WO2018172115A1 - Lichtdetektion - Google Patents

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WO2018172115A1
WO2018172115A1 PCT/EP2018/056044 EP2018056044W WO2018172115A1 WO 2018172115 A1 WO2018172115 A1 WO 2018172115A1 EP 2018056044 W EP2018056044 W EP 2018056044W WO 2018172115 A1 WO2018172115 A1 WO 2018172115A1
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WO
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light
wavelength
filter
state
detector
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PCT/EP2018/056044
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English (en)
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Inventor
Ernst Kretzek
Nico Heussner
Annemarie Holleczek
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • 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
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters

Definitions

  • Various physical measurement techniques are based on detecting light of a predetermined wavelength.
  • laser light of a predetermined wavelength may be emitted and scattered on an object to be scanned.
  • the scattered light should be detected by a detector, which should be as insensitive as possible to light of a different wavelength.
  • the detector can be shielded by means of a filter from light of a different wavelength.
  • the filter is usually designed as an interference filter or colored glass.
  • the wavelength of light that can pass through the filter is usually dependent on an incident direction.
  • the detector has a relatively large field of view (FOV), for example with an aperture angle of approximately 50 ° in the horizontal and 10 ° in the vertical direction, ideally also up to 30 ° in the vertical direction, this is through the filter transmitted wavelength in the outer areas of the field of view smaller than in the middle. Nevertheless, in order to let the entire incoming laser-originated light pass through the detector, the bandwidth of the filter must be chosen to be relatively large. A signal-to-noise ratio (SNR) can thereby be degraded. Sensitivity or accuracy of the surrounding LiDAR system may thereby be degraded.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • US 5,339,189 proposes to use a non-linear optical device to add the incident light in its frequency with a reference light or to subtract the two from each other.
  • One of the objects of the present invention is to provide an improved sensor arrangement.
  • the invention achieves this object by means of the subject matter of the independent claim. Subclaims give preferred embodiments again.
  • a sensor arrangement comprises a light source for emitting light of a first predetermined wavelength; an optical detector for detecting light of a second predetermined wavelength; and an optical converter.
  • the converter contains a substance whose atoms can be displaced from a first state to an excited second state by excitation by means of light of the first wavelength. When returning to the first state, the excited atoms emit light of the second wavelength.
  • the converter is based on quantum mechanical relationships and can achieve extremely high precision. In particular, it can be ensured that the substance is excited only by light of the first wavelength and that only the light emitted by it of the second wavelength falls on the detector.
  • the converter can act as a hyperfine bandpass filter whose bandwidth is in the range of nanometers or even below one nanometer. A disturbance of the detector by extraneous light can be greatly reduced. A signal-to-noise ratio of a signal provided by the detector can be improved.
  • the substance can be excited by light of the first wavelength, no matter from which direction this light is incident.
  • the filter effect of the converter is therefore usually not dependent on the direction of the incident light.
  • the bandwidth of the optical filter effect can be extremely narrow.
  • the quality of the light signal provided by the detector can thereby be further improved. be sert.
  • the signal-to-noise ratio can be further increased.
  • the substance is present as a gas.
  • the gas may, for example, be arranged in a spherical or cylindrical vessel in order to minimize surface reflections as far as possible.
  • the vessel can be produced, for example, from quartz glass or else from a more elastic material, for example a plastic or Plexiglas.
  • the shape of the vessel can be adapted to an application within wide limits.
  • the excited atoms return directly from the second to the first state, the two wavelengths corresponding to one another.
  • the substance can be chosen appropriately.
  • a large part of the energy of the incident light can be converted in order to direct light onto the detector.
  • the converter should then be constructed so that the incident light can not possibly fall directly on the detector in order not to reduce the directional independence or narrow band of the sensor array.
  • the atoms first go from the excited second state to an excited third state and only then to the first state.
  • the wavelengths are different.
  • the third state is usually energetically between the first and the second state.
  • the second wavelength is therefore greater than the first.
  • the detector may be specially adapted to detect light of the second wavelength as exclusively as possible. The sensitivity of the sensor arrangement to extraneous light can be reduced.
  • the optical detector is arranged radially symmetrically to the converter.
  • a vessel in which the substance is held be radially symmetric in a spatial direction (cylinder) or in two directions (sphere).
  • the detector can be arranged on the radial outside of the converter.
  • the surface of the detector can be enlarged accordingly. Be sure.
  • the atoms of the substance usually emit the light of the second wavelength with an isotropic radiation characteristic, so that the yield of the detected light can be improved by the radially symmetrical arrangement.
  • the converter may have a recess or a window.
