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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lidar-System mit einem Gehäuse sowie ein Gehäuse für ein Lidar-System. Ein solches Lidar-System kann insbesondere für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug ausgebildet sein.
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Lidar-Systeme (Lidar: Light Detection and Ranging; dtsch. optische Abstands- und Geschwindigkeitsmessung) verwenden optische Signale oder Lichtwellen (z.B. Laser), um beispielsweise Abstands- oder Geschwindigkeitsmessungen zu ermöglichen. Ein optischer Sender (z.B. mit einem Lidar-Chip oder Halbleiterchip und zugeordneter Optik) des Lidar-Systems sendet beispielsweise Laserimpulse aus und ein optischer Empfänger des Lidar-Systems detektiert das von einem zu detektierenden Objekt zurückgestreute Licht. Aus der Lichtlaufzeit der Signale wird die Entfernung zum Ort der Reflexion oder Streuung berechnet.
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Lidar-Systeme oder -Sensoren können in unterschiedlichen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Beispielsweise werden Lidar-Sensoren in Kraftfahrzeugen als Umgebungssensoren verwendet, um Umgebungsinformationen für Fahrerassistenzsysteme zu erfassen. Lidar-Systeme können für aktive und passive Sicherheitsfunktionen in autonom oder teil-autonom fahrenden Fahrzeugen verwendet werden. Ein Lidar-System oder Lidar-Sensor kann beispielsweise in einem Personenkraftwagen zur Realisierung einer adaptiven Geschwindigkeitsregelung verwendet werden.
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Alternative Einsatzbereiche von Lidar-Systemen sind etwa Geschwindigkeitsmessungen in stationären Geschwindigkeitssensoren, mobile Abstandsmesser oder atmosphärische Lidar-Sensoren, z.B. Wind-Lidar-Systeme, die in Luftfahrzeugen oder Windparks zum Ermitteln von Windgeschwindigkeiten genutzt werden können.
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In Lidar-Systemen ist eine hochpräzise Positionierung von Bauelementen, beispielsweise einer optischen Einheit mit optischen Linsen, erforderlich, um ein genaues Messergebnis zu ermöglichen. Beispielsweise müssen die Optiken des Sende- und Empfangskanals parallel zueinander ausgebildet sein, sodass ausgesendete Lichtstrahlen, die an Objekten reflektiert werden, wieder empfangen werden können.
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Sowohl beim Einsatz von Lidar in Fahrzeugen als auch in anderen genannten Anwendungsbereichen treten während eines Betriebs teilweise Temperaturen aus einem weiten Temperaturbereich auf. Dies kann zu Temperaturausdehnung einzelner Komponenten des Lidar-Systems führen und bewirken, dass die Positionen der Komponenten im Vergleich zu einer präzisen Positionierung, die z.B. bei Raumtemperatur erreicht ist, stark abweichen können. Wenn sich die Positionen optischer Linsen einer optischen Einheit zueinander ändern, kann sich etwa der Brennpunkt der Optik verschieben und liegt dann beispielsweise nicht mehr auf einem Empfänger-chip des Lidar-Systems. Beispielsweise kann durch temperaturbedingte Ausdehnung von Komponenten eine Funktionalität des Lidar-Systems oder ein Temperaturbereich, innerhalb dessen das Lidar-System betrieben werden kann, eingeschränkt sein.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, Konzepte bereitzustellen, durch die ein Einfluss einer Wärmeausdehnung von Komponenten eines Lidar-Systems auf eine Funktionalität des Lidar-Systems verringert werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst gemäß den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Aspekte und Weiterbildungen der Erfindung, die zusätzliche Vorteile bewirken können, sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in Verbindung mit den gezeigten Figuren beschrieben.
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Dazu wird erfindungsgemäß ein Lidar-System bereitgestellt, das ein Basisgehäuse und einen Träger umfasst. Das Basisgehäuse umfasst eine Grundplatte und eine Seitenwandung. Die Seitenwandung begrenzt einen Aufnahmebereich des Basisgehäuses, in dem ein Teil des Trägers aufgenommen ist.
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Es ist vorgesehen, auf der Grundplatte (z.B. einer Chip-Trägerplatte) unterhalb des Aufnahmebereichs einen Lidar-Chip bereitzustellen. Der Lidar-Chip kann z.B. als Sende-Chip oder als Empfänger-Chip ausgebildet sein. Die Seitenwandung kann um den Lidar-Chip herum ausgebildet sein, sodass der Aufnahmebereich oberhalb des Lidar-Chips liegt. Beispielsweise ist der Aufnahmebereich nach unten hin durch die Grundplatte oder den Lidar-Chip begrenzt und nach oben durch eine Oberseite oder ein Höhe der Seitenwandung begrenzt. Eine Grundfläche des Aufnahmebereichs ist beispielsweise kreisförmig, wobei der Lidar-Chip z.B. zentriert zur Grundfläche angeordnet ist. Der Aufnahmebereich ist z.B. zumindest teilweise zylinderförmig ausgebildet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, eine Oberseite des durch die Seitenwandung gebildeten oder begrenzten Aufnahmebereichs (z.B. des Aufnahmebereichs im Basisgehäuse ohne den Träger) offen auszubilden.
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Im Träger des Lidar-Systems ist eine Mehrzahl an optischen Linsen angeordnet. Im Träger kann somit eine optische Einheit (z.B. Optik des Empfangs- oder Sendekanals) des Lidar-System angeordnet werden, die durch die Mehrzahl an optischen Linsen gebildet wird.
