DE102019204795A1

DE102019204795A1 - LIDAR-Sensor, Fahrzeug und Verfahren für einen LIDAR-Sensor

Info

Publication number: DE102019204795A1
Application number: DE102019204795.5A
Authority: DE
Inventors: Viktor Rakoczi; Joao Curti
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2020-10-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen LIDAR-Sensor. Der LIDAR-Sensor umfasst ein Bestrahlungselement, das eingerichtet ist, kontinuierlich elektromagnetische Strahlung unter einem sich kontinuierlich ändernden Abstrahlungswinkel bezogen auf eine Referenzachse in eine Umgebung des LIDAR-Sensors auszustrahlen. Das Bestrahlungselement weist keine mechanisch beweglichen Bauteile auf. Ferner umfasst der LIDAR-Sensor einen Photodetektor, der eingerichtet ist, Reflexionen der elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung zu empfangen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen LIDAR (engl. LIght Detection And Ranging) Sensor, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren für einen LIDAR-Sensor.
Gewöhnliche LIDAR-Systeme nutzen mechanisch bewegte Sende- und Empfangseinheiten. Solche LIDAR-System werden beispielsweise in den Druckschriften EP 2 388 615 A1 , US 2017/0269215 A1 , US 2017/0350983 A1 , US 2018/0164408 A1 oder WO 2017/210418 A1 beschrieben.
Insbesondere um eine 360° Umfelderfassung zu ermöglichen, werden bei diesen LIDAR-Systemen die Sende- und Empfangseinheiten stets in horizontaler als auch vertikaler Richtung mechanisch bewegt. Die mechanische Verstellung führt zu einem mechanischen Verschleiß der bewegten Bauteile. Ebenso benötigen mechanisch bewegte LIDAR-Systeme einen großen Bauraum.
Für eine 360° Umfelderfassung ist es ferner bekannt, mehrere LIDAR-Systeme mittels Sensorfusion zu kombinieren. Dies ist mit einem hohen Hardware und insbesondere einem hohen Softwareaufwand verbunden. Für die Sensorfusion ist eine hohe Rechenleistung nötig. Die Kosten für fusionierte LIDAR-Systeme sind entsprechend hoch.
Beiden oben genannten LIDAR-Architekturen ist zudem der Nachteil inhärent, dass sie ihre Umgebung nur diskret bzw. gestuft auflösen (z.B. zeilenweise oder spaltenweise). Bekannte LIDAR- Architekturen erlauben daher nur eine diskrete Ortsauflösung, jedoch keine kontinuierliche bzw. stufenlose Ortsauflösung.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zur Umgebungsabtastung mittels LIDAR bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen LIDAR-Sensor, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren für einen LIDAR-Sensor gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Weitere Aspekte sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in den Figuren beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen LIDAR-Sensor. Der LIDAR-Sensor umfasst ein Bestrahlungselement, das eingerichtet ist, kontinuierlich (fortlaufend, lückenlos) elektromagnetische Strahlung unter einem sich kontinuierlich (stetig, ununterbrochen) ändernden Abstrahlungswinkel bezogen auf eine Referenzachse in eine Umgebung des LIDAR-Sensors auszustrahlen. Die elektromagnetische Strahlung kann Strahlungskomponenten bei einer oder mehreren Wellenlänge umfassen. Die elektromagnetische Strahlung kann Strahlungskomponenten sowohl im sichtbaren als auch im nichtsichtbaren Spektrum aufweisen. Das Bestrahlungselement weist keine mechanisch beweglichen Bauteile auf. Mit anderen Worten: Das Bestrahlungselement weist nur Bauteile auf, die mechanisch nicht beweglich sind. Die Referenzachse kann jegliche beliebige Raumachse sein. Beispielsweise kann die Referenzachse eine optische Achse des Bestrahlungselements sein. Die Referenzachse kann z.B. eine horizontale oder eine vertikale Achse sein.
Ferner umfasst der LIDAR-Sensor einen Photodetektor, der eingerichtet ist, Reflexionen der elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung zu empfangen. Der Photodetektor ist ein strahlungssensitives (z.B. lichtsensitives) Element, das abhängig von einfallender elektromagnetischer Strahlung ein Ausgangssignal bereitstellt. Beispielsweise kann der Photodetektor ein einzelnes strahlungssensitives Sensorelement (d.h. ein Einzelpunkt-Sensor) oder eine eindimensionale oder zweidimensionale Anordnung von strahlungssensitiven Sensorelementen sein. Bei der eindimensionalen Anordnung sind die strahlungssensitiven Sensorelemente ausschließlich entlang einer Raumrichtung angeordnet, während bei der zweidimensionalen Anordnung die strahlungssensitiven Sensorelemente entlang zweier verschiedener (z.B. orthogonaler) Raumrichtungen angeordnet sind. Ein strahlungssensitives Sensorelement kann z.B. ein Photodiode (engl. photo diode), eine Lawinenphotodiode (engl. avalanche photo diode, APD), eine Ein-Photon-Lawinendiode (engl. single photon avalanche diode, SPAD) oder ein Array von SPADs als Silizium Photoelektronenvervielfacher (engl. silicon photomultiplier, SiPM) sein.
