DE102019204795A1 - LIDAR sensor, vehicle and method for a LIDAR sensor - Google Patents

LIDAR sensor, vehicle and method for a LIDAR sensor Download PDF

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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.The present invention relates to a LIDAR sensor. The LIDAR sensor comprises an irradiation element which is set up to continuously emit electromagnetic radiation at a continuously changing emission angle in relation to a reference axis into the surroundings of the LIDAR sensor. The irradiation element has no mechanically movable components. Furthermore, the LIDAR sensor comprises a photodetector which is set up to receive reflections of the electromagnetic radiation from the environment.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen LIDAR (engl. LIght Detection And Ranging) Sensor, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren für einen LIDAR-Sensor.The present invention relates to a LIDAR (light detection and ranging) sensor, a vehicle and a method for a 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.Ordinary LIDAR systems use mechanically moved transmitter and receiver units. Such LIDAR systems are for example in the publications EP 2 388 615 A1 , US 2017/0269215 A1 , US 2017/0350983 A1 , US 2018/0164408 A1 or WO 2017/210418 A1 described.

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.In particular, in order to enable 360 ° coverage of the surroundings, the transmitting and receiving units in these LIDAR systems are always mechanically moved in both the horizontal and vertical directions. The mechanical adjustment leads to mechanical wear on the moving components. Mechanically moved LIDAR systems also require a large installation space.

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.It is also known to combine several LIDAR systems by means of sensor fusion for a 360 ° environment detection. This is associated with high hardware and, in particular, high software expenditure. A high computing power is required for the sensor fusion. The costs for merged LIDAR systems are correspondingly high.

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.Both of the above-mentioned LIDAR architectures also have the inherent disadvantage that they only resolve their environment discretely or in steps (e.g. row by row or column by column). Known LIDAR architectures therefore only allow discrete spatial resolution, but no continuous or stepless spatial resolution.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zur Umgebungsabtastung mittels LIDAR bereitzustellen.Against this background, it is an object of the present invention to provide an improved possibility for scanning surroundings by means of LIDAR.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen LIDAR-Sensor, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren für einen LIDAR-Sensor gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. The object according to the invention is achieved by a LIDAR sensor, a vehicle and a method for a LIDAR sensor according to the independent claims.

Weitere Aspekte sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in den Figuren beschrieben.Further aspects and developments of the invention are described in the dependent claims, the following description and in the figures.

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.According to a first aspect, the invention relates to a LIDAR sensor. The LIDAR sensor comprises an irradiation element which is set up to continuously (continuously, uninterrupted) emit electromagnetic radiation at a continuously (steadily, uninterrupted) changing angle of radiation in relation to a reference axis into the surroundings of the LIDAR sensor. The electromagnetic radiation can comprise radiation components at one or more wavelengths. The electromagnetic radiation can have radiation components both in the visible and in the invisible spectrum. The irradiation element has no mechanically movable components. In other words: the irradiation element only has components that are not mechanically movable. The reference axis can be any spatial axis. For example, the reference axis can be an optical axis of the irradiation element. The reference axis can e.g. be a horizontal or a vertical axis.

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.Furthermore, the LIDAR sensor comprises a photodetector which is set up to receive reflections of the electromagnetic radiation from the environment. The photodetector is a radiation-sensitive (e.g. light-sensitive) element that provides an output signal depending on the incident electromagnetic radiation. For example, the photodetector can be a single radiation-sensitive sensor element (i.e. a single point sensor) or a one-dimensional or two-dimensional arrangement of radiation-sensitive sensor elements. In the one-dimensional arrangement, the radiation-sensitive sensor elements are arranged exclusively along one spatial direction, while in the two-dimensional arrangement the radiation-sensitive sensor elements are arranged along two different (e.g. orthogonal) spatial directions. A radiation-sensitive sensor element can e.g. a photodiode (English photo diode), an avalanche photo diode (APD), a one-photon avalanche diode (English single photon avalanche diode, SPAD) or an array of SPADs as silicon photoelectron multipliers (English silicon photomultiplier , SiPM).

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.Because the irradiation element continuously emits the electromagnetic radiation for scanning the surroundings of the LIDAR sensor and thereby continuously changes the radiation angle of the electromagnetic radiation with respect to the reference axis, the surroundings of the LIDAR sensor can be scanned continuously or steplessly. In contrast to this, known LIDAR architectures only allow discrete or stepped (eg line by line or column by column) scanning of their surroundings. The LIDAR sensor according to the invention therefore enables continuous spatial resolution. Since, in contrast to known LIDAR architectures, the irradiation element has no mechanically movable components, mechanical wear of the LIDAR sensor can also be avoided. Furthermore, due to the In the absence of mechanically movable components, a compact design is made possible.

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.According to some exemplary embodiments, the irradiation element is set up to emit the electromagnetic radiation into the environment in such a way that the emitted electromagnetic radiation has a cross section that partially or completely surrounds the reference axis in a plane orthogonal (and virtual or imaginary) to the reference axis. In other words: the irradiation element can enable 360 ° detection of the surroundings in relation to the reference axis. Optionally, the irradiation element can also enable only part of the surroundings to be recorded in relation to the reference axis.

