WO2021083806A1 - Sendeeinheit für lidar-vorrichtungen mit nahfeldstrahlen und fernfeldstrahlen - Google Patents

Sendeeinheit für lidar-vorrichtungen mit nahfeldstrahlen und fernfeldstrahlen Download PDF

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WO2021083806A1
WO2021083806A1 PCT/EP2020/079922 EP2020079922W WO2021083806A1 WO 2021083806 A1 WO2021083806 A1 WO 2021083806A1 EP 2020079922 W EP2020079922 W EP 2020079922W WO 2021083806 A1 WO2021083806 A1 WO 2021083806A1
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rays
far
scanning
radiation source
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PCT/EP2020/079922
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Karl Christoph Goedel
Holger Maris Gilbergs
Simon Bell
Johannes Richter
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a transmission unit, in particular for a LIDAR device, with at least one radiation source for generating electromagnetic radiation.
  • 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 must be able to scan as large a scanning area as possible in order to implement automated driving functions. For example, horizontal scanning angles of 360 °, vertical scanning angles of 20 ° and scanning ranges of up to 200 m are desirable. In previous solutions to these requirements, several different LIDAR sensors are used. In particular, special LIDAR sensors are used for scanning a near field of the scanning area and for scanning a far field of the scanning area. However, as the number of LIDAR sensors increases, so do the costs for the technical implementation of the automated driving functions.
  • the object on which the invention is based can be seen in proposing a transmission unit and a LIDAR device which enable a far field and a near field to be scanned at the same time.
  • a transmission unit in particular for a LIDAR device, is provided.
  • the transmission unit has at least one radiation source for generating electromagnetic radiation.
  • the beams generated by the radiation source can be split or divided into two beam components.
  • the at least one radiation source or the entire transmission unit can be designed to be immovable, rotatable or pivotable.
  • the beams generated by the at least one radiation source are preferably near-field beams for scanning a near-field of a scanning area.
  • the generated near-field beams can be diffuse or divergent and thus be suitable for scanning short distances or the near-field.
  • a first radiation component of the near-field rays generated by the at least one radiation source can be focused into far-field rays for scanning a far field of the scanning area by a lens array connected downstream of the radiation source.
  • the remaining beam components or the second beam component can be emitted into the scanning area in the form of near-field beams.
  • the lens array can collimate part of the generated near-field rays and thus shape them for scanning large distances, such as 100 m to 250 m.
  • the far-field rays can be designed as individual bundles of rays, which are emitted into the scanning area simultaneously or parallel to the near-field rays.
  • the transmission unit allows a LIDAR device to be used for several applications at the same time.
  • a LIDAR device can be used both for automated driving functions on a motorway and during a traffic jam.
  • Applications with required measurements from long distances and applications with required measurements from short distances can thus be made possible by a single transmission unit.
  • the near-field rays can be divergent or diffuse and the far-field rays can be collimated or at least less divergent than the near-field rays.
  • a receiving unit of the LIDAR device can have a detector or a detector array, which can technically take both applications into account.
  • the reflected and / or backscattered rays from the scanning area can be assigned to the corresponding near-field rays or far-field rays, for example by means of intensity patterns.
  • the transmission unit according to the invention can save costs and provide a high dynamic range for a LIDAR device. Furthermore, the transmitter unit has a high degree of modularity, since exchanging the lens array directly influences the properties of the far-field rays and the corresponding scanning area.
  • the near-field rays can be collimated in regions by the lens array to form a pattern of far-field rays, the far-field rays being spaced apart from one another by uniform or non-uniform spacings transversely to a direction of propagation of the far-field rays.
  • a scanning pattern for the Far field of the scanning area are created.
  • the far field rays here have gaps to one another.
  • the collimated far-field beams can scan greater distances and can thus be used to detect objects that are far away.
  • the divergent near-field rays lose their signal strength with the distance to the power of four. In contrast, the collimated far-field rays lose their signal strength with the distance squared.
  • the area of the detector exposed by the far-field rays can be designed to be smaller, as a result of which lower background noise and thus a better signal-to-noise ratio compared to the near-field rays can be achieved.
  • the distances between the far field beams can be compensated for by operating vibrations and / or by rotating movements of the transmitting unit.
  • the resulting distances between the collimated far-field rays result in gaps in the scanning of the scanning area. No information about the environment can therefore be determined from the gaps. In order to obtain this missing information, a movement of the transmission unit can be initiated, which leads to the gaps in the scanning area also being exposed.
