DE102021212927A1 - LiDAR-System mit umschaltbaren LiDAR-Elementen - Google Patents

Abstract

Es wird ein LiDAR-System beschrieben mit einem Sendepfad umfassend mindestens einen Laser, sowie einem Empfangspfad (9) umfassend mindestens einen Detektor (19, 20, 21) und einer Strahloptik, umfassend mindestens ein optisches Element (12, 13, 15, 17) zur Ablenkung, Formung und / oder Modifikation von emittiertem oder reflektiertem Laserlicht. Bekannte LiDAR-Systeme sind wenig flexibel in der Funktionalität und ausfallanfällig gegenüber einzelnen Teilkomponenten. Erfindungsgemäß umfasst das LiDAR-System mindestens einen bewegbaren Träger (11, 14, 16, 18). Der Träger (11, 14, 16, 18) umfasst mindestens zwei LiDAR-Elemente, zwischen denen durch ein Bewegen des Trägers (11, 14, 16, 18) umgeschaltet werden kann, sodass jeweils ein anderes der mindestens zwei LiDAR-Elemente im optischen Pfad (30) des LiDAR-Systems aktiv ist. Die mindestens zwei LiDAR-Elemente des mindestens einen Trägers (11, 14, 16, 18) sind ausgewählt aus Lasern des Sendepfads, oder Detektoren (19, 20, 21) des Empfangspfads (9) oder optischen Elementen (12, 13, 15, 17) der Strahloptik.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System umfassend einen Sendepfad umfassend mindestens einen Laser, einen Empfangspfad umfassend mindestens einen Detektor, eine Strahloptik, umfassend mindestens ein optisches Element zur Ablenkung, Formung und / oder Modifikation von emittiertem oder reflektiertem Laserlicht, wobei die Strahloptik dazu eingerichtet ist, einen im Sendepfad emittierten Laserstrahl zum Abtasten einer Umgebung abzulenken und den von der Umgebung reflektierten Laserstrahl im Empfangspfad zum mindestens einen Detektor abzulenken.
• Stand der Technik
• Aktuelle LiDAR-Systeme sind üblicherweise als rotierende Macroscanner, Microscanner oder Flash-Systeme ausgeführt. Diesen Systemen ist gemein, dass der optische Pfad, sowohl sende- als auch empfangsseitig, hardwaretechnisch invariabel gestaltet ist. Das heißt eine Änderung ist nicht während der Laufzeit möglich. Außerdem muss bereits sehr früh im Entwicklungsprozess festgelegt werden, welche optischen Komponenten im Sende- und Empfangspfad verbaut werden. Dafür muss ebenfalls früh festgelegt werden, welche Funktion das LiDAR-System in einer (teil-)automatisierten Fahrfunktion zu erfüllen hat und welches konkrete optische Design diese Funktion realisiert. Eine Anpassung der optischen Eigenschaften ist bereits nach der Anforderungsfreigabe nicht mehr zulässig und damit erst recht nicht während des beabsichtigten Betriebs des Sensors im Fahrzeug. Sollte sich eine ausgewählte Komponente im Betrieb als ausfallanfälliger oder weniger leistungsfähig als geplant herausstellen, führt dies im späteren LiDAR-System insgesamt zu einer geringeren Lebensdauer bzw. Performance des Gesamtsystems. Auch auf eine sich ändernde Kundenanforderung kann nachträglich nur durch Neukonzeption des LiDAR-Systems oder durch mehrere, parallel produzierte LiDAR-Systeme reagiert werden.
• Die Mobilität der Zukunft erfährt gravierende Veränderungen und immer kürzere Innovationszyklen. Automobilzulieferer wollen dabei vielfältige Fahrfunktionen idealerweise ausgeführt mit der gleichen Sensorhardware anbieten, so dass beispielsweise basierend auf Wunsch des Endkunden oder auch auf dem aktuellen Fahrmodus ein LiDAR-System unterschiedliche Funktionen ausführen kann. Bisher ist dies nur durch die Verwendung von mehreren unterschiedlichen Teil-Sensoren möglich, wodurch sich sowohl die Entwicklungskosten als auch die Anzahl der zu entwerfenden und je nach Kundenanforderung zu integrierenden Teil-Sensoren erhöht.