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.In some exemplary embodiments, the emitted electromagnetic radiation in the plane orthogonal to the reference axis can, for example, have an annular cross section or a cross section in the form of one or more coradial ring segments (i.e. ring segments with identical radii). In other words: the irradiation element can radiate the electromagnetic radiation essentially in the form of a lateral surface of a truncated cone for 360 ° detection of the surroundings in relation to the reference axis. Similar to opening or closing an umbrella, the irradiation element continuously changes the angle between the lateral surface and the reference axis (which in this comparison corresponds to the cone axis of the truncated cone). If only part of the environment is to be captured, the irradiation element can emit the electromagnetic radiation essentially in the form of one or more partial areas or segments of the lateral surface of the truncated cone, the angle between the lateral surface and the reference axis again being continuously changed.

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.According to some exemplary embodiments, the irradiation element comprises a reflector which is rotationally symmetrical with respect to the reference axis. The reflector can have one or more reflector surfaces which have the same or different radii of curvature. Each of the reflector surfaces can have one or more areas with different radii of curvature. Furthermore, the irradiation element comprises a radiation source which is set up to generate collimated electromagnetic radiation. The collimated electromagnetic radiation thus consists of electromagnetic radiation directed in parallel. The irradiation element further comprises a telecentric lens which is arranged along the reference axis between the radiation source and the reflector. The entry and exit pupils of the telecentric lens are both at infinity, i.e. the object and image planes of the telecentric lens are both at infinity. The telecentric lens is set up to image the collimated electromagnetic radiation on the reflector with a continuously changing image scale, so that the collimated electromagnetic radiation is continuously reflected by the reflector with a continuously changing radiation angle in relation to the reference axis into the vicinity of the LIDAR sensor. In other words: the size of the image of the collimated electromagnetic radiation on the reflector based on the size of the collimated electromagnetic radiation incident in the telecentric lens is continuously changed by the telecentric lens in order to reflect the radiation of the electromagnetic radiation in the vicinity of the LIDAR sensor to achieve continuously changing radiation angle based on the reference axis.

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.In some exemplary embodiments, the telecentric lens comprises two focus-variable lenses which are set up to vary their focal lengths as a function of a respective control signal. The imaging scale of the telecentric lens is determined by the focal lengths of the first and the second focus-variable lenses. The telecentric lens further comprises a control circuit which is set up to control the two focus-variable lenses via respective control signals in order to continuously change the imaging scale of the telecentric lens. The two focus-variable lenses enable their respective lens curvatures and thus their focal lengths to be adjusted via the electronic control by means of the control signals. In other words: depending on the control signals, the focal planes on which the focus-variable lenses image the electromagnetic radiation incident on the objective can be set. For example, the variable focus lens can be a liquid lens. By means of the focus-variable lenses, the image scale of the telecentric lens can be set electronically by setting their focal lengths. Via a corresponding control of the two focus-variable lenses, the area of the reflector irradiated with the collimated electromagnetic radiation can thus be continuously changed in order to achieve the emission of the electromagnetic radiation in the vicinity of the LIDAR sensor with a continuously changing emission angle in relation to the reference axis.

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.In addition to the two focus-variable lenses, the telecentric lens can include further optical elements. For example, the objective can have one or more further lenses (e.g. diffusing and / or converging lenses) or lens groups (e.g. combinations of several diffusing and / or converging lenses) and / or diaphragms.

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.According to some exemplary embodiments, the radiation source comprises a first laser which is set up to generate a first radiation component of the electromagnetic radiation with a first wavelength. The first radiation component of the electromagnetic radiation is used to irradiate the surroundings for LIDAR scanning. For example, in some exemplary embodiments, the first wavelength can be greater than 780 nm. In other words: the surroundings can be scanned with infrared radiation (eg with a wavelength of 905 nm). In addition to the first radiation component, the electromagnetic radiation can optionally also have further radiation components (see below). Furthermore, the radiation source comprises a lens system which is arranged between the first laser and the telecentric objective and is set up to widen a cross section of the electromagnetic radiation in a plane orthogonal to the reference axis in order to generate the collimated electromagnetic radiation. The laser beam of the first laser (ie the first radiation component of the electromagnetic radiation) initially has a first extension in a plane perpendicular to its direction of propagation, which is enlarged, ie widened, by the lens system. The lens system can include, for example, a divergent lens (negative lens) for expanding the laser beam and a collimator in the form of a collecting lens, a condenser or a honeycomb condenser for the subsequent collimation of the expanded laser beam. The laser beam of the first laser can be widened by means of the lens system in such a way that the telecentric objective is irradiated over a large area by the widened laser beam (ie the electromagnetic radiation). In other words: the lens system expands the sharply focused and collimated laser beam of the first laser in order to generate the collimated electromagnetic radiation. The radiation source further comprises a first diaphragm element which is arranged between the lens system and the telecentric objective. The first screen element has an annular transmission area for the collimated electromagnetic radiation. The transmission area is that part of the diaphragm element that allows the electromagnetic radiation incident on the diaphragm element to be transmitted. The remaining areas of the screen element prevent the portions of the electromagnetic radiation impinging thereon from passing through (for example by absorption or reflection of the portions of the electromagnetic radiation). After passing through the first screen element, the collimated electromagnetic radiation thus has an annular cross section in a plane orthogonal to the reference axis (ie in a plane perpendicular to its direction of propagation). The ring-shaped collimated electromagnetic radiation is imaged onto the reflector by the telecentric lens with continuously changing image scale, so that the electromagnetic radiation in the form of a lateral surface of a truncated cone, the angle of which relative to the reference axis changes continuously, into the vicinity of the LIDAR sensor through the reflector is broadcast. In relation to the reference axis, the LIDAR sensor according to the invention can thus continuously detect the surroundings at 360 °.

