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Die vorliegende Erfindung betrifft einen LIDAR-Sensor und ein Verfahren zur optischen Erfassung eines Sichtfelds gemäß dem Oberbegriff der unabhängig formulierten Ansprüche.
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Stand der Technik
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Die
US 2007/0159683 A1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung einer Frequenzverschiebung in einem optischen Weg mit einer Laserquelle mit gepulster Emission. Während jedes n-ten Laserstrahl-Emissionsimpulses wird die optische Weglänge mindestens eines einen optischen Ausbreitungsträger enthaltenden Frequenzverschiebungsmoduls abhängig von der gewünschten Frequenzverschiebung periodisch verändert, mit n≥1, indem an dieses (diese) Modul(e) eine Steuerspannung oder eine mechanische Belastung angelegt wird, die sich während dieses n-ten Impulses linear in Abhängigkeit von der Zeit entwickelt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes. Der LIDAR-Sensor weist wenigstens eine Sendeeinheit zur Aussendung von Primärlicht in das Sichtfeld; und wenigstens eine Empfangseinheit zum Empfangen von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert wurde; auf. Die Empfangseinheit weist hierbei eine Detektoreinheit mit wenigstens einem Detektorelement und eine Detektoroptik mit einem nicht-linearen optischen Element auf.
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Erfindungsgemäß ist das nicht-lineare optische Element dazu ausgebildet, die Frequenz des empfangenen Sekundärlichts zu verdoppeln und frequenzverdoppeltes Sekundärlicht auf die Detektoreinheit zu richten.
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Mittels eines LIDAR-Sensors kann ein Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld des LIDAR-Sensors auf der Basis einer Signallaufzeit (Time of Flight, TOF) bestimmt werden. Mittels eines LIDAR-Sensors kann ein Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld des LIDAR-Sensors auf der Basis eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Signals (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) bestimmt werden. Das Sichtfeld des LIDAR-Sensors kann mittels des ausgesendeten Primärlichts abgetastet werden. Die Sendeeinheit kann als wenigstens ein Laser ausgebildet sein. Die Detektoreinheit der Empfangseinheit kann dazu ausgebildet sein, das empfangene Sekundärlicht zu detektieren. Der LIDAR-Sensor weist optional wenigstens eine Auswerteeinheit auf. Mittels der Auswerteeinheit kann das detektierte Sekundärlicht ausgewertet werden. Das Ergebnis der Auswertung kann beispielsweise für eine Fahrerassistenzfunktion eines Fahrzeugs verwendet werden. Das Ergebnis der Auswertung kann beispielsweise für eine Steuerung eines autonom fahrenden Fahrzeugs verwendet werden. Der LIDAR-Sensor kann insbesondere für die Verwendung in einem wenigstens teilweise autonom fahrenden Fahrzeug ausgebildet sein. Mit dem LIDAR-Sensor kann teilautonomes oder autonomes Fahren von Fahrzeugen auf Autobahnen und im Stadtverkehr realisiert werden.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Sendeeinheit zur Aussendung von Primärlicht höherer Wellenlänge mit einer kostengünstigen Empfangseinheit kombiniert werden kann. Im Gegensatz zu bekannten LIDAR-Sensoren, die beispielsweise Primärlicht einer Wellenlänge von 905 nm aussenden, kann bei dem hier beschriebenen LIDAR-Sensor eine Sendeeinheit zur Aussendung von Primärlicht mit einer Wellenlänge größer als 905 nm verwendet werden. Je höher die Wellenlänge des ausgesendeten Primärlichts ist, desto höher darf bei Beachtung der Augensicherheit des LIDAR-Sensors die Leistung des ausgesendeten Primärlichts sein. Dies ist damit begründet, dass das Primärlicht höherer Wellenlänge nicht bis zur Netzhaut eines Auges durchdringen kann und daher nicht durch die Augenlinse fokussiert werden kann. Die Augensicherheit eines LIDAR-Sensors kann durch Normen, wie IEC 60825-1 vorgegeben sein. Wird das Primärlicht des LIDAR-Sensors mit höherer Leistung ausgesendet, bringt dies wiederum Vorteile bei der Erfassung des Sichtfeldes. So kann beispielsweise die Sichtweite des LIDAR-Sensors vergrößert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft beim Einsatz eines solchen LIDAR-Sensors in einem wenigstens teilweise autonom fahrenden Fahrzeug.