Dadurch, dass das Bestrahlungselement die elektromagnetische Strahlung für die Abtastung der Umgebung des LIDAR-Sensors kontinuierlich ausstrahlt und dabei kontinuierlich den Abstrahlungswinkel der elektromagnetischen Strahlung bezogen auf die Referenzachse ändert, kann die Umgebung des LIDAR-Sensors kontinuierlich bzw. stufenlos abgetastet werden. Im Gegensatz dazu ermöglichen bekannte LIDAR-Architekturen nur eine diskrete bzw. gestufte (z.B. zeilenweise oder spaltenweise) Abtastung ihrer Umgebung. Der erfindungsgemäße LIDAR-Sensor ermöglicht daher eine kontinuierliche Ortsauflösung. Da das Bestrahlungselement im Gegensatz zu bekannten LIDAR-Architekturen keine mechanisch beweglichen Bauteile aufweist, kann zudem ein mechanischer Verschleiß des LIDAR-Sensors vermieden werden. Ferner kann aufgrund des Fehlens mechanisch beweglicher Bauteile eine kompakte Bauweise ermöglicht werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist das Bestrahlungselement eingerichtet, die elektromagnetische Strahlung derart in die Umgebung auszustrahlen, dass die ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung in einer zur Referenzachse orthogonalen (und virtuellen bzw. gedachten) Ebene einen die Referenzachse teilweise oder vollständig umschließenden Querschnitt aufweist. Mit anderen Worten: Das Bestrahlungselement kann eine 360° Umfelderfassung bezogen auf die Referenzachse ermöglichen. Optional kann das Bestrahlungselement auch eine Erfassung nur eines Teils des Umfelds bezogen auf die Referenzachse ermöglichen.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung in der zur Referenzachse orthogonalen Ebene beispielsweise einen ringförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines oder mehrerer koradialer Ringsegmente (d.h. Ringsegmente mit identischen Radien) aufweisen. Mit anderen Worten: Das Bestrahlungselement kann zur 360° Umfelderfassung bezogen auf die Referenzachse die elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen in Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfs ausstrahlen. Ähnlich wie beim Öffnen bzw. Schlie-ßen eines Regenschirms ändert das Bestrahlungselement dabei kontinuierlich den Winkel zwischen der Mantelfläche und der Referenzachse (welche bei diesem Vergleich der Kegelachse des Kegelstumpfs entspricht). Soll nur ein Teil des Umfelds erfasst werden, so kann das Bestrahlungselement die elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen in Form eines oder mehrerer Teilbereiche bzw. Segmente der Mantelfläche des Kegelstumpfs ausstrahlen, wobei wiederum der Winkel zwischen der Mantelfläche und der Referenzachse kontinuierlich geändert wird.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Bestrahlungselement einen Reflektor, der rotationssymmetrisch bezogen auf die Referenzachse ist. Der Reflektor kann eine oder mehrere Reflektorflächen aufweisen, die gleiche oder unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Jede der Reflektorflächen kann dabei einen oder mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen. Ferner umfasst das Bestrahlungselement eine Strahlungsquelle, die eingerichtet ist, kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Die kollimierte elektromagnetische Strahlung besteht somit aus parallel gerichteter elektromagnetischer Strahlung. Das Bestrahlungselement umfasst weiterhin ein telezentrisches Objektiv, das entlang der Referenzachse zwischen der Strahlungsquelle und dem Reflektor angeordnet ist. Die Ein-und Austrittspupillen des telezentrischen Objektivs liegen beiden im Unendlichen, d.h. die Objekt- und Bildebenen des telezentrischen Objektivs liegen beiden im Unendlichen. Das telezentrische Objektiv ist eingerichtet, die kollimierte elektromagnetische Strahlung mit sich kontinuierlich änderndem Abbildungsmaßstab auf den Reflektor abzubilden, so dass die kollimierte elektromagnetische Strahlung kontinuierlich von dem Reflektor mit sich kontinuierlich änderndem Abstrahlungswinkel bezogen auf die Referenzachse in die Umgebung des LIDAR-Sensors reflektiert wird. Mit anderen Worten: Die Größe der Abbildung der kollimierten elektromagnetischen Strahlung auf den Reflektor bezogen auf die Größe der in das telezentrische Objektiv einfallenden kollimierten elektromagnetischen Strahlung wird von dem telezentrischen Objektiv kontinuierlich geändert, um die Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung in die Umgebung des LIDAR-Sensors mit sich kontinuierlich änderndem Abstrahlungswinkel bezogen auf die Referenzachse zu erzielen.
Das telezentrische Objektiv umfasst in einigen Ausführungsbeispielen zwei fokusvariable Linsen, die eingerichtet sind, abhängig von einem jeweiligen Steuersignal ihre Brennweiten zu variieren. Der Abbildungsmaßstab des telezentrischen Objektivs ist durch die Brennweiten der ersten und der zweiten fokusvariablen Linsen bestimmt. Das telezentrische Objektiv umfasst ferner eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, die zwei fokusvariablen Linsen über jeweilige Steuersignale anzusteuern, um den Abbildungsmaßstab des telezentrischen Objektivs kontinuierlich zu ändern. Die beiden fokusvariablen Linsen ermöglichen über die elektronische Ansteuerung mittels der Steuersignale eine Einstellung ihrer jeweiligen Linsenkrümmungen und somit ihrer Brennweiten. Mit anderen Worten: Abhängig von den Steuersignalen können die Fokalebenen, auf welche die fokusvariablen Linsen die in das Objektiv einfallende elektromagnetische Strahlung abbilden, eingestellt werden. Beispielsweise kann die fokusvariable Linse eine Flüssiglinse sein. Mittels der fokusvariablen Linsen kann über die Einstellung ihrer Brennweiten der Abbildungsmaßstab des telezentrischen Objektivs elektronische eingestellt werden. Über eine entsprechende Ansteuerung der beiden fokusvariablen Linsen kann somit der mit der kollimierten elektromagnetischen Strahlung bestrahlte Bereich des Reflektors kontinuierlich geändert werden, um die die Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung in die Umgebung des LIDAR-Sensors mit sich kontinuierlich änderndem Abstrahlungswinkel bezogen auf die Referenzachse zu erzielen.
Neben den beiden fokusvariablen Linsen kann das telezentrische Objektiv weitere optische Elemente umfassen. Beispielsweise kann das Objektive eine oder mehrere weitere Linsen (z.B. Streu- und/oder Sammellinsen) bzw. Linsengruppen (z.B. Kombinationen mehrerer Streu- und/oder Sammellinsen) und/oder Blenden aufweisen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Strahlungsquelle einen ersten Laser, der eingerichtet ist, eine erste Strahlungskomponente der elektromagnetischen Strahlung mit einer ersten Wellenlänge zu erzeugen. Die erste Strahlungskomponente der elektromagnetischen Strahlung dient zur Bestrahlung der Umgebung für die LIDAR-Abtastung. Beispielsweise kann die die erste Wellenlänge in einigen Ausführungsbeispielen größer als 780 nm sein. Mit anderen Worten: Die Umgebung kann mit Infrarotstrahlung abgetastet werden (z.B. mit einer Wellenlänge von 905 nm). Die elektromagnetische Strahlung kann neben der ersten Strahlungskomponente optional auch weitere Strahlungskomponenten aufweisen (siehe unten). Ferner umfasst die Strahlungsquelle ein Linsensystem, das zwischen dem ersten Laser und dem telezentrischen Objektiv angeordnet und eingerichtet ist, einen Querschnitt der elektromagnetischen Strahlung in einer zur Referenzachse orthogonalen Ebene zu weiten, um die kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Der Laserstrahl des ersten Lasers (d.h. die erste Strahlungskomponente der elektromagnetischen Strahlung) weist in einer Ebene senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung initial eine erste Erstreckung auf, welche durch das Linsensystem vergrößert, d.h. geweitet, wird. Das Linsensystem kann beispielsweise eine Streulinse (Negativlinse) für die