  • the sensor arrangement further comprises a first optical filter in the beam path in front of the converter to shield the converter from light of a wavelength other than the first wavelength.
  • This filter may be a conventional filter, for example a multilayer filter or a dielectric filter.
  • the first filter comprises a low-pass filter with respect to the wavelength of the light.
  • Light with a smaller than a predetermined wavelength can pass through the filter.
  • the cut-off wavelength of the filter is preferably below the second wavelength.
  • a second optical filter can be provided in the beam path in front of the detector in order to shield the detector from light of wavelengths other than the second wavelength.
  • the second filter may in particular comprise a high-pass filter with respect to the wavelength of the light.
  • Light whose wavelength is above a predetermined cut-off wavelength may pass through the second filter. This second cut-off wavelength is preferably below the second wavelength.
  • the combination of both filters can ensure that only light arrives at the detector, which has the second wavelength.
  • Light of the second wavelength can not pass the first filter, and light of a wavelength lower than the second wavelength can not pass through the second filter.
  • a LiDAR sensor comprises the above described sensor arrangement and processing means arranged to determine the length of an optical path which lies between the light source and the detector.
  • the light source is arranged close to the optical detector and the optical Table path extends from the light source to an object to be scanned and back to the sensor array.
  • the LiDAR sensor can be used to determine the distance to the object.
  • the light source is preferably configured to emit laser light, wherein the light source can be controlled in continuous operation or modulated.
  • the length of the optical path is usually determined based on the travel time of the light from the light source to the detector.
  • This filtering of the incident light is particularly advantageous when the detectors are single-photon detectors, so-called SPADs.
  • FIG. 2 shows a sensor arrangement for a LiDAR sensor
  • Fig. 3 is an illustration of the operation of an optical converter
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a LiDAR sensor 100.
  • the LiDAR sensor 100 comprises a sensor system 105 and a processing device 1 10.
  • For detecting an object 1 15 light is irradiated by means of a light source 120 to an object 1 15, there scattered and the LiDAR sensor 100 thrown back.
  • a detector 125 is preferably preceded by an optical filter 130 in order, if possible, to transmit only light of the wavelength to the detector 125 which has been emitted by the light source 120. Foreign or scattered light 135, however, should be retained.
  • the processing device 110 can then determine how long light from the light source 120 was traveling to the object 15 and from there to the detector 125 and from this the removal of the object 15 from the sensor system 105.
  • the LiDAR sensor 100 may be configured for use on board a motor vehicle.
  • a maximum distance of the object 1 15 from the sensor system 105 may be 150 m or more, an opening angle of the detector 125 in the horizontal direction about 50 ° or more and in the vertical direction about 10 ° or more.
  • the filter 130 is preferably designed as a bandpass.
  • the filter 130 comprises an interference filter or a colored glass.
  • a passage curve of the filter 130 is indicated in the lower part of FIG. 1, a passage curve of the filter 130 is indicated.
  • a wavelength is shown in the horizontal direction and a signal component passing through the filter 130 in the vertical direction.
  • the light source 120 emits light having a wavelength of ⁇ 1.
  • a dashed line shows a transmission behavior of an exemplary bandpass filter according to the prior art.
  • the apparent wavelength of incident light with respect to the filter 130 is smaller as a direction angle ⁇ becomes larger. For a laterally emigrated object 15 ', therefore, the wavelength ⁇ 1' would have to be transmitted.
  • With a broken line the possible transmission curve of a bandpass filter is indicated.
  • the actual transmission curve of the filter 130 therefore comprises both of the aforementioned transmission curves and is shown in FIG. 1 by a solid line.
  • the narrower the passband of the bandpass filter 130 the better the measurement of the detector 125. If the possible angle of incidence ⁇ is large, then the conventional filter 130 can not be optimally designed narrowband.
  • FIG. 2 shows a sensor arrangement 105 for the LiDAR sensor 100 from FIG. 1. It is proposed to provide a converter 205 which contains a substance 210 whose atoms can be excited by means of light from the light source 120, so that they are displaced from a first state to an excited second state. Excited atoms return to the first state, where they are
  • This effect is also called fluorescence.
  • the duration between the transition of an atom into the excited state and the return to the ground state can be influenced by selecting the substance 210.
  • Suitable substances 210 may have any state of aggregation. However, it is preferred to use a substance 210 which is gaseous under predetermined conditions.
  • the substance 210 may be provided in a vessel 215, for example in mixture with a predetermined, preferably inert gas.
  • the vessel 215 preferably has an inlet 220 for the entry of light of the first wavelength ⁇ 1.
