EP3488263A1 - Optische anordnung für ein lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung - Google Patents

Optische anordnung für ein lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung

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Publication number
EP3488263A1
EP3488263A1 EP17732069.4A EP17732069A EP3488263A1 EP 3488263 A1 EP3488263 A1 EP 3488263A1 EP 17732069 A EP17732069 A EP 17732069A EP 3488263 A1 EP3488263 A1 EP 3488263A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
optics
segments
arrangement
view
Prior art date
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Pending
Application number
EP17732069.4A
Other languages
English (en)
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
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3488263A1 publication Critical patent/EP3488263A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

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, the present invention provides a vehicle having such a LiDAR system.
  • Sensor arrays used to detect the operating environment.
  • LiDAR system English: LiDAR: light detection and ranging.
  • Input aperture of the LiDAR system conventionally can only be achieved with a corresponding size to form the optical arrangement with the receiving optics. Furthermore, the conventional lead
  • independent claim 1 has the advantage that despite large receiver side aperture results in a flexible arrangability of the optical arrangement with reduced height or width. This will
  • 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 detector assembly and a receiver optics, in which the receiver optics ( i) for optical
  • Illustration of the field of view is formed on the detector assembly and (ii) thereto has a fiber optic or optical fiber optics with one or a plurality of fiber optic elements or optical fiber elements for optical connection to the detector array.
  • Detector arrangement is due to the mechanical flexibility of
  • the receiving optical system can in particular be set up to produce an image of the field of view or of a part thereof on an intermediate level.
  • this intermediate level can then be the entrance or beginning of the fiber optic, which is designed to direct the light to the detector array.
  • the optical arrangement comprises a lens.
  • the fiber optic is connected downstream of the lens
  • a particularly compact design can be according to another
  • respective fiber-optic elements can taper from the light input side to the light output side.
  • the total light power incident on the light input side can be imaged in a flexible manner with a large input aperture onto a reduced surface in order to be able to further reduce the overall height of the detector arrangement.
  • the receiver optics is segmented with a - in particular odd - formed plurality of optical imaging segments.
  • the optically imaging segments of the receiver optics can in particular be arranged next to one another. Due to the segmented design of the receiver optics with a plurality of optically imaging segments and the applicability of the segments of the receiver optics side by side, depending on the structural conditions of the application, the plurality of optically imaging segments of the receiver optics are arranged distributed in a suitable manner, so that the available space through Distribution can be effectively used.
  • the optically imaging segments of the receiver optics are or are arranged in a direction perpendicular to a receiving direction of the receiver optics,
  • vertical and horizontal refer to the geometry or reference system of the particular application, and in particular to the orientation of a gravitational field, e.g. that of the earth.
  • the effect of the optical arrangement of a LiDAR system unfolds precisely in cooperation of the receiver optics with the detector arrangement in that the receiver optics are designed for optical imaging of the field of view on the detector arrangement.
  • 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.
  • associated segments of the field of view no overlap or overlap of less than 10%, preferably less than 5%, more preferably less than 2% of the respective 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.
  • the optically imaging segments of the receiver optics associated segments of the field of view are arranged spatially spaced or spatially.
  • a spatially distributed design can be achieved, which can be adapted to the respective applications.
  • another aspect of the present invention is the concept of segmentation and rearrangement of the receiver optics.
  • the concept of segmentation can alternatively or additionally be transferred to the design of the detector arrangement.
  • the detector arrangement is or is formed segmented with a plurality of detector segments 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 corresponding to the spatial arrangement of the optically imaging segments of the receiver optics.
  • 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
  • FIGS. 2 to 4 show a schematic side view of embodiments of the optical arrangement according to the invention for a LiDAR
  • Embodiments of a LiDAR system according to the invention using embodiments of the optical arrangement according to the invention with different structural configurations. Preferred embodiments of the invention
  • Figure 1 shows in the form of a schematic block diagram a
  • the LiDAR system 1 has a transmitter optics 60, which are emitted by a light source 65, e.g. in the form of a laser, and emits 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.
