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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein LI DAR (light detection and ranging)-System als Umgebungssensor, sowie ein Verfahren zur Abtastung einer Umgebung mittels eines LIDAR-Systems.
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Die im heutigen Stand der Technik bekannten LIDAR-Systeme unterscheiden sich elementar durch die Methode, die zur Ausleuchtung bzw. zur Abtastung der Umgebung genutzt wird. Es gibt zum einem die scannenden Systeme, die eine Umgebung mittels eines Laserstrahls abtasten, also zeitlich gesehen immer nur einen kleinen Teil der Umgebung ausleuchten und zum anderen die Flash-Systeme, welche die Umgebung in einem Zeitpunkt komplett ausleuchten und erfassen.
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Bei scannenden LIDAR Systemen wird der Erfassungsbereich (FoV, Field of View) zeitlich sequentiell mit einem Punkt-Laserstrahl oder einer Laserlinie ausgeleuchtet bzw. abgetastet. Bei einem Flash-System hingegen wird das komplette FoV mit einem Laserblitz ausgeleuchtet (Flash) und das reflektierte Licht in einem Detektor-Array empfangen. Ein solches Flash-System wird in der Regel mit sehr niedrigen Frequenzen (z.B.10 Hz bis 100 Hz) betrieben. Die Laserblitze zur Ausleuchtung bzw. Abtastung einer Umgebung erfolgen also in einem Abstand von 10ms bis 100ms. Solche Flash-Systeme erreichen ihre Bildauflösung durch ein zweidimensionales Detektor-Array mit hoher Pixelanzahl.
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Flash-LIDAR-Systeme haben, im Vergleich zu scannenden LIDAR-Systemen, den Vorteil, dass keine schwingenden Spiegel oder rotierenden Baugruppen für die Erfassung des Bildes benötigt werden. Für das Ausleuchten bzw. das Abtasten des gesamten Erfassungsbereichs wird eine hohe Spitzenlaserleistung, im Vergleich zu scannenden LIDAR-Systemen, benötigt.
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Wegen der benötigten hohen Spitzenlaserleistung werden bei Flash-Systemen häufig Festkörperlaser (FKL) eingesetzt. Heutige Flash-Systeme mit Festkörperlasern besitzen Wellenlängen oberhalb von 1000 nm. Diese Festkörperlaserwellenlängen (oft 1064 nm, 1340 nm und 1550 nm) haben den Nachteil, dass sie für einen kostengünstigen Empfänger aus Silizium wenig sensitiv bis gar nicht sensitiv sind.
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Detektoren mit hoher Pixelanzahl und ausreichender Sensitivität für einen Wellenlängenbereich von >1000 nm sind allerdings schwierig herzustellen und daher teuer. Für die Verwendung von kostengünstigen Silizium-Detektor-Arrays ist es notwendig, für den Laser eine Wellenlänge zu wählen, welche eine ausreichend hohe Empfindlichkeit aufweist.
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In der Regel werden für Automotivanwendungen Wellenlängen in einem Bereich von 850 nm bis 950 nm verwendet. In diesem Wellenlängenbereich haben kostengünstige Silizium-Detektor-Arrays eine hohe Empfindlichkeit. Weiter ist dieser Wellenlängenbereich für das menschliche Auge nicht sichtbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Sendelicht wenig (überwiegend durch Wasserabsorption hervorgerufene) Dämpfung durch die Atmosphäre erfährt. Das Minimum der Dämpfung durch die Atmosphäre liegt im Spektralbereich von 890 nm bis 920 nm. Daher wird sehr häufig mittels Halbleiterlasern emittiertes Sendlicht mit einer zentralen Wellenlänge von 905 nm verwendet.
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Da Halbleiterlaser jedoch eine wesentlich geringere Sendeleistung gegenüber Festkörperlasern haben, müssen, um die benötigte Spitzenlaserleistung für ein Flash-LIDAR-System zu erhalten, eine große Anzahl von Halbleiterlasern parallel betrieben werden. Ein solches halbleiterlaserbasiertes LIDAR-System ist beispielsweise in
US 2014/0350836 offenbart.