  • the vessel 215 may be closed with a transparent pane, for example made of quartz glass.
  • the entire vessel 215 is made of a material. It is further preferred that the optical converter 205 is constructed geometrically such that as far as possible no unconverted light from the light source 120 strikes the detector 125 and at the same time as far as possible all light of the second wavelength K2 of the substance 210 is captured by the detector 125.
  • FIG. 3 shows an illustration 300 of the operation of an optical converter 205.
  • Atoms of the substance 210 are usually in a first state which corresponds to a first energy level E1. Without further action, the atom does not leave this state.
  • the atom of the substance 210 can be converted into a second state, which has a higher energy level E2. This process is also called "pumping.”
  • the atom In the second state, the atom usually remains only for a short time, the duration of which may be characteristic of the substance 210.
  • the atom of the substance 210 emits light of the first wavelength ⁇ 1.
  • the second state initially passes into a third state, to which a third energy level E3 is assigned, which lies between the levels E1 and E2. From the third state, the transition then takes place back to the first state. light only when the transition to the first state is light emitted. The emitted light has a larger wavelength K2 and a correspondingly lower energy.
  • FIG. 4 shows exemplary possible designs of an optical converter 205.
  • FIG. 4a shows a first possible design for a substance 210 which can be excited by light of the first wavelength ⁇ 1 and which emits light of the second wavelength K2.
  • a first filter 405 is preferably located in the beam path in front of the vessel 215 in order to shield the converter 205 from light of a wavelength other than the first wavelength ⁇ 1.
  • the first filter 405 preferably comprises one
  • a second filter 410 is provided, which is arranged in the beam path between the converter 205 and the detector 125.
  • the second filter 410 is configured to shield the detector 125 from light of a wavelength other than the second wavelength K2.
  • the second filter 410 is a high-pass filter with respect to
  • Wavelength of the light ⁇ formed. Cut-off frequencies of the filters 405, 410 are preferably chosen with respect to the wavelengths ⁇ 1 and K2 such that light of a shorter than the first wavelength ⁇ 1 does not enter the converter 205 and light of a wavelength larger than the second wavelength K2 does not extend in the direction of the detector 125 can escape him.
  • the two filters 405 and 410 thus form a bandpass in which the wavelengths ⁇ 1 and K2 are located.
  • FIG. 4b shows a further embodiment of an optical converter 205.
  • a radially symmetrical structure corresponding to that of FIG. 2 is selected.
  • Light of wavelength ⁇ 1 falls perpendicular to the drawing plane in the interior of the
  • Vessel 215. On the radial outer side is the detector 125. In this case, for example, a cylindrical or at least approximately spherical structure of the vessel 215 be based. Optionally, an optical filter 410 is located between the outside of the vessel 215 and the side of the detector 125 facing the vessel 215.
  • FIG. 4 c shows yet another possible embodiment of the optical converter 205.
  • light falls from below into the vessel 215.
  • the vessel 215 may be preceded by a first filter 405.
  • a mirror 415 may be provided on the opposite side.
  • the mirror 415 is preferably designed so that it only reflects light of the second wavelength K2 as possible.
  • Other light in particular extraneous light 135, can pass through the mirror 415. In other directions, for example laterally, further mirrors 415 may be provided.
  • light of the first wavelength ⁇ 1 strikes an atom of the substance 210
  • light of the second wavelength K2 is formed, as described in greater detail above. This can be reflected once or several times on mirrors 415 and leave the vessel 215 at a predicted location. There, the second filter 410 or another optics may be provided. After that, the light preferably strikes the detector 125.
  • the light source 120 can be stabilized in its wavelength to the hyperfine atomic transition.
  • the Rubidium Di or D2 line can be used.
  • the hyperfine cesium-atom junction can be exploited. If a wavelength of 1550 nm is to be targeted, acetylene (C2H2), which has the resonance at 1530 nm, is suitable.

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Abstract

Eine Sensoranordnung umfasst eine Lichtquelle zur Aussendung von Licht einer ersten vorbestimmten Wellenlänge; einen optischen Detektor zum Detektieren von Licht einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge; und einen optischen Konverter. Der Konverter enthält eine Substanz, deren Atome durch Anregung mittels Licht der ersten Wellenlänge von einem ersten Zustand in einen angeregten zweiten Zustand versetzt werden können. Beim Zurückkehren in den ersten Zustand senden die angeregten Atome Licht der zweiten Wellenlänge aus.

