WO2021083805A1 - Lidar-vorrichtung mit gekrümmtem linsenarray zum emittieren von teilstrahlen - Google Patents

Lidar-vorrichtung mit gekrümmtem linsenarray zum emittieren von teilstrahlen Download PDF

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WO2021083805A1
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Johannes Richter
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a LIDAR device for scanning a scanning area, having a transmitting unit with at least one radiation source for generating electromagnetic rays and having a receiving unit with at least one detector for receiving backscattered and / or reflected rays from the scanning area.
  • the invention also relates to a method for operating a LIDAR device with at least one curved lens array.
  • LIDAR sensors generate electromagnetic beams, for example laser beams, and use these beams to scan a scanning area. Based on a time-of-flight analysis, distances between the LIDAR sensor and objects in the scanning area can be determined. LIDAR sensors with a sampling rate of more than 1 million points per second are required for automated driving functions. To scan objects at a distance of 300 meters, however, a measurement time of at least two microseconds is required. When using so-called FMCW or frequency-modulated continuous wave LIDAR sensors, a measurement period of up to ten microseconds is necessary. The measurement duration thus limits the maximum possible sampling rate of the LIDAR sensor. Pulsed LIDAR sensors with several radiation sources are known. For FMCW LIDAR sensors, however, this procedure is associated with considerable costs, since frequency-modulated laser sources represent a major cost factor.
  • the object on which the invention is based can be seen in proposing a LIDAR device which enables a plurality of collimated beams to be emitted when a radiation source is used.
  • a lidar device for scanning a scan area has a transmitting unit with at least one radiation source for generating electromagnetic beams and a receiving unit with at least one detector for receiving beams backscattered and / or reflected from the scanning area.
  • the transmitting unit and / or the receiving unit are preferably designed to be immovable, rotatable or pivotable.
  • the transmission unit has a curved lens array for splitting the generated beams into partial beams and for emitting the partial beams into the scanning area.
  • the at least one radiation source can preferably be a laser, an LED and the like.
  • the at least one radiation source can be a frequency-modulated radiation source with a low divergence, so that the generated beams are collimated.
  • the collimated beams can be split into several partial beams, which are also collimated individually and thus enable a maximum scanning range. Several separate and weakly diverging partial beams can thus be provided for scanning a spatial scanning area. Due to the possibility of splitting a collimated beam into several partial beams, the number of radiation sources used in the LIDAR device can be minimized and the scanning rate or the number of partial beams available for scanning the scanning area can be increased.
  • the partial beams are emitted into the scanning area at different angles depending on a radius of curvature of the curved lens array.
  • the generated beams can impinge on the curved lens array in collimated form or be bundled or diverged in advance by an upstream optical element onto the curved lens array.
  • the curved lens array has a curved support surface with at least two lenses.
  • the curved lens array can be produced, for example, by means of three-dimensionally printed molds or by Langmuir-Blodgett deposition.
  • the receiving unit of a LIDAR device can usually be designed more cheaply than the transmitting unit, so that several detectors can be used.
  • the receiving unit can also have a curved lens array which can receive the beams backscattered and / or reflected from the scanning area and direct them onto the one or more detectors.
  • the transmitting unit and the receiving unit can use a common curved lens array or each have a transmitting-side and receiving-side curved lens array.
  • the use of a curved lens array is also advantageous with regard to the modularity of the LIDAR device.
  • operating parameters defined by the curved lens array used such as resolution, number of partial beams for scanning, initial scanning angle without additional movement of the transmitting unit, can be set and also subsequently changed by replacing the curved lens array. The number of components is thus reduced and the manufacturing costs of the LIDAR device are reduced.
  • the LIDAR device is not limited to the use of frequency-modulated continuous wave LIDAR sensors.
  • the LIDAR device according to the invention with the curved lens array can be used with any radiation sources and functional principles.
  • the curved lens array enables measurements to be parallelized, with the resulting partial beams being collimated and therefore suitable for FMCW LIDAR measurements. Furthermore, more partial beams can be generated for a higher sampling rate. By using a radiation source, the heat loss produced and the manufacturing costs of the LIDAR device can be minimized.
  • the LIDAR device can be used as a scanning LIDAR device or as a so-called flash LIDAR without moving components.