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Der Träger weist einen ersten Bereich mit einem ersten Durchmesser und einen zweiten Bereich mit einem zweiten Durchmesser auf. Der zweite Durchmesser ist z.B. größer als der erste Durchmesser. Beispielsweise ist der Träger zumindest teilweise zylinderförmig ausgebildet. Der erste Durchmesser kann geringer sein, als ein Durchmesser des Aufnahmebereichs wohingegen der zweite Durchmesser größer sein kann, als ein Durchmesser des Aufnahmebereichs. Durch die obere Öffnung des Aufnahmebereichs kann der erste Bereich des Trägers, z.B. mit zumindest einem Teil der Optik, zur Anordnung im Aufnahmebereich in diesen eingesteckt werden.
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Der zweite Bereich des Trägers ist derart ausgebildet, dass er an der Oberseite oder an einem oberen Bereich der Seitenwandung befestigt werden kann. Beispielsweise kann sich durch den größeren zweiten Durchmesser des zweiten Bereichs eine Stufe in der Außenform des Trägers ergeben, wobei eine horizontale Oberfläche des zweiten Bereichs, die eine Seitenfläche des ersten Bereichs mit einer Seitenfläche des zweiten Bereichs verbindet, als Stirnseite des zweiten Bereichs bezeichnet werden kann. Beispielsweise ist vorgesehen, dass der Träger mit der Stirnseite des zweiten Bereichs an der Oberseite, z.B. einer Stirnseite, der Seitenwandung befestigt ist.
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Durch den beschriebenen Aufbau kann erreicht werden, dass z.B. eine Achse des Trägers, insbesondere eine Achse der Mehrzahl an optischen Linsen, z.B. der Optik, zentriert und senkrecht bezüglich des Lidar-Chips angeordnet ist. Dabei kann zwischen einer zum Lidar-Chip weisenden Oberfläche des Trägers und dem Lidar-Chip beispielsweise ein geringer Abstand vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Positionierung der optischen Linsen und des Lidar-Chips einen vorbestimmten Strahlengang der optischen Einheit bewirken, wobei der Träger mit der Optik gegenüber dem Lidar-Chip vorteilhafterweise derart positioniert sein kann, dass der Lidar-Chip in einem Brennpunkt der Optik liegt.
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Bei dem vorgeschlagenen Lidar-System ist vorgesehen, dass zumindest drei Komponenten des Lidar-Systems umfassend die Grundplatte, die Seitenwandung und den Träger aus Materialien ausgebildet sind, die einen gleichen oder zumindest ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere können die drei Komponenten aus einem gleichen Material gebildet sein.
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Bei einer Temperaturveränderung des Lidar-Systems kann sich z.B. eine temperaturbedingte Ausdehnung der Seitenwandung nach oben (z.B. senkrecht von der Grundplatte wegweisend) ergeben, wodurch die Oberseite der Seitenwandung, an der der Träger angebracht ist, und somit der Befestigungsbereich des Trägers von dem Lidar-Chip entfernt wird. Da jedoch der Wärmeausdehnungskoeffizient des Trägermaterials gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Seitenwandung ist, tritt auch am Träger eine Ausdehnung auf, deren Richtung bezüglich des ersten Bereichs des Trägers entgegen der Ausdehnung der Seitenwandung gerichtet ist (z.B. von der Oberseite der Seitenwandung senkrecht zur Grundplatte hinweisend). Diese gegenläufige Ausdehnung kann z.B. eine Positionsänderung von optischen Linsen im ersten Bereich gegenüber dem Lidar-Chip verringern. Durch die gegenläufigen Ausdehnungsrichtungen und die dadurch kompensierte Positionsänderung der Linsen zum Lidar-Chip kann z.B. auch bei Temperaturschwankungen ein Brennpunkt der Optik stets im Bereich des Lidar-Chips o gehalten werden.
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Der vorgeschlagene Aufbau kann somit vorteilhafterweise eine Kompensierung von Wärmeausdehnungseffekten im Lidar-System bewirken. Beispielsweise kann ein Einfluss von durch Wärmeausdehnung (oder Wärmeschrumpfung) auftretenden Positionsänderungen auf eine Funktionalität des Lidar-Systems verringert oder vermieden werden. Beispielsweise verändert sich die Position des Brennpunktes innerhalb eines vorgesehenen Temperaturbereichs (z.B. Betriebsbereich des Lidar-Systems) nur innerhalb eines zulässigen Toleranzbereichs (z.B. innerhalb eines Bereichs von weniger als z.B. einer Höhe des Lidar-Chips). Ferner kann aufgrund einer gleichen seitlichen temperaturbedingten Ausdehnung der Komponenten z.B. erreicht werden, dass die Achse der Optik im Träger bezüglich des Lidar-Chips (z.B. zumindest innerhalb eines Toleranzbereichs) zentriert positioniert bleibt.
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Beispielsweise weicht ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials einer ersten Komponente des Lidar-Systems, z.B. der Seitenwandung, von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Materials einer zweiten Komponente, z.B. des Trägers, um weniger als 10 % (oder weniger als 5 %, weniger als 3 % oder weniger als 1 %) von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials der zweiten Komponente ab. Dadurch kann eine Auswahlmöglichkeit an verwendeten Materialien erhöht und z.B. dennoch eine genügend hohe Kompensierung von Wärmeausdehnungseffekten ermöglicht werden.