Durch die Frequenzverdopplung des empfangenen Sekundärlichts, und damit die Halbierung der Wellenlänge des Sekundärlichts, wird es wiederum möglich, wenigstens ein Detektorelement zu verwenden, welches für die Detektion von Sekundärlicht geringerer Wellenlängen ausgebildet ist. Derartige Detektorelemente sind kostengünstig verfügbar. Derartige Detektorelemente können jedoch zumeist höhere Wellenlängen nur schlecht oder gar nicht detektieren. Die Verwendung von kostenintensiven Detektorelementen, welche für die Detektion von Sekundärlicht höherer Wellenlängen ausgebildet sind, kann mittels des beschriebenen LIDAR-Sensors vermieden werden. Das Kühlen derartiger Detektorelemente im Betrieb kann vermieden werden.
Die Erfindung ist für verschiedene Konzepte eines LIDAR-Sensors anwendbar. Beispielsweise kann der LIDAR-Sensor koaxial oder biaxial aufgebaut sein. Zur abtastenden Erfassung des Sichtfeldes kann der LIDAR-Sensor eine Ablenkeinrichtung, wie beispielsweise einen Mikrospiegel, aufweisen. Zur abtastenden Erfassung des Sichtfeldes kann auch wenigstens eine Komponente des LIDAR-Sensors mittels einer Rotor-Stator Einheit bewegt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das nicht-lineare optische Element in direktem Kontakt zu der Detektoreinheit angeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass weitere optische Komponenten vermieden werden können. Beispielsweise kann ein Deckglas für die Empfangseinheit vermieden werden. Eine kompakte Bauweise wird ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektoroptik weiterhin wenigstens eine optische Linse aufweist, die dazu ausgebildet ist, das empfangene Sekundärlicht in das nicht-lineare optische Element zu fokussieren. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass innerhalb des nicht-linearen optischen Elements die für die Frequenzverdopplung notwendige Energiedichte im Strahl erhalten werden kann. Im Fokuspunkt kann eine hohe Feldstärke des Sekundärlichts erreicht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das nicht-lineare optische Element als ein nicht-linearer Kristall ausgebildet ist. Es kann sich beispielsweise um einen AgGaS2-Kristall handeln. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Frequenzverdopplung im nicht-linearen Kristall zu einer Nichtlinearität des gesamten LIDAR-Sensor-Systems führt. Dadurch kann Hintergrundstrahlung, wie zum Beispiel Sonnenstrahlung, unterdrückt werden. Gepulstes Sekundärlicht kann bevorzugt detektiert werden. Es kann sich somit ein passiver Filter für gepulstes Licht ausbilden. Weiterhin kann die Frequenzverdopplung des nicht-linearen Kristalls auf einen schmalen Wellenlängenbereich beschränkt sein. Dies kann abhängig von der Art des nicht-linearen Kristalls sein. Hierdurch kann ein eventuell notwendiger Wellenlängenfilter in der Empfangseinheit des LIDAR-Sensors vermieden werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass um das nicht-lineare optischen Element herum ein Resonator angeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Frequenzverdopplung verstärkt werden kann. Durch den Einbau einer lambda/2-Platte für die vom LIDAR-Sensor verwendete Wellenlänge in den Resonator kann bewirkt werden, dass bei jedem Umlauf die Polarisation des Sekundärlichts gedreht wird. Hierdurch kann möglichst das gesamte empfangene Sekundärlicht frequenzverdoppelt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektoreinheit als eine Halbleiterdetektoreinheit ausgebildet ist. Die Detektoreinheit kann beispielsweise siliziumbasiert sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein Halbleiterdetektor im Bereich der detektierbaren Wellenlänge mit hoher Effizienz arbeiten kann.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors aufweisend die Schritte: Aussendung von Primärlicht in das Sichtfeld mittels einer Sendeeinheit; Empfangen von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert wurde, mittels einer Empfangseinheit; wobei die Empfangseinheit eine Detektoreinheit mit wenigstens einem Detektorelement und eine Detektoroptik mit einem nicht-linearen optischen Element aufweist. Erfindungsgemäß weist das Verfahren die weiteren Schritte der Verdopplung der Frequenz des empfangenen Sekundärlichts; und das Richten des frequenzverdoppelten Sekundärlichts auf die Detektoreinheit mittels des nicht-linearen optischen Elements auf.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit eines LIDAR-Sensors;
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit eines LIDAR-Sensors;
- 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors.
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1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 100. Der LIDAR-Sensor 100 ist ausgebildet zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes 106, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen.