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Ein weiterer Vorteil eines festkörperlaserbasierten LI DAR ist die schmale spektrale Breite der ausgesendeten Laserpulse. Diese liegt bei bekannten Festköperlasern bei <1 nm. Zusätzliche ist auch die zentrale Wellenlänge sehr temperaturstabil. Diese verändert sich über einen Temperaturbereich von 100 K um weniger als 0,2 nm. Durch diese Randbedingung des Sendelasers wird es möglich, einen sehr schmalen Bandpassfilter zu verwenden. Durch den Filter kann Hintergrundlicht, welches überwiegend durch Sonnenstrahlung verursacht wird, sehr gut geblockt werden.
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Dennoch sind Flash-LIDAR-Systeme störanfälliger gegenüber scannenden LIDAR-Systemen, die im selben Spektralbereich emittieren. Grund hierfür ist die niedrige und gleichförmige Pulsfrequenz der Laserpulse im großen Erfassungsbereich (FoV). Der große Erfassungsbereich eines Flash-LIDAR-Systems bedingt eine höhere Wahrscheinlichkeit für das Übersprechen von fremdem Laserlicht. Im Feld bzw. auf der Straße ist bei bekannten Flash-LIDAR-Systemen daher mit einer erhöhten Ausfall- bzw. Fehlerrate bei der Umfelderkennung zu rechnen, falls andere Quellen von Laserimpulsen im Erfassungsbereich liegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße LIDAR-System umfasst einen ersten Festkörperlaser, der eingerichtet ist, einen ersten Laserimpuls auszusenden, sowie einen zweiten Festkörperlaser, der eingerichtet ist, einen zweiten Laserimpuls auszusenden. Die Festkörperlaser arbeiten dabei mit einer Laserleistung insbesondere in einem Bereich von 2kW bis 1000 kW. Weiter umfasst das LIDAR-System eine erste Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, einen vordefinierten zeitlichen Versatz zwischen einem Aussendezeitpunkt des ersten Laserpulses und einem Aussendezeitpunkt des zweiten Laserpulses zu bewirken. So ist es möglich, eine zeitliche Kodierung von zwei kurz aufeinanderfolgenden Laserimpulsen zu erzeugen. Die Laserimpulse werden dabei mit einer Spitzenleistung von mehr als 20 kW, sowie mit einem Pulsabstand von 0,1 ns bis 1000 ns ausgesendet. Weiter umfasst das LIDAR-System einen optischen Empfänger, der eingerichtet ist, eine erste Reflexion des ersten Laserimpulses und eine zweite Reflexion des zweiten Laserimpulses zu empfangen. Die Auswerteeinheit ist weiter eingerichtet, anhand des Versatzes die empfangenen Reflexionen zu identifizieren.
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Festkörperlaser weisen nur unwesentliche temperaturbedingte Wellenlängenänderungen auf (ca. 0,002 nm/K). Dies hat den Vorteil, dass auf eine Wellenlängenstabilisierung verzichtet werden kann. Wird ein optionaler optischer Filter für den Empfänger verwendet, um unerwünschte Wellenlängenbereiche herauszufiltern, kann der Filter so eingerichtet sein, dass der Durchlassbereich sehr schmal ist. So gelangt weniger Störlicht zum Empfänger, was die Reichweite des LIDAR-Systems erhöhen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtasten einer Umgebung mittels eines LIDAR-Systems umfasst das Aussenden eines ersten Laserimpulses mit einem ersten Festkörperlaser und das Aussenden eines zweiten Laserimpulses mit einem zweiten Festkörperlaser, wobei zwischen dem Aussenden des ersten Laserimpulses und dem Aussenden des zweiten Laserimpulses ein vordefinierter zeitlicher Versatz bewirkt wird. Weiter umfasst das Verfahren das Empfangen einer ersten Reflexion des ersten Laserimpulses und das Empfangen eines zweiten Laserimpulses, wobei die Reflexionen von demselben Empfänger empfangen werden. Weiter umfasst das Verfahren ein Identifizieren der Reflexionen anhand des Versatzes.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das LIDAR-System ein Flash System.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der erste Festkörperlaser und/oder der zweite Festkörperlaser einen Nd:KGW, Nd:GDVO4, Nd:YVO4, Nd:LuVO4 oder Nd:Lu203 Kristall sowie einen Q-Switch. Der Kristall des Festkörperlasers ist dabei so mit dem Q-Switch kombiniert, dass kurze Laserimpulse erzeugt werden können. Der Q-Switch kann als ein passiver Güteschalter oder als ein aktiv ansteuerbarer Güteschalter ausgestaltet sein. Die Festkörperlaser können beispielsweise zwei Resonatorspiegel umfassen, die bei einem monolithisch aufgebauten Festkörperlaser auf einer Ein- und auf einer Auskoppelseite angebracht sein können. Der Resonatorspiegel, der die Funktion der Lichtauskopplung übernimmt, ist beispielsweise, sofern der Q-Switch als ein sättigbarer Absorber ausgeführt ist, auf diesem angebracht. Solch eine Kombination von Resonatorspiegel und Q-Switch besitzt beispielsweise einen Auskoppelgrad zwischen 2 und 40 %für die Emissionswellenlänge.