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Es ist möglich, für die Grundplatte, die Seitenwandung und den Träger ein gleiches Material zu verwenden. Ein solches Material muss z.B. verschiedenen Anforderungen genügen. Beispielsweise muss das Material für alle Bauteile gleichzeitig geeignet sein, wobei die einzelnen Komponenten unterschiedlichen Anforderungen genügen müssen, z.B. bezüglich Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und/oder Gewicht. Ein geeignetes Material kann Aluminium sein. Beispielsweise weisen dementsprechend die Grundplatte, die Seitenwandung und der Träger Aluminium auf. Die Komponenten können aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung gebildet sein. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Grundplatte für den Lidar-Chip (z.B. Chipträger-Platte) aus Aluminium zu bilden, da dadurch z.B. über einen etwa im Automobilbereich nötigen Temperaturbereich temperaturbedingte Änderungen stets innerhalb eines Toleranzbereichs bleiben können. Beispielsweise können neben dem Temperaturausdehnungskoeffizienten ein geringes Gewicht und/oder eine gute Wärmeleitfähigkeit von Aluminium vorteilhaft sein.
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Die Befestigung des Trägers an der Seitenwandung kann z.B. mittels Kleben erfolgen. Die Stirnseite des zweiten Bereichs des Trägers ist beispielsweise an der Oberseite der Seitenwandung angeklebt. Der Klebstoff kann z.B. eine geringe Elastizität aufweisen, etwa um temperaturbedingte Ausdehnungen der Seitenwandung und/oder des Trägers ausgleichen zu können und/oder um ein Auftreten von mechanischen Spannungen vermeiden zu können. Alternativ kann es möglich sein, den Träger an der Seitenwandung anzuschrauben oder mit der Seitenwandung zu vernieten.
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Es können alternative Konzepte verwendet werden, um den Träger an der Seitenwandung zu befestigen. Beispielsweise kann der Durchmesser des zweiten Bereichs des Trägers dem Durchmesser des Aufnahmebereichs entsprechen und der zweite Bereich teilweise (beispielsweise weniger als 10 % des zweiten Bereichs) in einem oberen Bereich des Aufnahmebereichs an einer Innenwand der Seitenwandung befestigt werden, beispielsweise durch Einklemmen, Kleben, Schrauben oder Nieten. Beispielsweise kann zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich ein Mittelbereich mit einem Durchmesser des Aufnahmebereichs bereitgestellt sein, wobei der Mittelbereich im oberen Bereich des Aufnahmebereichs zum Beispiel eingeklemmt werden kann. Alternativ kann ein Durchmesser des Mittelbereichs größer als ein Durchmesser des Aufnahmebereichs sein und der Mittelbereich kann auf der Oberseite der Seitenwandung befestigt werden. Im Fall, dass ein Mittelbereich bereitgestellt wird, kann beispielsweise der Durchmesser des zweiten Bereichs gleich oder kleiner sein als der Durchmesser des ersten Bereichs. Auf diese Weise können Träger und Basisgehäuse in flexibler Art miteinander verbunden werden, wobei eine Kompensierung der Wärmeausdehnung der Komponenten beibehalten werden kann.
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Beispielsweise bildet der erste Bereich des Trägers mehr als die Hälfte einer Längserstreckung oder axialen Erstreckung des Trägers aus. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der erste Bereich des Trägers eine erste Längserstreckung (beispielsweise entlang einer Achse der Optik im Träger) und der zweite Bereich eine zweite Längserstreckung aufweist, wobei die erste Längserstreckung zumindest das 1,2-fache (oder 1,3-fache, 1,5-fache, 1,7-fache, oder 2-fache) der zweiten Längserstreckung beträgt.
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Zum Beispiel kann die Befestigungsposition des Trägers an der Oberseite der Seitenwandung einen Einfluss auf die Kompensierung von Wärmeausdehnungseffekten haben. Zum Beispiel können die optischen Linsen einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, als das Material des Trägers. Beispielsweise könnte ohne eine Wärmeausdehnung der Linsen eine Positionierung des gesamten Trägers innerhalb des Aufnahmebereichs (z.B. Befestigungspunkt an einem oberen Ende des Trägers) eine Kompensierung verbessern. Aufgrund von Wärmeausdehnungen der Linsen kann jedoch z.B. eine Kompensierung verbessert werden, wenn zumindest ein Teil des Trägers der Optik außerhalb des Aufnahmebereichs angeordnet ist und z.B. eine Befestigungsposition am Träger von dem oberen Ende des Trägers entfernt ist. Ein geeignetes Verhältnis der Längenerstreckung des ersten und des zweiten Bereichs (z.B. eine geeignete Befestigungsposition am Träger), um etwa eine möglichst geringe Veränderung des Brennpunkts über einen weiten Temperaturbereich zu erreichen, kann z.B. mittels Finite-Elemente-Simulation in Abhängigkeit jeweils verwendeter Geometrien und/oder Materialeigenschaften der im Lidar-System verwendeten Komponenten ermittelt werden.
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Beispielsweise kann das Lidar-System für einen Betriebstemperaturbereich zwischen -40°C (oder -20°C, oder -10°C) und +125°C (oder +110°C, oder +95°C) ausgelegt sein. Ein solcher Temperaturbereich kann beispielsweise bei einem Einsatz des Lidar-Systems in einem Kraftfahrzeug erforderlich sein.
