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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sendeeinheit zum Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld, einen LIDAR-Sensor aufweisend eine Sendeeinheit und ein Verfahren zum Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld mittels einer Sendeeinheit.
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Stand der Technik
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Die
US 5870181 A offenbart einen Laserradar (LADAR) mit einem akustisch-optischen (AO) Laserscanner zum Ablenken eines gepulsten Laserstrahls über mehrere Winkel, mit Mitteln zum Beugen des abgelenkten Laserstrahls vom akustisch-optischen Laserscanner in mehrere Laserstrahlen und mit einem linearen Detektorarray mit einer Vielzahl von Detektorelementen, die jeweils so positioniert sind, dass sie reflektierte Energie von der jeweiligen Vielzahl von Laserstrahlen empfangen, so dass ein Linienscan erzeugt wird, der aus einer Vielzahl von Pixeln besteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Sendeeinheit zum Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld. Die Sendeeinheit weist wenigstens eine Lichtquelle zum Erzeugen des Primärlicht; wenigstens ein optisches Element, welches dazu ausgebildet ist, wenigstens eine optische Eigenschaft des Primärlicht zu verändern; und wenigstens einen ersten akustischen Generator, welcher dazu ausgebildet ist, akustische Signale in das optische Element zum Umlenken des Primärlichts einzubringen, auf.
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Erfindungsgemäß ist das optische Element ein diffraktives optisches Element.
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Das Sichtfeld der Sendeeinheit kann mittels des ausgesendeten Primärlichts abgetastet werden. Die Ausdehnung des Sichtfelds kann hierbei durch einen ersten Winkelbereich und einen zweiten Winkelbereich vorgegeben sein. Die Ausdehnung des Sichtfelds kann unter anderem durch wenigstens einen Abstrahlwinkel, um den das Primärlicht umgelenkt wird, vorgegeben sein. Die Ausdehnung des Sichtfelds kann unter anderem durch wenigstens einen Abstrahlwinkel, um den das Primärlicht aufgrund der akustischen Signale umgelenkt wird, vorgegeben sein.
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Die Lichtquelle der Sendeeinheit kann als wenigstens eine Lasereinheit ausgebildet sein. Die Lasereinheit kann als Kantenemitter, Oberflächenlaser oder Festkörperlaser ausgebildet sein. Ein Kantenemitter kann als Breitstreifenlaser oder Laserbarren ausgebildet sein. Ein Laserbarren kann auch als mehrfacher Laserbarren ausgebildet sein. Bei einem mehrfachen Laserbarren können wenigstens zwei einfache Laserbarren aufeinander gelötet sein. Hierdurch kann eine höhere Leistung an der Austrittsfläche der Lichtquelle erreicht werden. Ein Oberflächenlaser kann als Vertikal-Emitter (VCSEL = vertical cavity surface emitting laser) oder als Vertikal-Emitter mit externem Resonator (VeCSEL = vertical external cavity surface emitting laser) ausgebildet sein. Ein Vertikal-Emitter oder ein Vertikal-Emitter mit externem Resonator kann in Linienführung oder als Linienarray (mit mehreren, z.B. 50, Emittern) oder als 2-dimensionales Array mit einer geringeren Anzahl Emitter in der einen Ausbreitungsrichtung als in der anderen Ausbreitungsrichtung (z.B. 2x50 Emitter) ausgebildet sein. Bei der letzten Variante kann eine höhere Leistung an der Austrittsfläche der Lichtquelle erreicht werden. Bevorzugt ist die Lichtquelle als ein Linien-Laser ausgebildet.
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Eine optische Eigenschaft des Primärlicht kann eine zum Beispiel eine Ausbreitungsrichtung, eine Wellenlänge oder eine Intensität des Primärlichts sein.
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Ein akustischer Generator kann akustische Signale generieren. Ein akustischer Generator ist dazu ausgebildet, elektrische Energie in Schwingungen umzuwandeln. Die Umwandlung kann hierbei zum Beispiel auf einem piezoelektrischen Effekt beruhen. Hierfür kann der akustische Generator wenigstens ein piezoelektrisches Element aufweisen.
