DE102018220269B3

DE102018220269B3 - Optisches System mit einem Verschmutzungserkennungssystem und Verfahren für ein optisches System

Info

Publication number: DE102018220269B3
Application number: DE102018220269.9A
Authority: DE
Inventors: Nico Heussner; Nicole Ehrmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-11-27

Abstract

Optisches System (300), insbesondere LIDAR-System, aufweisend einen primären optoelektronischen Sensor (308), wobei der primäre optoelektronische Sensor (308) zumindest teilweise von einer wenigstens bereichsweise für die verwendete erste elektromagnetische Strahlung (304) transparenten Schutzabdeckung (101) umgeben ist; wobei das optische System (300) weiterhin ein Verschmutzungserkennungssystem aufweist, welches wenigstens eine zweite Sendeeinheit (103) zur Aussendung einer zweiten elektromagnetischen Strahlung (104) und wenigstens eine zweite Empfangseinheit (106) zum Empfangen einer zweiten elektromagnetischen Strahlung (105) aufweist. Die zweite Sendeeinheit (103) ist dazu ausgebildet, die zweite, elektromagnetische Strahlung (104) in die Schutzabdeckung (101) einzukoppeln. Die wenigstens eine zweite Empfangseinheit (106) ist dazu ausgebildet, die zweite elektromagnetische Strahlung (104, 105) aus der Schutzabdeckung (101) auszukoppeln und zu empfangen. Die zweite elektromagnetische Strahlung (104) ist polychromatisches Licht. Das Verschmutzungserkennungssystem ist dazu ausgebildet, Verschmutzungen (111-1, 111-2) auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung (101) entlang wenigstens eines ersten Propagationspfades (114) durch Vergleich des elektromagnetischen Spektrums der von der zweiten Empfangseinheit (106) empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung (105) mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum zu erkennen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System mit einem Verschmutzungserkennungssystem und ein Verfahren für ein optisches System gemäß dem Oberbegriff der unabhängig formulierten Ansprüche.
Stand der Technik
Die DE 10 2013 211 738 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung von Feuchtigkeit an einer Scheibe, insbesondere an einer Außenseite der Scheibe eines Fahrzeugs, mit einer oder mehreren Baugruppen, die Strahlungsquellen, zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung, Einkoppelelemente, zum Einkoppeln der von den Strahlungsquellen erzeugten elektromagnetischen Strahlung in die Scheibe, Auskoppelelemente, zum Auskoppeln der in die Scheibe eingekoppelten und in der Scheibe geführten elektromagnetischen Strahlung, und Erfassungsmittel, zum Erfassen der ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung, umfassen.
Die Druckschrift DE 10 2006 045 916 A1 zeigt ein optisches System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem optischen System, insbesondere LIDAR-System, aufweisend einen primären optoelektronischen Sensor mit wenigstens einer ersten Empfangseinheit zum Empfangen einer ersten elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung des optischen Systems. Der primäre optoelektronische Sensor ist hierbei zumindest teilweise von einer wenigstens bereichsweise für die verwendete erste elektromagnetische Strahlung transparenten Schutzabdeckung umgeben. Das optische System weist weiterhin ein Verschmutzungserkennungssystem auf. Das Verschmutzungserkennungssystem weist wenigstens eine zweite Sendeeinheit zur Aussendung einer zweiten elektromagnetischen Strahlung und wenigstens eine zweite Empfangseinheit zum Empfangen einer zweiten elektromagnetischen Strahlung auf. Die zweite Sendeeinheit ist hierbei dazu ausgebildet, die zweite elektromagnetische Strahlung so in die Schutzabdeckung einzukoppeln, dass sich die zweite elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer inneren Totalreflexion innerhalb der Schutzabdeckung auf wenigstens einem ersten Propagationspfad ausbreitet. Die wenigstens eine zweite Empfangseinheit ist dazu ausgebildet, die zweite elektromagnetische Strahlung an einem Ende des wenigstens einen ersten Propagationspfades aus der Schutzabdeckung auszukoppeln und zu empfangen.
Erfindungsgemäß ist die zweite elektromagnetische Strahlung polychromatisches Licht und das Verschmutzungserkennungssystem ist dazu ausgebildet, Verschmutzungen auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung entlang des wenigstens einen ersten Propagationspfades durch Vergleich eines elektromagnetischen Spektrums der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum zu erkennen.
Der primäre optoelektronische Sensor kann beispielsweise als eine Kamera, ein Radar-Sensor, ein LIDAR-Sensor oder als eine Kombination dieser Sensoren ausgebildet sein. Die erste Empfangseinheit kann eine oder mehrere optische Detektoreinheiten, wie beispielsweise wenigstens eine Fotodiode, wenigstens einen CCD-Detektor, wenigstens einen Kameradetektor etc., aufweisen. Eine Detektoreinheit der ersten Empfangseinheit kann dazu ausgebildet sein, eine erste elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Das optische System weist optional wenigstens eine erste Auswerteeinheit auf. Mittels der ersten Auswerteeinheit kann die detektierte erste elektromagnetische Strahlung 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. Ist der primäre optoelektronische Sensor als ein Radar-Sensor, ein LIDAR-Sensor oder als eine Kombination dieser Sensoren ausgebildet, so weist der primäre optoelektronische Sensor weiterhin mindestens eine erste Sendeeinheit zur Aussendung einer ersten elektromagnetischen Strahlung auf. Die erste Sendeeinheit kann hierbei einen oder mehrere optische Sender, wie beispielsweise eine LED, eine Laserdiode etc. aufweisen. Der primäre optoelektronische Sensor kann weiterhin wenigstens ein optisches Element, wie eine optische Linse, einen Spiegel, einen optischen Filter etc. aufweisen.
