DE102018213652B4

DE102018213652B4 - Lidar-System mit veränderbarem Erfassungsbereich

Info

Publication number: DE102018213652B4
Application number: DE102018213652.1A
Authority: DE
Inventors: Günter Anton Fendt
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2018-08-14
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2038-08-15
Also published as: DE102018213652A1

Abstract

Lidar-Sender (12) für ein Lidar-System (10) mit veränderbarem Erfassungsbereich, aufweisend:eine Lichtquelle (20) mit veränderbarer Wellenlänge, wobei als Lichtquelle (20) ein abstimmbarer Laser vorgesehen ist, undein Prisma (30), das in Abstrahlrichtung der Lichtquelle (20) derart angeordnet ist, dass der Abstrahlwinkel des abgestrahlten Lichts durch das Prisma (30) verändert wird, um den Erfassungsbereich zu verändern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lidar-System, wie es beispielsweise zur Erfassung von Objekten eingesetzt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Lidar-System mit veränderbarem Erfassungsbereich. Derartige Systeme werden z.B. bei Fahrzeugen verwendet, z.B. zur Erkennung von anderen Fahrzeugen oder Umgebungsobjekten.
Wenn mit dem Lidar-System verschiedene Erfassungsbereiche erfasst werden sollen, dann kann ein mechanischer Verstell-Mechanismus eingesetzt werden. Viele mechanische Verstell-Mechanismen sind allerdings kostenaufwendig und/oder störanfällig.
Aus der DE 10 2007 004 609 A1 ist eine Vorrichtung für ein Fahrzeug-Lidar-System bekannt, die eine Mehrzahl von Halbleiterlasern und ein optisches Element umfasst, wobei das optische Element in Bezug auf die Mehrzahl von Lasern derart befestigt ist, dass zumindest zwei der Laser Strahlen erzeugen, die aus dem optischen Element in unterschiedlichen Richtungen ausgehen. Das optische Element weist dabei ein Element einer Linse, eines Prismas und eines Linsenarrays auf.
Ferner sind aus der US 2012/0224164 A1 oder der EP 1 031 471 A1 weitere gattungsgemäße Systeme bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik wenigstens teilweise zu überwinden.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
Ein Lidar-Sender weist eine Lichtquelle mit veränderbarer Wellenlänge auf und ein Prisma, das in Abstrahlrichtung der Lichtquelle angeordnet ist.
Dabei wird der Begriff „Lidar“ als Akronym für den Begriff „Light Detection And Ranging“ verwendet. Im Folgenden wird auch eine Technologie, die durch den Begriff „Ladar“ („Laser Detection And Ranging“) bezeichnet wird, damit umfasst. Bei der Erfindung werden beispielsweise Wellenlängen im sichtbaren Bereich, im nahen Infrarot und/oder im nahen Ultraviolett eingesetzt. Als Lichtquelle mit veränderbarer Wellenlänge wird ein abstimmbarer Laser verwendet. Die Lichtquelle kann kontinuierlich oder gepulst betrieben werden.
In Abstrahlrichtung der Lichtquelle ist ein Prisma angeordnet. Ein Prisma ist dabei ein transparenter optischer Körper, der zumindest in einem Bereich die geometrische Form eines Prismas aufweist. Ein derartiges Prisma hat die Eigenschaft, Licht wellenlängenabhängig zu brechen. Trifft also Licht mit veränderbarer Wellenlänge auf ein Prisma, so werden damit, je nach Wellenlänge, unterschiedliche Bereiche angestrahlt. Eine derartige Anordnung benötigt also für eine Veränderung des Erfassungsbereichs keine mechanisch bewegten Teile. Diese Anordnung ist daher sehr robust. Außerdem kann jederzeit die gesamte Auflösung eines Empfänger-Sensors genutzt werden, wenn ein Erfassungsbereich gewissermaßen „ausgeschnitten“ werden soll.
In einer Ausführungsform weist ein Lidar-Sender weiterhin eine Linse auf, die, von der Lichtquelle aus betrachtet, vor oder hinter dem Prisma angeordnet ist. Damit kann, zusätzlich zum veränderbaren Winkel - der durch die Wellenlänge zusammen mit dem Prisma festgelegt wird -, auch die Breite des Erfassungsbereichs konstruktiv definiert werden.
In einer Ausführungsform weist die Linse eine veränderliche Brennweite auf. Damit kann der Erfassungsbereich schnell an bestimmte Erfordernisse angepasst werden.
