-
Die Erfindung betrifft einen Lidarsensor, insbesondere einen Lidarsensor, der für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet ist.
-
Stand der Technik
-
Als Lidar (Light detection and ranging oder Light imaging, detection and ranging) wird eine optische Abstands- und Geschwindigkeitsmessung bezeichnet, bei der anstelle von Radarwellen wie bei Radar-Messungen Laserstrahlen verwendet werden.
-
Bekannte Lidarsensoren sind innen aus klassischen Materialien aufgebaut. Als Materialien werden hierbei Metalle, wie bspw. Aluminium, Eisen und Kupfer, sowie Kunststoffe, wie z. B. PC, PVC und PMMA, verwendet. Aus diesen Materialien können verschiedene Bauelemente, wie bspw. optische Bauelemente, Halterungen, Fixierungen, oder auch Bauelemente zur Strahlablenkung, wie z. B. Spiegel, realisiert werden. Die Oberflächen der Bauelemente sind in der Regel planar ausgeführt und besitzen nur eine herstellungsprozessbedingte Rauigkeit.
-
Optisch aktive Bauelemente werden dabei typischerweise hochreflektiv oder hochtransmissiv beschichtet. Dies wird bspw. bei Linsen und Spiegeloberflächen vorgenommen. Die hierbei eingesetzten Beschichtungen sind für die Lidarzielwellenlänge optimiert und berücksichtigen in der Regel den nominellen Strahlengang im Nennbetrieb des Lidarsystems. Photonen anderer Wellenlängen oder auch in einem nicht angedachten Eintritts- oder Austrittswinkel werden dabei unkontrolliert reflektiert. Hierbei können im ungünstigsten Fall und insbesondere bei hohem Aufkommen von Photonen ungewollte optische Resonatoren entstehen, die schlussendlich zu Fehlauslösungen im Detektor führen können. Beispiele hierfür sind optische Resonatoren zwischen dem Detektor und einer Linse, zwischen zwei Linsen, zwischen Optik und Optikhalter, zwischen Linsen und Abdeckfenster oder allgemein zwischen einem beliebigen Bauelement innerhalb des Lidarsensors und dem Gehäuseinneren.
-
Undefiniert umherfliegende Photonen sind die hauptsächliche Ursache für Streulichteffekte und optisches Übersprechen bzw. Crosstalk, die wiederum insbesondere bei hochreflektierenden Objekten, wie z. B. Autobahnschilder, zu Artefakten in der 3D-Punktewolke des Lidars führen. Es werden deutlich mehr Detektorzellen ausgelöst als die, die aus dem Raumwinkel kommen, in dem sich das tatsächliche Objekt befindet. Diese Fehldetektionen führen zu Fehlfunktionen der Umfelderkennung und dadurch bspw. zu Fehlbremsungen oder zu einem Übersehen von Objekten.
-
Aus der Druckschrift
DE 10 2018 212 044 A1 ist ein Lidarsensor zur optischen Erfassung eines Sichtfelds bekannt, der eine Sendeeinheit zur Aussendung elektromagnetischer Strahlung in das Sichtfeld und eine Empfangseinheit zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung aufweist. Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind biaxial zueinander angeordnet. Weiterhin ist eine Abschirmeinheit zum Abschirmen von Streulicht vorgesehen. Darüber hinaus weist der Lidarsensor einen Rotor und einen Stator auf. Am Rotor und am Stator ist jeweils eine Abschirmkomponente der Abschirmeinheit angeordnet. Mit dem in der Druckschrift beschriebenen Lidarsensor mit rotierender Plattform ist es möglich, ein optisches Übersprechen zwischen dem Sendepfad und dem Empfangspfad durch ein eingefügtes Element im Schattenbereich der Sichtfelder zu unterbinden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund wird Lidarsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
-
Der vorgestellte Lidarsensor weist ein Gehäuse auf, in dem eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung vorgesehen sind, wobei der Lidarsensors in dem bzw. seinem Gehäuse strukturierte Oberflächen aufweist. Die Sendeeinrichtung ist dafür vorgesehen, einen Messtrahl, d. h. eine elektromagnetische Strahlung, typischerweise einen Laserstrahl, zu emittieren. Dieser Messstrahl wird üblicherweise an einem Messobjekt reflektiert, der reflektierte Strahl wird dann von der Empfangseinrichtung in dem Lidarsensor erfasst und ausgewertet, um ein Messergebnis zu erhalten.
