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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 einen Sensor, welcher dazu ausgebildet ist, eine Eigenschaft der Lichtquelle zu erfassen; 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; wobei der optische Bandpassfilter eine Zentralwellenlänge aufweist; und wenigstens ein Regelelement, welches dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des optischen Bandpassfilters abhängig von der erfassten Eigenschaft der Lichtquelle einzustellen; und wobei der optische Bandpassfilter derart ausgebildet ist, dass die Zentralwellenlänge abhängig von der eingestellten Temperatur des optischen Bandpassfilters ist.
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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 Sensor kann dazu ausgebildet sein, die Eigenschaft der Lichtquelle direkt zu erfassen. Alternativ kann der Sensor dazu ausgebildet sein, die Eigenschaft der Lichtquelle indirekt zu erfassen. Hierfür kann beispielsweise an der Lichtquelle ein thermisch gekoppeltes Bauteil angeordnet sein. Der Sensor kann in diesem Fall zum Beispiel dazu ausgebildet sein, eine Temperatur des thermisch gekoppelten Bauteils zu erfassen. Ausgehend von der erfassten Temperatur des thermisch gekoppelten Bauteils kann auf die Temperatur der Lichtquelle rückgeschlossen werden.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine thermische Stabilisierung der Lichtquelle vermieden oder stark reduziert werden kann und dennoch ein optischer Bandpassfilter mit einem schmalen Bandpassbereich verwendet werden kann. Der LIDAR-Sensor kann hierdurch weniger komplex und kostengünstiger ausgestaltet sein. Die Temperatur des optischen Bandpassfilters kann sehr einfach passend zu der Eigenschaft der Lichtquelle eingestellt werden. Da der optische Bandpassfilter keine eigene Wärmeentwicklung aufweist, kann er thermisch ohne viel Aufwand reguliert werden. Die Temperatur des optischen Bandpassfilters kann wesentlich einfacher auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden. Hierdurch kann wesentlich einfacher die Zentralwellenlänge des optischen Bandpassfilters eingestellt werden. Mittels des Sensors kann die Eigenschaft der Lichtquelle sehr genau erfasst werden. Somit kann die Temperatur des optischen Bandpassfilters sehr präzise passend zu der Eigenschaft der Lichtquelle eingestellt werden.
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Falls der Durchstimmbereich der Zentralwellenlänge des optischen Bandpassfilters nicht ausreicht, um den vollständigen benötigten Temperaturbereich 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 Einstellung der Temperatur 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 der optische Bandpassfilter amorphes Silizium oder wenigstens eine dielektrische Schicht umfasst.
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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.
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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 das Regelelement als ein Heizelement und/oder ein Peltierelement ausgebildet ist.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der LIDAR-Sensor hierdurch wenig komplex und kostengünstig ausgestaltet sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Bandpassfilter als Fabry-Perot-Interferometer mit mindestens zwei parallelen Platten ausgebildet ist und wobei ein Abstand zwischen den zwei Platten abhängig von der eingestellten Temperatur des optischen Bandpassfilters einstellbar ist. Hierbei kann das Fabry-Perot-Interferometer 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 einstellbar sein. Hierdurch kann die Zentralwellenlänge des optischen Bandpassfilters eingestellt werden. Alternativ kann der Abstand der zwei Platten durch thermische Aktuatoren einstellbar sein.
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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. Insbesondere ein Fabry-Perot-Interferometers auf der Basis der MEMS-Technologie weist keine bzw. kaum eigene Wärmeentwicklung auf und kann thermisch ohne viel Aufwand reguliert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Eigenschaft der Lichtquelle eine Temperatur der Lichtquelle ist und wobei der Sensor als Temperatursensor ausgebildet ist; oder wobei die Eigenschaft der Lichtquelle eine Wellenlänge des ausgesendeten Primärlichts ist und wobei der Sensor als Wellenlängensensor ausgebildet ist.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Temperatur bzw. die Wellenlänge des ausgesendeten Primärlichts der Lichtquelle mittels des Sensors sehr präzise bestimmt werden kann.
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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 Erfassens einer Eigenschaft der Lichtquelle mittels wenigstens eines Sensors; 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; wobei der optische Bandpassfilter eine Zentralwellenlänge aufweist; und des Einstellens einer Temperatur des optischen Bandpassfilters abhängig von der erfassten Eigenschaft der Lichtquelle mittels wenigstens eines Regelelements. Hierbei ist der optische Bandpassfilter derart ausgebildet, dass die Zentralwellenlänge abhängig von der eingestellten Temperatur des optischen Bandpassfilters ist.
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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 erstes Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors;
- 3 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 weist eine Zentralwellenlänge auf. 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.