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In einer weiteren Ausführungsform sind der erste Festkörperlaser und/oder der zweite Festkörperlaser so eingerichtet, dass die Wellenlänge des ausgesendeten Laserimpulses in einem Bereich von 910 nm bis 920 nm liegt. Insbesondere kann die Wellenlänge bei 911 nm (bei Verwendung eines Nd:KGW Kristalls), 912 nm (bei Verwendung eines Nd:GDV04 Kristalls), 914 nm (bei Verwendung eines Nd:YVO4 Kristalls), 916 nm (bei Verwendung eines Nd:LuVO4 Kristalls) oder 917 nm (bei Verwendung eines Nd:Lu203 Kristalls) liegen. Dieser Wellenlängenbereich hat den Vorteil, dass eine nur geringe Dämpfung der Laserimpulse bzw. deren Reflexionen durch Wasserabsorption beim Senden und Empfangen auftritt.
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Der optische Empfänger kann in einer weiteren Ausführungsform ein siliziumbasiertes zweidimensionales Array zur Erfassung der Reflexionen umfassen.
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Das LIDAR-System kann weiter eine zweite Auswerteeinheit mit einer Monitordiode umfassen. Die zweite Auswerteeinheit kann dem ersten Festkörperlaser und/oder dem zweiten Festkörperlaser zugeordnet sein. Die Monitordiode ist eingerichtet, einen Laserimpuls, der von dem zugeordneten Festkörperlaser ausgesendet wird, zu detektieren. Im Ansprechen auf die Detektion des Laserimpulses unterbricht die zweite Auswerteeinheit die Energiezufuhr zu dem zugeordneten Festkörperlaser. So kann verhindert werden, dass der Festkörperlaser einen zu langen Puls bzw. mittels desselben Festkörperlasers einen nicht vorgesehenen zweiten Puls generiert. Je nach Ausbau des LIDAR-Systems kann die Monitordiode dabei in einer Linie mit dem ihr zugeordneten Festkörperlaser oder rechtwinklig dazu angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das LIDAR-System weiter einen ersten Halbleiterlaser und einen zweiten Halbleiterlaser. Dabei ist der erste Halbleiterlaser in einer Linie mit oder rechtwinklig zu dem ersten Festkörperlaser und der zweite Halbleiterlaser in einer Linie mit oder rechtwinklig zu dem zweiten Festkörperlaser angeordnet. Die Halbleiterlaser sind dabei als Pumplaser für die Festkörperlaser vorgesehen. Diese Pumplaser arbeiten dabei beispielsweise mit einer Wellenlänge von 808 nm oder 880 nm.
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Weiter kann das LIDAR-System eine erste Sendeoptik für den ersten Festkörperlaser und eine zweite Sendeoptik für den zweiten Festkörperlaser umfassen. In einer anderen Ausgestaltung dieser Ausführungsform kann das LIDAR-System nur eine einzelne Sendeoptik umfassen. In dieser Ausgestaltung werden die durch die Festkörperlaser ausgesendeten Laserimpulse durch Umlenkeinrichtungen, wie zum Beispiel Spiegel oder Prismen, so umgelenkt, dass beide Laserimpulse die einzelne/selbe Sendeoptik passieren.
