DE102018120925A1

DE102018120925A1 - Optische Linse für einen Laserscanner für ein Fahrunterstützungssystem

Info

Publication number: DE102018120925A1
Application number: DE102018120925.8A
Authority: DE
Inventors: Ho-Hoai-Duc Nguyen
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2020-03-05
Also published as: WO2020043579A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optische Linse für einen Laserscanner (10), wobei die optische Linse (22) als bikonische Linse ausgestaltet ist, wobei die bikonische Linse als bikonische Hybridlinse (24) ausgestaltet ist, wobei die bikonische Hybridlinse (24) ferner einen Glaskörper (26) aufweist, der mit einer Polymerbeschichtung (28) versehen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Laserscanner (10), der eine derartige bikonische Hybridlinse (24) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Linse für einen Laserscanner. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine bikonische Linse mit einem verbesserten Aufbau. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Laserscanner für ein Fahrunterstützungssystem eines Kraftfahrzeugs und ein Fahrunterstützungssystem aufweisend einen derartigen Laserscanner. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Laserscanner, der reduzierte Streustrahlung aufweist und dadurch die Gefahr für Personen oder Tiere, die sich im Erfassungsbereich des Laserscanners befinden, reduziert.
Laserscanner sind für Fahrunterstützungssysteme von Kraftfahrzeugen weit verbreitet. Insbesondere dienen Laserscanner dazu, das Umfeld eines Fahrzeugs zu erfassen und etwa Objekte, wie beispielsweise Gegenstände, Tiere oder Personen zu detektieren, um deren räumliche Lage und deren Entfernung zum Fahrzeug zu bestimmen.
Problematisch insbesondere bei Laserscannern kann es sein, dass diese oftmals mit einer hohen Intensität betrieben werden sollten, um die Reflektionen der Objekte in geeigneter Weise zu detektieren. Dabei kann es grundsätzlich auftreten, dass Personen oder Tiere, die sich im Erfassungsbereich des Laserscanners befinden, durch die starke emittierte Laserstrahlung geblendet werden können. Somit liegt ein einzuhaltender Kompromiss bei Laserscannern oftmals in dem Einstellen der Intensität der emittierten Laserstrahlen derart, dass diese eine ausreichende Detektion von Objekten ermögliche0n, gleichzeitig aber die Gefährdung von Tieren oder Personen gering halten oder ausschließen können.
Da somit die Augensicherheit bei Laserscannern von großer Bedeutung ist, müssen Laserscanner derzeit, um einen Betrieb im Straßenverkehr zu ermöglichen, mit der Laserklasse 1 zertifiziert werden.
US 2017/0108582 A1 beschreibt einen photoelektrischen Sensor. Bei einem derartigen Sensor ist eine an einem lichtemittierenden Element positioniere Linse vorgesehen, die als bikonische Linse ausgestaltet ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Biegeradien nach einem bestimmten Muster eingestellt werden.
US 2017/059838 A1 beschreibt ferner eine lichtgebende Einrichtung insbesondere für eine Kamera. Dabei ist es vorgesehen, dass eine derartige Einrichtung mit einer bikonischen Linse ausgestattet ist. Die bikonische Linse ist aus einem Polymer ausgebildet.
Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können jedoch noch weiteres Verbesserungspotential bieten, insbesondere hinsichtlich eines ausgewogenen Eigenschaftsprofil des Laserscanners.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durh welche ein Laserscanner bereitgestellt werden kann, der mit einem vorteilhaften Eigenschaftsprofil eine geringe Blendgefahr für Tiere und/oder Personen aufweist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Linse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Laserscanner mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner durch ein Fahrunterstützungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
Es wird vorgeschlagen eine optische Linse für einen Laserscanner, wobei die optische Linse als bikonische Linse ausgestaltet ist, wobei die bikonische Linse als bikonische Hybridlinse ausgestaltet ist, wobei die bikonische Hybridlinse einen Glaskörper aufweist, der mit einer Polymerbeschichtung versehen ist.
Eine derartige Linse erlaubt insbesondere das Erzeugen eines Laserscanners, der eine geringe Blendgefahr aufweist mit einer Linse, die ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil aufweist.
Es wird somit beschrieben eine Linse für einen Laserscanner. Eine derartige Linse kann grundsätzlich an verschiedenen Stellen eines Strahlengangs in einem Laserscanner angeordnet sein und dabei insbesondere dazu dienen, Laserstrahlung zu beeinflussen. Somit kann die zwischen einer Strahlungsquelle und einem Austritt der Laserstrahlung aus dem Laserscanner positioniert sein, wie dies nachfolgend in größerem Detail beschrieben ist.