• Offenbarung der Erfindung
• Erfindungsgemäß wird ein LiDAR-System der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, dadurch gekennzeichnet, dass das LiDAR-System mindestens einen bewegbaren Träger umfasst, wobei der mindestens eine Träger mindestens zwei LiDAR-Elemente umfasst, zwischen denen durch ein Bewegen des Trägers umgeschaltet werden kann, sodass jeweils ein anderes der mindestens zwei LiDAR-Elemente im optischen Pfad des LiDAR-Systems aktiv ist,
  wobei die mindestens zwei LiDAR-Elemente des mindestens einen Trägers ausgewählt sind aus
• - Lasern des Sendepfads,
• - Detektoren des Empfangspfads, und
• - optischen Elementen der Strahloptik.
• Das LiDAR-System ist also erfindungsgemäß so eingerichtet, dass der optische Pfad angepasst werden kann durch eine Bewegung des (mindestens einen) Trägers. Bewegung kann beispielsweise eine Drehung des Trägers oder eine lineare Verschiebung des Trägers oder eine Kombination von beiden beschreiben. Das LiDAR-System kann eine beliebige Anzahl an derartigen Trägern umfassen, also beispielsweise 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder mehr bewegbare Träger die jeweils mindestens zwei LiDAR-Elemente umfassen. Bevorzugt umfasst ein Träger LiDAR-Elemente derselben Kategorie, also nur Laser, nur Detektoren oder nur optische Elemente.
• Vorzugsweise handelt es sich bei dem LiDAR-System um ein Fahrzeug-LiDAR-System zur Abtastung einer Fahrzeugumgebung. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug handeln, insbesondere ein straßengebundenes Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen oder ein Zweirad. Das LiDAR-System kann auch eine Steuereinheit umfassen, die Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale zum Beispiel an einen Bordcomputer eines Fahrzeugs ausgibt. Das LiDAR-System kann aber auch nur im Wesentlichen Sensorsignale erzeugen und an eine externe Steuereinheit wie einen Bordcomputer liefern die diese weiterverarbeitet.
• Vorteile der Erfindung
• Das erfindungsgemäße LiDAR-System hat den Vorteil, dass der optische Pfad dynamisch verändert werden kann (wenn in dem mindestens einen Träger unterschiedliche LiDAR-Elemente angeordnet sind), etwa basierend auf einer externen Ansteuerung. Dadurch kann das LiDAR-System sich beispielsweise auf verschiedene Lichtbedingungen (Tag, Nacht, Tunnel etc.), verschiedene Fahrbedingungen (Stadt, Landstraße, Autobahn etc.) anpassen und es kann die Funktionalität von mehreren Sensoren in einem LiDAR-System vereint werden. Dies erlaubt eine Kostenreduktion und Raumersparnis durch die Verringerung der notwendigen Sensorsysteme. Das resultierende LiDAR-System ist weiterhin für viele verschiedene Anforderungen ausrüstbar und reduziert somit die notwendigen Systemvarianten, die zur Erfüllung der verschiedenen Kundenanforderungen notwendig sind.
• Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung auch LiDAR-Elemente mit begrenzter Lebensdauer wie Laser oder Detektoren in mehrfacher Ausführung (doppelt, dreifach...) vorzusehen, um einerseits die Gesamtlebensdauer des LiDAR-Systems deutlich zu erhöhen und gleichzeitig einen Systemausfall überbrücken zu können, da z. B. ein ausgefallener Laser nicht mehr den Ausfall des gesamten Systems bedeutet. Insbesondere für selbstfahrende Fahrzeuge sind derartige Redundanzen oftmals für die Fahrzeugsicherheit notwendig und müssten sonst durch eine höhere Anzahl an zumindest teilweise redundanten Sensorsystemen erreicht werden. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann ein Ausfall z. B. eines Lasers ohne Ausfall oder Performancereduktion des LiDAR-Systems überbrückt werden indem das LiDAR-System nicht mehr auf den ausgefallenen Laser umschaltet, z. B. den zweiten, identischen Laser nutzt und optional eine Fehlermeldung ausgibt.