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Durch den Systemaufbau und die gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten kann erreicht werden, dass innerhalb des Temperaturbereichs von -40°C bis +125°C eine Positionsabweichung einer Achse der Mehrzahl an optischen Linsen (z.B. der Optik) auf dem Lidar-Chip von einem Mittelpunkt des Lidar-Chips innerhalb eines Toleranzbereichs liegt, z.B. weniger als 3 % (oder 5 %, oder 10 %) einer Längserstreckung des Lidar-Chips beträgt. Da eine seitliche Ausdehnung aller Komponenten zumindest im Wesentlichen gleichmäßig auftreten kann, kann beispielsweise eine seitliche Positionsänderung des Lidar-Chips im Wesentlichen einer seitlichen Positionsänderung der Optik entsprechen. Dadurch kann eine relative Verschiebung der Achse der Optik zu einer Achse des Lidar-Chips bzw. eine Abweichung der zentrierten Anordnung bei Temperaturänderungen vermieden werden.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, im Basisgehäuse sowohl Sende- als auch Empfangskanal bereitzustellen. Entsprechend kann die Seitenwandung ferner einen zweiten Aufnahmebereich begrenzen, in dem ein erster Bereich eines zweiten Trägers mit optischen Linsen angeordnet ist. Beispielsweise bildet die Optik des Trägers eine Empfangsoptik und die Optik des zweiten Trägers eine Sendeoptik. Die Sendeoptik und Empfangsoptik können parallel angeordnet sein.
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Durch die verwendeten Materialien mit gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten kann eine Neigung der Achsen der Empfangsoptik und Sendeoptik zueinander reduziert oder vermieden werden. Beispielsweise ist innerhalb eines Temperaturbereichs von -40°C bis +125°C eine Achse der optischen Linsen des Trägers, z.B. der Empfangsoptik, gegenüber einer Achse der optischen Linsen des zweiten Trägers, z.B. der Sendeoptik, um weniger als 2° (oder um weniger als 1 ° oder weniger als 0,5°) geneigt. Durch die gleichmäßige Ausdehnung aller Komponenten kann zumindest eine zu starke relative Neigung (z.B. außerhalb eines Toleranzbereichs) zwischen den beiden Achsen vermieden werden.
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Beispielsweise kann der Lidar-Chip an einer Vorderseite der Grundplatte angeordnet sein und an einer Rückseite der Grundplatte können Kühlrippen ausgebildet sein. Die Kühlrippen und die Grundplatte können als Einheit ausgebildet sein. Alternativ kann eine Kühlplatte mit Kühlrippen beispielsweise ganzflächig an der Rückseite der Grundplatte angeordnet sein. Die Kühlrippen können eine Wärmeabfuhr des Lidar-Systems, insbesondere von der Sendeeinheit (z.B. einer Sende-Elektronik) des Lidar-Systems, erhöhen. Eine Ausbildung der Grundplatte und/oder der Kühlrippen durch Aluminium kann die Kühlwirkung vorteilhafterweise weiter erhöhen.
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Beispielsweise ist das Lidar-System zur Verwendung in einem Kraftwagen ausgebildet. Das Lidar-System kann eine Schwenkvorrichtung zum Schwenken des Basisgehäuses aufweisen, sodass etwa ein Erfassungsbereich des Lidar-Systems eingestellt oder verändert werden kann. Die Schwenkvorrichtung ist z.B. aus einem Material gebildet, das einen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie ein Material des Basisgehäuses aufweist. Dadurch können beispielsweise mechanische Spannungen zwischen Schwenkvorrichtung und Basisgehäuse bei Temperaturänderungen aufgrund von Wärmeausdehnung vermieden werden.
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Beispielsweise ist auch die Schwenkvorrichtung aus Aluminium gebildet. An einer zur Rückseite der Grundplatte weisenden Oberfläche der Schwenkvorrichtung können Kühlrippen ausgebildet sein. Beispielsweise sind die Kühlrippen der Schwenkvorrichtung zwischen den Kühlrippen auf der Rückseite der Grundplatte ausgebildet. Dabei kann ein Abstand zwischen den Kühlrippen eingehalten werden, sodass ein reibungsloses Schwenken des Basisgehäuses ermöglicht ist. Durch die Kühlrippen der Schwenkvorrichtung und/oder das Ausbilden der Schwenkvorrichtung durch Aluminium kann beispielsweise eine Kühlung des Lidar-System, insbesondere der Sendeeinheit des Lidar-Systems verbessert werden.
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Weitere Merkmale des beschriebenen Lidar-Systems oder LIDAR-Messsystems betreffend den grundsätzlichen Aufbau, insbesondere Sende- und Empfangseinheit, sind beispielsweise gemäß den Ausführungen zum Stand der Technik (
WO 2017/081294 A1 ) ausgebildet. Das LIDAR Messsystem umfasst vorzugsweise eine LIDAR Sendeeinheit sowie eine LIDAR Empfangseinheit.