  • the resulting gaps in an automotive application can be compensated for or at least reduced by vibrations of the vehicle during operation.
  • an intended movement of the transmitting unit can be used to exclude gaps in the scanning area and thus to carry out a complete scan of the scanning area.
  • the respective pivoting steps or rotation steps can be smaller than or equal to the distances between the respective far field beams in the horizontal or vertical direction.
  • the at least one radiation source is designed as an extensive array with a large number of emitters.
  • the lidar device can preferably be an array of emitters in the transmitting unit and a detector array in the receiving unit.
  • the emitters can be designed, for example, as so-called VCSELs or surface emitters. Some of the emitters are used to generate divergent beams for scanning the far field of the scanning area.
  • the near-field rays can have no or only slight distances from one another in the vertical and horizontal directions. Another part of the emitters can project the generated rays onto lenses of the lens array, whereby the respective rays are focused or collimated and thus shaped into far-field rays.
  • the near field of the scanning area can be scanned particularly thoroughly.
  • the emitters can be controlled jointly or independently of one another in order to emit near-field rays.
  • a technically particularly simple driver electronics can be used.
  • a dynamic adaptation of the exposure can be realized, which is particularly advantageous with regard to eye safety.
  • the lens array has a multiplicity of lenses which collimate part of the near-field rays generated, the lenses being distributed uniformly, unevenly or randomly on the lens array.
  • the lenses can be shaped as microlenses or as macrolenses.
  • the spacing and arrangement of the lenses can be targeted, planned or random.
  • the arrangement of the lenses on the lens array can be adapted to positions of defined emitters. In the case of lenses arranged at random, cost-intensive alignment of the lenses with respect to the at least one radiation source can be dispensed with. If, on the other hand, the lenses are aligned with the emitters, a particularly efficient collimation of the rays in the far field can be carried out.
  • the after-field rays generated can be divided into two or more sections. One or more sections are used for the Emitting the near-field rays and one or more sections are used to collimate the near-field rays and generate far-field rays.
  • additional optics or optical elements can be used for beam shaping.
  • the lenses of the lens array have a size adapted to the emitters of the at least one radiation source or a size smaller than the emitters. This measure enables targeted distances to be generated around the far-field rays. Depending on the shape and size of the lenses, the horizontal and vertical distance between the far-field rays can be filled by near-field rays or designed without further rays.
  • the generated far-field beams and the near-field beams here form a generated scanning pattern for the simultaneous scanning of the scanning area in several distance planes.
  • a transmission unit in particular for a LIDAR device, is provided.
  • the LIDAR device has at least one radiation source for generating electromagnetic radiation, which radiation source is designed to be immovable, rotatable or pivotable.
  • the at least one radiation source is coupled in a radiation-conducting manner to an optical phased array.
  • the radiation source can generate far-field rays for scanning a far field and near-field rays for scanning a near field of a scanning region via the optical phased array.
  • a LIDAR device can be provided with a dynamic setting of the generated far-field rays and near-field rays.
  • a situation-dependent adaptation of the scanning pattern can be realized, which is formed from the far-field rays and the near-field rays.
  • the optical phased array has a multiplicity of emitter antennas, the phase relationships between the emitter antennas being configured to be static or adjustable.
  • a technically particularly simple optical phased array, which can generate a constant scanning pattern, can be implemented by means of fixed phase relationships of the emitter antennas.
  • Adapting or changing the scanning pattern of the near-field beams and the far-field beams can be advantageous for dynamic applications.
  • the far field rays can be formed, for example, by constructive interference in the scanning pattern.
  • a LIDAR device for scanning scan areas.
  • the LIDAR device has a transmitting unit according to the invention and a receiving unit.
  • the transmission unit of the LIDAR device has at least one radiation source for generating rays.
  • the receiving unit has at least one detector for detecting rays.
  • the receiving unit can have receiving optics for receiving the beams backscattered and / or reflected from the scanning area, which optics then focus the received beams onto the at least one detector.
  • the detector can be positioned in a focal plane of the receiving optics.
  • the at least one detector of the receiving unit can be designed, for example, as a CCD sensor, CMOS sensor, APD array, SPAD array and the like.
  • the detector can preferably have a relatively large area in order to undertake an optimal differentiation between the received near-field rays and the received far-field rays.
  • the at least one detector or the receiving unit can be calibrated after the LIDAR device has been manufactured.
  • a white wall can be exposed to light by the transmitting unit and the corresponding intensity patterns received by the detector can be evaluated.