• Der Kern der Erfindung ist ein LiDAR-System mit adaptiven optischen Pfaden (Sende- und / oder Empfangspfad). Die Veränderung der Komponenten zur Brechkraft, Filterung und Lichtemission bzw. -detektion erfolgt mittels mindestens einem bewegbaren Träger.
• Die adaptive Anpassung des optischen Pfades (Umschalten mindestens eines Trägers) während des Betriebs kann erfolgen basierend auf
• - manueller externer Ansteuerung,
• - Auftreten von optischem Crosstalk,
• - Auftreten von Wetterphänomenen (z. B. Regen, Schnee),
• - unterschiedlicher Fahrgeschwindigkeit,
• - unterschiedlicher Fahrumgebung (z. B. Stadt oder Autobahn),
• - Bauteilalterung (z. B. Defekt einer Laserdiode oder eines Detektors),
• - Umsetzung einer Änderung in den gesetzlichen und normativen Vorgaben beispielsweise durch Flash Over-the-Air Updates der Steuereinheit des LiDAR-systems oder des Fahrzeug-Bordcomputers (z. B. gesetzliche Begrenzung der Leistung / des Field of View (FoV) bestimmter LiDAR-Laser etc.),
• - Hintergrundlicht (z. B. Sonnenstand),
• - Crosstalk durch andere Sensoren gleicher Wellenlänge,
• - Jahres- und Uhrzeit (z. B. Nacht vs. Tag),
• - Straßentyp (gerade oder kurvenreich),
• - Straßenbelagstyp und -zustand (z. B. trocken, nass, vereist, Asphalt, Schotterpiste),
• - Verschmutzung des Abdeckfensters des LiDAR-Systems,
• - Objekt-Plausibilisierung,
• - Fahrmodus (z. B. sportlich vs. Komfort)
• - usw.
• Das gleiche LiDAR-System kann durch Veränderung der Kombination der im vorherigen Punkt genannten Bauteile vielfache Betriebsmodi ausüben und damit unterschiedliche (automatisierte) Fahrfunktionen und Fahrzeuganwendungen bedienen.
• Vorzugsweise umfasst ein bewegbarer Träger mindestens zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen, vorzugsweise zumindest einen Laser mit der Wellenlänge 1550 nm und einen Laser mit der Wellenlänge 905 nm, zwischen denen durch eine Bewegung des Trägers umgeschaltet werden kann. Beispielsweise kann bei trockener Witterung und Wunsch nach sehr hoher Reichweite die Laser-Wellenlänge verändert werden (z. B. 1550 nm statt 905 nm durch Umschalten auf einen anderen Laser). Es können aber auch andere Laser Wellenlängen im Laser-Träger angeordnet sein. Es ist weiterhin möglich einen oder mehrere der Laser in doppelter Ausführung auf dem Träger anzuordnen, um die Lebensdauer zu erhöhen. Die identischen Laser können dann abwechselnd verwendet werden, um die Lebensdauer zu maximieren oder ein Laser kann bis zum Defekt verwendet werden und dann kann der Ersatz-Laser Verwendung finden.
• Bevorzugt umfasst ein bewegbarer Träger mindestens zwei unterschiedliche Detektoren, vorzugsweise ausgewählt aus einer Einzelphotonen-Lawinendiode, einer Lawinen-Photodiode und/oder einem Photoelektronenvervielfacher. Einzelphotonen-Lawinendioden sind insbesondere für die Fernerfassung (Autobahn oder Landstraße) und / oder bei dunklen bzw. wenig reflektierenden Umgebungsbedingungen (Nacht / Dämmerung bzw. ländliche Umgebung) vorteilhaft, da sie besonders empfindlich sind. Am Tag und insbesondere im Stadtverkehr kann aber ein etwas weniger empfindlicher Detektortyp wie die Lawinen-Photodiode vorteilhafter sein um einen temporären Ausfall des Detektors durch Daueraktivierung zu vermeiden. Auch hier ist es möglich einen oder mehrere der Detektoren in doppelter Ausführung auf dem Träger anzuordnen, um die Lebensdauer zu erhöhen. Die identischen Detektoren können dann abwechselnd verwendet werden, um die Lebensdauer zu maximieren oder ein Detektor kann bis zum Defekt verwendet werden und dann kann der Ersatz-Detektor Verwendung finden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein bewegbarer Träger eine drehbare Revolverscheibe, die so angeordnet ist, dass zwischen mindestens zwei LiDAR-Elementen im optischen Pfad durch eine Drehung der Revolverscheibe umgeschaltet werden kann. Die Drehachse der Revolverscheibe ist dabei vorzugsweise parallel aber versetzt zum optischen Pfad angeordnet (also parallel zum Lichtweg am jeweiligen Ort des LiDAR-Systems). Somit kann durch eine Drehung der Revolverscheibe um einen vorbestimmten Winkel von einem in der Revolverscheibe angeordneten LiDAR-Element auf ein anderes in der Revolverscheibe angeordnetes LiDAR-Element umgeschaltet werden. Vorzugsweise sind die LiDAR-Elemente auf der Revolverscheibe im Wesentlichen äquidistant zueinander mit einem konstanten Abstand von der Drehachse der Revolverscheibe angeordnet.