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Die LIDAR Empfangseinheit (z.B. der als Empfangs-Chip ausgebildete Lidar-Chip) und / oder die LIDAR Sendeeinheit (z.B. der als Sende-Chip ausgebildete Lidar-Chip) sind günstiger Weise in einer Focal Plane-Array Konfiguration ausgebildet. Die Elemente der jeweiligen Einheit sind im Wesentlichen in einer Ebene, günstiger Weise auf einem Chip, angeordnet. Die jeweilige Einheit ist an dem LIDAR Messsystem vorzugsweise in einem Brennpunkt einer entsprechenden Optik, Sendeoptik, oder Empfangsoptik, angeordnet. Insbesondere sind die Sensorelemente bzw. die Emitterelemente im Brennpunkt der Empfangsoptik angeordnet. Eine solche Optik kann beispielsweise durch ein optisches Linsensystem (beispielsweise umfassend die optischen Linsen in einem Träger) ausgebildet sein.
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Die LIDAR Empfangseinheit weist mehrere Sensorelemente auf, welche vorzugsweise als SPAD, Single Photon Avalanche Diode, ausgebildet sind. Die LIDAR Sendeeinheit weist mehrere Emitterelemente zur Aussendung von Laserlicht, günstigerweise Laserpulsen, auf. Die Emitterelemente sind günstiger Weise als VCSEL, Vertical Cavity surface emitting laser, ausgebildet.
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Die Sendeeinheit weist Emitterelemente auf, die über eine Fläche des Sendechips verteilt sind. Die Empfangseinheit weist Sensorelemente auf, die über eine Fläche des Empfangschips verteilt sind. Dem Sendechip ist eine Sendeoptik zugewiesen und dem Empfangschip ist eine Empfangsoptik zugewiesen. Die Optik bildet ein aus einem Raumbereich eintreffendes Licht auf den jeweiligen Chip ab. Der Raumbereich entspricht dem Sichtbereich des Messsystems, der auf Objekte untersucht oder sensiert wird.
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Der Raumbereich der Sendeeinheit und der Empfangseinheit sind im Wesentlichen identisch. Die Sendeoptik bildet ein Emitterelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs darstellt. Das Emitterelement sendet dementsprechend Laserlicht in diesen Raumwinkel aus. Die Emitterelemente decken gemeinsam den gesamten Raumbereich ab.
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Die Empfangsoptik bildet ein Sensorelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs darstellt. Die Anzahl aller Sensorelemente deckt den gesamten Raumbereich ab. Emitterelemente und Sensorelemente, die denselben Raumwinkel betrachten bilden auf einander ab und sind dementsprechend einander zugewiesen. Ein Laserlicht eines Emitterelements bildet im Normalfall immer auf das zugehörige Sensorelement ab. Gegebenenfalls sind mehrere Sensorelemente innerhalb des Raumwinkels eines Emitterelements angeordnet.
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Zur Ermittlung von Objekten innerhalb des Raumbereichs führt das Messsystem einen Messvorgang durch. Ein solcher Messvorgang umfasst einen oder mehrere Messzyklen, je nach konstruktivem Aufbau des Messsystems und dessen Elektronik.
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Vorzugsweise wird das Time Correlated Single Photon Counting Verfahren, TCSPC, verwendet. Hierbei werden einzelne eintreffende Photonen detektiert, insbesondere durch SPAD, und der Zeitpunkt der Auslösung des Sensorelements, auch Detektionszeitpunkt, in einem Speicherelement abgelegt. Der Detektionszeitpunkt steht im Verhältnis zu einem Referenzzeitpunkt, zu dem das Laserlicht ausgesendet wird. Aus der Differenz lässt sich die Laufzeit des Laserlichts ermitteln, woraus der Abstand des Objekts bestimmt werden kann.
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Ein Sensorelement kann einerseits von dem Laserlicht und andererseits von der Umgebungsstrahlung ausgelöst werden. Ein Laserlicht trifft bei einem bestimmten Abstand des Objekts immer zur gleichen Zeit ein, wohingegen die Umgebungsstrahlung jederzeit dieselbe Wahrscheinlichkeit bereitstellt ein Sensorelement auszulösen. Bei der mehrfachen Durchführung einer Messung, insbesondere mehrerer Messzyklen, summieren sich die Auslösungen des Sensorelements bei dem Detektionszeitpunkt, der der der Laufzeit des Laserlichts bezüglich der Entfernung des Objekts entspricht, wohingegen sich die Auslösungen durch die Umgebungsstrahlung gleichmäßig über die Messdauer eines Messzyklus verteilen. Eine Messung entspricht dem Aussenden und anschließendem Detektieren des Laserlichts. Die in dem Speicherelement abgelegten Daten der einzelnen Messzyklen eines Messvorgangs ermöglichen eine Auswertung der mehrfach ermittelten Detektionszeitpunkte, um auf den Abstand des Objekts zu schließen.