Aufweitung des Laserstrahls und einen Kollimator in Form einer Sammellinse, eines Kondensors oder eines Wabenkondensors für die anschließende Kollimation des geweiteten Laserstrahls umfassen. Mittels des Linsensystems kann der Laserstrahl des ersten Lasers derart geweitet werden, dass das telezentrische Objektiv großflächig von dem geweiteten Laserstrahl (d.h. der elektromagnetischen Strahlung) bestrahlt wird. Mit anderen Worten: Das Linsensystem weitet den scharf gebündelten und kollimierten Laserstrahl des ersten Lasers, um die kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Die Strahlungsquelle umfasst weiterhin ein erstes Blendenelement, das zwischen dem Linsensystem und dem telezentrischen Objektiv angeordnet ist. Das erste Blendenelement weist einen ringförmigen Transmissionsbereich für die kollimierte elektromagnetische Strahlung auf. Der Transmissionsbereich ist dabei derjenige Teil des Blendenelements, der die auf das Blendenelement auftreffende elektromagnetische Strahlung transmittieren lässt. Die übrigen Bereiche des Blendenelements hindern die darauf auftreffenden Anteile der elektromagnetischen Strahlung am Durchtritt (z.B. durch Absorption oder Reflexion der Anteile der elektromagnetischen Strahlung). Nach dem Durchtritt durch das erste Blendenelement weist die kollimierte elektromagnetische Strahlung in einer zur Referenzachse orthogonalen Ebene (d.h. in einer Ebene senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung) somit einen ringförmigen Querschnitt auf. Die ringförmige kollimierte elektromagnetische Strahlung wird durch das telezentrische Objektiv mit kontinuierlich verändertem Abbildungsmaßstab auf den Reflektor abgebildet, so dass die elektromagnetische Strahlung in Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfs, deren Winkel relativ zur Referenzachse sich kontinuierlich ändert, in die Umgebung des LIDAR-Sensors durch den Reflektor ausgestrahlt wird. Bezogen auf die Referenzachse kann somit eine kontinuierlich 360° Umfelderfassung durch den erfindungsgemäßen LIDAR-Sensor erfolgen.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Strahlungsquelle ferner ein zweites Blendenelement mit einem einstellbaren Transmissionsbereich für die kollimierte elektromagnetische Strahlung. Das zweite Blendenelement ist dabei zwischen dem ersten Blendenelement und dem telezentrischen Objektiv angeordnet und eingerichtet, abhängig von einem weiteren Steuersignal eine Form seines Transmissionsbereichs einzustellen. Über die Einstellung der Form des Transmissionsbereichs kann somit die Form der kollimierten elektromagnetischen Strahlung in einer Ebene senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung, die einer zur Referenzachse orthogonalen Ebene, eingestellt werden. Beispielsweise können einer oder mehrere Teilbereiche der auf das zweite Blendenelement auftreffenden ringförmigen elektromagnetischen Strahlung selektiv ausgeblendet werden, um eine gewünschte Strahlungsverteilung der von dem Reflektor in die Umgebung des LIDAR-Sensors reflektierten elektromagnetischen Strahlung einzustellen. Nach dem Durchtritt durch das zweite Blendenelement kann die kollimierte elektromagnetische Strahlung somit in einer zur Referenzachse orthogonalen Ebene einen Querschnitt in Form eines oder mehrerer koradialer Ringsegmente aufweisen. Das Blendenelement kann z.B. eine Matrix aus Flüssigkristallen umfassen, die jeweils selektiv zwischen einem Transmissionszustand, in dem die kollimierte elektromagnetische Strahlung den jeweiligen Flüssigkristall durchdringen kann, und einem Sperrzustand, in dem die kollimierte elektromagnetische Strahlung den jeweiligen Flüssigkristall nicht durchdringen kann, geschaltet werden können. Mittels einer entsprechenden Ansteuerung der einzelnen Flüssigkristalle kann ein Transmissionsbereich für die kollimierte elektromagnetische Strahlung mit im Wesentlichen beliebiger Form eingestellt werden. Die Steuerschaltung ist entsprechender eingerichtet, das zweite Blendenelement über das weitere Steuersignal anzusteuern, abhängig von einer gewünschten Strahlungsverteilung der von dem Reflektor in die Umgebung des LIDAR-Sensors reflektierten elektromagnetischen Strahlung die vom ersten Blendenelement auf das zweite Blendenelement auftreffende kollimierte elektromagnetische Strahlung selektiv transmittieren zu lassen. Der erfindungsgemäße LIDAR-Sensor kann somit eine kontinuierliche Erfassung selektiv gewählter Bereiche seiner Umgebung bzw. seines Umfelds ermöglichen.
Gemäß den obigen Ausführungen kann die von der Strahlungsquelle erzeugte kollimierte elektromagnetische Strahlung in einer zur Referenzachse orthogonalen Ebene daher einen ringförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines oder mehrerer koradialer Ringsegmente aufweisen.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Strahlungsquelle ferner einen zweiten Laser, der eingerichtet ist, eine zweite Strahlungskomponente der elektromagnetischen Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge zu erzeugen. Die zweite Wellenlänge liegt zwischen 100 nm und 380 nm (d.h. im ultravioletten Spektralbereich). Ferner umfasst die Strahlungsquelle einen ersten Umlenkspiegel, der eingerichtet ist, die erste Strahlungskomponente transmittieren zu lassen und die zweite Strahlungskomponente der elektromagnetischen Strahlung entlang der Referenzachse auf das telezentrische Objektiv zu lenken. Die elektromagnetische Strahlung, welche auf das telezentrische Objektiv auftritt, kann somit mehrere Strahlungskomponenten bei unterschiedlichen Wellenlängen umfassen. Die zweite Strahlungskomponente mit der zweiten Wellenlänge zwischen 100 nm und 380 nm kann z.B. zur (selektiven) Ausleuchtung der Umgebung des LIDAR-Sensors, um Wildtiere abzuschrecken, genutzt werden. Elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Spektralbereich kann von Menschen nicht wahrgenommen, wird jedoch von Wildtieren als Warnhinweis wahrgenommen. Durch die Ausleuchtung der Umgebung mit ultravioletter Strahlung können Wildtiere abgeschreckt werden, ohne Menschen in der Umgebung des LIDAR-Sensors zu blenden bzw. zu beeinträchtigen. Entsprechend kann der erfindungsgemäße LIDAR-Sensor neben der kontinuierlichen Umgebungsabtastung auch eine Vermeidung von Unfällen mit Wildtieren ermöglichen. Über eine entsprechende Ansteuerung des zweiten Blendenelements kann ein Wildtier z.B. zielgerichtet mit der ultravioletten Strahlung angestrahlt werden, um dieses abzuschrecken.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Strahlungsquelle ferner einen dritten Laser, der eingerichtet ist, eine dritte Strahlungskomponente der elektromagnetischen Strahlung mit einer dritten Wellenlänge zu erzeugen. Die dritte Wellenlänge liegt zwischen 380 nm und 780 nm (d.h. im für Menschen sichtbaren Spektralbereich). Ferner umfasst die Strahlungsquelle einen zweiten Umlenkspiegel, der eingerichtet ist, die erste Strahlungskomponente transmittieren zu lassen und die dritte Strahlungskomponente der elektromagnetischen Strahlung entlang der Referenzachse auf das telezentrische Objektiv zu lenken. Die elektromagnetische Strahlung, welche auf das telezentrische Objektiv auftritt, kann somit mehrere Strahlungskomponenten bei unterschiedlichen Wellenlängen umfassen. Die dritte Strahlungskomponente mit der dritten Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm kann zur (selektiven) Ausleuchtung der Umgebung des LIDAR-Sensors genutzt werden, um z.B. für Menschen sichtbare Muster oder ähnliches in die Umgebung zu projizieren. Ebenso können selektiv Menschen in der Umgebung des LIDAR-Sensors mit der für Menschen wahrnehmbaren Strahlung angestrahlt werden. Über eine entsprechende Ansteuerung des zweiten Blendenelements kann die für Menschen wahrnehmbare Strahlung selektiv in die Umgebung des LIDAR-Sensors ausgestrahlt werden.
