR-System zurückgestreuten Anteils der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung und eines an einer Oberfläche des Austrittsfensters in das LiDAR-System zurückgestreuten Anteils der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung auch über ein gemeinsames Detektorelement, das heißt über einen gemeinsamen strahlungsempfindlichen Bereich, innerhalb der Empfängereinheit erfolgen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Verschmutzung bei LiDAR-Systemen, umfassend die Schritte: gerichtete Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung in die Umgebung des LiDAR-Systems durch eine Sendeeinheit, wobei die von der Sendeeinheit abgestrahlte elektromagnetische Strahlung durch ein Austrittsfenster, welches das LiDAR-System zumindest in Abstrahlrichtung der Sendeeinheit von der Umgebung abgrenzt, in die Umgebung transmittiert wird; Detektion eines an einer Oberfläche des Austrittsfensters in das LiDAR-System zurückgestreuten Anteils der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung durch einen Verschmutzungssensor, wobei der Verschmutzungssensor eine Einzeldiode, ein 1 D-Array-Detektor oder ein 2D-Array-Oberflächendetektor zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung ist und/oder der Verschmutzungssensor in die Empfängereinheit integriert ist; und Feststellung einer Verschmutzung des Austrittsfensters durch Auswertung der Detektion des Verschmutzungssensors. Vorzugsweise kann vor dem Schritt der gerichteten Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung in die Umgebung eine Breitstellung eines in dieser Anmeldung beschrieben erfindungsgemäßen LiDAR-Systems erfolgen.
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Vorzugsweise kann eine Feststellung einer Verschmutzung des Austrittsfensters aus einer Zunahme der Intensität der am Verschmutzungssensor detektierten elektromagnetischen Strahlung oder aus einer Abnahme der Intensität in der spekularen Fresnel-Reflektion der elektromagnetischen Strahlung am Austrittsfenster durch ein Mittel zur Auswertung erfolgen. Während im ersten Fall durch eine Verschmutzung ein erhöhter Strahlungsanteil in Richtung des Verschmutzungssensors detektiert werden kann und somit die gemessene Strahlungsintensität ansteigt, kann im zweiten Fall der Verschmutzungssensor unmittelbar auf die spekulare Fresnel-Reflektion ausgerichtet werden, sodass ein entsprechender Intensitätsabfall bei einer Verschmutzung registriert wird.
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Vorzugsweise erfolgt eine Detektion der an einer Oberfläche des Austrittsfensters in das LiDAR-System zurückgestreuten Anteile der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung unter verschiedenen Winkeln über eine Vielzahl von an unterschiedlichen Positionen innerhalb des LiDAR-Systems angeordneten Verschmutzungssensoren. Bevorzugt kann eine Abbildung eines an einer Oberfläche des Austrittsfensters in das LiDAR-System zurückgestreuten Anteils der von der Sendeeinheit abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung über eine abbildende Optik erfolgen.
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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 schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems in Aufsicht,
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems in Aufsicht, und
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems in Aufsicht.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 100 in Aufsicht gezeigt. Es handelt sich hierbei insbesondere um ein starres, koaxial aufgebautes LiDAR-System 100. In der gezeigten Schnittebene ist das LiDAR-System 100 beispielhaft von einem Gehäuse 52 umschlossen, wobei die von der Sendeeinheit 10 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung 12 durch ein in das Gehäuse 52 integriertes Austrittsfenster 30 in die Umgebung 60 transmittiert wird.
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Das gezeigte LiDAR-System 100 umfasst eine Sendeeinheit 10, dazu ausgebildet, elektromagnetische Strahlung 12 gerichtet in die Umgebung 60 des LiDAR-Systems 100 abzustrahlen; eine Empfängereinheit 20, dazu ausgebildet, einen aus der Umgebung 60 des LiDAR-Systems 100 in das LiDAR-System 100 zurückgestreuten Anteil der von der Sendeeinheit 10 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 12 zu detektieren; ein Austrittsfenster 30, dazu ausgebildet, das LiDAR-System 100 zumindest in Abstrahlrichtung der Sendeeinheit 10 von der Umgebung 60 abzugrenzen, wobei die von der Sendeeinheit 10 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung 12 durch das Austrittsfenster 30 in die Umgebung 60 transmittiert wird; wobei das LiDAR-System 100 weiterhin einen Verschmutzungssensor 40 umfasst, dazu ausgebildet, einen an einer Oberfläche 32, 33 des Austrittsfensters 30 in das LiDAR-System 100 zurückgestreuten Anteil der von der Sendeeinheit 10 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 12 zu detektieren.
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Beispielhaft sind zwei Verschmutzungssensoren 40, 40' an unterschiedlichen Positionen innerhalb des LiDAR-Systems 100 angeordnet, dazu ausgebildet, an der Oberfläche 32, 34 des Austrittsfensters 30 in das LiDAR-System 100 zurückgestreute Anteile der von der Sendeeinheit 10 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 12 unter verschiedenen Winkeln zu detektieren. Insbesondere wird ein an einer Oberfläche 32, 34 des Austrittsfensters 30 in das LiDAR-System 100 zurückgestreuter Anteil der von der Sendeeinheit 10 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 12 über eine abbildende Optik 42 auf den Verschmutzungssensor 40 abgebildet.
