DE102019208269A1 - Lidar-Vorrichtung - Google Patents

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Abstract

Lidar-Vorrichtung (100), aufweisend:- ein Gehäuse (10); und- eine um eine Rotationsachse (A) rotierbar angeordnete Emittereinrichtung (20), die ausgebildet ist, dass sich Messstrahlen (S1...Sn) der Emittereinrichtung (20) im Bereich einer Austrittsapertur (30) der Lidar-Vorrichtung (100) schneiden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lidar-Vorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Lidar-Vorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Lidar-Sensoren werden sich in den nächsten Jahren bei der Realisierung von hochautomatisierten Fahrfunktion auf Autobahnen und im urbanen Umfeld etablieren. Eine wesentliche Eigenschaft dieser Sensoren ist, dass die erwartete Performance nur dann erreicht werden kann, wenn das optische Austrittsfenster zur Umwelt im Wesentlichen frei von Verunreinigungen und/oder Verdeckungen ist.
  • Optoelektronische 3D-Scanner sind in unterschiedlichen Varianten bekannt. Hierunter versteht man rotierende Makroscanner, MEMS-basierende Scanner, OPA (engl. Optical Phase Array)-LIDAR, Flash-LIDAR. Allen genannten Systemen ist gemeinsam, dass sie ausgesendetes Laserlicht sammeln. Dabei gibt es optische Systeme, die aus einer oder aus mehreren Linsen bestehen. Alle haben sie gemeinsam, dass sie einen langen optischen Empfangspfad bzw. eine große Anzahl von Linsen aufweisen.
  • Lidar-Sensoren mit rotierendem Sende- und Empfangspfad senden einen oder mehrere Lichtstrahlen in den zu beobachtenden Raum. Dabei wird ein aufgefächertes Lichtbündel „über den Raum geschwenkt“. Dieses Lichtbündel wird von der Sendeeinheit divergent in den Raum ausgestrahlt und benötigt daher ein Austrittsfenster, das größer ist als eine Fläche, die die Emitter belegen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Lidar-Vorrichtung bereit zu stellen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Lidar-Vorrichtung, aufweisend:
    • - ein Gehäuse; und
    • - eine um eine Rotationsachse rotierbar angeordnete Emittereinrichtung, die ausgebildet ist, dass sich Messstrahlen der Emittereinrichtung im Bereich einer Austrittsapertur der Lidar-Vorrichtung schneiden.
  • Vorteilhaft kann dadurch eine Austrittsapertur bzw. ein Austrittsfenster bzw. eine Austrittslinse betreffend eine geometrische Höhe minimal ausgebildet werden, wodurch sich vorteilhaft ein Aufwand für das Kaschieren der Lidar-Vorrichtung im Kraftfahrzeug minimieren lässt. Vorteilhaft lässt sich die Lidar-Vorrichtung dadurch leichter an unterschiedlichen Positionen des Fahrzeugs verbauen. Ferner kann auch ein Aufwand für die Bereitstellung der Austrittsapertur vorteilhaft minimiert sein.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Lidar-Vorrichtung, aufweisend die Schritte:
    • - Bereitstellen eines Gehäuses; und
    • - Bereitstellen einer um eine Rotationsachse rotierbar angeordneten Emittereinrichtung, die ausgebildet wird, dass sich Messstrahlen der Emittereinrichtung im Bereich einer Austrittsapertur der Lidar-Vorrichtung schneiden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Lidar-Vorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass geometrische Richtungen der Messstrahlen durch definierte geometrische Ausrichtungen von Emitterelementen der Emittereinrichtung einstellbar sind. Auf diese Weise werden die unterschiedlich ausgerichteten Messstrahlen dadurch bereitgestellt, dass die Emitterelemente unter einem geeigneten Winkel eingebaut werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass geometrische Richtungen der Messstrahlen mittels optischer Strahlformungselemente vor der Emittereinrichtung einstellbar sind. Auf diese Weise wird eine alternative Form der Richtungseinstellung der Messstrahlen der Emittereinrichtung bereitgestellt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung sieht vor, dass die optischen Strahlformungselemente als Linsen oder optische Gitter ausgebildet sind. Vorteilhaft werden dadurch unterschiedliche optische Strahlformungselemente bereitgestellt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung sieht vor, dass die Emittereinrichtung als ein vertikaler Flash-Lidar ausgebildet ist. Vorteilhaft lässt sich dadurch die Emittereinrichtung ohne optische Strahlungsformungselemente ausbilden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrahlen der Emittereinrichtung eine Kaustik bilden. Vorteilhaft sind dadurch für die Lidar-Vorrichtung in unterschiedlichen Raumbereichen unterschiedliche Winkelauflösungen realisierbar, z.B. können in der Mitte eine