• In einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei bewegbare Träger im optischen Pfad hintereinander angeordnet, wobei jeder Träger mindestens zwei LiDAR-Elemente umfasst. Hierbei kann jeder Träger einen anderen Typ von LiDAR-Elementen umfassen, also z. B. ein Träger optischer Elemente, ein Träger Laser und / oder ein Träger Detektoren. Es können aber auch mehrere Träger mit den gleichen Typen von LiDAR-Elementen im optischen Pfad hintereinander angeordnet sein, wie z. B. zwei oder drei Träger mit optischen Linsen, um die Brennweite des optischen Systems anpassen zu können z. B. zum Umschalten von einem nahen, breiten FoV auf ein fernes, schmales FoV.
• Vorzugsweise umfasst ein bewegbarer Träger mindestens zwei verschiedene optische Filter, zwischen denen durch eine Bewegung des Trägers umgeschaltet werden kann, wobei mindestens ein Filter ausgewählt ist aus einem Kantenfilter und einem Neutraldichtefilter. Es können verschiedenartigste optische Filter zur Bandpassfilterung oder zur Signaldämpfung in einem Träger bzw. einer Revolverscheibe kombiniert werden, um die Funktionalität des LiDAR-Systems zu erweitern.
• Es ist bevorzugt, wenn ein bewegbarer Träger mindestens zwei identische LiDAR-Elemente umfasst, zwischen denen durch ein Bewegen des Trägers umgeschaltet werden kann, sodass eines der beiden identischen LiDAR-Elemente einen Ausfall des anderen LiDAR-Elements kompensieren kann. Die identischen LiDAR-Elemente können dann abwechselnd verwendet werden, um die Lebensdauer zu maximieren oder ein LiDAR-Element kann bis zum Defekt verwendet werden und dann kann das Ersatz-LiDAR-Element Verwendung finden. Es ist auch möglich, dass z. B. Paare von identischen LiDAR-Elementen verwendet werden, also z. B. je zwei 1550 nm Laser und zwei 905 nm Laser auf einem Träger, um sowohl Redundanz als auch eine Funktionalitätserweiterung zu bieten.
• Vorzugsweise umfasst ein bewegbarer Träger mindestens zwei optische Linsen, wobei die Linsen vorzugsweise unterschiedliche Brechungseigenschaften aufweisen und / oder in der jeweiligen aktiven Position an unterschiedlichen Orten entlang des optischen Pfads angeordnet sind, sodass sich verschiedene optische Eigenschaften ergeben. Dadurch kann der Brennpunkt bzw. die Brennebene verändert werden, um zum Beispiel zwischen einem großen horizontalen FoV für die Beobachtung einer urbanen Szene auf ein schmales langreichweitiges FoV für eine Autobahnfahrt umzuschalten. Allgemeiner ist dies auch durch Umschalten zwischen anderen optischen Elementen in einem Träger, z. B. zwischen verschiedenen gekrümmten Spiegeln oder Prismen in einem Träger möglich.