Das Verschmutzungserkennungssystem ist insbesondere dazu ausgebildet, wenigstens eine Verschmutzung auf der Schutzabdeckung zu erkennen. Das Verschmutzungserkennungssystem kann Verschmutzungen auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung entlang des wenigstens einen ersten Propagationspfades erkennen. Die zweite Sendeeinheit kann einen oder mehrere optische Sender, wie beispielsweise eine LED, eine Laserdiode etc. aufweisen. Polychromatisches Licht ist Licht, welches eine Mischung unterschiedlicher Wellenlängen aufweist. Polychromatisches Licht kann Licht mit gleicher Energie aller Wellenlängen sein. Der Bereich des polychromatischen Lichts ist vorzugsweise derart gewählt, dass er zur zweiten Empfangseinheit passt. Die zweite Empfangseinheit kann eine oder mehrere optische Detektoreinheiten, wie beispielsweise wenigstens eine Fotodiode, wenigstens einen CCD-Detektor, wenigstens einen Kameradetektor etc., aufweisen. Eine Detektoreinheit der zweiten Empfangseinheit kann dazu ausgebildet sein, eine zweite elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Das optische System weist optional wenigstens eine zweite Auswerteeinheit auf. Mittels der zweiten Auswerteeinheit kann die detektierte zweite elektromagnetische Strahlung ausgewertet werden. Mittels der zweiten Auswerteeinheit kann das elektromagnetische Spektrum der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum verglichen werden. Das Ergebnis der Auswertung kann Rückschlüsse auf eine Verschmutzung auf und/oder in der Schutzabdeckung zulassen. Optional kann die erste Auswerteeinheit auch als die zweite Auswerteeinheit ausgebildet sein. Das Verschmutzungserkennungs-system kann weiterhin wenigstens ein optisches Element, wie eine optische Linse, einen Spiegel, einen optischen Filter etc. aufweisen.
Das polychromatische Licht wird derart in die Schutzabdeckung eingekoppelt, dass der Winkel der internen Reflexion größer als der Winkel für die Totalreflexion ist. Die Schutzabdeckung kann somit als Wellenleiter wirken. Ein Propagationspfad verläuft innerhalb der Schutzabdeckung in Schnittansicht zickzackförmig zwischen den Totalreflexionen. In Aufsicht senkrecht zu einer Oberfläche der Schutzabdeckung verlaufen Projektionen der Propagationspfade aber im Wesentlichen gradlinig, wobei eine gewisse Streuung und Winkelabweichungen unvermeidbar sind. Auch in gebogenen Schutzabdeckungen (zum Beispiel zylinderförmigen Schutzabdeckungen) verlaufen die Propagationspfade nur näherungsweise linear in Projektion auf der gebogenen Oberfläche. Ein Propagationspfad kann aber in Aufsicht auf die Oberfläche der Schutzabdeckung eine gewisse Ausdehnung in Breitenrichtung aufweisen. Gleichzeitig kann ein Propagationspfad in Dickenrichtung der Schutzabdeckung eine Ausdehnung in der gleichen Größenordnung wie die Dicke der Schutzabdeckung aufweisen. Damit wird sichergestellt, dass ein wesentlicher Teil der (oder die gesamte) Oberfläche der Schutzabdeckung erfasst wird.
Die Schutzabdeckung kann beispielsweise aus Glas oder für die verwendete elektromagnetische Strahlung transparentem Kunststoff gefertigt sein. Elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise sichtbares Licht, Infrarotlicht oder UV-Strahlung umfassen.
Der Vergleich des elektromagnetischen Spektrums der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum gibt sehr genaue Hinweise darauf, ob Anteile aus dem polychromatischen Licht fehlen. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Verschmutzungen auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung sehr genau erkannt und lokalisiert werden können. Durch den primären optoelektronischen Sensor gemessene Daten (zum Beispiel Abstandsmessungen) können zuverlässiger interpretiert werden, da eventuelle Fehldetektionen den Verschmutzungen zugeordnet werden können. Somit kann eine Software entscheiden, welche Messdaten zuverlässig sind beziehungsweise kann durch Verschmutzungen erzeugte Artefakte in den Daten zumindest teilweise herausrechnen, bis eine Reinigung möglich ist. Die Arbeitsweise des primären optoelektronischen Sensors kann verbessert werden. Wird der primäre optoelektronische Sensor beispielsweise in einem zumindest teilweise autonom fahrenden Fahrzeug verwendet, kann die Sicherheit bei der Verwendung des primären optoelektronischen Sensors erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der zur Umgebung gewandten Seite der transparenten Schutzabdeckung ein Bandpassfilter angeordnet ist. Der Bandpassfilter ist derart ausgebildet, dass seine Zentralwellenlänge über die Oberfläche der transparenten Schutzabdeckung variiert.