In einer Ausführungsform ist das Prisma als getrenntes Element oder einstückig mit der Linse ausgebildet. Die Ausbildung als einstückiges Element ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beispielsweise der Lichtwellenleiter als Spritzgusselement, bzw. in Spritzgusstechnik, insbesondere in Ein-Komponenten- oder Mehr-Komponenten-Spritzgusstechnik hergestellt wird, und bei diesem Herstellungsarbeitsprozess das Prisma-Element mit prisma-charakteristischen Eigenschaften miteingefügt und integriert bzw. berücksichtigt und mit eingebracht wird. In einer Ausführungsform der Erfindung bilden somit das Prisma-Element mit prisma-charakteristischen Eigenschaften und der Lichtwellenleiter eine Einheit; dabei ist - beispielsweise bei einer „länglichen“ Realisierung - das erste Ende als Eintritt (z.B. 90 Grad zur Lichtquelle) für die elektromagnetischen Wellen ausgebildet, und das zweite Ende ist als Austritt (z.B. ungleich 90 Grad) für die elektromagnetischen Wellen ausgebildet. Dies kann auch bei dem Lidar-Empfänger in analoger Weise realisiert werden.
In einigen Ausführungsform ist die Wellenlänge der Lichtquelle zwischen 50 nm und 50 µm veränderbar. In einer Ausführungsform ist die Wellenlänge der Lichtquelle nur in einem Teilbereich dieses Spektrums veränderbar, z.B. nur innerhalb des nahen Infrarotbereichs.
In einer Ausführungsform weist das Prisma ein Material auf, das Glas, Acryl, und/oder lichtleitende Bauteile aus Kunststoff, wie z.B. PMMA oder Polycarbonat, umfasst. Dabei ist das Material des Prismas auf die Wellenlängen der verwendeten Lichtquelle und den spezifizierten Erfassungsbereich abgestimmt.
In einer Ausführungsform umfasst das Prisma einen Dachwinkel zwischen 20 Grad und 70 Grad. Hierbei hängt der Dachwinkel z.B. auch von den Wellenlängen der verwendeten Lichtquelle, dem spezifizierten Erfassungsbereich und/oder der Art des Materials ab.
In einer Ausführungsform weist ein Lidar-Sender weiterhin ein Steuerungssystem auf, das eingerichtet ist, die Wellenlänge der Lichtquelle zu verändern, wobei das Steuerungssystem die Wellenlänge in Abhängigkeit von einem Sendebereich des Lidar-Systems verändert. Mittels des Steuerungssystems kann die Anordnung mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit auf die spezifizierten Eigenschaften eines Systems, welches diese Anordnung umfasst, eingebettet werden.
Ein Lidar-Empfänger weist einen Lichtdetektor auf, der eingerichtet ist, Licht von einer Lichtquelle, wie sie oben beschrieben ist, zu detektieren. Der Lidar-Empfänger ist dabei z.B. in Bezug auf die Wellenlänge und die Empfindlichkeit auf den Lidar-Sender, insbesondere auf dessen Lichtquelle, abgestimmt.
In einer Ausführungsform ist die detektierbare Wellenlänge des Lidar-Empfängers schmalbandig und veränderbar. Dabei kann ein schmalbandiger Lidar-Empfänger eingerichtet sein, eine Bandbreite von z.B. weniger als 35 nm, 20 nm oder 10 nm zu detektieren. Dabei kann die detektierbare Wellenlänge des Lidar-Empfängers selektiv schmalbandig der Sendefrequenz angepasst sein.
In einer Ausführungsform ist die detektierbare Wellenlänge breitbandig. Beispielsweise kann der Lidar-Empfänger so ausgelegt sein, dass er die gesamte Bandbreite des Lidar-Senders erfassen kann. Dabei kann die Sendefrequenz schmalbandig sein. Diese Anordnung kann das Empfänger-System vereinfachen.
Ein Lidar-System zur Detektion eines Objekts weist einen Lidar-Sender und einen Lidar-Empfänger, wie diese oben beschrieben sind, auf. Weiterhin weist es ein Steuerungssystem auf, das eingerichtet ist, das Senden, mittels der Lichtquelle, und das Empfangen, mittels des Lichtdetektors, zu steuern. Es sind also die Charakteristika des Lidar-Senders und des Lidar-Empfängers aufeinander abgestimmt, z.B. bezüglich Wellenlänge und/oder Amplitude. Darüber hinaus gibt es ein Steuerungssystem, das z.B. die Koordination und gegebenenfalls die Weiterverarbeitung ausführt und/oder steuert.
In einer Ausführungsform ist die detektierbare Wellenlänge schmalbandig und veränderbar und die Wellenlänge des Lidar-Senders und des Lidar-Empfängers stimmt im Wesentlichen überein. Bei bestimmten Systemen kann der Lidar-Empfänger etwas breitbandiger sein als der Lidar-Sender. Durch diese Anordnung wird die Wahrscheinlichkeit einer Fehl-Detektion reduziert, insbesondere bei mehrmaligem Abtasten der Objekte.
Die Erfindung umfasst auch eine Verwendung eines hier beschriebenen Lidar-Systems zur Detektion von Objekten, insbesondere von räumlich veränderlichen Objekten, beispielsweise bei Fahrzeugen, welche zur Erkennung von anderen Fahrzeugen oder Umgebungsobjekten eingerichtet sind.
Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.