• Bevorzugt sind mindestens zwei bewegbare Träger im optischen Pfad hintereinander angeordnet, wobei die mindestens zwei Träger jeweils mindestens zwei optische Linsen umfassen, wobei innerhalb jedes der beiden Träger die Linsen jeweils vorzugsweise unterschiedliche Brechungseigenschaften aufweisen und / oder in der jeweiligen aktiven Position an unterschiedlichen Orten entlang des optischen Pfads angeordnet sind, sodass sich verschiedene optische Eigenschaften ergeben. Dadurch lassen sich besonders einfach mehrere aufeinander abgestimmte Linsenkonfigurationen vordefinieren um zwischen z. B. verschieden großen Sichtfeldern (FoV) zur Nahabtastung oder zur Fernabtastung umzuschalten.
• Vorzugsweise umfasst mindestens ein bewegbarer Träger ein Reinigungssystem, dass so eingerichtet ist, dass bei einem Umschalten zwischen zwei LiDAR-Elementen mindestens ein LiDAR-Element durch eine Relativbewegung zwischen Reinigungssystem und dem Träger gereinigt wird. Eine weitere Herausforderung im LiDAR-System ist, dass durch gehäuseinterne Niederschläge insbesondere auf die optischen Elemente (Linsen, Spiegel, etc.), etwa durch Materialabrieb, Undichtigkeiten oder parasitäre Staubpartikel, die LiDAR-Elemente verschmutzen. Durch ein mit dem Träger kombiniertes Reinigungssystem kann eine gehäuseinterne Reinigung der LiDAR-Elemente erreicht werden. Diese kann die LiDAR-Elemente über die gesamte Produktlebensdauer sauber halten. Das Reinigungssystem kann als Reinigungselement eine Bürste und / oder ein Wischerblatt umfassen, die/das beim Umschalten zwischen LiDAR-Elementen über mindestens ein LiDAR-Element streicht und dadurch reinigt. Das Reinigungselement kann bei einer Revolverscheibe dabei entweder zur Hälfte oder über die gesamte Breite der Revolverscheibe angeordnet sein, um somit bei Rotation der Revolverscheibe eine reinigende Wirkung an den LiDAR-Elementen zu erzielen. Dabei kann das Reinigungselement fest mit dem Gehäuse verbunden sein. In einer alternativen Ausführungsform kann auf jeweils angrenzenden Trägern / Revolverscheiben jeweils ein Reinigungselement angeordnet sein, damit die LiDAR-Elemente des benachbarten Trägers bei einer relativen Drehung gereinigt werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das LiDAR-System ein oder mehrere der folgenden Elemente:
• - im Sendepfad einen Träger der zwischen mindestens zwei Laser umschaltbar ist,
• - im Sendepfad mindestens einen Träger (vorzugsweise zwei Träger) der zwischen mindestens zwei optischen Linsen umschaltbar ist,
• - im Empfangspfad einen Träger der zwischen mindestens zwei optischen Filtern umschaltbar ist,
• - im Empfangspfad mindestens einen Träger (vorzugsweise zwei Träger) der zwischen mindestens zwei optischen Linsen umschaltbar ist,
• - im Empfangspfad einen Träger, der zwischen mindestens zwei Detektoren umschaltbar ist. Vorzugsweise handelt es sich bei allen Trägern um Revolverscheiben.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
• Figurenliste
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung des Sendepfads einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems,
• 2 eine schematische Darstellung des Empfangspfads einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems,
• 3 & 4 eine geschnittene Seitenansicht einer Anordnung von drei Linsen-Trägern in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems,
• 5 ein Träger mit Reinigungssystem in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems,
• 6 ein Träger mit einem alternativen Reinigungssystem in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems,
• Ausführungsformen der Erfindung
• In 1 ist eine schematische Darstellung eines Sendepfads 1 einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems dargestellt. Der Pfeil 2 zeigt die Richtung des optischen Pfads. Der Sendepfad 1 umfasst hier einen Träger 3 in Form einer ersten Revolverscheibe die zwischen drei Lasern 4 mit den Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ (z. B. 1550 nm und 905 nm) umschaltbar ist. Weiterhin sind ein Träger 5 mit fünf Linsen 6 vorgesehen sowie ein Träger 7 mit vier Linsen 8. Die Träger 5, 7 sind ebenfalls in Form von Revolverscheiben ausgebildet, sodass je eine Linse 6, 8 jedes Trägers 5, 7 je nach relativer Drehposition verschiedene Linsensysteme zur Formung des Laserlichts des jeweils aktiven Lasers 4 bilden.