Befinden sich keine Verschmutzungen auf der Schutzabdeckung, so kann das Spektrum der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung dem elektromagnetischen Spektrum des ausgesendeten polychromatischen Lichts entsprechen. Befinden sich Verschmutzungen auf der Oberfläche der Schutzabdeckung, so kann sich die Bedingungen der Totalreflexion dadurch ändern, dass die sonst an die Oberfläche der Schutzabdeckung angrenzende Luftschicht lokal durch z. B. eine Wasserschicht ersetzt wird. Die Totalreflexion kann bei geeigneter Wahl des Einkoppelwinkels an den entsprechenden Stellen unterbunden werden. Aufgrund des Bandpassfilters kann elektromagnetische Strahlung eines definierten Wellenlängenbereichs ausgekoppelt werden. Es können breitere Filter verwendet werden, mit denen mehr Signalpegel erhalten werden kann. Es können schmalere Filter verwendet werden, mit denen eine feinere Unterteilung des Spektrums und damit eine höhere räumliche Auflösung erreicht werden kann. Der Wellenlängenbereich kann hierbei bis zu wenigen Nanometern betragen. Das elektromagnetische Spektrum der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung kann sich dann von dem erwarteten elektromagnetischen Spektrum unterscheiden. Das elektromagnetische Spektrum der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung kann sich von dem Spektrum des ausgesendeten polychromatischen Lichts unterscheiden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass durch die bekannte Variierung der Zentralwellenlänge des Bandpassfilters über die Oberfläche der transparenten Schutzabdeckung sehr einfach und sehr genau eine vorhandene Verschmutzung lokalisiert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zentralwellenlänge des Bandpassfilters diskret oder kontinuierlich variiert. Als eine diskrete Variierung kann hierbei eine pixelweise Variierung verstanden werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Auflösung der räumlichen Detektionsfähigkeit des Verschmutzungserkennungssystems angepasst werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische System weiterhin mindestens eine optische Komponente oder mindestens einen Lichtaufnahmebereich der Schutzabdeckung zur Einkopplung und/oder Auskopplung der zweiten elektromagnetischen Strahlung in die Schutzabdeckung und/oder aus der Schutzabdeckung aufweist. Eine optische Komponente kann ein Strahlteiler, ein Lichtteiler, ein Prisma, eine optische Linse, eine Kollimatorlinse oder ein Hologramm sein. Ein Lichtaufnahmebereich der Schutzabdeckung kann beispielsweise eine angeschrägte Kante der Schutzabdeckung sein. Grundsätzlich ist ein Lichtaufnahmebereich dazu eingerichtet, eine auf die Schutzabdeckung treffende elektromagnetische Strahlung in die Schutzabdeckung zu leiten. Dies kann durch geeignete geometrische Ausbildung der Schutzabdeckung im Lichtaufnahmebereich erfolgen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Verluste bei der Ein- und Auskopplung möglichst geringgehalten werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Empfangseinheit eine Mehrzahl an Spektralfiltern aufweist, die entlang eines optischen Strahlengangs der zweiten elektromagnetischen Strahlung vor einer Mehrzahl an optischen Detektoreinheiten angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass über die räumliche Anordnung der Detektoreinheiten in Verbindung mit den Spektralfiltern auf den Wellenlängenbereich zurückgeschlossen werden kann, der durch die Verschmutzung beeinflusst wurde.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verschmutzungserkennungssystem wenigstens zwei zweite Sendeeinheiten zur Aussendung von zweiter elektromagnetischer Strahlung und wenigstens zwei zweite Empfangseinheiten zum Empfangen von zweiter elektromagnetischer Strahlung aufweist, wobei entsprechend des ersten Propagationspfades mittels einer weiteren zweiten elektromagnetischen Strahlung ein wenigstens zweiter Propagationspfad durch die Schutzabdeckung ausbildbar ist und wobei sich der wenigstens zweite Propagationspfad von dem ersten Propagationspfad unterscheidet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Verwendung von zwei unterschiedlichen Propagationspfaden eine genauere Lokalisierung einer Verschmutzung auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung erlaubt. Die Position der Verschmutzung auf der Schutzabdeckung kann in zwei Dimensionen bestimmt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Propagationspfade unter einem Relativwinkel in der Schutzabdeckung verlaufen. Das Verschmutzungserkennungssystem ist hierbei dazu ausgebildet, durch einen Vergleich von zwei erkannten eindimensionalen Positionen einer mittels der wenigstens beiden zweiten elektromagnetischen Strahlungen erkannten Verschmutzung eine zweidimensionale Verschmutzungsposition und/oder eine zweidimensionale Ausdehnung der Verschmutzung auf der Oberfläche der Schutzabdeckung zu bestimmen. Durch einen Vergleich der Positionen an denen in dem ersten Propagationspfad beziehungsweise in dem zweiten Propagationspfad eine Verschmutzung festgestellt wird, kann dann eine zweidimensionale Position der Verschmutzung auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung rekonstruiert werden. Dies erlaubt einen sparsameren Einsatz einer eventuellen Reinigungsvorrichtung und ermöglicht außerdem durch die Verschmutzung verursachte Signalstörungen des primären Sensors genauer zu bestimmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Propagationspfade im Wesentlichen parallel verlaufen und jeweils unterschiedliche Bereiche der Oberfläche abtasten. Hierbei ist das Verschmutzungserkennungssystem dazu ausgebildet, durch eine Bestimmung, in welchen der wenigstens zwei Propagationspfade eine jeweils erkannte Verschmutzung erkannt wurde, eine zweidimensionale Verschmutzungsposition und/oder eine zweidimensionale Ausdehnung der Verschmutzung auf der Oberfläche der Schutzabdeckung zu bestimmen. Mittels der parallelen Propagationspfade können Verschmutzungen auf parallel verlaufenden Bereichen der Schutzabdeckung erkannt werden. Es kann somit erkannt werden, in welchem der Bereiche der Oberfläche der Schutzabdeckung eine Verschmutzung vorhanden ist. Die Lokalisierung der Verschmutzung kann somit einerseits in einer ersten Dimension erfolgen. Durch den Vergleich der elektromagnetischen Spektren der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum für jeden der wenigstens zwei Propagationspfade kann, insbesondere wenn ein