  • a light source 65 e.g. in the form of a laser
  • the LiDAR system 1 has receiver optics 30 which receive secondary light 80 reflected by the object 52 in the field of view 50 as a primary optic via an objective 34 and-optionally via a secondary optics 35 -transmitted to a detector arrangement 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, as is the overall segmentation.
  • the core of the invention is the increase in flexibility over the use of a fiber or optical fiber optics in the field of receiver optics.
  • the receiver optics 30 are connected downstream of the objective 34 with a fiber optic 36 having a light input side 36-1 and a light output side 36-2.
  • the fiber optic 36 consists of a fiber optic element 37 or optical fiber or a plurality thereof.
  • the fiber optic 36 with the fiber optic elements 37 forms a secondary optics 35 connected downstream of the objective 34 as a primary optic and serves to suitably form the image of the field of view 50 produced by the objective 34
  • Embodiment of the optical arrangement 10 according to the invention a plurality of optically imaging segments 31 in the region of the objective 34 or as parts of the objective 34, for example in the form of a plurality of geometrically designed parallel operating objective lenses.
  • Each optically Imaging segment 31 is associated with a corresponding solid angle area in front of the lens 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 and its segments 51.
  • 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 segments 51 completely cover the field of view 50, i. the entire field of view 50 is detected in the form of the visual field segments 51 depicted.
  • a further aspect of the segmentation can be found in the embodiment according to FIG. 1 in the case of the inventive LiDAR system 1 in the region of the deflection optics 62 of the transmitter optics 60, by the provision of a plurality of optical segments 61. to act a plurality of mutually independently controllable mirror elements 62, which act on each other different solid angle ranges of the LiDAR system with primary light 70 and, if necessary, scan.
  • a third aspect of the segmentation in the embodiment of the LiDAR 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.
  • FIGS. 2 to 3 show a schematic side view of embodiments of the optical arrangement 10 according to the invention for a LiDAR system 1 with different configurations of the fiber optics 36 used in the receiver optics 30.
  • a field of view 50 of the LiDAR system 1 which is imaged with its segments 51 by the receiver optics 30 with lens 34 and secondary optics 35 in the form of a fiber optic 36, which may also be referred to as optical fiber optics, to the detector assembly 20.
  • the optical coupling of the incident secondary light 80 from the objective 34 via the secondary optics 35 to the detector arrangement 20 takes place with an unchanged aperture, ie with a constant
  • the fiber optics 36 or optical fiber optics with light input side 36-1 and light output side 36-2 formed as secondary optics 35 may consist of a single fiber optic element 37, ie a single optical fiber or of a bundle of such, in particular identical, fiber optic elements 37 or
  • Fiber optic cables are formed.
  • the fiber-optic element 37 or the plurality of fiber-optic elements 37 has a different shape from that of FIG.
  • an additional taper optic 38 is formed in two-part secondary optics 35 which optically reduces the light input side enlarged cross section of the objective 34 to a reduced cross section and the secondary light from the field of view 50 in the light input side 36-1 of the fiber optics 36 couples.
  • the Taperoptik 38 may be formed as a frustoconical fiber optic element.
  • Segmentation of the transmitter optics 60 in a plurality of optical segments 61 of the transmitter optics 60 is adapted to irradiate primary light 70 in the field of view 50 of the LiDAR system 1.
  • the optically imaging segments 31 of the receiver optics 30 are again formed, with the interposition of the fiber optics 36 and optionally a Taperoptik 38 from the associated
  • the present invention is based on LiDAR systems in which a barrel-shaped, cuboidal or cylindrical arrangement, in particular in the region of the respective lenses is used.
  • a barrel-shaped, cuboidal or cylindrical arrangement in particular in the region of the respective lenses is used.
  • it is advantageous to form a large receiving aperture in the LiDAR system. This leads to a large design with a round lens.