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.In some exemplary embodiments, the radiation source further includes a second screen element with an adjustable transmission range for the collimated electromagnetic radiation. The second diaphragm element is arranged between the first diaphragm element and the telecentric lens and is set up to set a shape of its transmission area as a function of a further control signal. By setting the shape of the transmission area, the shape of the collimated electromagnetic radiation can thus be set in a plane perpendicular to its direction of propagation, that of a plane orthogonal to the reference axis. For example, one or more partial areas of the ring-shaped electromagnetic radiation impinging on the second screen element can be selectively masked out in order to set a desired radiation distribution of the electromagnetic radiation reflected by the reflector into the vicinity of the LIDAR sensor. After passing through the second diaphragm element, the collimated electromagnetic radiation can thus have a cross section in the form of one or more coradial ring segments in a plane orthogonal to the reference axis. The screen element can e.g. comprise a matrix of liquid crystals, each of which can be selectively switched between a transmission state in which the collimated electromagnetic radiation can penetrate the respective liquid crystal, and a blocking state in which the collimated electromagnetic radiation cannot penetrate the respective liquid crystal. A transmission range for the collimated electromagnetic radiation with essentially any shape can be set by means of a corresponding control of the individual liquid crystals. The control circuit is set up accordingly to control the second diaphragm element via the further control signal, depending on a desired radiation distribution of the electromagnetic radiation reflected by the reflector in the vicinity of the LIDAR sensor, to selectively transmit the collimated electromagnetic radiation that strikes the second diaphragm element from the first diaphragm element . The LIDAR sensor according to the invention can thus enable a continuous detection of selectively selected areas of its surroundings or its surroundings.

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.According to the above statements, the collimated electromagnetic radiation generated by the radiation source can therefore have an annular cross-section or a cross-section in the form of one or more coradial ring segments in a plane orthogonal to the reference axis.

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.In some exemplary embodiments, the radiation source further comprises a second laser which is set up to generate a second radiation component of the electromagnetic radiation with a second wavelength. The second wavelength is between 100 nm and 380 nm (i.e. in the ultraviolet spectral range). Furthermore, the radiation source comprises a first deflecting mirror which is set up to allow the first radiation component to be transmitted and to direct the second radiation component of the electromagnetic radiation along the reference axis onto the telecentric lens. The electromagnetic radiation which occurs on the telecentric lens can thus comprise several radiation components at different wavelengths. The second radiation component with the second wavelength between 100 nm and 380 nm can e.g. can be used for (selective) illumination of the area around the LIDAR sensor in order to deter wild animals. Electromagnetic radiation in the ultraviolet spectral range cannot be perceived by humans, but is perceived as a warning by wild animals. By illuminating the environment with ultraviolet radiation, wild animals can be deterred without dazzling or impairing people in the vicinity of the LIDAR sensor. Correspondingly, the LIDAR sensor according to the invention can also enable accidents with wild animals to be avoided in addition to continuous scanning of the surroundings. A wild animal can e.g. targeted with the ultraviolet radiation to deter it.

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.According to some exemplary embodiments, the radiation source further comprises a third laser which is set up to generate a third radiation component of the electromagnetic radiation with a third wavelength. The third wavelength is between 380 nm and 780 nm (i.e. in the spectral range that is visible to humans). Furthermore, the radiation source comprises a second deflection mirror which is set up to allow the first radiation component to be transmitted and to direct the third radiation component of the electromagnetic radiation along the reference axis onto the telecentric lens. The electromagnetic radiation which occurs on the telecentric lens can thus comprise several radiation components at different wavelengths. The third radiation component with the third wavelength between 380 nm and 780 nm can be used for (selective) illumination of the area around the LIDAR sensor, e.g. To project patterns or the like that are visible to humans into the environment. Likewise, people in the vicinity of the LIDAR sensor can be selectively irradiated with the radiation that can be perceived by humans. The radiation that can be perceived by humans can be selectively emitted into the vicinity of the LIDAR sensor via a corresponding control of the second screen element.

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.In some exemplary embodiments, the reflector tapers along the reference axis towards the radiation source. For example, the reflector can be designed as a paraboloid, the tip of which points in the direction of the radiation source or the telecentric lens. The reflector is also set up to direct the reflections of the electromagnetic radiation from the environment onto the photodetector. In other words: the reflector serves both as transmitting optics to emit the electromagnetic radiation into the environment and as receiving optics to direct the reflections of the electromagnetic radiation from the environment onto the photodetector. For example, the reflector can be designed as a partially transparent mirror.