Die hier beschriebene Linse ist dabei als bikonische Linse ausgestaltet. Unter einer bikonischen Linse ist insbesondere eine derartige Linse zu verstehen, die eine Krümmung in zwei voneinander unterschiedlichen und insbesondere rechtwinklig zueinander angeordneten Ebenen aufweist. Beispielsweise kann eine Krümmung in horizontaler und vertikaler Ebene ausgebildet werden, so dass die Linse durchtretende Strahlung wie insbesondere Laserstrahlung eines Laserscanner sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Ebene fokussieren kann. Dabei ist die bikonische Linse somit eine konische Linse mit Radien in zwei Ebenen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die erste Krümmung die Fokuslänge der Hybridlinse definiert und dass die zweite Krümmung asphärische Parameter definiert.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die bikonische Linse als bikonische Hybridlinse ausgestaltet ist. Unter einer bikonischen Hybridlinse ist dabei insbesondere eine derartige Linse zu verstehen, welche aus wenigsten zwei Materialien ausgebildet ist. Dabei ist die Linse insbesondere derart ausgestaltet, dass jeweils ein erstes Material eine erste Krümmung ausbildet und dass ein zweites von dem ersten Material verschiedenes zweites Material eine zweite Krümmung der bikonischen Linse ausbildet.
Das erste Material ist dabei Glas und das zweite Material ist ein Kunststoff beziehungsweise ein Polymer, wobei es insbesondere vorgesehen ist, dass die bikonische Hybridlinse einen Glaskörper aufweist, der mit einer Polymerbeschichtung versehen ist.
Insbesondere diese Ausgestaltung kann gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik signifikante Vorteile aufweisen.
Denn zum einen kann eine derartige bikonische Linse die Laserstrahlung in dem Strahlengang eines Laserscanners besonders effektiv fokussieren. Dadurch kann grundsätzlich bei dem Passieren von beziehungsweise Auftreffen auf eine Vielzahl von Bauteilen des Laserscanners eine exakte optische Beeinflussung der Laserstrahlung erfolgen, was wiederum besonders definierte Strahlungseigenschaften ermöglichen kann.
Darüber hinaus kann durch das Verwenden von hochgradig fokussierter Laserstrahlung insbesondere bei der Verwendung in einem Laserscanner das Auftreten von Streustrahlung und damit die Gefährdung von Tieren und Menschen signifikant reduzieren.
Insbesondere mit Bezug auf das Verwenden einer bikonischen Hybridlinse kann das Eigenschaftsprofil der Linse sehr ausgewogen sein.
Bezüglich der Ausgestaltung der Hybridlinse kann es dabei von Vorteil sein, dass der Glaskörper die Fokuslänge der Hybridlinse definiert und dass die Polymerbeschichtung asphärische Parameter definiert. Somit ist es insbesondere vorgesehen, dass die Polymerbeschichtung nicht eine bloße Beschichtung darstellt und somit etwa der Krümmung der Glaslinse folgt, sondern dass der Glaskörper und die Polymerbeschichtung unterschiedlichen optischen Eigenschaften der bikonischen Linse definieren. Dies kann hinsichtlich der optischen Eigenschaften und insbesondere hinsichtlich einer effektiven Fokussierung einer Fokussierung von Laserstrahlung bei der Verwendung der bikonischen Linse bei der Verwendung in einem Laserscanner vorteilhaft sein.
Darüber hinaus kann in dieser Ausgestaltung es ermöglicht werden, dass beispielsweise von einer herkömmlichen konischen Glaslinse ausgegangen wird und dann eine entsprechende Kunststoffbeschichtung aufgebracht wird, um so die bikonische Linse auszubilden.
Das Vorsehen eines Glaskörpers der Hybridlinse kann eine besonders hohe Stabilität und dabei insbesondere Langzeitstabilität ermöglicht werden, da Glas einen sehr stabilen Körper ausbildet und dabei insbesondere eine hohe thermische Stabilität aufweist. Insbesondere kann eine Hybridlinse mit einem Glaskörper und einer Polymerbeschichtung deutlich stabiler sein und insbesondere verbesserte thermische Eigenschaften aufweist, als eine bikonische Linse, die nur aus einem Polymer ausgestaltet ist.
Darüber hinaus kann durch das Vorsehen der Polymerbeschichtung es ermöglicht werden, dass die Hybridlinse zu einer reinen Glaslinse vergleichbare optische Eigenschaften aufweist, jedoch kostengünstiger herstellbar ist, als eine reine Glaslinse.
Somit kann insbesondere eine bikonische Hybridlinse eine effektive Fokussierung von Laserstrahlung kombinieren mit einer guten Stabilität mit guten thermischen Eigenschaften und einer kostengünstigen Herstellbarkeit.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass die Polymerbeschichtung ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyimid, Polycarbonat, cyclischen Olefinpolymeren, cyclischen Olefincopolymeren und Polymethylmethacrylat. Insbesondere diese Polymere können ein bevorzugtes Eigenschaftsprofil der bikonischen Linse ermöglichen, welches eine gute Stabilität und gute optische Eigenschaften umfasst. Darüber hinaus weisen diese Polymere einen zu Glas ähnlichen Brechungsindex auf, so dass die Laserstrahlung bei dem Übergang Glass/Polymer keine signifikante Ablenkung wiederfährt.
Bezüglich Polycarbonaten kann insbesondere eine hohe thermische Beständigkeit in einem Bereich von -137°C bis +124°C erlaubt werden und darüber hinaus können auch gute mechanische Eigenschaften ermöglicht werden.