  • the curved lens array has at least two lenses which are designed as microlenses or macrolenses. Different lenses can thus be used for the curved lens array. In particular, by choosing a lens size, a maximum possible number of lenses per lens array and thus also the highest possible resolution of the LIDAR device can be set.
  • the lenses of the curved lens array are integrated into a spherical support structure or on the spherical one Arranged support structure.
  • the lenses can be arranged on the carrier structure or integrated into the carrier structure based on different manufacturing processes.
  • the spherical support structure can be made integrally or in one piece with the lenses.
  • the lenses can be arranged subsequently on a provided spherical carrier structure, for example by gluing.
  • the lenses of the curved lens array have a focal length which corresponds to a radius of the spherical support structure.
  • a radius of curvature of the spherical support structure or support surface can be set in such a way that a center point of the spherical support structure coincides with the focal points of the lenses.
  • the spherical support structure can be designed as a semicircle with a defined radius.
  • the support structure can be designed as a semicircular segment.
  • an aspherically shaped support structure can also be used.
  • the beams directed onto the curved lens array can be divided into several partial beams and simultaneously collimated by the lenses.
  • the respective partial beams differ in an offset angle of radiation.
  • the lenses of the curved lens array have a diameter of 100 ⁇ m to 10 cm. Lenses with different dimensions can thus be arranged on the spherical support structure. In particular, this results in flexibility in the design of the curved lens array. Analogous to the diameter of the lenses used, a corresponding adaptation of a size of the spherical carrier structure can take place. By means of this measure, the curved lens array can be optimized with regard to compact dimensions of the LIDAR device and / or light sensitivity. Simultaneously the necessary limit values for the intensity of the emitted beams or partial beams to ensure eye safety can be complied with.
  • the transmission unit has at least two radiation sources which are set up to project generated beams parallel to one another or via beam splitters onto the curved lens array.
  • the different radiation sources can be used to implement frequency modulation.
  • the respective radiation sources can emit beams with different wavelengths and / or with different pulse frequencies, with an alternating control of the respective radiation sources being carried out.
  • the beams generated by the radiation sources can be coupled into the beam path through the beam splitter, which leads to the curved lens array.
  • the generated beams can be radiated onto the curved lens array through at least one optical element.
  • the optical element can be, for example, a concave or a convex lens.
  • the optical element serves to act on the generated rays and thus changes the divergence of the generated rays in order to enable optimal interaction with the curved lens array.
  • the optical element can be designed in such a way that the partial beams emitted from the curved lens array are collimated.
  • the optical element can align and collimate the generated rays before they reach the curved lens array or minimize their divergence.
  • the receiving unit has at least two detectors which are arranged parallel to one another or at an angle to one another.
  • the angle of the detectors can be configured, for example, in accordance with the angle of the lenses on the spherical support structure in order to enable the beams reflected from the scanning area to strike optimally.
  • the detector or detectors can be arranged without an angular offset.
  • a detector can also be a pixel of a flat detector, such as a CMOS or CCD sensor.
  • a method for operating a LIDAR device according to the invention with at least one curved lens array is provided.
  • the curved lens array has at least two spaced apart lenses which have optical axes rotated relative to one another.
  • partial beams can thus be emitted which have different radiation angles.
  • the maximum possible emission angles can define an opening angle of the curved lens array.
  • the transmitting unit and / or the receiving unit are pivoted in at least one spatial direction. This measure enables the scanning range and the resolution of the LIDAR device to be increased.
  • a slight movement of the transmitting unit and / or the receiving unit can be used to compensate for an angle difference between the respective lenses of the wedge-shaped lens array.
  • the movement of the transmitting unit and / or the receiving unit can be extended in such a way that a larger scanning area of the LIDAR device is scanned.
  • 1 shows a schematic representation of a LIDAR device according to an embodiment
  • 2 shows a detailed view of emitted partial beams of a curved lens array
  • FIG 3 shows a schematic representation of a transmission unit of a LIDAR device according to a further embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a LIDAR device 1 according to one embodiment.
  • the LIDAR device 1 has a transmitting unit 2 and a receiving unit 4.