Description

Beschreibung Titel
Lichtdetektion Stand der Technik
Diverse physikalische Messtechniken basieren darauf, Licht einer vorbestimmten Wellenlänge zu detektieren. Beispielsweise kann bei einem LiDAR-System Laserlicht einer vorbestimmten Wellenlänge ausgesandt und an einem abzutastenden Objekt gestreut werden. Das gestreute Licht soll von einem Detektor erfasst werden, der möglichst insensitiv gegenüber Licht einer anderen Wellenlänge sein soll. Der Detektor kann mittels eines Filters vor Licht einer anderen Wellenlänge abgeschirmt werden. Der Filter wird üblicherweise als Interferenzfilter oder Farbglas ausgebildet. Dabei ist die Wellenlänge von Licht, das den Filter passieren kann, üblicherweise von einer Einfallsrichtung abhängig. Soll der Detektor ein relativ großes Sichtfeld (Field of View, FOV) aufweisen, beispielsweise mit einem Öffnungswinkel von ca. 50° in horizontaler und 10° in vertikaler Richtung, idealerweise auch bis zu 30° in vertikaler Richtung, so ist die durch den Filter durchgelassene Wellenlänge in den Außenbereichen des Sichtfelds kleiner als in der Mitte. Um trotzdem das gesamte einfallende, ursprünglich vom Laser stammende Licht an dem Detektor durchzulassen, muss die Bandbreite des Filters relativ groß gewählt werden. Ein Signal-Rausch-Verhältnis (Signal to Noise Ratio, SNR) kann dadurch verschlechtert werden. Eine Sensibilität oder Genauigkeit des umgebenden LiDAR-Systems kann dadurch verschlechtert sein.
Zur Filterung von Licht einer vorbestimmten Wellenlänge sind unterschiedliche Vorschläge gemacht worden. US 5,339,189 schlägt vor, eine nicht lineare optische Einrichtung zu verwenden, um das einfallende Licht in seiner Frequenz mit einem Referenzlicht zu addieren oder die beiden voneinander zu subtrahieren.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben besteht darin, eine verbesserte Sensoranordnung anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung
Eine Sensoranordnung umfasst eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht einer ersten vorbestimmten Wellenlänge; einem optischen Detektor zum Detektieren von Licht einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge; und einen optischen Konverter. Der Konverter enthält eine Substanz, deren Atome durch Anregung mittels Licht der ersten Wellenlänge von einem ersten Zustand in einen angeregten zweiten Zustand versetzt werden können. Beim Zurückkehren in den ersten Zustand senden die angeregten Atome Licht der zweiten Wellenlänge aus.
Der Konverter basiert auf quantenmechanischen Zusammenhängen und kann eine extrem hohe Präzision erreichen. Insbesondere kann sichergestellt werden, dass die Substanz ausschließlich von Licht der ersten Wellenlänge angeregt wird und dass ausschließlich das von ihr ausgesandte Licht der zweiten Wellenlänge auf den Detektor fällt. Somit kann der Konverter als hyperfeiner Bandpassfilter wirken, dessen Bandbreite im Bereich von Nanometern oder sogar unterhalb eines Nanometers liegt. Eine Störung des Detektors durch Fremdlicht kann stark verringert werden. Ein Signal-Rausch-Verhältnis eines mittels des Detektors bereitgestellten Signals kann verbessert sein.
Die Substanz kann von Licht der ersten Wellenlänge angeregt werden, gleich aus welcher Richtung dieses Licht einfällt. Die Filterwirkung des Konverters ist daher üblicherweise nicht von der Richtung des einfallenden Lichts abhängig. Die Bandbreite der optischen Filterwirkung kann extrem schmal sein. Die Qualität des durch den Detektor bereitgestellten Lichtsignals kann dadurch weiter verbes- sert werden. Insbesondere kann das Signal-Rausch-Verhältnis weiter vergrößert sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Substanz als Gas vor. Dadurch kann die Richtungsunabhängigkeit der Substanz gegenüber einfallendem Licht der ersten Wellenlänge verbessert ausgenutzt werden. Das Gas kann beispielsweise in einem sphärischen oder zylindrischen Gefäß angeordnet sein, um Oberflächenreflexionen möglichst zu minimieren. Das Gefäß kann beispielsweise aus Quarzglas oder auch einem elastischeren Material, beispielsweise ei- nem Kunststoff oder Plexiglas hergestellt werden. Die Form des Gefäßes kann dabei an einen Anwendungszweck in weiten Grenzen angepasst werden.
