WO2020187537A1 - Lidar-system mit holografischer abbildungsoptik - Google Patents

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WO2020187537A1
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detection
detector
light
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PCT/EP2020/054980
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Reinhold Fiess
Ingo Ramsteiner
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Robert Bosch Gmbh
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    • G03H1/024—Hologram nature or properties
    • G03H1/0248—Volume holograms

Definitions

  • the invention relates to a lidar system with holographic imaging optics.
  • the invention also relates to holographic imaging optics for such a lidar system.
  • Lidar systems are used to determine 3D data of an observation area.
  • Such a system comprises at least one photo emitter for generating light radiation of certain wavelengths, which is typically designed in the form of a laser, and at least one detector for
  • Observation area reflected or scattered light radiation detected by the detector By measuring the transit times of the light radiation reflected back on the scanned objects, the distance between the objects in question can be calculated.
  • Typical lidar systems carry out a large number of individual measurements in the observation area, each of which is only a small one
  • WO 11146523 A2 discloses a corresponding lidar system in which a plurality of photo emitters are arranged together with the same number of detectors on a common rotating platform.
  • a detector is assigned to each photoemitter, with an optical device consisting of lenses and mirrors ensuring that each detector observes the solid angle at which the associated photoemitter emits.
  • each emitter / detector pair forms a separate one
  • Laser rangefinder with each individual emitter / detector pair looking in a different direction relative to the axis of rotation of the entire device.
  • a rotational movement of the arrangement then enables the 3D point cloud to be scanned, with each individual emitter / detector pair scanning a different plane of the observation area.
  • the imaging optics in lidar systems are typically designed so that they see as little ambient light as possible. Otherwise, the laser light reflected back from an object would be difficult to distinguish from the radiation background, especially in the case of direct sunlight. This is achieved through a spectral selection, in which the incoming light, for example, with the help of
  • Bandpass filtering is filtered, a time selection, in which the detection takes place in a narrow time window, and a geometric selection, in which only a narrow field of view around the emitted beam is observed.
  • a lidar system for detecting objects within an observation area comprising a
  • Illumination device for illuminating the observation area with a plurality of each having a different wavelength
  • the lidar system also includes a
  • Detection device for detecting objects in the
  • At least one detection arrangement individually assigned to the respective detection area, comprising a detector for detecting the light radiation from the spatial areas currently detected by the detection area and a holographic imaging optics for focusing the respective light radiation on the detector.
  • the holographic optical element is designed for each of the light rays focused on the detector, the respective one
  • the holographic imaging optics make it possible to address two or more scan planes with just one detector and still narrow the field of view to only one of the viewing directions combined in this way during each measurement process. Compared to a conventional scanning lidar system, the here
  • the same number of scan planes are scanned with a smaller number of detectors.
  • the smaller number of detectors enables a significantly less complex structure.
  • the smaller number of detectors is also associated with a reduction in the
  • a larger number of scan planes can be scanned using the same number of detectors. This can increase the vertical resolution of the lidar system.
  • Imaging optics comprises at least one holographic optical element.
  • regular imaging optics are replaced or supplemented by holographic imaging optics made up of one or more holographic optical elements.
  • the holographic optical elements In contrast to classic refractive optics the holographic optical elements only work well for a certain wavelength and spatial direction and have only a very limited tolerance with regard to this property.
  • the use of the holographic imaging optics in a lidar system therefore has the advantage that neither light from other spatial directions nor with other wavelengths than those provided is directed onto the detector. Since the holographic imaging optics intrinsically represent a bandpass filter due to their wavelength selectivity, a separate bandpass filter, which is required in conventional lidar systems, can ideally be dispensed with.
  • the holographic optical element comprises a plurality of holograms which are formed, in each case one of the light rays from a different one from the respective one
  • holographic optical element To focus the detection area currently captured spatial areas on the detector.
  • the use of several holograms enables the holographic optical element to be produced in a particularly simple and cost-effective manner. Furthermore, the use of several holograms also improves the wavelength selectivity of the holographic optical element.
  • At least one of the holograms is designed in the form of a volume hologram in transmission geometry. This design enables a particularly simple and inexpensive construction.
  • Lighting device a photoemitter arrangement with several
  • This arrangement makes it possible to generate the various light radiations independently of one another.
  • Photo emitters are each assigned a passive optic composed of at least one diffractive optical element and / or a holographic optical element.
  • the passive optics are designed, the light radiation emitted by the respective photo emitter in at least two different spatial areas split up illuminating partial beams of the observation area. Such a passive optic thus enables several spatial areas with the help of individual photo emitters, each of which has different detection areas
  • Detection device comprises a plurality of detection arrangements which are spatially offset from one another and each comprises a detector and a holographic optical element which is individually assigned to them.
  • the detection areas of the detection arrangements each cover different spatial areas of the observation area. In this way, a relatively large field of view is formed, which enables the lidar system to quickly capture the entire observation area
  • Detection arrangements of the detection device are arranged in a focal plane of a common imaging optics.
  • imaging optics increase the apparatus of the optical imaging system. This makes it possible to image a larger part of the light radiation incident on the imaging optics from a specific spatial direction on the detection arrangement assigned to the respective light radiation or the respective spatial direction.
  • the overall increased light intensity of the light beams to be detected also improves the signal-to-noise ratio and thus the
  • all spatial areas of the observation area which are currently detected by detectors of the detection device define a current field of view of the lidar system.
  • the lidar system is designed to cover the entire observation area with the aid of a scanning movement of the current field of view along a predetermined one
  • the scanning movement makes it possible to cover a relatively large observation area using a relatively small number of To scan detectors. As a result, the lidar system can be produced with less effort and significantly more cost-effectively.
  • an optical bandpass filter is assigned to which only the individually assigned to the respective detection arrangement
  • a holographic imaging optics for a lidar system comprising a holographic optical element with a plurality of holograms.
  • the holograms are each formed, one for each
  • Fig. 1 shows a scanning lidar system during the scanning of a
  • FIG. 2 schematically shows a detection device of a conventional lidar system
  • FIG. 3 schematically shows a detection device of a lidar system with holographic imaging optics made of a holographic optical element
  • FIG. 4 shows a detailed view of the holographic optical element comprising several holograms from FIG. 3;
  • Detection arrangements according to Figure 3 and a common imaging optics 6 shows a lighting device of the lidar system with diffractive optics made up of several diffractive optical elements;
  • FIG. 8 schematically shows a modification of the arrangement from FIG. 7, in which the number of photo emitters of the lidar system was reduced with the aid of several diffractive optical elements.
  • FIG. 1 schematically illustrates the principle of a scanning lidar system 100 which scans a defined observation area 210 of its immediate surroundings 200 with the aid of light beams 311 j .
  • the lidar system 100 comprises a lighting device 130, which is arranged in a rotating housing 110 and has several photo emitters for generating one or more light rays, which are in the form of separate light or
  • Laser beams 311 j are emitted in different spatial directions. Each of the light beams 311 j illuminates a spatial area 21 'li that is individually assigned to the respective light beam 311 j , the spatial areas 211 j simultaneously captured by the lighting device 130 in the present example being arranged vertically one below the other, so that the current field of view 213 of the Lidar system 100 forms a more or less contiguous strip.
  • the housing 110 and the lighting device 130 arranged therein are pivoted along a predetermined scanning direction so that the field of view 213 covers all spatial areas 211 j of the current observation area 210 of the lidar system 100 during an entire scanning period.
