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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Testanordnung für eine Empfängereinheit eines LiDAR-Systems, ein LiDAR-System-Anordnung mit einem LiDAR-System und einer Testanordnung sowie eine Arbeitsvorrichtung, welche insbesondere als Fahrzeug ausgebildet sein kann.
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Zur Umfelderkennung von Arbeitsvorrichtungen und insbesondere von Fahrzeugen werden vermehrt so genannte LiDAR-Systeme (LiDAR: Light Detection and Ranging) eingesetzt, welche ausgebildet sind, ein Sichtfeld mit Licht oder Infrarotstrahlung zu beaufschlagen und von dem Sichtfeld zurückgeworfene Strahlung zur Analyse des Sichtfeldes und zur Detektion von darin enthaltenen Objekten zu erfassen und auszuwerten.
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Es ist wünschenswert, bei LiDAR-Systemen mit einfachen Mitteln und ohne hohen apparativen oder betriebsmäßigen Aufwand Möglichkeiten zum Testen der Detektionseigenschaften des LiDAR-Systems in Abhängigkeit vom Grad des Hintergrundlichts zu schaffen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Testanordnung weist den Vorteil auf, dass Funktionstests von LiDAR-Systemen im Hinblick auf den Einfluss von Hintergrundlicht ohne hohen apparativen Aufwand mit hoher Zuverlässigkeit möglich sind. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Testanordnung für eine Empfängereinheit eines LiDAR-Systems geschaffen wird, wobei (i) die Testanordnung einen Strahlungsemitter aufweist und (ii) der Strahlungsemitter (ii-1) einer Empfängeroptik und insbesondere einem Objektiv der Empfängereinheit eingangsseitig und/oder einen Eingangsstrahlengang - insbesondere vollständig oder im Wesentlichen vollständig - überdeckend optisch vorgeschaltet ist, (ii-2) in einem Detektionsspektralbereich eines zu Grunde liegenden Detektors der Empfängereinheit optisch transparent oder im Wesentlichen optisch transparent ausgebildet ist und (ii-3) eingerichtet ist, eingangsseitig steuerbar elektromagnetische Strahlung im Detektionsspektralbereich des Detektors auf den Detektor auszusenden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Testanordnung ist der Strahlungsemitter dazu eingerichtet, den Eingangsstrahlengang und/oder den Detektor vollständig oder im Wesentlichen auszuleuchten. Durch diese Maßnahme wird ein besonders hohes Maß an Zuverlässigkeit der Testbedingungen gewährleistet.
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Die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit eines Tests auf Hintergrundlicht kann weiter gesteigert werden, wenn gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Testanordnung zusätzlich oder alternativ der Strahlungsemitter eingerichtet ist, den Eingangsstrahlengang und/oder den Detektor homogen oder im Wesentlichen homogen auszuleuchten.
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Besonders einfache Verhältnisse stellen sich dann ein, wenn zum Erzielen der Verschiebung des Absorptionsspektralbereichs des Strahlungsemitters gegenüber dem Emissionsspektralbereich der Strahlungsemitter mit oder aus einem Material mit Stokeseffekt oder mit Antistokeseffekt als Emittermaterial ausgebildet ist.
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Eine weitere Vereinfachung der erfindungsgemäßen Testanordnung hinsichtlich Aufbau und Herstellung ergibt sich dann, wenn der Strahlungsemitter mit oder aus einem organischen Halbleitermaterial ausgebildet ist.
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Ein besonders geringes Maß an Bauraum ergibt sich bei einer anderen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Testanordnung, wenn der Strahlungsemitter eine oder mehrere organische Halbleiterdioden oder OLEDs aufweist.
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Gemäß anderen Ausführungsbeispielen der Testanordnung kann das zu Grunde liegendes Emittermaterial des Strahlungsemitters ausgebildet sein, elektrisch und/oder optisch über Fluoreszenz zur Emission von Strahlung angeregt zu werden. Die Testanordnung kann entsprechende Einrichtungen für eine derartige Anregung aufweisen, insbesondere also eine entsprechend gesteuerte Strom-/Spannungsquelle bzw. eine entsprechend ansteuerbare Pumplichtquelle, z.B. eine Laserquelle als Pumplaser.