In einer ersten Variante kehren die angeregten Atome unmittelbar vom zweiten in den ersten Zustand zurück, wobei die beiden Wellenlängen einander entspre- chen. Die Substanz kann hierfür passend gewählt werden. Vorteilhaft kann dabei ein großer Teil der Energie des einfallenden Lichts umgewandelt werden, um Licht auf den Detektor zu lenken. Andererseits sollte der Konverter dann so aufgebaut sein, dass das einfallende Licht möglichst nicht unmittelbar auf den Detektor fallen kann, um die Richtungsunabhängigkeit oder Schmalbandigkeit der Sensoranordnung nicht herabzusetzen.
In einer anderen Variante gehen die Atome vom angeregten zweiten Zustand zunächst in einen angeregten dritten Zustand und erst anschließend in den ersten Zustand über. Die Wellenlängen sind dabei unterschiedlich. Der dritte Zu- stand liegt üblicherweise energetisch zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand. Aus Gründen der Energieerhaltung ist die zweite Wellenlänge daher größer als die erste. Der Detektor kann speziell dazu eingerichtet sein, möglichst ausschließlich Licht der zweiten Wellenlänge zu erfassen. Die Empfindlichkeit der Sensoranordnung gegenüber Fremdlicht kann reduziert sein.
Es ist besonders bevorzugt, dass der optische Detektor radialsymmetrisch zum Konverter angeordnet ist. Dazu kann ein Gefäß, in dem die Substanz vorgehalten ist, in einer Raumrichtung radialsymmetrisch sein (Zylinder) oder in zwei Richtungen (Kugel). Der Detektor kann auf der radialen Außenseite des Konver- ters angeordnet sein. Die Oberfläche des Detektors kann entsprechend vergrö- ßert sein. Die Atome der Substanz strahlen das Licht der zweiten Wellenlänge üblicherweise mit einer isotropen Abstrahlcharakteristik aus, sodass durch die radialsymmetrische Anordnung die Ausbeute des detektieren Lichts verbessert sein kann. Zum Eintreten von Licht der ersten Wellenlänge kann der Konverter eine Aussparung oder ein Fenster besitzen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung weiter einen ersten optischen Filter im Strahlengang vor dem Konverter, um den Konverter von Licht einer anderen als der ersten Wellenlänge abzuschirmen. Dieser Filter kann ein konventioneller Filter sein, beispielsweise ein Mehrschichtfilter oder ein dielektrischer Filter.
Es ist besonders bevorzugt, dass der erste Filter einen Tiefpassfilter bezüglich der Wellenlänge des Lichts umfasst. Licht mit einer kleineren als einer vorbe- stimmten Wellenlänge kann den Filter passieren. Die Grenzwellenlänge des Filters liegt bevorzugt unterhalb der zweiten Wellenlänge.
Es kann ferner ein zweiter optischer Filter im Strahlengang vor dem Detektor vorgesehen sein, um den Detektor von Licht einer anderen als der zweiten Wel- lenlänge abzuschirmen. Der zweite Filter kann insbesondere einen Hochpassfilter bezüglich der Wellenlänge des Lichts umfassen. Licht, dessen Wellenlänge über einer vorbestimmten Grenzwellenlänge liegt, kann den zweiten Filter passieren. Diese zweite Grenzwellenlänge liegt bevorzugt unterhalb der zweiten Wellenlänge.
Insbesondere durch die Kombination beider Filter kann sichergestellt werden, dass am Detektor ausschließlich Licht eintrifft, das die zweite Wellenlänge aufweist. Licht der zweiten Wellenlänge kann den ersten Filter nicht passieren und Licht einer niedrigeren als der zweiten Wellenlänge kann den zweiten Filter nicht passieren.
Ein LiDAR-Sensor umfasst die oben beschriebene Sensoranordnung und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Länge eines optischen Pfades zu bestimmen, der zwischen der Lichtquelle und dem Detektor liegt. Übli- cherweise ist die Lichtquelle nahe am optischen Detektor angeordnet und der op- tische Pfad verläuft von der Lichtquelle zu einem abzutastenden Objekt und zurück zur Sensoranordnung. Somit kann der LiDAR-Sensor zur Bestimmung des Abstandes zum Objekt eingesetzt werden. Die Lichtquelle ist bevorzugt dazu eingerichtet, Laserlicht auszustrahlen, wobei die Lichtquelle in Dauer-Betrieb oder moduliert angesteuert werden kann. Die Länge des optischen Pfades wird üblicherweise auf der Basis der Reisedauer des Lichts von der Lichtquelle bis zum Detektor bestimmt.