  • LiDAR systems 1 and, in particular, LiDAR sensors in a flat, elongated design are desired, so that e.g. fit between the ribs of a vehicle radiator grille.
  • optical waveguide components 36, 37 are used in a LiDAR system 1, in order thereby to provide a flexible and / or any desired geometric beam guidance or
  • the taper optics 38 used are also segmented interpretable.
  • Flexible design element 45 independent of cross-section, surface can take on any shapes, e.g. to be combined with OEM logo.
  • Receiver regions realized as optically imaging segments 31 by Taperoptik 38, each viewing a segment 51 of the field of view 50.
  • Light pipe in the transmission path 60 and receive path 30 can be realized.
  • Another embodiment uses segmented taper optics 38.
  • the flexible design allows the individual elements to be well integrated as a distributed system, for example in a vehicle, as shown in FIG.
  • Transmitter segments 61 and receiver segments 31 could also be integrated into the segments of an OEM logo.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment for a distributed system with transmitter 61 and receiver 31.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung (10) für ein LiDAR- System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder für ein Fahrzeug, mit einer Detektoranordnung (20) und einer Empfängeroptik (30), bei welcher die Empfängeroptik (30) zur optischen Abbildung des Sichtfeldes (50) auf die Detektoranordnung (20) ausgebildet ist und dazu eine Faseroptik (36) mit einem oder mit einer Mehrzahl faseroptischer Elemente (37) zur optischen Verbindung mit der Detektoranordnung (20) aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Optische Anordnung für ein LiDAR-Svstem, LiDAR-Svstem und
Arbeitsvorrichtung
Stand der Technik
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
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 mit einem solchen LiDAR-System geschaffen.
Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder
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).
Bei bekannten LiDAR-Systemen besteht ein Nachteil dahingehend, dass eine beim Abtasten des Sichtfeldes 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. Ferner führen die herkömmlichen
Verwirklichungen der Zuordnung zwischen Empfängeroptik, insbesondere des Objektivs, zu einer Detektoranordnung zu weiteren baulichen Beschränkungen herkömmlicher LiDAR-Systeme. Beide Randbedingungen reduzieren die Flexibilität des Einsatzes bekannter LiDAR-Systeme.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße optische Anordnung mit den Merkmalen des
unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sich trotz großer 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 Detektoranordnung und einer Empfängeroptik, bei welcher die Empfängeroptik (i) zur optischen
Abbildung des Sichtfeldes auf die Detektoranordnung ausgebildet ist und (ii) dazu eine Faseroptik oder Lichtleiteroptik mit einem oder mit einer Mehrzahl faseroptischer Elemente oder Lichtleiterelementen zur optischen Verbindung mit der Detektoranordnung aufweist. Durch das Vorsehen einer Faseroptik oder Lichtleiteroptik zum optischen Verbinden der Empfängeroptik mit der
Detektoranordnung ergibt sich auf Grund der mechanischen Flexibilität der
Komponenten der Faseroptik einerseits und auf Grund der Möglichkeit der Längenanpassung andererseits eine im Vergleich zu herkömmlichen LiDAR- Systemen höhere Anpassbarkeit an die baulichen Bedingungen des jeweiligen Anwendungsfalls.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Empfangsoptik kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Abbildung des Sichtfeldes oder eines Teils davon auf eine Zwischenebene zu erzeugen. In dieser Zwischenebene kann sich dann der Eingang oder Anfang der Faseroptik befinden, welche ausgebildet ist, das Licht zur Detektoranordnung zu leiten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die optische Anordnung ein Objektiv auf. Die Faseroptik ist dabei als dem Objektiv nachgeschaltete
Sekundäroptik ausgebildet. Die eigentliche optische Abbildung erfolgt primär durch das Objektiv, wogegen die optische Kopplung zur Detektoranordnung durch die Sekundäroptik mit der Faseroptik als deren Bestandteil erfolgt. Alternativ dazu kann die Funktion eines Objektivs - soweit erforderlich - grundsätzlich im Bereich der Lichteingangsseite der Faseroptik oder
Lichtleiteroptik realisiert sein.