-
Dass der Lidarsensor in seinem Gehäuse strukturierte Oberflächen aufweist bedeutet, dass Oberflächen in dem Gehäuse, bspw. Oberflächen der Gehäuseinnenseite und/oder Innenflächen und/oder Außenflächen von Bauteilen in dem Gehäuse des Lidarsensors, wie bspw. die Sendeeinrichtung, die Empfangseinrichtung oder andere optischen Bauteile, strukturierte Oberflächen aufweisen, die dazu geeignet sind, insbesondere Streulicht bzw. Photonen des Streulichts abzuschwächen oder zu absorbieren, so dass diese möglichst kenen Einfluss mehr auf die Messung haben. Wird das Streulicht an den strukturierten Oberflächen typischerweise mehrfach reflektiert, so führt dies dazu, dass dieses Streulicht abgeschwächt und vorzugsweise ganz absorbiert wird.
-
Es werden somit Techniken zur Absorption von Störlicht mittels einer strukturierten Oberfläche verwendet. Dabei sind unterschiedliche Größenverhältnisse denkbar, siehe 1, etwa Nanostrukturen, wie z. B. Vantablack, Mikrostrukturen, wie bspw. Black Silicon, oder auch makroskopische Strukturen mit Dreiecks- bzw. Trapez- oder Pyramidenform. Allen Formen ist gemein, dass sie für einfallende Strahlung, z. B. Licht, durch ihre spitz zulaufende Form wie eine Falle wirken. Einfallendes Licht wird an den Wänden der Strukturelemente mehrfach in einem immer flacheren Winkel hin und her reflektiert und kann die Struktur demnach nicht mehr verlassen. Sind diese Strukturen aus absorbierendem Material erstellt, so ist dieser Effekt effizienter, da die Strahlung bei jeder Reflexion abgeschwächt wird.
-
Mit dem vorgestellten Lidarsensor können Streulichteffekte und ein Übersprechen bzw. Crosstalk in einem Lidarsystem durch rechtzeitige Absorption fehlgeleiteter Photonen vermieden werden, bevor diese eine Fehldetektion im Detektor auslösen können. Gleichzeitig kann eine ungestörte Transmission der im korrekten Winkel einfallenden Nutzphotonen gewährleistet werden.
-
Hierzu sind in Ausgestaltung eine Auskleidung von Gehäuseinnenwänden, Bauteilaußen- sowie -innenwänden und ungewollt reflektierende oder transmittierende Oberflächen in einem Lidarsystem vorgesehen. Dabei erfolgt die Auskleidung selektiv je nach Auftreten von Störphotonen sowie wahlweise mit Nano- Mikro- oder makroskopischen Strukturen bzw. mittels geeigneter Kombination aus diesen.
-
Der vorgestellte Lidarsensor hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen:
- Reduktion von Streulicht in einem Lidarsystem,
- Reduktion des optischen Crosstalks,
- Minimierung von Fehldetektionen,
- Verhinderung von Fehlbremsungen in automatisierten Fahrfunktionen, Verhinderung von ausbleibenden Bremsungen auf relevante Objekte,
- vielfältige Ausführungsformen sind möglich,
- kann bei allen Lidarsystemen bzw. Kamerasystemen unabhängig vom Funktionsprinzip eingesetzt werden.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
- 1 zeigt natürliche und künstliche Absorptionsstrukturen.
- 2 zeigt in einer Draufsicht eine Ausführungsform des Lidarsensors in einer schematischen Darstellung.