• Statt der Revolverscheiben sind aber selbstverständlich auch andere Arten von Trägern 3, 5, 7 vorstellbar, wie beispielsweise eine rechteckige Platte in der LiDAR-Elemente 4, 6, 8 in einer Reihe angeordnet sind und ein Umschalten durch ein lineares Verschieben eines Trägers 3, 5, 7 erfolgt.
• Die Rotation erfolgt hier und in den anderen Ausführungsformen mit Revolverscheiben bevorzugt durch ein aktives elektromechanisches Element, z. B. einen Elektromotor. Verbunden sind die Revolverscheiben 3, 5, 7 vorzugsweise durch eine normal zu ihrer Oberfläche laufende zentrale Welle (nicht dargestellt), es ist aber auch vorstellbar die Revolverscheiben separat drehbar anzuordnen. Die Ansteuerung des elektromechanischen Elements erfolgt über eine Systemschnittstelle des LiDAR-Systems und kann wiederum einem externen Regelkreis unterliegen (allg. software- und / oder hardwarebasiert in einer internen Steuereinheit oder z. B. einem externen Bordcomputer). Die Software des LiDAR-Systems oder eines externen Bordcomputers wiederum kann die auswählbaren Kombinationen vordefiniert festlegen. Dies ist insbesondere wichtig falls einzelne LiDAR-Elemente ausfallen und nicht mehr angesteuert werden sollen.
• Die Revolverscheiben können unterschiedliche Anzahlen von LiDAR-Elementen umfassen, da stets nur jeweils ein LiDAR-Element jeder Revolverscheibe aktiv ist und im optischen Pfad angeordnet ist.
• 2 zeigt ist eine schematische Darstellung eines Empfangspfads 9 einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems. Der Pfeil 10 zeigt die Richtung des optischen Pfads. Der Empfangspfad 9 umfasst hier einen Träger 11 in Form einer ersten Revolverscheibe die zwischen fünf optischen Filtern 12, 13 umschaltbar ist. Bei den zwei Filtern 12 handelt es sich um Kantenfilter oder Bandpassfilter mit den charakteristischen Wellenlängen λ₁, λ₂, während es sich bei den drei optischen Filtern 13 um Neutraldichtefilter mit unterschiedlichen Dämpfungseigenschaften ND₁, ND₂, ND₃ handelt. Das von der Umgebung reflektierte Licht aus dem Sendepfad 1 kann so durch verschiedene optische Filter 12, 13 gelenkt werden je nachdem welcher Laser 4 z. B. gerade aktiv ist bzw. ob eine Fernabtastung mit einem empfindlichen Detektor oder eine Nahabtastung mit einem weniger empfindlichen Detektor als Funktion des LiDAR-Systems ausgewählt ist.
• Wie im Sendepfad 1 sind auch im Empfangspfad 9 ein Träger 14 mit vier Linsen 15 vorgesehen sowie ein Träger 16 mit fünf Linsen 17. Die Träger 14, 16 sind ebenfalls in Form von Revolverscheiben ausgebildet, sodass je eine Linse 15, 17 jedes Trägers 14, 16 je nach relativer Drehposition verschiedene Linsensysteme zur Formung des reflektierten Laserlichts auf die dahinter liegenden Detektoren bilden. Ein Träger 18 umfasst hier drei verschiedene Detektoren 19, 20, 21: eine Einzelphotonen-Lawinendiode 19 (SPAD), eine Lawinen-Photodiode 20 (APD) und einen Photoelektronenvervielfacher 21 (PMT).
• 3 und 4 veranschaulichen in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform (eines Sendepfades 1 oder eines Empfangspfades 9) in geschnittenen Seitenansichten für eine Anordnung von drei Trägern 22, 23, 24 mit Linsen 25, 26, 27, 28, 29 wie sich durch eine Rotation eines oder mehrere Träger 22, 23, 24 Linsensysteme mit unterschiedlichen Brennpunkten / Brennebenen und damit verschiedenen FoV entlang eines optischen Pfades 30 (optische Achse) bilden lassen.