Cyclische Olefin-Copolymere (COP) wie auch cyclische Olefin-Polymere (COP) sind eine grundsätzlich bekannte Klasse an Polymeren. Diese erlauben durch Veränderung der Polymerstruktur, wie etwa der Einbauverhältnisse von zyklischen und linearen Olefinen bei den COCs in einem weiten Bereich ein Verändern Ihrer Eigenschaften. Im Wesentlichen wird damit die Wärmeformbeständigkeit in einem Bereich von 65 bis 190 °C eingestellt. Ferner ist allen COPs beziehungsweise COCs gemeinsam eine Reihe von Eigenschaften wie gute thermoplastische Fließfähigkeit, hohe Steifigkeit, Festigkeit und Härte sowie niedrige Dichte und hohe Transparenz bei guter Säure- und Laugenbeständigkeit.
Aber auch die weiteren genannten Polymere Polymethylmethacrylat und Polyimid zeichnen sich durch hohe Transparenz und andere optischen Eigenschaften und vorteilhafte mechanische Eigenschaften aus.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass die bikonische Linse als Zernike-Linse ausgestaltet ist. Es konnte in überraschender Weise gefunden werden, dass insbesondere eine bikonische Linse, die als Zernike-Linse ausgebildet ist, ein besonders effektives Fokussieren der Laserstrahlung ermöglichen kann und so Streustrahlung und damit die Gefahr einer Blendwirkung in einem Laserscanner besonders effektiv reduzieren kann.
Unter einer Zernike-Linse kann dabei eine Linse mit einer Oberfläche verstanden werden, die eine Zernike-Oberfläche aufweist beziehungsweise eine Oberfläche, welche einem Zernike-Polynom entspricht. Eine derartige konische Oberfläche ist nicht, wie eine herkömmliche konische Linse, nur durch den Radius und die konische Konstante definiert, sondern neben dem Radius und der konischen Konstante ferner durch zusätzliche asphärische Parameter. Derartige Linsen sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und werden im Weiteren rein beispielhaft beschrieben.
Die Standard-Zernike Oberfläche wird definiert durch zu ebenen asphärischen Oberflächen entsprechenden Polynomen und zusätzlich durch asphärischen Parameter, welche definiert sind durch die Zernike-Standard Koeffizienten. Die Oberfläche beziehungsweise die Oberflächenkrümmung kann die folgende Form aufweisen: $z = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + \sum_{i = 1}^{8} α i^{k} r^{2 i} + \sum_{i = 1}^{N} A_{i} Z_{i} (ρ, φ)$
wobei die Parameter wie folgt definiert sind: z: ist die Standard-Zernike-Oberfläche (Zernike Standard Sag surface); c: ist der reziproke Radius (c = 1/R); r ist die radiale Strahlungskoordinate (ray cordinate) in der Linseneinheit; k ist die konische Konstante (conic constant); N ist die Nummer der Zernike Koeffizienten (number of Zernike coefficients in the series); A_i : ist der Koeffizient des iten Zernike Standard Polynomials (coefficient on the ith Zernike Standard polynomial); Z ist der Zernike Koeffizient; p ist die normierte radiale Strahlungskoordinate (the normalized radial ray coordinate) und φ ist die Winkel-Strahlungskoordinate (angular ray coordinate); und αi (α1 - α8) sind die asphärischen Koeffizienten (aspheric coefficients).
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der bikonischen Linse wird auf die Beschreibung des Laserscanners , des Fahrunterstützungssystems, des Fahrzeugs, auf die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Laserscanner, insbesondere für ein Fahrunterstützungssystem eines Kraftfahrzeugs, aufweisend eine Laserquelle zum Emittieren von Laserstrahlung entlang eines Strahlengangs, wobei in dem Strahlengang der Laserstrahlung wenigstens eine Linse zum Beeinflussen des Querschnitts der Laserstrahlung angeordnet ist, wobei es ferner vorgesehen ist, dass in dem Strahlengang der Laserstrahlung als Linse zum Beeinflussen des Querschnitts der Laserstrahlung wenigstens eine bikonische Linse angeordnet ist, die als bikonische Hybridlinse ausgestaltet ist, wobei die bikonische Hybridlinse einen Glaskörper aufweist, der mit einer Polymerbeschichtung versehen ist.
Ein derartiger Laserscanner ermöglicht auf einfache Weise das Reduzieren von Streustrahlung der Laserstrahlung und kann so mit einem vorteilhaften Eigenschaftsprofil die Blendsicherheit für Personen und Tiere in dem Erfassungsbereich des Laserscanners reduzieren.
Der hier beschriebene Laserscanner dient insbesondere dem Einsatz in einem Fahrunterstützungssystem eines Kraftfahrzeugs. Als solches kann der Laserscanner beispielsweise im Frontbereich des Fahrzeugs oder auch im Heckbereich des Fahrzeugs angeordnet sein und derart positioniert beziehungsweise ausgerichtet sein, dass durch den Laserscanner eine Umfeldbeobachtung in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug, also insbesondere vor der Vorderseite des Fahrzeugs, oder auch vor der Rückseite des Fahrzeugs, möglich ist. Beispielsweise kann der Laserscanner in der vorderen oder hinteren Stoßstange oder auch in einem Scheinwerfergehäuse angeordnet sein.