Eine besonders kompakte Bauweise lässt sich gemäß einer anderen
bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung erzielen, indem die Faseroptik als Taperoptik ausgebildet ist mit einer
Lichteingangsseite größerer optischer Querschnittsfläche und einer
Lichtausgangsseite kleinerer optischer Querschnittsfläche. Dabei können sich insbesondere jeweilige faseroptische Elemente von der Lichteingangsseite zur Lichtausgangsseite hin verjüngen. Durch das Verwenden einer Taperoptik kann die auf der Lichteingangsseite einfallende Gesamtlichtleistung in flexibler Art und Weise bei großer Eingangsapertur auf eine verringerte Fläche hin abgebildet werden, um dadurch die Bauhöhe der Detektoranordnung weiter reduzieren zu können.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist die Empfängeroptik segmentiert mit einer - insbesondere ungeraden - Mehrzahl optisch abbildender Segmente ausgebildet. Die optisch abbildenden Segmente der Empfängeroptik können insbesondere nebeneinander angeordnet sein. Durch die segmentierte Ausgestaltung der Empfängeroptik mit einer Mehrzahl optisch abbildender Segmente und die Anordenbarkeit der Segmente der Empfängeroptik nebeneinander kann in Abhängigkeit von den baulichen Gegebenheiten des Anwendungsfalls die Mehrzahl der optisch abbildenden Segmente der Empfängeroptik in geeigneter Weise verteilt angeordnet werden, so dass der vorhandene Bauraum durch Aufteilung effektiv genutzt werden kann.
Bei der Anordnung der Segmente der Empfängeroptik bieten sich vielfältige geometrische Möglichkeiten an, um dem jeweiligen Anwendungsfall gerecht zu werden.
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 einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Strahlengangs der
Empfängeroptik,
- entlang einer - vorzugsweise geraden - Linie,
- horizontal und/oder vertikal benachbart zueinander in Bezug auf eine
Ausrichtung des zu Grunde liegenden LiDAR-Systems oder der zu Grunde liegenden Arbeitsmaschine.
Sämtliche Maßnahmen können beliebig miteinander kombiniert und
gegebenenfalls um zusätzliche Maßnahmen ergänzt werden.
Die Angaben„vertikal" und„horizontal" beziehen sich auf die Geometrie oder ein Bezugssystem des jeweiligen Anwendungsfalls und insbesondere auf die Ausrichtung eines Schwerefeldes, z.B. das der Erde.
Die Wirkung der optischen Anordnung eines LiDAR-Systems entfaltet sich gerade im Zusammenwirken der Empfängeroptik mit der Detektoranordnung, indem die Empfängeroptik zur optischen Abbildung des Sichtfeldes auf die Detektoranordnung ausgebildet ist.
Entsprechend ist von besonderem Vorteil, wenn jedes Segment der
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.
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
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.
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.
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. Neben der Verwendung einer Faseroptik im Bereich der Empfängeroptik - gegebenenfalls kombiniert mit einer Taperoptik - ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung das Konzept der Segmentierung und Neuanordnung der Empfängeroptik. Das Konzept der Segmentierung lässt sich jedoch alternativ oder zusätzlich auch auf den Aufbau der Detektoranordnung übertragen.
So ist es gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der optischen Anordnung vorgesehen, dass die Detektoranordnung segmentiert mit einer Mehrzahl von Detektorsegmenten ausgebildet ist oder wird und dass
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 räumliche Anordnung aufweisen.
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. 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.
So ist es von besonderem Vorteil, wenn die erfindungsgemäße optische
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 der 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.
Unter Licht soll hier neben elektromagnetischer Strahlung im für den Menschen sichtbaren Bereich auch IR-Strahlung verstanden werden.