eher hohe Auflösung sowie oben und unten eher eine eher geringe Auflösung realisiert werden. Vorteilhaft lassen sich auf diese Weise extrem hohe Leistungsdichten in einem Punkt vermeiden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Lidar-Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schnittpunkt der Messstrahlen innerhalb oder außerhalb des Gehäuses liegt. Dadurch werden unterschiedliche technische Lösungen für die Strahlformung der Messstrahlen der Emittereinrichtung bereitgestellt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Lidar-Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Emittereinrichtung die Messstrahlen horizontal in unterschiedliche Richtungen emittierbar sind. Auf diese Weise lassen sich vorteilhaft eine Augensicherheit der Lidar-Vorrichtung verbessern, weil in horizontaler Richtung die Messstrahlen in unterschiedliche Richtungen emittiert werden. Vorteilhaft kann dadurch eine überhöhte Leistungsdichte in einzelnen Punkten weitestgehend vermieden werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von definiert nahen Objekten zur Lidar-Vorrichtung die Emittereinrichtung abschaltbar ist. Beispielsweise ist dies dadurch realisierbar, dass ein Detektor sehr nahe Objekte erkennt und daraufhin die Lidar-Vorrichtung aus Sicherheitsgründen abschaltet. Auf einfache Weise wird dadurch eine Sicherheitsabschaltung für die Lidar-Vorrichtung bereitgestellt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Lidar-Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine minimale Höhe der Austrittsapertur durch einen Empfangspfad der Lidar-Vorrichtung definiert wird. Eine minimale geometrische Höhe der Austrittsapertur ist auch durch die Empfangsarchitektur bestimmt. Diese hängt auch stark vom Typ des Lidar-Sensors ab, ob z.B. noch eine Optik davor angeordnet ist, usw. im Ergebnis lässt sich auf diese Weise die Höhe der Ausgangsapertur nicht beliebig klein ausbilden, sondern hängt auch stark von der technischen Ausgestaltung der Empfangsarchitektur der Lidar-Vorrichtung ab.
  • Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bauelemente haben dabei gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt.
  • Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die Lidar-Vorrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung einer Lidar-Vorrichtung ergeben und umgekehrt.
  • In den Figuren zeigt:
    • 1 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Lidar-Vorrichtung;
    • 2-6 prinzipielle Ansichten von Ausführungsformen einer vorgeschlagenen Lidar-Vorrichtung; und
    • 7 ein Ablaufdiagramm eines vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen einer vorgeschlagenen Lidar-Vorrichtung.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, eine verbesserte Lidar-Vorrichtung, insbesondere was einen Geometrieaspekt betrifft, bereit zu stellen.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Lidar-Vorrichtung 100. Man erkennt ein Gehäuse 10, in welchem eine Emittereinrichtung 20 um eine Rotationsachse A drehbar angeordnet ist, die Messstrahlen S1 ...Sn durch eine Austrittsapertur 30 bzw. ein Austrittsfenster nach außen in die Umgebung emittiert. Auf diese Weise wird eine rotierbare bzw. rotierende Lidar-Vorrichtung 100 (engl. spinning lidar) ausgebildet, deren Sende- und Empfangseinrichtung um die Rotationsachse A rotierend angeordnet sind. Derartige rotierende Lidar-Sensoren weisen in der Regel eine divergente Verteilung der Messstrahlung auf, wodurch sie eine relativ große Austrittsapertur 30 benötigen. Für die Austrittsapertur 30 wird als optisches Element üblicherweise ein synthetischer Kunststoff, z. B. in Form von Polycarbonat (PC) oder Polymethylmethacrylat (PMMA, „Acrylglas“, „Plexiglas“) verwendet, weil dieses Material gegenüber Glasmaterial leichter herstellbar ist.
  • Vorgeschlagen wird, durch eine gezielte Auslegung des Strahlenganges die Lidar-Vorrichtung 100 mit einem konvergenten Strahlengang der Messstrahlen S1 ... Sn auszustatten, wobei sich in einer Querschnittsansicht die einzelnen Messstrahlen S1 ...Sn schneiden. Je näher der schmalste Punkt der Messstrahlungsverteilung an der Austrittsapertur 30 liegt, umso kleiner bzw. umso weniger hoch kann diese ausgelegt werden. Die Höhe der Austrittsapertur 30 kann dadurch unter Umständen vorteilhaft kleiner als die Höhe der Emittereinrichtung 20 auf dem Rotor (nicht dargestellt) sein, wie man es in der Querschnittsansicht einer vorgeschlagenen Lidar-Vorrichtung 100 von 2 erkennt. Die Messstrahlen S1 ... Sn können sich direkt in einem Brennpunkt schneiden oder eine Strahltaille, ähnlich einer Kaustik bilden.
