EP3488258A1 - Optical arrangement for a lidar system, lidar system, and working device - Google Patents

Optical arrangement for a lidar system, lidar system, and working device

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EP3488258A1
EP3488258A1 EP17740676.6A EP17740676A EP3488258A1 EP 3488258 A1 EP3488258 A1 EP 3488258A1 EP 17740676 A EP17740676 A EP 17740676A EP 3488258 A1 EP3488258 A1 EP 3488258A1
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EP
European Patent Office
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segments
optical
optics
view
field
Prior art date
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Ceased
Application number
EP17740676.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Klaus Stoppel
Frank Kaestner
Annette Frederiksen
Joern Ostrinsky
Reiner Schnitzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
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    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data

Definitions

  • the present invention relates to an optical arrangement for a LiDAR system, a LiDAR system and a working device.
  • the present invention relates in particular to an optical arrangement for a LiDAR system for the optical detection of a field of view, in particular for a
  • the present invention relates to a LiDAR system for optically detecting a field of view as such and in particular for a working device, a vehicle or the like. Furthermore, a vehicle is provided by the present invention.
  • Sensor arrays used to detect the operating environment.
  • LiDAR system English: LiDAR: light detection and ranging.
  • independent claim 1 has the advantage that, despite a large receiver-side aperture flexible arrangement of the optical arrangement results in reduced height or width.
  • This is inventively achieved with the features of independent claim 1, characterized in that an optical arrangement for a LiDAR system for the optical detection of a field of view, in particular for a working device, a vehicle or the like, is provided with a segmented with a - especially odd - majority optically imaging segments
  • the segmented configuration of the receiver optics with a plurality of optically imaging segments and (ii) the applicability of the segments of the receiver optics side by side can depend on the structural conditions of the
  • Receiver optics are arranged distributed in a suitable manner, so that the space can also be divided accordingly.
  • the dependent claims show preferred developments of the invention.
  • the optically imaging segments of the receiver optics are or are arranged - in a direction perpendicular to a receiving direction of the receiver optics,
  • the measures according to the invention can also be used to reduce a lateral extent of the optical arrangement of the LiDAR system in order to obtain horizontally narrow and vertically more extensive structure.
  • a narrow or flat design for the optical arrangement can be achieved with one whose orientation in space is determined by the choice of segmentation and the arrangement next to one another.
  • vertical and horizontal refer to the geometry of a frame of reference of the particular application, and in particular to the orientation of a gravitational field, e.g. that of the earth.
  • optical arrangement in cooperation of the receiver optics with a detector array.
  • the receiver optics for optical imaging of the field of view is formed on a designated detector array.
  • Receiver optics for optical imaging of an associated segment of the field of view is formed on the detector array.
  • a particularly accurate detection of the field of view to be scanned is obtained if, according to another development of the optical arrangement of the invention, the totality of all - the optically imaging segments of the receiver optics associated - segments of the field of view cover the field of view as a whole.
  • Particularly favorable imaging ratios arise with regard to a good utilization of the available segments of the receiver optics if, according to another development of the optical arrangement according to the invention, the optically imaging segments of the receiver optics
  • associated segments of the field of view have no overlap or overlap of less than 10%, preferably less than 5%, more preferably less than 2% of each swept solid angle with each other.
  • a particularly compact optical arrangement can be achieved in that segments assigned to the optically imaging segments of the receiver optics are directly adjacent to one another or, in particular, in adjoining fashion.
  • optically imaging segments of the receiver optics associated segments of the field of view are arranged spatially spaced or spatially. In this way, a spatially distributed design can be achieved, which can be adapted to the respective applications.
  • a core aspect of the present invention is
  • Receiver optics The concept of segmentation can alternatively or additionally be transferred to the structure of the detector arrangement.
  • the detector arrangement is segmented with a
  • a plurality of detector segments is or is formed and that
  • Arrangement is formed with a segmented formed with a plurality of optical segments transmitter optics for illuminating the field of view with light, in particular with a split beam path, in which a 1 -to-1 - correspondence between the optical imaging segments of the
  • Receiver optics and the optical segments of the transmitter optics and / or the optical segments of the transmitter optics have a spatial arrangement of the optically imaging segments of the receiver optics corresponding spatial arrangement.
  • the transmission-side segmentation coincides with the reception-side segmentation. This may be so in certain embodiments, but is not mandatory.
  • the entire field of view could be illuminated with a beam deflected by a micromirror, and segmentation would be present only on the receiving side.
  • light should also be understood to mean IR radiation, for example-but not exclusively-in the region of 905 nm.
  • an optical segment of the transmitter optics and an optically imaging segment of the receiver optics are spatially spaced apart in a direction perpendicular to a transmission and / or reception direction of the transmitter optics or the receiver optics and / or in a direction perpendicular to a direction of a beam path of
  • the present invention further relates to a LiDAR system for optically detecting a field of view, in particular for a working device, a vehicle or the like.
  • the LiDAR system according to the invention is formed with an optical arrangement according to the present invention.
  • an operating device formed with a LiDAR system according to the present invention for optically detecting a field of view.
  • the working device according to the invention may in particular be a working machine, a vehicle, a robot or another general production or operating system.
  • FIG. 1 shows the manner of a schematic block diagram
  • FIG. 1 shows in side cross-sectional view of an embodiment of an optical arrangement according to the invention with focus on the receiver optics.
  • Figures 3 to 6 show in diagrammatic and perspective view other embodiments of the LiDAR system according to the invention using an embodiment of the optical arrangement according to the present invention.
  • Figures 7 and 8 show a schematic representation of a vertical or a horizontal division of a field of view into segments when using an embodiment of the optical arrangement according to the invention.
  • Figure 9 Describes schematically aspects of the distance determination by triangulation using the parallax effect.
  • Figure 1 shows in the form of a schematic block diagram a
  • the LiDAR system 1 has a transmitter optics 60 which is fed by a light source 65, for example in the form of a laser, and primary light 70 - possibly after passing through a beam shaping optics 66 - in a field of view 50 for the investigation of an object 52 located there emits.
  • a light source 65 for example in the form of a laser
  • primary light 70 - possibly after passing through a beam shaping optics 66 - in a field of view 50 for the investigation of an object 52 located there emits.
  • the LiDAR system 1 has a receiver optics 30 which receives secondary light 80 reflected by the object 52 in the field of view 50 via a lens 34 as a primary optic and, if appropriate, via a
  • Secondary optics 35 - transmits to a detector array 20.
  • control and evaluation unit 40th The control of the light source 65 and the detector assembly 20 via control lines 42 and 41 by means of a control and evaluation unit 40th
  • FIG. 1 schematically illustrates the concept of segmentation of the optical components of the LiDAR system 1 in three respects, but this is not mandatory.
  • the receiver optics 30 have a plurality of optically imaging segments 31 in the region of the objective 34, e.g. in the form of a plurality of correspondingly geometrically designed objective lenses.
  • Each optically imaging segment 31 is assigned a corresponding solid angle region in front of the objective 34, which forms a segment 51 of the field of view 50 of the LiDAR system 1.
  • the assignment is made by aligning the optically imaging segments 31 with respect to each other and with respect to the desired field of view field 50.
  • a respective optically imaging segment 31 of the receiver optics 30 forms a segment 51 of the field of view 50 by receiving the secondary light 80 onto the detector arrangement 50.
  • the field of view segments 51 entirely cover the field of view 50, i. the entire field of view 50 is detected in the form of the imaged field of view segments 51 by their entirety.
  • a further aspect of the segmentation can be found in the embodiment according to FIG. 1 in the case of the LiDAR system 1 according to the invention in the region of the deflection optics 62 of the transmitter optics 60, namely by the provision of a plurality of optical segments 61 independently controllable mirror elements acting on each other
  • System 1 according to FIG. 1 is realized in the region of the detector arrangement 20 by the provision of a plurality of detector segments 21.
  • Figure 2 shows a schematic and sectional side view of a
  • the overlapping of the individual field of view segments 51 is not absolutely necessary and is advantageously only minimal, so that no
  • Field of view segments 51 of the field of view 50 arise.
  • overlap may be helpful in some embodiments to compensate for adjustment tolerances.
  • Each field of view segment 51 is associated with an optically imaging segment 31 of the receiver optics 30, e.g. in the sense of a lens 34, assigned.