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Ein Sensorelement ist günstigerweise mit einem Time to Digital Converter, TDC, verbunden, der den Zeitpunkt des Auslösens der Sensoreinheit in dem Speicherelement ablegt. Ein solches Speicherelement kann beispielsweise als Kurzzeitspeicher oder als Langzeitspeicher ausgebildet sein. Der TDC füllt für einen Messvorgang ein Speicherelement mit den Zeitpunkten, zu denen die Sensorelemente ein eintreffendes Photon detektierten. Dies lässt sich grafisch durch ein Histogramm, welches auf den Daten des Speicherelements basiert. Bei einem Histogramm ist die Dauer eines Messzyklus in kurze Zeitabschnitte unterteilt, sogenannte Bins. Wird ein Sensorelement ausgelöst, so erhöht der TDC den Wert eines Bin um eins. Es wird der Bin aufgefüllt, welcher der Laufzeit des Laserpulses entspricht, also die Differenz zwischen Detektionszeitpunkt und Referenzzeitpunkt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Gehäuse für ein beschriebenes Lidar-System. Das Gehäuse umfasst ein Basisgehäuse mit einer Grundplatte und einer Seitenwandung, die mit der Grundplatte verbunden ist. Die Seitenwandung begrenzt einen Aufnahmebereich oberhalb der Grundplatte. Ferner umfasst das Gehäuse zumindest einen Träger mit Aufnahmemitteln für eine Mehrzahl an optischen Linsen. Ein erster Bereich des Trägers ist zur Anordnung im Aufnahmebereich ausgebildet und ein zweiter Bereich des Trägers weist beispielsweise einen größeren Durchmesser als der Aufnahmebereich auf. Der zweite Bereich des Trägers ist zur Befestigung an einem oberen Bereich, z.B. einer Oberseite der Seitenwandung ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, dass eine axiale Erstreckung des ersten Bereichs größer ist als eine axiale Erstreckung des zweiten Bereichs.
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Beispielsweise sind die Grundplatte, die Seitenwandung und der Träger des Gehäuses aus Materialien mit einem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet. Beispielsweise sind die Grundplatte, die Seitenwandung und der Träger aus einem gleichen Material, beispielsweise Aluminium, ausgebildet.
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Das beschriebene Gehäuse kann vorteilhafter Weise zum Aufbau eines Lidar-Systems mit Kompensierung von Wärmeausdehnungseffekten auf Sende- und/oder Empfangswege von Lichtsignalen verwendet werden. Beispielsweise kann auf der Grundplatte ein Lidar-Chip und im Träger optische Linsen einer Optik des Lidar-Systems angeordnet werden. Durch die geometrische Form des Trägers kann der erste Bereich des Trägers im Aufnahmebereich des Basisgehäuses angeordnet werden und der Träger kann mit dem zweiten Bereich an der Oberseite der Seitenwandung befestigt, beispielsweise verklebt werden.
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Aufgrund der vorteilhaften Anordnung des Trägers gegenüber dem Basisgehäuse und/oder der gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beschriebenen Komponenten des Gehäuses kann sich bei einer Temperaturveränderung eine gegenläufige Ausdehnung der Komponenten ergeben. Dadurch kann beispielsweise ein Brennpunkt einer durch die optischen Linsen gebildeten Optik des Lidar-Systems innerhalb eines weiten Temperaturbereichs (z.B. von -40°C bis +125°C) auf einer konstanten Position oder innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs gehalten werden. Durch Verwendung des vorgeschlagenen Gehäuses kann in vorteilhafter Weise ein Lidar-System bereitgestellt werden, dass innerhalb eines weiten Temperaturbereichs betrieben werden kann.
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Weiterbildungen des Gehäuses für das Lidar-System betreffen Merkmale von Weiterbildungen wie sie bereits in Verbindung mit dem Lidar-System beschrieben sind. Daher wird auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet und die entsprechenden Merkmale gelten auch in Verbindung mit dem Gehäuse für das Lidar-System als offenbart. Weitere Aspekte der Erfindung sind auch in Verbindung mit den folgenden Beispielen offenbart.
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Einige Beispiele von Vorrichtungen werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Beispiel eines Lidar-Systems mit einem Basiskörper und einem Träger;
- 2 einen Querschnitt des in 1 dargestellten Lidar-Systems; und
- 3 einen schematischen Querschnitt eines Lidar-Systems mit optischen Linsen in einem Träger des Lidar-Systems.
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1 zeigt ein Beispiel eines Lidar-Systems 10 mit einem Basisgehäuse 12 und mit einem Träger 18 (z.B. einem erstem Träger). Das Basisgehäuse 12 umfasst eine Grundplatte 14 und eine Seitenwandung 16. Das Lidar-System 10 weist ferner einen zweiten Träger 19 auf. In beiden Trägern 18, 19 sind jeweils optische Linsen 20, 21 angeordnet, die eine jeweilige Optik bilden. Beispielsweise ist im Träger 18 eine Sendeoptik und im Träger 19 eine Empfangsoptik des Lidar-Systems 10 ausgebildet.
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Der Träger 18 umfasst einen ersten Bereich 18a, der innerhalb der Seitenwandung 16 aufgenommen ist (vgl. 2) und einen zweiten Bereich 18b, der oberhalb der Seitenwandung 16 angeordnet ist. Im Beispiel der 1 ist der zweite Bereich 18b zylinderförmig ausgebildet und eine der Seitenwandung 16 zugewandte Stirnseite des Zylinders des zweiten Bereichs liegt auf einer Oberseite 16a der Seitenwandung auf. Als Befestigungsmittel zwischen Seitenwandung 16 und Träger 18 ist ein Klebemittel 22, beispielsweise ein Klebestreifen oder Klebering, zwischen der Stirnseite des zweiten Bereichs und der Oberseite 16a der Seitenwandung 16 angeordnet. Ein zweites Klebemittel 23 ist zur Befestigung des zweiten Trägers 19 bereitgestellt.