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.According to some exemplary embodiments, the reflector has a first reflector surface and a second reflector surface, which are each rotationally symmetrical with respect to the reference axis. The first reflector surface tapers along the reference axis towards the radiation source, so that the collimated electromagnetic radiation is reflected from the first reflector surface into the surroundings of the LIDAR sensor. The first reflector surface surrounds the second reflector surface, so that the reflections of the electromagnetic radiation from the surroundings are reflected from the second reflector surface onto the photodetector. In other words: the second reflector surface is arranged within the first reflector surface. For example, the second reflector surface can have the shape of a conical jacket or a spherical cap. The first reflector surface can be designed as a paraboloid, for example, the tip of which points in the direction of the radiation source or the telecentric lens.

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.In some exemplary embodiments, the LIDAR sensor further comprises a temperature control element which is set up to set a temperature of at least part of the LIDAR sensor to a predetermined temperature or a temperature in a predetermined value range. For example, the temperature control element can heat or cool at least part of the device. Certain parts of the device, such as the radiation element or at least parts thereof, can be sensitive to their operating temperature. The Focus-variable lenses or the second diaphragm element of the telecentric lens are dependent on their operating temperature, for example with regard to their mechanisms of action (dynamics, sphericity of the lens, degree of absorption of the liquid crystals). However, the LIDAR sensor is operated, for example, in a vehicle at sometimes strongly changing temperatures - for example at comparatively high temperatures in summer and at comparatively low temperatures in winter. The temperature control element enables a temperature to be set at which temperature-sensitive components of the LIDAR sensor show a predetermined behavior. The reliability of the LIDAR sensor can thus be ensured by means of the temperature control element.

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.According to a further aspect, the invention relates to a vehicle which comprises a LIDAR sensor according to the invention. In general, a vehicle can be viewed as a device that includes one or more engine driven wheels (and optionally a powertrain system). For example, a vehicle can be a passenger car, truck, motorcycle, or tractor. For example, the vehicle can be an automated driving vehicle. The LIDAR sensor according to the invention can allow the vehicle a continuous or stepless spatial resolution of its surroundings.

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.In a further aspect, the present invention also relates to a method for a LIDAR sensor with an irradiation element and a photodetector. The method comprises a continuous emission of electromagnetic radiation into the surroundings of the LIDAR sensor at a continuously changing emission angle based on a reference axis by means of the irradiation element. The irradiation element has no mechanically movable components. The method further comprises receiving reflections of the electromagnetic radiation from the environment by the photodetector.

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.As already described above in connection with the LIDAR sensor according to the invention, the method according to the invention can also enable continuous or stepless spatial resolution. Since no mechanically moving components are used, mechanical wear and tear on the LIDAR sensor can also be avoided.

Mögliche nähere Ausgestaltungen des Verfahrens sind oben in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.Possible more detailed configurations of the method are described above in connection with the device according to the invention.

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.
Exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying figures. Show it:
  • 1 schematically an embodiment of a LIDAR sensor;
  • 2 schematically, an embodiment of a telecentric lens with differently set image scales;
  • 3 schematically a first embodiment of a reflector together with a photodetector;
  • 4th schematically a second embodiment of a reflector;
  • 5 schematically a third embodiment of a reflector together with a photodetector; and
  • 6th schematically another embodiment of a LIDAR sensor.

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. 1 shows a LIDAR sensor 100 with a radiation element 110 and a photodetector 120 . The photodetector 120 is designed as a two-dimensional arrangement of radiation-sensitive sensor elements (for example photodiodes).

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.Further is the optical axis OA of the radiation element 110 shown as a reference axis. The optical axis OA is an imaginary line of symmetry of the radiation element 110 passing through the centers of curvature of optical elements of the radiation element 110 (e.g. lenses) and is orthogonal to the remaining axes of symmetry of these optical elements.

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.The radiation element 110 includes a radiation source 130 , a telecentric lens 140 and a reflector 150 . The radiation source 130 generates collimated electromagnetic radiation 139 and radiates it onto the telecentric lens 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.For this purpose, the radiation source includes 130 a laser 131 , the electromagnetic radiation in the form of a laser beam 132 generated. The radiation source also includes 130 a lens system 133 , between the laser 131 and the telecentric lens 140 is arranged and set up, a cross section of the laser beam 132 in one to the reference axis OA to widen the orthogonal plane. To the laser beam 132 To expand, the lens system includes a divergent lens 134 . For the subsequent collimation of the expanded laser beam, the lens system includes 133 a collimator 135 (e.g. a condenser or a honeycomb condenser). The lens system 133 thus generates collimated electromagnetic radiation 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.Between the lens system 133 and the telecentric lens 140 is a first panel element 137 arranged, the one annular Transmission range 137-1 for the collimated electromagnetic radiation. Furthermore, the first screen element 137 an area that cannot be penetrated by the collimated electromagnetic radiation 137-2 on. For example, the first screen element 137 be designed as a contact reticle with a circular pattern. After passing through the first screen element 137 exhibits the collimated electromagnetic radiation 136 in one to the reference axis OA orthogonal plane (ie in a plane perpendicular to its direction of propagation) thus has an annular cross section.