Der LIDAR-Sensor 100 gemäß 1 weist eine Sendeeinheit 101 zur Aussendung von Primärlicht 104 auf. Die Sendeeinheit weist beispielsweise eine Lichtquelleneinheit 102 auf. Die Lichtquelleneinheit 102 erzeugt Primärlicht 104 und sendet dieses - ggf. nach Durchlaufen einer Strahlformungsoptik 105 - in ein Sichtfeld 106 zur Erfassung und/oder Untersuchung einer Szene 108 und eines dort befindlichen Objekts 107 aus. Des Weiteren weist der LIDAR-Sensor 100 gemäß 1 eine Empfangseinheit 110 auf, welche Licht und insbesondere vom Objekt 107 im Sichtfeld 106 reflektiertes Licht als Sekundärlicht 109 über eine Detektoroptik 112 als frequenzverdoppeltes Sekundärlicht 111 an eine Detektoreinheit 113 mit wenigstens einem Detektor 114 überträgt. In den 2 und 3 werden zwei Ausführungsformen der Empfangseinheit 110 genauer beschrieben. Die Steuerung der Lichtquelleneinheit 102 sowie der Detektoreinheit 113 erfolgt über Steuerleitungen 117 bzw. 116 mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 115.
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Die Sendeeinheit 101 und die Empfangseinheit 110 können wie in 1 gezeigt biaxial angeordnet sein. Alternativ können die Sendeeinheit 101 und die Empfangseinheit 110 koaxial angeordnet sein. Im Fall der koaxialen Anordnung können Elemente der Strahlformungsoptik 105 auch als Elemente der Detektoroptik 112 ausgebildet sein, und umgekehrt. Die Sendeeinheit 101 kann eine, hier nicht gezeigte, Ablenkeinrichtung zur Ablenkung von Primärlicht 104 in das Sichtfeld 106 aufweisen. Das Primärlicht 104 kann von einer Ablenkeinrichtung der Sendeeinheit 101 unter vorgegebenen Ablenkwinkeln in das Sichtfeld 106 abgelenkt werden. Die Empfangseinheit 110 kann eine, hier nicht gezeigte, Ablenkeinrichtung zur Ablenkung von Sekundärlicht 109 auf die Detektoreinheit 113 aufweisen. Unter verschiedenen Winkeln einfallendes Sekundärlicht 109 kann von einer Ablenkeinrichtung der Empfangseinheit 110 auf die Detektoreinheit 113 abgelenkt werden. Die Sendeeinheit 101 und die Empfangseinheit 110 können eine gemeinsame Ablenkvorrichtung aufweisen. Die Sendeeinheit 101 und die Empfangseinheit 110 können alternativ auf einer rotierbaren Einheit 118 angeordnet sein. Es können einzelne Elemente der Sendeeinheit 101 und/oder einzelne Elemente der Empfangseinheit 110 auf einer rotierbaren Einheit 118 angeordnet sein.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit 110 eines in 1 beispielhaft beschriebenen LIDAR-Sensors 100. Die Empfangseinheit 110 weist die Detektoreinheit 113 und eine Detektoroptik 112 mit einem nicht-linearen optischen Element 201 auf. Das nicht-lineare optische Element 201 ist dazu ausgebildet, die Frequenz des empfangenen Sekundärlichts 109 zu verdoppeln und frequenzverdoppeltes Sekundärlicht 111 auf die Detektoreinheit 113 zu richten.
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Wie in 2 gezeigt, ist das nicht-lineare optische Element 201 bevorzugt in direktem Kontakt zu der Detektoreinheit 113 angeordnet. Weiterhin kann die Detektoroptik 112 wenigstens eine optische Linse 202 aufweisen, die dazu ausgebildet ist, das empfangene Sekundärlicht 109 in das nicht-linearen optischen Element 201 zu fokussieren.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit 110 eines in 1 beispielhaft beschriebenen LIDAR-Sensors 100. Dieses unterschiedet sich zu dem in 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel nur insofern, als dass um das nicht-lineare optische Element herum zusätzlich ein Resonator 301 angeordnet ist. Dieser kann bewirken, dass die Frequenzverdopplung verstärkt werden kann. Ein optional vorhandenes, hier nicht gezeigtes, lambda/2-Platte im Resonator kann bewirken, dass bei jedem Umlauf die Polarisation des Sekundärlichts gedreht wird. Hierdurch kann möglichst das gesamte empfangene Sekundärlicht frequenzverdoppelt werden.
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4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 400 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors. Das Verfahren startet im Schritt 401. Im Schritt 402 wird Primärlicht in das Sichtfeld mittels einer Sendeeinheit ausgesendet. Im Schritt 403 wird Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert wurde, mittels einer Empfangseinheit empfangen. Hierbei weist die Empfangseinheit eine Detektoreinheit mit wenigstens einem Detektorelement und eine Detektoroptik mit einem nicht-linearen optischen Element auf. Im Schritt 404 wird die Frequenz des empfangenen Sekundärlichts verdoppelt. Im Schritt 405 wird das frequenzverdoppelte Sekundärlicht auf die Detektoreinheit mittels des nicht-linearen optischen Elements gerichtet. Das Verfahren endet im Schritt 406.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0159683 A1 [0002]
