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Die vorliegende Erfindung betrifft einen LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und ein Verfahren zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes.
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Stand der Technik
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Mittels eines LIDAR-Sensors (engl. für „light detection and ranging“) kann ein Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld des LIDAR-Sensors ermittelt werden. LIDAR Sensoren können für industrielle Anwendungen, beim automatisierten Fahren oder z. B. für militärische Anwendungen eingesetzt werden. Hierfür wird Primärlicht in ein Sichtfeld ausgesendet und mit einer geeigneten Empfangseinheit Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde, empfangen. Zur Minimierung von störendendem Hintergrundlicht, können Bandpassfilter vor dem Empfänger eingesetzt werden. Ein Bandpassfilter kann den Wellenlängenbereich auf den durch das ausgesendete Primärlicht zu erwartenden Bereich reduzieren. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Bandpassfilter einen möglichst schmalen Bandpassbereich aufweist, um ein möglichst gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu realisieren. Je nach Art der verwendeten Lichtquelle, ist die Wellenlänge des ausgesendeten Primärlichts allerdings nicht stabil, sondern kann durch thermische Effekte verschoben werden (z. B. in der Größenordnung von 0,3 nm/K). Dieser Effekt begrenzt den minimal möglichen Bandpassbereich. Um dies zu vermeiden, kann die Lichtquelle thermisch stabilisiert werden, was allerdings mit hohem technischem Aufwand verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes. Der LIDAR-Sensor umfasst wenigstens eine Lichtquelle zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht in das Sichtfeld; wenigstens eine Detektoreinheit zum Empfangen von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde; wenigstens einen, zwischen dem Sichtfeld und der Detektoreinheit angeordneten, optischen Bandpassfilter zum Herausfiltern von Hintergrundlicht; und wenigstens ein thermisch leitfähiges Element welches dazu ausgebildet ist, die Lichtquelle und den optischen Bandpassfilter thermisch zu koppeln.
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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 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 Lichtquelle kann als wenigstens eine Lasereinheit ausgebildet sein. Die Detektoreinheit kann dazu ausgebildet sein, das empfangene Sekundärlicht zu detektieren. Der LIDAR-Sensor weist optional wenigstens eine Auswerteeinheit auf. Mittels der Auswerteeinheit kann das detektierte 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 im Stadtverkehr realisiert werden.
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Der optische Bandpassfilter kann einen Bandpassbereich aufweisen. Der optische Bandpassfilter kann eine Zentralwellenlänge aufweisen. Sekundärlicht mit einer Wellenlänge innerhalb des Bandpassbereichs, kann den optischen Bandpassfilter passieren. Sekundärlicht mit einer Wellenlänge außerhalb des Bandpassbereichs kann den Bandpassfilter nicht passieren.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine thermische Regelung des optischen Bandpassfilters realisiert werden kann. Die Lichtquelle und der optische Bandpassfilter können direkt thermisch gekoppelt sein. Mittels des thermisch leitfähigen Elements kann Wärme von der Lichtquelle auf den optischen Bandpassfilter oder vom optischen Bandpassfilter auf die Lichtquelle übertragen werden. Hierdurch kann eine thermische Stabilisierung der Lichtquelle vermieden oder stark reduziert werden. Es kann dennoch ein optischer Bandpassfilter mit einem schmalen Bandpassbereich verwendet werden. Der LIDAR-Sensor kann weniger komplex und kostengünstiger ausgestaltet sein. Da der optische Bandpassfilter keine eigene Wärmeentwicklung aufweist, kann er ohne viel Aufwand thermisch gekoppelt werden. Die Temperatur des optischen Bandpassfilters kann direkt durch eine Temperaturveränderung der Lichtquelle beeinflusst werden. Die Zentralwellenlänge des optischen Bandpassfilters kann direkt durch eine Temperaturveränderung der Lichtquelle beeinflusst werden.