Besonders vorteilhaft ist diese Filterung des einfallenden Lichts, wenn es sich bei den Detektoren um Einzelphotondetektoren, sogenannte SPADs, handelt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
Fig. 1 einen LiDAR-Sensor;
Fig. 2 eine Sensoranordnung für einen LiDAR-Sensor;
Fig. 3 eine Veranschaulichung der Arbeitsweise eines optischen Konverters; und
Fig. 4 mögliche Bauformen eines optischen Konverters; darstellt.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines LiDAR-Sensors 100. Der LiDAR-Sensor 100 umfasst ein Sensorsystem 105 und eine Verarbeitungseinrichtung 1 10. Zum Erfassen eines Objekts 1 15 wird Licht mittels einer Lichtquelle 120 auf ein Objekt 1 15 gestrahlt, dort gestreut und zum LiDAR-Sensor 100 zurückgeworfen. Einem Detektor 125 ist bevorzugt ein optischer Filter 130 vorgeschaltet, um möglichst nur Licht der Wellenlänge an den Detektor 125 gelangen zu lassen, das von der Lichtquelle 120 ausgesandt wurde. Fremd- oder Streulicht 135 hingegen soll zurückgehalten werden. Die Verarbeitungseinrichtung 1 10 kann dann bestimmen, wie lange Licht von der Lichtquelle 120 zum Objekt 1 15 und von dort zum Detektor 125 unterwegs war und daraus die Entfernung des Objekts 1 15 vom Sensorsystem 105. Der LiDAR-Sensor 100 kann zum Einsatz an Bord eines Kraftfahrzeugs eingerichtet sein. Eine maximale Entfernung des Objekts 1 15 vom Sensorsystem 105 kann 150 m und mehr betragen, ein Öffnungswinkel des Detektors 125 in horizontaler Richtung ca. 50° oder mehr und in vertikaler Richtung ca. 10° oder mehr.
Der Filter 130 ist bevorzugt als Bandpass ausgebildet. Üblicherweise umfasst der Filter 130 ein Interferenzfilter oder ein Farbglas. Im unteren Bereich von Figur 1 ist eine Durchlasskurve des Filters 130 angedeutet. In horizontaler Richtung ist eine Wellenlänge und in vertikaler Richtung ein durch den Filter 130 tretender Signalanteil dargestellt. Die Lichtquelle 120 sendet Licht mit einer Wellenlänge von λ1 aus. Mit einer strichpunktierten Linie ist ein Durchlassverhalten eines beispielhaften Bandpassfilters nach dem Stand der Technik gezeigt. Üblicherweise ist die scheinbare Wellenlänge eintreffenden Lichts bezüglich des Filters 130 kleiner, wenn ein Richtungswinkel φ größer wird. Für ein seitlich ausgewandertes Objekt 1 15' müsste daher die Wellenlänge λ1 ' durchgelassen werden. Mit unterbrochener Linie ist die mögliche Durchlasskurve eines Bandpassfilters angedeutet. Da Licht über das gesamte vorbestimmte Gesichtsfeld durch den Filter 130 gelassen werden soll, müssen Wellenlängen zwischen λ1 ' und λ1 abgedeckt werden. Die tatsächliche Durchlasskurve des Filters 130 umfasst daher beide zuvor genannten Durchlasskurven und ist in Figur 1 mit durchgezogener Linie dargestellt.
Allgemein gilt, dass die Messung des Detektors 125 umso besser ist, je schmaler die Durchlasskurve des Bandpassfilters 130 ist. Ist der mögliche Einfallswinkel φ groß, so kann das herkömmliche Filter 130 nicht optimal schmalbandig ausgelegt werden.
Es wird vorgeschlagen, das an dem Objekt 1 15 gestreute Licht der Lichtquelle 120 mittels eines optischen Konverters so umzuwandeln, dass eine verbessert richtungsunabhängige Filterung stattfinden kann. Auf dem Detektor 125 einfallendes Licht soll verbessert schmalbandig gefiltert werden. Figur 2 zeigt eine Sensoranordnung 105 für den LiDAR-Sensor 100 aus Figur 1 . Es wird vorgeschlagen, einen Konverter 205 vorzusehen, der eine Substanz 210 enthält, deren Atome mittels Licht der Lichtquelle 120 angeregt werden können, sodass sie von einem ersten Zustand in einen angeregten zweiten Zustand ver- setzt werden. Angeregte Atome kehren in den ersten Zustand zurück, wobei sie
Licht einer zweiten Wellenlänge K2 aussenden, das vom Detektor 125 erfasst werden kann. Dieser Effekt wird auch Fluoreszenz genannt. Die Dauer zwischen dem Übergang eines Atoms in den angeregten Zustand und dem RückÜbergang in den Grundzustand kann durch Wahl der Substanz 210 beeinflusst werden. Geeignete Substanzen 210 können einen beliebigen Aggregatszustand aufweisen. Es wird jedoch bevorzugt, eine Substanz 210 zu verwenden, die unter vorbestimmten Bedingungen gasförmig ist. Dazu kann die Substanz 210 in einem Gefäß 215 beispielsweise in Gemisch mit einem vorbestimmten, bevorzugt inerten Gas vorgesehen sein. Das Gefäß 215 weist bevorzugt einen Einlass 220 zum Eintreten von Licht der ersten Wellenlänge λ1 auf. Dazu kann das Gefäß 215 mit einer transparenten Scheibe beispielsweise aus Quarzglas verschlossen sein. In einer weiteren Ausführungsform ist das gesamte Gefäß 215 aus einem Material gefertigt. Es ist weiterhin bevorzugt, dass der optische Konverter 205 geometrisch so aufgebaut ist, dass möglichst kein unkonvertiertes Licht von der Licht- quelle 120 auf den Detektor 125 trifft und gleichzeitig möglichst alles Licht der zweiten Wellenlänge K2 der Substanz 210 vom Detektor 125 aufgefangen wird.