  • the transmission unit 2 has a radiation source 6 which is designed as an infrared laser.
  • the radiation source 6 is used to generate electromagnetic rays 7.
  • the transmission unit 2 has an optical element 8 and a curved lens array 10.
  • the optical element 8 is designed as a convex lens and is arranged between the radiation source 6 and the curved lens array 10 in the beam path of the generated beams 7.
  • the curved lens array 10 is used to split the generated beams 7 into several partial beams 11, which are emitted into a scanning area A.
  • the optical element 8 can diverge or focus the generated beams 7 in such a way that the partial beams 11 emitted by the curved lens array 10 are radiated into the scanning area A in a collimated manner.
  • the partial beams 11 are emitted in different radiation directions.
  • the receiving unit 4 also has a curved lens array 12 which is set up to receive beams 13 reflected and / or backscattered from the scanning area A.
  • the received beams 15 are then focused on a detector 16 by optional receiving optics 14.
  • the detector 16 is designed as a detector array.
  • the transmitting unit 2 and the receiving unit 4 can each have a curved lens array 10, 12 or share or use a single curved lens array with one another.
  • FIG. 2 shows a detailed view of the emitted partial beams 11 of the curved lens array 10 of the transmission unit 2.
  • the curved lens array 10 has a multiplicity of lenses 18 which are arranged on a spherical support structure 20 or are integrated into the spherical support structure 20.
  • the lenses 18 can be designed as macrolenses or as microlenses.
  • the lenses 18 are preferably adapted to the spherical carrier structure 20 and the optical element 8 in such a way that the partial beams 11 are emitted into the scanning area A in collimated form. As a result, all partial beams 11 of a lens 18 run at almost the same angle to one another.
  • the partial beams 11 of different lenses 18 can have different radiation angles b1-b3.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a transmitting unit 2 of a LIDAR device 1 according to a further embodiment.
  • the transmission unit 2 has a curved lens array 10 with larger macro lenses 18.
  • the lenses 18 preferably have the same focal length, which corresponds to a radius R of the spherical support structure 20.
  • the spherical support structure 20 is designed as a hemisphere and forms a radiation window of the transmission unit 2.
  • the transmitting unit 2 or the entire LIDAR device 1 can be on one Pivoting mechanism 22 can be arranged, which can pivot the transmitting unit 2 in at least one spatial direction.
  • the transmission unit 2 can be pivoted about two axes.
  • the arrows 24 illustrate the possible pivoting directions of the
  • Transmitter unit 2 through the swivel mechanism 22.
  • the curved lens array 10 has an opening angle O which is set by an arrangement of the lenses 18.
  • the opening angle O is spanned by the emitted partial beams 11 and can be one-dimensional or two-dimensional.
  • the opening angle O thus represents a maximum scanning angle of an immovable curved lens array 10.
  • Device 1 can be increased.

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Abstract

Offenbart ist eine LIDAR-Vorrichtung (1) zum Abtasten eines Abtastbereichs (A), aufweisend eine Sendeeinheit (2) mit mindestens einer Strahlenquelle (6) zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen und aufweisend eine Empfangseinheit (4) mit mindestens einem Detektor (16) zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen, wobei die Sendeeinheit und/oder die Empfangseinheit unbeweglich, drehbar oder schwenkbar sind, wobei die Sendeeinheit ein gekrümmtes Linsenarray (10) zum Aufspalten der durch die Strahlenquelle erzeugten Strahlen in Teilstrahlen und zum Emittieren der Teilstrahlen in den Abtastbereich (A) aufweist. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung (1) mit mindestens einem gekrümmten Linsenarray (10, 12) offenbart.

Description

Beschreibung
Titel
LIDAR-Vorrichtung mit gekrümmtem Linsenarray zum Emittieren von Teilstrahlen
Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs, aufweisend eine Sendeeinheit mit mindestens einer Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen und aufweisend eine Empfangseinheit mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung mit mindestens einem gekrümmten Linsenarray.
Stand der Technik
Automatisiert betreibbare Fahrzeuge und Fahrfunktionen erlangen zunehmend an Bedeutung im öffentlichen Straßenverkehr. Zum technischen Umsetzen derartiger Fahrzeuge und Fahrfunktionen sind Sensoren, wie beispielsweise Kamerasensoren, Radarsensoren und LIDAR-Sensoren, notwendig.