Bandpassfilter auf der Schutzabdeckung angeordnet ist, die Lokalisierung der Verschmutzung andererseits in einer zweiten Dimension erfolgen. Aus diesen beiden Lokalisierungen kann eine zweidimensionale Position der Verschmutzung auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung rekonstruiert werden. Dies erlaubt einen sparsameren Einsatz einer eventuellen Reinigungsvorrichtung und ermöglicht außerdem durch die Verschmutzung verursachte Signalstörungen des primären Sensors genauer zu bestimmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische System weiterhin mindestens eine Reinigungsvorrichtung zur Verhinderung, Hemmung und/oder Beseitigung wenigstens einer Verschmutzung der Schutzabdeckung aufweist. Eine mittels des Verschmutzungserkennungssystems erkannte Verschmutzung kann mittels der Reinigungsvorrichtung verringert und/oder beseitigt werden. Die Reinigungsvorrichtung kann außerhalb eines Sichtbereiches des primären optoelektronischen Sensors angeordnet und/oder wirksam sein. Die Reinigungsvorrichtung kann mechanisch auf die Schutzabdeckung, insbesondere mittels wenigstens eines Scheibenwischers oder einer Spritzdüse für eine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch, ein Gas oder ein Gasgemisch, einwirken. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Funktionsweise des optischen Systems sichergestellt werden kann. Eine Verschmutzung, die die Funktionsweise des optischen Systems stören könnte, kann verhindert, gehemmt und/oder beseitigt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische System weiterhin eine Steuereinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Reinigungsvorrichtung in Abhängigkeit einer erkannten Verschmutzung anzusteuern. Beispielsweise wird bei einer erkannten Verschmutzung ein Signal zum Start der Reinigung an die Reinigungsvorrichtung ausgesendet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein ununterbrochenes Arbeiten der Reinigungsvorrichtung vermieden werden kann. Ein starker Verschleiß der Reinigungsvorrichtung bzw. ein hoher Verbrauch des Reinigungsmediums (zum Beispiel einer Flüssigkeit, eines Flüssigkeitsgemischs, eines Gases oder eines Gasgemischs) kann durch eine nur bei Bedarf ausgelöste Reinigung vermieden werden.
Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren für ein optisches System, insbesondere ein LIDAR-System, aufweisend einen primären optoelektronischen Sensor mit wenigstens einer ersten Empfangseinheit zum Empfangen einer ersten elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung des optischen Systems, welcher zumindest teilweise von einer wenigstens bereichsweise für die verwendete erste Strahlung transparenten Schutzabdeckung umgeben ist. Das Verfahren weist die Schritte der Aussendung wenigstens einer zweiten elektromagnetischen Strahlung mittels wenigstens einer zweiten Sendeeinheit eines Verschmutzungserkennungssystems des optischen Systems, wobei die zweite elektromagnetische Strahlung polychromatisches Licht ist; der Einkopplung der wenigstens einen zweiten elektromagnetischen Strahlung in die Schutzabdeckung derart, dass sich die zweite elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer inneren Totalreflexion innerhalb der Schutzabdeckung auf wenigstens einem ersten Propagationspfad ausbreitet; der Auskopplung und des Empfangens der zweiten elektromagnetischen Strahlung an einem Ende des wenigstens einen ersten Propagationspfades aus der Schutzabdeckung mittels wenigstens einer zweiten Empfangseinheit des Verschmutzungserkennungssystems; des Vergleichs des elektromagnetischen Spektrums der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum; und der Erkennung wenigstens einer Verschmutzung auf der Schutzabdeckung abhängig von dem Vergleich; auf.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:

1A-1D Erkennung von Verschmutzung in einer Dimension mittels eines Verschmutzungserkennungssytems eines optischen Systems;
2A-2B Erkennung von Verschmutzung in zwei Dimensionen mittels eines Verschmutzungserkennungssytems eines optischen Systems;
3 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Systems;
4 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens für ein optische System.

Die 1A bis 1D zeigen beispielhaft die Erkennung von Verschmutzung in einer Dimension mittels eines Verschmutzungserkennungssytems eines optischen Systems, wie es in 3 beschrieben wird. Eine zweite Sendeeinheit 103 des Verschmutzungserkennungssystems sendet zweite elektromagnetische Strahlung 104 aus. Die zweite elektromagnetische Strahlung 104 ist polychromatisches Licht. Dies ist in den 1A bis 1D mittels der Kennzeichnung λ_w verdeutlicht. Die zweite elektromagnetische Strahlung 104 wird so in eine Schutzabdeckung 101 des optischen Systems ein gekoppelt, dass sich die zweite elektromagnetische Strahlung 104 mit mindestens einer inneren Totalreflexion innerhalb der Schutzabdeckung 101 auf wenigstens einem ersten Propagationspfad 114 ausbreitet. An einem Ende des Propagationspfades 114 wird die zweite elektromagnetische Strahlung 104 als zweite elektromagnetische Strahlung 105 ausgekoppelt und von einer zweiten Empfangseinheit 106 des Verschmutzungserkennungssystems empfangen. Durch einen Vergleich eines elektromagnetischen Spektrums der von der zweiten Empfangseinheit 106 empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung 105 mit einer erwarteten elektromagnetischen Strahlung kann eine Verschmutzung 111-1, 111-2 auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung 101 erkannt werden. Wie in den 1A bis 1D gezeigt, kann auf einer zur Umgebung des optischen Systems gewandten Seite der transparenten Schutzabdeckung ein Bandpassfilter 102 angeordnet sein. Der Bandpassfilter 102 ist derart ausgebildet, dass seine Zentralwellenlänge über die Oberfläche der transparenten Schutzabdeckung 101 variiert. Dies wird durch den Verlauf der Schraffierung des Bandpassfilters es 102 in den 1A bis 1D verdeutlicht. Die Zentralwellenlänge des Bandpassfilter 102 kann hierbei diskret oder kontinuierlich variieren. In den 1A bis 1D ist jeweils zusätzlich ein Diagramm gezeigt. In diesem ist die Reflexion 108 innerhalb der Schutzabdeckung 101 über der Zentralwellenlänge λ des Bandpassfilters aufgetragen. Die Zentralwellenlänge des Bandpassfilters 102 variiert im hier gezeigten Beispiel von 300 nm (linke gestrichelte Linie) bis 800 nm (rechte gestrichelte Linie) über die Oberfläche der transparenten Schutzabdeckung 101.