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
Empfängeroptik und/oder der Senderoptik.
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.
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. Bei der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung kann es sich insbesondere um eine Arbeitsmaschine, ein Fahrzeug, einen Roboter oder eine andere allgemeine Produktions- oder Betriebsanlage handeln. Kurzbeschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. Figur 1 zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms den
Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR- Systems.
Figuren 2 bis 4 zeigen in schematischer Seitenansicht Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-
System mit verschiedenen Ausgestaltungen der Faseroptik mit und ohne Taperung.
Figuren 5 und 6 zeigen in perspektivischer Seitenansicht andere
Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems unter Verwendung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit unterschiedlichen baulichen Konfigurationen. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 6
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
Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen. Figur 1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10.
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.
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 Sekundäroptik 35 - an eine Detektoranordnung 20 überträgt.
Die Steuerung der Lichtquelle 65 sowie der Detektoranordnung 20 erfolgt über Steuerleitungen 42 bzw. 41 mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 40.
In der Figur 1 ist das Konzept der Segmentierung der optischen Komponenten des LiDAR-Systems 1 in dreierlei Hinsicht schematisch dargestellt, dies ist - wie die Segmentierung insgesamt - jedoch nicht zwingend. Kern der Erfindung ist die Steigerung der Flexibilität über den Einsatz einer Faser- oder Lichtleiteroptik im Bereich der Empfängeroptik.
Bei der Ausführungsform der Figur 1 ist die Empfängeroptik 30 dem Objektiv 34 nachgeschaltet mit einer Faseroptik 36 mit einer Lichteingangsseite 36-1 und einer Lichtausgangsseite 36-2 ausgebildet. Die Faseroptik 36 besteht aus einem faseroptischen Element 37 oder Lichtleiter oder einer Mehrzahl davon. Die Faseroptik 36 mit den faseroptischen Elementen 37 bildet eine dem Objektiv 34 als Primäroptik nachgeschaltete Sekundäroptik 35 und dient dazu, das vom Objektiv 34 erzeugte Bild des Sichtfeldes 50 in geeigneter Weise der
Detektoranordnung 20 zuzuführen und auf diese abzubilden.
In Figur 1 weist die Empfängeroptik 30 gemäß einer alternativen
Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10 eine Mehrzahl optisch abbildender Segmente 31 im Bereich des Objektivs 34 oder als Teile des Objektivs 34 auf, z.B. in Form einer Mehrzahl entsprechend geometrisch ausgebildeter parallel arbeitender 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.
Die Zuordnung erfolgt durch Ausrichtung der optisch abbildenden Segmente 31 in Bezug aufeinander und in Bezug auf das gewünschte Sichtfeldfeld 50 und seiner Segmente 51.
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.
Die Segmente 51 überdecken das Sichtfeld 50 zur Gänze, d.h. das ganze Sichtfeld 50 wird in Form der abgebildeten Sichtfeldsegmente 51 erfasst.
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 62 handeln, die voneinander unterschiedliche Raumwinkelbereiche des LiDAR-Systems mit primärem Licht 70 beaufschlagen und ggf. abtasten.
Ein dritter Aspekt der Segmentierung bei der Ausführungsform des LiDAR- Systems 1 gemäß Figur 1 ist im Bereich der Detektoranordnung 20 durch das Vorsehen einer Mehrzahl von Detektorsegmenten 21 realisiert.
Die Figur 2 bis 3 zeigen in schematischer Seitenansicht Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10 für ein LiDAR-System 1 mit verschiedenen Konfigurationen der in der Empfängeroptik 30 verwendeten Faseroptik 36.