  • the light beams 311 j emitted by the lidar system 100 strike objects 201 in the surroundings 200 and are reflected back by them to the lidar system 100, where they are
  • Detection device 140 are detected. On the basis of the transit times of the received light beams 312 j, a control device 120 of the lidar system 100 determines the distance to the from for each of these light beams 31 'li, 312 the respective light beam illuminated object 201. After a complete scanning period, the lidar system 100 delivers a point cloud as a measurement result, which shows the relative arrangement of the objects 201 within the
  • Observation area 210 of the lidar system 100 represents.
  • FIG. 1 shows a corresponding detailed view of a typical detection device 140 of a conventional lidar system 100.
  • the detection device 140 includes case an optical imaging system 146 and group 141 of detectors 142i - 142 m, which are mutually arranged in columns at a focal plane 147 of the imaging optics 146th The imaging optics 146 focus light out
  • Focal plane 147 each consisting of one of the space portions 211 - 211 of the current field of view 213 j back reflected light beams 312 j to a respective spatial region 211-211 j individually associated detector 142i - j is mapped 142nd
  • the lidar system 100 thus has a total of j viewing directions 214 j .
  • the lidar system 100 uses, for example, avalanche diodes (APDs) or single photon avalanche diodes (SPADs).
  • the diodes can be present individually or as part of a monolithic array.
  • it can also be advantageous to interconnect an entire array or part of an array of SPADs to form an individual detector (“solid-state photomultiplier”). The one shown here symbolically as a single lens
  • Imaging optics 146 can, depending on the application, consist of a single optical component, such as a lens or concave mirror, or an arrangement of several such components, such as a lens triplet and an erecting mirror.
  • FIG. 3 shows schematically a holographic imaging optics 145 or complement for each of the m detectors 142i - 142 m more viewing directions generated.
  • Figure 3 shows schematically a
  • Detection device 140 of lidar system 100 comprising a detector 142 and holographic imaging optics 145 with a holographic optical element 143 assigned to detector 142 Directions to focus on detector 142.
  • a total of three different light beams 310i - 3103 are shown, which impinge in the form of light beams 312i - 312 3 reflected back from different spatial directions and are imaged by the holographic optical element 143 on the detector 142.
  • Holograms for use in a lidar system have the advantage that neither light from directions in space other than those provided, nor with wavelengths other than those provided, is directed onto the detector 142. Because of this wavelength selectivity, an additional bandpass filter, for example, is ideally not required, but can still be advantageous depending on the application.
  • the holographic optical system 145 comprises at least one holographic optical element 143 which n holograms 144i - contains n 144, wherein n> 2.
  • n holograms 144i - 144 n is characterized in that for a corresponding number of n wavelengths li - l h each focused for a specific radiation beam on the detector 142nd
  • an ideally flat wave is formulated in the wave image from a specific one
  • Detector position is centered. In the present embodiment
  • FIG. 4 shows a detailed view of the holographic optical element 143 from FIG. 3. It can be seen that the holographic optical element 143 is composed of a total of three holograms 144i, 144 2 , 144 3 arranged one behind the other, each of which is individually assigned to the respective hologram Light radiation 310i, 3102, 3103 from one of the respective
  • the holographic optical element 143 with its three holograms 144i, 144 2 , 144 3 thus generates a total of three viewing directions for the associated detector 142 in the present exemplary embodiment.
  • the number of viewing directions generated in this way can be adapted to the respective requirements by providing a corresponding number of holograms.
  • additional viewing directions can be implemented relatively easily by adding further holograms to the holographic optical element 143.
  • multiplexing several holograms reduces the efficiency with which the individual holograms bundle light with the corresponding wavelength as desired.
  • the diffuse scattering increases, so that light radiation of undesired wavelengths l increasingly reaches the detector. The associated deterioration in the
  • the signal / background ratio can prove to be particularly critical, especially in lidar applications.
  • FIG. 5 shows a corresponding detection device 140 with a group totaling m Detection arrangements 141-141 m each comprising a detector 142i-142 m and a holographic optical element 143i-143 m assigned to it individually.
  • the detection arrangements 141 arranged one below the other in a row
  • Each detection arrangement 141-141 m each includes a holographic optical element 143i-143 m , which in turn includes a total of n holograms 144i-144 n for the wavelengths li-l h and thus has n different viewing directions.
  • the embodiment shown in FIG. 5 has more detectors than the individual holographic optical element from FIG. 4 with n holograms or viewing directions, but has the advantage that the lower number of holograms per holographic optical element leads to better optical quality. Furthermore, each of the wavelengths li
  • l h can be used for a total of m paths or viewing directions, because each of the m detection arrangements 141-141 n is assigned only a single viewing direction for each wavelength l1-1 h , and thus up to m individual measurements can be carried out simultaneously.
  • all the beam paths of the detection device 140 are collected by conventional imaging optics 146 and only afterwards onto the individual ones
  • Detection arrangements 141 - 141 n distributed, which are located in a focal plane 147 of the common imaging optics 146. In principle, however, it is also possible to use the detection arrangements 141 - 141 n without the
  • a corresponding number of separate light paths or light beams are required to implement the total of j viewing directions. These can for example, can be implemented by a corresponding number (j) of photo emitters. Since the individual detection arrangements 141 - 141 n carry out measurements independently of one another in the embodiment variant shown in FIG. 5, it is sensible to use the same light radiation or wavelengths for all detection arrangements 141 - 141 n . Since in this case a total of n viewing directions or spatial areas are excited or illuminated simultaneously with the same light radiation or wavelength, only n photoemitters can be used, the emitted light beams of which are split by passive optics. For this purpose, FIG. 6 shows a correspondingly designed lighting device 130 of the lidar system 100
  • Lighting device 130 comprises a photo emitter arrangement 131 with a total of i individual photo emitters 132 i - 132 i, each emitting a light beam 310 i - 310, with a different wavelength li - K in the form of a light beam 311 - 311 i, with only three individual photo emitters 132 i, in the present exemplary embodiment.
  • 132 2 , 132 3 are shown.
  • Each of the photo emitters 132i-132 is assigned a passive optic 134i-134, in the form of a diffractive optical element (DOE), which divides the light beam 311-311 of the respective photoemitter 132i-132 into two or more individual partial beams 311i , i - 311 i, which are each emitted in different spatial directions.
  • DOE diffractive optical element
  • one or more holographic optical elements can in principle also be used for this (not shown here).
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a lidar system 100 according to the variant from FIG. 5 with a photoemitter arrangement 131 comprising a total of six photoemitters 132i-132b
  • Illumination device 130 and a detection device 140 comprising a total of two detection arrangements 141, 141 2.
  • the lighting device 130 and
  • Detection device 140 of lidar system 100 is shown on opposite sides of observation area 110.
  • these devices are arranged in a common housing, so that the light paths of the transmitting and receiving light beams 311 - 311b, 312i - 312 6 extend substantially side by side.
  • the observation area 210 which is merely indicated here, generally comprises a large number separate room areas, for the sake of clarity only six room areas 211 1 - 211 6 are shown, which are currently from the
  • Detection areas 212i, 212 2 of the two detection arrangements 141 1 , 141 2 are detected.
  • the first three photo emitters 132i - 132 3 derive the first three photo emitters 132i - 132 3 from the first three photo emitters 132i - 132 3 .