1A zeigt den Fall, dass sich keine Verschmutzungen auf der Schutzabdeckung 101 befindet. Die Totalreflexion der elektromagnetischen Strahlung 104 wird somit an keiner Stelle der Schutzabdeckung 101 unterbunden. Die Reflexion 108 beträgt 100 % über die gesamte Oberfläche der transparenten Schutzabdeckung 101. Dies ist durch die Gerade 109 verdeutlicht. Das erwartete Spektrum der von der zweiten Empfangseinheit 106 empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung 105 kann dem elektromagnetischen Spektrum des ausgesendeten polychromatischen Lichts entsprechen. Dies ist durch die Kennzeichnung der empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung 105 mit λ_w verdeutlicht.
1B zeigt den Fall, dass sich eine Verschmutzung 111 auf der Schutzabdeckung 101 befindet. Die Verschmutzung 111 kann beispielsweise ein Wassertropfen sein. Die Verschmutzung 111 kann auch Schlamm oder ähnliches sein. Die Verschmutzung 111 befindet sich in dem Beispiel aus 1B im blauen Bereich der Zentralwellenlänge des Bandpassfilters 102. Die Bedingung der Totalreflexion kann sich an dieser Position aufgrund der Verschmutzung 111 verändern. Wie im Diagramm dargestellt, beträgt die Reflexion 108 in diesem Bereich 0 %. In den Bereichen der Schutzabdeckung, auf denen keine Verschmutzung vorhanden ist, beträgt die Reflexion 108 100 %. Dies ist durch die Kurve 113 verdeutlicht. Aufgrund des Bandpassfilters 102 kann elektromagnetische Strahlung 112 eines definierten Wellenlängenbereichs λ₁ ausgekoppelt werden. Im gezeigten Beispiel wird der blaue Lichtanteil λ₁ des polychromatischen Lichts ausgekoppelt. Mittels der zweiten Empfangseinheit 106 wird elektromagnetische Strahlung empfangen, dessen elektromagnetisches Spektrum dem elektromagnetischen Spektrum des polychromatischen Lichts abzüglich des blauen Lichtanteils λ₁ entspricht. Dies ist durch die Kennzeichnung der empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung 105 mit λ_w-1 verdeutlicht. Der Vergleich eines elektromagnetischen Spektrums der von der zweiten Empfangseinheit 106 empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung 105, λ_w-1 mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum λ_w ermöglicht es, die Verschmutzung 111 zu erkennen. Ist die Variierung der Zentralwellenlänge über die Oberfläche der transparenten Schutzabdeckung 101 bekannt, ist eine Lokalisierung der Verschmutzung 101 in einer ersten Dimension möglich.
1C zeigt den Fall, dass sich eine Verschmutzung 111 auf einer anderen als in 1B gezeigten Stelle der Schutzabdeckung befindet. Die Verschmutzung 111 befindet sich im grünen Bereich der Zentralwellenlänge des Bandpassfilter 102. Wie im Diagramm dargestellt beträgt die Reflexion 108 in diesem Bereich 0 %. In den Bereichen der Schutzabdeckung 101, auf denen keine Verschmutzung vorhanden ist, beträgt die Reflexion 108 100 %. Entsprechend wird hier der grüne Lichtanteil λ₂ des polychromatischen Lichts ausgekoppelt. In dem hier gezeigten Fall entspricht das elektromagnetische Spektrum der empfangenen elektromagnetischen Strahlung 105 dem elektromagnetischen Spektrum des polychromatischen Lichts abzüglich des grünen Lichtanteils λ₂ . Dies ist durch die Kennzeichnung der empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung 105 mit λ_w-2 verdeutlicht.
1D zeigt den Fall, dass sich eine erste Verschmutzung 111-1 im blauen Bereich und eine zweite Verschmutzung 111-2 im grünen Bereich der Zentralwellenlänge des Bandpassfilters das 102 befinden. Wie im Diagramm dargestellt beträgt die Reflexion 108 in diesen beiden Bereichen jeweils nur Prozent. In den Bereichen der Schutzabdeckung 101 auf denen keine Verschmutzung vorhanden ist, beträgt die Reflexion 108 100 %. Entsprechend wird hier der blaue Lichtanteil λ₁ und der grüne Lichtanteil λ₂ des polychromatischen Lichts ausgekoppelt. In dem hier gezeigten Fall entspricht das elektromagnetische Spektrum der empfangenen elektromagnetischen Strahlung 105 dem elektromagnetischen Spektrum des polychromatischen Lichts abzüglich des blauen Lichtanteils λ₁ und des grünen Lichtanteils λ₂ . Dies ist durch die Kennzeichnung der empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung 105 mit λ_w-1-2 verdeutlicht.