  • detector pixels with a high determined intensity can be allocated for receiving beams from far-field beams and the remaining detector pixels for receiving beams resulting from near-field beams.
  • a technically particularly simple calibration of the receiving unit can thus be carried out.
  • LIDAR device Another advantage of the LIDAR device is the possibility of a modular structure. Properties of the LIDAR device, such as, for example, resolution, scanning angles in the vertical and horizontal directions, distribution of the far-field rays and the like, can be technically changed by exchanging the lens array and optional lenses or optics. The LIDAR device can thus be adapted to changing customer requirements in a cost-effective manner.
  • the LIDAR device can be designed as a flash LIDAR or a solid-state LIDAR without moving components.
  • the LIDAR device or parts of the LIDAR device can be designed to be rotatable or pivotable along at least one axis of rotation.
  • the lidar device can optionally be a micro-scanner or a macro-scanner.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a LIDAR device according to an embodiment
  • Fig. 3-7 schematic representations of lens arrays
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a transmission unit 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 contains a multiplicity of emitters 8.
  • the emitters 8 are designed as surface emitters and serve, for example, to generate rays 9 in the infrared wavelength range.
  • the beams 9 generated are designed as near-field beams 9 and have diffuse or divergent radiation characteristics.
  • the near-field beams 9 are set up to scan a near-field AN of a scanning area A.
  • Some of the near-field rays 9 are collimated by a lens array 10 connected downstream of the radiation source 6.
  • the lens array 10 thus generates collimated far-field rays 11 from some of the near-field rays 9.
  • the far-field rays 11 are set up to scan a far-field AF of the scanning area A.
  • the near-field beams 9 can be used for scanning a distance of up to 50 meters and the far-field beams 11 for scanning a distance range between 50 and 150 meters.
  • the receiving unit 4 has receiving optics 12.
  • the receiving optics 12 can receive reflected and / or backscattered beams 13 from the scanning area A and focus them on a detector 14.
  • the detector 14 is designed as a two-dimensionally extended detector and is, for example, a CCD detector. Based on an intensity pattern which is generated by the far-field rays 11 and the near-field rays 9, the rays 13 reflected and / or backscattered from the scanning area A can be assigned to the respective rays 9, 11.
  • FIG. 2 shows an illustration of a scanning pattern 16.
  • the scanning pattern 16 is formed by the near-field rays 9 and the far-field rays 11.
  • the Near-field rays 9 are diffuse here and penetrate all areas around the far-field rays 11.
  • the far field rays 11 are spaced apart from one another by horizontal distances x and vertical distances z. In the exemplary embodiment shown, the far field beams 11 are spaced apart from one another at the same distances x, z.
  • FIGS. 3 to 7 schematic representations of lens arrays 10 are shown.
  • the lens array 10 has a multiplicity of lenses 18.
  • the lenses 18 can be designed as microlenses or as macrolenses and can focus the near-field rays 9 to form far-field rays 11.
  • FIG. 3 shows a lens array 10 with uniformly distributed lenses 18.
  • the lenses 18 are aligned with an arrangement of emitters 8.
  • FIGS. 4 and 5 show further lens arrays 10 with lenses 18 which are arranged irregularly or irregularly.
  • the lenses 18 can be distributed randomly.
  • FIG. 6 shows a lens array 10 according to a further embodiment, in which the lenses 18 are aligned with an arrangement of the emitters 8 of the radiation source 6.
  • a lens 18 is provided for each emitter 8.
  • the lenses 18 have a reduced diameter, as a result of which the near-field rays 9 are bundled in regions to form far-field rays 11. This creates gaps or distances x, z in the scanning pattern 16, which are filled by the near-field rays 9.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a transmission unit 2 according to a further embodiment.
  • the scanning pattern 16 is generated here by an optical phased array 26.
  • the radiation source 6 is coupled to the optical phased array 26 here.
  • the optical phased array 26 has a multiplicity of emitter antennas 28 which are set up for setting phase relationships and for generating the scanning pattern 16.
  • the optical phased array 26 can have a dynamic control of the emitter antennas 28, by means of which the scanning pattern 16 can be varied or adapted.