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In einer weiteren Ausführungsform sind der erste Festkörperlaser und der zweite Festkörperlaser parallel zueinander angeordnet. Auch können die Festkörperlaser so angeordnet sein, dass mindestens einer der Festkörperlaser in einer Linie mit einer optischen Achse der ihm zugeordneten Sendeoptik bzw. einer optischen Achse der Sendeoptik, die für die Laserimpulse von beiden Festkörperlasern genutzt wird, angeordnet ist. Ebenso können die Festkörperlaser so angeordnet sein, dass mindestens einer der Festkörperlaser rechtwinklig zu einer optischen Achse der ihm zugeordneten Sendeoptik bzw. einer optischen Achse der Sendeoptik, die für die Laserimpulse von beiden Festkörperlasern genutzt wird, angeordnet ist.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
- 1 einen schematischen Aufbau des LIDAR-Systems,
- 2 einen Laserpulszug aus zwei aufeinander folgenden Laserimpulsen,
- 3 eine erste Ausführungsform des LIDAR-Systems,
- 4 eine zweite Ausführungsform des LIDAR-Systems, wobei ein Halbleiterlaser rechtwinklig zu einem Festkörperlaser angeordnet ist,
- 5 eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform des LIDAR-Systems, wobei beide Laserimpulse eine einzelne Sendeoptik passieren,
- 6 eine dritte Ausführungsform des LIDAR-Systems,
- 7 eine Abwandlung der dritten Ausführungsform, ein Halbleiterlaser rechtwinklig zu einem Festkörperlaser angeordnet ist, und
- 8 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des LIDAR-Systems.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 stellt einen schematischen Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LIDAR-Systems 100 dar. Ein Taktgeber 110 stellt einen Vorgabetakt bereit. Dieser Vorgabetakt hat beispielsweise eine Frequenz von 10 Hz bis 100 Hz. Dies ist die Frequenz mit der das LIDAR-System 100 betrieben wird. Diese Frequenz wird festgelegt und nicht geregelt. Der Vorgabetakt ist ein Eingangssignal für die zweite Auswerteeinheit 120, wobei dem ersten Festkörperlaser 150 und dem zweiten Festkörperlaser 160 jeweils eine, insbesondere identische, zweite Auswerteeinheit 120 zugeordnet ist. Die zweite Auswerteeinheit 120 regelt eine erste Energiequelle 130 bzw. zweite Energiequelle 140. Diese Energiequellen 130/140 umfassen beispielsweise einen Halbleiterlaser, der als Pumplaser für einen ersten Festkörperlaser 150 bzw. zweiten Festkörperlaser 160 dient. In dieser Ausführungsform sind die beiden Festkörperlaser 150, 160 als longitudinalgepumpte Festkörperlaser 150, 160 ausgeführt. Der erste Festkörperlaser 150 und/oder der zweite Festkörperlaser 160 kann außerdem einen Q-Switch 260 umfassen, der so mit einem Kristall des jeweiligen Festkörperlasers 150, 160 kombiniert ist, das kurze Laserimpulse ausgesendet werden können. Dieser Q-Switch 260 kann sowohl als passiver Absorber ausgestaltet sein, als auch als aktiv steuerbarer Güteschalter. Erreicht der erste Festkörperlaser 150 durch das Aufpumpen mittels der ersten Energiequelle 130 ein ausreichendes Energieniveau, wird ein erster Laserimpuls 180 ausgesendet. Eine dem ersten Festkörperlaser 150 zugeordnete Monitordiode 200 detektiert das Aussenden des ersten Laserimpulses 180 und sendet das Detektionsergebnis an die dem ersten Festkörperlaser 150 zugeordnete zweite Auswerteeinheit 120. Im Ansprechen auf das Detektionsergebnis unterbricht die dem ersten Festkörperlaser 150 zugeordnete zweite Auswerteeinheit 120 durch entsprechendes Ansteuern der ersten Energiequelle 130 die Energiezufuhr zu dem ersten Festkörperlaser 150. Somit kann sichergestellt werden, dass innerhalb des Vorgabetaktes kein zweiter Laserimpuls durch den ersten Festkörperlaser 150 ausgesendet wird. Der zweite Festkörperlaser 160 wird analog zu dem ersten Festkörperlaser 150 mittels einer ihm zugeordneten zweiten Auswerteeinheit 120, zweiten Energiequelle 140 sowie einer Monitordiode 200 betrieben. Um einen Pulszug in Form eines Doppelpulses, insbesondere mit einem Pulsabstand von 0,1 ns bis 1000 ns, zu erhalten, wird eine erste Auswerteeinheit 170 verwendet. Dazu kann die erste Auswerteeinheit 170 anhand des Detektionsergebnis der dem ersten Festkörperlaser 150 zugeordneten Monitordiode 200 über die zweite Energiequelle 100 die Energiezufuhr zu dem zweiten Festkörperlaser 160 regeln. Bei einer gedrosselten Energiezufuhr wird das benötigte Energieniveau des zweiten Festkörperlasers 160 zum Aussenden des zweiten Laserimpulses 190 später erreicht, bei einer gesteigerten Energiezufuhr früher. Auf diese Weise kann die erste Auswerteeinheit 170 sicherstellen, dass der Abstand zwischen dem ersten Laserimpuls 180 und dem zweiten Laserimpuls 190 einen vordefinierten Abstand nicht überschreitet. Die dem zweiten Festkörperlaser 160 zugeordnete Monitordiode 200 detektiert das Aussenden des zweiten Laserimpulses 190 und sendet das Detektionsergebnis an die erste Auswerteeinheit 170. Mit den Detektionsergebnissen der beiden Monitordioden 200 kann die erste Auswerteeinheit 170 den genauen zeitlichen Versatz T2 zwischen dem ersten Laserimpuls 180 und dem zweiten Laserimpuls 190 ermitteln. Mit diesem ermittelten zeitlichen Versatz T2 kann die erste Auswerteeinheit 170 die vom Empfänger 250 empfangenen Reflexionen der ausgesendeten Laserimpulse identifizieren. Weiter kann die erste Auswerteeinheit 170 so eingerichtet sein, dass sie eine Schaltzeit eines aktiven Q-Switches 260 des zweiten Festkörperlasers 160 steuern kann.