  • the assignment is such that, by imaging the optical imaging segment 31 of the receiver optics 30, exactly the associated field of view segment 51 is optically imaged on the detector arrangement 20. It is essential in the embodiment according to FIG. 2 that a 1-to-1 correspondence exists between a respective detector segment 21, an optically imaging segment 31 of the receiver optics 30 and the associated field of view segment 51. This 1-to-1 correspondence is true advantageous, but not necessary to force.
  • FIG. 3 shows, in a schematic and partially perspective view, another embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention with two optically imaging segments 31 of the receiver optics 30 in the form of an objective 34, which respectively emit secondary light 80 from the field of view 50 onto a respective detector segment 21 of the detector arrangement 20 mapped with a plurality of six detector elements 22.
  • Figure 4 shows a schematic and perspective view of another
  • Embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention in which the segmentation in the region of the receiver optics 30 with a plurality of optically imaging segments 31 in connection with the transmitter optics 60 can be used to a 90 distance 90 between an optical segment 61 of the transmitter assembly 60th , eg in the sense of a deflection optics or a deflection mirror 62, the parallax effect can be exploited in order to obtain further information about the geometry of the field of view 50 and in particular about a distance of an object 52 contained in the field of view 50.
  • the receiver optics 30 and the transmitter optics 60 are each formed with two segments 31 and 61, respectively.
  • FIG. 6 shows a schematic and sectional side view of another embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention.
  • a segmentation of the transmitter optics 60 takes place via the provision of a pair of spatially separated deflecting mirrors 62 as segments 61 of the transmitter optics 60 for the emission of the primary light 70.
  • a segmentation of the receiver optics 30 for receiving and imaging the secondary light 80 is formed in the embodiment of the LiDAR system 1 according to FIG. 6 by the facet optics of the Fresnel lens 32 of the receiver optics 30.
  • the individual facets form the segments 31 of the
  • FIG. 6 shows a single Fresnel lens 32. This can be used, for example, to reduce the depth of a normal lens. However, it would also be conceivable here to provide a faceted appearance-possibly even without a Fresnel structure-since fresnel structures may have disadvantages, especially at certain observation angles.
  • the LiDAR system 1 has two detector segments 21 with a plurality of detector elements 22 in the detector arrangement 20.
  • FIGS. 7 and 8 show a vertical or a horizontal segmentation of a field of view 50 with individual field of view segments 51.
  • the spatial terms "horizontal”, “vertical” and the like refer to a conventional arrangement of a LiDAR system 1 in connection with an underlying device, preferably in the gravitational field of the earth.
  • an objective is often used as receiver optics 30 with a round aperture in the receive path.
  • detectors 22 of a detector arrangement 20 are located in the imaging area of this one objective 34.
  • the entire field of view (FOV) is imaged by this objective 34.
  • LiDAR sensors in a flat, elongated construction are desired so that these are e.g. between the ribs of a car radiator grill.
  • a flat design can improve the thermal performance of a LiDAR system to this effect.
  • a core idea of the present invention is the decomposition of functional elements of the receiver optics 30 - for example the objective lenses 34 - and possibly also the detector chips 21, laser source 65 and / or the transmission path 60 in at least two elements, which are arranged in particular spatially next to each other and / or one above the other so that a flat construction is created.
  • the previously uniform field of view 50 or field-of-view (FoV) can be divided horizontally or vertically, as shown in FIGS. 7 and 8, so that a flat construction of the system 1 results.
  • the lenses of a faceted optics can be broken down into individual elements to reduce the depth. Also tilted
  • Lens elements to convert one dimension of the FOV 50 into others are conceivable.
  • FIG. 3 shows a possibility, such as by dividing lenses in the objective 34 of the receiver optics 30 and detector surfaces or segments 21 of FIG
  • Detector assembly 20 ensures an overall constant receiving surface and at the same time a flat design can be generated.
  • the parallax effect can also be used to obtain further information for determining the distance.
  • a division of the transmission path with the transmitter arrangement 60 is conceivable and indicated in FIG.
  • the receiving optics 30 can be arranged centrally between the segments 61 of the transmitter arrangement 60 or the transmission path.
  • the division of the transmission path e.g. work with two lasers or with a laser that is split again before leaving the device.
  • FIG. 3 shows the division of lenses as optically imaging segments 31 of the receiver optics 30 and detector surfaces as detector segments 21
  • Detector assembly 20 to realize the same receiving surface and a flat design.
  • FIG. 4 shows a distributed construction in which segments 61 of transmitter optics 60 and segments 31 of receiver optics 30 are pulled apart horizontally. For near distances, the parallax effect can be used to more
  • FIG. 5 schematically shows the flexible arrangement of segments 61 of the transmitter optics and of segments 31 of the receiver optics 30.
  • FIG. 6 shows the division of a laser beam with two micromirrors 62 as segments 61 of the transmitter optics 60 and between them a receiver optics 30 in the manner of a facet optical system 32, which images the various field-of-view regions as segments 51 of the field of view 50.
  • FIGS. 7 and 8 show schematically a possible division of the
  • FIG. 9 shows schematically aspects of the distance determination by
  • the LiDAR system 1 shown schematically in FIG. 9 is provided with a
  • primary light 70 strikes an object 52, which the
  • the secondary light 80 is incident on the receiver optics 30 and directed therethrough to the detector assembly 20.
  • FIG. 9 shows schematically how, due to the base distance 94 between the receiver optics and the transmitter optics 60, which is also denoted by the symbol b, in connection with the parallax effect
  • Triangulation in addition to the transit time measurement in addition to the distance 91 of the object 52 can be closed by the receiver optics 30.
  • This distance is also denoted by z.
  • the following formula results in connection with the focal length 92, which is also denoted by the symbol f, and the distance 93, if this distance in the detector plane 23, which is identical to the focal plane of the receiver optics 30, is denoted by d: bz

Abstract

The invention relates to an optical arrangement (10) for a LIDAR system (1) for optically sensing a field of view (50), in particular for a working device or for a vehicle, comprising a receiving optical unit (30), which is segmented with an - in particular odd - number of optically imaging segments (31), the optically imaging segments (31) of the receiving optical unit (30) being arranged adjacent to each other.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Optische Anordnung für ein LiDAR-Svstem, LiDAR-Svstem und  Optical arrangement for a LiDAR system, LiDAR systems and
Arbeitsvorrichtung working device
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung für ein LiDAR- System, ein LiDAR-System sowie eine Arbeitsvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine optische Anordnung für ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine The present invention relates to an optical arrangement for a LiDAR system, a LiDAR system and a working device. The present invention relates in particular to an optical arrangement for a LiDAR system for the optical detection of a field of view, in particular for a
Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes als solches und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen. Des Weiteren wird durch die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug geschaffen. Working device, a vehicle or the like. Furthermore, the present invention relates to a LiDAR system for optically detecting a field of view as such and in particular for a working device, a vehicle or the like. Furthermore, a vehicle is provided by the present invention.
Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder With the use of working devices, of vehicles and other machines and plants are increasingly operating assistance systems or
Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall, kommen vermehrt auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-System (englisch: LiDAR : light detection and ranging). Sensor arrays used to detect the operating environment. In addition to radar-based systems or systems based on ultrasound, more and more light-based detection systems are also used, e.g. so-called LiDAR system (English: LiDAR: light detection and ranging).