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Falls die Beeinflussung der Zentralwellenlänge des optischen Bandpassfilters nicht ausreicht, um einen benötigten Temperaturbereich der Lichtquelle vollständig abzudecken, kann zusätzlich eine Regulierung für die Lichtquelle kombiniert werden. Hierfür kann der LIDAR-Sensor ein Element aufweisen, welches zur thermischen Regulierung der Lichtquelle ausgebildet ist. Die Regulierung der Lichtquelle benötigt dann jedoch aufgrund der thermischen Kopplung der Lichtquelle und des optischen Bandpassfilters vorteilhafterweise nur noch eine geringere Stabilität. Eine entsprechende Regulierung der Lichtquelle kann einfacher, sprich weniger komplex und kostengünstiger ausgestaltet sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtquelle, der optische Bandpassfilter und das thermisch leitfähige Element derart angeordnet sind, dass die Lichtquelle und der optische Bandpassfilter jeweils wenigstens bereichsweise einen direkten Kontakt zu dem thermisch leitfähigen Element aufweisen. Wenigstens bereichsweise kann hierbei derart verstanden werden, dass zumindest ein Bereich der Lichtquelle bzw. des optischen Bandpassfilters einen direkten Kontakt zu dem thermisch leitfähigen Element aufweist. Ein Bereich kann hierbei wenigstens einen Abschnitt wenigstens einer Außenfläche der Lichtquelle bzw. des optischen Bandpassfilters umfassen. Ein Bereich kann hierbei wenigstens eine komplette Außenfläche der Lichtquelle bzw. des optischen Bandpassfilters umfassen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Lichtquelle und der optische Bandpassfilter direkt thermisch gekoppelt sein können. Die Temperatur des optischen Bandpassfilters kann bereits durch geringe Temperaturveränderungen der Lichtquelle beeinflusst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein thermisch leitfähiges Element als eine Metallbrücke ausgebildet ist. Die Metallbrücke kann beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer ausgebildet sein. Die Metallbrücke kann eine kompakte Metallbrücke sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das thermisch leitfähige Element weniger komplex und kostengünstiger ausgestaltet sein kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein thermisch leitfähiges Element als ein Wärmerohr ausgebildet ist. Ein Wärmerohr kann auch als Heatpipe bezeichnet werden. Ein Wärmerohr kann ein Rohr aus einem thermisch leitfähigen Material aufweisen. Das Rohr kann auf der Innenseite strukturiert sein. Das Rohr kann auf der Innenseite bspw. eine Kapillarstruktur aufweisen. Ein Wärmerohr kann im Inneren des Rohrs eine verdampfbare Flüssigkeit aufweisen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das thermisch leitfähige Element sehr effizient Wärme von der Lichtquelle zum optischen Bandpassfilter (oder umgekehrt) transportieren kann. Die Gestalt eines Wärmerohrs kann flexibel an die Anforderungen des LIDAR-Sensors angepasst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Bandpassfilter amorphes Silizium oder wenigstens eine dielektrische Schicht umfasst. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass eine Veränderung der Temperatur eines solchen optischen Bandpassfilters sehr einfach zu einer definierten Verschiebung der Zentralwellenlänge des optischen Bandpassfilters führt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Bandpassfilter für die Zentralwellenlänge einen Temperaturkoeffizienten von größer oder gleich 0,1 nm/K aufweist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass eine Veränderung der Temperatur eines solchen optischen Bandpassfilters sehr einfach zu einer definierten Verschiebung der Zentralwellenlänge des optischen Bandpassfilters führt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Bandpassfilter als Fabry-Perot-Interferometer mit zwei parallelen Platten ausgebildet ist. Ein Abstand zwischen den zwei Platten ist hierbei abhängig von der Temperatur des optischen Bandpassfilters. Wird z. B. mittels des thermisch leitfähigen Elements Wärme von der Lichtquelle auf den optischen Bandpassfilter übertragen, sprich erhöht sich bspw. die Temperatur des optischen Bandpassfilters, so kann sich der Abstand zwischen den zwei Platten verändern. Hierdurch kann sich die Zentralwellenlänge des optischen Bandpassfilters verändern. Das Fabry-Perot-Interferometer kann beispielsweise auf der Basis der MEMS-Technologie (engl. „Micro-Electro-Mechanical Systems“) ausgebildet sein. Der Abstand kann dann beispielsweise durch mechanisches Verfahren der zwei Platten veränderbar sein. Das mechanische Verfahren kann hierbei durch eine Temperaturänderung des optischen Bandpassfilters auslösbar sein. Alternativ kann der Abstand der zwei Platten durch thermische Aktuatoren einstellbar sein. Die Einstellung des Abstands mittels der thermischen Aktuatoren kann hierbei durch eine Temperaturänderung des optischen Bandpassfilters auslösbar sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass eine Veränderung der Temperatur eines solchen optischen Bandpassfilters sehr einfach zu einer Verschiebung der Zentralwellenlänge des optischen Bandpassfilters führt. Insbesondere ein Fabry-Perot-Interferometers auf der Basis der MEMS-Technologie weist keine bzw. kaum eigene Wärmeentwicklung auf und kann thermisch ohne viel Aufwand verändert werden.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors. Das Verfahren umfasst die Schritte des Erzeugens und Aussendens von Primärlicht in das Sichtfeld mittels wenigstens einer Lichtquelle; des Empfangens von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde, mittels wenigstens einer Detektoreinheit; des Herausfilterns von Hintergrundlicht mittels wenigstens eines, zwischen dem Sichtfeld und der Detektoreinheit angeordneten, optischen Bandpassfilters. Hierbei weist der LIDAR-Sensor wenigstens ein thermisch leitfähiges Element auf, welches dazu ausgebildet ist, die Lichtquelle und den optischen Bandpassfilter thermisch zu koppeln.