  • Man erkennt in der Querschnittsansicht der Lidar-Vorrichtung 100 von 2, dass sich die Messstrahlen S1 ... Sn in einem Brennpunkt innerhalb der Austrittsapertur 30 schneiden. Die Höhe der Fensteröffnung der Austrittsapertur 30 kann dabei bei gleichem Öffnungswinkel vorteilhaft kleiner sein als bei der herkömmlichen Lidar-Vorrichtung 100 von 1.
  • In der Querschnittsansicht der Ausführungsform der Lidar-Vorrichtung 100 von 3 ist erkennbar, dass sich die Messstrahlen S1 ...Sn nicht unbedingt in einem einzelnen, gemeinsamen Brennpunkt schneiden müssen. In diesem Fall wird ein Verlauf der Messstrahlen S1 ...Sn analog einer Kaustik gebildet, wobei durch diesen Verlauf der Messstrahlen S1 ...Sn eine Strahldichte über einen „Fächer“ der Messstrahlen S1 ...Sn variiert werden kann.
  • In der Querschnittsansicht der Ausführungsform der Lidar-Vorrichtung 100 von 4 ist erkennbar, dass die Strahltaille bzw. der Schnittpunkt der Messstrahlen S1 ...Sn nicht nur, wie es in den 2 und 3 der Fall ist, innerhalb der Austrittsapertur 30, sondern auch außerhalb der Austrittsapertur 30 bzw. außerhalb des Gehäuses 10 liegen kann. Auch hier ist ein kaustischer Strahlenverlauf der Messstrahlen S1 ...Sn analog zur Anordnung von 3 möglich, der im Sinne einer Augensicherheit einer vor der Lidar-Vorrichtung 100 befindlichen Person vorteilhaft ist. Dies lässt sich vor allem dadurch begründen, dass in der Strahltaille weniger Intensität der Messstrahlen S1 ...Sn pro Flächen- bzw. Raumeinheit auftritt.
  • Die Bündelung der Messstrahlen S1 ...Sn auf engem Raum kann sich unter Umständen nämlich nachteilig auf die Augensicherheit bzw. auf die maximal zulässige Sendeleistung der Emittereinrichtung 20 der Lidar-Vorrichtung 100 bzw. des damit ausgerüsteten Lidar-Sensors auswirken. Um diesen Nachteil zu umgehen bzw. wenigstens abzuschwächen, können mehrere unterschiedliche Möglichkeiten vorgesehen sein:
    • Es kann zu diesem Zweck z.B. vorgesehen sein, dass ein automatisches Abschalten der Emittereinrichtung 20 durchgeführt wird, falls von der Lidar-Vorrichtung 100 sehr nahe an der Lidar-Vorrichtung 100 befindliche Objekte bzw. Personen erkannt werden. Dies kann durch eine Detektion und Auswertung von Sensordaten der Lidar-Vorrichtung 100 oder optional durch einen zusätzlichen Näherungssensor (nicht dargestellt) an der Lidar-Vorrichtung 100 oder am Fahrzeug erreicht werden.
  • Ferner können die Messstrahlen S1 ...Sn zu einer augensicheren Messstrahlungsverteilung um die Rotationsachse A auch aufgefächert werden, was in der Draufsicht der Lidar-Vorrichtung 100 von 5 erkennbar ist. Vorgesehen ist in diesem Fall, dass die drei exemplarischen Messstrahlen S1 , S2 und S3 in der Draufsicht jeweils um einen definierten Winkel zueinander versetzt sind, was sich auf eine in 6 dargestellte Querschnittsverteilung der Messstrahlen S1 , S2, S3 der Lidar-Vorrichtung 100 nicht nachteilig auswirkt. Die Messstrahlen S1 ...Sn werden in diesem Fall lediglich um die Rotationsachse A der Lidar-Vorrichtung 100 „aufgefächert“.
  • Die Emittereinrichtung 20 kann z.B. mehrere Emitterelemente (z.B. in Form von Laserdioden, nicht dargestellt) umfassen, die zum Erreichen der vorgesehenen Strahlungsrichtung jeweils geeignet ausgerichtet werden. Die Richtungscharakteristik der Messstrahlen S1 ...Sn kann alternativ auch mittels optischer Strahlformungselemente (nicht dargestellt) erreicht werden, die beispielsweise in Form eines optischen Gitters, einer Linse, usw. ausgebildet sind.
  • Die vorgeschlagene Lidar-Vorrichtung 100 kann dadurch sowohl für Sensoren mit einzelnen Messpulsen pro Messpunkt, als auch für eine Lidar-Vorrichtung 100 mit streifenförmiger Messstrahlungsverteilung, die mittels eines vertikalen Flash-Lidars erreicht wird, verwendet werden. Mittels des vertikalen Flash-Lidars kann eine geeignet ausgerichtete „Messstrahlungsebene“ emittiert werden.