In einigen Ausführungsbeispielen verjüngt sich der Reflektor entlang der Referenzachse hin zur Strahlungsquelle. Beispielsweise kann der Reflektor als ein Paraboloid ausgebildet sein, dessen Spitze in Richtung der Strahlungsquelle bzw. des telezentrischen Objektivs zeigt. Der Reflektor ist ferner eingerichtet, die Reflexionen der elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung auf den Photodetektor zu lenken. Mit anderen Worten: Der Reflektor dient sowohl als Sendeoptik, um die elektromagnetischen Strahlung in die Umgebung auszustrahlen, als auch als Empfangsoptik, um die Reflexionen der elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung auf den Photodetektor zu lenken. Beispielsweise kann der der Reflektor als ein teildurchlässiger Spiegel ausgebildet sein.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weist der Reflektor eine erste Reflektorfläche und eine zweite Reflektorfläche auf, die jeweils rotationssymmetrisch bezogen auf die Referenzachse sind. Die erste Reflektorfläche verjüngt sich entlang der Referenzachse hin zur Strahlungsquelle, so dass die kollimierte elektromagnetische Strahlung von der ersten Reflektorfläche in die Umgebung des LIDAR-Sensors reflektiert wird. Die erste Reflektorfläche umgibt die zweite Reflektorfläche, so dass die Reflexionen der elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung von der zweiten Reflektorfläche auf den Photodetektor reflektiert werden. Mit anderen Worten: Die zweite Reflektorfläche ist innerhalb der ersten Reflektorfläche angeordnet. Beispielsweise kann die zweite Reflektorfläche die Form eines Kegelmantels oder einer Kugelkalotte aufweisen. Die erste Reflektorfläche kann beispielsweise als ein Paraboloid ausgebildet sein, dessen Spitze in Richtung der Strahlungsquelle bzw. des telezentrischen Objektivs zeigt.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst der LIDAR-Sensor ferner ein Temperierungselement, das eingerichtet ist, eine Temperatur zumindest eines Teils des LIDAR-Sensors auf eine vorbestimmte Temperatur oder eine Temperatur in einem vorbestimmten Wertebereich einzustellen. Beispielsweise kann das Temperierungselement zumindest einen Teil der Vorrichtung heizen oder kühlen. Bestimmte Teile der Vorrichtung wie etwa das Bestrahlungselement oder zumindest Teile davon können sensitiv hinsichtlich ihrer Betriebstemperatur sein. Die fokusvariablen Linsen oder das zweite Blendenelement des telezentrischen Objektivs sind z.B. hinsichtlich ihrer Wirkmechanismen (Dynamik, Sphärizität der Linse, Absorptionsgrad der Flüssigkristalle) abhängig von ihrer Betriebstemperatur. Der LIDAR-Sensor wird jedoch z.B. in einem Fahrzeug bei sich mitunter stark wechselnden Temperaturen betrieben - beispielsweise bei vergleichsweise hohen Temperaturen im Sommer und bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen im Winter. Das Temperierungselement ermöglicht die Einstellung einer Temperatur, bei der temperatursensitive Bauteile des LIDAR-Sensors ein vorbestimmtes Verhalten zeigen. Die Zuverlässigkeit des LIDAR-Sensors kann somit mittels des Temperierungselements sichergestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das einen erfindungsgemäßen LIDAR-Sensor umfasst. Allgemein kann ein Fahrzeug als eine Vorrichtung aufgefasst werden, die eines oder mehrere von einem Motor angetriebene Räder (und optional ein Antriebsstrangsystem) umfasst. Zum Beispiel kann ein Fahrzeug ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Motorrad oder ein Traktor sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug um ein automatisiert fahrendes Fahrzeug handeln. Der erfindungsgemäße LIDAR-Sensor kann dem Fahrzeug eine kontinuierliche bzw. stufenlose Ortsauflösung seines Umfelds ermöglichen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem ein Verfahren für einen LIDAR-Sensor mit einem Bestrahlungselement und einem Photodetektor. Das Verfahren umfasst ein kontinuierliches Ausstrahlen elektromagnetischer Strahlung in eine Umgebung des LIDAR-Sensors unter einem sich kontinuierlich ändernden Abstrahlungswinkel bezogen auf eine Referenzachse mittels des Bestrahlungselements. Dabei weist das Bestrahlungselement keine mechanisch beweglichen Bauteile auf. Ferner umfasst das Verfahren ein Empfangen von Reflexionen der elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung durch den Photodetektor.
Wie bereits oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen LIDAR-Sensor beschrieben, kann auch das erfindungsgemäße Verfahren eine kontinuierliche bzw. stufenlose Ortsauflösung ermöglichen. Da keine mechanisch beweglichen Bauteile verwendet werden, kann zudem ein mechanischer Verschleiß des LIDAR-Sensors vermieden werden.
Mögliche nähere Ausgestaltungen des Verfahrens sind oben in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, Bezug nehmend auf die beigefügten Figuren, näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors;
2 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines telezentrischen Objektivs mit unterschiedlich eingestellten Abbildungsmaßstäben;
3 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Reflektors zusammen mit einem Photodetektor;
4 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Reflektors;
5 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Reflektors zusammen mit einem Photodetektor; und
6 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors.

1 zeigt einen LIDAR-Sensor 100 mit einem Bestrahlungselement 110 und einem Photodetektor 120. Der Photodetektor 120 ist dabei als eine zweidimensionale Anordnung von strahlungssensitiven Sensorelementen (z.B. Photodioden) ausgebildet.
Ferner ist die optische Achse OA des Bestrahlungselements 110 als Referenzachse dargestellt. Die optische Achse OA ist eine gedachte Symmetrielinie des Bestrahlungselements 110, die durch die Krümmungszentren von optischen Elementen des Bestrahlungselements 110 (z.B. Linsen) läuft und orthogonal zu den restlichen Symmetrieachsen dieser optischen Elemente ist.
Das Bestrahlungselement 110 umfasst eine Strahlungsquelle 130, ein telezentrisches Objektiv 140 und einen Reflektor 150. Die Strahlungsquelle 130 erzeugt kollimierte elektromagnetische Strahlung 139 und strahlt diese auf das telezentrische Objektiv 140.
Dazu umfasst die Strahlungsquelle 130 einen Laser 131, der elektromagnetische Strahlung in Form eines Laserstrahls 132 erzeugt. Ferner umfasst die Strahlungsquelle 130 ein Linsensystem 133, zwischen dem Laser 131 und dem telezentrischen Objektiv 140 angeordnet und eingerichtet ist, einen Querschnitt des Laserstrahls 132 in einer zur Referenzachse OA orthogonalen Ebene zu weiten. Um den Laserstrahl 132 zu weiten, umfasst das Linsensystem eine Streulinse 134. Für die anschließende Kollimation des geweiteten Laserstrahls umfasst das Linsensystem 133 einen Kollimator 135 (z.B. ein Kondensor oder ein Wabenkondensor). Das Linsensystem 133 erzeugt somit kollimierte elektromagnetische Strahlung 136.