• In 3 sind die Linsen 25, 26 und 27 aktiv. Durch eine Rotation der Träger 22 und 23 um 180° gelangen in 4 die Linsen 28, 29 in den optischen Pfad, während die Linse 27 im optischen Pfad verbleibt. Wie ersichtlich ist der Abstand der aktiven Linsen 28, 29 größer als der Abstand der in 3 aktiven Linsen 25, 26 wodurch ein anderes FoV erreicht werden kann indem die Linsen 25, 28 und 26, 29 in den Trägern 22, 23 an unterschiedlichen Orten entlang des optischen Pfads angeordnet sind. Die Linsen 25 und 28, 26 und 29 sowie die Linsen 27 des Träger 24 können weiterhin identische oder unterschiedliche Brechungseigenschaften aufweisen.
• 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Trägers 7 (hier Revolverscheiben, aber auch bei anderer Trägerform möglich) mit Linsen 8 und einem integrierten Reinigungssystem 31, 32. Bei einem Umschalten zwischen zwei LiDAR-Elementen wird in der Ausführungsform der 5 ein LiDAR-Element (Linse 8) durch die Relativbewegung zwischen Reinigungssystem 31 und dem Träger 7 gereinigt. Das Reinigungssystem ist hier nur etwa über den halben Durchmesser der Revolverscheibe angeordnet. In 6 verläuft das Reinigungssystem 32 im Wesentlichen über den ganzen Durchmesser des Trägers 7, sodass bei einem Umschalten zwischen zwei LiDAR-Elementen zwei LiDAR-Elemente (Linsen 8) durch die Relativbewegung zwischen Reinigungssystem 32 und dem Träger 7 gereinigt werden. Die Reinigungssysteme 31, 32 können mit jedem Träger kombiniert sein oder nur für bestimmte Träger 7 (die anfällig für eine Verschmutzung sind wie Linsen oder andere optische Elemente) vorgesehen werden. Ein Reinigungssystem 31, 32 kann auch für zwei benachbarte Träger 7 gleichzeitig vorgesehen sein, z. B. indem eine zweiseitige Bürste oder ein zweiseitiges Wischerblatt vorgesehen wird, das den Spalt zwischen den benachbarten Trägern 7 überbrückt.
• Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

1. LiDAR-System umfassend: - einen Sendepfad (1) umfassend mindestens einen Laser (4), - einen Empfangspfad (9) umfassend mindestens einen Detektor (19, 20, 21), - eine Strahloptik, umfassend mindestens ein optisches Element (6, 8, 12, 13, 15, 17, 25, 26, 27, 28, 29) zur Ablenkung, Formung und / oder Modifikation von emittiertem oder reflektiertem Laserlicht, wobei die Strahloptik dazu eingerichtet ist, einen im Sendepfad (1) emittierten Laserstrahl zum Abtasten einer Umgebung abzulenken und den von der Umgebung reflektierten Laserstrahl im Empfangspfad (9) zum mindestens einen Detektor (19, 20, 21) abzulenken, dadurch gekennzeichnet, dass das LiDAR-System mindestens einen bewegbaren Träger (3, 5, 7, 11, 14, 16, 18, 22, 23, 24) umfasst, wobei der mindestens eine Träger (3, 5, 7, 11, 14, 16, 18, 22, 23, 24) mindestens zwei LiDAR-Elemente umfasst, zwischen denen durch ein Bewegen des Trägers (3, 5, 7, 11, 14, 16, 18, 22, 23, 24) umgeschaltet werden kann, sodass jeweils ein anderes der mindestens zwei LiDAR-Elemente im optischen Pfad (30) des LiDAR-Systems aktiv ist, wobei die mindestens zwei LiDAR-Elemente des mindestens einen Trägers (3, 5, 7, 11, 14, 16, 18, 22, 23, 24) ausgewählt sind aus - Lasern (4) des Sendepfads (1), - Detektoren (19, 20, 21) des Empfangspfads (9), und - optischen Elementen (6, 8, 12, 13, 15, 17, 25, 26, 27, 28, 29) der Strahloptik.
2. LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei ein bewegbarer Träger (3) mindestens zwei Laser (4) mit unterschiedlichen Wellenlängen umfasst, vorzugsweise zumindest einen Laser (4) mit der Wellenlänge 1550 nm und einen Laser (4) mit der Wellenlänge 905 nm, zwischen denen durch eine Bewegung des Trägers (3) umgeschaltet werden kann.
3. LiDAR-System nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein bewegbarer Träger (18) mindestens zwei unterschiedliche Detektoren (19, 20, 21) umfasst, vorzugsweise ausgewählt aus einer Einzelphotonen-Lawinendiode (19), einer Lawinen-Photodiode (20) und / oder einem Photoelektronenvervielfacher (21).
4. LiDAR-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein bewegbarer Träger (3, 5, 7, 11, 14, 16, 18, 22, 23, 24) eine drehbare Revolverscheibe ist, die so angeordnet ist, dass zwischen mindestens zwei LiDAR-Elementen im optischen Pfad (30) durch eine Drehung der Revolverscheibe umgeschaltet werden kann.
5. LiDAR-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei bewegbare Träger (3, 5, 7, 11, 14, 16, 18, 22, 23, 24) im optischen Pfad (30) hintereinander angeordnet sind, wobei jeder Träger (3, 5, 7, 11, 14, 16, 18, 22, 23, 24) mindestens zwei LiDAR-Elemente umfasst.
6. LiDAR-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein bewegbarer Träger (11) mindestens zwei verschiedene optische Filter (12, 13) umfasst, zwischen denen durch eine Bewegung des Trägers (11) umgeschaltet werden kann, wobei mindestens ein Filter (12, 13) ausgewählt ist aus einem Kantenfilter (12) und einem Neutraldichtefilter (13).
7. LiDAR-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein bewegbarer Träger (3, 5, 7, 11, 14, 16, 18, 22, 23, 24) mindestens zwei identische LiDAR-Elemente umfasst, zwischen denen durch ein Bewegen des Trägers (3, 5, 7, 11, 14, 16, 18, 22, 23, 24) umgeschaltet werden kann, sodass eines der beiden identischen LiDAR-Elemente einen Ausfall des anderen LiDAR-Elements kompensieren kann.
8. LiDAR-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein bewegbarer Träger (5, 7, 14, 16, 18, 22, 23, 24) mindestens zwei optische Linsen (6, 8, 15, 17, 25, 26, 27, 28, 29) umfasst, wobei die Linsen (6, 8, 15, 17, 25, 26, 27, 28, 29) vorzugsweise unterschiedliche Brechungseigenschaften aufweisen und / oder in der jeweiligen aktiven Position an unterschiedlichen Orten entlang des optischen Pfads (30) angeordnet sind, sodass sich verschiedene optische Eigenschaften ergeben.
9. LiDAR-System nach Anspruch 8, wobei mindestens zwei bewegbare Träger (5, 7, 14, 16, 18, 22, 23, 24) im optischen Pfad (30) hintereinander angeordnet sind, wobei die mindestens zwei Träger (5, 7, 14, 16, 18, 22, 23, 24) jeweils mindestens zwei optische Linsen (6, 8, 15, 17, 25, 26, 27, 28, 29) umfassen, wobei innerhalb jedes der beiden Träger (5, 7, 14, 16, 18, 22, 23, 24) die Linsen (6, 8, 15, 17, 25, 26, 27, 28, 29) jeweils vorzugsweise unterschiedliche Brechungseigenschaften aufweisen und / oder in der jeweiligen aktiven Position an unterschiedlichen Orten entlang des optischen Pfads (30) angeordnet sind, sodass sich verschiedene optische Eigenschaften ergeben.
10. LiDAR-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein bewegbarer Träger (7) ein Reinigungssystem (31, 32 umfasst, dass so eingerichtet ist, dass bei einem Umschalten zwischen zwei LiDAR-Elementen (8) mindestens ein LiDAR-Element (8) durch eine Relativbewegung zwischen Reinigungssystem (31, 32) und dem Träger (7) gereinigt wird.

Images