LIDAR-Sensoren erzeugen hierbei elektromagnetische Strahlen, beispielsweise Laserstrahlen, und nutzen diese Strahlen zum Abtasten eines Abtastbereichs. Basierend auf einer Time-of-Flight Analyse können Distanzen zwischen dem LIDAR-Sensor und Objekten im Abtastbereich ermittelt werden. Für automatisierte Fahrfunktionen sind LIDAR-Sensoren mit einer Abtastrate von mehr als 1 Million Punkten pro Sekunde notwendig. Zum Abtasten von Objekten in einer Entfernung von 300 Metern wird jedoch eine Messdauer von mindestens zwei Mikrosekunden benötigt. Bei dem Einsatz von sogenannten FMCW bzw. frequenzmodulieren Dauerstrich-LIDAR-Sensoren ist eine Messdauer von bis zu zehn Mikrosekunden notwendig. Die Messdauer begrenzt somit die maximal mögliche Abtastrate des LIDAR-Sensors. Es sind gepulste LIDAR-Sensoren mit mehreren Strahlenquellen bekannt. Für FMCW LIDAR-Sensoren ist dieses Vorgehen jedoch mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden, da frequenzmodulierte Laserquellen einen großen Kostenfaktor darstellen.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welche ein Abstrahlen von mehreren kollimierten Strahlen bei einer eingesetzten Strahlenquelle ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist eine Sendeeinheit mit mindestens einer Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen und eine Empfangseinheit mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen auf.
Bevorzugterweise sind die Sendeeinheit und/oder die Empfangseinheit unbeweglich, drehbar oder schwenkbar ausgeführt. Erfindungsgemäß weist die Sendeeinheit ein gekrümmtes Linsenarray zum Aufspalten der erzeugten Strahlen in Teilstrahlen und zum Emittieren der Teilstrahlen in den Abtastbereich auf.
Die mindestens eine Strahlenquelle kann vorzugsweise ein Laser, eine LED und dergleichen sein. Insbesondere kann die mindestens eine Strahlenquelle eine frequenzmodulierte Strahlenquelle mit einer geringen Divergenz sein, sodass die erzeugten Strahlen kollimiert sind. Durch den Einsatz des gekrümmten Linsenarrays können die kollimierten Strahlen in mehrere Teilstrahlen aufgespalten werden, welche ebenfalls für sich kollimiert sind und somit eine maximale Abtastreichweite ermöglichen. Es können somit mehrere separate und schwach divergierende Teilstrahlen zum Abtasten eines räumlichen Abtastbereichs bereitgestellt werden. Durch die Möglichkeit einen kollimierten Strahl in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen, kann die Anzahl der verwendeten Strahlenquellen in der LIDAR-Vorrichtung minimiert und die Abtastrate bzw. die Anzahl der zur Verfügung stehenden Teilstrahlen zum Abtasten des Abtastbereichs erhöht werden. Die Teilstrahlen werden abhängig von einem Krümmungsradius des gekrümmten Linsenarrays in unterschiedlichen Abstrahlwinkeln in den Abtastbereich emittiert.
Die erzeugten Strahlen können, je nach Ausgestaltung des gekrümmten Linsenarrays, in kollimierter Form auf das gekrümmte Linsenarray auftreffen oder im Vorfeld durch ein vorgeschaltetes optisches Element auf das gekrümmte Linsenarray gebündelt oder divergiert werden.
Das gekrümmte Linsenarray weist eine gekrümmte Trägeroberfläche mit mindestens zwei Linsen auf. Das gekrümmte Linsenarray kann beispielsweise mittels dreidimensional gedruckter Gussformen oder durch Langmuir-Blodgett Abscheidung hergestellt werden.
Die Empfangseinheit einer LIDAR-Vorrichtung kann üblicherweise preiswerter ausgebildet werden, als die Sendeeinheit, sodass mehrere Detektoren eingesetzt werden können. Die Empfangseinheit kann hierbei ebenfalls ein gekrümmtes Linsenarray aufweisen, welches die aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen empfangen und auf den einen oder mehrere Detektoren lenken kann.