Zwischen dem Linsensystem 133 und dem telezentrischen Objektiv 140 ist ein erstes Blendenelement 137 angeordnet, das einen ringförmigen Transmissionsbereich 137-1 für die kollimierte elektromagnetische Strahlung aufweist. Ferner weist das erste Blendenelement 137 einen für die kollimierte elektromagnetische Strahlung nicht durchdringbaren Bereich 137-2 auf. Beispielsweise kann das erste Blendenelement 137 als Kontaktstrichplatte mit einem Kreismuster ausgebildet sein. Nach dem Durchtritt durch das erste Blendenelement 137 weist die kollimierte elektromagnetische Strahlung 136 in einer zur Referenzachse OA orthogonalen Ebene (d.h. in einer Ebene senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung) somit einen ringförmigen Querschnitt auf.
Ferner ist zwischen dem ersten Blendenelement 137 und der telezentrischen Objektiv 140 noch ein zweites Blendenelement 138 mit einem einstellbaren Transmissionsbereich für die kollimierte elektromagnetische Strahlung 136 angeordnet. Das zweite Blendenelement 138 stellt abhängig von einem Steuersignal 163 einer Steuerschaltung 160 eine Form seines Transmissionsbereichs ein. Entsprechend kann eine Form bzw. ein Querschnitt der kollimierten elektromagnetischen Strahlung 136 in einer zur Referenzachse OA orthogonalen Ebene (d.h. in einer Ebene senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung) eingestellt werden.
Die Steuerschaltung 160 steuert das zweite Blendenelement 138 über das Steuersignal 163 entsprechend an, abhängig von einer gewünschten Strahlungsverteilung der von dem Reflektor 150 in die Umgebung des LIDAR-Sensors 100 reflektierten elektromagnetischen Strahlung die vom ersten Blendenelement 137 auf das zweite Blendenelement 138 auftreffende kollimierte elektromagnetische Strahlung 136 selektiv transmittieren zu lassen, so dass die kollimierte elektromagnetische Strahlung 139 mit einem vorgegebenen Querschnitt in einer zur Referenzachse OA orthogonalen Ebene durch die Strahlungsquelle 130 bereitgestellt wird.
Die von der Strahlungsquelle 130 erzeugte kollimierte elektromagnetische Strahlung 139 kann somit in einer zur Referenzachse OA orthogonalen Ebene (d.h. in einer Ebene senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung) entweder einen ringförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines oder mehrerer koradialer Ringsegmente aufweisen - abhängig von der Ansteuerung des zweiten Blendenelements 138.
Das telezentrische Objektiv 140 ist entlang der Referenzachse OA zwischen der Strahlungsquelle 130 und dem Reflektor 150 angeordnet. Das telezentrische Objektiv 140 umfasst zwei fokusvariable Linsen 141 und 142, die eingerichtet sind, abhängig von einem jeweiligen Steuersignal 161 bzw. 162 der Steuerschaltung 160 ihre Brennweiten zu variieren. Zwischen den beiden fokusvariablen Linsen 141 und 142 ist eine Streulinse 143 mit unveränderlicher Brennweite angeordnet.
Der Abbildungsmaßstab des telezentrischen Objektivs 140 ist durch die Brennweiten der ersten und der zweiten fokusvariablen Linsen 141 und 142 bestimmt. Dies ist in 2 beispielhaft für zwei verschiedene Betriebsphase des telezentrischen Objektivs 140 dargestellt. Im oberen Bereich von 2 ist eine erste Betriebsphase des telezentrischen Objektivs 140 dargestellt, während im unteren Bereich von 2 eine zweite Betriebsphase des telezentrischen Objektivs 140 dargestellt ist.
Während der zweiten Betriebsphase ist im Vergleich zur ersten Betriebsphase ein kleinerer Abbildungsmaßstab des telezentrischen Objektivs 140 eingestellt. Dazu ist die Brechung der ersten fokusvariablen Linse 141 während der zweiten Betriebsphase im Vergleich zur ersten Betriebsphase auf einen größeren Wert eingestellt, so dass die Brennweite der ersten fokusvariablen Linse 141 geringer ist. Zudem ist die Brechung der zweiten fokusvariablen Linse 142 während der zweiten Betriebsphase im Vergleich zur ersten Betriebsphase auf einen geringeren Wert eingestellt, so dass die Brennweite der zweiten fokusvariablen Linse 142 erhöht ist.
Wie aus dem Vergleich der beiden Betriebsphasen des telezentrischen Objektivs 140 ersichtlich ist, ist die Größe (hier der Durchmesser) der auf der rechten Seite aus dem telezentrischen Objektiv 140 austretenden elektromagnetischen Strahlung bezogen auf die Größe der auf der linken Seite in das telezentrische Objektiv 140 einfallenden kollimierten elektromagnetischen Strahlung während der beiden Betriebsphasen verschieden. Während der zweiten Betriebsphase ist der Durchmesser der aus dem telezentrischen Objektiv 140 austretenden elektromagnetischen Strahlung kleiner als während der ersten Betriebsphase. Über die entsprechende Ansteuerung der beiden fokusvariablen Linsen 141 und 142 durch die Steuerschaltung 160 kann somit der Abbildungsmaßstab des telezentrischen Objektivs 140 variabel eingestellt werden.
Die Steuerschaltung 160 steuert die zwei fokusvariablen Linsen 141 und 142 über die Steuersignale 161 und 162 an, um den Abbildungsmaßstab des telezentrischen Objektivs 140 kontinuierlich zu ändern. Mit anderen Worten: Die Fokuspunkte bzw. Fokuslinien der fokusvariablen Linsen 141 und 142 werden parametrisiert. Entsprechend wird durch das telezentrische Objektiv 140 die kollimierte elektromagnetische Strahlung mit sich kontinuierlich änderndem Abbildungsmaßstab auf den Reflektor 150 abgebildet. Da die in das telezentrische Objektiv 140 einlaufende elektromagnetische Strahlung einen ringförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines oder mehrerer koradialer Ringsegmente aufweist, wird durch das telezentrische Objektiv 140 somit kontinuierlich kollimierte elektromagnetische Strahlung mit ringförmigem Querschnitt oder einem Querschnitt in Form eines oder mehrerer koradialer Ringsegmente auf den Reflektor 150 abgebildet, wobei der Radius des Rings bzw. des zumindest einen Ringsegments sich kontinuierlich ändert. In 1 ist beispielhaft elektromagnetische Strahlung mit ringförmigem Querschnitt 144 dargestellt.