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.Furthermore, is between the first screen element 137 and the telecentric lens 140 a second panel element 138 with an adjustable transmission range for the collimated electromagnetic radiation 136 arranged. The second screen element 138 is dependent on a control signal 163 a control circuit 160 a shape of its transmission area. A shape or a cross section of the collimated electromagnetic radiation can correspondingly 136 in one to the reference axis OA orthogonal plane (ie in a plane perpendicular to its direction of propagation).

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.The control circuit 160 controls the second panel element 138 via the control signal 163 accordingly, depending on a desired distribution of radiation from the reflector 150 in the vicinity of the LIDAR sensor 100 reflected electromagnetic radiation from the first screen element 137 on the second panel element 138 incident collimated electromagnetic radiation 136 selectively transmit, so that the collimated electromagnetic radiation 139 with a predetermined cross-section in one to the reference axis OA orthogonal plane through the radiation source 130 provided.

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.The one from the radiation source 130 generated collimated electromagnetic radiation 139 can thus in one to the reference axis OA orthogonal plane (ie in a plane perpendicular to its direction of propagation) either have a ring-shaped cross section or a cross section in the form of one or more coradial ring segments - depending on the control of the second diaphragm element 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.The telecentric lens 140 is along the reference axis OA between the radiation source 130 and the reflector 150 arranged. The telecentric lens 140 includes two focus variable lenses 141 and 142 that are set up depending on a respective control signal 161 or. 162 the control circuit 160 to vary their focal lengths. Between the two focus variable lenses 141 and 142 is a divergent lens 143 arranged with a fixed focal length.

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.The image scale of the telecentric lens 140 is by the focal lengths of the first and second variable focus lenses 141 and 142 certainly. This is in 2 exemplary for two different operating phases of the telecentric lens 140 shown. In the upper area of 2 is the first operating phase of the telecentric lens 140 while in the lower area of 2 a second operating phase of the telecentric lens 140 is shown.

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.During the second operating phase, the telecentric lens has a smaller imaging scale compared to the first operating phase 140 set. To do this is the refraction of the first focus variable lens 141 set to a larger value during the second operating phase compared to the first operating phase, so that the focal length of the first focus-variable lens 141 is less. In addition, the refraction of the second focus variable lens 142 set to a lower value during the second operating phase compared to the first operating phase, so that the focal length of the second focus-variable lens 142 is increased.

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.As from the comparison of the two operating phases of the telecentric lens 140 As can be seen, the size (here the diameter) is the one on the right from the telecentric lens 140 emitted electromagnetic radiation based on the size of the left side in the telecentric lens 140 incident collimated electromagnetic radiation during the two operating phases different. During the second operating phase, the diameter is that of the telecentric lens 140 emerging electromagnetic radiation is smaller than during the first operating phase. Via the corresponding control of the two focus-variable lenses 141 and 142 by the control circuit 160 can thus be the magnification of the telecentric lens 140 can be set variably.

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.The control circuit 160 controls the two focus variable lenses 141 and 142 via the control signals 161 and 162 to the magnification of the telecentric lens 140 to change continuously. In other words: the focus points or focus lines of the focus variable lenses 141 and 142 are parameterized. Correspondingly, the telecentric lens 140 the collimated electromagnetic radiation with continuously changing image scale on the reflector 150 pictured. Because the in the telecentric lens 140 incoming electromagnetic radiation has an annular cross-section or a cross-section in the form of one or more coradial Has ring segments, is through the telecentric lens 140 thus continuously collimated electromagnetic radiation with an annular cross section or a cross section in the form of one or more coradial ring segments onto the reflector 150 depicted, the radius of the ring or of the at least one ring segment changing continuously. In 1 is an example of electromagnetic radiation with an annular cross-section 144 shown.

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.The collimated electromagnetic radiation on constantly changing areas of the reflector will correspond 150 pictured. Because of the shape of the reflector 150 is the collimated electromagnetic radiation from the reflector 150 with continuously changing radiation angle based on the reference axis OA in the vicinity of the LIDAR sensor 100 reflected.

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.Is electromagnetic radiation with an annular cross-section on the reflector 150 shown, so encloses an imaginary section of the emitted electromagnetic radiation 101 with one to the reference axis OA orthogonal plane is the reference axis OA Completely. In other words: 360 ° of the environment in relation to the reference axis OA are affected by the electromagnetic radiation emitted 101 sampled as the electromagnetic radiation 101 is emitted essentially in the form of a lateral surface of a truncated cone, the angle between the lateral surface and the reference axis OA is continuously changed.