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Die Seitenwandung 16 gemäß dem Beispiel aus 1 kann mittels eines Befestigungsmittels 24 (z.B. Schraube) mit der Grundplatte 14 verbunden sein. Alternativ kann die Seitenwandung beispielsweise mit der Grundplatte 14 verklebt sein oder das Basisgehäuse kann einteilig ausgebildet sein. Das Lidar-System 10 ist an einer Schwenkvorrichtung 26 mit einer Halterung 26a und einer Welle 26b montiert. Das Basisgehäuse 12 kann über die Welle 26b gegenüber der Halterung 26a geschwenkt werden. Dadurch kann beispielsweise ein Erfassungsbereich des Lidar-Systems 10 eingestellt werden. Die mechanische Welle 26b kann mit dem Basisgehäuse 12 verbunden sein oder mit diesem einteilig ausgebildet sein.
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An der Halterung 26a sind auf der zum Basisgehäuse 12 weisenden Seite Kühlrippen 28 ausgebildet. Auf einer Rückseite der Grundplatte 14 ist eine Kühlplatte 30 mit Kühlrippen 31 angeordnet. Die Kühlrippen 28 der Halterung 26a und die Kühlrippen 31 des Basisgehäuses können nebeneinander abwechselnd ausgebildet sein, wobei z.B. ein direkter Kontakt zwischen den Kühlrippen vermieden ist, um ein Schwenken der Schwenkvorrichtung zu gewährleisten.
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Beispielsweise weisen sowohl Grundplatte 14, Seitenwandung 16, Träger 18, 19, als auch Schwenkvorrichtung 26 Aluminium auf. Dadurch können diese Komponenten gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Die Befestigung des Trägers 18 an der Oberseite 16a der Seitenwandung 16 in Verbindung mit den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ermöglicht z.B. eine Kompensierung von Wärmeausdehnungseffekten im Lidar-System 10. Dadurch ist es möglich, das Lidar-System 10 z.B. in einem weiten Temperaturbereich zu betreiben, ohne dass vorbestimmte Toleranzparameter überschritten werden.
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Die Ausbildung der Komponenten (insbesondere Grundplatte 14, Kühlplatte 30 und Halterung 26a) aus Aluminium kann zusätzlich eine verbesserte Wärmeabfuhr von einer Elektronik (z.B. von Lidar-Chips 32, 33, vgl. 2) des Lidar Systems 10, die auf der Grundplatte 14 angeordnet ist, ermöglichen.
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In 1 ist ferner ein Kontaktanschluss 32a und eine Kontaktverbindung 32b, beispielsweise eine flexible Verbindung wie ein Flachbandkabel, zur Kontaktierung der Elektronik des Lidar-Systems 10 gezeigt. Der Kontaktanschluss 32a, beispielsweise eine Steckverbindung, kann aus Aluminium oder alternativ aus einem anderen elektrisch leitenden Material ausgebildet sein.
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2 zeigt einen Querschnitt des in 1 dargestellten Lidar-Systems 10. Insbesondere ist zu erkennen, dass die Seitenwandung 16 einen Aufnahmebereich 17 oberhalb eines Lidar-Chips 32, beispielsweise eines Sende-Chips, begrenzt. Innerhalb des Aufnahmebereichs 17 und oberhalb des Lidar-Chips 32 ist der erste Bereich 18a des Trägers 18 angeordnet. Ein Durchmesser des ersten Bereichs 18a ist geringer als ein Durchmesser des Aufnahmebereichs 17, sodass der erste Bereich 18a keinen Kontakt mit einer Innenwand der Seitenwandung 16 hat. Dadurch kann eine gegenläufige wärmebedingte Ausdehnung der Seitenwandung 16 und des ersten Bereichs 18a auftreten. Beispielsweise ist die Innenwand der Seitenwandung 16 konisch ausgebildet, wobei ein Durchmesser des Aufnahmebereichs 17 in Richtung der Grundplatte 14 zunehmen kann. Wenn sich die Seitenwandung 16 beispielsweise nach oben (in Richtung einer Flächennormalen der Grundplatte) ausdehnt, kann sich der erste Bereich 18a nach unten ausdehnen, sodass ein Abstand zwischen einem unteren Ende des ersten Bereichs 18a und dem Lidar-Chip 32 im Wesentlichen konstant bleiben kann oder sich nur unwesentlich ändert.
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Beispielsweise kann die gegenläufige Ausdehnung von Seitenwandung 16 und erstem Bereich 18a in Verbindung mit einer Ausdehnung des zweiten Bereichs 18b zu einer relativen Positionsverschiebung zwischen optischen Linsen 20 innerhalb des Trägers 18 führen. Gleichzeitig kann eine Temperaturveränderung auch eine Ausdehnung der optischen Linsen 20 (beispielsweise mit einem anderen Temperaturkoeffizienten als der Träger 18) bewirken. Die Position der Befestigung des Trägers und der Seitenwandung (z.B. Klebepunkt, z.B. Position des Klebestreifens 22), kann derart gewählt sein, dass die Positionsänderungen und Ausdehnungen der optischen Linsen 20 der Optik kompensiert werden, sodass z.B. ein Brennpunkt der Optik auch bei Temperaturänderungen über einen weiten Temperaturbereich stets auf dem Lidar-Chip 32 oder in einem Toleranzbereich um den Lidar-Chip 32 liegt.
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In 2 ist eine Achse 34 des Trägers 18, beispielsweise einer Optik des Trägers 18, dargestellt, die gegenüber dem Lidar-Chip 32 zentriert und senkrecht angeordnet ist. Ferner ist eine Achse 35 des zweiten Trägers 19 dargestellt, die gegenüber einem zweiten Lidar-Chip 33 zentriert und senkrecht angeordnet ist.