Je nach Ausgestaltung der LIDAR-Vorrichtung können die Sendeeinheit und die Empfangseinheit ein gemeinsames gekrümmtes Linsenarray verwenden oder jeweils ein sendeseitiges und empfangsseitiges gekrümmtes Linsenarray aufweisen. Der Einsatz eines gekrümmten Linsenarrays ist weiterhin vorteilhaft im Hinblick auf die Modularität der LIDAR-Vorrichtung. Insbesondere können durch das verwendete gekrümmte Linsenarray definierte Betriebsparameter, wie beispielsweise Auflösung, Anzahl von Teilstrahlen zum Abtasten, initialer Abtastwinkel ohne zusätzliche Bewegung der Sendeeinheit, eingestellt und auch nachträglich durch einen Austausch des gekrümmten Linsenarrays verändert werden. Es wird somit die Bauteilvielfalt gesenkt und die Herstellungskosten der LIDAR-Vorrichtung gesenkt.
Die LIDAR-Vorrichtung ist nicht auf den Einsatz von frequenzmodulieren Dauerstrich-LIDAR-Sensoren beschränkt. Insbesondere kann die erfindungsgemäße LIDAR-Vorrichtung mit dem gekrümmten Linsenarray mit beliebigen Strahlenquellen und Funktionsprinzipien verwendet werden.
Des Weiteren ermöglicht das gekrümmte Linsenarray eine Parallelisierung von Messungen, wobei die resultierenden Teilstrahlen kollimiert und damit für FMCW-LIDAR-Messungen geeignet sind. Es können weiterhin mehr Teilstrahlen für eine höhere Abtastrate erzeugt werden. Durch den Einsatz von einer Strahlenquelle kann die produzierte Verlustwärme und die Herstellungskosten der LIDAR-Vorrichtung minimiert werden.
Darüber hinaus kann die LIDAR-Vorrichtung als scannende LIDAR-Vorrichtung oder als ein sogenannter Flash-LIDAR ohne bewegliche Komponenten eingesetzt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das gekrümmte Linsenarray mindestens zwei Linsen auf, welche als Mikrolinsen oder Makrolinsen ausgestaltet sind. Es können somit unterschiedlich ausgestaltete Linsen für das gekrümmte Linsenarray eingesetzt werden. Insbesondere kann durch die Wahl einer Linsengröße eine maximal mögliche Anzahl an Linsen pro Linsenarray und damit auch die höchstmögliche Auflösung der LIDAR-Vorrichtung eingestellt werden.
Nach einerweiteren Ausführungsform sind die Linsen des gekrümmten Linsenarrays in eine sphärische Trägerstruktur integriert oder an der sphärischen Trägerstruktur angeordnet. Durch diese Maßnahme können die Linsen basierend auf unterschiedlichen Herstellungsverfahren auf der Trägerstruktur angeordnet oder in die Trägerstruktur integriert werden. Beispielsweise kann bei einem Gussverfahren die sphärische Trägerstruktur integral bzw. einteilig mit den Linsen ausgeführt werden.
Alternativ können die Linsen nachträglich auf einer bereitgestellten sphärischen Trägerstruktur, beispielsweise durch Kleben, angeordnet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Linsen des gekrümmten Linsenarrays eine Brennweite auf, welche einem Radius der sphärischen Trägerstruktur entspricht. Hierdurch kann ein Krümmungsradius der sphärischen Trägerstruktur bzw. Trägerfläche derart eingestellt werden, dass ein Mittelpunkt der sphärischen Trägerstruktur mit den Brennpunkten der Linsen übereinstimmt. Hierzu kann die sphärische Trägerstruktur als ein Halbkreis mit einem definierten Radius ausgestaltet sein.
Alternativ kann die Trägerstruktur als ein Halbkreissegment ausgestaltet sein. Des Weiteren ist auch eine asphärisch geformte Trägerstruktur verwendbar.
Durch die Einstellung der Brennweite der Linsen entsprechend dem Radius der Trägerstruktur können die auf das gekrümmte Linsenarray geleiteten Strahlen in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt und gleichzeitig durch die Linsen kollimiert werden. Die jeweiligen Teilstrahlen unterscheiden sich hierbei in einem versetzten Abstrahlwinkel.