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.Will electromagnetic radiation 101 with a cross section in the form of one or more coradial ring segments on the reflector 150 shown, so encloses an imaginary section of the emitted electromagnetic radiation 101 with one to the reference axis OA orthogonal plane is the reference axis OA only partially. In other words: less than 360 ° of the environment in relation to the reference axis OA are affected by the electromagnetic radiation emitted 101 sampled as the electromagnetic radiation 101 is emitted essentially in the form of one or more partial areas or segments of a lateral surface of a truncated cone, the angle between the lateral surface and the reference axis OA is continuously changed.

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).With the different diameters on the reflector 150 projected electromagnetic radiation (e.g. infrared radiation) is effectively a travel path on a rotationally symmetrical reflector 150 provided to enable the continuously changing deflection of the electromagnetic radiation into the environment. The special shape of the solid of revolution 150 enables the electromagnetic radiation (eg a laser beam) to be reflected in a defined direction. Is the LIDAR sensor like in 1 shown arranged along a vertical spatial axis, the emitted electromagnetic radiation takes place 101 a vertical movement in the environment (similar to the movement of the tarpaulin of an umbrella when opening or closing).

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. 1 thus shows a radiation element 110 which has no mechanically moving parts and a continuous emission of electromagnetic radiation 101 at a continuously changing angle of radiation based on the reference axis OA in the vicinity of the LIDAR sensor 100 enables.

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.As in 1 indicated and in 3 Shown again enlarged, the reflector 150 a first reflector surface 151 and a second reflector surface 152 on. Both the first reflector surface 151 as well as the second reflector surface 152 are rotationally symmetrical in relation to the reference axis OA . The first reflector surface 151 tapers along the reference axis OA towards the radiation source 130 or the telecentric lens 140 so that a tip of the first reflector surface 151 towards the radiation source 130 or the telecentric lens 140 shows. The first reflector surface 151 has several adjoining areas with different radius of curvature. The in 1 and 3 illustrated embodiment has the first reflector surface 151 three adjoining areas 151-1 , 151-2 and 151-3 with different radius of curvature. It should be noted, however, that this is purely exemplary and the first reflector surface 151 can also have more or fewer areas with different radii of curvature. The first reflector surface 151 can for example be designed as a partially transparent mirror surface.

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.The first reflector surface 151 surrounds the second reflector surface 152 . The second reflector surface 152 is formed in the form of a cone shell. As in the 1 and 3 indicated are the reflections 102 of electromagnetic radiation 101 from the surroundings of the second reflector surface 152 on the photodetector 120 reflected.

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.The one from the reflector 150 divergent portion of the electromagnetic radiation reflected back 144 is due to the variable focus lenses 141 and 142 of the telecentric lens 140 corrected.

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.As indicated above, the reflector must 150 do not have two reflector surfaces as in 1 and 3 shown. An alternative embodiment example of a reflector 450 is in 4th shown. reflector 450 differs from the reflector described above 150 in that he is only the first reflector surface 151 , ie a single reflector surface. The reflector 450 additionally has an arrangement of diffractive optical elements 153 on. Diffractive optical elements are surfaces or layers that have structures in the order of magnitude of the wavelength of the electromagnetic radiation to be directed through them. By means of appropriate structuring, desired radiation guiding functions can be implemented by means of diffraction. For example, the arrangement of diffractive optical elements 153 an array of Fresnel zone plates so as to provide an array of lenses that absorb the reflections 102 of electromagnetic radiation 101 from the environment onto the photodetector 120 (not shown in 4th ) depict. The first reflector surface 151 surrounds the arrangement of diffractive optical elements 153 . The arrangement of diffractive optical elements 153 is just like the first reflector surface 151 rotationally symmetrical in relation to the reference axis OA and tapers along the reference axis OA towards the radiation source 130 or the telecentric lens 140 . The contour of the arrangement of diffractive optical elements 153 follows the contour of the first reflector surface 151 , ie one perpendicular to the surface of the first reflector surface 151 measured distance between the arrangement of diffractive optical elements 153 and the first reflector surface 151 is for each point on the surface of the first reflector surface 151 equal.

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.In some exemplary embodiments of the present invention, diffractive optical elements can also be one or more of the rigid lenses of the irradiation element 110 replace. For example, one or more of the diverging lenses 134 , the collimator 135 and the divergent lens 143 can be replaced by one or more diffractive optical elements to the respective function of the divergent lens 134 , the collimator 135 or the divergent lens 143 to provide. When using diffractive optical elements instead of the rigid lenses, the irradiation element 110 be made simpler and more compact.

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.The second reflector surface can also be shaped differently than in the 1 and 3 shown. A corresponding third embodiment of a reflector 550 is in 5 together with a photodetector 120 shown. Compared to the reflector 150 is the second reflector surface within the first reflector surface 151 shaped differently. While the second reflector surface 152 of the reflector 150 has the shape of a cone jacket, has the second reflector surface 552 of the reflector 550 the shape of a spherical cap.

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.In 6th is also yet another embodiment of a LIDAR sensor 600 shown. Compared to the in 1 LIDAR sensor shown 100 includes the radiation source 130 a second laser 671 , the a second radiation component of the electromagnetic radiation in the form of a second laser beam 672 generated. For example, the one from the laser 131 generated first laser beam 132 have a wavelength in the infrared spectral range, while the second laser beam 672 can have a wavelength in the spectral range visible to humans or in the ultraviolet spectral range. Correspondingly, the second radiation component of the electromagnetic radiation can be used to display patterns and geometries in the environment that are visible to humans or to deter wild animals.