Das Fahrunterstützungssystem, welches mit einem derartigen Laserscanner ausgestattet ist, kann somit insbesondere einer Umfeldbeobachtung dienen und etwa vor Kollisionen warnen, Fahrhinweise geben oder ein autonomes Fahren unterstützen. Derartige Fahrunterstützungssysteme sind grundsätzlich bekannt und finden immer weitere Anwendung.
Zurückkommend auf den Laserscanner, der Bestandteil eines derartigen Fahrunterstützungssystems sein kann, ist es vorgesehen, dass dieser eine Laserquelle zum Emittieren von Laserstrahlung entlang eines Strahlengangs aufweist. Unter einer Laserquelle ist im Sinne der vorliegenden Erfindung somit insbesondere zu verstehen eine Einheit, welche Laserstrahlung emittieren kann. Die spezifische Ausgestaltung der Laserquelle ist nicht beschränkt, jedoch kann die Laserquelle bevorzugt beispielsweise eine Laserdiode sein. Beispielsweise kann die Laserquelle als Anordnung einer Vielzahl von Laserdioden ausgestaltet sein. Von der Laserquelle wird entsprechend Laserstrahlung entlang eines Strahlengangs geführt. Der Strahlengang verläuft insbesondere von der Laserquelle in einen Erfassungsbereich des Laserscanners. In dem Erfassungsbereich befindliche Objekte können die Laserstrahlung reflektieren und so von einem Detektor, der ebenfalls Bestandteil des Fahrunterstützungssystems sein kann, detektiert werden. Beispielsweise kann der Laserscanner als LIDAR ausgestaltet sein.
Um die Laserstrahlung entsprechend zu modulieren und den Strahlengang zu definieren sind in dem Strahlengang des Laserscanners in an sich bekannter Weise optische Bauteile vorgesehen.
Bevorzugt ist in dem Strahlengang der Laserstrahlung, also der von der Laserquelle emittierten Laserstrahlung, wenigstens ein optisches Ablenkelement zum Ablenken der Laserstrahlung vorgesehen. Unter einem Ablenkelement ist dabei insbesondere ein derartiges Element zu verstehen, das die Laserstrahlung in gewünschter Weise ablenken und als solches beispielsweise reflektieren kann. Als ein solches Ablenkelement kann beispielsweise wenigstens ein Mikroscanner vorgesehen sein. Unter einem Mikroscanner ist insbesondere ein auch als MEMS-Scanner beziehungsweise MEMS-Spiegel bezeichnetes Objekt zu verstehen, welches dem Reflektieren der Laserstrahlung dient und dabei durch eine Beweglichkeit ein Abtasten des Erfassungsbereichs des Laserscanners ermöglichen kann. Mikroscanner beziehungsweise MEMS-Spiegel sind somit insbesondere Mikrobaugruppen aufweisend einen Aktuatormotor und ein Spiegelelement. Dadurch ist es möglich, diskrete Winkel zwischen dem negativen und dem positiven Maximum eines Aktuatorchips wiederholgenau anzusteuern.
Weiterhin kann der Mikroscanner der Modulation der Laserstrahlung dienen, wie dies für den Fachmann unmittelbar ersichtlich ist.
Vor dem MEMS-Spiegel kann ferner ein Reflektor vorgesehen sein, um die Laserstrahlung von der Laserquelle auf den MEMS-Spiegel beziehungsweise den Mikroscanner zu richten.
Weiterhin ist in dem Strahlengang der Laserstrahlung bevorzugt aber nicht beschränkt hierauf vor dem Ablenkelement eine Vorrichtung zum Beeinflussen des Querschnitts der Laserstrahlung angeordnet. Hierdurch kann der Querschnitt der Laserstrahlung in gewünschter Weise eingestellt werden und so entsprechend der gewünschten Anwendung moduliert werden.
Der hier beschriebene Laserscanner ist ferner derart ausgestaltet, dass in dem Strahlengang der Laserstrahlung als Linse zum Beeinflussen des Querschnitts der Laserstrahlung wenigstens eine bikonische Linse angeordnet ist, die als bikonische Hybridlinse ausgestaltet ist, wobei die bikonische Hybridlinse einen Glaskörper aufweist, der mit einer Polymerbeschichtung versehen ist.
Es konnte gefunden werden, dass durch die vorbeschriebene Ausgestaltung und grundsätzlich durch das Vorsehen einer vorbeschriebenen bikonischen Linse dem entgegengewirkt werden kann, dass es insbesondere bei Mikroscannern als Ablenkelement auftreten kann, dass zum einen durch die Divergenz des Laserstrahls und zum anderen durch die effektive Fläche des Mikroscanners in Abhängigkeit des Auslenkwinkels des Spiegels ein Teil des Laserstrahls nicht vom Spiegel selbst, sondern etwa durch einen Spiegelträger reflektiert wird.