  • Photo emitter array 131 illuminate with their separately produced respectively transmitting light rays 311 1-311 3 one after the first three of the spatial regions 211 1-211. 3 In parallel with this, the remaining three photo emitters 132 4 - 132 6 of the photo emitter arrangement 131 illuminate with their separately generated
  • Transmitted light beams 311 4 - 311 6 successively the remaining three spatial areas 211 4 - 211e During regular operation of the lidar system 100, a spatial area 211 1 - 211 6 from each of the detection areas 212i, 212 2 with one of the respective space area 211 1 - 211 6 individually assigned light radiation 310 1 - 310 k illuminated. On the receiving side, those from the currently illuminated room areas 211 1 - 211 6 are returned in the form of received light beams 312i - 312b
  • Receiving device 140 reflected or scattered light rays received by the two detection arrangements 141 1 , 141 2 .
  • Each disposed in front of the detectors 142i, 142 2 holographic optical elements 143i, 143 2, thereby causing each detector 142i, 142 2, only the said detector 142i, 142 2 individually associated light radiations 310i - k 310, respectively only one of each detector 142i , 142 2 individually assigned room area 211 i - 211d receives.
  • Light rays 310i - 310 k of the same wavelengths Ai - A k are used. As indicated in FIG. 7 by means of different dashed lines, the total of six spatial areas 211 1 - 211 6 of the two
  • Detection areas 211 1 , 211 2 thus only three different ones
  • the lidar system 100 has the lighting device 130 shown in FIG. 6, in which each
  • Photoemitter 132i, 132 2 , 132 3 each have a passive optics 134i, 134 2 , 134 3 connected downstream as a beam splitter.
  • Each of the example in the form of a diffractive optical element (DOE) passive optics 134i, 134 2 , 134 3 split the light beam 31 11 generated by the respective photo emitter 132i, 132 2 , 132 3 ,
  • DOE diffractive optical element
  • 31 12, 31 13 each in two partial beams 3111.1, 3111, 2, 31 12, 1, 31 12.2, 3113.1, 31 13.2, which each have a spatial area 21 11-21 1e in different
  • the holograms 144i, 144 2 , 144 3 used in the exemplary embodiments described above are preferably
  • volume holograms in transmission geometry This design is advantageous because it enables greater efficiency.
  • other types of holographic optics can also be used
  • Holograms can be realized, for example using
  • the term “light radiation reflected back” is understood to mean the light radiation thrown back from the objects in the vicinity of the lidar system through reflection, diffuse reflection or scattering in the direction of the detection device.

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Abstract

Es wird ein Lidar-System (100) zum Erfassen von Objekten (201) innerhalb eines Beobachtungsbereichs (210) beschrieben umfassend: - eine Beleuchtungseinrichtung (130) zum Beleuchten des Beobachtungsbereichs (210) mit mehreren jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge (λk) aufweisenden Lichtstrahlungen (310k), wobei mehrere separate Raumbereiche (211j) des Beobachtungsbereichs (210), welche aktuell von einem Detektionsbereich (212m) des Lidar-Systems (100) erfasst sind, zeitlich nacheinander mit jeweils einer anderen der Lichtstrahlungen (310k) beleuchtet werden, und - eine Detektionseinrichtung (140) zum Detektieren der von Objekten (201) im Beobachtungsbereich (210) zurückreflektierten Lichtstrahlungen (310k) umfassend wenigstens eine dem jeweiligen Detektionsbereich (212m) individuell zugeordnete Detektionsanordnung (141m) aus einem Detektor (142m) zum Detektieren der Lichtstrahlungen (310k) aus den aktuell vom Detektionsbereich (212m) erfassten Raumbereichen (211j) und einer holografischen Abbildungsoptik (145) zum Fokussieren der jeweiligen Lichtstrahlungen (310k) auf den Detektor (142m). Dabei ist die holografische Abbildungsoptik (145) ausgebildet, für jede der auf den Detektor (142m) fokussierten Lichtstrahlungen (310k), die jeweilige Lichtstrahlung (310k) aus lediglich einem der jeweiligen Lichtstrahlung (310k) individuell zugeordneten und aktuell von dem Detektionsbereich (212m) erfassten Raumbereich (211j) auf den Detektor (142m) zu fokussieren.

Description

Beschreibung
Titel
Lidar-Svstem mit holografischer Abbildungsoptik
Die Erfindung betrifft ein Lidar-System mit einer holografischen Abbildungsoptik. Die Erfindung betrifft ferner eine holografische Abbildungsoptik für ein solches Lidar-System.
Stand der Technik
Lidar-Systeme werden zur Ermittlung von 3D-Daten eines Beobachtungsbereichs verwendet. Ein solches System umfasst wenigstens einen Photoemitter zum Erzeugen von Lichtstrahlung bestimmter Wellenlängen, welcher typischerweise in Form eines Lasers ausgebildet ist, und wenigstens einen Detektor zur
Erfassung von Lichtstrahlung der jeweiligen Wellenlängen. Im Betrieb des Systems wird die von dem Emitter ausgesandte und an Objekten im
Beobachtungsbereich reflektierte oder gestreute Lichtstrahlung von dem Detektor erfasst. Durch eine Messung der Laufzeiten der an den abgetasteten Objekten zurückreflektierte Lichtstrahlung lässt sich der Abstand der betreffenden Objekte berechnen. Typische Lidar-Systeme führen im Beobachtungsbereich eine Vielzahl von Einzelmessungen durch, bei denen jeweils nur ein kleiner
Raumbereich bzw. Raumwinkel erfasst wird. Die Gesamtheit der
Einzelmessungen ergibt dann eine 3D-Punktwolke, welche Rückschlüsse auf die räumliche Verteilung der Objekte im jeweiligen Beobachtungsbereich ermöglicht. So offenbart beispielsweise die WO 11146523 A2 ein entsprechendes Lidar- System, bei dem mehrere Photoemitter zusammen mit der gleichen Anzahl von Detektoren auf einer gemeinsamen rotierenden Plattform angeordnet sind.
Jedem Photoemitter ist dabei jeweils ein Detektor zugeordnet, wobei eine optische Vorrichtung aus Linsen und Spiegeln sicherstellt, dass jeder Detektor den Raumwinkel betrachtet, unter dem der zugehörige Photoemitter abstrahlt. In dieser Konstellation bildet jedes Emitter/Detektor-Paar einen separaten
Laserentfernungsmesser, wobei jedes einzelne Emitter/Detektor-Paar in eine andere Richtung bezogen auf die Rotationsachse des Gesamtgeräts blickt. Eine Rotationsbewegung der Anordnung ermöglicht dann das Scannen der 3D- Punktwolke, wobei jedes einzelne Emitter/Detektor-Paar eine andere Ebene des Beobachtungsbereichs abtastet.
Um möglichst große Detektionsreichweiten zu erzielen, wird die Abbildungsoptik bei Lidar-Systemen typischerweise so ausgelegt, dass sie möglichst wenig Umgebungslicht sieht. Andernfalls wäre das von einem Objekt zurückreflektierte Laserlicht insbesondere bei direkter Sonneneinstrahlung nur schwer von dem Strahlungshintergrund zu unterscheiden. Erreicht wird das durch eine spektrale Selektion, bei der das eintreffende Licht beispielsweise mithilfe von
Bandpassfiltern gefiltert wird, eine zeitliche Selektion, bei der die Detektion in einem engen Zeitfenster erfolgt, und eine geometrische Selektion, bei der nur ein enges Sichtfeld um den ausgesendeten Strahl herum beobachtet wird.