Dargestellt ist jeweils ein Sichtfeld 50 des LiDAR-Systems 1 , welches mit seinen Segmenten 51 durch die Empfängeroptik 30 mit Objektiv 34 und Sekundäroptik 35 in Form einer Faseroptik 36, die auch als Lichtleiteroptik bezeichnet werden kann, auf die Detektoranordnung 20 abgebildet wird. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 erfolgt die optische Einkopplung des einfallenden Sekundärlichts 80 vom Objektiv 34 über die Sekundäroptik 35 zur Detektoranordnung 20 mit unveränderter Apertur, d.h., mit konstanter
Querschnittsfläche senkrecht zur lokalen optischen Achse. Die als Sekundäroptik 35 ausgebildete Faseroptik 36 oder Lichtleiteroptik mit Lichteingangsseite 36-1 und Lichtausgangsseite 36-2 kann aus einem einzelnen faseroptischen Element 37, also einem einzelnen Lichtwellenleiter bestehen oder von einem Bündel derartiger, insbesondere gleicher, faseroptischer Elemente 37 oder
Lichtwellenleiter gebildet werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 findet bei der optischen Kopplung vom Objektiv 34 über die Sekundäroptik 35 zur Detektoranordnung 20 eine
Verringerung der Querschnittsfläche über eine entsprechende Verjüngung oder Taperung im Bereich der Faseroptik 36 statt. Dies bedeutet, dass das Objektiv 34 mit einer vergleichsweise großen Eingangsapertur, also einem großen optischen Querschnitt, auf eine verringerte Querschnittsfläche durch Vermittlung mittels der Sekundäroptik 35 zur Detektoranordnung 20 hin abgebildet wird.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 besitzt das faseroptische Element 37 oder die Mehrzahl faseroptischer Elemente 37 einen sich von der
Lichteingangsseite 36-1 zur Lichtausgangsseite 36-2 hin verjüngenden
Querschnitt. Das bedeutet, dass die einzelnen faseroptischen Elemente 37 lichteingangsseitig einen größeren Querschnitt und lichtausgangsseitig einen verringerten Querschnitt aufweisen.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 ist dagegen dargestellt, dass bei zweigeteilter Sekundäroptik 35 neben der Faseroptik 36 mit einem oder mit mehreren faseroptischen Elementen 37 konstanten Querschnitts eine zusätzliche Taperoptik 38 ausgebildet ist, welche den lichteingangsseitigen vergrößerten Querschnitt des Objektivs 34 optisch auf einen verringerten Querschnitt reduziert und das Sekundärlicht aus dem Sichtfeld 50 in die Lichteingangsseite 36-1 der Faseroptik 36 einkoppelt. Die Taperoptik 38 kann als kegelstumpfförmiges faseroptisches Element ausgebildet sein.
Die Figuren 5 und 6 zeigen in perspektivischer Seitenansicht andere
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter
Verwendung weiterer Aspekte der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. Zusätzlich zur Verwendung einer Taperoptik 38 und einer Faseroptik 36 als Sekundäroptik 35 erfolgt bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 eine
Segmentierung der Empfängeroptik 30 durch eine entsprechende Aufteilung des Objektivs 34 in eine Mehrzahl optisch abbildender Segmente 31 , die jeweils einem Segment 51 des Sichtfeldes 50 zugeordnet sind und das jeweils zugeordnete Sichtfeldsegment 51 des Sichtfeldes 50 auf die Detektoranordnung 20 mit entsprechenden Detektorsegmenten 21 mit einem oder mehreren
Detektorelementen 22 abbilden.