Nach einer weiteren Ausführungsform weisen die Linsen des gekrümmten Linsenarrays einen Durchmesser von 100 pm bis 10 cm auf. Es können somit Linsen mit unterschiedlichen Abmessungen auf der sphärischen Trägerstruktur angeordnet werden. Insbesondere ergibt sich hierdurch eine Flexibilität bei der Ausgestaltung des gekrümmten Linsenarrays. Analog zum verwendeten Durchmesser der Linsen kann eine entsprechende Anpassung einer Größe der sphärischen Trägerstruktur erfolgen. Durch diese Maßnahme kann das gekrümmte Linsenarray im Hinblick auf kompakte Abmessungen der LIDAR- Vorrichtung und/oder eine Lichtempfindlichkeit optimiert werden. Gleichzeitig können hierbei die notwendigen Grenzwerte für die Intensität der emittierten Strahlen bzw. Teilstrahlen zum Gewährleisten der Augensicherheit eingehalten werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Sendeeinheit mindestens zwei Strahlenquellen auf, welche dazu eingerichtet sind, erzeugte Strahlen parallel zueinander oder über Strahlenteiler auf das gekrümmte Linsenarray zu projizieren. Insbesondere können die unterschiedlichen Strahlenquellen zum Umsetzen einer Frequenzmodulierung eingesetzt werden. Hierzu können die jeweiligen Strahlenquellen Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und/oder mit unterschiedlicher Pulsfrequenz emittieren, wobei eine abwechselnde Ansteuerung der jeweiligen Strahlenquellen durchgeführt wird. Die von den Strahlenquellen erzeugten Strahlen können durch den Strahlenteiler in den Strahlengang eingekoppelt werden, welcher zum gekrümmten Linsenarray führt.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die erzeugten Strahlen durch mindestens ein optisches Element auf das gekrümmte Linsenarray strahlbar. Das optische Element kann beispielsweise eine konkave oder eine konvexe Linse sein. Das optische Element dient zum Einwirken auf die erzeugten Strahlen und verändert somit die Divergenz der erzeugten Strahlen, um eine optimale Wechselwirkung mit dem gekrümmten Linsenarray zu ermöglichen.
Insbesondere kann das optische Element derart ausgelegt sein, dass die aus dem gekrümmten Linsenarray emittierten Teilstrahlen kollimiert sind. Hierzu kann das optische Element die erzeugten Strahlen vor einem Eintreffen in das gekrümmte Linsenarray ausrichten und kollimieren bzw. ihre Divergenz minimieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Empfangseinheit mindestens zwei Detektoren auf, welche parallel zueinander oder in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Der Winkel der Detektoren kann beispielsweise entsprechend dem Winkel der Linsen auf der sphärischen Trägerstruktur ausgebildet sein, um ein optimales Auftreffen der aus dem Abtastbereich reflektierten Strahlen zu ermöglichen. Bei einem Einsatz eines gekrümmten Linsenarrays im Empfangspfad der LIDAR- Vorrichtung können der oder die Detektoren ohne einen Winkelversatz angeordnet sein. Ein Detektor kann hierbei auch ein Pixel eines flächigen Detektors, wie beispielsweise eines CMOS oder CCD Sensors sein.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen LIDAR-Vorrichtung mit mindestens einem gekrümmten Linsenarray bereitgestellt. Das gekrümmte Linsenarray weist mindestens zwei voneinander beabstandete Linsen auf, welche relativ zueinander gedrehte optische Achsen aufweisen. Insbesondere können somit Teilstrahlen emittiert werden, welche unterschiedliche Abstrahlwinkel aufweisen. Die maximal möglichen Abstrahlwinkel können hierbei einen Öffnungswinkel des gekrümmten Linsenarrays definieren.
Zum Ausgleichen eines Abstrahlwinkels bzw. einer Wnkeldifferenz der mindestens zwei Linsen des Linsenarrays oder zum Abtasten eines gegenüber dem Öffnungswinkel des Arrays größeren Abtastbereichs werden die Sendeeinheit und/oder die Empfangseinheit in mindestens einer Raumrichtung geschwenkt. Durch diese Maßnahme können der Abtastbereich und die Auflösung der LIDAR-Vorrichtung vergrößert werden.