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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 den Sensor 108 auf. Der Sensor 108 ist dazu ausgebildet, eine Eigenschaft der Lichtquelle 101 zu erfassen. Die Eigenschaft der Lichtquelle 101 kann eine Temperatur der Lichtquelle 101 sein. Dann kann der Sensor 108 als Temperatursensor ausgebildet sein. Die Eigenschaft der Lichtquelle 101 kann eine Wellenlänge des ausgesendeten Primärlichts 102 der Lichtquelle 101 sein. Dann kann der Sensor 108 als Wellenlängensensor ausgebildet sein. Der Sensor 108 kann dazu ausgebildet sein, die erfasste Eigenschaft der Lichtquelle 101 als erstes Signal 111 an eine Regeleinheit 115 zu senden. Die Regeleinheit kann dazu ausgebildet sein, ein zweites Signal 113 zu generieren und dieses an ein Regelelement 110 des LIDAR-Sensors 100 zu senden. Das zweite Signal 113 kann hierbei eine Information repräsentieren, auf welche Temperatur das Regelelement 110 den optischen Bandpassfilter 109 einstellen soll. Sprich das zweite Signal 113 kann eine Information über eine Soll-Temperatur des optischen Bandpassfilters 109 sein. Das Regelelement 110 kann als Heizelement und/oder als Peltierelement ausgebildet sein. Das Regelelement 110 ist dazu ausgebildet, eine Temperatur des optischen Bandpassfilters 109 abhängig von der erfassten Eigenschaft der Lichtquelle 101 einzustellen. Hierfür kann das Regelelement 110 dazu ausgebildet sein, das zweite Signal 113 zu empfangen und die Temperatur des optischen Bandpassfilters 109 abhängig von dem empfangenen zweiten Signal 113 einzustellen. Der optische Bandpassfilter 109 ist derart ausgebildet, dass seine Zentralwellenlänge abhängig von der eingestellten Temperatur des optischen Bandpassfilters 109 ist. Das Regelelement 110 kann weiterhin dazu ausgebildet sein, ein drittes Signal 112 an die Regeleinheit 115 zu senden. Das dritte Signal 112 kann hierbei eine Information repräsentieren, welche Temperatur der optische Bandpassfilter 109 zu einem bestimmten Zeitpunkt aufweist. Sprich das dritte Signal 112 kann eine Information über eine Ist-Temperatur des optischen Bandpassfilters 109 sein. Die Regeleinheit 115 kann abhängig von den empfangenen ersten und dritten Signalen 111 und 112 ein zweites Signal 113 generieren.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors 100 und entspricht hierbei im Wesentlichen dem LIDAR-Sensor 100 aus 1. Deswegen wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede im Vergleich zu 1 eingegangen. Der optische Bandpassfilter 109 ist als Fabry-Perot-Interferometer mit zwei parallelen Platten 116 ausgebildet. Das Regelelement 110 ist dazu ausgebildet, eine Temperatur des Fabry-Perot-Interferometer 109 abhängig von der erfassten Eigenschaft der Lichtquelle 101 einzustellen. Der Abstand zwischen den zwei Platten 116 ist hierbei abhängig von der eingestellten Temperatur des optischen Bandpassfilters 109 einstellbar. Hierfür können die zwei Platten 116 verschiebbar sein. Die zwei Platte 116 können entlang der mit den Pfeilen 114 markierten Richtungen verschiebbar sein. Ist das Fabry-Perot-Interferometer 109 beispielsweise auf der Basis der MEMS-Technologie ausgebildet, so kann der Abstand durch mechanisches Verfahren der zwei Platten 116 einstellbar sein. Der Abstand der zwei Platten 116 kann auch durch thermische Aktuatoren einstellbar sein.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 300 zur Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors, wie er in den 1 und 2 beschrieben wurde:
- Das Verfahren startet im Schritt 301. Im Schritt 302 kommt es zum Erzeugen und Aussenden 302 von Primärlicht in das Sichtfeld mittels wenigstens einer Lichtquelle. Im Schritt 303 kommt es zum Erfassen einer Eigenschaft der Lichtquelle mittels wenigstens eines Sensors. Wie in den 2 und 3 gezeigt, kann der Sensor die erfasste Eigenschaft der Lichtquelle bspw. als ein erstes Signal an eine Regeleinheit senden. Die Regeleinheit kann ein zweites Signal generieren und dieses an ein Regelelement des LIDAR-Sensors senden.
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Das zweite Signal kann hierbei eine Information repräsentieren, auf welche Temperatur das Regelelement einen optischen Bandpassfilter einstellen soll. Sprich das zweite Signal kann eine Information über eine Soll-Temperatur des optischen Bandpassfilters sein. Im Schritt 304 des Verfahrens 300 kommt es zum Einstellen einer Temperatur des optischen Bandpassfilters abhängig von der erfassten Eigenschaft der Lichtquelle mittels des Regelelements. Hierfür kann das Regelelement bspw. das zweite Signal empfangen und die Temperatur des optischen Bandpassfilters abhängig von dem empfangenen zweiten Signal einstellen. Der optische Bandpassfilter weist eine Zentralwellenlänge auf. Der optische Bandpassfilter ist hierbei derart ausgebildet, dass die Zentralwellenlänge abhängig von der eingestellten Temperatur des optischen Bandpassfilters ist. Nach dem Schritt 304 kann das Verfahren erneut ab dem Schritt 302 durchgeführt werden. Dies kann solange geschehen, bis der optische Bandpassfilter eine Soll-Temperatur erreicht hat. Beispielsweise kann das Regelelement 110 ein drittes Signal an die Regeleinheit senden. Das dritte Signal kann eine Information repräsentieren, welche Temperatur der optische Bandpassfilter zu einem bestimmten Zeitpunkt aufweist. Sprich das dritte Signal kann eine Information über eine Ist-Temperatur des optischen Bandpassfilters sein.
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Sobald die Ist-Temperatur des optischen Bandpassfilters der Soll-Temperatur entspricht, kann das Verfahren erneut im Schritt 302 weitergeführt werden, sprich es kommt erneut zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht in das Sichtfeld mittels wenigstens einer Lichtquelle. Anschließend kann Schritt 305 folgen. Hier kommt es zum Herausfiltern von Hintergrundlicht mittels des, zwischen dem Sichtfeld und einer Detektoreinheit angeordneten, optischen Bandpassfilters. Im Schritt 306 kommt es zum Empfangen von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde, mittels wenigstens einer Detektoreinheit. Das Verfahren 300 endet im Schritt 307.