Tritt nun beispielsweise das am Spiegelträger reflektierte Licht aus dem Laserscanner, insbesondere aus einem Gehäuse des Laserscanners, aus, kann die Augensicherheit begrenzt sein. Dies insbesondere deshalb, weil das von dem Spiegelträger reflektierte Licht undefiniert austritt und somit nicht in der gewünschten Weise fokussiert ist. Etwa dieser undefiniert austretende Teil der Laserstrahlung kann als Streustrahlung bezeichnet werden. Durch das Auftreten dieser Streustrahlung kann somit insbesondere eine reduzierte Augensicherheit hinsichtlich einer gegebenenfalls auftretenden Blendgefahr für Personen und Tiere auftreten.
Dadurch, dass die vorbeschriebene bikonische Linse vorgesehen ist, lassen sich die vorbeschriebenen Probleme bezüglich der Augensicherheit insbesondere eines mit einem Mikroscanner ausgestatteten Laserscanners deutlich verbessern.
Diesbezüglich ist die vorbeschriebene Anpassung insbesondere deshalb von Vorteil, da bei der Ausgestaltung des Laserscanners die Abstände und die räumliche Geometrie der optischen Bauteile festgelegt ist, um so einen geringen Durchmesser des Strahlenbündels beziehungsweise einen kleinen Spot zu erhalten. Anschließend kann durch Messungen oder Computersimulation die Streustrahlung ermittelt und so dieser durch die bikonische Linse entgegengewirkt werden. Eine Anpassung des Laserscanners in seiner Anordnung der optischen Bauteile zueinander, um etwa mit bestehenden Kollimatorelementen oder anderen Bauteilen zu arbeiten und dabei über die relative Anordnung der optischen Elemente zueinander die Streustrahlung zu blockieren, ist nicht oder nur schwer und eben mit Beeinflussung des Durchmessers des Strahlenbündels der Laserstrahlung beziehungsweise der Fokussierung möglich.
Es kann ferner von Vorteil sein, dass die bikonische Hybridlinse in dem Strahlengang der Laserstrahlung unmittelbar nach der Strahlungsquelle angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung kann die Blendneigung des Laserscanners besonders effektiv reduziert werden. Denn in dieser Ausgestaltung ist die Linse insbesondere vor dem Ablenkelement und damit vor dem MEMS-Spiegel beziehungsweise Mikroscanner angeordnet. Dadurch kann es ermöglicht werden, dass bereits vor dem Ablenkelement ein divergierender Anteil der Laserstrahlung reduziert wird, so dass lediglich eine fokussierte und insbesondere parallel ausgerichtete Laserstrahlung auf das Ablenkelement trifft. Dadurch kann bereits vor einem Auftreffen der Laserstrahlung auf das Ablenkelement es ermöglicht werden, dass die Laserstrahlung derart angeordnet sind, dass diese nur in den gewünschten optischen Bereich des Ablenkelements treffen und so von dem Ablenkelement wie etwa dem Mikroscanner definiert reflektiert werden. Dadurch kann es beispielsweise effektiv verhindert werden, dass Laserstrahlung auf den Spiegelträger eines Mikroscanners als Ablenkelement treffen und von dort undefiniert reflektiert werden kann. Somit kann in dieser Ausgestaltung effektiv bereits vor dem Ablenkelement Streustrahlung blockiert werden was die Augensicherheit bezüglich einer etwaigen Blendgefahr für Personen und Tiere reduzieren kann.
Dabei kann der divergierende Anteil der Laserstrahlung vor dem Ablenkelement noch vergleichsweise gering sein, so dass mit vergleichsweise klein dimensionierten Bauteilen als Linsen gearbeitet werden kann. Diese Ausgestaltung kann somit beispielsweise bei klein dimensionierten Laserscannern beziehungsweise in begrenztem Bauraum von Vorteil sein.
Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann ferner ein ohnehin vorgesehenes Bauteil durch die vorbeschriebene bikonische Linse ersetzt werden, wie etwa eine FAC-Linse, was eine einfache Implementierung in bestehende Systeme ermöglichen kann. Schließlich kann es besonders effektiv ermöglicht werden, dass eine Blendneigung effektiv reduziert wird, da eine FAC-Linse meist unmittelbar hinter der Strahlungsquelle angeordnet ist, was signifikante Vorteile aufweisen kann, wie dies nachfolgend im Detail beschrieben ist.
Ferner kann es so gegebenenfalls ermöglicht werden, dass auf ein SAC-Kollimatorelement verzichtet wird, was Kosten und Bauraum einsparen kann.
Es kann bevorzugt sein, dass die Strahlungsquelle eine Laserdiode aufweist. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann eine hohe Langzeitstabilität mit einer geringen Blendneigung des Laserscanners kombiniert werden. Denn insbesondere kann durch eine Laserdiode bereits ein Strahl emittiert werden, der einen sehr engen Strahlengang aufweist, so dass von einer Laserdiode ausgehende Laserstrahlung bereits ein recht geringes Blendpotential aufweist. Darüber hinaus zeichnen sich Laserdioden durch eine hohe beschädigungsfreie Arbeitszeit aus, so dass der Laserscanner diesbezüglich eine hohe Langzeitstabilität aufweist.