Figur 3 zeigt eine Veranschaulichung 300 der Arbeitsweise eines optischen Konverters 205. Atome der Substanz 210 befinden sich üblicherweise in einem ers- ten Zustand, der einem ersten Energieniveau E1 entspricht. Ohne weiteres Zutun verlässt das Atom diesen Zustand nicht. Durch Anregen mittels Licht der ersten Wellenlänge λ1 kann das Atom der Substanz 210 in einen zweiten Zustand überführt werden, der ein höheres Energieniveau E2 aufweist. Dieser Vorgang wird auch„pumpen" genannt. Im zweiten Zustand verbleibt das Atom üblicherweise nur für kurze Zeit, deren Dauer charakteristisch für die Substanz 210 sein kann.
Beim Zurückfallen in den ersten Zustand sendet das Atom der Substanz 210 Licht der ersten Wellenlänge λ1 aus. In einer anderen Variante geht es vom zweiten Zustand zunächst in einen dritten Zustand über, dem ein drittes Energieniveau E3 zugeordnet ist, das zwischen den Niveaus E1 und E2 liegt. Vom drit- ten Zustand aus erfolgt dann der Übergang zurück in den ersten Zustand. Licht wird erst beim Übergang in den ersten Zustand wird Licht ausgesandt. Das ausgesandte Licht weist eine größere Wellenlänge K2 und eine entsprechend niedrigere Energie aufweist. Figur 4 zeigt beispielhafte mögliche Bauformen eines optischen Konverters 205.
Figur 4a zeigt eine erste mögliche Bauform für eine Substanz 210, die sich durch Licht der ersten Wellenlänge λ1 anregen lässt und die Licht der zweiten Wellenlänge K2 aussendet. Im Strahlengang vor dem Gefäß 215 befindet sich bevorzugt ein erster Filter 405, um den Konverter 205 von Licht einer anderen als der ers- ten Wellenlänge λ1 abzuschirmen. Der erste Filter 405 umfasst bevorzugt einen
Tiefpassfilter bezüglich der Wellenlänge λ des Lichts. Weiter bevorzugt ist ein zweiter Filter 410 vorgesehen, der im Strahlengang zwischen dem Konverter 205 und dem Detektor 125 angeordnet ist. Der zweite Filter 410 ist dazu eingerichtet, den Detektor 125 von Licht einer anderen als der zweiten Wellenlänge K2 abzu- schirmen. Bevorzugt ist der zweite Filter 410 als Hochpassfilter bezüglich der
Wellenlänge des Lichts λ ausgebildet. Grenzfrequenzen der Filter 405, 410 sind bezüglich der Wellenlängen λ1 und K2 bevorzugt so gewählt, dass Licht einer kürzeren als der ersten Wellenlänge λ1 nicht in den Konverter 205 eintreten und Licht einer größeren als der zweiten Wellenlänge K2 nicht in Richtung des Detek- tors 125 aus ihm austreten kann. Die beiden Filter 405 und 410 bilden somit einen Bandpass, in dem die Wellenlängen λ1 und K2 liegen.
Figur 4b zeigt eine weitere Ausführungsform eines optischen Konverters 205. Hier ist ein radialsymmetrischer Aufbau entsprechend dem von Figur 2 gewählt. Licht der Wellenlänge λ1 fällt senkrecht zur Zeichenebene in den Innenraum des
Gefäßes 215. Auf dessen radialer Außenseite befindet sich der Detektor 125. Dabei kann beispielsweise ein zylindrischer oder zumindest annähernd kugelförmiger Aufbau des Gefäßes 215 zugrunde gelegt sein. Optional befindet sich zwischen der Außenseite des Gefäßes 215 und der dem Gefäß 215 zugewand- ten Seite des Detektors 125 ein optischer Filter 410.