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Ein diffraktives optisches Element kann Strukturen in der Größenordnung der Wellenlänge des Primärlichts aufweisen. Ein diffraktives optisches Element kann ein optisches Gitter aufweisen. Das diffraktive optische Element kann eine optische Fläche oder eine optische Schicht aufweisen, auf der die Strukturen angeordnet sind. An den Strukturen kann Primärlicht gebeugt werden. Durch die Beugung kann eine optische Eigenschaft des Primärlichts verändert werden. Die Sendeeinheit kann mehrere diffraktive optische Elemente aufweisen. Diese können miteinander verknüpft sein. Die Sendeeinheit kann weiterhin wenigstens ein refraktives optisches Element aufweisen. Ein refraktives optisches Element kann beispielsweise ein Spiegel sein, welcher fest angeordnet oder beweglich sein kann. Ein beweglicher Spiegel kann z.B. ein MEMS-Spiegel oder ein Spiegel mit Galvanometerantrieb sein.
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Durch das Einbringen der akustischen Signale in das diffraktive optische Element können die Strukturen des diffraktiven optischen Elements verändert werden. Es können gezielte Interferenzeffekte der Strukturen erzeugt werden. Hierdurch kann ein Umlenken des Primärlichts bewirkt werden.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Abstrahlwinkel unter dem Primärlicht in das Sichtfeld ausgesendet wird, mittels des akustischen Generators verändert werden kann. Der maximale Abstrahlwinkel kann vergrößert werden. Die Ausdehnung des Sichtfelds kann vergrößert werden. Äußere Einflüsse wie bspw. die Umgebungstemperatur können hierdurch besser kompensiert werden. Die Sendeeinheit kann eine kompakte Bauweise aufweisen. Es können mechanisch bewegliche Bauteile vermieden werden. Hierdurch kann die Sendeeinheit weniger anfällig für mechanische Störungen sein. Der Einfluss von äußeren mechanischen Einflüssen wie bspw. Schlägen und Stößen auf die Sendeeinheit kann verringert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die optische Eigenschaft eine Ausbreitungsrichtung des Primärlicht ist. Das diffraktive optische Element bewirkt somit ebenso eine Umlenkung des Primärlichts.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Effekt der Umlenkung des Primärlichts aufgrund der Eigenschaften des diffraktiven optischen Elements mittels der akustischen Signale des akustischen Generators verstärkt werden kann. Ein größerer Abstrahlwinkel des Primärlichts ist realisierbar. Das Sichtfeld der Sendeeinheit kann vergrößert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit weiterhin wenigstens einen zweiten akustischen Generator aufweist.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass eine höhere Flexibilität und Stabilität der Ausprägung der akustischen Signale bewirkt werden kann. Es kann eine höhere Flexibilität und Stabilität der Schallwellenausprägung bewirkt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste akustische Generator und der zweite akustische Generator dazu ausgebildet sind, voneinander verschiedene akustische Signale in das optische Element einzubringen.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das Umlenken des Primärlichts flexibler gestaltet werden kann. Außerdem können Umschaltzeiten verringert werden und somit kann eine schnellere Abtastung des Sichtfeldes aus der wenigstens einen Lichtquelle erreicht werden.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem LIDAR-Sensor, welche eine oben beschriebene Sendeeinheit und eine Empfangseinheit zum Empfangen von Sekundärlicht, das in einem Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde, aufweist.
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Mittels eines LIDAR-Sensors kann ein Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld des LIDAR-Sensors auf der Basis einer Signallaufzeit (Time of Flight, TOF) direkt oder indirekt bestimmt werden. Mittels eines LIDAR-Sensors kann ein Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld des LIDAR-Sensors z.B. auf der Basis von gepulstem Licht, auf der Basis eines phasenmodulierten Dauerstrich-Signals oder auf der Basis eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Signals (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) bestimmt werden.