Insbesondere die geometrische Selektion erfordert jedoch, dass bei dem konventionellen Optik-Design jede Scanebene einen eigenen Detektor benötigt. Nur so lässt sich erreichen, dass jeder Detektor nur einen sehr engen
Winkelbereich sieht. Die Vielzahl der hierzu notwendigen Detektoren hat jedoch den Nachteil, dass hierdurch die Komplexität und die Kosten des Systems deutlich erhöht werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Anzahl der zu erfassen der 3D- Punktwolke notwendigen Detektoren zu reduzieren. Diese Aufgabe wird durch ein Lidar-System gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung ist ein Lidar-System zum Erfassen von Objekten innerhalb eines Beobachtungsbereichs vorgesehen umfassend eine
Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Beobachtungsbereichs mit mehreren jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge aufweisenden
Lichtstrahlungen, wobei mehrere separate Raumbereiche des
Beobachtungsbereichs, welche aktuell von einem Detektionsbereich des Lidar- Systems erfasst sind, zeitlich nacheinander mit jeweils einer anderen
Lichtstrahlung beleuchtet werden. Das Lidar-System umfasst ferner eine
Detektionseinrichtung zum detektieren der von Objekten im
Beobachtungsbereich zurückreflektierten Lichtstrahlungen umfassend
wenigstens eine dem jeweiligen Detektionsbereich individuell zugeordnete Detektionsanordnung aus einem Detektor zum Detektieren der Lichtstrahlungen aus den aktuell vom Detektionsbereich erfassten Raumbereichen und einer holografischen Abbildungsoptik zum Fokussieren der jeweiligen Lichtstrahlungen auf den Detektor. Das holografisch optische Element ist dabei ausgebildet, für jede der auf den Detektor fokussierten Lichtstrahlungen, die jeweilige
Lichtstrahlung aus lediglich einem der jeweiligen Lichtstrahlung individuell zugeordneten und aktuell von dem Detektionsbereich erfassten Raumbereich auf den Detektor zu fokussieren. Die holografische Abbildungsoptik ermöglicht es, jeweils zwei oder mehrere Scanebenen mit nur einem Detektor zu adressieren und dennoch das Blickfeld bei jedem Messvorgang auf nur eine der so zusammengefassten Blickrichtungen einzuengen. Im Vergleich zu einem herkömmlichen scannenden Lidar-System kann mithilfe der hier
vorgeschlagenen Anordnung daher dieselbe Anzahl an Scanebenen mit einer geringeren Anzahl an Detektoren abgetastet werden. Die geringere Anzahl an Detektoren ermöglicht dabei einen deutlich weniger komplexen Aufbau. Ferner ist die geringere Anzahl an Detektoren auch mit einer Reduktion der
Herstellungskosten eines solchen Lidar-Systems verbunden. Dies ist
insbesondere dann von Vorteil, wenn aufgrund der verwendeten Wellenlängen keine Silizium-basierten Detektorelemente verwendet werden können, sondern beispielsweise die deutlich teureren InGaAs-Detektoren erforderlich sind.
Alternativ zur Verwendung einer geringeren Anzahl an Detektoren kann mithilfe der gleichen Anzahl an Detektoren eine größere Anzahl an Scanebenen abgetastet werden. Hierdurch kann die vertikale Auflösung des Lidar-Systems erhöht werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, das die holographische
Abbildungsoptik wenigstens ein holografisch optisches Element umfasst. Dabei wird erfindungsgemäß eine reguläre Abbildungsoptik durch eine holographische Abbildungsoptik aus einem oder mehreren holografisch optischen Elementen ersetzt bzw. ergänzt. Im Unterschied zu einer klassischen refraktiven Optik funktionieren die holografisch optischen Elemente nur für eine bestimmte Wellenlänge und Raumrichtung gut und weisen bezüglich dieser Eigenschaft nur eine sehr begrenzte Toleranz auf. Daher hat die Verwendung der holografischen Abbildungsoptik in einem Lidar-System den Vorteil, dass weder Licht aus anderen Raumrichtungen, noch mit anderen Wellenlängen als den vorgesehenen auf den Detektor gelenkt wird. Da die holographische Abbildungsoptik aufgrund ihrer Wellenlängenselektivität intrinsisch einen Bandpassfilter darstellt, kann im Idealfall auf einen separaten Bandpassfilter verzichtet werden, welcher bei herkömmlichen Lidar-Systemen benötigt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das holografisch optische Element mehrere Hologramme umfasst welche ausgebildet sind, jeweils eine der Lichtstrahlungen aus jeweils einem anderen der vom jeweiligen
Detektionsbereich aktuell erfassten Raumbereiche auf den Detektor zu fokussieren. Die Verwendung mehrerer Hologramme ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des holografisch optischen Elements. Ferner verbessert sich durch den Einsatz mehrerer Hologramme auch die Wellenlängenselektivität des holografisch optischen Elements.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eines der Hologramme in Form eines Volumenhologramms in Transmissionsgeometrie ausgebildet ist. Diese Gestaltung ermöglicht einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Beleuchtungseinrichtung eine Photoemitteranordnung mit mehreren
Photoemittern umfasst, welche jeweils eine der Lichtstrahlungen emittieren.
Diese Anordnung ermöglicht es, die verschiedenen Lichtstrahlungen unabhängig voneinander zu erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass den einzelnen
Photoemittern jeweils eine passive Optik aus wenigstens einem diffraktiven optischen Element und/oder einem holografisch optischen Element zugeordnet ist. Dabei ist die passive Optik ausgebildet, die von dem jeweiligen Photoemitter emittierte Lichtstrahlung in wenigstens zwei jeweils einen anderen Raumbereich des Beobachtungsbereichs beleuchtende Teilstrahlen aufzuspalten. Eine solche passive Optik ermöglicht es somit mithilfe einzelner Photoemitter mehrere Raumbereiche, welche jeweils unterschiedlichen Detektionsbereichen
zugeordnet sind, gleichzeitig zu beleuchten. Hierdurch kann die Anzahl der verwendeten Photoemitter reduziert und damit der Aufwand und die Kosten der Herstellung einer solchen Beleuchtungseinrichtung reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Detektionseinrichtung mehrere räumlich zueinander versetzt angeordnete Detektionsanordnungen aus jeweils einem Detektor und einem diesen jeweils individuell zugeordneten holografisch optischen Element umfasst. Dabei erfassen die Detektionsbereiche der Detektionsanordnungen jeweils unterschiedliche Raumbereiche des Beobachtungsbereichs. Auf diese Weise wird ein relativ großes Blickfeld gebildet, welches dem Lidar-System eine schnelle Erfassung des gesamten Beobachtungsbereichs ermöglicht
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Detektionsanordnungen der Detektionseinrichtung in einer Brennebene einer gemeinsamen Abbildungsoptik angeordnet sind. Eine solche Abbildungsoptik erhöht die Apparatur des optischen Abbildungssystems. Hierdurch wird es möglich einen größeren Teil der aus einer bestimmten Raumrichtung auf die Abbildungsoptik einfallenden Lichtstrahlung auf die der jeweiligen Lichtstrahlung bzw. der jeweiligen Raumrichtung zugeordnete Detektionsanordnung abzubilden. Durch die damit insgesamt erhöhte Lichtstärke der zu detektieren Lichtstrahlen verbessert sich auch das Signal-Rausch Verhältnis und damit die
Messgenauigkeit des Detektors.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass alle Raumbereiche des Beobachtungsbereichs, welche aktuell von Detektoren der Detektionseinrichtung erfasst werden, ein aktuelles Blickfeld des Lidar-Systems definieren. Das Lidar- System ist dabei ausgebildet, den gesamten Beobachtungsbereich mithilfe einer Scanbewegung des aktuellen Blickfelds entlang einer vorgegebenen
Scanrichtung abzutasten. Durch die Scanbewegung ist es möglich, einen relativ großen Beobachtungsbereich mithilfe einer relativ geringen Anzahl von Detektoren abzutasten. Hierdurch kann das Lidar-System mit einem geringeren Aufwand und deutlich kostengünstiger hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine
Detektionsanordnung ein optischer Bandpassfilter zugeordnet ist, welcher lediglich die den jeweiligen Detektionsanordnung individuell zugeordnete
Lichtstrahlung durchlässt. Mithilfe des Bandpassfilters lässt sich die
Wellenlängenselektivität der holographische Abbildungsoptik erhöhen, was insbesondere mit einem deutlich besseren Signal-Rausch Verhältnis einhergeht.