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Abstract

Offenbart ist eine Sendeeinheit (2), insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, aufweisend mindestens eine Strahlenquelle (6) zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen, wobei die von der Strahlenquelle erzeugten Strahlen in zwei Strahlenanteile aufspaltbar sind, wobei ein erster Strahlenanteil der von der mindestens einen Strahlenquelle erzeugten Strahlen durch ein der Strahlenquelle nachgeschaltetes Linsenarray (10) zu Fernfeldstrahlen (11) zum Abtasten eines Fernfelds (AF) eines Abtastbereichs (A) fokussierbar ist und ein zweiter Strahlenanteil als Nahfeldstrahlen (9) zum Abtasten eines Nahfelds (AN) eines Abtastbereichs verwendbar ist. Des Weiteren ist eine LIDAR-Vorrichtung (1) offenbart.

Description

Beschreibung
Titel
Sendeeinheit für LIDAR-Vorrichtungen mit Nahfeldstrahlen und Fernfeldstrahlen
Die Erfindung betrifft eine Sendeeinheit, insbesondere für eine LIDAR- Vorrichtung, mit mindestens einer Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen.
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.
Vorzugsweise müssen LIDAR-Sensoren zum Umsetzen von automatisierten Fahrfunktionen einen möglichst großen Abtastbereich abtasten können. Es sind beispielsweise horizontale Abtastwinkel von 360°, vertikale Abtastwinkel von 20° und Abtastreichweiten von bis zu 200m erwünscht. Bei bisherigen Lösungen dieser Anforderungen werden mehrere unterschiedliche LIDAR-Sensoren eingesetzt. Insbesondere werden spezielle LIDAR-Sensoren zum Abtasten eines Nahfelds des Abtastbereichs und zum Abtasten eines Fernfelds des Abtastbereichs verwendet. Mit zunehmender Anzahl von LIDAR-Sensoren steigen jedoch die Kosten für die technische Umsetzung der automatisierten Fahrfunktionen.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine Sendeeinheit und eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welche eine gleichzeitige Abtastung eines Fernfelds und eines Nahfelds ermöglichen.
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 Sendeeinheit, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, bereitgestellt. Die Sendeeinheit weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen auf. Die von der Strahlenquelle erzeugten Strahlen sind in zwei Strahlenanteile aufspaltbar bzw. aufteilbar.
Die mindestens eine Strahlenquelle oder die gesamte Sendeeinheit können unbeweglich, drehbar oder schwenkbar ausgestaltet sein.
Die von der mindestens einen Strahlenquelle erzeugten Strahlen sind vorzugsweise Nahfeldstrahlen zum Abtasten eines Nahfelds eines Abtastbereichs. Insbesondere können die erzeugten Nahfeldstrahlen diffus bzw. divergent sein und somit zu einem Abtasten von kurzen Distanzen bzw. des Nahfelds geeignet sein.
Erfindungsgemäß ist ein erster Strahlenanteil der von der mindestens einen Strahlenquelle erzeugten Nahfeldstrahlen durch ein der Strahlenquelle nachgeschaltetes Linsenarray zu Fernfeldstrahlen zum Abtasten eines Fernfelds des Abtastbereichs fokussierbar. Die übrigen Strahlenanteile bzw. der zweite Strahlenanteil ist in Form von Nahfeldstrahlen in den Abtastbereich emittierbar. Das Linsenarray kann einen Teil der erzeugten Nahfeldstrahlen kollimieren und somit zum Abtasten großer Distanzen, wie beispielsweise 100 m bis 250 m, formen. Hierdurch können die Fernfeldstrahlen als einzelne Strahlenbündel ausgestaltet sein, welche gleichzeitig bzw. parallel zu den Nahfeldstrahlen in den Abtastbereich emittiert werden.
Durch die Sendeeinheit kann eine LIDAR-Vorrichtung für mehrere Anwendungsfälle gleichzeitig verwendet werden. Beispielsweise kann eine derartige LIDAR-Vorrichtung sowohl für automatisierte Fahrfunktionen auf einer Autobahn als auch während eines Staus eingesetzt werden. Es können somit Anwendungen mit benötigten Messungen von langen Distanzen und Anwendungen mit benötigten Messungen von kurzen Distanzen durch eine einzige Sendeeinheit ermöglicht werden.
Die Nahfeldstrahlen können hierbei divergent bzw. diffus und die Fernfeldstrahlen kollimiert oder zumindest gegenüber den Nahfeldstrahlen weniger divergent ausgestaltet sein.
Eine Empfangseinheit der LIDAR-Vorrichtung kann hierbei einen Detektor bzw. ein Detektorarray aufweisen, welches beide Anwendungsfälle technisch berücksichtigen kann. Die reflektierten und/oder rückgestreuten Strahlen aus dem Abtastbereich können beispielsweise durch Intensitätsmuster den entsprechenden Nahfeldstrahlen oder Fernfeldstrahlen zugeordnet werden.