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Besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Testanordnung ergeben sich dann, wenn die Testanordnung als Testkit und/oder als Nachrüstsatz für ein LiDAR-System ausgebildet ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann die erfindungsgemäße Testanordnung eingerichtet sein, an einer oder in einer Empfängereinheit und insbesondere einer Empfängeroptik eines zu Grunde liegenden LiDAR-Systems lösbar anbringbar zu sein.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch eine LiDAR-System-Anordnung mit einem LiDAR-System und mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Testanordnung.
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Schließlich schafft die vorliegende Erfindung auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug, welche mit einer erfindungsgemäß konzipierten LiDAR-System-Anordnung ausgebildet sind.
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Figurenliste
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-System-Anordnung unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgestalteten Testanordnung,
- 2 zeigt einen Graphen, in welchem die Lagen eines Emissionsspektrums und eines Absorptionsspektrums eines erfindungsgemäß in einer Testanordnung verwendbaren Emittermaterials verglichen werden,
- 3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-System-Anordnung unter Verwendung eines elektrisch anregbaren Emittermaterials eines erfindungsgemäß vorgesehenen Strahlungsemitters,
- 4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-System-Anordnung unter Verwendung eines optisch anregbaren Emittermaterials eines erfindungsgemäß vorgesehenen Strahlungsemitters, und
- 5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer herkömmlichen Testanordnung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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Hoch- und vollautomatisierte Fahrzeuge - zum Beispiel der Stufen 3 bis 5 - und andere Arbeitsvorrichtungen werden in den nächsten Jahren auf öffentlichen Straßen immer häufiger eingesetzt werden.
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Solche Fahrzeuge und allgemeine Arbeitsvorrichtungen werden eine Kombination von Sensoren 29 verwenden, insbesondere LiDAR-Sensoren 1, um ihre Umgebung über ein jeweiliges Sichtfeld 50 eines zu Grunde liegenden Sensors 20 wahrzunehmen.
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Ein wesentlicher Leistungsindikator eines solchen LiDAR-Sensors 1 ist die maximale Reichweite. Diese muss daher bei der Entwicklung und Produktion des Sensors 1 unbedingt geprüft werden.
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5 zeigt dazu in einer schematischen Seitenansicht eine herkömmlichen Testanordnung 1" zum Testen eines LiDAR-Systems 1 in Bezug auf Hintergrund Licht.
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Die maximale Reichweite wird dabei herkömmlicherweise getestet, indem ein Referenzziel als Objekt 52 in einem Sichtfeld 50 vom Sensor 1 wegbewegt und der Abstand bestimmt wird, bei dem der Sensor 1 das Ziel verliert, wie dies 5 dargestellt.
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Die maximale Reichweite hängt von einer Reihe von Parametern ab, einschließlich der Intensität des Hintergrundlichts auf dem Objekt 52 als Ziel. Im Idealfall sollte die Intensität des Hintergrundlichts bei einem Labortest der Intensität entsprechen, die bei realer Sonnenlichtbeleuchtung auftreten würde. Es kann jedoch schwierig sein, solch hohe Lichtintensitäten zu erreichen, insbesondere für große Testziele. Darüber hinaus ist es entscheidend, eine homogene Verteilung der Lichtintensität über das Objekt 52 im Sichtfeld 50 als Ziel zu erreichen.
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Alternativ zu einer Beleuchtung des Objekts 52 wird alternativ und erfindungsgemäß Hintergrundlicht in den Sensor 1 einkoppeln. Die Herausforderung bei der Erfindung besteht unter anderem darin, einen Weg zu finden, dieses Licht auf den Sensor 1 zu richten, ohne den Blick auf das Objekt 52 als Ziel zu verstellen.
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Die 5 mit dem herkömmlichen Testaufbau zeigt insbesondere einen Maximalbereichstest bei einem LiDAR-Sensor 1. Im Test wird ein Referenzziel, nämlich das Objekt 52 im Sichtfeld 50, langsam vom Sensor 1 wegbewegt und die Entfernung gemessen, in der das Ziel nicht mehr erfasst wird. Die Tests werden normalerweise bei Hintergrundbeleuchtung durchgeführt, um die Bedingungen in einem realen Fahrszenario zu simulieren.