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Bei einer Ausdehnung der Grundplatte 14 in horizontaler Richtung (z.B. entlang einer Hauptfläche der Grundplatte 14) kann sich z.B. ein Abstand zwischen dem Lidar-Chip 32 und dem zweiten Lidar-Chip 33 verändern. Aufgrund der verwendeten Materialien mit gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder eines symmetrischen Aufbaus kann jedoch bei einer Ausdehnung der Grundplatte 14 auch eine horizontale Ausdehnung der Seitenwandung 16 und der Träger 18, 19 auftreten, sodass sich zumindest eine relative Position zwischen der Achse 34 des Trägers 18 und dem Lidar-Chip 32 nicht oder nur geringfügig innerhalb eines Toleranzbereiches verändert. Beispielsweise kann sich bei einer horizontalen, wärmebedingten Ausdehnung des Lidar-Systems 10 ferner ein Abstand zwischen den optischen Achsen zwischen den Achsen 34, 35 verändern, wohingegen eine Ausrichtung der beiden Achsen im Wesentlichen parallel bleiben kann. Dadurch kann eine Funktionalität des Lidar-Systems 10 auch bei hohen Temperaturänderungen erhalten bleiben.
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3 zeigt einen schematischen Querschnitt des Lidar-Systems 10 mit optischen Linsen in dem Träger 18 des Lidar-Systems 10. Die Optik im Träger 18 weist eine Mehrzahl an Linsen 20a, 20b, 20c auf. Entsprechend weist die Optik im Träger 19 eine Mehrzahl an optischen Linsen 21a, 21b, 21c auf, die beispielsweise den optischen Linsen 20a, 20b, 20c entsprechen können. Ein Innenbereich des Trägers 18 kann stufenförmig ausgebildet sein, wobei die einzelnen Stufen als Aufnahmemittel für die optischen Linsen dienen können. Die Linse 20a liegt beispielsweise auf einer ersten Stufe im zweiten Bereich 18b auf. Die Linse 20a kann an einer inneren Seitenwand des Trägers 18 und/oder einer horizontalen Oberfläche der ersten Stufe befestigt werden. Bei einer Wärmeausdehnung des Trägers 18 kann sich eine Positionsveränderung der optischen Linsen 20a, 20b, 20c ergeben. Beispielsweise kann bei einer Wärmeausdehnung des zweiten Bereichs 18b die erste Linse 20a bezüglich des Befestigungspunktes des Trägers nach oben gedrückt werden. Dagegen können jedoch Linsen im ersten Bereich 18a bei einer gleichzeitig auftretenden Wärmeausdehnung des ersten Bereichs 18a nach unten gedrückt werden, sodass z.B. insgesamt Veränderungen im Strahlengang der Optik kompensiert werden können.
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In 3 ist zu erkennen, dass im ersten Bereich 18a eine höhere Zahl an optischen Linsen angeordnet sein kann, als im zweiten Bereich 18b. Zum Beispiel sind im ersten Bereich 18a vier Linsen und im zweiten Bereich 18b zwei Linsen angeordnet.
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Es sind Treiberschaltungen 32c des Lidar-Chips 32, beispielsweise des Sendechips des Lidar-Systems 10 dargestellt. Die Treiberschaltungen 32c können mittels des Kontaktanschlusses 32a und der Kontaktverbindung 32b angesteuert werden. Ferner zeigt 3 die Frontbrennweite (Front Focal Length) FFL der Empfangsoptik im zweiten Träger 19, die unter Verwendung der Linsen 21a, 21b, 21c gebildet ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Lidar-Systemaufbau, z.B. ein Lidar-System oder ein Gehäuse für ein Lidar-System, zur Kompensation von Wärmeausdehnungskoeffizienten vorgeschlagen. Dadurch kann eine hochpräzise Platzierung oder Positionierung von Bauteilen über einen weiten Temperaturbereich hinweg ermöglicht werden. Die Wärmeausdehnung von Komponenten, die bei anderen Systemen unter Temperatureinfluss (z.B. Temperaturerhöhung oder Temperaturverringerung) zu Verschiebungen einer bei einer vorbestimmten Temperatur bereitgestellten hochgenauen Ausrichtung oder Positionierung der Komponenten führen kann, wird erfindungsgemäß berücksichtigt. Durch den vorgeschlagenen Systemaufbau, der z.B. durchgängig gleiche Materialien nutzt, können Wärmeausdehnungseffekte vorteilhafterweise kompensiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lidar-System
- 12
- Basisgehäuse
- 14
- Grundplatte
- 16
- Seitenwandung
- 16a
- Oberseite der Seitenwandung
- 17
- Aufnahmebereich
- 18, 19
- Träger
- 18a
- erster Bereich des Trägers
- 18b
- zweiter Bereich des Trägers
- 20, 21
- optische Linsen
- 22, 23
- Klebemittel
- 24
- Befestigungsmittel
- 26
- Schwenkvorrichtung
- 26a
- Welle der Schwenkvorrichtung
- 26b
- Halterung der Schwenkvorrichtung
- 28
- Kühlrippen der Schwenkvorrichtung
- 30
- Kühlplatte
- 31
- Kühlrippen der Kühlplatte
- 32, 33
- Lidar-Chip
- 32a
- Kontaktanschluss
- 32b
- Kontaktverbindung
- 32c
- Treiberschaltung
- 34, 35
- Achse des Trägers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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