Durch die erfindungsgemäße Sendeeinheit können Kosten eingespart und ein hoher Dynamikbereich für eine LIDAR-Vorrichtung bereitgestellt werden. Des Weiteren weist die Sendeeinheit eine hohe Modularität auf, da ein Austausch des Linsenarrays die Eigenschaften der Fernfeldstrahlen und den entsprechenden Abtastbereich direkt beeinflusst.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Nahfeldstrahlen durch das Linsenarray bereichsweise zu einem Muster aus Fernfeldstrahlen kollimierbar, wobei die Fernfeldstrahlen durch gleichmäßige oder ungleichmäßige Abstände quer zu einer Ausbreitungsrichtung der Fernfeldstrahlen voneinander beabstandet sind. Durch diese Maßnahme kann ein Abtastmuster für das Fernfeld des Abtastbereichs erstellt werden. Die Fernfeldstrahlen weisen hierbei Lücken zueinander auf. Die kollimierten Fernfeldstrahlen können größerer Distanzen abtasten und somit zum Detektieren von weit entfernten Objekten verwendet werden. Die divergenten Nahfeldstrahlen verlieren ihre Signalstärke mit der Entfernung hoch vier. Im Gegensatz hierzu verlieren die kollimierten Fernfeldstrahlen ihre Signalstärke mit der Entfernung zum Quadrat.
Des Weiteren kann die durch die Fernfeldstrahlen belichtete Fläche des Detektors kleiner ausgestaltet sein, wodurch ein geringeres Hintergrundrauschen und somit ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis gegenüber den Nahfeldstrahlen realisierbar ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Abstände zwischen den Fernfeldstrahlen durch Betriebsschwingungen und/oder durch Drehbewegungen der Sendeeinheit kompensierbar. Die resultierenden Abstände zwischen den kollimierten Fernfeldstrahlen resultieren in Lücken bei der Abtastung des Abtastbereichs. Aus den Lücken kann somit keine Information über das Umfeld ermittelt werden. Um diese fehlenden Informationen zu erhalten kann eine Bewegung der Sendeeinheit initiiert werden, welche dazu führt, dass die Lücken im Abtastbereich ebenfalls belichtet werden.
Beispielsweise können die resultierenden Lücken bei einer automobilen Anwendung durch Vibrationen des Fahrzeugs während eines Betriebs ausgeglichen oder zumindest verringert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann eine beabsichtigte Bewegung der Sendeeinheit dazu eingesetzt werden, Lücken im Abtastbereich auszuschließen und somit einen vollständigen Scan des Abtastbereichs durchzuführen. Die jeweiligen Schwenkschritte oder Rotationsschritte können kleiner oder gleich den Abständen zwischen den jeweiligen Fernfeldstrahlen in horizontaler oder vertikaler Richtung sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine Strahlenquelle als ein flächig ausgedehntes Array mit einer Vielzahl von Emittern ausgestaltet. Die LIDAR-Vorrichtung kann vorzugsweise ein Array aus Emittern in der Sendeeinheit und ein Detektorarray in der Empfangseinheit aufweisen. Die Emitter können beispielsweise als sogenannte VCSEL bzw. Oberflächenemitter ausgestaltet sein. Ein Teil der Emitter wird zum Erzeugen von divergenten Strahlen zum Abtasten des Fernfelds des Abtastbereichs eingesetzt. Die Nahfeldstrahlen können hierbei keine oder nur geringfügige Abstände in vertikaler und horizontaler Richtung zueinander aufweisen. Ein anderer Teil der Emitter kann die erzeugten Strahlen auf Linsen des Linsenarrays projizieren, wodurch die jeweiligen Strahlen fokussiert bzw. kollimiert und somit zu Fernfeldstrahlen geformt werden.
Durch die divergenten Strahlen bzw. Nahfeldstrahlen, welche lückenlos emittiert werden, kann das Nahfeld des Abtastbereichs besonders gründlich abgetastet werden.