1 zeigt ein schematisches Beispiel für die Verwendung eines Lidar-Systems;
2 zeigt schematisch ein beispielhaftes Lidar-System;
3 zeigt ein weiteres schematisches Beispiel für die Verwendung eines Lidar-Systems.

Bei dem Verwendungs-Beispiel eines Lidar-Systems von 1 ist ein Fahrzeug 90 abgebildet, welches im Bereich des linken Außenspiegels ein Lidar-System aufweist. Dabei sind die äußersten Erfassungsbereiche des Lidar-Systems gestrichelt eingezeichnet. Der äußerste linke Erfassungsbereich ist mit dem Bezugszeichen 71 markiert, der äußerste rechte Erfassungsbereich mit dem Bezugszeichen 72. Der Pfeil 70 zeigt die Variation zwischen den Erfassungsbereichen 71 und 72. Diese Variation kann z.B. mittels eines mechanischen Verstell-Mechanismus realisiert werden.
2 zeigt schematisch ein beispielhaftes Lidar-System 10, mit einem Lidar-Sender 12 und einem Lidar-Empfänger 14. Der Lidar-Sender 12 weist eine Lichtquelle 20 auf. Diese ist ein abstimmbarer Laser. Die Lichtquelle 20 ist als Lichtquelle mit veränderbarer Wellenlänge realisiert. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Licht der Lichtquelle 20 über einen Lichtwellenleiter 22 zu einem Prisma 30 geleitet. Das Prisma 30 beugt das Licht, entsprechend der Wellenlänge. Damit wird das Licht, je nach Wellenlänge, in verschiedene Richtungen abgestrahlt. Hinter dem Prisma 30, von der Lichtquelle 20 aus betrachtet, ist eine Linse 35 angeordnet. Damit kann, zusätzlich zum veränderbaren Winkel - der durch die Wellenlänge zusammen mit dem Prisma festgelegt wird -, auch die Breite des Erfassungsbereichs konstruktiv definiert werden.
Das zurückgestrahlte Licht wird von einer Linse 40 erfasst und, über den weiteren Lichtwellenleiter 42 an einen Sensor oder Lichtdetektor 25 geleitet. Der Lichtdetektor 25 und die Lichtquelle 20 sind an ein Steuerungssystem 50 angeschlossen.
3 zeigt ein schematisches Beispiel für die Verwendung eines Lidar-Systems 10, wie es z.B. in 2 dargestellt ist. Das Lidar-System 10 ist im Bereich des linken Außenspiegels des Fahrzeugs 90 angeordnet. Dabei sind die äußersten Erfassungsbereiche 76 und 77 des Lidar-Systems 10 gestrichelt eingezeichnet. Der äußerste linke Erfassungsbereich 76 ist z.B. dann aktiviert, wenn das kurzwelligste Licht der Lichtquelle 20 verwendet wird. Der äußerste rechte Erfassungsbereich 77 ist z.B. dann aktiviert, wenn das langwelligste Licht der Lichtquelle 20 verwendet wird. Der Pfeil 75 zeigt die Variation zwischen den Erfassungsbereichen 76 und 77. Diese Variation wird durch die Lichtquelle 20 (siehe z.B. 2) mit veränderbarer Wellenlänge realisiert. Die Variation kann, je nach gewählter Lichtquelle 20, stufenlos sein. Zusätzlich kann eine Linse 35 vor oder hinter dem Prisma 30 angeordnet sein, um die Breite der Erfassungsbereiche 76 und 77 zu verändern.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
Liste der Bezugszeichen