Das Sichtfeld des LIDAR-Sensors kann mittels des ausgesendeten Primärlichts abgetastet werden. Die Ausdehnung des Sichtfelds kann hierbei durch einen ersten Winkelbereich und einen zweiten Winkelbereich, sowie durch eine Reichweite des Primärlichts vorgegeben sein. Das Primärlicht kann z. B. in unterschiedliche Abstrahlwinkel des Sichtfeldes ausgegeben und wieder empfangen werden. Aus solchen winkelabhängigen Einzelmessungen kann anschließend ein Umgebungsbild abgeleitet werden.
Der LIDAR-Sensor weist optional wenigstens eine Auswerteeinheit auf. Mittels der Auswerteeinheit kann das empfangene Sekundärlicht ausgewertet werden.
Das Ergebnis der Auswertung kann beispielsweise für eine Fahrerassistenzfunktion eines Fahrzeugs verwendet werden. Das Ergebnis der Auswertung kann beispielsweise für eine Steuerung eines autonom fahrenden Fahrzeugs verwendet werden. Der LIDAR-Sensor kann insbesondere für die Verwendung in einem wenigstens teilweise autonom fahrenden Fahrzeug ausgebildet sein. Mit dem LIDAR-Sensor kann teilautonomes oder autonomes Fahren von Fahrzeugen auf Autobahnen und/oder im Stadtverkehr realisiert werden.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zum Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld mittels einer Sendeeinheit. Das Verfahren weist die Schritte der Erzeugung des Primärlichts mittels wenigstens einer Lichtquelle; der Veränderung einer optischen Eigenschaft des Primärlichts mittels wenigstens eines optischen Elements; und der Einbringung akustischer Signale in das optische Element mittels wenigstens eines ersten akustischen Generators zum Umlenken des Primärlichts auf. Erfindungsgemäß ist das optische Element ein diffraktives optisches Element.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:
- 1A ein Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit mit einem akustischen Generator in einem Aus-Zustand;
- 1B die Sendeeinheit mit dem akustischen Generator in einem An-Zustand;
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors mit einer Sendeeinheit;
- 3 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld.
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Die 1A und 1B zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit 101 zum Aussenden von Primärlicht 103 in ein Sichtfeld 109. Die Sendeeinheit 101 weist die Lichtquelle 102 zum Erzeugen des Primärlichts 103 auf. Das von der Lichtquelle 102 erzeugte Primärlicht 103 weist hierbei wenigstens eine optische Eigenschaft 103-a auf. Die Sendeeinheit weist weiterhin das optische Element 104 auf. Das optische Element ist hierbei ein diffraktives optisches Element 104. Das diffraktive optische Element 104 ist dazu ausgebildet, die optische Eigenschaft 103-a des Primärlichts 103 zu verändern. Das diffraktive optische Element 104 weist die Strukturen 105 auf. An den Strukturen 105 kann das Primärlicht 103 gebeugt werden. Dies ist durch die angedeuteten Wellenfronten 106 verdeutlicht. Durch die Beugung an den Strukturen 105 kann die optische Eigenschaft 103-a des Primärlichts 103 verändert werden. Nach dem Durchtritt des Primärlichts 103 durch das diffraktive optische Element 104 weist das Primärlicht 103 eine optische Eigenschaft 103-b auf. Die optische Eigenschaft 103-b unterscheidet sich von der optischen Eigenschaft 103-a. Beispielsweise kann das von der Lichtquelle 102 erzeugte Primärlicht 103 eine Wellenlänge 103-a aufweisen. Nach dem Durchtritt durch das diffraktive optische Element kann das Primärlicht 103 eine veränderte Wellenlänge 103-b aufweisen. Beispielsweise kann das von der Lichtquelle 102 erzeugte Primärlicht 103 eine Intensität 103-a aufweisen. Nach dem Durchtritt durch das diffraktive optische Element kann das Primärlicht 103 eine veränderte Intensität 103-b aufweisen. Beispielsweise kann das von der Lichtquelle 102 erzeugte Primärlicht 103 eine Ausbreitungsrichtung 103-a aufweisen. Nach dem Durchtritt durch das diffraktive optische Element kann das Primärlicht 103 eine veränderte Ausbreitungsrichtung 103-b aufweisen.