- 3 zeigt den Lidarsensor aus 2 in einer Seitenansicht.
- 4 zeigt in einer Seitenansicht eine weitere Ausführungsform des vorgestellten Lidarsensors.
- 5 zeigt in einer Seitenansicht einen Objektivhalter.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
-
1 zeigt natürliche und künstlicher Absorptionsstrukturen am Beispiel eines Mottenauges 10 mit Nano-Mikro-Strukturen, einer hiervon inspirierten Absorberstruktur 12 aus Siliciumkarbit und eines makroskopisch geformten Metallelements 14.
-
Der hierin beschriebene Lidarsensor verkörpert in Ausgestaltung ein Designelement mit absorbierenden Strukturen zur Auskleidung in einem Lidarsystem befindlicher Oberflächen, die ungewollte Reflexionen oder Transmissionen verursachen. Diese Strukturen haben durch ihre Form und Materialbeschaffenheit die Aufgabe, Photonen, die in einem ungünstigen Winkel in das Lidarsystem bzw. den Lidarsensor eingetreten sind, bspw. durch niedrigen Sonnenstand oder Mehrfachreflexion, einzufangen, abzuschwächen oder gar zu absorbieren und den Wiederaustritt zu verhindern.
-
Ebenso können parasitäre optische Resonatoren innerhalb des Lidarsensors bzw. Lidarsystems unterbunden werden, wenn es insgesamt mit Hilfe der absorbierenden Strukturen mehr absorbierende als reflektierende oder transmittierende Oberflächen im Geräteinneren des Lidarsensors gibt. Einmal absorbiert können fehlgeleitet Photonen keine Fehldetektion im Empfangspfad mehr auslösen, wodurch sich die Qualität der Punktewolke verbessert. Das Prinzip der erfindungsgemäßen Umsetzung ist in 2 für die Gehäuseinnenwände schematisch dargestellt.
-
2 zeigt in einer Draufsicht in vereinfachter Darstellung einen Lidarsensor, der insgesamt mit Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt ein Gehäuse 52 des Lidarsensors 50, das an der Vorderseite durch ein lichtdurchlässiges Abdeckglas 54 abgedeckt ist. Weiterhin zeigt die Darstellung eine Lichtquelle 56, die Photonen 58 und somit eine elektromagnetische Strahlung auch im sichtbaren Bereich emittiert. Die von der Lichtquelle 56 emittierten Photonen 58 können in das Innere des Lidarsensors 50 gelangen stellen dann Streulicht dar, das die Messung beeinflussen kann. Somit ist ein möglicher Irrweg eines fehlgeleiteten Photons 58 verdeutlicht.
-
Eine Innenseite bzw. Innenfläche 60 des Gehäuses 52 ist mit einer strukturierten Oberfläche 62 versehen, die dazu führt, dass auftreffende Photonen 58 bestimmungsgemäß abgelenkt, abgeschwächt und damit schlussendlich absorbiert werden, bevor diese durch eine Empfangseinrichtung 64 erfasst werden können und ggf. das Ergebnis der Messung beeinflussen. In einer besonderen Ausgestaltung ist die strukturierte Oberfläche 62 derart, dass diese Photonen 58 der Zielwellenlänge des Lidarsensors 50 absorbieren. Die Zielwellenlänge ist die Wellenlänge der Strahlung bzw. der Photonen, die von dem Lidarsensor 50 mit einer Sendeeinrichtung 66 emittiert und typischerweise nach einer Reflexion wieder durch die Empfangseinrichtung 64 detektiert bzw. erfasst werden.
-
Die strukturierte Oberfläche 62 weist bei dieser Ausführung eine Makrostruktur auf, die im Querschnitt dreieckförmig ist. Es sind auch andere Querschnittsformen denkbar. Weiterhin sind auch mikroskopische Strukturen, Nanostrukturen und aufgerauhte Oberflächen denkbar.