Nach einerweiteren Ausführungsform sind die Emitter gemeinsam oder unabhängig voneinander zum Emittieren von Nahfeldstrahlen ansteuerbar. Bei gleichzeitig bzw. gemeinsam ansteuerbaren Emittern kann eine technisch besonders einfache Treiberelektronik verwendet werden. Durch separat ansteuerbare Emitter kann eine dynamische Anpassung der Belichtung realisiert werden, welche besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Augensicherheit ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Linsenarray eine Vielzahl von Linsen auf, welche einen Teil der erzeugten Nahfeldstrahlen kollimieren, wobei die Linsen gleichmäßig, ungleichmäßig oder zufällig auf dem Linsenarray verteilt sind. Die Linsen können als Mikrolinsen oder als Makrolinsen geformt sein. Die Abstände und die Anordnung der Linsen kann gezielt bzw. geplant oder zufällig erfolgen werden. Beispielsweise kann die Anordnung der Linsen auf dem Linsenarray an Positionen von definierten Emittern angepasst werden. Bei zufällig angeordneten Linsen kann ein kostenintensives Ausrichten der Linsen gegenüber der mindestens einen Strahlenquelle entfallen. Werden die Linsen hingegen an die Emitter ausgerichtet, kann eine besonders effiziente Kollimation der Strahlen im Fernfeld durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich können die erzeugten Nachfeldstrahlen in zwei oder mehr Abschnitte unterteilt werden. Ein oder mehrere Abschnitte werden zum Emittieren der Nahfeldstrahlen und ein oder mehr Abschnitte werden zum Kollimieren der Nahfeldstrahlen und zum Erzeugen von Fernfeldstrahlen eingesetzt.
Bei der Erzeugung von Fernfeldstrahlen und von Nahfeldstrahlen können zusätzliche Optiken bzw. optische Elemente zur Strahlenformung verwendet werden.
Nach einerweiteren Ausführungsform weisen die Linsen des Linsenarrays eine an die Emitter der mindestens einen Strahlenquelle angepasste Größe oder eine geringere Größe als die Emitter auf. Durch diese Maßnahme können gezielte Abstände um die Fernfeldstrahlen erzeugt werden. Je nach Form und Größe der Linsen kann der horizontale und vertikale Abstand zwischen den Fernfeldstrahlen durch Nahfeldstrahlen ausgefüllt oder ohne weitere Strahlen ausgestaltet sein.
Die erzeugten Fernfeldstrahlen und die Nahfeldstrahlen bilden hierbei ein erzeugtes Abtastmuster zum zeitgleichen Abtasten des Abtastbereichs in mehreren Entfernungsebenen.
Gemäß einem weiteren alternativen Aspekt der Erfindung wird eine Sendeeinheit, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen auf, welche unbeweglich, drehbar oder schwenkbar ausgestaltet ist. Erfindungsgemäß ist die mindestens eine Strahlenquelle mit einem optischen Phased-Array strahlenleitend gekoppelt. Insbesondere kann die Strahlenquelle über das optische Phased-Array Fernfeldstrahlen zum Abtasten eines Fernfelds und Nahfeldstrahlen zum Abtasten eines Nahfelds eines Abtastbereichs erzeugen.
Hierdurch kann eine LIDAR-Vorrichtung mit einer dynamischen Einstellung der erzeugten Fernfeldstrahlen und Nahfeldstrahlen bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine situationsabhängige Anpassung des Abtastmusters realisiert werden, welches aus den Fernfeldstrahlen und den Nahfeldstrahlen gebildet wird. Nach einer Ausführungsform weist das optische Phased-Array eine Vielzahl von Emitterantennen auf, wobei Phasenverhältnisse zwischen den Emitterantennen statisch oder einstellbar ausgestaltet sind. Durch fest eingestellte Phasenverhältnisse der Emitterantennen kann ein technisch besonders einfaches optisches Phased-Array realisiert werden, welches ein gleichbleibendes Abtastmuster erzeugen kann. Für dynamische Anwendungen kann ein Anpassen oder Ändern des Abtastmusters der Nahfeldstrahlen und der Fernfeldstrahlen vorteilhaft sein. Die Fernfeldstrahlen können beispielsweise durch konstruktive Interferenz im Abtastmuster ausgebildet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von Abtastbereichen bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist eine erfindungsgemäße Sendeeinheit und eine Empfangseinheit auf. Die Sendeeinheit der LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von Strahlen auf. Die Empfangseinheit weist mindestens einen Detektor zum Detektieren von Strahlen auf.
Die Empfangseinheit kann eine Empfangsoptik zum Empfangen der aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen aufweisen, welche die empfangenen Strahlen anschließend auf den mindestens einen Detektor fokussiert. Der Detektor kann hierbei in einer Brennebene der Empfangsoptik positioniert sein.