Bei bekannten LiDAR-Systemen besteht ein Nachteil dahingehend, dass zum Erzielen einer hohen Genauigkeit beim Abtasten des Sichtfeldes die erforderliche große Empfangs- oder Eingangsapertur des LiDAR-Systems herkömmlicher Weise nur mit einer entsprechenden Baugröße zur Ausbildung der optischen Anordnung mit der Empfangsoptik erreicht werden kann. Dies reduziert die Flexibilität des Einsatzes bekannter LiDAR-Systeme. In known LiDAR systems, there is a disadvantage that to achieve high accuracy in scanning the field of view, the required large reception or input aperture of the LiDAR system can be conventionally achieved only with a corresponding size to form the optical arrangement with the receiving optics. This reduces the flexibility of using known LiDAR systems.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße optische Anordnung mit den Merkmalen des Disclosure of the invention The optical arrangement according to the invention with the features of
unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sich trotz einer großen empfängerseitiger Apertur eine flexible Anordenbarkeit der optischen Anordnung bei verringerter Bauhöhe oder Baubreite ergibt. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine optische Anordnung für ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, geschaffen wird mit einer segmentiert mit einer - insbesondere ungeraden - Mehrzahl optisch abbildender Segmente independent claim 1 has the advantage that, despite a large receiver-side aperture flexible arrangement of the optical arrangement results in reduced height or width. This is inventively achieved with the features of independent claim 1, characterized in that an optical arrangement for a LiDAR system for the optical detection of a field of view, in particular for a working device, a vehicle or the like, is provided with a segmented with a - especially odd - majority optically imaging segments
ausgebildeten Empfängeroptik, bei welcher die optisch abbildenden Segmente der Empfängeroptik nebeneinander angeordnet sind. Durch (i) die segmentierte Ausgestaltung der Empfängeroptik mit einer Mehrzahl optisch abbildender Segmente und (ii) die Anordenbarkeit der Segmente der Empfängeroptik nebeneinander kann in Abhängigkeit von den baulichen Gegebenheiten destrained receiver optics, in which the optically imaging segments of the receiver optics are arranged side by side. By (i) the segmented configuration of the receiver optics with a plurality of optically imaging segments and (ii) the applicability of the segments of the receiver optics side by side can depend on the structural conditions of the
Anwendungsfalls die Mehrzahl der optisch abbildenden Segmente der If necessary, the majority of the optically imaging segments of
Empfängeroptik in geeigneter Weise verteilt angeordnet werden, so dass der Bauraum ebenfalls entsprechend aufgeteilt werden kann. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Receiver optics are arranged distributed in a suitable manner, so that the space can also be divided accordingly. The dependent claims show preferred developments of the invention.
Bei der Anordnung der Segmente der Empfängeroptik bieten sich vielfältige geometrische Möglichkeiten an, um dem jeweiligen Anwendungsfall gerecht zu werden. In the arrangement of the segments of the receiver optics offer a variety of geometric options to meet the particular application.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der optischen Anordnung ist es vorgesehen, dass die optisch abbildenden Segmente der Empfängeroptik angeordnet sind oder werden - in einer Richtung senkrecht zu einer Empfangsrichtung der Empfängeroptik,In an advantageous development of the optical arrangement, it is provided that the optically imaging segments of the receiver optics are or are arranged - in a direction perpendicular to a receiving direction of the receiver optics,
- in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Strahlengangs der in a direction perpendicular to a direction of a ray path of
Empfängeroptik,  Receiver optics,
- entlang einer - vorzugsweise geraden - Linie und/oder  - along a - preferably straight - line and / or
- horizontal und/oder vertikal benachbart zueinander in Bezug auf eine  horizontally and / or vertically adjacent to one another with respect to one
Ausrichtung des zu Grunde liegenden LiDAR-Systems oder der zu Grunde liegenden Arbeitsmaschine. Sämtliche Maßnahmen können beliebig miteinander kombiniert und Orientation of the underlying LiDAR system or the underlying work machine. All measures can be combined with each other and
gegebenenfalls um zusätzliche Maßnahmen ergänzt werden, insbesondere um im Vergleich zu einer herkömmlichen und nicht segmentierten Ausgestaltung eine verringerte Bauhöhe zu erzielen, z.B. mit einer vergleichsweise flachen lateral langestreckten Bauform. Stattdessen können die erfindungsgemäß möglichen Maßnahmen auch zur Reduktion einer lateralen Erstreckung der optischen Anordnung des LiDAR-Systems eingesetzt werden, um horizontal schmale und vertikal stärker ausgedehnte Struktur zu erhalten. Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen kann also eine schmale oder flache Bauform für die optischen Anordnung mit einer erzielt werden, deren Ausrichtung im Raum durch die Wahler der Segmentierung und die Anordnung nebeneinander bestimmt wird. optionally supplemented by additional measures, in particular to achieve a reduced height compared to a conventional and non-segmented embodiment, e.g. with a comparatively flat, laterally elongated design. Instead, the measures according to the invention can also be used to reduce a lateral extent of the optical arrangement of the LiDAR system in order to obtain horizontally narrow and vertically more extensive structure. With the procedure according to the invention, therefore, a narrow or flat design for the optical arrangement can be achieved with one whose orientation in space is determined by the choice of segmentation and the arrangement next to one another.
Die Angaben„vertikal" und„horizontal" beziehen sich auf die Geometrie eines Bezugssystems des jeweiligen Anwendungsfalls und insbesondere auf die Ausrichtung eines Schwerefeldes, z.B. das der Erde. The terms "vertical" and "horizontal" refer to the geometry of a frame of reference of the particular application, and in particular to the orientation of a gravitational field, e.g. that of the earth.
Besonders vorteilhaft ist die optische Anordnung im Zusammenwirken der Empfängeroptik mit einer Detektoranordnung. Particularly advantageous is the optical arrangement in cooperation of the receiver optics with a detector array.
So ist es bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung vorgesehen, dass die Empfängeroptik zur optischen Abbildung des Sichtfeldes auf einer vorgesehenen Detektoranordnung ausgebildet ist. Thus, it is provided in an advantageous embodiment of the optical arrangement according to the invention that the receiver optics for optical imaging of the field of view is formed on a designated detector array.
Entsprechend ist von besonderem Vorteil, wenn jedes Segment der Accordingly, it is particularly advantageous if each segment of the
Empfängeroptik zur optischen Abbildung eines zugeordneten Segments des Sichtfeldes auf die Detektoranordnung ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme findet eine Zuordnung zwischen den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik und den Segmenten des Sichtfeldes statt. Receiver optics for optical imaging of an associated segment of the field of view is formed on the detector array. By this measure, an association takes place between the optically imaging segments of the receiver optics and the segments of the field of view.
Eine besonders genaue Erfassung des abzutastenden Sichtfeldes ergibt sich dann, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung die Gesamtheit aller - den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik zugeordneten - Segmente des Sichtfeldes das Sichtfeld insgesamt überdecken. Besonders günstige Abbildungsverhältnisse stellen sich im Hinblick auf eine gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Segmente der Empfängeroptik ein, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik A particularly accurate detection of the field of view to be scanned is obtained if, according to another development of the optical arrangement of the invention, the totality of all - the optically imaging segments of the receiver optics associated - segments of the field of view cover the field of view as a whole. Particularly favorable imaging ratios arise with regard to a good utilization of the available segments of the receiver optics if, according to another development of the optical arrangement according to the invention, the optically imaging segments of the receiver optics
zugeordnete Segmente des Sichtfeldes keinen Überlapp oder einen Überlapp von weniger als 10 %, vorzugsweise von weniger als 5 %, weiter bevorzugt von weniger als 2 % des jeweils überstrichenen Raumwinkels miteinander aufweisen. associated segments of the field of view have no overlap or overlap of less than 10%, preferably less than 5%, more preferably less than 2% of each swept solid angle with each other.
Für ein minimales System ist eine verschwindender Überlapp am besten geeignet. Um eine Justage zu unterstützen und genauer zu gestalten, kann einFor a minimal system, a vanishing overlap is best. To support an adjustment and to make it more precise, one can
Überlapp aber auch vorteilhaft sein. Das Maß des Überlapps sollte natürlich so klein wie möglich und so groß wie nötig gewählt werden. Overlapping but also be beneficial. The degree of overlap should, of course, be as small as possible and as large as necessary.
Es ist insbesondere denkbar, dass eine Segmentierung mit nur zwei Elementen erfolgt. In diesem Fall könnte ein größerer Überlapp gewünscht sein. Denn genau die Richtung unter 0° zur optischen Achse würde am Rand der beiden Segmente liegen. Am Rand sind Optiken hinsichtlich der Qualität der Abbildung meist schlechter, z.B. wegen der Vignettierungen etc. Dies kommt einer verringerten Reichweite gleich. Diesem Zustand könnte entgegengewirkt werden, indem z.B. der Überlappungsbereich etwas großer ausgeführt wird, damit dieser wichtige Bereich des Sichtfeldes doppelt detektiert wird. It is conceivable in particular that a segmentation takes place with only two elements. In this case, a larger overlap might be desired. For exactly the direction below 0 ° to the optical axis would be at the edge of the two segments. At the edge, optics are generally inferior in image quality, e.g. because of the vignetting etc. This is equivalent to a reduced range. This condition could be counteracted by e.g. the overlap area is made slightly larger, so that this important area of the field of view is detected twice.