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.The radiation source also includes 130 a first deflection mirror 681 , the first radiation component in the form of the first laser beam 131 can be transmitted and the second radiation component of the electromagnetic radiation in the form of the second laser beam 672 along the reference axis OA on the telecentric lens 140 or the further optical elements of the radiation source 130 directs. The radiation source also includes 130 a second deflection mirror 682 holding the second laser beam 672 from the second laser 671 receives and on the first deflection mirror 681 distracts.

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.Analogous to the above statements for the second laser 671 A radiation component according to the present invention can comprise one or more further lasers in order to generate further radiation components at further wavelengths and to couple them into the electromagnetic radiation.

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).The photodetector 120 can be designed so that it is only used for reflections from the first laser 131 generated radiation components is sensitive. The photodetector can do this 120 for example have a filter which is connected upstream of the radiation-sensitive sensor elements and only radiation with wavelengths in the range of the first laser 131 generated radiation components can pass to the radiation-sensitive sensor elements. As an alternative or in addition, the radiation-sensitive sensor elements of the photodetector can also be designed in such a way that they are only suitable for radiation with wavelengths in the range of that caused by the first laser 131 generated radiation components are sensitive (eg by choosing appropriate materials or material combinations for the radiation-sensitive sensor elements).

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.As the foregoing has shown, the present invention enables a LIDAR sensor to be provided without mechanical wear. Since no mechanically moving components are used, a compact Design are made possible. The LIDAR sensor according to the invention can therefore be easily integrated into a vehicle. In addition, the LIDAR sensor according to the invention allows continuous spatial resolution of its surroundings. Due to the ability to capture the surroundings 360 °, the use of a single LIDAR sensor according to the invention is sufficient to completely capture the surroundings. Accordingly, costs can be avoided in comparison to known LIDAR architectures.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100
LIDAR-SensorLIDAR sensor
101101
ausgestrahlte elektromagnetische Strahlungemitted electromagnetic radiation
102102
Reflexion der elektromagnetischen StrahlungReflection of the electromagnetic radiation
110110
BeleuchtungselementLighting element
120120
PhotodetektorPhotodetector
130130
StrahlungsquelleRadiation source
131131
erster Laserfirst laser
132132
erster Laserstrahlfirst laser beam
133133
LinsensystemLens system
134134
StreulinseDivergent lens
135135
KollimatorCollimator
136136
kollimierte elektromagnetische Strahlungcollimated electromagnetic radiation
137137
erstes Blendenelementfirst screen element
137-1137-1
TransmissionsbereichTransmission range
137-2137-2
für die elektromagnetische Strahlung nicht durchdringbarer BereichArea that is not penetrable for electromagnetic radiation
138138
zweites Blendenelementsecond panel element
139139
kollimierte elektromagnetische Strahlungcollimated electromagnetic radiation
140140
telezentrisches Objektivtelecentric lens
141141
fokusvariable Linsefocus variable lens
142142
fokusvariable Linsefocus variable lens
143143
StreulinseDivergent lens
144144
kollimierte elektromagnetische Strahlungcollimated electromagnetic radiation
150150
Reflektorreflector
151151
erste Reflektorflächefirst reflector surface
151-1151-1
Bereich der ersten ReflektorlfächeArea of the first reflector surface
151-2151-2
Bereich der ersten ReflektorlfächeArea of the first reflector surface
151-3151-3
Bereich der ersten ReflektorlfächeArea of the first reflector surface
152152
zweite Reflektorflächesecond reflector surface
153153
Anordnung diffraktiver optischer ElementeArrangement of diffractive optical elements
160160
SteuerschaltungControl circuit
161161
SteuersignalControl signal
162162
SteuersignalControl signal
163163
SteuersignalControl signal
450450
Reflektorreflector
550550
Reflektorreflector
552552
zweite Reflektorflächesecond reflector surface
600600
LIDAR-SensorLIDAR sensor
671671
zweiter Lasersecond laser
672672
zweiter Laserstrahlsecond laser beam
681681
erster Umlenkspiegelfirst deflection mirror
682682
zweiter Umlenkspiegelsecond deflection mirror

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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

Claims (15)