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Es handelt sich somit um eine koaxiale Auslegung eines optoelektronischen 3D-Sensors bestehend aus einer Sendeeinheit 10 (zum Beispiel bestehend aus einer Strahlformungsoptik und einer Lichtquelle) und eine Empfängereinheit 20 (zum Beispiel bestehend aus einer Empfangsoptik und einem Detektor für das Licht). Die genannten Einheiten 10, 20 können unterschiedlich angeordnet werden. Dabei kann die Überlagerung der optischen Achse der Empfängereinheit 20 zum Aufbau eines koaxialen Systems insbesondere über ein teildurchlässiges Fenster (beziehungsweise eine Blende mit einem Loch oder einem Schlitz), einen Spiegel oder ein Prisma erzeugt werden.
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Gezeigt ist ein starres System (wie zum Beispiel im Falle eines Makroscanner, eines Mikrospiegel-basierten, koaxialen Systems oder eines koaxialen Flash-LiDAR, bei dem das gesamte Field-of-View (FoV) durch einen Lichtblitz beleuchtet wird), die Anordnung kann jedoch auch links- oder rechtsherum um eine feste Rotationsachse (aus der Zeichenebene heraus zeigend) rotieren. Die Sendeeinheit 10 sendet Licht aus, das beim optoelektronischen 3D-Sensor zumeist dafür verwendet wird, in der Umgebung den Abstand und/oder die Art von Objekten entweder durch eine Time-of-Light (ToF) oder durch Frequency-Modulated-Continuous-Wave (FMCW) Technik zu bestimmen. Das von einem Target beziehungsweise Objekt zurückgestreute Licht kann anschließend von der Empfängereinheit 20 detektiert und weiter verarbeitet werden.
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Das von der Sendeeinheit 10 ausgesendete Licht geht im Allgemeinen, bevor es das Objekt trifft, durch ein Austrittsfenster 30 (dieses kann eine beliebige Geometrie aufweisen), dort kann das Licht aufgrund von Partikeln (Verschmutzungen) in unterschiedliche Raumrichtungen gestreut werden. Dieses gestreute Licht kann von einem Verschmutzungssensor 40 aufgezeichnet werden. Bei dem Verschmutzungssensor 40 kann es sich insbesondere um eine Einzeldiode (zum Beispiel Avalanche-Photodiode (APD), SPAD (single photon avalanche diode), etc.), einen 1D-Array-Detektor oder einen 2D-Array-Oberflächendetektor (zum Beispiel PIN-Diode, CCD-, CMOS-, APD-, SPAD-Chip, oder Arrays davon für den sichtbaren und/oder nahinfraroten Spektralbereich, Bolometer für den ferninfraroten Spektralbereich) handeln. Die Position des Verschmutzungssensors 40 kann beliebig gewählt werden. Die Wahl des Detektormaterials (zum Beispiel Silizium, InGaAs, etc.) für den Verschmutzungssensor 40 hängt hauptsächlich von der eingesetzten Wellenlänge in der Sendeeinheit 10 ab. Der Verschmutzungssensor 40 kann des Weiteren optische Filter umfassen, insbesondere um das Hintergrundlicht (zum Beispiel Sonnenlicht) zu unterdrücken.
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Zur genauen Lokalisierung der Verschmutzung kann im Falle einer kompletten Beleuchtung des Verschmutzungssensors 40 durch eine blitzartige Beleuchtung ein ortsauflösender 1D- beziehungsweise 2D-Detektor verwendet werden. Im Falle einer über das Austrittsfenster 30 scannenden Beleuchtung (Punktbeleuchtung) kann die Lokalisierung der Verschmutzungen über die zu jederzeit bekannte Position der Punktbeleuchtung beziehungsweise der Strahlspots auf dem Austrittsfenster 30 bestimmt werden. Im Falle eines koaxialen oder biaxialen Systems kann auch der in der Empfängereinheit 20 verbaute Detektor, welcher auf die ausgesendete Wellenlänge empfindlich ist, zur Detektion der Verschmutzung verwendet werden, und somit Informationen über den Grad und den Ort der Verschmutzung liefern. Handelt es sich bei dem 3D-Sensor um einen Makro- oder Mikro-Scanner, kann zusätzlich dazu die Position der Verschmutzung durch die Richtung der Sendeeinheit 10 (Rotor- oder Mikrospiegelposition) ausgelesen werden.
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In der 2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems in Aufsicht gezeigt. Es handelt sich hierbei insbesondere um ein rotierendes, biaxial aufgebautes LiDAR-System 100 (eine starre Ausführung ist möglich). In der gezeigten Schnittebene ist das LiDAR-System 100 beispielhaft von einem umlaufenden Austrittsfenster 30 umschlossen. Aufgrund der Rotation der inneren Komponenten des LiDAR-Systems 100 in der gezeigten Rotationsebene 50 ist die von der Sendeeinheit 10 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung 12 ebenfalls umlaufend und kann so bei jedem beliebigen Rotationswinkel vom Austrittsfenster 30 in die Umgebung 60 transmittiert werden.