Eine besonders kompakte optische Anordnung lässt sich erreichen, indem den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik zugeordnete Segmente direkt zueinander benachbart sind oder werden, insbesondere in aneinander angrenzende Art und Weise. A particularly compact optical arrangement can be achieved in that segments assigned to the optically imaging segments of the receiver optics are directly adjacent to one another or, in particular, in adjoining fashion.
Alternativ dazu ist es möglich, dass den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik zugeordnete Segmente des Sichtfeldes zueinander räumlich beabstandet angeordnet sind oder werden. Auf diese Weise lässt sich eine räumlich verteilte Bauform erzielen, die den jeweiligen Anwendungsfällen angepasst werden kann. Alternatively, it is possible that the optically imaging segments of the receiver optics associated segments of the field of view are arranged spatially spaced or spatially. In this way, a spatially distributed design can be achieved, which can be adapted to the respective applications.
Wie oben im Detail dargelegt wurde, ist ein Kernaspekt der vorliegenden As set forth in detail above, a core aspect of the present invention is
Erfindung das Konzept der Segmentierung und Neuanordnung, hier der Invention the concept of segmentation and rearrangement, here the
Empfängeroptik. Das Konzept der Segmentierung lässt sich alternativ oder zusätzlich auch auf den Aufbau der Detektoranordnung übertragen. Receiver optics. The concept of segmentation can alternatively or additionally be transferred to the structure of the detector arrangement.
So ist es gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der optischen Anordnung vorgesehen, dass die Detektoranordnung segmentiert mit einerThus, according to another preferred embodiment of the optical arrangement, it is provided that the detector arrangement is segmented with a
Mehrzahl von Detektorsegmenten ausgebildet ist oder wird und dass A plurality of detector segments is or is formed and that
insbesondere eine 1-zu-1 -Korrespondenz besteht zwischen den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik und den Detektorsegmenten und/oder dass die Detektorsegmente eine zur räumlichen Anordnung der optisch abbildenden Segmente der Empfängeroptik korrespondierende räumlicheIn particular, a one-to-one correspondence exists between the optically imaging segments of the receiver optics and the detector segments and / or that the detector segments have a spatial spatial relationship corresponding to the spatial arrangement of the optically imaging segments of the receiver optics
Anordnung aufweisen. Have arrangement.
Unter einer möglichen Korrespondenz der räumlichen Anordnung soll hier vorangehend und nachfolgend z.B. eine gleiche Ausrichtung der Anordnung verstanden werden, z.B. horizontal, vertikal oder eine beliebige andere Richtung. Among a possible correspondence of the spatial arrangement is here and subsequently, e.g. a same orientation of the arrangement are understood, e.g. horizontal, vertical or any other direction.
Darüber hinaus ist es denkbar, das Konzept der Segmentierung und verteilten Anordnung alternativ oder zusätzlich auf eine oder die Senderoptik der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zu übertragen. Moreover, it is conceivable to transmit the concept of segmentation and distributed arrangement alternatively or additionally to one or the transmitter optics of the optical arrangement according to the invention.
So ist es von besonderem Vorteil, wenn die erfindungsgemäße optische So it is of particular advantage if the inventive optical
Anordnung ausgebildet ist mit einer segmentiert mit einer Mehrzahl optischer Segmente ausgebildeten Senderoptik zum Ausleuchten des Sichtfeldes mit Licht, insbesondere mit aufgeteiltem Strahlengang, bei welcher eine 1 -zu-1 - Korrespondenz besteht zwischen den optischen abbildenden Segmenten derArrangement is formed with a segmented formed with a plurality of optical segments transmitter optics for illuminating the field of view with light, in particular with a split beam path, in which a 1 -to-1 - correspondence between the optical imaging segments of the
Empfängeroptik und den optischen Segmenten der Senderoptik und/oder die optischen Segmente der Senderoptik eine zur räumlichen Anordnung der optisch abbildenden Segmente der Empfängeroptik korrespondierende räumliche Anordnung aufweisen. Receiver optics and the optical segments of the transmitter optics and / or the optical segments of the transmitter optics have a spatial arrangement of the optically imaging segments of the receiver optics corresponding spatial arrangement.
In diesem Zusammenhang geht es insbesondere darum, dass die sendeseitige Segmentierung mit der empfangsseitigen Segmentierung übereinstimmt. Dies kann bei bestimmten Ausführungsformen so sein, ist aber nicht zwingend. In this context, it is particularly important that the transmission-side segmentation coincides with the reception-side segmentation. This may be so in certain embodiments, but is not mandatory.
Alternativ könnte sendeseitig das z.B. gesamte Sichtfeld mit einem durch einen Mikrospiegel abgelenkten Strahl beleuchtet werden und nur empfangsseitig eine Segmentierung vorliegen. Unter Licht soll hier neben elektromagnetsicher Strahlung im für den Menschen sichtbaren Bereich auch IR-Strahlung verstanden werden, z.B. - aber nicht ausschließlich - im Bereich von 905 nm. Alternatively, on the transmitting side, for example, the entire field of view could be illuminated with a beam deflected by a micromirror, and segmentation would be present only on the receiving side. In addition to electromagnetic radiation in the region visible to humans, light should also be understood to mean IR radiation, for example-but not exclusively-in the region of 905 nm.
In der Anwendung bietet die Segmentierung der Sendeoptik besondere Vorteile, indem nämlich zur Nutzung des Parallaxeneffekts ein optisches Segment der Senderoptik und ein optisch abbildendes Segment der Empfängeroptik räumlich derart voneinander beabstandet sind in einer Richtung senkrecht zu einer Sende- und/oder Empfangsrichtung der Senderoptik bzw. der Empfängeroptik und/oder in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Strahlengangs der In the application, the segmentation of the transmission optics offers particular advantages, namely, in order to utilize the parallax effect, an optical segment of the transmitter optics and an optically imaging segment of the receiver optics are spatially spaced apart in a direction perpendicular to a transmission and / or reception direction of the transmitter optics or the receiver optics and / or in a direction perpendicular to a direction of a beam path of
Empfängeroptik und/oder der Senderoptik. Receiver optics and / or the transmitter optics.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung des Weiteren ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen. Das erfindungsgemäße LiDAR-System ist mit einer optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Furthermore, the present invention further relates to a LiDAR system for optically detecting a field of view, in particular for a working device, a vehicle or the like. The LiDAR system according to the invention is formed with an optical arrangement according to the present invention.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Arbeitsvorrichtung geschaffen, welche mit einem LiDAR-System gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, welches der optischen Erfassung eines Sichtfeldes dient. According to another aspect of the present invention, there is also provided an operating device formed with a LiDAR system according to the present invention for optically detecting a field of view.
Bei der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung kann es sich insbesondere um eine Arbeitsmaschine, ein Fahrzeug, einen Roboter oder eine andere allgemeine Produktions- oder Betriebsanlage handeln. The working device according to the invention may in particular be a working machine, a vehicle, a robot or another general production or operating system.
Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. Embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
Figur 1 zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms den FIG. 1 shows the manner of a schematic block diagram
Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR- Systems. zeigt in seitlicher Querschnittsansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit Fokus auf die Empfängeroptik. Figuren 3 bis 6 zeigen in schematischer und perspektivischer Darstellung andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR- Systems unter Verwendung einer Ausführungsform der optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Figuren 7 und 8 zeigen in schematischer Darstellung eine vertikale bzw. eine horizontale Aufteilung eines Sichtfeldes in Segmente bei Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung. Figur 9 Beschreibt schematisch Aspekte der Entfernungsbestimmung durch Triangulation unter Ausnutzung des Parallaxeneffekts. Structure of an embodiment of the LiDAR system according to the invention. shows in side cross-sectional view of an embodiment of an optical arrangement according to the invention with focus on the receiver optics. Figures 3 to 6 show in diagrammatic and perspective view other embodiments of the LiDAR system according to the invention using an embodiment of the optical arrangement according to the present invention. Figures 7 and 8 show a schematic representation of a vertical or a horizontal division of a field of view into segments when using an embodiment of the optical arrangement according to the invention. Figure 9 Describes schematically aspects of the distance determination by triangulation using the parallax effect.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 8 Preferred Embodiments of the Invention Hereinafter, referring to FIGS. 1 to 8
Ausführungsbeispiele der Erfindung 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  Embodiments of the invention described in detail. Identical and equivalent as well as equivalent or equivalent elements and components are designated by the same reference numerals. Not in every case of their appearance is the detailed description of the designated elements and
Komponenten wiedergegeben. Components reproduced.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen. The illustrated features and other properties can be isolated in any form from each other and combined with each other, without departing from the gist of the invention.