Auf Grund der Segmentierung des Objektivs 34 in eine Mehrzahl optisch abbildender Segmente 31 ist auch eine entsprechende Mehrzahl optisch angekoppelter Taperoptiken 38 mit sich daran anschließenden Faseroptiken 36 erforderlich.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 erfolgt neben der Verwendung einer Faseroptik 36 zur Ankoppelung an eine Detektoranordnung 20 eine
Segmentierung der Senderoptik 60 in eine Mehrzahl optischer Segmenten 61 der Senderoptik 60. Jedes optische Segment 61 der Senderoptik 60 ist dazu ausgebildet, primäres Licht 70 in das Sichtfeld 50 des LiDAR-Systems 1 einzustrahlen. Die optisch abbildenden Segmente 31 der Empfängeroptik 30 sind wiederum ausgebildet, unter Zwischenschaltung der Faseroptik 36 und gegebenenfalls einer Taperoptik 38 das aus den zugeordneten
Sichtfeldsegmenten 51 einfallende Sekundärlicht 80 aus dem Sichtfeld 50 auf die Detektoranordnung 20 abzubilden. Aufgrund der Segmentierung ist ein räumlicher Abstand 90 zwischen Segmentgruppen beim LiDAR-System 1 gemäß Figur 6 entstanden. Dieser räumliche Abstand 90 kann genutzt werden, um Raum zu schaffen für Zusatzelemente 45. Diese können funktionaler Natur sein, es kann sich aber auch einfach um ein Emblem, ein Logo oder dergleichen handeln.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Die vorliegende Erfindung geht von LiDAR-Systemen aus, bei denen eine tonnenförmige, quaderförmige oder zylinderförmige Anordnung, insbesondere im Bereich der jeweiligen Objektive zum Einsatz kommt. Um eine möglichst große Anzahl Photonen einzusammeln, ist es vorteilhaft, bei LiDAR-System eine große Empfangsapertur auszubilden. Dies führt bei einer runden Linse zu einer großen Bauform.
Zur Steigerung der Flexibilität bei Bauform und Anwendung sind LiDAR-Systeme 1 und insbesondere LiDAR-Sensoren in flacher, lang gestreckter Bauweise gewünscht, so dass diese z.B. zwischen die Rippen eines Fahrzeugkühlergrills passen.
Zudem kann bei konventioneller Bauweise die Wärme im Inneren des Systems nicht ausreichend effektiv abtransportiert werden. Eine flache Bauweise schafft diesbezüglich Verbesserungen. Erfindungsgemäß werden Lichtleiterkomponenten 36, 37, insbesondere auch unter Einsatz von Taperoptiken 38, in einem LiDAR-System 1 eingesetzt, um dadurch eine flexible und/oder beliebige geometrische Strahlführung bzw.
Lichtleitung im Sende- und/oder Empfangspfad ermöglichen. Die verwendeten Taperoptiken 38 sind auch segmentiert auslegbar.
Folgende Vorteile stellen sich ein:
- Flexible Bauform, z.B. flach und breit und/oder verteilt.
- Thermisch verbesserte Anordnung der Bauelemente.
- Flexible Gestaltung der Empfangsfläche, z.B. in Abhängigkeit der
Blickrichtung.
- Vollständige Trennung Empfangspfad 30 und Sendepfad 60 möglich mit Verringerung oder Vermeidung von Übersprechen.
- Flexibles Designelement 45, querschnittsunabhängig, Fläche kann beliebige Formen annehmen, kann z.B. mit OEM-Logo kombiniert werden.
Figur 5 skizziert die Aspekte der Erfindung: Es werden mehrere
Empfängerbereiche als optisch abbildende Segmente 31 mittels Taperoptik 38 realisiert, die jeweils ein Segment 51 des Sichtfeldes 50 betrachten. Dadurch sind beliebige geometrische Ausführungen der Strahlführung und/oder
Lichtleitung im Sendepfad 60 und Empfangspfad 30 realisierbar. Eine andere Ausführungsform verwendet segmentierte Taperoptiken 38. Durch die flexible Bauform lassen sich die einzelnen Elemente gut als verteiltes System z.B. in ein Fahrzeug integrieren, wie dies in Figur 6 gezeigt ist. Sendersegmente 61 und Empfängersegmente 31 könnten auch in die Segmente eines OEM-Logos integriert werden.
Figur 6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform für ein verteiltes System mit Sender 61 und Empfänger 31.