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), characterized by : an irradiation element (110) which is set up to continuously emit electromagnetic radiation (101) at a continuously changing emission angle with respect to a reference axis (OA) in the vicinity of the LIDAR sensor (100) wherein the irradiation element (110) has no mechanically movable components; and a photodetector (120) which is set up to receive reflections (102) of the electromagnetic radiation from the environment. 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) Claim 1 , characterized in that the irradiation element (110) is set up to emit the electromagnetic radiation (101) into the environment in such a way that the emitted electromagnetic radiation (101) in a plane orthogonal to the reference axis (OA) partially or Has completely enclosing cross section. 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) Claim 1 or Claim 2 , characterized in that the emitted electromagnetic radiation (101) in the plane orthogonal to the reference axis (OA) has an annular cross-section or a cross-section in the form of one or more coradial ring segments. 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) according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the irradiation element (110) comprises: a reflector (150) which is rotationally symmetrical with respect to the reference axis (OA); a radiation source (130) which is configured to generate collimated electromagnetic radiation (139); and a telecentric lens (140) which is arranged and set up along the reference axis (OA) between the radiation source (130) and the reflector (150), the collimated electromagnetic radiation (139) with continuously changing image scale onto the reflector (150) map, so that the collimated electromagnetic radiation (139) is continuously reflected by the reflector (150) with continuously changing radiation angle based on the reference axis (OA) in the vicinity of the LIDAR sensor (100). 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) Claim 4 , characterized in that the telecentric lens (140) comprises: two focus-variable lenses (141, 142) which are set up to vary their focal lengths as a function of a respective control signal (161, 162), the image scale of the telecentric lens (140 ) is determined by the focal lengths of the two focus variable lenses (141, 142); and a control circuit (160) which is set up to control the two focus-variable lenses (141, 142) via respective control signals (161, 162) in order to continuously change the imaging scale of the telecentric lens (140). 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) Claim 5 , characterized in that the radiation source (130) comprises: a first laser (131) which is set up to generate a first radiation component (132) of the electromagnetic radiation with a first wavelength; a lens system (133) which is arranged between the first laser (131) and the telecentric lens (140) and is set up to expand a cross section of the electromagnetic radiation in a plane orthogonal to the reference axis (OA) in order to expand the collimated electromagnetic radiation (136 ) to create; a first diaphragm element (137) which is arranged between the lens system (133) and the telecentric objective (140), the first diaphragm element (137) having an annular transmission area (137-1) for the collimated electromagnetic radiation (136). 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) Claim 6 , characterized in that the radiation source (130) further comprises: a second screen element (138) with an adjustable transmission range for the collimated electromagnetic radiation (136), the second screen element (138) between the first screen element (137) and the telecentric Objective (140) is arranged and set up to set a shape of its transmission range as a function of a further control signal (163), the control circuit (160) being set up to control the second diaphragm element (138) via the further control signal (163), depending on a desired radiation distribution of the electromagnetic radiation (101) reflected by the reflector (150) in the vicinity of the LIDAR sensor (100) to selectively transmit the collimated electromagnetic radiation (136) hitting the first diaphragm element (137) on the second diaphragm element (138) . 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) Claim 6 or Claim 7 , wherein the collimated electromagnetic radiation (139) generated by the radiation source (130) has an annular cross section or a cross section in the form of one or more coradial ring segments in a plane orthogonal to the reference axis (OA). 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) according to one of the Claims 6 to 8th , characterized in that the radiation source (130) further comprises: a second laser (671) which is set up to generate a second radiation component (672) of the electromagnetic radiation with a second wavelength, the second wavelength between 100 nm and 380 nm lies; and a first deflecting mirror (681) which is set up to allow the first radiation component (132) to transmit and to direct the second radiation component (672) along the reference axis (OA) onto the telecentric lens (140). 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) according to one of the Claims 6 to 9 , characterized in that the radiation source (130) further comprises: a third laser which is set up to generate a third radiation component of the electromagnetic radiation with a third wavelength, the third wavelength being between 380 nm and 780 nm; and a second deflecting mirror which is set up to allow the first radiation component to transmit and to direct the third radiation component along the reference axis (OA) onto the telecentric lens (140). LIDAR-Sensor (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wellenlänge größer als 780 nm ist.LIDAR sensor (100) according to one of the Claims 6 to 10 , characterized in that the first wavelength is greater than 780 nm. 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) according to one of the Claims 4 to 11 , characterized in that the reflector (150) tapers along the reference axis (OA) towards the radiation source (130), the reflector (150) also being set up to direct the reflections of the electromagnetic radiation from the environment towards the photodetector (120) to steer. 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.LIDAR sensor (100) Claim 12 , the reflector (150) having a first reflector surface (151) and a second reflector surface (152) which are each rotationally symmetrical with respect to the reference axis (OA), the first reflector surface (151) extending along the reference axis (OA) towards Radiation source (130) is tapered so that the collimated electromagnetic radiation is reflected by the first reflector surface (151) into the surroundings of the LIDAR sensor (100), and wherein the first reflector surface (151) surrounds the second reflector surface (152) so that the reflections (102) of the electromagnetic radiation from the environment are reflected from the second reflector surface (152) onto the photodetector (120). Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen LIDAR-Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.Vehicle, characterized in that the vehicle has a LIDAR sensor (100) according to one of the Claims 1 to 13 includes. 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).Method for a LIDAR sensor (100) with an irradiation element (110) and a photodetector (120), characterized by : continuous emission of electromagnetic radiation (101) in an area surrounding the LIDAR sensor (100) at a continuously changing angle of radiation based on a reference axis (OA) by means of the irradiation element (110), wherein the irradiation element (110) has no mechanically movable components; and receiving reflections (102) of the electromagnetic radiation from the environment by the photodetector (120).
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