Figur 1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Figure 1 shows in the form of a schematic block diagram a
Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. Embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention using an embodiment of the optical arrangement 10 according to the invention.
Das LiDAR-System 1 gemäß Figur 1 weist eine Senderoptik 60 auf, welche von einer Lichtquelle 65, z.B. in Form eines Lasers, gespeist wird und primäres Licht 70 - ggf. nach Durchlaufen einer Strahlformungsoptik 66 - in ein Sichtfeld 50 zur Untersuchung eines dort befindlichen Objekts 52 aussendet. The LiDAR system 1 according to FIG. 1 has a transmitter optics 60 which is fed by a light source 65, for example in the form of a laser, and primary light 70 - possibly after passing through a beam shaping optics 66 - in a field of view 50 for the investigation of an object 52 located there emits.
Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 gemäß Figur 1 eine Empfängeroptik 30 auf, welche vom Objekt 52 im Sichtfeld 50 reflektiertes sekundäres Licht 80 über ein Objektiv 34 als Primäroptik empfängt und - gegebenenfalls über eine Furthermore, the LiDAR system 1 according to FIG. 1 has a receiver optics 30 which receives secondary light 80 reflected by the object 52 in the field of view 50 via a lens 34 as a primary optic and, if appropriate, via a
Sekundäroptik 35 - an eine Detektoranordnung 20 überträgt. Secondary optics 35 - transmits to a detector array 20.
Die Steuerung der Lichtquelle 65 sowie der Detektoranordnung 20 erfolgt über Steuerleitungen 42 bzw. 41 mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 40. The control of the light source 65 and the detector assembly 20 via control lines 42 and 41 by means of a control and evaluation unit 40th
In der Figur 1 ist das Konzept der Segmentierung der optischen Komponenten des LiDAR-Systems 1 in dreierlei Hinsicht schematisch dargestellt, dies ist jedoch nicht zwingend. FIG. 1 schematically illustrates the concept of segmentation of the optical components of the LiDAR system 1 in three respects, but this is not mandatory.
Zum einen weist die Empfängeroptik 30 eine Mehrzahl optisch abbildender Segmente 31 im Bereich des Objektivs 34 auf, z.B. in Form einer Mehrzahl entsprechend geometrisch ausgebildeter Objektivlinsen. Jedem optisch abbildenden Segment 31 ist ein entsprechender Raumwinkelbereich vor dem Objektiv 34 zugeordnet, der ein Segment 51 des Sichtfeldes 50 des LiDAR- Systems 1 bildet. First, the receiver optics 30 have a plurality of optically imaging segments 31 in the region of the objective 34, e.g. in the form of a plurality of correspondingly geometrically designed objective lenses. Each optically imaging segment 31 is assigned a corresponding solid angle region in front of the objective 34, which forms a segment 51 of the field of view 50 of the LiDAR system 1.
Die Zuordnung erfolgt durch Ausrichtung der optisch abbildenden Segmente 31 in Bezug aufeinander und in Bezug auf das gewünschte Sichtfeldfeld 50. The assignment is made by aligning the optically imaging segments 31 with respect to each other and with respect to the desired field of view field 50.
Im Betrieb bildet durch diese Zuordnung durch Ausrichtung ein jeweiliges optisch abbildendes Segment 31 der Empfängeroptik 30 ein Segment 51 des Sichtfeldes 50 durch Empfang des sekundären Lichts 80 auf die Detektoranordnung 50 ab. In operation, as a result of this assignment by alignment, a respective optically imaging segment 31 of the receiver optics 30 forms a segment 51 of the field of view 50 by receiving the secondary light 80 onto the detector arrangement 50.
Die Sichtfeldsegmente 51 überdecken das Sichtfeld 50 zur Gänze, d.h. das ganze Sichtfeld 50 wird in Form der abgebildeten Sichtfeldsegmente 51 durch deren Gesamtheit erfasst. The field of view segments 51 entirely cover the field of view 50, i. the entire field of view 50 is detected in the form of the imaged field of view segments 51 by their entirety.
Ein weiterer Aspekt der Segmentierung findet sich bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 bei dem erfindungsgemäßen LiDAR-System 1 im Bereich der Ablenkoptik 62 der Senderoptik 60, und zwar durch das Vorsehen einer Mehrzahl optischer Segmente 61. Es kann sich dabei z.B. um eine Mehrzahl voneinander unabhängig steuerbarer Spiegelelemente handeln, die voneinander A further aspect of the segmentation can be found in the embodiment according to FIG. 1 in the case of the LiDAR system 1 according to the invention in the region of the deflection optics 62 of the transmitter optics 60, namely by the provision of a plurality of optical segments 61 independently controllable mirror elements acting on each other
unterschiedliche Raumwinkelbereiche des LiDAR-Systems mit primärem Licht 70 beaufschlagen und ggf. abtasten. Ein dritter Aspekt der Segmentierung bei der Ausführungsform des LiDAR-Apply different primary solid areas of the LiDAR system to primary light 70 and, if necessary, scan. A third aspect of segmentation in the embodiment of the LiDAR
Systems 1 gemäß Figur 1 ist im Bereich der Detektoranordnung 20 durch das Vorsehen einer Mehrzahl von Detektorsegmenten 21 realisiert. System 1 according to FIG. 1 is realized in the region of the detector arrangement 20 by the provision of a plurality of detector segments 21.
Figur 2 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine Figure 2 shows a schematic and sectional side view of a
Ausführungsform der optischen Anordnung 10 für ein LiDAR-System 1 mit Fokus auf die Empfängeroptik 30 und die Detektoranordnung 20. Embodiment of the optical arrangement 10 for a LiDAR system 1 with focus on the receiver optics 30 and the detector arrangement 20.
Dargestellt ist ein Sichtfeld 50 des LiDAR-Systems 1 mit Sichtfeldsegmenten 51 , die einander überlappen und in ihrer Kombination das gesamte Sichtfeld 50 im Raumwinkel überdecken. Shown is a field of view 50 of the LiDAR system 1 with field of view segments 51, which overlap each other and cover in their combination the entire field of view 50 in the solid angle.
Das Überlappen der einzelnen Sichtfeldsegmente 51 ist nicht zwingend erforderlich und ist vorteilhafterweise nur minimal, so dass keine The overlapping of the individual field of view segments 51 is not absolutely necessary and is advantageously only minimal, so that no
Beobachtungslücken im Randbereich aneinander angrenzender Observation gaps in the border area adjacent to each other
Sichtfeldsegmente 51 des Sichtfeldes 50 entstehen. Wie oben bereits erwähnt wurde kann ein Überlapp andererseits bei bestimmten Ausführungsformen für den Ausgleich von Justagetoleranzen hilfreich sein. Field of view segments 51 of the field of view 50 arise. On the other hand, as mentioned above, overlap may be helpful in some embodiments to compensate for adjustment tolerances.
Jedes Sichtfeldsegment 51 ist einem optisch abbildenden Segment 31 der Empfängeroptik 30, z.B. im Sinne eines Objektivs 34, zugeordnet. Die Zuordnung ist dergestalt, dass durch das Abbilden des optischen abbildenden Segments 31 der Empfängeroptik 30 genau das zugeordnete Sichtfeldsegment 51 optisch auf die Detektoranordnung 20 abgebildet wird. Dabei ist bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 wesentlich, dass eine 1-zu-1 -Korrespondenz besteht zwischen einem jeweiligen Detektorsegment 21 , einem optisch abbildenden Segment 31 der Empfängeroptik 30 und dem zugeordneten Sichtfeldsegment 51. Diese 1 -zu- 1 -Korrespondenz ist zwar von Vorteil, jedoch nicht zwingen erforderlich. Each field of view segment 51 is associated with an optically imaging segment 31 of the receiver optics 30, e.g. in the sense of a lens 34, assigned. The assignment is such that, by imaging the optical imaging segment 31 of the receiver optics 30, exactly the associated field of view segment 51 is optically imaged on the detector arrangement 20. It is essential in the embodiment according to FIG. 2 that a 1-to-1 correspondence exists between a respective detector segment 21, an optically imaging segment 31 of the receiver optics 30 and the associated field of view segment 51. This 1-to-1 correspondence is true advantageous, but not necessary to force.