Darüber hinaus kann es unter Verwendung einer Laserdiode ermöglicht werden, dass eine kompakte Laserquelle bereitgestellt wird. Dies erlaubt es, dass auch bei geringem Raumbedarf, wie es insbesondere bei Kraftfahrzeugen oftmals der Fall ist, ein derartiger Laserscanner gut anordbar ist. Dies kann ferner deshalb weiter begünstigt werden, dass Laserdioden in der sogenannten SMT-Technologie (Surface Mount Technology) gefertigt werden können. In dieser Ausgestaltung kann die Diode unmittelbar auf der Leiterplatte angeordnet werden, was einen einfachen Aufbau begünstigt.
Schließlich bietet eine Laserdiode eine hohe Leistung, was insbesondere für eine effektive Umfelderfassung über einen großen Bereich des Laserscanners von Vorteil ist.
Durch das Vorsehen der bikonischen Linse wie vorstehend beschrieben kann es ferner ermöglicht werden, dass eine effektive Fokussierung der Laserstrahlung mit einem ausgewogenen Eigenschaftsprofil insbesondere der bikonischen Linse ermöglicht werden kann.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des Laserscanners wird auf die Beschreibung der bikonischen Linse, des Fahrunterstützungssystems, des Fahrzeugs, auf die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Fahrunterstützungssystem für eine Umfeldbeobachtung, insbesondere für ein Fahrzeug, aufweisend einen Laserscanner zum Emittieren von Laserstrahlung und einen Detektor zum Detektieren von einem zu detektierenden Objekt reflektierter Laserstrahlung, wobei das Fahrunterstützungssystem ferner eine Steuereinheit zum Auswerten von dem Detektor gelieferter Daten aufweist, wobei der Laserscanner ausgestaltet ist, wie dies vorstehend im Detail beschrieben ist.
Ein derartiges Fahrunterstützungssystem dient somit in an sich bekannter Weise einer Umfeldbeobachtung eines Fahrzeugs. Dadurch sollen insbesondere Objekte, wie beispielsweise Personen, Tiere oder Gegenstände, detektiert werden, etwa um Kollisionen zu verhindern. Hierzu ist ein Laserscanner vorgesehen, welcher Laserstrahlung emittiert und so auf die in dem Erfassungsbereich des Laserscanners befindlichen Objekte richtet. Die Laserstrahlung wird von den Objekten reflektiert und kann von einem Detektor detektiert werden. Dadurch sind eine räumliche Anordnung der Objekte zu dem Fahrzeug und ferner eine Abstandsmessung möglich. Entsprechend können die Daten insbesondere des Detektors von einer Steuereinheit ausgewertet werden. Dies ermöglicht es beispielsweise, Fahrhinweise auszugeben, Fahreingriffe, wie etwa eine Notbremsung, zu initiieren oder auch ein vollständig autonomes Fahren zu ermöglichen.
Problematisch bei dem Emittieren von Laserstrahlung kann es sein, dass insbesondere bedingt durch Streustrahlen eine vergrößerte Blendgefahr für in dem Erfassungsbereich befindliche Personen oder Tiere bestehen kann.
Dadurch, dass der Laserscanner wie vorstehend beschrieben ausgestaltet ist, kann eine derartige Blendgefahr signifikant reduziert werden. Entsprechend kann die Augensicherheit des Laserscanners verbessert werden. Ferner kann der Laserscanner ein sehr ausgewogenes Eigenschaftsprofil aufweisen.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des Fahrunterstützungssystems wird auf die Beschreibung der Linse, des Laserscanners, des Fahrzeugs, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verweisen, und umgekehrt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein Fahrunterstützungssystem zur Umfeldbeobachtung des Fahrzeugs, wobei das Fahrunterstützungssystem ausgestaltet ist, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Das hier beschriebene Fahrzeug kann grundsätzlich jedes Fahrzeug, wie etwa Kraftfahrzeug sein, welches mit einer Umfeldbeobachtung ausgestattet werden soll. Hierzu weist das Fahrzeug ein Fahrunterstützungssystem mit einem Laserscanner, insbesondere LIDAR, auf, wie dieses vorstehend im Detail beschrieben ist.
Problematisch bei dem Emittieren von Laserstrahlung eines Laserscanners kann es wie vorstehend beschrieben sein, dass insbesondere bedingt durch Streustrahlen eine vergrößerte Blendgefahr für in dem Erfassungsbereich befindliche Personen oder Tiere bestehen kann.