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Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, unter anderem die oben bereits beschriebene alternative Möglichkeit zum Einkoppeln von Hintergrundlicht in LiDAR-Sensor 1 bereitzustellen, wobei jedoch Probleme im Zusammenhang mit einer Beleuchtung von Zielen bei Sensortests vermieden werden sollen.
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1 zeigt dazu eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-System-Anordnung 1' unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgestalteten Testanordnung 100.
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Erfindungsgemäß wird zum Beispiel die Verwendung eines organischen Emittermaterials 60' für den Strahlungsemitter 60 oder eines anderen transparenten Materials auf einem Glasobjektträger in der Nähe des Sensors 1 vorgeschlagen.
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Ein Vorteil solcher Materialien besteht unter anderem darin, dass sie bei der Wellenlänge, bei der sie Licht emittieren, optisch transparent sind. Sie können daher direkt vor dem LiDAR-Sensor 1 oder dessen Empfängeroptik platziert werden. Gleichwohl kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung der LiDAR-Sensor 1 das Objekt 52 als Ziel im Sichtfeld durch diesen Emitter 60 hindurch erfassen.
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LiDAR-Sensoren 1 basieren auf der Emission von Laserlicht als Primärlicht 57 bei einer bestimmten Wellenlänge, zum Beispiel bei 905 nm oder 1550 nm, und der Messung des von einem Objekt 52 im Sichtfeld 50 reflektierten Laserlichts als Sekundärlicht 58.
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Die Flugzeit zwischen der Emission des Laserlichts 57 und der Detektion der Reflexion als Sekundärlicht 58 wird dann zur Berechnung der Entfernung des Objekts 52 im Sichtfeld 50 verwendet. Der maximale Bereich, in dem Objekte 52 erkannt werden können, wird durch mehrere Rauschquellen begrenzt, einschließlich dem thermischen Rauschen im Detektor und der Hintergrundstrahlung aufgefasst als Rauschen aufgrund von Hintergrundlicht auf dem Objekt 52 als Ziel.
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Für realistische Maximalbereichstests ist es daher unerlässlich, eine kontrollierte Hintergrundlichtintensität auf dem Objekt 52 im Sichtfeld 50 bei der Wellenlänge vorzusehen, bei der der LiDAR-Sensor 1 in der Realität und in der Anwendung arbeitet.
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LiDAR-Sensoren 1 weisen typischerweise Bandpassfilter vor ihren Detektoren 20 auf, so dass die erforderliche Intensität und das Spektrum des Hintergrundlichts von diesem Filter bestimmt werden.
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Da das Beleuchten des Objekts 52 als Ziel mit Hintergrundlicht sehr hohe Lichtintensitäten erfordern würde, ist es erfindungsgemäß besonders günstig, Hintergrundlicht auf eine alternative Weise in den LiDAR-Sensor 1 einzukoppeln. Die Einkopplung von Licht in den LiDAR-Sensor 1 kann erfindungsgemäß beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein großflächiger Emitter 60 in der Nähe des Sensordeckglases platziert wird.
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Ein herkömmlicher Oberflächenemitter, z.B. im Sinne herkömmlicher LED-Panels, würde dann jedoch die Sicht des LiDAR-Sensors 1 auf das Ziel blockieren.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, dass ein Emitter 60 verwendet wird, der bei der Betriebswellenlänge oder im Spektralbereich der Detektion des LiDAR-Sensors 1 transparent ist, jedoch Licht bei dieser Wellenlänge also im Detektionsspektralbereich emittieren kann wie dies im Zusammenhang mit dem Aufbau gemäß 1 und dem in 2 dargestellten Vergleich entsprechender Spektren erläutert ist.
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2 zeigt dazu einen Graphen 200, in welchem die Lagen eines Emissionsspektrums 203 und eines Absorptionsspektrums 204 eines erfindungsgemäß in einer Testanordnung 100 verwendbaren Emittermaterials 60' für den Strahlungsemitter 60 verglichen werden.
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Solche Emitter 60 sind beispielsweise organische Halbleiter, die eine große Stokes-Verschiebung zeigen.