Ferner ist eine holographische Abbildungsoptik für ein Lidar-System umfassend ein holografisch optisches Element mit mehreren Hologrammen vorgesehen. Die Hologramme sind dabei jeweils ausgebildet, jeweils eine dem jeweiligen
Hologramm individuell zugeordnete Lichtstrahlung aus jeweils einem der jeweiligen Lichtstrahlung individuell zugeordneten Raumbereich auf einen dem jeweiligen holografisch optischen Element individuell zugeordneten Detektor zu fokussieren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein scannendes Lidar-System bei dem Abtasten eines
Beobachtungsbereichs;
Fig. 2 schematisch eine Detektionseinrichtung eines herkömmlichen Lidar- Systems;
Fig. 3 schematisch eine Detektionseinrichtung eines Lidar-Systems mit einer holographischen Abbildungsoptik aus einem holographisch optisches Element;
Fig. 4 eine Detailansicht des mehrere Hologramme umfassenden holographisch optischen Elements aus Figur 3;
Fig. 5 schematisch eine erweiterte Detektionseinrichtung mit mehreren
Detektionsanordnungen gemäß Figur 3 und einer gemeinsamen Abbildungsoptik; Fig. 6 eine Beleuchtungseinrichtung des Lidar-Systems mit einer diffraktiven Optik aus mehreren diffraktiv optischen Elementen;
Fig. 7 schematisch den Aufbau eines Lidar-Systems mit einer reduzierten Anzahl von Detektionsanordnungen; und
Fig. 8 schematisch eine Modifikation der Anordnung aus Figur 7, bei der die Anzahl der Photoemitter des Lidar-Systems mithilfe mehrerer diffraktiv optischer Elemente reduziert wurde.
Die Figur 1 verdeutlicht schematisch das Prinzip eines scannenden Lidar- Systems 100, welches einen definierten Beobachtungsbereich 210 seiner unmittelbaren Umgebung 200 mithilfe von Lichtstrahlen 311j abtastet. Das Lidar- System 100 umfasst dabei eine in einem rotierenden Gehäuse 110 angeordnete Beleuchtungseinrichtung 130 mit mehreren Photoemittern zum Erzeugen einer oder mehrerer Lichtstrahlungen, welche in Form separater Licht- bzw.
Laserstrahlen 311j in unterschiedliche Raumrichtungen ausgestrahlt werden. Jeder der Lichtstrahlen 311j beleuchtet dabei jeweils einen dem jeweiligen Lichtstrahl 311j individuell zugeordneten Raumbereich 21 'li, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt von der Beleuchtungseinrichtung 130 gleichzeitig erfassten Raumbereiche 211j im vorliegenden Beispiel vertikal untereinander angeordnet sind, sodass das aktuelle Blickfeld 213 des Lidar-Systems 100 einen mehr oder weniger zusammenhängenden Streifen bildet. Durch eine Scanbewegung 101 wird das Gehäuse 110 und die darin angeordnete Beleuchtungseinrichtung 130 entlang einer vorgegebenen Scanrichtung geschwenkt, sodass das Blickfeld 213 während einer ganzen Scanperiode dabei sämtliche Raumbereiche 211j des aktuellen Beobachtungsbereichs 210 des Lidar-Systems 100 erfasst.
Während des Messvorgangs treffen die vom Lidar-System 100 emittierten Lichtstrahlen 311j auf Objekte 201 in der Umgebung 200 und werden von diesen zum Lidar-System 100 zurückreflektiert, wo sie mithilfe einer
Detektionseinrichtung 140 detektiert werden. Anhand der Laufzeiten der empfangenen Lichtstrahlen 312j ermittelt eine Steuereinrichtung 120 des Lidar- Systems 100 für jeden dieser Lichtstrahlen 31 'li, 312, die Entfernung zu dem von dem jeweiligen Lichtstrahl beleuchteten Objekt 201. Nach einer vollständigen Scanperiode liefert das Lidar-System 100 als Messergebnis eine Punktwolke, welche die relative Anordnung der Objekte 201 innerhalb des
Beobachtungsbereichs 210 des Lidar-Systems 100 repräsentiert.
Die Detektion der aus den verschiedenen Raumbereichen 211j des aktuellen Blickfelds 213 zurückreflektierten Lichtstrahlen 312j erfolgt dabei individuell. Bei einem herkömmlichen Lidar-System 100 ist daher jedem Blickwinkel jeweils ein eigener Detektor 142j individuell zugeordnet. Hierzu zeigt die Figur 2 eine entsprechende Detailansicht einer typischen Detektionseinrichtung 140 eines herkömmlichen Lidar-Systems 100. Die Detektionseinrichtung 140 umfasst dabei eine Abbildungsoptik 146 und Gruppe 141 von Detektoren 142i - 142m, welche spaltenförmig untereinander in einer Brennebene 147 der Abbildungsoptik 146 angeordnet sind. Die Abbildungsoptik 146 fokussiert dabei Licht aus
unterschiedlichen Raumrichtungen auf unterschiedliche Punkte in ihrer
Brennebene 147, wobei jeder der aus einem der Raumbereiche 211 - 211j des aktuellen Blickfelds 213 zurückreflektierten Lichtstrahlen 312j auf einen den jeweiligen Raumbereich 211 - 211j individuell zugeordneten Detektor 142i - 142j abgebildet wird. Somit weist das Lidar-System 100 eine Anzahl von insgesamt j Blickrichtungen 214j auf.
Als Detektoren 142i - 142j verwendet das Lidar-System 100 beispielsweise Avalanche-Dioden (APDs) oder Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPADs). Die Dioden können dabei vereinzelt oder als Teil eines monolithischen Arrays vorliegen. Ferner kann es auch vorteilhaft sein, ein ganzes Array oder einen Teil eines Arrays von SPADs zu einem Einzeldetektor ("Solid-State Photomultiplier") zusammenzuschalten. Die hier symbolisch als Einzellinse dargestellte
Abbildungsoptik 146 kann je nach Anwendung aus einer einzelnen optischen Komponente, wie zum Beispiel einer Linse oder Hohlspiegel, oder aus einer Anordnung mehrerer solcher Komponenten bestehen, wie zum Beispiel einem Linsen-Triplett und einem Umkehrspiegel.