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2 zeigt im oberen Amplitude/Zeit-Diagramm einen Laserpulszug aus zwei aufeinanderfolgenden Laserimpulsen 180/190 des LIDAR-Systems 100. Der Versatz T2 zwischen dem ersten Laserimpuls 180 und dem zweiten Laserimpuls 190 beträgt 0,1 ns bis 1000 ns. Die Reflexionen der Laserimpulse können von der ersten Auswerteeinheit 170 anhand des zeitlichen Versatzes T2 identifiziert werden. Die Dauer T1 des ersten Laserimpulses 180 und des zweiten Laserimpulses 190 beträgt zwischen 1 ns und 5 ns. T3 stellt die vordefinierte Frequenz des LIDAR-Systems 100 dar. Diese kann zwischen 10 Hz und 100 Hz liegen.
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Das untere Energie/Zeit-Diagramm in 2 zeigt die Betriebszeiten sowie das Energieniveau der ersten Energiequelle 130 und der zweiten Energiequelle 140. Die erste Energiequelle 130 versorgt den ersten Festkörperlaser 150 mit einem höheren Energieniveau als die zweite Energiequelle 140 den zweiten Festkörperlaser 160. Durch das höhere Energielniveau der ersten Energiequelle 130 ist die Betriebszeit T4, die zum Aussenden des ersten Laserimpulses 180 notwendig ist, kürzer als die notwendige Betriebszeit T5 der zweiten Energiequelle 140, um den zweiten Laserimpuls 190 zu erzeugen. Über das Energieniveau der Energiequellen 130, 140 kann der zeitliche Versatz T2 zwischen dem Aussenden des ersten Laserimpulses 180 und des zweiten Laserimpulses 190 eingestellt werden. Eine Verringerung beispielsweise des Energieniveaus der zweiten Energiequelle 140 vergrößert den zeitlichen Versatz T2, eine Erhöhung des Energieniveaus der zweiten Energiequelle 140 verringert den zeitlichen Versatz T2. Die Betriebszeiten der ersten Energiequelle 130 und/oder der zweiten Energiequelle 140 liegt dabei in einem Bereich von 20 µs bis 1000 µs.
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Zwischen einem Start des Pumpens eines Festkörperlasers 150, 160 mittels der jeweiligen Energiequelle 130, 140 und dem Aussenden des Laserimpulses 180, 190 entsteht immer ein zufälliger zeitlicher Jitter. Dieser ist abhängig von der Charakteristik des Festkörperlasers 150, 160, des Q-Switches 260 sowie des Energieniveaus der Energiequelle 130, 140. Der zeitliche Jitter addiert sich zu dem vordefinierten zeitlichen Versatz T2 und wird von der ersten Auswerteeinheit 120 erfasst. Mit dieser zufälligen Komponente des zeitlichen Versatzes T2 kann die Identifikation der Reflexionen weiter verbessert werden.