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Es handelt sich also um ein Emissionsspektrum, das aufgrund einer Reorganisation des organischen Moleküls, die zu einer Verringerung der Energie des elektronischen Zustands führt, zu niedrigeren Energien relativ zum Absorptionsspektrum verschoben ist. Diese Eigenschaft ermöglicht es diesen Molekülen, gemäß 2 bei ihrer Emissionswellenlänge transparent zu sein. 1 erläutert einen Maximalbereichstestaufbau, wie er erfindungsgemäß verwendbar ist und betrieben werden kann.
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Ein erfindungsgemäß aufgebauter Strahlungsemitter 60, zum Beispiel ein organischer Emitter, wird zur Erzeugung von Hintergrundlicht in der Nähe des LiDAR-Sensors 1 verwendet. Die organischen Moleküle absorbieren kein Licht bei der Betriebswellenlänge, also im Detektion Spektralbereich des LiDAR-Sensors 1, sodass der LiDAR-Sensor das Objekt 52 als Referenzziel im Sichtfeld 50 durch den organischen Emitter hindurch optisch erfassen kann.
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Die 2 zeigt anhand eines Graphen 200 typische Absorptions- und Emissionsspektren 204 bzw. 203 eines erfindungsgemäß zu Grunde liegenden organischen halbleitenden Moleküls. Auf der Abszisse 201 ist die Wellenlänge aufgetragen, auf der Ordinate 202 die relative Absorption A für das Absorptionsspektrum 204 bzw. die relative Intensität I für das Emissionsspektrum 203.
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Das Emissionsspektrum gemäß der Spur 203 verschiebt sich aufgrund einer strukturellen Reorganisation der im Emittermaterial zu Grunde liegenden Moleküle gegenüber dem Absorptionsspektrum gemäß der Spur 204 zu längeren Wellenlängen also niedrigeren Energien. Diese Verschiebung 205 im Wellenlängenbereich wird als Stokesverschiebung bezeichnet. Die Moleküle sind daher bei ihrer Emissionswellenlänge transparent.
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In einem erfindungsgemäßen Testaufbau kann solcher transparenter Strahlungsemitter 60 entweder als Teil einer transparenten LED - z.B. unter Verwendung von Indium-Zinn-Oxid-Elektroden oder ultradünnen Metallelektroden
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3 zeigt dazu also eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-System-Anordnung 1' mit einer Testanordnung 100, und zwar unter Verwendung elektrisch anregbaren Emittermaterials 60' eines erfindungsgemäß vorgesehenen Strahlungsemitters 60.
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Alternativ dazu kann das Material des Strahlungsemitters 60 gemäß der Darstellung in 4, zum Beispiel im Zusammenhang mit einem fluoreszierenden Film auf Glas, über eine externe Lichtquelle 62, z.B. LED, Laser usw., mit Pumpstrahlung 63 zur Fluoreszenz und Abstrahlung des aufgeprägten Hintergrundlichts.
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4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-System-Anordnung 1' unter Verwendung optisch anregbaren Emittermaterials 60' eines erfindungsgemäß vorgesehenen Strahlungsemitters 60.
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Die Verwendung solcher semitransparenter Strahlungsemitter 60 ist nicht auf Maximalbereichstests beschränkt.
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Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn alle LiDAR-Tests und Kalibrierungsverfahren unter verschiedenen steuerbaren Hintergrundlichtbedingungen durchgeführt werden können.
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Die 3 und 4 zeigen dazu mögliche Realisierungen eines transparenten Strahlungsemitters 60 mit einem Emittermaterial 60' vor dem LiDAR-Sensor 1, wobei gemäß 3 eine bei der LiDAR-Betriebswellenlänge transparente LED verwendet wird und wobei gemäß 4 der organische Emitter auf einem Glasträger abgeschieden und mit einem Laser oder einer anderen externen Strahlungsquelle 62 mit Pumpstrahlung 63 angeregt wird und zwar bei einer Wellenlänge der Pumpstrahlung, bei der das organische Molekül absorbiert, zum Beispiel mit grünen Licht. Der Emitter 60 fluoresziert dann Strahlung 64 bei einer längeren Wellenlänge, z.B. mit rotem Licht oder mit IR-Licht.