Damit bei einem solchen scannenden Lidar-System bei gleichbleibender Auflösung die Anzahl der Detektoren reduziert werden kann, wird die auf Linsen und/oder Spiegeln basierende herkömmliche Abbildungsoptik erfindungsgemäß durch eine holographische Abbildungsoptik 145 mit holographischen Elementen ersetzt bzw. ergänzt, welche für jeden der m Detektoren 142i - 142m mehrere Blickrichtungen erzeugt. Hierzu zeigt die Figur 3 schematisch eine
Detektionsanordnung 141 einer entsprechend modifizierten
Detektionseinrichtung 140 des Lidar-Systems 100 umfassend einen Detektor 142 und eine holographische Abbildungsoptik 145 mit einem dem Detektor 142 zugeordneten holografisch optischen Element 143. Das aus Hologrammen gebildete holographisch optische Element 143 ist dabei ausgebildet, mehrere Lichtstrahlungen 310i - 3103 mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen aus verschiedenen Richtungen auf den Detektor 142 zu fokussieren. Im vorliegenden Beispiel sind dabei insgesamt drei verschiedene Lichtstrahlungen 310i - 3103 gezeigt, welche in Form von zurückreflektierten Lichtstrahlen 312i - 3123 aus jeweils unterschiedlichen Raumrichtungen auftreffen und von dem holografisch optischen Element 143 auf den Detektor 142 abgebildet werden. Eine
grundlegende Eigenschaft von Hologrammen ist es, im Unterschied zu einer klassischen refraktiven Optik nur für bestimmte Wellenlängen und
Raumrichtungen gut zu funktionieren und bezüglich dieser Eigenschaften nur eine begrenzte Toleranz aufzuweisen. Somit hat die Verwendung von
Hologrammen für die Anwendung in einem Lidar-System den Vorteil, dass weder Licht aus anderen als den vorgesehenen Raumrichtungen, noch mit anderen als den vorgesehenen Wellenlängen auf den Detektor 142 gelenkt wird. Aufgrund dieser Wellenlängenselektivität ist beispielsweise ein zusätzlicher Bandpassfilter im Idealfall nicht erforderlich, kann jedoch je nach Anwendung dennoch vorteilhaft sein.
Die holographische Optik 145 besteht aus mindestens einem holografisch optischen Element 143, welches n Hologramme 144i - 144n enthält, wobei n > 2 ist. Jedes dieser n Hologramme 144i - 144n ist dadurch gekennzeichnet, dass es für eine entsprechende Anzahl von n Wellenlängen li - lh jeweils ein bestimmtes Strahlenbündel auf den Detektor 142 fokussiert. Im Wellenbild formuliert wird bei einem Hologramm eine idealerweise ebene Welle aus einer bestimmten
Raumrichtung in eine Kugelwellenfront umgewandelt, welche auf die
Detektorposition zentriert ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
werden dabei insgesamt drei jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge aufweisenden Lichtstrahlungen 310i, 3102, 3103, welche in Form von drei Lichtstrahlen 312i , 3122, 3123 aus verschiedenen Raumbereichen auf die Detektoranordnung 141 zurückgeworfenen werden, durch das holographisch optische Element 143 auf den gemeinsamen Detektor 142 abgebildet. Die Figur 4 zeigt eine Detailansicht des holografisch optischen Elements 143 aus der Figur 3. Hierbei wird ersichtlich, dass sich das holographische optische Element 143 aus insgesamt drei hintereinander angeordneten Hologrammen 144i, 1442, 1443 zusammensetzt, welche jeweils eine dem jeweiligen Hologramm individuell zugeordnete Lichtstrahlung 310i, 3102, 3103 aus einer der jeweiligen
Lichtstrahlung 3101 , 3102, 3103 individuell zugeordneten Raumrichtung auf den Detektor 142 abbilden. Somit erzeugt das holographische optische Element 143 mit seinen drei Hologrammen 144i, 1442, 1443 für den zugeordneten Detektor 142 im vorliegenden Ausführungsbeispiel insgesamt drei Blickrichtungen. Dabei kann die Anzahl der so erzeugten Blickrichtungen durch Vorsehen einer entsprechenden Anzahl von Hologrammen dem jeweiligen Bedarf angepasst werden. Insbesondere lassen sich zusätzliche Blickrichtungen durch Hinzufügen weiterer Hologramme zu dem holografisch optischen Element 143 relativ einfach realisieren.
Allerdings kann es sinnvoll sein, die Anzahl der in einem holografisch optischen Element 143 zusammengefassten Hologramme zu begrenzen, da mit jedem zusätzlichen Hologramm grundsätzlich auch eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften des holografisch optischen Elements 143 einhergeht.
So sinkt beispielsweise durch das Multiplexen mehrerer Hologramme die Effizienz, mit welcher die einzelnen Hologramme Licht mit der entsprechenden Wellenlänge wie gewünscht bündeln. Gleichzeitig steigt die diffuse Streuung, so dass zunehmend auch Lichtstrahlung unerwünschter Wellenlängen l auf den Detektor gelangt. Die damit einhergehende Verschlechterung des
Signal/Untergrund-Verhältnisses kann sich insbesondere bei Lidar-Anwendungen als besonders kritisch erweisen.
Um die Anzahl der Blickrichtungen des Lidar-Systems ohne diese Nachteile erhöhen zu können, wird eine Anordnung gewählt, bei der die verschiedenen Blickrichtungen auf mehrere mit jeweils einem eigenen holografisch optischen Element ausgestattete Detektoren verteilt werden. Hierzu zeigt die Figur 5 eine entsprechende Detektionseinrichtung 140 mit einer Gruppe von insgesamt m Detektionsanordnungen 141 - 141 m aus jeweils einem Detektor 142i - 142m und einem diesen individuell zugeordneten holographisch optischen Element 143i - 143m. Die reihenförmig untereinander angeordnete Detektionsanordnungen 141
- 141m weisen jeweils unterschiedliche Blickrichtungen auf. Dabei umfasst jede Detektionsanordnung 141 - 141 m jeweils ein holografisch optisches Element 143i - 143m, welches wiederum insgesamt n Hologramme 144i - 144n für die Wellenlängen li - lh umfasst und damit n verschiedene Blickrichtungen aufweist. Somit verfügt die gesamte Gruppe der Detektionsanordnungen 141 - 141 n über insgesamt j Hologramme und damit Blickrichtungen, wobei j = m*n ist. Die in Figur 5 dargestellte Gruppe mit jeweils m=3 Hologrammen bzw. Blickrichtungen pro Detektionsanordnung 141 - 141 n verfügt somit über insgesamt m*3
Blickrichtungen. Die in der Figur 5 gezeigte Ausführung weist gegenüber dem einzelnen holografisch optischen Element aus der Figur 4 mit n Hologrammen bzw. Blickrichtungen zwar mehr Detektoren auf, hat jedoch den Vorteil, dass die geringere Anzahl an Hologrammen pro holografisch optisches Element zu besserer optischer Qualität führen. Ferner kann hierbei jede der Wellenlängen li
- lh für insgesamt m Pfade bzw. Blickrichtungen verwendet werden, weil jedem der m Detektionsanordnungen 141 - 141 n für jede Wellenlänge li - lh nur eine einzige Blickrichtung zugeordnet ist und somit bis zu m Einzelmessungen gleichzeitig erfolgen können.
Zur Erhöhung der Lichtausbeute werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel sämtliche Strahlengänge der Detektionseinrichtung 140 durch eine herkömmliche Abbildungsoptik 146 gesammelt und erst dahinter auf die einzelnen
Detektionsanordnungen 141 - 141 n verteilt, welche sich in einer Brennebene 147 der gemeinsamen Abbildungsoptik 146 befinden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich die Detektionsanordnungen 141 - 141 n auch ohne die
gemeinsame klassische Abbildungsoptik 146 nebeneinander anzuordnen.