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Die Sendeeinheit 101 weist weiterhin den ersten akustischen Generator 107-1 auf. In 1A befindet sich der erste akustische Generator 107-1 in einem Aus-Zustand. Der erste akustische Generator 107-1 sendet im Aus-Zustand keine akustischen Signale aus. Das Primärlicht 103 mit der optischen Eigenschaft 103-b wird in 1A entlang der Ausbreitungsrichtung 110-a in das Sichtfeld 109 ausgesendet. In 1B befindet sich der erste akustische Generator 107-1 in einem An-Zustand. Der erste akustische Generator 107-1 sendet im An-Zustand die akustischen Signale 108-1 aus. Die akustischen Signale 108-1 bewirken ein Umlenken des Primärlichts 103. Das Primärlicht 103 mit der optischen Eigenschaft 103-b wird in 1B entlang der Ausbreitungsrichtung 110-b in das Sichtfeld 109 ausgesendet. Ein hier nicht markierter Abstrahlwinkel des Primärlichts 103 ist im Vergleich zu 1A vergrößert.
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Die Sendeeinheit 101 kann optional auch einen zweiten akustischen Generator 107-2 aufweisen. In 1A befindet sich auch der zweite akustische Generator 107-2 in einem Aus-Zustand. Auch der zweite akustische Generator 107-2 sendet im Aus-Zustand keine akustischen Signale aus. In 1B befindet sich auch der zweite akustische Generator 107-2 in einem An-Zustand. Der zweite akustische Generator 107-2 sendet im An-Zustand die akustischen Signale 108-2 aus. Auch die akustischen Signale 108-2 bewirken ein Umlenken des Primärlichts 103. Die akustischen Signale 108-1 und 108-2 können hierbei verschieden voneinander sein. Die Umlenkung, die aufgrund der akustischen Signale 108-2 bewirkt wird, kann hierbei verschieden von der Umlenkung, die aufgrund der akustischen Signale 108-1 bewirkt wird, sein.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors 200 mit einer oben beschriebenen Sendeeinheit 101. Die Sendeeinheit 101 weist im Beispiel weiterhin die Steuerungseinheit 202 auf. Mittels der Steuerungseinheit 202 kann die Lichtquelle 102 angesteuert werden. Die Lichtquelle 102 kann Primärstrahlung 103 in Form von Laserstrahlung 103 erzeugen. Wie oben für die Sendeeinheit 101 beschrieben, kann das optische Element 104 eine optische Eigenschaft des Primärlichts verändern. Die Sendeeinheit 101 kann optional weitere optische Elemente wie beispielsweise einen Spiegel, einen Strahlteiler, eine optische Linse oder ein Prisma aufweisen. Die Laserstrahlung 103 kann in das Sichtfeld 109 ausgesendet werden.
Im Sichtfeld 109 kann die Laserstrahlung 103 von einem Objekt 203 reflektiert und/oder gestreut werden. Die vom Objekt 203 reflektierte und/oder gestreute Sekundärstrahlung 204 kann vom LIDAR-Sensor 200 empfangen werden. Der LIDAR-Sensor 200 weist hierfür weiterhin die Empfangseinheit 201 auf. Die Empfangseinheit 201 kann wenigstens ein optisches Element 205 wie beispielsweise einen Spiegel, einen Strahlteiler, eine optische Linse oder ein Prisma aufweisen. Die empfangene Sekundärstrahlung 204 kann auf einen Detektor 206 geleitet werden. Hierdurch werden am Detektor 206 Signale generiert. Mittels einer Auswerteeinheit 207 können diese Signale ausgewertet werden.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 300 zum Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld mittels einer Sendeeinheit. Das Verfahren 300 startet im Schritt 301. Im Schritt 302 wird das Primärlicht als wenigstens eine Lichtquelle erzeugt. Im Schritt 303 wird eine optische Eigenschaft des Primärlichts mittels wenigstens eines optischen Elements verändert. Das optische Element ist hierbei ein diffraktives optisches Element. Im Schritt 304 werden akustische Signale mittels wenigstens eines ersten akustischen Generators zum Umlenken des Primärlichts in das optische Element eingebracht. Das Verfahren 300 endet im Schritt 305.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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