Insbesondere kann eine geringfügige Bewegung der Sendeeinheit und/oder der Empfangseinheit zum Ausgleichen einer Wnkeldifferenz der jeweiligen Linsen des keilförmigen Linsenarrays eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Bewegung der Sendeeinheit und/oder der Empfangseinheit derart ausgeweitet werden, dass ein größerer Abtastbereich der LIDAR-Vorrichtung abgetastet wird.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform, Fig. 2 eine Detailansicht auf emittierte Teilstrahlen eines gekrümmten Linsenarrays und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit einer LIDAR- Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Sendeeinheit 2 und eine Empfangseinheit 4 auf.
Die Sendeeinheit 2 weist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Strahlenquelle 6 auf, welche als ein Infrarotlaser ausgestaltet ist. Die Strahlenquelle 6 dient zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen 7. Des Weiteren weist die Sendeeinheit 2 ein optisches Element 8 und ein gekrümmtes Linsenarray 10 auf.
Das optische Element 8 ist als eine konvexe Linse ausgestaltet und ist zwischen der Strahlenquelle 6 und dem gekrümmten Linsenarray 10 im Strahlengang der erzeugten Strahlen 7 angeordnet.
Das gekrümmte Linsenarray 10 dient zum Aufteilen der erzeugten Strahlen 7 in mehrere Teilstrahlen 11, welche in einen Abtastbereich A emittiert werden.
Das optische Element 8 kann die erzeugten Strahlen 7 derart divergieren bzw. fokussieren, dass die von dem gekrümmten Linsenarray 10 emittierten Teilstrahlen 11 kollimiert in den Abtastbereich A gestrahlt werden. Die Teilstrahlen 11 werden hierbei in unterschiedliche Abstrahlrichtungen emittiert.
Die Empfangseinheit 4 weist ebenfalls ein gekrümmtes Linsenarray 12 auf, welches dazu eingerichtet ist, aus dem Abtastbereich A reflektierte und/oder rückgestreute Strahlen 13 zu empfangen.
Die empfangenen Strahlen 15 werden anschließend von einer optionalen Empfangsoptik 14 auf einen Detektor 16 fokussiert. Der Detektor 16 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als ein Detektorarray ausgestaltet. Je nach Ausgestaltung der LIDAR-Vorrichtung 1 können die Sendeeinheit 2 und die Empfangseinheit 4 jeweils ein gekrümmtes Linsenarray 10, 12 aufweisen oder ein einziges gekrümmtes Linsenarray miteinander teilen bzw. gemeinsam verwenden.
In der Figur 2 ist eine Detailansicht auf emittierte Teilstrahlen 11 des gekrümmten Linsenarrays 10 der Sendeeinheit 2 gezeigt. Das gekrümmte Linsenarray 10 weist eine Vielzahl von Linsen 18 auf, welche auf einer sphärischen Trägerstruktur 20 angeordnet bzw. in die sphärische Trägerstruktur 20 integriert sind.
Die Linsen 18 können als Makrolinsen oder als Mikrolinsen ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind die Linsen 18 derart an die sphärische Trägerstruktur 20 und das optische Element 8 angepasst, dass die Teilstrahlen 11 in kollimierter Form in den Abtastbereich A emittiert werden. Hierdurch verlaufen alle Teilstrahlen 11 einer Linse 18 in einem nahezu gleichen Winkel zueinander. Die Teilstrahlen 11 unterschiedlicher Linsen 18 können unterschiedliche Abstrahlwinkel b1-b3 aufweisen.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit 2 einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einerweiteren Ausführungsform. Im Gegensatz zur in Figur 1 gezeigten LIDAR-Vorrichtung 1, weist die Sendeeinheit 2 ein gekrümmtes Linsenarray 10 mit größer geformten Makrolinsen 18 auf.
Die Linsen 18 weisen vorzugsweise eine gleiche Brennweite auf, welche einem Radius R der sphärischen Trägerstruktur 20 entspricht.
Die sphärische Trägerstruktur 20 ist als eine Halbkugel ausgeführt und bildet ein Abstrahlfenster der Sendeeinheit 2 aus.