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Der prinzipielle Aufbau der gezeigten zweiten Ausführungsform entspricht trotzdem weitgehend der in 1 gezeigten Ausführungsform. Die einzelnen Bezugszeichen und ihre Zuordnung gelten daher entsprechend. Kennzeichnend für die gezeigte biaxiale Ausführungsform sind die unterschiedlichen optischen Wege hinsichtlich der jeweiligen Strahlengänge von Sendeeinheit 10 und Empfängereinheit 20 und einer dadurch bedingten Winkelabweichung zwischen ein- und auslaufender Strahlung in Bezug auf einen beliebigen Objektpunkt in der Umgebung 60.
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Es handelt sich somit um eine biaxiale Auslegung eines optoelektronischen 3D-Sensors (Makroscanner) bestehen aus einer Sendeeinheit 10 (zum Beispiel bestehend aus einer Strahlformungsoptik und einer Lichtquelle) und eine Empfängereinheit 20 (zum Beispiel bestehend aus einer Empfangsoptik und einem Detektor für das Licht). Die genannten Einheiten 10, 20 können unterschiedlich angeordnet werden.
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Die Anordnung kann links- oder rechtsherum um eine feste Rotationsachse (aus der Zeichenebene heraus zeigend) in einer Rotationsebene 50 rotieren. Die Sendeeinheit 10 sendet Licht aus, das beim optoelektronischen 3D-Sensor zumeist dafür verwendet wird, in der Umgebung den Abstand und/oder die Art von Objekten entweder durch eine Time-of-Light (ToF) oder durch Frequency-Modulated-Continuous-Wave (FMCW) Technik zu bestimmen. Das von einem Target beziehungsweise Objekt zurückgestreute Licht kann anschließend von der Empfängereinheit 20 detektiert und weiter verarbeitet werden.
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Das von der Sendeeinheit 10 ausgesendete Licht geht im Allgemeinen, bevor es das Objekt trifft, durch ein Austrittsfenster 30 (dieses kann eine beliebige Geometrie aufweisen), dort kann das Licht aufgrund von Partikeln (Verschmutzungen) in unterschiedliche Raumrichtungen gestreut werden. Dieses gestreute Licht kann von einem Verschmutzungssensor 40 aufgezeichnet werden. Bei dem Verschmutzungssensor 40 kann es sich insbesondere um eine Einzeldiode (zum Beispiel Avalanche-Photodiode (APD), SPAD (single photon avalanche diode), etc.), einen 1 D-Array-Detektor oder einen 2D-Array-Oberflächendetektor (zum Beispiel CCD-Chip für den sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich, Bolometer für den ferninfraroten Spektralbereich) handeln. Die Position des Verschmutzungssensors 40 kann beliebig gewählt werden, vorzugsweise ist er aber in der Umgebung der Sendeeinheit 10 angeordnet, sodass das zurückgestreute Licht auf den Verschmutzungssensor 40 geleitet wird. Die Wahl des Detektormaterials (zum Beispiel Silizium, InGaAs, etc.) für den Verschmutzungssensor 40 hängt hauptsächlich von der eingesetzten Wellenlänge in der Sendeeinheit 10 ab. Der Verschmutzungssensor 40 kann des Weiteren optische Filter umfassen, insbesondere um das Hintergrundlicht (zum Beispiel Sonnenlicht) zu unterdrücken.
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Zur genauen Lokalisierung der Verschmutzung kann im Falle einer kompletten Beleuchtung des Verschmutzungssensors 40 durch eine blitzartige Beleuchtung ein 1D- beziehungsweise 2D-Detektor verwendet werden. Im Falle einer über das Austrittsfenster 30 scannenden Beleuchtung (Punktbeleuchtung) kann die Lokalisierung der Verschmutzungen über die zu jederzeit bekannte Position der Punktbeleuchtung beziehungsweise der Strahlspots auf dem Austrittsfenster 30 bestimmt werden. Handelt es sich bei dem 3D-Sensor um einen Makro- oder Mikro-Scanner, kann zusätzlich dazu die Position der Verschmutzung durch die Richtung der Sendeeinheit 10 (Rotor- oder Mikrospiegelpostion) ausgelesen werden.
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In der 3 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 100 in Aufsicht gezeigt. Der prinzipielle Aufbau der gezeigten Ausführungsform entspricht weitgehend der in 1 gezeigten Ausführungsform. Die einzelnen Bezugszeichen und ihre Zuordnung gelten daher entsprechend. Die beiden Ausführungsformen unterscheiden sich lediglich in der gegenseitigen Anordnung der Sendeeinheit 10 und der Empfängereinheit 20, wobei in der gezeigten dritten Ausführungsform diese Komponenten übereinander angeordnet sind. Eine solche gestapelte Anordnung hat insbesondere den Vorteil, dass durch eine alternative Anordnung der Komponenten der erforderliche Platzbedarf in der Breite reduziert ist und somit das LiDAR-System besser in seitlich beschränkte Bauräume eingepasst werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0182553 A1 [0003]
- EP 1983334 B1 [0003]
- EP 1988389 B1 [0003]