Der mindestens eine Detektor der Empfangseinheit kann beispielsweise als ein CCD-Sensor, CMOS-Sensor, APD-Array, SPAD-Array und dergleichen ausgestaltet sein.
Vorzugsweise kann der Detektor eine relativ große Fläche aufweisen, um eine optimale Unterscheidung zwischen den empfangenen Nahfeldstrahlen und den empfangenen Fernfeldstrahlen vorzunehmen.
Der mindestens eine Detektor bzw. die Empfangseinheit können nach einer abgeschlossenen Herstellung der LIDAR-Vorrichtung kalibriert werden. Hierzu kann eine weiße Wand durch die Sendeeinheit belichtet und die entsprechenden vom Detektor empfangenen Intensitätsmuster ausgewertet werden. Insbesondere können Detektorpixel mit einer hohen ermittelten Intensität zum Empfangen von Strahlen von Fernfeldstrahlen und die übrigen Detektorpixel zum Empfangen von Strahlen, welche von Nahfeldstrahlen resultieren, zugeteilt werden. Es kann somit eine technisch besonders einfache Kalibrierung der Empfangseinheit durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil der LIDAR-Vorrichtung ist die Möglichkeit eines modularen Aufbaus. Es können Eigenschaften der LIDAR-Vorrichtung, wie beispielsweise Auflösung, Abtastwinkel in vertikaler und horizontaler Richtung, Verteilung der Fernfeldstrahlen und dergleichen technisch durch Austausch des Linsenarrays und von optionalen Linsen bzw. Optiken geändert werden. Die LIDAR- Vorrichtung ist somit kosteneffizient an sich ändernde Kundenwünsche anpassbar.
Die LIDAR-Vorrichtung kann als ein Flash-LIDAR bzw. ein Festkörper-LIDAR ohne bewegliche Komponenten ausgestaltet sein. Alternativ kann die LIDAR- Vorrichtung oder Teile der LIDAR-Vorrichtung entlang zumindest einer Rotationsachse drehbar oder schenkbar ausgestaltet sein. Darüber hinaus kann die LIDAR-Vorrichtung optional ein Mikro-Scanner oder ein Makro-Scanner sein.
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 Darstellung eines Abtastmusters,
Fig. 3-7 schematische Darstellungen von Linsenarrays und
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit 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 eine Strahlenquelle 6 auf, welche eine Vielzahl von Emittern 8 beinhaltet. Die Emitter 8 sind als Oberflächenemitter ausgestaltet und dienen beispielhaft zum Erzeugen von Strahlen 9 im infraroten Wellenlängenbereich.
Die erzeugten Strahlen 9 sind als Nahfeldstrahlen 9 ausgestaltet und weisen diffuse bzw. divergente Strahlungscharakteristik auf. Die Nahfeldstrahlen 9 sind dazu eingerichtet, ein Nahfeld AN eines Abtastbereichs A abzutasten.
Ein Teil der Nahfeldstrahlen 9 wird durch ein der Strahlenquelle 6 nachgeschaltetes Linsenarray 10 kollimiert. Das Linsenarray 10 erzeugt somit aus einem Teil der Nahfeldstrahlen 9 kollimierte Fernfeldstrahlen 11. Die Fernfeldstrahlen 11 sind dazu eingerichtet, ein Fernfeld AF des Abtastbereichs A abzutasten.
Beispielsweise können die Nahfeldstrahlen 9 zum Abtasten einer Distanz von bis zu 50 Metern und die Fernfeldstrahlen 11 zum Abtasten eines Distanzbereichs zwischen 50 und 150 Metern eingesetzt werden.
Die Empfangseinheit 4 weist eine Empfangsoptik 12 auf. Die Empfangsoptik 12 kann aus dem Abtastbereich A reflektierten und/oder rückgestreuten Strahlen 13 empfangen und auf einen Detektor 14 fokussieren.
Der Detektor 14 ist als ein flächig ausgedehnter Detektor ausgeführt und ist beispielhaft ein CCD Detektor. Basierend auf einem Intensitätsmuster, welches durch die Fernfeldstrahlen 11 und die Nahfeldstrahlen 9 erzeugt wird, können die aus dem Abtastbereich A reflektierten und/oder rückgestreuten Strahlen 13 zu den jeweiligen Strahlen 9, 11 zugeordnet werden.
Die Figur 2 zeigt eine Darstellung eines Abtastmusters 16. Das Abtastmuster 16 wird durch die Nahfeldstrahlen 9 und die Fernfeldstrahlen 11 gebildet. Die Nahfeldstrahlen 9 sind hierbei diffus und durchsetzen alle Bereiche um die Fernfeldstrahlen 11.