10: Lidar-System
12: Lidar-Sender
14: Lidar-Empfänger
20: Lichtquelle
22: Lichtwellenleiter
25: Lichtdetektor
30: Prisma
35: Linse Sender
40: Linse Empfänger
42: Lichtwellenleiter
50: Steuerungssystem
70, 75: Pfeil
71, 72: erster und zweiter Erfassungsbereich
76, 77: erster und zweiter Erfassungsbereich
90: Fahrzeug

Claims

Lidar-Sender (12) für ein Lidar-System (10) mit veränderbarem Erfassungsbereich, aufweisend: eine Lichtquelle (20) mit veränderbarer Wellenlänge, wobei als Lichtquelle (20) ein abstimmbarer Laser vorgesehen ist, und ein Prisma (30), das in Abstrahlrichtung der Lichtquelle (20) derart angeordnet ist, dass der Abstrahlwinkel des abgestrahlten Lichts durch das Prisma (30) verändert wird, um den Erfassungsbereich zu verändern.
Lidar-Sender (12) nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: eine Linse (35), die, von der Lichtquelle (20) aus betrachtet, vor oder hinter dem Prisma (30) angeordnet ist.
Lidar-Sender (12) nach Anspruch 2, wobei die Linse (35) eine veränderliche Brennweite aufweist.
Lidar-Sender (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prisma (30) als getrenntes Element oder einstückig mit der Linse (35) und/oder mit dem Lichtwellenleiter (22) ausgeführt ist.
Lidar-Sender (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Lichtquelle (20) und dem Prisma (30) ein Lichtwellenleiter (22) angeordnet ist.
Lidar-Sender (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenlänge der Lichtquelle (20) zwischen 50 nm und 50 µm veränderbar ist.
Lidar-Sender (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prisma (30) ein Material aufweist, das Glas, Acryl, und/oder lichtleitende Bauteile aus Kunststoff, wie z.B. PMMA oder Polycarbonat, umfasst.
Lidar-Sender (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prisma (30) einen Dachwinkel zwischen 20 Grad und 70 Grad umfasst.
Lidar-Sender (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: ein Steuerungssystem (50), das eingerichtet ist, die Wellenlänge der Lichtquelle (20) zu verändern, wobei das Steuerungssystem (50) die Wellenlänge in Abhängigkeit von einem Sendebereich des Lidar-Systems (10) verändert.
Lidar-Empfänger (14) für ein Lidar-System (10) mit veränderbarem Erfassungsbereich, aufweisend: einen Lichtdetektor (25), der eingerichtet ist, Licht von einer Lichtquelle (20) eines Lidar-Senders (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu detektieren.
Lidar-Empfänger (14), nach Anspruch 10, wobei die detektierbare Wellenlänge schmalbandig und veränderbar ist.
Lidar-Empfänger (14), nach Anspruch 11, wobei die detektierbare Wellenlänge breitbandig ist.
Lidar-System (10) mit veränderbarem Erfassungsbereich zur Detektion eines Objekts (90), aufweisend: einen Lidar-Sender (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, einen Lidar-Empfänger (14) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, ein Steuerungssystem (50), das eingerichtet ist, das Senden, mittels der Lichtquelle (20), und das Empfangen, mittels des Lichtdetektors (25), zu steuern.
Lidar-System (10) nach Anspruch 13, wobei die detektierbare Wellenlänge schmalbandig und veränderbar ist und die Wellenlänge des Lidar-Senders (12) und des Lidar-Empfängers (14) im Wesentlichen übereinstimmt.
Fahrzeug (90) mit einem Lidar-System (10) nach einem der Ansprüche 13 oder 14.
Verwendung eines Lidar-Systems (10) nach einem der Ansprüche 13 oder 14 zur Detektion von Objekten, insbesondere von räumlich veränderlichen Objekten.