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3 zeigt eine Ausführungsform des LIDAR-Systems 100. Die erste Energiequelle 130 und die zweite Energiequelle 140 umfasst jeweils einen Lasertreiber 210, einen Halbleiterlaser 220 (Pumplaser) sowie eine Pumplinse 240. Bei dem Lasertreiber 210 handelt es sich um eine elektronische Schaltung zur Ansteuerung des Halbleiterlasers 220. Der Lasertreiber 210 ist eingerichtet, den Halbleiterlaser 220 in einem Konstantstrom- (ACC = Auto-matic Current Control) oder Konstantleistungsbetrieb (APC = Auto-matic Power Control) zu betreiben. Die Halbleiterlaser 220 können als Kantenemitter (edge emitter) oder als Flächenemitter (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL) ausgeführt sein. Über die Pumplinse 240 wird das vom Halbleiterlaser 220 emittierte Pumplicht 230 dem ersten Festkörperlaser 150 bzw. dem zweiten Festkörperlaser 160 zugeführt. Der erste Festkörperlaser 150 und der zweite Festkörperlaser 160 umfasst jeweils einen Q-Switch 260. Dieser Q-Switch 260 kann beispielsweise als sättigbarer Absorber mit den Kristallmaterialien Cr4+:YAG, Cr5+:YVO, CR4+:GGG, Cr4+:GSGG oder V3+:YAG oder auch als aktiver regelbarer Q-Switch ausgestaltet sein. Durch die Verwendung eines Q-Switches 260 kann ein kurzer Laserimpuls mit hoher Laserleistung sowie einer stabilen Wellenlänge erzeugt werden. So kann beispielsweise ein Laserimpuls mit einer Energie zwischen 0,1 mJ und 5 mJ, sowie einer Pulsdauer von 5 ns ausgesendet werden. Solch ein Laserimpuls besitzt beispielsweise eine Spitzenlaserleistung von 20 KW bis 1000 KW. Der von dem ersten Festkörperlaser 150 ausgesendete erste Laserimpuls 180 bzw. der von dem zweiten Festkörperlaser 160 ausgesendete zweite Laserimpuls 190 wird über seine Sendeoptik 290 gestreut ausgesendet. So kann das gestreute Laserlicht 300 einen vordefinierten Bereich einer Umgebung ausleuchten. Auf dem Weg zu der Sendeoptik 290 passieren der erste Laserimpuls 180 bzw. der zweite Laserimpuls 190 einen Strahlteiler 270. Der Strahlteiler 270 ist eingerichtet, einen kleinen Anteil des ersten Laserimpulses 180 bzw. des zweiten Laserimpulses 190 zu einer dem jeweiligen Festkörperlaser 150, 160 zugeordneten Monitordiode 200 umzulenken.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform des LIDAR-Systems 100. Gezeigt ist nur einer der beiden Festkörperlaser 150, 160 sowie die diesem zugeordneten Komponenten. Der Lasertreiber 210 ist eingerichtet, den Halbleiterlaser 220 zu betreiben. Über eine Pumplinse 240 gelangt das von dem Halbleiterlaser 220 emittierte Pumplicht zu einem dichroitischen Spiegel 320. Dieser dichroitischen Spiegel 320 lenkt das Pumplicht 230 zu dem Festkörperlaser 150/160 um. Der dichroitische Spiegel ist so eingerichtet, dass er für die Wellenlänge des von dem Festkörperlaser 150/160 emittierten Laserimpulses 180/190 durchlässig ist. Andere Wellenlängen werden reflektiert. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem Festkörperlaser 150, 160 um einen rückwärtsgepumpten Festkörperlaser. Die Eintrittsseite des Pumplichts 230 ist gleich der Austrittsseite des emittierten Laserimpulses 180, 190. Ein nicht gezeigter Resonatorspiegel, der für das Auskoppeln der Emissionswellenlänge verwendet wird, ist nun gleichermaßen auch zum Einkoppeln des Pumplichts 230 eingerichtet. Der von dem Festkörperlaser 150, 160 emittierte Laserimpuls 180, 190 passiert den dichroitischen Spiegel 320 und leuchtet die Umgebung gestreut durch die Sendeoptik 290 aus. Der Q-Switch 260 ist an der von der Sendeoptik 290 abgewandten Seite des Festkörperlasers 150, 160 angeordnet. Die Monitordiode 200 ist eingerichtet, das Aussenden des Laserimpulses 180, 190 zu detektieren.