Dadurch, dass Das Fahrzeug ein Fahrunterstützungssystem mit einem Laserscanner wie vorstehend beschrieben aufweist, kann eine derartige Blendgefahr signifikant reduziert werden. Entsprechend kann die Augensicherheit des Laserscanners verbessert werden. Ferner kann der Laserscanner ein sehr ausgewogenes Eigenschaftsprofil aufweisen.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des Fahrzeugs wird auf die Beschreibung der bikonischen Linse, des Laserscanners, des Fahrunterstützungssystems, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert, wobei die beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein können, insoweit sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen

1 in schematischer Weise den Strahlengang eines Laserscanners bei einer Ausgestaltung eines Laserscanner gemäß der Erfindung;
2 in schematischer Weise eine Ausgestaltung einer bikonischen Linse gemäß der Erfindung; und
3 in schematischer Weise eine weitere Ansicht der Ausgestaltung aus 2 als Schnittansicht von der Seite.

1 zeigt in schematischer Weise einen Laserscanner 10. Der Laserscanner 10 dient insbesondere dem Einsatz in einem Fahrunterstützungssystem eines Kraftfahrzeugs, wie etwa eines Personenkraftwagens, und dabei insbesondere, um eine Umfeldbeobachtung durchzuführen. Insbesondere dient der Laserscanner 10 dazu, Objekte, wie etwa Personen, Tiere oder auch Gegenstände in dem Erfassungsbereich des Laserscanners 10 zu detektieren und dadurch Hinweise auf den Abstand und die räumliche Position der Objekte zu dem Laserscanner 10 und damit zu dem Fahrzeug zu erhalten. Demgemäß kann der Laserscanner 10 dazu dienen, Warnungen auszugeben, wenn die Gefahr einer Kollision besteht, oder auch Fahrhinweise auszugeben, Fahreingriffe durchzuführen oder auch ein teilweise oder vollständig autonomes Fahren zu unterstützen.
Hierzu umfasst der Laserscanner 10 eine Laserquelle 12, wie etwa eine Laserdiode oder eine Mehrzahl an Laserdioden, die dazu ausgestaltet ist, Laserstrahlung 14 zu emittieren. Die Laserstrahlung 14 verläuft dabei in einem Strahlengang, der durch in diesem angeordnete optische Elemente definiert beziehungsweise beeinflusst wird. Als ein optisches Element weist der Laserscanner beispielsweise einen Mikroscanner 16 als Ablenkelement auf welchen die Laserstrahlung etwa durch einen Reflektor 15 gerichtet wird. Der Mikroscanner 16 umfasst einen insbesondere beweglichen Spiegel 18, um die Laserstrahlung 14 in gewünschter Weise in den Erfassungsbereich des Laserscanners 10 zu richten beziehungsweise um die Laserstrahlung 14 zu modulieren. Der Spiegel 18 ist dabei auf einem Spiegelträger 20 angeordnet.
Weiterhin ist in den Strahlengang der Laserstrahlung 14 eine optische Linse 22 vorgesehen als Vorrichtung zum Beeinflussen des Querschnitts der Laserstrahlung 14. Dem Strahlengang der Laserstrahlung 14 folgend ist die Linse 22 dabei unmittelbar nach der Laserquelle 12 angeordnet. Die Linse 22 ist dabei als bikonische Hybridlinse 24 ausgestaltet, wobei die bikonische Hybridlinse 24 einen Glaskörper 26 aufweist, der mit einer Polymerbeschichtung 28 versehen ist.
Dadurch, dass die Linse 22 als bikonische Hybridlinse 24 ausgestaltet ist, kann etwa auf eine kompliziertere Ausgestaltung umfassend ein FAC-Kollimatorelement und ein SAC-Kollimatorelement verzichtet werden, was den Aufbau deutlich vereinfacht. Denn bereits die bikonische Hybridlinse kann eine Fokussierung der Laserstrahlung in einer horizontalen Ebene wie auch in einer vertikalen Ebene ermöglichen.
Problematisch bei einem Laserscanner 10 kann es grundsätzlich sein, dass etwa durch beispielsweise an dem Spiegelträger 20 undefiniert reflektierte Laserstrahlung 14 oder durch anderweitige Streustrahlung, die Gefahr einer Blendwirkung für in dem Erfassungsbereich des Laserscanners 10 befindliche Personen und Tiere besteht. Diesem negativen Effekt kann dadurch effektiv begegnet werden, dass die Linse 22 als bikonische Hybridlinse 24 ausgestaltet ist, wobei die bikonische Hybridlinse 24 einen Glaskörper 26 aufweist, der mit einer Polymerbeschichtung 28 versehen ist, wie dies vorstehend beschrieben ist.
In Strahlungsrichtung hinter dem Mikroscanner 16 ist ein Prisma 30 vorgesehen, von welchem die Laserstrahlung 14 in den Erfassungsbereich des Laserscanners 10 strahlen kann. Wird die Laserstrahlung 14 von einem zu detektierenden Objekt reflektiert, gelangt diese zu einem nicht gezeigten Detektor des Fahrunterstützungssystems, von welchem Daten zu einer Steuereinheit gelangen und wie vorstehend beschrieben für eine Umfeldüberwachung ausgewertet werden können.