Jedes Detektorsegment 21 der Detektoranordnung 20 gemäß Figur 2 besteht aus einer Mehrzahl von Detektorelementen 22. Figur 3 zeigt in schematischer und teilweise perspektivischer Ansicht eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 mit zwei optisch abbildenden Segmenten 31 der Empfängeroptik 30 in Form eines Objektivs 34, welche jeweils sekundäres Licht 80 aus dem Sichtfeld 50 auf ein jeweiliges Detektorsegment 21 der Detektoranordnung 20 mit einer Mehrzahl von sechs Detektorelementen 22 abbilden. Each detector segment 21 of the detector arrangement 20 according to FIG. 2 consists of a plurality of detector elements 22. FIG. 3 shows, in a schematic and partially perspective view, another embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention with two optically imaging segments 31 of the receiver optics 30 in the form of an objective 34, which respectively emit secondary light 80 from the field of view 50 onto a respective detector segment 21 of the detector arrangement 20 mapped with a plurality of six detector elements 22.
Figur 4 zeigt in schematischer und perspektivischer Ansicht eine andere Figure 4 shows a schematic and perspective view of another
Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 , bei welcher die Segmentierung im Bereich der Empfängeroptik 30 mit einer Mehrzahl optisch abbildender Segmente 31 im Zusammenhang mit der Senderoptik 60 genutzt werden kann, um über einen mit 90 bezeichneten Abstand 90 zwischen einem optischen Segment 61 der Senderanordnung 60, z.B. im Sinne einer Ablenkoptik oder eines Ablenkspiegels 62, der Parallaxeneffekt ausgenutzt werden kann, um weitere Informationen über die Geometrie des Sichtfeldes 50 und insbesondere über einen Abstand eines im Sichtfeld 50 enthaltenen Objekts 52 zu erhalten. Embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention, in which the segmentation in the region of the receiver optics 30 with a plurality of optically imaging segments 31 in connection with the transmitter optics 60 can be used to a 90 distance 90 between an optical segment 61 of the transmitter assembly 60th , eg in the sense of a deflection optics or a deflection mirror 62, the parallax effect can be exploited in order to obtain further information about the geometry of the field of view 50 and in particular about a distance of an object 52 contained in the field of view 50.
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 gemäß Figur 5, welches in perspektivischer Seitenansicht dargestellt ist, sind die Empfängeroptik 30 und die Senderoptik 60 jeweils mit zwei Segmenten 31 bzw. 61 ausgebildet. In the embodiment of the inventive LiDAR system 1 according to FIG. 5, which is shown in a perspective side view, the receiver optics 30 and the transmitter optics 60 are each formed with two segments 31 and 61, respectively.
Figur 6 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1. FIG. 6 shows a schematic and sectional side view of another embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention.
Bei dieser findet eine Segmentierung der Senderoptik 60 über das Vorsehen eines Paares räumlich getrennter Umlenkspiegel 62 als Segmente 61 der Senderoptik 60 zur Ausstrahlung des primären Lichts 70 statt. In this, a segmentation of the transmitter optics 60 takes place via the provision of a pair of spatially separated deflecting mirrors 62 as segments 61 of the transmitter optics 60 for the emission of the primary light 70.
Eine Segmentierung der Empfängeroptik 30 zum Empfangen und Abbilden des sekundären Lichts 80 wird bei der Ausführungsform des LiDAR-Systems 1 gemäß Figur 6 durch die Facettenoptik der Fresnellinse 32 der Empfängeroptik 30 gebildet. Dabei bilden die einzelnen Facetten die Segmente 31 der A segmentation of the receiver optics 30 for receiving and imaging the secondary light 80 is formed in the embodiment of the LiDAR system 1 according to FIG. 6 by the facet optics of the Fresnel lens 32 of the receiver optics 30. The individual facets form the segments 31 of the
Empfängeroptik, gegebenenfalls mit einer entsprechenden Zuordnung der Segmente 51 eines Sichtfeldes 50 mit dem darin enthaltenen Objekt 52. In Figur 6 ist eine einzelne Fresnellinse 32 dargestellt. Diese kann z.B. genutzt werden, um die Bautiefe einer normalen Linse zu reduzieren. Hier wäre es aber auch denkbar, eine Facettenoptik - ggf. auch ohne Fresnelstruktur - vorzusehen, zumal Fresnelstrukturen Nachteile haben können, speziell bei bestimmten Beobachtungswinkeln. Receiver optics, optionally with a corresponding assignment of the segments 51 of a field of view 50 with the object 52 contained therein. FIG. 6 shows a single Fresnel lens 32. This can be used, for example, to reduce the depth of a normal lens. However, it would also be conceivable here to provide a faceted appearance-possibly even without a Fresnel structure-since fresnel structures may have disadvantages, especially at certain observation angles.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 weist das LiDAR-System 1 zwei Detektorsegmente 21 mit einer Mehrzahl von Detektorelementen 22 in der Detektoranordnung 20 auf. In the embodiment according to FIG. 6, the LiDAR system 1 has two detector segments 21 with a plurality of detector elements 22 in the detector arrangement 20.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine vertikale bzw. eine horizontale Segmentierung eines Sichtfeldes 50 mit einzelnen Sichtfeldsegmenten 51. FIGS. 7 and 8 show a vertical or a horizontal segmentation of a field of view 50 with individual field of view segments 51.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung beziehen sich die räumlichen Begriffe „horizontal",„vertikal" und dergleichen auf eine übliche Anordnung eines LiDAR- Systems 1 im Zusammenhang mit einer zu Grunde liegenden Vorrichtung, vorzugsweise im Schwerefeld der Erde. For the purposes of the present invention, the spatial terms "horizontal", "vertical" and the like refer to a conventional arrangement of a LiDAR system 1 in connection with an underlying device, preferably in the gravitational field of the earth.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert: These and other features and characteristics of the present invention will be further elucidated with reference to the following statements:
Bei LiDAR-Systemen wird oft ein Objektiv als Empfängeroptik 30 mit einer runden Apertur im Empfangspfad verwendet. Vorgesehene Detektoren 22 einer Detektoranordnung 20 liegen im Abbildungsbereich dieses einen Objektivs 34. Das gesamte Sichtfeld (FOV: field of view) wird durch dieses Objektiv 34 abgebildet. In LiDAR systems, an objective is often used as receiver optics 30 with a round aperture in the receive path. Provided detectors 22 of a detector arrangement 20 are located in the imaging area of this one objective 34. The entire field of view (FOV) is imaged by this objective 34.
Um eine möglichst große Anzahl Photonen einzusammeln, ist es vorteilhaft, eine große Empfangsapertur zu haben, dies führt bei einer runden Linse zu einer großen Bauform. In order to collect the largest possible number of photons, it is advantageous to have a large receiving aperture, this leads to a large design in a round lens.
Es sind aber LiDAR-Sensoren in flacher, langgestreckter Bauweise gewünscht, so dass diese z.B. zwischen die Rippen eines Autokühlergrills passen. However, LiDAR sensors in a flat, elongated construction are desired so that these are e.g. between the ribs of a car radiator grill.