-
3 zeigt den Lidarsensor 50 aus 2 in einer Seitenansicht.
-
Das gleiche Prinzip lässt sich vorteilhafterweise auch auf interne Bauelemente des Lidarsystems anwenden, wie in 4 dargestellt.
-
4 zeigt in einer Seitenansicht einen Lidarsensor 100 mit einer Innenauskleidung 102 der Gehäusewände 104 und einer Außenauskleidung 106 eines internen Bauelements 110, in diesem Fall eines Objektivs.
-
Die Darstellung zeigt weiterhin eine externe Lichtquelle 120, die ein Streulicht 122 abgibt und ein Objekt 124, das mit dem Lidarsensor 100 zu erfassen ist.
-
Bei dem dargestellten Lidarsensor 100 ist in Ausgestaltung das Zusammenspiel von Innenauskleidung 102 der Gehäusewände 104 mit der Außenauskleidung 106 von Bauelementen, bspw. des Bauelements 110, zu optimieren. Es wird angestrebt, je nach Auftrittshäufigkeit ungewünschter Photonen im System, z. B. bei Eintritt von Strahlung außerhalb des Sichtfelds bzw. Field of Views (FoV), möglichst effiziente Photonenfallen zu bauen.
-
In einer Ausführung ist vorgesehen, die Innenauskleidung 102 und die Außenauskleidung 106 aufeinander abzustimmen. Dies kann bspw. bedeuten, dass alle optisch nicht aktiven Oberflächen des Inneren des Gehäuses mit der strukturierten Oberfläche zu bekleiden sind. Diese strukturierte Oberfläche ist zweckmäßigerweise neben der Zielwellenlänge auch breitbandig für andere Wellenlängen des Sonnenspektrums absorbierend. Diese strukturierte Oberfläche kann bspw. durch Beschichtung der Gehäusekomponenten erfolgen.
-
Je nach zu verkleidenden Elements und benötigter Lichtfalleneffizienz können adäquate Strukturgrößen gewählt werden. Dabei ist die Abwägung in der Regel dadurch gegeben, dass besonders fein strukturierte Elemente, wie bspw. Schwarzes Silicium bzw. Black Silicon oder Vantablack, auch eine besonders hohe Absorptionswirkung erzielen, dabei aber bei möglichem Abrieb, Alterung oder möglichen Vibrationen sowohl an Effizienz verlieren als auch auf optische Elemente niederschlagen können. Grobstrukturierte und schwarz, insbesondere mit hoher Absorption, beschichtete Flächen sind weniger effizient und größer bauend dafür aber mechanisch stabiler. Vantablack ist eine Substanz aus gerichteten Kohlestoffnanoröhren. Schwarzes Silicium ist eine Oberflächenmodifikation des kristallinien Siliciums.
-
Auch innerhalb von Bauelementen, bspw. in einem Empfangsobjektiv, lassen sich die Strukturen vorteilhaft einsetzen, indem diese wiederum dort liegende Innenwände auskleiden und dabei Photonen, die nicht auf direktem Wege durch das Objektiv gehen, wie bspw. Streulicht, absorbieren. Es wird in diesem Zusammenhang auf 5 verwiesen.
-
5 zeigt in einer Seitenansicht einen Objektivhalter, der insgesamt mit der Bezugsziffer 150 bezeichnet ist. In diesem Objektivhalter 150 sind eine erste Linse 152 und eine zweite Linse 154 vorgesehen. Weiterhin weisen Gehäusewände 156 des Objektivhalters 150 zumindest abschnittsweise eine Innenauskleidung 158 auf, die eine strukturierte Oberfläche bewirken.
-
Der vorgestellte Lidarsensor kann bspw. im Bereich der optischen Sensorik, z. B. in Automotive Lidar-Systemen und Kamerasystemen, und in anderen optischen Geräte, wie bspw. Mikroskopen oder Teleskopen, eingesetzt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102018212044 A1 [0006]