2 zeigt dabei die bikonische Hybridlinse 24 in größerer Ansicht. Dabei ist zu erkennen, dass die bikonische Hybridlinse 24 eine erste Krümmung 32 in einer ersten Ebene aufweist und ferner eine zweite Krümmung 34 in einer zu der ersten Ebene rechtwinklig angeordneten zweiten Ebene aufweist.
Es ist ferner angedeutet, dass die bikonische Hybridlinse 24 die Laserstrahlung 14 derart beeinflusst, dass diese fokussiert wird und insbesondere keinen oder nur einen sehr begrenzten divergierenden Anteil aufweist.
3 zeigt ferner einen Querschnitt durch die bikonische Hybridlinse 24. Dabei ist gezeigt, dass die bikonische Hybridlinse 24 einen Glaskörper 26 aufweist, der mit einer Polymerbeschichtung 28 versehen ist. Dabei ist insbesondere in Kombination mit 2 angedeutet, dass der Glaskörper 26 die Fokuslänge der bikonischen Hybridlinse 24 definiert und dass die Polymerbeschichtung 28 asphärische Parameter der bikonischen Hybridlinse 24 definiert. Insbesondere ist die bikonische Linse als Zernike-Linse au sg estaltet.
Bezüglich der Polymerbeschichtung 28 ist es dabei ferner vorgesehen, dass diese ausgebildet ist aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyimid, Polycarbonat, cyclischen Olefinpolymeren, cyclischen Olefincopolymeren und Polymethylmethacrylat. Dadurch können die optischen Eigenschaften der bikonischen Hybridlinse 24 sehr definiert eingestellt werden und ferner hervorragende mechanische Eigenschaften ermöglicht werden.
Dadurch wird es ermöglicht, dass es gelöst wird, dass Laserstrahlung 14 mit einer hohen Kraft effektiv fokussiert wird auf einen sehr gering dimensionierten Spiegel, wie insbesondere den Mikroscanner 16, mit einer Größe von beispielhaft 4x2mm, um so Risiken für Augen durch Streulicht zu reduzieren.
Bezugszeichenliste

10: Laserscanner
12: Laserquelle
14: Laserstrahlung
15: Reflektor
16: Mikroscanner
18: Spiegel
20: Spiegelträger
22: Linse
24: bikonische Hybridlinse
26: Glaskörper
28: Polymerbeschichtung
30: Prisma
32: erste Krümmung
34: zweite Krümmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0108582 A1 [0005]
US 2017059838 A1 [0006]

Claims

Optische Linse für einen Laserscanner (10), dadurch gekennzeichnet, dass die optische Linse (22) als bikonische Linse ausgestaltet ist, wobei die bikonische Linse als bikonische Hybridlinse (24) ausgestaltet ist, wobei die bikonische Hybridlinse (24) ferner einen Glaskörper (26) aufweist, der mit einer Polymerbeschichtung (28) versehen ist.
Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper (26) die Fokuslänge der bikonischen Hybridlinse (24) definiert und dass die Polymerbeschichtung (28) asphärische Parameter der bikonischen Hybridlinse (24) definiert.
Linse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung (28) ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyimid, Polycarbonat, cyclischen Olefinpolymeren, cyclischen Olefincopolymeren und Polymethylmethacrylat.
Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bikonische Hybridlinse (24) als Zernike-Linse ausgestaltet ist.
Laserscanner, insbesondere für ein Fahrunterstützungssystem eines Kraftfahrzeugs, aufweisend eine Laserquelle (12) zum Emittieren von Laserstrahlung (14) entlang eines Strahlengangs, wobei in dem Strahlengang der Laserstrahlung (14) wenigstens eine Linse (22) zum Beeinflussen des Querschnitts der Laserstrahlung (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang der Laserstrahlung (14) als Linse (22) zum Beeinflussen des Querschnitts der Laserstrahlung (14) wenigstens eine bikonische Hybridlinse (24) angeordnet ist, wobei die bikonische Hybridlinse (24) einen Glaskörper (26) aufweist, der mit einer Polymerbeschichtung (28) versehen ist.
Laserscanner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bikonische Hybridlinse (24) in dem Strahlengang der Laserstrahlung (14) unmittelbar nach der Strahlungsquelle (12) angeordnet ist.
Laserscanner nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner (10) in dem Strahlengang der Laserstrahlung (14) einen Mikroscanner (16) aufweist, wobei die bikonische Hybridlinse (24) in dem Strahlengang der Laserstrahlung (14) vor dem Mikroscanner (16) angeordnet ist.
Laserscanner nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (12) eine Laserdiode aufweist.
Fahrunterstützungssystem für eine Umfeldbeobachtung eines Fahrzeugs, aufweisend einen Laserscanner (10) zum Emittieren von Laserstrahlung (14) und einen Detektor zum Detektieren von einem zu detektierenden Objekt reflektierter Laserstrahlung (14), wobei das Fahrunterstützungssystem ferner eine Steuereinheit zum Auswerten von dem Detektor gelieferter Daten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner (10) ausgestaltet ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, aufweisend ein Fahrunterstützungssystem zur Umfeldbeobachtung des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrunterstützungssystem ausgestaltet ist nach Anspruch 9.