Entsprechen wird die kollimierte elektromagnetische Strahlung auf ständig wechselnde Bereiche des Reflektors 150 abgebildet. Aufgrund der Form des Reflektors 150 wird die kollimierte elektromagnetische Strahlung von dem Reflektor 150 mit sich kontinuierlich änderndem Abstrahlungswinkel bezogen auf die Referenzachse OA in die Umgebung des LIDAR-Sensors 100 reflektiert.
Wird elektromagnetische Strahlung mit ringförmigem Querschnitt auf den Reflektor 150 abgebildet, so umschließt ein gedachter Schnitt der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 101 mit einer zur Referenzachse OA orthogonalen Ebene die Referenzachse OA vollständig. Mit anderen Worten: 360° des Umfelds bezogen auf die Referenzachse OA werden von der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 101 abgetastet, da die elektromagnetischen Strahlung 101 im Wesentlichen in Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfs ausgestrahlt wird, wobei der Winkel zwischen der Mantelfläche und der Referenzachse OA kontinuierlich geändert wird.
Wird elektromagnetische Strahlung 101 mit einem Querschnitt in Form eines oder mehrerer koradialer Ringsegmente auf den Reflektor 150 abgebildet, so umschließt ein gedachter Schnitt der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 101 mit einer zur Referenzachse OA orthogonalen Ebene die Referenzachse OA nur teilweise. Mit anderen Worten: weniger als 360° des Umfelds bezogen auf die Referenzachse OA werden von der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 101 abgetastet, da die elektromagnetischen Strahlung 101 im Wesentlichen in Form eines oder mehrerer Teilbereiche bzw. Segmente einer Mantelfläche eines Kegelstumpfs ausgestrahlt wird, wobei der Winkel zwischen der Mantelfläche und der Referenzachse OA kontinuierlich geändert wird.
Mit den unterschiedlichen Durchmessern der auf den Reflektor 150 projizierten elektromagnetischen Strahlung (z.B. Infrarotstrahlung) wird effektiv ein Verfahrweg auf rotationssymmetrischen Reflektor 150 bereitgestellt, um die sich kontinuierliche ändernde Ablenkung der elektromagnetischen Strahlung in die Umgebung zu ermöglichen. Die spezielle Form des Rotationskörpers 150 ermöglicht eine Reflexion der elektromagnetischen Strahlung (z.B. ein Laserstrahl) in eine definierte Richtung. Ist der LIDAR-Sensor wie in 1 dargestellt entlang einer vertikalen Raumachse angeordnet, so vollzieht die ausgesendete elektromagnetische Strahlung 101 eine vertikale Bewegung in der Umgebung (ähnlich der Bewegung der Plane eines Regenschirms beim Öffnen bzw. Schließen).
1 zeigt somit ein Bestrahlungselement 110, das keine mechanisch beweglichen Bauteile aufweist und eine kontinuierliche Ausstrahlung elektromagnetischer Strahlung 101 unter einem sich kontinuierlich ändernden Abstrahlungswinkel bezogen auf die Referenzachse OA in eine Umgebung des LIDAR-Sensors 100 ermöglicht.
Wie in 1 angedeutet und in 3 nochmals vergrößert dargestellt, weist der Reflektor 150 eine erste Reflektorfläche 151 und eine zweite Reflektorfläche 152 auf. Sowohl die erste Reflektorfläche 151 als auch die zweite Reflektorfläche 152 sind rotationssymmetrisch bezogen auf die Referenzachse OA. Die erste Reflektorfläche 151 verjüngt sich entlang der Referenzachse OA hin zur Strahlungsquelle 130 bzw. dem telezentrischen Objektiv 140, so dass eine Spitze der ersten Reflektorfläche 151 hin zur Strahlungsquelle 130 bzw. dem telezentrischen Objektiv 140 zeigt. Die erste Reflektorfläche 151 weist dabei mehrere aneinander anschließende Bereiche mit unterschiedlichem Krümmungsradius auf. Bei dem in 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die erste Reflektorfläche 151 drei aneinander anschließende Bereiche 151-1, 151-2 und 151-3 mit unterschiedlichem Krümmungsradius auf. Dabei ist jedoch zu beachten, dass dies rein beispielhaft ist und die erste Reflektorfläche 151 auch mehr oder weniger Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen kann. Die erste Reflektorfläche 151 kann beispielsweise als eine teildurchlässige Spiegelfläche ausgeführt sein.
Die erste Reflektorfläche 151 umgibt die zweite Reflektorfläche 152. Die zweite Reflektorfläche 152 ist in Form eines Kegelmantels gebildet. Wie in den 1 und 3 angedeutet, werden die Reflexionen 102 der elektromagnetischen Strahlung 101 aus der Umgebung von der zweiten Reflektorfläche 152 auf den Photodetektor 120 reflektiert.
Der von dem Reflektor 150 zurückreflektierte, divergente Anteil der elektromagnetischen Strahlung 144 wird durch die fokusvariablen Linsen 141 und 142 des telezentrischen Objektivs 140 korrigiert.
Wie bereits oben angedeutet, muss der Reflektor 150 nicht zwei Reflektorflächen aufweisen wie in 1 und 3 gezeigt. Ein alternatives Ausführungsbespiel eines Reflektors 450 ist in 4 dargestellt. Reflektor 450 unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Reflektor 150 darin, dass er nur die erste Reflektorfläche 151, d.h. eine einzige Reflektorfläche, aufweist. Der Reflektor 450 weist zusätzlich eine Anordnung diffraktiver optischer Elemente 153 auf. Diffraktive optische Elemente sind Flächen oder Schichten, die Strukturen in der Größenordnung der Wellenlänge der durch sie zu lenkenden elektromagnetischen Strahlung aufweisen. Über eine entsprechende Strukturierung können mittels Beugung gewünschte Strahlungsleitungsfunktionen realisiert werden. Beispielweise kann die Anordnung diffraktiver optischer Elemente 153 eine Anordnung von Fresnel-Zonenplatten sein, um so eine Anordnung von Linsen bereitzustellen, welche die Reflexionen 102 der elektromagnetischen Strahlung 101 aus der Umgebung auf den Photodetektor 120 (nicht dargestellt in 4) abbilden. Die erste Reflektorfläche 151 umgibt dabei die Anordnung diffraktiver optischer Elemente 153. Die Anordnung diffraktiver optischer Elemente 153 ist ebenso wie die erste Reflektorfläche 151 rotationssymmetrisch bezogen auf die Referenzachse OA und verjüngt sich entlang der Referenzachse OA hin zur Strahlungsquelle 130 bzw. dem telezentrischen Objektiv 140. Die Kontur der Anordnung diffraktiver optischer Elemente 153 folgt dabei der Kontur der ersten Reflektorfläche 151, d.h. ein senkrecht zur Oberfläche der ersten Reflektorfläche 151 gemessener Abstand zwischen der Anordnung diffraktiver optischer Elemente 153 und der ersten Reflektorfläche 151 ist für jeden Punkt auf der Oberfläche der ersten Reflektorfläche 151 gleich.