Hierdurch wird jedoch die Apparatur verkleinert, was bei einem Lidar-System eher von Nachteil ist. Mithilfe der Figur 5 gezeigten klassischen Abbildungsoptik 146 ist es hingegen möglich möglichst viel Licht einzusammeln und es erst nach geordert auf die einzelnen holografisch optischen Elemente zu verteilen.
Zur Realisierung der insgesamt j Blickrichtungen werden eine entsprechende Anzahl separater Lichtpfade bzw. Lichtstrahlen benötigt. Diese können beispielsweise durch eine entsprechende Anzahl (j) von Photoemitter realisiert werden. Da die einzelnen Detektionsanordnungen 141 - 141 n bei der in der Figur 5 gezeigten Ausführungsvariante unabhängig voneinander Messungen durchführen, ist es sinnvoll für alle Detektionsanordnungen 141 - 141 n jeweils die gleichen Lichtstrahlungen bzw. Wellenlängen zu verwenden. Da in diesem Fall insgesamt n Blickrichtungen bzw. Raumbereiche gleichzeitig mit gleichen Lichtstrahlung bzw. Wellenlänge angeregt bzw. beleuchtet werden, können lediglich n Photoemitter eingesetzt werden, deren emittierte Lichtstrahlen durch passive Optiken aufgesplittet werden. Hierzu zeigt die Figur 6 eine entsprechend ausgebildete Beleuchtungseinrichtung 130 des Lidar-Systems 100. Die
Beleuchtungseinrichtung 130 umfasst eine Photoemitteranordnung 131 mit insgesamt i einzelnen Photoemittern 132i - 132,, jeweils eine Lichtstrahlung 310i - 310, mit einer unterschiedlichen Wellenlänge li - K in Form eines Lichtstrahls 311 - 311 i emittieren, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich drei einzelne Photoemitter 132i, 1322, 1323 dargestellt sind. Jedem der Photoemitter 132i - 132, ist jeweils eine passive Optik 134i - 134, in Form eines diffraktiv optischen Elements (DOE) zugeordnet, welche den Lichtstrahl 311 - 311, des jeweiligen Photoemitter 132i - 132, in in zwei oder mehrere einzelne Teilstrahlen 311 i,i - 311 i aufgesplittet, welche im jeweils unterschiedliche Raumrichtungen emittiert werden. Alternativ zur Verwendung der insgesamt n DOEs als passive Optiken 134i - 134, können hierfür grundsätzlich auch ein oder mehrere holografisch optische Elemente zum Einsatz kommen (hier nicht gezeigt).
Die Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Lidar-Systems 100 gemäß der Variante aus Figur 5 mit einer eine Photoemitteranordnung 131 aus insgesamt sechs Photoemittern 132i - 132b umfassenden
Beleuchtungseinrichtung 130 und einer insgesamt zwei Detektionsanordnungen 141 , 1412 umfassenden Detektionseinrichtung 140. Aus Gründen der
Übersichtlichkeit wurden die Beleuchtungseinrichtung 130 und
Detektionseinrichtung 140 des Lidar-Systems 100 auf gegenüberliegenden Seiten des Beobachtungsbereichs 110 dargestellt. Bei einem typischen Lidar- System 100 sind diese Einrichtungen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, sodass die Lichtpfade der Sende- und Empfangslichtstrahlen 311 - 311b, 312i - 3126 im Wesentlichen nebeneinander verlaufen. Der hier lediglich angedeutete Beobachtungsbereich 210 umfasst in der Regel eine Vielzahl separater Raumbereiche, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur sechs Raumbereiche 2111 - 2116 dargestellt sind, welche aktuell von den
Detektionsbereichen 212i , 2122 der beiden Detektionsanordnungen 1411, 1412 erfasst werden. Die ersten drei Photoemitter 132i - 1323 der
Photoemitteranordnung 131 beleuchten mit ihren jeweils separat erzeugten Sendelichtstrahlen 3111 - 3113 nacheinander die ersten drei der Raumbereiche 2111 - 2113. Parallel dazu beleuchten die restlichen drei Photoemitter 1324 - 1326 der Photoemitteranordnung 131 mit ihren jeweils separat gezeugten
Sendelichtstrahlen 3114 - 3116 nacheinander die restlichen drei Raumbereiche 2114 - 211e- Während eines regulären Betriebs des Lidar-Systems 100 wird zu einem beliebigen Messzeitpunkt also jeweils ein Raumbereich 2111 - 2116 aus jedem der Detektionsbereiche 212i, 2122 mit einer dem jeweiligen Raumbereich 2111 - 2116 individuell zugeordneten Lichtstrahlung 3101 - 310k beleuchtet. Auf der Empfangsseite werden die aus den aktuell beleuchteten Raumbereichen 2111 - 2116 in Form von Empfangslichtstrahlen 312i - 312b zurück zur
Empfangseinrichtung 140 reflektierten oder gestreuten Lichtstrahlungen von den beiden Detektionsanordnungen 1411 , 1412 empfangen. Die jeweils vor den Detektoren 142i, 1422 angeordneten holografisch optischen Elemente 143i, 1432 bewirken dabei, dass jeder Detektor 142i, 1422 lediglich die diesem Detektor 142i, 1422 individuell zugeordnete Lichtstrahlungen 310i - 310k aus jeweils lediglich einem dem jeweiligen Detektor 142i, 1422 individuell zugeordneten Raumbereich 211 i - 211d empfängt.
Da die Messungen für jedem der Detektionsbereiche 212i , 2122 unabhängig voneinander erfolgen, können für alle Detektionsbereiche 2111, 2112
Lichtstrahlungen 310i - 310k der gleichen Wellenlängen Ai - Ak verwendet werden. Wie in der Figur 7 mittels unterschiedlich gestrichelte Linien angedeutet ist, werden die insgesamt sechs Raumbereiche 2111 - 2116 der beiden
Detektionsbereiche 2111 , 2112 somit lediglich drei verschiedenen
Lichtstrahlungen 310i , 3102, 3103 beleuchtet. Wie in der Figur 8 dargestellt ist, kann somit die Anzahl der Photoemitter 132i - 132, der Beleuchtungseinrichtung 130 auf insgesamt drei reduziert werden. Hierzu weist das Lidar-System 100 die in Figur 6 gezeigte Beleuchtungseinrichtung 130 auf, bei welcher jedem
Photoemitter 132i, 1322, 1323 jeweils eine passive Optik 134i, 1342, 1343 als Strahlteiler nachgeschaltet ist. Jede der beispielsweise in Form eines diffraktiv optischen Elements (DOE) passive Optiken 134i , 1342, 1343 zerteilt dabei den von dem jeweiligen Photoemitter 132i , 1322, 1323 erzeugten Lichtstrahl 31 11 ,
31 12, 31 13 jeweils in zwei Teilstrahlen 3111,1 , 3111 ,2, 31 12, 1 , 31 12,2, 3113,1 , 31 13,2 auf, welche jeweils einen Raumbereich 21 11 - 21 1e in verschiedenen
Detektionsbereichen 2111 , 2112 abtasten.
Bei den In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendeten Hologrammen 144i , 1442, 1443 handelt es sich vorzugsweise um
Volumenhologramme im Transmissionsgeometrie. Diese Ausführung ist vorteilhaft, da hiermit größere Effizienten möglich sind. Allerdings kann eine entsprechende holographische Optik auch mithilfe anderer Arten von
Hologrammen realisiert werden, beispielsweise mithilfe von
Reflexionshologrammen.