Die 2A und 2B zeigen beispielhaft die Erkennung von Verschmutzung in zwei Dimensionen mittels eines Verschmutzungserkennungssytems eines optischen Systems, wie es in 3 beschrieben wird. In 2A werden beispielsweise mehrere Strahlen 104-1 bis 104-n zweiter elektromagnetischer Strahlung so in die Schutzabdeckung 101 eingekoppelt, dass mehrere Propagationspfade im Wesentlichen parallel zueinander durch die Schutzabdeckung 101 verlaufen und hierbei jeweils die unterschiedlichen Bereiche 201-1 bis 201-n der Oberfläche der Schutzabdeckung 101 abtasten. Dies kann zum einen dadurch realisiert werden, dass eine zweite optische Sendeeinheit des Verschmutzungserkennungssystems mehrere optische Sender aufweist. Auch die zweite Empfangseinheit kann in diesem Fall mehrere optische Detektoreinheiten aufweisen. Dies kann andererseits auch dadurch realisiert werden, dass das Verschmutzungserkennungssystem wenigstens zwei zweite Sendeeinheiten zur Aussendung von zweiter elektromagnetischer Strahlung und wenigstens zwei zweite Empfangseinheiten zum Empfangen von zweiter elektromagnetischer Strahlung aufweist. Nicht noch einmal extra gezeigt, so wird analog zu den 1A bis 1D auch hier an einem Ende der Propagationspfade die zweite elektromagnetische Strahlung 104-1 bis 104-n als zweite elektromagnetische Strahlung 105-1 bis 105-n ausgekoppelt und von wenigstens einer zweiten Empfangseinheit 106 des Verschmutzungserkennungssystems empfangen. Die Lokalisierung der zum Beispiel vorhandenen Verschmutzungen 111-1 und 111-2 kann in einer ersten Dimension dadurch erfolgen, dass erkannt wird, in welchem Bereich 201-1 bis 201-n die Verschmutzung 111-1 oder 111-2 vorhanden ist. Durch den Vergleich der elektromagnetischen Spektren der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum für jeden der wenigstens zwei Propagationspfade kann die Lokalisierung der Verschmutzung 111-1 oder 111-2 in einer zweiten Dimension erfolgen. Befindet sich ein Bandpassfilter auf der Schutzabdeckung 101 kann dies wie bei den 1A bis 1D beschrieben wurde, erfolgen. Aus diesen beiden Lokalisierungen kann eine zweidimensionale Position der Verschmutzungen 111-1 und 111-2 auf der Schutzabdeckung 101 rekonstruiert werden.
2B wird hingegen beispielsweise abwechselnd entlang der zwei Richtungen x und y der Ausdehnung der Oberfläche der Schutzabdeckung 101 gemessen. Hierfür weist das Verschmutzungserkennungssystem zwei zweite Sendeeinheiten und zwei zweite Empfangseinheiten auf. Es bilden sich entsprechend wenigstens zwei Propagationspfade, wobei sich der wenigstens zweite Propagationspfad von einem ersten Propagationspfad unterscheidet. Die wenigstens zwei Propagationspfade verlaufen unter einem Relativwinkel in der Schutzabdeckung 101. Der Relativwinkel beträgt im Beispiel der 2B, wie die Pfeile 202-1 und 202-2 verdeutlichen, 90°. Durch einen Vergleich von zwei erkannten eindimensionalen Position 204-1 und 205-1 bzw. 204-2 und 205-2 einer mittels der wenigstens beiden zweiten elektromagnetischen Strahlungen 104-1, λ_w und 104-2, λ_w erkannten Verschmutzungen 111-1 und 111-2 kann eine zweidimensionale Verschmutzungsposition 203-1 bzw. 203-2 und/oder eine zweidimensionale Ausdehnung der Verschmutzung auf der Oberfläche der Schutz ab Deckung bestimmt werden. Durch einen Vergleich der Positionen 204-1 bzw. 204-2 an denen in dem ersten Propagationspfad beziehungsweise der Positionen 205-1 bzw. 205-2 an denen in dem zweiten Propagationspfad eine Verschmutzung 111-1 und 111-2 festgestellt wird, kann dann eine zweidimensionale Position 203-1 bzw. 203-2 der Verschmutzung 111-1 bzw. 111-2 auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung 101 rekonstruiert werden. Bei dem in 2B gezeigten Ansatz muss sichergestellt werden, dass eine nötige Detektionsschwelle noch vorhanden ist. Sind die Ausdehnungen der Verschmutzungen 111-1 Beziehung sollte 111-2 zu klein, um in diesem Ansatz Veränderung im elektromagnetischen Spektrum zu detektieren, können auch kleinere Segmente der Schutzabdeckung 101 untersucht werden. Hierdurch wird ein kleineres Verhältnis von der Gesamtfläche des Segments zur Oberfläche der Verschmutzung erreicht.