Zudem kann bei der konventionellen Bauweise, Wärme im Inneren nicht ausreichend effektiv abtransportiert werden. Eine flache Bauweise kann das thermische Verhalten eines LiDAR-Systems dahingehend verbessern. Eine Kernidee der vorliegenden Erfindung ist die Zerlegung von Funktionselementen der Empfängeroptik 30 - z.B. der Objektivlinsen 34 - und ggf. auch der Detektorchips 21 , Laserquelle 65 und/oder des Sendepfades 60 in mindestens zwei Elemente, die insbesondere räumlich nebeneinander und/oder übereinander angeordnet werden, so dass eine flache Bauweise entsteht. Dabei kann das zuvor einheitliche Sichtfeld 50 oder Field-of-View (FoV) horizontal oder vertikal aufgeteilt werden, wie dies in den Figuren 7 und 8 gezeigt ist, so dass dabei eine flache Bauweise des Systems 1 entsteht. In addition, in conventional construction, heat inside can not be sufficiently effectively removed. A flat design can improve the thermal performance of a LiDAR system to this effect. A core idea of the present invention is the decomposition of functional elements of the receiver optics 30 - for example the objective lenses 34 - and possibly also the detector chips 21, laser source 65 and / or the transmission path 60 in at least two elements, which are arranged in particular spatially next to each other and / or one above the other so that a flat construction is created. In this case, the previously uniform field of view 50 or field-of-view (FoV) can be divided horizontally or vertically, as shown in FIGS. 7 and 8, so that a flat construction of the system 1 results.
Bei diesem Ansatz können auch die Linsen einer Facettenoptik in einzelne Elemente zerlegt werden um die Bautiefe zu reduzieren. Auch gekippte In this approach, the lenses of a faceted optics can be broken down into individual elements to reduce the depth. Also tilted
Linsenelemente, um eine Dimension des FOV 50 in andere zu überführen, sind denkbar. Lens elements to convert one dimension of the FOV 50 into others are conceivable.
Es ergeben sich erfindungsgemäß folgende Vorteile: The following advantages according to the invention result:
- Eine flache Bauform ist möglich. - A flat design is possible.
- Es sind neue Einbaupositionen möglich, z.B. zwischen die Rippen eines AutoKühlergrills.  - New installation positions are possible, e.g. between the ribs of a car radiator grille.
- Es ist verteilte Bauform möglich.  - Distributed design is possible.
- Der Parallaxeneffekts kann genutzt werden.  - The parallax effect can be used.
Figur 3 zeigt eine Möglichkeit, wie durch Aufteilung von Linsen im Objektiv 34 der Empfängeroptik 30 und Detektorflächen oder -segmente 21 der FIG. 3 shows a possibility, such as by dividing lenses in the objective 34 of the receiver optics 30 and detector surfaces or segments 21 of FIG
Detektoranordnung 20 eine insgesamt gleich bleibende Empfangsfläche gewährleistet und gleichzeitig eine flache Bauform erzeugt werden kann. Detector assembly 20 ensures an overall constant receiving surface and at the same time a flat design can be generated.
Bei einer Aufteilung der Empfangsoptik 30 in zwei oder andere geradezahlige Anzahl von Linsen als Segmente 31 besteht die Möglichkeit die Senderoptik 60 zwischen die zwei oder mehr Elemente anzuordnen. With a division of the receiving optics 30 in two or other even number of lenses as segments 31, it is possible to arrange the transmitter optics 60 between the two or more elements.
Es kann aber auch eine ungerade Anzahl - z.B. von drei - Linsen als Segmente 31 der Empfängeroptik 30 genutzt werden. Dabei besteht der Vorteil besonders geeigneter Abbildungseigenschaften in der Mitte. Dieses Konzept bietet auch die Möglichkeit die Sende- und Empfangselemente oder -segmente 31 bzw. 61 und/oder die einzelnen Detektorsegmente 21 oder Detektorelemente 22 flexible anzuordnen, wie dies in den Figuren 4 und 5 angedeutet ist. However, it is also possible to use an odd number, for example of three lenses, as segments 31 of the receiver optics 30. There is the advantage of particularly suitable imaging properties in the middle. This concept also offers the possibility of flexibly arranging the transmitting and receiving elements or segments 31 and 61 and / or the individual detector segments 21 or detector elements 22, as indicated in FIGS. 4 and 5.
Bei einer verteilten Bauweise gemäß Figur 4 kann auch der Parallaxeneffekt genutzt werden, um weitere Informationen zur Entfernungsbestimmung zu erhalten. In a distributed construction according to FIG. 4, the parallax effect can also be used to obtain further information for determining the distance.
Auch eine Aufteilung des Sendepfades mit der Senderanordnung 60 ist denkbar und in Figur 5 angedeutet. Hier kann die Empfangsoptik 30 mittig zwischen den Segmenten 61 der Senderanordnung 60 oder des Sendepfades angeordnet werden. Bei der Aufteilung des Sendepfades kann z.B. mit zwei Lasern gearbeitet werden oder mit einem Laser der vor dem Verlassen des Gerätes noch einmal gesplittet wird. A division of the transmission path with the transmitter arrangement 60 is conceivable and indicated in FIG. Here, the receiving optics 30 can be arranged centrally between the segments 61 of the transmitter arrangement 60 or the transmission path. In the division of the transmission path, e.g. work with two lasers or with a laser that is split again before leaving the device.
Figur 3 zeigt die Aufteilung von Linsen als optisch abbildende Segmente 31 der Empfängeroptik 30 und Detektorflächen als Detektorsegmente 21 der FIG. 3 shows the division of lenses as optically imaging segments 31 of the receiver optics 30 and detector surfaces as detector segments 21
Detektoranordnung 20, um bei gleicher Empfangsfläche auch eine flache Bauform zu realisieren. Detector assembly 20 to realize the same receiving surface and a flat design.
Figur 4 zeigt eine verteilte Bauweise, bei welcher Segmente 61 der Senderoptik 60 und Segmente 31 der Empfängeroptik 30 horizontal auseinander gezogen. Für nahe Abstände lässt sich der Parallaxeneffekt nutzen, um weitere FIG. 4 shows a distributed construction in which segments 61 of transmitter optics 60 and segments 31 of receiver optics 30 are pulled apart horizontally. For near distances, the parallax effect can be used to more
Informationen im Hinblick auf die Entfernung zu erhalten. To get information regarding the distance.
Figur 5 zeigt schematisch die flexible Anordnung von Segmenten 61 der Senderoptik und von Segmenten 31 der Empfängeroptik 30. FIG. 5 schematically shows the flexible arrangement of segments 61 of the transmitter optics and of segments 31 of the receiver optics 30.
Figur 6 zeigt die Aufteilung eines Laserstrahls mit zwei Mikrospiegeln 62 als Segmente 61 der Senderoptik 60 und dazwischen eine Empfängeroptik 30 nach Art einer Facettenoptik 32, die die verschiedenen Field-of- View-Bereiche als Segmente 51 des Sichtfeldes 50 abbildet. FIG. 6 shows the division of a laser beam with two micromirrors 62 as segments 61 of the transmitter optics 60 and between them a receiver optics 30 in the manner of a facet optical system 32, which images the various field-of-view regions as segments 51 of the field of view 50.
Die Figuren 7 und 8 zeigen schematisch eine mögliche Aufteilung des FIGS. 7 and 8 show schematically a possible division of the
Sichtfeldes 50 mit Segmenten 51 in horizontaler bzw. in vertikaler Richtung. Figur 9 zeigt schematisch Aspekte der Entfernungsbestimmung durch Field of view 50 with segments 51 in the horizontal and in the vertical direction. FIG. 9 shows schematically aspects of the distance determination by
Triangulation unter Ausnutzung des Parallaxeneffekts. Triangulation taking advantage of the parallax effect.
Das in Figur 9 schematisch dargestellte LiDAR-System 1 ist mit einer The LiDAR system 1 shown schematically in FIG. 9 is provided with a
Empfängeroptik 30, einer Senderoptik 60 und einer Detektoranordnung 20 mit einer Detektorebene 23 ausgebildet. Von der Senderoptik 60 ausgesandtes primäres Licht 70 trifft im Sichtfeld 50 auf ein Objekt 52, welches das Receiver optics 30, a transmitter optics 60 and a detector array 20 formed with a detector plane 23. In the field of view 50 emitted by the transmitter optics 60 primary light 70 strikes an object 52, which the
empfangene primäre Licht 70 als sekundäres Licht 80 zurückwirft. Das sekundäre Licht 80 fällt auf die Empfängeroptik 30 und wird durch diese auf die Detektoranordnung 20 gerichtet. received primary light 70 as a secondary light 80 throws back. The secondary light 80 is incident on the receiver optics 30 and directed therethrough to the detector assembly 20.