Claims

Ansprüche
1. Optische Anordnung (10) für ein LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, oder für ein Fahrzeug,
- mit einer Detektoranordnung (20) und einer Empfängeroptik (30),
- bei welcher die Empfängeroptik (30)
- zur optischen Abbildung des Sichtfeldes (50) auf die Detektoranordnung (20) ausgebildet ist und
- dazu eine Faseroptik (36) mit einem oder mit einer Mehrzahl faseroptischer Elemente (37) zur optischen Verbindung mit der Detektoranordnung (20) aufweist.
2. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1 ,
- mit einem Objektiv (34),
- wobei die Faseroptik (36) als dem Objektiv (34) nachgeschaltete Sekundäroptik (35) ausgebildet ist.
3. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2,
- bei welcher die Faseroptik (36) als Taperoptik ausgebildet ist mit einer
Lichteingangsseite (36-1) größerer optischer Querschnittsfläche und einer Lichtausgangsseite (36-2) kleinerer optischer Querschnittsfläche,
- bei welcher sich insbesondere jeweilige faseroptische Elemente (37) von der Lichteingangsseite (36-1) zur Lichtausgangsseite (36-2) hin verjüngen.
4. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Empfängeroptik (30) segmentiert mit einer - insbesondere ungeraden - Mehrzahl optisch abbildender Segmente (31) ausgebildet ist.
5. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 4,
bei welcher die optisch abbildenden Segmente (31) der Empfängeroptik (30) und insbesondere des Objektivs (34) nebeneinander angeordnet sind, vorzugsweise - in einer Richtung senkrecht zu einer Empfangsrichtung der Empfängeroptik
(30),
- in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Strahlengangs der Empfängeroptik (30),
- entlang einer - vorzugsweise geraden - Linie,
- horizontal und/oder vertikal benachbart zueinander in Bezug auf eine
Ausrichtung des zu Grunde liegenden LiDAR-Systems (1) oder der zu Grunde liegenden Arbeitsvorrichtung.
6. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher
- jedes optisch abbildende Segment (31) der Empfängeroptik (30) zur optischen Abbildung eines zugeordneten Segments (51) des Sichtfeldes (50) auf die Detektoranordnung (20) ausgebildet ist,
- die Gesamtheit aller - den optisch abbildenden Segmenten (31) der
Empfängeroptik (30) zugeordneten - Segmente (51) des Sichtfeldes (50) das Sichtfeld (50) überdeckt,
- 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 Raumwinkels miteinander aufweisen und/oder
- 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.
7. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher
- die Detektoranordnung (20) segmentiert mit einer Mehrzahl von
Detektorsegmenten (21) ausgebildet ist und insbesondere
- eine 1-zu-1 -Korrespondenz besteht zwischen den optisch abbildenden
Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) - insbesondere des Objektivs (34) und/oder der Faseroptik (36) - und den Detektorsegmenten (21) und/oder die Detektorsegmente (21) eine zur räumlichen Anordnung der optisch abbildenden Segmente (31) - insbesondere des Objektivs (34) und/oder der Faseroptik (36) - der Empfängeroptik (30) korrespondierende räumliche Anordnung aufweisen.
8. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- mit einer segmentiert mit einer Mehrzahl optischer Segmente (61)
ausgebildeten Senderoptik (60) zum Ausleuchten des Sichtfeldes (50) mit Licht, insbesondere mit aufgeteiltem Strahlengang,
- bei welcher eine 1-zu-1 -Korrespondenz besteht zwischen den optischen abbildenden Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) - insbesondere des Objektivs (34) und/oder der Faseroptik (36) - 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) - insbesondere des Objektivs (34) und/oder der Faseroptik (36) - korrespondierende räumliche Anordnung aufweisen.
9. Optische Anordnung (10) nach einem Anspruch 8,
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 (60) bzw. der Empfängeroptik (30) und/oder in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Strahlengangs der Empfängeroptik (30) und/oder der Senderoptik (60).
10. LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder für ein Fahrzeug,
mit einer optischen Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
1 1. Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug,
mit einem LiDAR-System (1) nach Anspruch 10 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).
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