3 zeigt als ein Ausführungsbeispiel das optische System 300. das optische System 300 kann insbesondere ein LIDAR System sein. Es weist eine primären optoelektronischen Sensor 308 auf. Der primäre optoelektronische Sensor 308 weist eine erste Sendeeinheit 301 zum Aussenden einer ersten elektromagnetischen Strahlung 302 und eine erste Empfangseinheit 303 zum Empfangen einer ersten elektromagnetischen Strahlung 304 aus der Umgebung des optischen Systems 300 auf. Die primäre optoelektronische Sensor 308 ist hierbei zumindest teilweise von einer wenigstens bereichsweise für die verwendete erste elektromagnetische Strahlung 302, 304 transparenten Schutzabdeckung 101 umgeben. Auf der zur Umgebung gewandten Seite der transparenten Schutzabdeckung 101 kann wie gezeigt ein Bandpassfilter 102 angeordnet ist. Der primäre optoelektronische Sensor 308 kann weiterhin von einem Gehäuse 305 umgeben sein. Das optische System 300 weist weiterhin ein Verschmutzungserkennungssystem auf. Letzteres weist eine zweite Sendeeinheit 103 zur Aussendung einer zweiten elektromagnetischen Strahlung 104, λ_w auf. Die ausgesendete zweite elektromagnetische Strahlung 104, λ_w ist polychromatisches Licht. Die zweite Sendeeinheit 103 ist dazu ausgebildet, die zweite elektromagnetische Strahlung 104, λ_w so in die Schutzabdeckung 101 einzukoppeln, dass sich die zweite elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer inneren Totalreflexion innerhalb der Schutzabdeckung 101 auf wenigstens einem ersten Propagationspfad 114 ausbreitet. Das Verschmutzungserkennungssystem weist weiterhin wenigstens eine zweite Empfangseinheit 106 zum Empfangen einer zweiten elektromagnetischen Strahlung 105 auf. Die zweite Empfangseinheit 106 ist dazu ausgebildet, die zweite elektromagnetische Strahlung 104, 105 an einem Ende des wenigstens einen ersten Propagationspfades 114 aus der Schutzabdeckung 101 aus zu koppeln und zu empfangen. Das Verschmutzungserkennungssystem dazu ausgebildet, Verschmutzungen auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung 101 entlang des wenigstens einen ersten Propagationspfades 114 durch Vergleich eines elektromagnetischen Spektrums λ_w-x der von der zweiten Empfangseinheit 106 empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung 105 mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum λ_w zu erkennen. Im in 3 gezeigten Beispiel befindet sich keine Verschmutzungen auf der Schutzabdeckung 101. Das Spektrum λ_w der von der zweiten Empfangseinheit 106 empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung 105 kann dem elektromagnetischen Spektrum des ausgesendeten polychromatischen Lichts λ_w entsprechen.
Wie in der 3 beispielhaft gezeigt kann das optische System 300 mindestens eine Reinigungsvorrichtung zur Verhinderung, Hemmung und/oder Beseitigung wenigstens einer Verschmutzung der Schutzabdeckung 101 aufweisen. Das gezeigte Reinigungssystem ist hier beispielhaft als ein Scheibenwischer 306 und eine Spritzdüse 307 ausgebildet.
Mit dem optischen System 300 kann während des Betriebs kontinuierlich überprüft werden, ob und wo eine Verschmutzung die Messungen des primären optoelektronischen Sensors 308 einschränkt.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens für ein optisches System, insbesondere ein LIDAR-System. Das optische System weist hierbei einen primären optoelektronischen Sensor mit wenigstens einer ersten Empfangseinheit zum Empfangen einer ersten elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung des optischen Systemsauf. Der primäre optoelektronische Sensor ist zumindest teilweise von einer wenigstens bereichsweise für die verwendete erste Strahlung transparenten Schutzabdeckung umgeben. Auf der zur Umgebung gewandten Seite der transparenten Schutzabdeckung ist insbesondere ein Bandpassfilter angeordnet. Das Verfahren startet im Schritt 401. Im Schritt 402 kommt es zur Aussendung wenigstens einer zweiten elektromagnetischen Strahlung mittels wenigstens einer zweiten Sendeeinheit eines Verschmutzungserkennungs-systems des optischen Systems. Hierbei ist die zweite elektromagnetische Strahlung polychromatisches Licht. Im Schritt 403 wird die wenigstens eine zweite elektromagnetische Strahlung in die Schutzabdeckung derart eingekoppelt, dass sich die zweite elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer inneren Totalreflexion innerhalb der Schutzabdeckung auf wenigstens einem ersten Propagationspfad ausbreitet. Im Schritt 404 wird die zweite elektromagnetische Strahlung an einem Ende des wenigstens einen ersten Propagationspfades aus der Schutzabdeckung mittels wenigstens einer zweiten Empfangseinheit des Verschmutzungserkennungssystems ausgekoppelt und empfangen. Im Schritt 405 wird das elektromagnetische Spektrum der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum verglichen. Im Schritt 406 wird wenigstens eine Verschmutzung auf der Schutzabdeckung abhängig von dem Vergleich erkannt.