Figur 9 zeigt schematisch, wie auf Grund des Basisabstandes 94 zwischen der Empfängeroptik und der Senderoptik 60, welcher auch mit dem Symbol b bezeichnet wird, im Zusammenhang mit dem Parallaxeneffekt durch FIG. 9 shows schematically how, due to the base distance 94 between the receiver optics and the transmitter optics 60, which is also denoted by the symbol b, in connection with the parallax effect
Triangulation neben der Laufzeitmessung zusätzlich auf den Abstand 91 des Objekts 52 von der Empfängeroptik 30 geschlossen werden kann. Dieser Abstand wird auch mit z bezeichnet. Es ergibt sich im Zusammenhang mit der Brennweite 92, die auch mit dem Symbol f bezeichnet wird, und dem Abstand 93 folgende formelmäßige Darstellung, wenn dieser Abstand in der Detektorebene 23, welche identisch ist mit der Brennebene der Empfängeroptik 30, mit d bezeichnet wird: b z Triangulation in addition to the transit time measurement in addition to the distance 91 of the object 52 can be closed by the receiver optics 30. This distance is also denoted by z. The following formula results in connection with the focal length 92, which is also denoted by the symbol f, and the distance 93, if this distance in the detector plane 23, which is identical to the focal plane of the receiver optics 30, is denoted by d: bz
d  d

Claims

Ansprüche claims
1. Optische Anordnung (10) für ein LiDAR-System (1) zur optischen 1. Optical arrangement (10) for a LiDAR system (1) for optical
Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, oder für ein Fahrzeug,  Detecting a field of view (50), in particular for a working device, or for a vehicle,
- mit einer segmentiert mit einer - insbesondere ungeraden - Mehrzahl optisch abbildender Segmente (31) ausgebildeten Empfängeroptik (30), with a receiver optic (30) segmented with a - in particular odd - plurality of optically imaging segments (31),
- bei welcher die optisch abbildenden Segmente (31) der Empfängeroptik (30) nebeneinander angeordnet sind. - In which the optically imaging segments (31) of the receiver optics (30) are arranged side by side.
2. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1 , 2. An optical arrangement (10) according to claim 1,
bei welcher die optisch abbildenden Segmente (31) der Empfängeroptik (30) angeordnet sind:  in which the optically imaging segments (31) of the receiver optics (30) are arranged:
- in einer Richtung senkrecht zu einer Empfangsrichtung der  in a direction perpendicular to a receiving direction of
Empfängeroptik (30),  Receiver optics (30),
- in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Strahlengangs der Empfängeroptik (30),  in a direction perpendicular to a direction of a beam path of the receiver optics (30),
- entlang einer - vorzugsweise geraden - Linie,  along a line, preferably a straight line,
- horizontal und/oder vertikal benachbart zueinander in Bezug auf eine Ausrichtung des zu Grunde liegenden LiDAR-Systems (1) oder einer zu Grunde liegenden Arbeitsvorrichtung.  - horizontally and / or vertically adjacent to each other with respect to an orientation of the underlying LiDAR system (1) or an underlying working device.
3. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2 , 3. An optical arrangement (10) according to claim 1 or 2,
- mit einer Detektoranordnung (20) und  - With a detector arrangement (20) and
- bei welcher die Empfängeroptik (30) zur optischen Abbildung des  - In which the receiver optics (30) for optical imaging of
Sichtfeldes (50) auf die Detektoranordnung (20) ausgebildet ist.  Field of view (50) is formed on the detector assembly (20).
4. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher jedes Segment (31) zur optischen Abbildung eines 4. Optical arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein each segment (31) for optical imaging of a
zugeordneten Segments (51) des Sichtfeldes (50) auf die  associated segment (51) of the field of view (50) on the
Detektoranordnung (20) ausgebildet ist.  Detector assembly (20) is formed.
5. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Gesamtheit aller - den optisch abbildenden Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) zugeordneten - Segmente (51) des Sichtfeldes (50) das Sichtfeld (50) überdecken. 5. Optical arrangement (10) according to one of the preceding claims, in which the totality of all segments (51) of the field of view (50) assigned to the optically imaging segments (31) of the receiver optics (30) cover the field of view (50).
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher den optisch abbildenden Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) zugeordnete Segmente (51) des Sichtfeldes (50) keinen Überlapp oder einen Überlapp von weniger als 10 %, vorzugsweise von weniger als 5 %, weiter bevorzugt von weniger als 2 % des jeweils überstrichenen An optical arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein segments (51) of the field of view (50) associated with the optical imaging segments (31) of the receiver optics (30) have no overlap or overlap of less than 10%, preferably less than 5%, more preferably less than 2% of the respectively swept
Raumwinkels miteinander aufweisen. Have solid angle with each other.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher den optisch abbildenden Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) zugeordnete Segmente (51) des Sichtfeldes (50) direkt zueinander benachbart - insbesondere aneinander angrenzend - oder zueinander räumlich beabstandet angeordnet sind. Optical arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein the optical imaging segments (31) of the receiver optics (30) associated segments (51) of the field of view (50) directly adjacent to each other - in particular adjacent to each other - or spatially spaced from each other.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern rückbezogen auf Anspruch 3, An optical assembly (10) according to any one of the preceding claims, when appended to claim 3,
bei welcher in which
- die Detektoranordnung (20) segmentiert mit einer Mehrzahl von  - The detector array (20) segmented with a plurality of
Detektorsegmenten (21) ausgebildet ist und insbesondere  Detector segments (21) is formed and in particular
- eine 1-zu-1 -Korrespondenz besteht zwischen den optisch abbildenden Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) und den Detektorsegmenten (21) und/oder die Detektorsegmente (21) eine zur räumlichen  a 1-to-1 correspondence exists between the optically imaging segments (31) of the receiver optics (30) and the detector segments (21) and / or the detector segments (21) for spatial
Anordnung der optisch abbildenden Segmente (31) der Empfängeroptik (30) korrespondierende räumliche Anordnung aufweisen.  Arrangement of the optically imaging segments (31) of the receiver optics (30) have corresponding spatial arrangement.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,Optical arrangement (10) according to one of the preceding claims,
- mit einer segmentiert mit einer Mehrzahl optischer Segmente (61) ausgebildeten Senderoptik (60) zum Ausleuchten des Sichtfeldes (50) mit Licht, insbesondere mit aufgeteiltem Strahlengang, - having a segmented with a plurality of optical segments (61) formed transmitter optics (60) for illuminating the field of view (50) with light, in particular with a split beam path,
- bei welcher eine 1-zu-1 -Korrespondenz besteht zwischen den optisch abbildenden Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) und den optischen Segmenten (61) der Senderoptik (60) und/oder die optischen Segmente (61) der Senderoptik (60) eine zur räumlichen Anordnung der optisch abbildenden Segmente (31) der Empfängeroptik (30) korrespondierende räumliche Anordnung aufweisen. in which a one-to-one correspondence exists between the optically imaging segments (31) of the receiver optics (30) and the optical segments (61) of the transmitter optics (60) and / or the optical segments (61) of the transmitter optics (60 ) one for the spatial arrangement of have optically imaging segments (31) of the receiver optics (30) corresponding spatial arrangement.
10. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 9, 10. Optical arrangement (10) according to claim 9,
bei welcher zur Nutzung des Parallaxeneffekts ein optisches Segment (61) der Senderoptik (60) und ein optisch abbildendes Segment (31) der Empfängeroptik (30) räumlich derart voneinander beabstandet sind in einer Richtung senkrecht zu einer Sende- und/oder Empfangsrichtung der Senderoptik bzw. der Empfängeroptik (30) und/oder in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Strahlengangs der Empfängeroptik (30) und/oder der Senderoptik (60).  in which an optical segment (61) of the transmitter optics (60) and an optically imaging segment (31) of the receiver optics (30) are spatially spaced from each other in a direction perpendicular to a transmitting and / or receiving direction of the transmitter optics or for use of the parallax effect the receiver optics (30) and / or in a direction perpendicular to a direction of a beam path of the receiver optics (30) and / or the transmitter optics (60).
1 1. LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), 1 1. LiDAR system (1) for optically detecting a field of view (50),
insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder für ein Fahrzeug, mit einer optischen Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.  in particular for a working device or for a vehicle, with an optical arrangement (10) according to one of the preceding claims.
12. Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug, 12. working device and in particular vehicle,
mit einem LiDAR-System (1) nach Anspruch 1 1 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).  with a LiDAR system (1) according to claim 1 1 for the optical detection of a field of view (50).
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