Diffraktive optische Elemente können in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch eine oder mehrere der starren Linsen des Bestrahlungselements 110 ersetzen. Beispielsweise können eine oder mehrere der Streulinse 134, des Kollimators 135 und der Streulinse 143 durch eines oder mehrere diffraktive optische Elemente ersetzt werden, um die jeweilige Funktion der Streulinse 134, des Kollimators 135 bzw. der Streulinse 143 bereitzustellen. Bei Verwendung diffraktiver optischer Elemente anstatt der starren Linsen kann das Bestrahlungselement 110 einfacher und kompakter gestaltet werden.
Die zweite Reflektorfläche kann auch anders geformt sein als in den 1 und 3 dargestellt. Ein entsprechendes drittes Ausführungsbeispiel eines Reflektors 550 ist in 5 zusammen mit einem Photodetektor 120 dargestellt. Im Vergleich zu dem Reflektor 150 ist die zweite Reflektorfläche innerhalb der ersten Reflektorfläche 151 anders geformt. Während die zweite Reflektorfläche 152 des Reflektors 150 die Form eines Kegelmantels aufweist, weist die zweite Reflektorfläche 552 des Reflektors 550 die Form einer Kugelkalotte auf.
In 6 ist zudem noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors 600 dargestellt. Im Vergleich zu dem in 1 dargestellten LIDAR-Sensor 100 umfasst die Strahlungsquelle 130 einen zweiten Laser 671, der eine zweite Strahlungskomponente der elektromagnetischen Strahlung in Form eines zweiten Laserstrahls 672 erzeugt. Beispielsweise kann der vom Laser 131 erzeugte erste Laserstahl 132 eine Wellenlänge im infraroten Spektralbereich aufweisen, während der zweite Laserstrahl 672 eine Wellenlänge im für Menschen sichtbaren Spektralbereich oder im ultravioletten Spektralbereich aufweisen kann. Entsprechend kann die zweite Strahlungskomponente der elektromagnetischen Strahlung zur Darstellung von für Menschen sichtbare Mustern und Geometrien in der Umgebung oder zur Abschreckung von Wildtieren genutzt werden.
Ferner umfasst die Strahlungsquelle 130 einen ersten Umlenkspiegel 681, der die erste Strahlungskomponente in Form des ersten Laserstrahls 131 transmittieren lässt und die zweite Strahlungskomponente der elektromagnetischen Strahlung in Form des zweiten Laserstrahls 672 entlang der Referenzachse OA auf das telezentrische Objektiv 140 bzw. die weiteren optischen Elemente der Strahlungsquelle 130 lenkt. Ferner umfasst die Strahlungsquelle 130 einen zweiten Umlenkspiegel 682, der den zweiten Laserstrahl 672 von dem zweiten Laser 671 empfängt und auf den ersten Umlenkspiegel 681 ablenkt.
Analog zu den obigen Ausführungen für den zweiten Laser 671 kann eine Strahlungskomponente gemäß der vorliegenden Erfindung einen oder mehrere weitere Laser umfassen, um weitere Strahlungskomponente bei weiteren Wellenlänge zu erzeugen und in die elektromagnetischen Strahlung einzukoppeln.
Der Photodetektor 120 kann dabei so ausgebildet sein, dass er nur für Reflexionen der durch den ersten Laser 131 erzeugten Strahlungskomponenten sensitiv ist. Dazu kann der Photodetektor 120 beispielsweise ein Filter aufweisen, das den strahlungssensitiven Sensorelementen vorgeschaltet ist und nur Strahlung mit Wellenlängen im Bereich der durch den ersten Laser 131 erzeugten Strahlungskomponenten zu den strahlungssensitiven Sensorelementen passieren lässt. Alternativ oder ergänzend können die strahlungssensitiven Sensorelemente des Photodetektors auch so ausgebildet sein, dass sie nur für Strahlung mit Wellenlängen im Bereich der durch den ersten Laser 131 erzeugten Strahlungskomponenten sensitiv sind (z.B. durch Wahl entsprechender Materialen bzw. Materialkombination für die strahlungssensitiven Sensorelemente).
Wie die vorangehenden Ausführungen ergeben haben, ermöglicht die vorliegende Erfindung die Bereitstellung eines LIDAR-Sensors ohne mechanischen Verschleiß. Da keine mechanisch beweglichen Bauteile genutzt werden, kann eine kompakte Bauweise ermöglicht werden. Der erfindungsgemäße LIDAR-Sensor kann daher gut in ein Fahrzeug integriert werden. Zudem erlaubt der erfindungsgemäße LIDAR-Sensor eine kontinuierliche Ortsauflösung seines Umfelds. Aufgrund der Fähigkeit zur 360° Umfelderfassung ist der Einsatz eines einzigen erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors ausreichend um das Umfeld vollständig zu erfassen. Entsprechend können im Vergleich zu bekannten LIDAR-Architekturen Kosten vermieden werden.
Bezugszeichenliste

100: LIDAR-Sensor
101: ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung
102: Reflexion der elektromagnetischen Strahlung
110: Beleuchtungselement
120: Photodetektor
130: Strahlungsquelle
131: erster Laser
132: erster Laserstrahl
133: Linsensystem
134: Streulinse
135: Kollimator
136: kollimierte elektromagnetische Strahlung
137: erstes Blendenelement
137-1: Transmissionsbereich
137-2: für die elektromagnetische Strahlung nicht durchdringbarer Bereich
138: zweites Blendenelement
139: kollimierte elektromagnetische Strahlung
140: telezentrisches Objektiv
141: fokusvariable Linse
142: fokusvariable Linse
143: Streulinse
144: kollimierte elektromagnetische Strahlung
150: Reflektor
151: erste Reflektorfläche
151-1: Bereich der ersten Reflektorlfäche
151-2: Bereich der ersten Reflektorlfäche
151-3: Bereich der ersten Reflektorlfäche
152: zweite Reflektorfläche
153: Anordnung diffraktiver optischer Elemente
160: Steuerschaltung
161: Steuersignal
162: Steuersignal
163: Steuersignal
450: Reflektor
550: Reflektor
552: zweite Reflektorfläche
600: LIDAR-Sensor
671: zweiter Laser
672: zweiter Laserstrahl
681: erster Umlenkspiegel
682: zweiter Umlenkspiegel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2388615 A1 [0002]
US 2017/0269215 A1 [0002]
US 2017/0350983 A1 [0002]
US 2018/0164408 A1 [0002]
WO 2017/210418 A1 [0002]

Claims

LIDAR-Sensor (100), gekennzeichnet durch: ein Bestrahlungselement (110), das eingerichtet ist, kontinuierlich elektromagnetische Strahlung (101) unter einem sich kontinuierlich ändernden Abstrahlungswinkel bezogen auf eine Referenzachse (OA) in eine Umgebung des LIDAR-Sensors (100) auszustrahlen, wobei das Bestrahlungselement (110) keine mechanisch beweglichen Bauteile aufweist; und einen Photodetektor (120), der eingerichtet ist, Reflexionen (102) der elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung zu empfangen.
LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestrahlungselement (110) eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung (101) derart in die Umgebung auszustrahlen, dass die ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung (101) in einer zur Referenzachse (OA) orthogonalen Ebene einen die Referenzachse (OA) teilweise oder vollständig umschließenden Querschnitt aufweist.
LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung (101) in der zur Referenzachse (OA) orthogonalen Ebene einen ringförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines oder mehrerer koradialer Ringsegmente aufweist.
LIDAR-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestrahlungselement (110) Folgendes umfasst: einen Reflektor (150), der rotationssymmetrisch bezogen auf die Referenzachse (OA) ist; eine Strahlungsquelle (130), die eingerichtet ist, kollimierte elektromagnetische Strahlung (139) zu erzeugen; und ein telezentrisches Objektiv (140), das entlang der Referenzachse (OA) zwischen der Strahlungsquelle (130) und dem Reflektor (150) angeordnet und eingerichtet ist, die kollimierte elektromagnetische Strahlung (139) mit sich kontinuierlich änderndem Abbildungsmaßstab auf den Reflektor (150) abzubilden, so dass die kollimierte elektromagnetische Strahlung (139) kontinuierlich von dem Reflektor (150) mit sich kontinuierlich änderndem Abstrahlungswinkel bezogen auf die Referenzachse (OA) in die Umgebung des LIDAR-Sensors (100) reflektiert wird.
LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das telezentrische Objektiv (140) Folgendes umfasst: zwei fokusvariable Linsen (141, 142), die eingerichtet sind, abhängig von einem jeweiligen Steuersignal (161, 162) ihre Brennweiten zu variieren, wobei der Abbildungsmaßstab des telezentrischen Objektivs (140) durch die Brennweiten der zwei fokusvariablen Linsen (141, 142) bestimmt ist; und eine Steuerschaltung (160), die eingerichtet ist, die zwei fokusvariablen Linsen (141, 142) über jeweilige Steuersignale (161, 162) anzusteuern, um den Abbildungsmaßstab des telezentrischen Objektivs (140) kontinuierlich zu ändern.
LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (130) Folgendes umfasst: einen ersten Laser (131), der eingerichtet ist, eine erste Strahlungskomponente (132) der elektromagnetischen Strahlung mit einer ersten Wellenlänge zu erzeugen; ein Linsensystem (133), das zwischen dem ersten Laser (131) und dem telezentrischen Objektiv (140) angeordnet und eingerichtet ist, einen Querschnitt der elektromagnetischen Strahlung in einer zur Referenzachse (OA) orthogonalen Ebene zu weiten, um die kollimierte elektromagnetische Strahlung (136) zu erzeugen; ein erstes Blendenelement (137), das zwischen dem Linsensystem (133) und dem telezentrischen Objektiv (140) angeordnet ist, wobei das erste Blendenelement (137) einen ringförmigen Transmissionsbereich (137-1) für die kollimierte elektromagnetische Strahlung (136) aufweist.
LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (130) ferner Folgendes umfasst: ein zweites Blendenelement (138) mit einem einstellbaren Transmissionsbereich für die kollimierte elektromagnetische Strahlung (136), wobei das zweite Blendenelement (138) zwischen dem ersten Blendenelement (137) und dem telezentrischen Objektiv (140) angeordnet und eingerichtet ist, abhängig von einem weiteren Steuersignal (163) eine Form ihres Transmissionsbereichs einzustellen, wobei die Steuerschaltung (160) eingerichtet ist, das zweite Blendenelement (138) über das weitere Steuersignal (163) anzusteuern, abhängig von einer gewünschten Strahlungsverteilung der von dem Reflektor (150) in die Umgebung des LIDAR-Sensors (100) reflektierten elektromagnetischen Strahlung (101) die vom ersten Blendenelement (137) auf das zweite Blendenelement (138) auftreffende kollimierte elektromagnetische Strahlung (136) selektiv transmittieren zu lassen.
LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die von der Strahlungsquelle (130) erzeugte kollimierte elektromagnetische Strahlung (139) in einer zur Referenzachse (OA) orthogonalen Ebene einen ringförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines oder mehrerer koradialer Ringsegmente aufweist.
LIDAR-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (130) ferner Folgendes umfasst: einen zweiten Laser (671), der eingerichtet ist, eine zweite Strahlungskomponente (672) der elektromagnetischen Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge zu erzeugen, wobei die zweite Wellenlänge zwischen 100 nm und 380 nm liegt; und einen ersten Umlenkspiegel (681), der eingerichtet ist, die erste Strahlungskomponente (132) transmittieren zu lassen und die zweite Strahlungskomponente (672) entlang der Referenzachse (OA) auf das telezentrische Objektiv (140) zu lenken.
LIDAR-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (130) ferner Folgendes umfasst: einen dritten Laser, der eingerichtet ist, eine dritte Strahlungskomponente der elektromagnetischen Strahlung mit einer dritten Wellenlänge zu erzeugen, wobei die dritten Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm liegt; und einen zweiten Umlenkspiegel, der eingerichtet ist, die erste Strahlungskomponente transmittieren zu lassen und die dritte Strahlungskomponente entlang der Referenzachse (OA) auf das telezentrische Objektiv (140) zu lenken.
LIDAR-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wellenlänge größer als 780 nm ist.
LIDAR-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Reflektor (150) entlang der Referenzachse (OA) hin zur Strahlungsquelle (130) verjüngt, wobei der Reflektor (150) ferner eingerichtet ist, die Reflexionen der elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung auf den Photodetektor (120) zu lenken.
LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 12, wobei der Reflektor (150) eine erste Reflektorfläche (151) und eine zweite Reflektorfläche (152) aufweist, die jeweils rotationssymmetrisch bezogen auf die Referenzachse (OA) sind, wobei sich die erste Reflektorfläche (151) entlang der Referenzachse (OA) hin zur Strahlungsquelle (130) verjüngt, so dass die kollimierte elektromagnetische Strahlung von der ersten Reflektorfläche (151) in die Umgebung des LIDAR-Sensors (100) reflektiert wird, und wobei die erste Reflektorfläche (151) die zweite Reflektorfläche (152) umgibt, so dass die Reflexionen (102) der elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung von der zweiten Reflektorfläche (152) auf den Photodetektor (120) reflektiert werden.
Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen LIDAR-Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.
Verfahren für einen LIDAR-Sensor (100) mit einem Bestrahlungselement (110) und einem Photodetektor (120), gekennzeichnet durch: kontinuierliches Ausstrahlen elektromagnetischer Strahlung (101) in eine Umgebung des LIDAR-Sensors (100) unter einem sich kontinuierlich ändernden Abstrahlungswinkel bezogen auf eine Referenzachse (OA) mittels des Bestrahlungselements (110), wobei das Bestrahlungselement (110) keine mechanisch beweglichen Bauteile aufweist; und Empfangen von Reflexionen (102) der elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung durch den Photodetektor (120).