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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:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors;
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Erfassung eines Sichtfeldes.
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1 zeigt beispielhaft ein erstes Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors 100. Der LIDAR-Sensor 100 ist dazu ausgebildet, das Sichtfeld 103 zu erfassen. Hierfür weist der LIDAR-Sensor 100 die Lichtquelle 101 auf. Die Lichtquelle 101 ist bevorzugt eine Lasereinheit. Die Lichtquelle 101 ist dazu ausgebildet, Primärlicht 102 zu erzeugen und in das Sichtfeld 103 auszusenden. Der LIDAR-Sensor 100 weist weiterhin die Detektoreinheit 105 auf, welche dazu ausgebildet ist, Sekundärlicht 106, das im Sichtfeld 103 von einem Objekt 104 reflektiert und/oder gestreut wurde, zu empfangen. Im Strahlengang der Detektoreinheit 105 können weitere optische Elemente, wie beispielsweise eine optische Linse 107, angeordnet sein. Zwischen dem Sichtfeld 103 und der Detektoreinheit 105 ist ein optischer Bandpassfilter 109 angeordnet, welcher zum Herausfiltern von Hintergrundlicht ausgebildet ist. Der optische Bandpassfilter 109 kann amorphes Silizium oder wenigstens eine dielektrische Schicht umfassen. Der optische Bandpassfilter 109 kann für die Zentralwellenlänge einen Temperaturkoeffizienten von größer oder gleich 0,1 nm/K aufweisen. Der optische Bandpassfilter 109 kann als ein Fabry-Perot-Interferometer mit zwei parallelen Platten ausgebildet sein, wobei ein Abstand zwischen den zwei Platten abhängig von der Temperatur des optischen Bandpassfilters 109 ist.
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Um eine thermische Stabilisierung der Lichtquelle möglichst zu vermeiden, wobei der optische Bandpassfilter 109 dennoch einen schmalen Bandpassbereich aufweisen kann, wird eine thermische Regulierung des optischen Bandpassfilters 109 realisiert. Hierfür weist der LIDAR-Sensor 100 weiterhin das thermisch leitfähige Element 108 auf, welches dazu ausgebildet ist, die Lichtquelle 101 und den optischen Bandpassfilter 109 thermisch zu koppeln. Mittels des thermisch leitfähigen Elements 108 kann Wärme von der Lichtquelle 101 auf den optischen Bandpassfilter 109 oder vom optischen Bandpassfilter 109 auf die Lichtquelle 101 übertragen werden. Die Lichtquelle 101, der optische Bandpassfilter 109 und das thermisch leitfähige Element 108 sind hierbei derart angeordnet, dass die Lichtquelle 101 und der optische Bandpassfilter 109 jeweils wenigstens bereichsweise einen direkten Kontakt zu dem thermisch leitfähigen Element 108 aufweisen. Das thermisch leitfähige Element 108 kann als eine Metallbrücke ausgebildet sein. Das thermisch leitfähige Element 108 kann als eine Wärmebrücke ausgebildet sein.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 200 zur Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors, wie er in 1 beschrieben wurde. Der LIDAR-Sensor weist wenigstens ein thermisch leitfähiges Element auf, welches dazu ausgebildet ist, eine Lichtquelle und einen optischen Bandpassfilter thermisch zu koppeln. Das Verfahren 200 startet im Schritt 201. Im Schritt 202 kommt es zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht in das Sichtfeld mittels wenigstens einer Lichtquelle. Anschließend kommt es im Schritt 203 zum Herausfiltern von Hintergrundlicht mittels des, zwischen dem Sichtfeld und einer Detektoreinheit angeordneten, optischen Bandpassfilters. Im Schritt 204 kommt es zum Empfangen von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde, mittels wenigstens einer Detektoreinheit. Das Verfahren 200 endet im Schritt 205.