Claims

Optisches System (300), insbesondere LIDAR-System, aufweisend • einen primären optoelektronischen Sensor (308) mit wenigstens einer ersten Empfangseinheit (303) zum Empfangen einer ersten elektromagnetischen Strahlung (304) aus der Umgebung des optischen Systems (300); • wobei der primäre optoelektronische Sensor (308) zumindest teilweise von einer wenigstens bereichsweise für die verwendete erste elektromagnetische Strahlung (304) transparenten Schutzabdeckung (101) umgeben ist; • wobei das optische System (300) weiterhin ein Verschmutzungserkennungssystem aufweist, und wobei das Verschmutzungserkennungssystem wenigstens eine zweite Sendeeinheit (103) zur Aussendung einer zweiten elektromagnetischen Strahlung (104) und wenigstens eine zweite Empfangseinheit (106) zum Empfangen einer zweiten elektromagnetischen Strahlung (105) aufweist, • wobei die zweite Sendeeinheit (103) dazu ausgebildet ist, die zweite, elektromagnetische Strahlung (104) so in die Schutzabdeckung (101) einzukoppeln, dass sich die zweite elektromagnetische Strahlung (104) mit mindestens einer inneren Totalreflexion innerhalb der Schutzabdeckung (101) auf wenigstens einem ersten Propagationspfad (114) ausbreitet, wobei die wenigstens eine zweite Empfangseinheit (106) dazu ausgebildet ist, die zweite elektromagnetische Strahlung (104, 105) an einem Ende des wenigstens einen ersten Propagationspfads (114) aus der Schutzabdeckung (101) auszukoppeln und zu empfangen; dadurch gekennzeichnet, dass • die zweite elektromagnetische Strahlung (104) polychromatisches Licht ist; und dass • das Verschmutzungserkennungssystem dazu ausgebildet ist, Verschmutzungen (111-1, 111-2) auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung (101) entlang des wenigstens einen ersten Propagationspfades (114) durch Vergleich eines elektromagnetischen Spektrums der von der zweiten Empfangseinheit (106) empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung (105) mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum zu erkennen.
Optisches System (300) nach Anspruch 1, wobei auf der zur Umgebung gewandten Seite der transparenten Schutzabdeckung (101) ein Bandpassfilter (102) angeordnet ist und wobei der Bandpassfilter (102) derart ausgebildet ist, dass seine Zentralwellenlänge über die Oberfläche der transparenten Schutzabdeckung (101) variiert.
Optisches System (300) nach Anspruch 2, wobei die Zentralwellenlänge des Bandpassfilters (102) diskret oder kontinuierlich variiert.
Optisches System (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Empfangseinheit (106) eine Mehrzahl an Spektralfiltern aufweist, die entlang eines optischen Strahlengangs der zweiten elektromagnetischen Strahlung (105) vor einer Mehrzahl an optischen Detektoreinheiten angeordnet sind.
Optisches System (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verschmutzungserkennungssystem wenigstens zwei zweite Sendeeinheiten (103) zur Aussendung von zweiter elektromagnetischer Strahlung (104) und wenigstens zwei zweite Empfangseinheiten (106) zum Empfangen von zweiter elektromagnetischer Strahlung (105) aufweist, wobei entsprechend des ersten Propagationspfades (114) mittels einer weiteren zweiten elektromagnetischen Strahlung ein wenigstens zweiter Propagationspfad durch die Schutzabdeckung (101) ausbildbar ist, wobei sich der wenigstens zweite Propagationspfad von dem ersten Propagationspfad (114) unterscheidet.
Optisches System (300) nach Anspruch 5, wobei wenigstens zwei Propagationspfade (114) unter einem Relativwinkel in der Schutzabdeckung (101) verlaufen, und wobei das Verschmutzungserkennungssystem dazu ausgebildet ist, durch einen Vergleich von zwei erkannten eindimensionalen Positionen (204-1, 205-1; 204-2, 205-2) einer mittels der wenigstens beiden zweiten elektromagnetischen Strahlungen (105) erkannten Verschmutzung (111-1, 111-2) eine zweidimensionale Verschmutzungsposition (203-1, 203-2) und/oder eine zweidimensionale Ausdehnung der Verschmutzung (111-1, 111-2) auf der Oberfläche der Schutzabdeckung (101) zu bestimmen.
Optisches System (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei wenigstens zwei Propagationspfade im Wesentlichen parallel verlaufen und jeweils unterschiedliche Bereiche (201-1 bis 201-n) der Oberfläche abtasten, wobei das Verschmutzungserkennungssystem dazu ausgebildet ist, durch eine Bestimmung, in welchen der wenigstens zwei Propagationspfaden (201-1 bis 201-n) eine jeweils erkannte Verschmutzung (111-1, 111-2) erkannt wurde, eine zweidimensionale Verschmutzungsposition und/oder eine zweidimensionale Ausdehnung der Verschmutzung (111-1, 111-2) auf der Oberfläche der Schutzabdeckung (101) zu bestimmen.
Verfahren (400) für ein optisches System, insbesondere ein LIDAR-System, aufweisend einen primären optoelektronischen Sensor mit wenigstens einer ersten Empfangseinheit zum Empfangen einer ersten elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung des optischen Systems, welcher zumindest teilweise von einer wenigstens bereichsweise für die verwendete erste Strahlung transparenten Schutzabdeckung umgeben ist; aufweisend die Schritte: • Aussendung (402) wenigstens einer zweiten elektromagnetischen Strahlung mittels wenigstens einer zweiten Sendeeinheit eines Verschmutzungserkennungssystems des optischen Systems, wobei die zweite elektromagnetische Strahlung polychromatisches Licht ist; • Einkopplung (403) der wenigstens einen zweiten elektromagnetischen Strahlung in die Schutzabdeckung derart, dass sich die zweite elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer inneren Totalreflexion innerhalb der Schutzabdeckung auf wenigstens einem ersten Propagationspfad ausbreitet; • Auskopplung und Empfangen (404) der zweiten elektromagnetischen Strahlung an einem Ende des wenigstens einen ersten Propagationspfades aus der Schutzabdeckung mittels wenigstens einer zweiten Empfangseinheit des Verschmutzungserkennungssystems; • Vergleich (405) des elektromagnetischen Spektrums der von der zweiten Empfangseinheit empfangenen zweiten elektromagnetischen Strahlung mit einem erwarteten elektromagnetischen Spektrum; und • Erkennung (406) wenigstens einer Verschmutzung auf der Schutzabdeckung abhängig von dem Vergleich.