Figur 4c zeigt noch eine mögliche Ausführungsform des optischen Konverters 205. In der gewählten Darstellung fällt Licht von unten in das Gefäß 215. Dem Gefäß 215 kann ein erster Filter 405 vorgelagert sein. An der entgegengesetzten Seite kann ein Spiegel 415 vorgesehen sein. Bevorzugt ist der Spiegel 415 se- lektiv ausgeführt, sodass er möglichst nur Licht der zweiten Wellenlänge K2 reflektiert. Anderes Licht, insbesondere Fremdlicht 135 kann den Spiegel 415 passieren. In anderen Richtungen, beispielsweise seitlich, können weitere Spiegel 415 vorgesehen sein.
Trifft Licht der ersten Wellenlänge λ1 auf ein Atom der Substanz 210, so entsteht, wie oben genauer beschrieben wurde, Licht der zweiten Wellenlänge K2. Dieses kann einfach oder mehrfach an Spiegeln 415 reflektiert werden und das Gefäß 215 an einer vorhergesehenen Stelle verlassen. Dort kann der zweite Filter 410 oder eine andere Optik vorgesehen sein. Danach trifft das Licht bevorzugt auf den Detektor 125.
Um die Effizienz des Sensorsystems 105 weiter zu steigern, kann die Lichtquelle 120 in ihrer Wellenlänge auf den hyperfeinen Atomübergang stabilisiert werden. Bei Verwendung einer Wellenlänge um 780 nm kann hierzu die Rubidium Di oder D2-Linie verwendet werden. Bei einer Wellenlänge um 895 nm kann der hyperfeine Cäsium-Atom-Übergang ausgenutzt werden. Soll eine Wellenlänge um 1550 nm anvisiert werden, bietet sich Acetylen (C2H2) an, das die Resonanz bei 1530 nm besitzt.

Claims

Ansprüche
Sensoranordnung (105), umfassend:
- eine Lichtquelle (120) zur Aussendung von Licht einer ersten vorbestimmten Wellenlänge;
- einen optischen Detektor (125) zum Detektieren von Licht einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge; und
- einen optischen Konverter (205),
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Konverter (205) eine Substanz (210) enthält, deren Atome durch Anregung mittels Licht der ersten Wellenlänge von einem ersten Zustand (E1 ) in einen angeregten zweiten Zustand (E2) versetzt werden können,
- wobei die angeregten Atome beim Zurückkehren in den ersten Zustand (E1 ) Licht der zweiten Wellenlänge aussenden.
Sensoranordnung (105) nach Anspruch 1 , wobei die Substanz (210) als Gas vorliegt.
Sensoranordnung (105) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die angeregten Atome unmittelbar vom zweiten in den ersten Zustand (E1 ) zurückkehren und die beiden Wellenlängen einander entsprechen.
Sensoranordnung (105) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Atome vom angeregten zweiten Zustand (E2) zunächst in einen angeregten dritten Zustand (E3) und anschließend in den ersten Zustand (E1 ) übergehen; und die Wellenlängen unterschiedlich sind.
Sensoranordnung (105) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der optische Detektor (125) radialsymmetrisch zum Konverter (205) angeordnet ist.
6. Sensoranordnung (105) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen ersten optischen Filter (405) im Strahlengang vor dem Konverter (205), um den Konverter (205) von Licht einer anderen als der ersten Wellenlänge abzuschirmen.
7. Sensoranordnung (105) nach Anspruch 6, wobei der erste Filter (405) einen Tiefpassfilter bezüglich der Wellenlänge des Lichts umfasst.
8. Sensoranordnung (105) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen zweiten optischen Filter (410) im Strahlengang vor dem Detektor (125), um den Detektor (125) von Licht einer anderen als der zweiten Wellenlänge abzuschirmen.
9. Sensoranordnung (105) nach Anspruch 8, wobei der zweite Filter (410) einen Hochpassfilter bezüglich der Wellenlänge des Lichts umfasst.
10. LiDAR-Sensor (100), umfassend eine Sensoranordnung (105) nach einem der vorangehenden Ansprüche und eine Verarbeitungseinrichtung (1 10), die dazu eingerichtet ist, die Länge eines optischen Pfads zwischen der Lichtquelle (120) und dem Detektor (125) zu bestimmen.
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