  • Eine minimale Größe des Fensters der Austrittsapertur 30 kann durch einen Detektions- bzw. Empfangspfad (nicht dargestellt) der Lidar-Vorrichtung 100 definiert sein, da eine geringe Austrittsapertur 30 das Signal-Rausch-Verhältnis des Empfangssignals negativ beeinflussen kann. Hier muss in der Auslegung die optimale Fenstergröße der Austrittsapertur 30 bestimmt werden bzw. der Detektor an die gegebene Öffnung der Austrittsapertur 30 angepasst werden.
  • Es versteht sich von selbst, dass in allen genannten Varianten der Lidar-Vorrichtung 100 die Messstrahlen S1 ...Sn lediglich exemplarisch dargestellt bzw. beispielhaft ausgewählt sind, und dass von der Emittereinrichtung 20 noch wesentlich mehr Messstrahlen S1 ...Sn , als in den Figuren dargestellt, emittiert werden können.
  • Vorteilhaft kann die vorgeschlagene Lidar-Vorrichtung 100 z.B. zur Detektion der Umgebung in hoch- und vollautomatisierten Fahrzeugen (Level 3-5) eingesetzt werden.
  • 7 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen einer Lidar-Vorrichtung 100.
  • In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen eines Gehäuses 10 durchgeführt.
  • In einem Schritt 210 erfolgt ein Bereitstellen einer um eine Rotationsachse A rotierbar angeordneten Emittereinrichtung 20, die ausgebildet wird, dass sich Messstrahlen S1 ...Sn der Emittereinrichtung 20 im Bereich einer Austrittsapertur 30 der Lidar-Vorrichtung 100 schneiden.
  • Vorteilhaft lässt sich die Reihenfolge der Schritte 200 und 210 auch vertauschen.
  • Vorteilhaft ist mit der vorgeschlagenen Lidar-Vorrichtung eine Integration in ein Fahrzeug wesentlich einfacher zu realisieren, weil die zu kaschierende Austrittsapertur (z.B. im Kühlergrill) wesentlich kleiner sein kann als bei herkömmlichen Lidar-Vorrichtungen, sodass dadurch die Lidar-Vorrichtung von außen nicht sichtbar ist.
  • Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einem optoelektronischen 3D-Scanner in Form eines Lidar-Sensors für ein Kraftfahrzeug erläutert wurde, ist es beispielsweise auch denkbar, die vorgeschlagene Lidar-Vorrichtung 100 für andere Verwendungen vorzusehen, z.B. als eine Anwendung zur Gebäudeüberwachung, usw. auszubilden.
  • Der Fachmann erkennt somit, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims (11)

  1. Lidar-Vorrichtung (100), aufweisend: - ein Gehäuse (10); und - eine um eine Rotationsachse (A) rotierbar angeordnete Emittereinrichtung (20), die ausgebildet ist, dass sich Messstrahlen (S1...Sn) der Emittereinrichtung (20) im Bereich einer Austrittsapertur (30) der Lidar-Vorrichtung (100) schneiden.
  2. Lidar-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass geometrische Richtungen der Messstrahlen (S1...Sn) durch definierte geometrische Ausrichtungen von Emitterelementen der Emittereinrichtung (20) einstellbar sind.
  3. Lidar-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass geometrische Richtungen der Messstrahlen (S1...Sn) mittels optischer Strahlformungselemente vor der Emittereinrichtung (20) einstellbar sind.
  4. Lidar-Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Strahlformungselemente als Linsen oder optische Gitter ausgebildet sind.
  5. Lidar-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emittereinrichtung (20) als ein vertikaler Flash-Lidar ausgebildet ist.
  6. Lidar-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrahlen (S1...Sn) der Emittereinrichtung (20) eine Kaustik bilden.
  7. Lidar-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittpunkt der Messstrahlen (S1...Sn) innerhalb oder außerhalb des Gehäuses (10) liegt.
  8. Lidar-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Emittereinrichtung (20) die Messstrahlen (S1...Sn) horizontal in unterschiedliche Richtungen emittierbar sind.
  9. Lidar-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von definiert nahen Objekten zur Lidar-Vorrichtung (100) die Emittereinrichtung (20) abschaltbar ist.
  10. Lidar-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine minimale Höhe der Austrittsapertur (30) durch einen Empfangspfad der Lidar-Vorrichtung (100) definiert wird.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Lidar-Vorrichtung (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines Gehäuses (10); und - Bereitstellen einer um eine Rotationsachse (A) rotierbar angeordneten Emittereinrichtung (20), die ausgebildet wird, dass sich Messstrahlen (S1...Sn) der Emittereinrichtung (20) im Bereich einer Austrittsapertur (30) der Lidar-Vorrichtung (100) schneiden.
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