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Vorteil dieses Aufbaus ist, dass das Pumplicht 230 sowie evtl. vorhandene durch den Festkörperlaser 150/160 erzeugte parasitäre Wellenlängen mittels des dichroitischen Spiegel 320 umgelenkt werden und somit das LIDAR-System nicht verlassen können.
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5 zeigt eine Abwandlung der zuvor in Verbindung mit 4 beschriebenen zweiten Ausführungsform mit je einer der zuvor beschriebenen Anordnung des ersten Festkörperlasers 150 und seiner zugehörigen Komponenten und dem zweiten Festkörperlaser 160 und dessen zugehörigen Komponenten. In dieser Abwandlung ist der dichroitische Spiegel 320 jedoch so eingerichtet, dass der erste Laserimpuls 180 und der zweite Laserimpuls 190 zu einem Umlenkspiegel 340 umgelenkt werden. Dieser Umlenkspiegel kann beispielsweise auch als ein Prisma ausgeführt sein und ist so eingerichtet, dass beide Laserimpulse zu einer Sendeoptik 290 umgelenkt werden. So werden sowohl der erste Laserimpuls 180 als auch der zweite Laserimpuls 190 über dieselbe Sendeoptik 290 zur Ausleuchtung einer Umgebung gestreut. So kann nicht nur Bauraum in Form einer Sendeoptik eingespart werden, auch Parallaxenfehler, hervorgerufen durch einen großen Abstand zwischen Sendeoptik und Empfänger, können reduziert werden.
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6 zeigt eine dritten Ausführungsform. Über den Lasertreiber 210 und den Halbleiterlaser 220 wird das Pumplicht 230 über die Pumplinse 240 dem ersten Festkörperlaser 150 bzw. dem zweiten Festkörperlaser 160 zugeführt. Beide Festkörperlaser 150, 160 sind als vorwärtsgepumpte Festkörperlaser ausgeführt. In dieser Ausführungsform werden für den ersten Festkörperlaser 150 und den zweiten Festkörperlaser 160 unterschiedliche Kristalle verwendet, so dass beide Festkörperlaser Laserimpulse unterschiedlicher Wellenlängen emittieren. Der dichroitische Spiegel 270 und der dichroitische Spiegel 280 sind dabei auf einer Achse mit der Sendeoptik 290 angeordnet. Der dichroitische Spiegel 280 ist als Combiner ausgeführt, ist also eingerichtet, sowohl die Wellenlänge des ersten Laserimpulses 180 als auch die Wellenlänge des zweiten Laserimpulses 190 passieren zu lassen. Auf diese Weise können der erste Laserimpuls 180 und der zweite Laserimpuls 190 auf die exakt gleiche optische Achse umgelenkt werden. Da sich beide Laserimpulse überlagern, kann für die Streuung beider Laserimpulse die gleiche Sendeoptik 290 verwendet werden.
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7 zeigt eine Abwandlung der zuvor in Verbindung mit 6 beschriebenen dritten Ausführungsform. Wie bei der Abwandlung der zweiten Ausführungsform werden rückwärtsgepumpte Festkörperlaser verwendet. Über den dichroitischen Spiegel 270 und den dichroitischen Spiegel 280 werden der erste Laserimpuls 180 und der zweite Laserimpuls 190 auf die exakt gleiche optische Achse umgelenkt. So können beide Laserimpulse die gleiche Sendeoptik 290 passieren.
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8 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform. Verfahrensschritt 410 umfasst das Aussenden eines ersten Laserimpulses 180 mit einem ersten Festkörperlaser 150. Verfahrensschritt 420 umfasst das Aussenden eines zweiten Laserimpulses 190 mit einem zweiten Festkörperlaser 160. Zwischen dem Aussenden des ersten Laserimpulses 180 und dem Aussenden des zweiten Laserimpulses 190 wird dabei ein vordefinierter zeitlicher Versatz T2 bewirkt. Verfahrensschritt 430 umfasst das Empfangen einer ersten Reflexion des ersten Laserimpulses und Verfahrensschritt 440 umfasst das Empfangen einer zweiten Reflexion des zweiten Laserimpulses. Die Reflexionen werden dabei von demselben Empfänger empfangen. Verfahrensschritt 450 umfasst das Identifizieren der Reflexionen anhand des Versatzes T2.
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Das beschriebene LIDAR-System, sowie das Verfahren zum Abtasten einer Umgebung mittels eines LIDAR-Systems kann so erweitert werden, dass es mehr als zwei Laserimpulse pro Taktzyklus verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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