Durch eine gegenüber der in Figur 1 gezeigten Sendeeinheit 2 geringere Anzahl an Linsen 18 ist die Anzahl von Teilstrahlen 11 ebenfalls geringer. Zum Kompensieren der geringeren Anzahl von Teilstrahlen 11 kann die Sendeeinheit 2 oder die gesamte LIDAR-Vorrichtung 1 auf einer Schwenkmechanik 22 angeordnet sein, welche die Sendeeinheit 2 in zumindest einer Raumrichtung schwenken kann.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die Sendeeinheit 2 um zwei Achsen schwenkbar. Die Pfeile 24 verdeutlichen die möglichen Schwenkrichtungen der
Sendeeinheit 2 durch die Schwenkmechanik 22.
Das gekrümmte Linsenarray 10 weist einen Öffnungswinkel O auf, welcher von einer Anordnung der Linsen 18 eingestellt ist. Der Öffnungswinkel O wird von den emittierten Teilstrahlen 11 aufgespannt und kann eindimensional oder zweidimensional ausgeführt sein.
Der Öffnungswinkel O stellt somit einen maximalen Abtastwinkel eines unbeweglichen gekrümmten Linsenarrays 10 dar. Durch den Einsatz der Schwenkmechanik 22 kann ein maximal möglicher Abtastwinkel der LIDAR-
Vorrichtung 1 erhöht werden.

Claims

Ansprüche
1. LIDAR-Vorrichtung (1) zum Abtasten eines Abtastbereichs (A), aufweisend eine Sendeeinheit (2) mit mindestens einer Strahlenquelle (6) zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen (7) und aufweisend eine Empfangseinheit (4) mit mindestens einem Detektor (16) zum Empfangen von aus dem Abtastbereich (A) rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen (13), wobei die Sendeeinheit (2) und/oder die Empfangseinheit (4) unbeweglich, drehbar oder schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (2) ein gekrümmtes Linsenarray (10) zum Aufspalten der von der Strahlenquelle (6) erzeugten Strahlen (7) in Teilstrahlen (11) und zum Emittieren der Teilstrahlen (11) in den Abtastbereich (A) aufweist.
2. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das gekrümmte Linsenarray (10) mindestens zwei Linsen (18) aufweist, welche als Mikrolinsen oder Makrolinsen ausgestaltet sind.
3. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Linsen (18) des gekrümmten Linsenarrays (10) in eine sphärische Trägerstruktur (20) integriert oder an der sphärischen Trägerstruktur (20) angeordnet sind.
4. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Linsen (18) des gekrümmten Linsenarrays (10) eine Brennweite aufweisen, welche einem Radius (R) der sphärischen Trägerstruktur (20) entspricht.
5. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Linsen (18) des gekrümmten Linsenarrays (10) einen Durchmesser von 100 pm bis 10 cm aufweisen.
6. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Empfangseinheit (4) ein gekrümmtes Linsenarray (12) zum Empfangen von aus dem Abtastbereich (A) rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen (13) aufweist.
7. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Sendeeinheit (2) mindestens zwei Strahlenquellen (6) aufweist, welche dazu eingerichtet sind, erzeugte Strahlen (7) parallel zueinander oder über Strahlenteiler auf das gekrümmte Linsenarray (10) zu projizieren.
8. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die durch die Strahlenquelle (6) erzeugten Strahlen (7) durch mindestens ein optisches Element (8) auf das gekrümmte Linsenarray (10) strahlbar sind.
9. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Empfangseinheit (4) mindestens zwei Detektoren (16) aufweist, welche parallel zueinander oder in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
10. Verfahren zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung (1) mit mindestens einem gekrümmten Linsenarray (10, 12), welches mindestens zwei voneinander beabstandete Linsen (18) aufweist, wobei die Sendeeinheit (2) und/oder die Empfangseinheit (4) zum Ausgleichen eines Abstrahlwinkels (b) der mindestens zwei Linsen (18) oder zum Abtasten eines gegenüber dem Öffnungswinkel (O) des gekrümmten Linsenarrays (10, 12) größeren Abtastbereichs (A) in mindestens einer Raumrichtung (24) geschwenkt werden.
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