Unter dem Begriff "zurückreflektierte Lichtstrahlung" wird in der vorhergehenden Beschreibung die von den Objekten in der Umgebung des Lidar-Systems durch Reflexion, diffuse Reflexion oder Streuung in Richtung der Detektionseinrichtung zurückgeworfene Lichtstrahlung verstanden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Lidar-System (100) zum Erfassen von Objekten (201) innerhalb eines
Beobachtungsbereichs (210) umfassend:
- eine Beleuchtungseinrichtung (130) zum Beleuchten des
Beobachtungsbereichs (210) mit mehreren jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge (lk) aufweisenden und in Form von Lichtstrahlen (311j) emittierten Lichtstrahlungen (310k), wobei mehrere separate Raumbereiche (21 1j) des Beobachtungsbereichs (210), welche aktuell von einem
Detektionsbereich (212m) des Lidar-Systems (100) erfasst sind, zeitlich nacheinander mit jeweils einer anderen der Lichtstrahlungen (310k) beleuchtet werden, und
- eine Detektionseinrichtung (140) zum Detektieren der von Objekten (201) im Beobachtungsbereich (210) zurückreflektierten Lichtstrahlungen (310k) umfassend wenigstens eine dem jeweiligen Detektionsbereich (212m) individuell zugeordnete Detektionsanordnung (141m) aus einem Detektor (142m) zum Detektieren der Lichtstrahlungen (310k) aus den aktuell von dem Detektionsbereich (212m) erfassten Raumbereichen (211j) und einer holografischen Abbildungsoptik (145) zum Fokussieren der jeweiligen Lichtstrahlungen (310k) auf den Detektor (142m),
wobei die holografische Abbildungsoptik (145) ausgebildet ist, für jede der auf den Detektor (142m) fokussierten Lichtstrahlungen (310k), die jeweilige Lichtstrahlung (310k) aus lediglich einem der jeweiligen Lichtstrahlung (310k) individuell zugeordneten und aktuell von dem Detektionsbereich (212m) erfassten Raumbereich (21 1j) auf den Detektor (142m) zu fokussieren.
2. Lidar-System (100) nach Anspruch 1 ,
wobei die holografische Abbildungsoptik (145) wenigstens ein holografisch optisches Element (143k) umfasst.
3. Lidar-System (100) nach Anspruch 2,
wobei das holografisch optische Element (143m) mehrere Hologramme (144n) umfasst, welche ausgebildet sind, jeweils eine der Lichtstrahlungen (310k) aus jeweils einem anderen der vom jeweiligen Detektionsbereich (212m) aktuell erfassten Raumbereiche (211 j) auf den Detektor (142m) zu
fokussieren.
4. Lidar-System (100) nach Anspruch 3,
wobei wenigstens eines der Hologramme (144n) in Form eines
Volumenhologramms in Transmissionsgeometrie ausgebildet ist.
5. Lidar-System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Beleuchtungseinrichtung (200) eine Photoemitteranordnung (131) mit mehreren Photoemittern (132,) umfasst, welche jeweils eine der
Lichtstrahlungen (310k) emittieren.
6. Lidar-System (100) nach Anspruch 4,
wobei den einzelnen Photoemittern (132,) jeweils eine passive Optik (134,) aus wenigstens einem diffraktiven optischen Element und/oder einem holografisch optischen Element zugeordnet ist,
wobei die passive Optik (134,) ausgebildet ist, die von dem jeweiligen Photoemitter (132,) in Form eines Lichtstrahls emittierte Lichtstrahlung (310k) in wenigstens zwei jeweils einen anderen Raumbereich (21 1 j) des
Beobachtungsbereichs (210) beleuchtende Teilstrahlen (311,, 1 , 311 ,, 2) aufzuspalten.
7. Lidar-System (100) nach der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Detektionseinrichtung (140) mehrere räumlich zueinander versetzt angeordnete Detektionsanordnungen (141m) aus jeweils einem Detektor (142m) und einem diesen jeweils individuell zugeordneten holografisch optischen Element (143m) umfasst, wobei die Detektionsbereiche (212m) der Detektionsanordnungen (141m) jeweils unterschiedliche Raumbereiche (211j) des Beobachtungsbereichs (210) erfassen.
8. Lidar-System (100) nach Anspruch 7,
wobei die Detektionsanordnungen (141 m) der Detektionseinrichtung (140) in einer Brennebene (147) einer gemeinsamen Abbildungsoptik (146) angeordnet sind.
9. Lidar-System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
wobei alle Raumbereiche (211j) des Beobachtungsbereichs (210), welche aktuell von Detektoren (142m) der Detektionseinrichtung (140) erfasst werden, ein aktuelles Blickfeld (213) des Lidar-Systems (100) definieren, und wobei das Lidar-System (100) ausgebildet ist, den gesamten
Beobachtungsbereich (210) mithilfe einer Scanbewegung (101) des aktuellen Blickfelds (213) entlang einer vorgegebenen Scanrichtung abzutasten.
10. Lidar-System (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei wenigstens einer Detektionsanordnung (141 m) ein optischer
Bandpassfilter zugeordnet ist, welcher lediglich Lichtstrahlung (310k) bestimmter Wellenlängen (lk) durchlässt.
11. Holografische Abbildungsoptik (145) für ein Lidar-System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassend wenigsten ein holographisch optisches Element (134,) mit mehreren Hologrammen (144i),
wobei die Hologramme (144i) jeweils ausgebildet sind, jeweils eine dem jeweiligen Hologramm (144i) individuell zugeordnete Lichtstrahlung (310k) aus jeweils einem der jeweiligen Lichtstrahlung (310k) individuell
zugeordneten Raumbereich (41 1j) auf einen dem jeweiligen holografisch optischen Element (134,) individuell zugeordneten Detektor (142m) zu fokussieren
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1813964A2 (de) * 2006-01-29 2007-08-01 Rafael-Armament Development Authority Ltd. LADAR mit passivem faser-optischem Scanner
DE102007022247A1 (de) * 2006-05-09 2007-11-22 Hologram Industries Research Gmbh Holographische Abbildungsoptik und Darstellungsvorrichtung mit einer solchen
WO2011146523A2 (en) 2010-05-17 2011-11-24 Velodyne Acoustics, Inc. High definition lidar system
US20180348344A1 (en) * 2017-06-02 2018-12-06 Qualcomm Incorporated Resolution enhancement for scanning lidar/ladar

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3173641B2 (ja) * 1994-10-14 2001-06-04 矢崎総業株式会社 車間距離測定装置
JP2001291266A (ja) 2000-04-03 2001-10-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光学装置
JP5408539B2 (ja) 2009-10-13 2014-02-05 株式会社リコー センシング装置
JP6793033B2 (ja) 2016-12-26 2020-12-02 浜松ホトニクス株式会社 測距装置
WO2019017245A1 (ja) 2017-07-18 2019-01-24 パイオニア株式会社 光学装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1813964A2 (de) * 2006-01-29 2007-08-01 Rafael-Armament Development Authority Ltd. LADAR mit passivem faser-optischem Scanner
DE102007022247A1 (de) * 2006-05-09 2007-11-22 Hologram Industries Research Gmbh Holographische Abbildungsoptik und Darstellungsvorrichtung mit einer solchen
WO2011146523A2 (en) 2010-05-17 2011-11-24 Velodyne Acoustics, Inc. High definition lidar system
US20180348344A1 (en) * 2017-06-02 2018-12-06 Qualcomm Incorporated Resolution enhancement for scanning lidar/ladar

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