Die Fernfeldstrahlen 11 sind durch horizontale Abstände x und durch vertikale Abstände z voneinander beabstandet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Fernfeldstrahlen 11 in gleichen Abständen x, z voneinander beabstandet.
In den Figuren 3 bis 7 sind schematische Darstellungen von Linsenarrays 10 gezeigt. Das Linsenarray 10 weist eine Vielzahl von Linsen 18 auf. Die Linsen 18 können als Mikrolinsen oder als Makrolinsen ausgestaltet sein und können die Nahfeldstrahlen 9 zu Fernfeldstrahlen 11 fokussieren.
Die Figur 3 zeigt ein Linsenarray 10 mit gleichmäßig verteilten Linsen 18. Die Linsen 18 sind an eine Anordnung von Emittern 8 ausgerichtet.
Die Figur 4 und Figur 5 zeigen weitere Linsenarrays 10 mit ungleichmäßig bzw. unregelmäßig angeordneten Linsen 18. Insbesondere können die Linsen 18 zufällig verteilt sein.
Die Figur 6 zeigt ein Linsenarray 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei dem die Linsen 18 an eine Anordnung der Emitter 8 der Strahlenquelle 6 ausgerichtet sind. Für jeden Emitter 8 ist eine Linse 18 vorgesehen. Die Linsen 18 weisen einen reduzierten Durchmesser auf, wodurch die Nahfeldstrahlen 9 bereichsweise zu Fernfeldstrahlen 11 gebündelt werden. Hierdurch entstehen Zwischenräume bzw. Abstände x, z im Abtastmuster 16, welche durch die Nahfeldstrahlen 9 ausgefüllt werden.
In der Figur 7 ist ein weiteres Linsenarray 10 dargestellt. Das Linsenarray 10 ist zweigeteilt. Durch einen ersten Teil 20 des Linsenarrays 10 können die Nahfeldstrahlen 9 ungehindert passieren. In einem zweiten Teil 22 des Linsenarrays 10 sind die Linsen 18 angeordnet, durch welche die Nahfeldstrahlen 9 zu Fernfeldstrahlen 11 fokussiert werden. Im Unterschied zu den bereits gezeigten Ausführungsformen, ist an jedem Teil 20, 22 des Linsenarrays 10 jeweils eine Linse 24 zum Formen der Nahfeldstrahlen 9 vor einem Auftreffen auf das Linsenarray 10 angeordnet. Die Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit 2 gemäß einerweiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Sendeeinheit 2, wird das Abtastmuster 16 hier durch ein optisches Phased- Array 26 erzeugt.
Die Strahlenquelle 6 ist hier mit dem optischen Phased-Array 26 gekoppelt. Das optische Phased-Array 26 weist eine Vielzahl von Emitterantennen 28 auf, welche zum Einstellen von Phasenverhältnissen und zum Erzeugen des Abtastmusters 16 eingerichtet sind.
Insbesondere kann das optische Phased-Array 26 eine dynamische Ansteuerung der Emitterantennen 28 aufweisen, durch welche das Abtastmuster 16 variiert oder angepasst werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Sendeeinheit (2), insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung (1), aufweisend mindestens eine Strahlenquelle (6) zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen, wobei die von der Strahlenquelle (6) erzeugten Strahlen (9) in zwei Strahlenanteile aufspaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass, ein erster Strahlenanteil der von der mindestens einen Strahlenquelle (6) erzeugten Strahlen (9) durch ein der Strahlenquelle (6) nachgeschaltetes Linsenarray (10) zu Fernfeldstrahlen (11) zum Abtasten eines Fernfelds (AF) eines Abtastbereichs (A) fokussierbar ist und ein zweiter Strahlenanteil als Nahfeldstrahlen (9) zum Abtasten eines Nahfelds (AN) eines Abtastbereichs (A) verwendbar ist.
2. Sendeeinheit nach Anspruch 1, wobei die Nahfeldstrahlen (9) durch das Linsenarray (10) bereichsweise zu einem Abtastmuster (16) aus Fernfeldstrahlen (11) kollimierbar sind, wobei die Fernfeldstrahlen (11) durch gleichmäßige oder ungleichmäßige Abstände (x, z) quer zu einer Ausbreitungsrichtung der Fernfeldstrahlen (11) voneinander beabstandet sind.
3. Sendeeinheit nach Anspruch 2, wobei die Abstände (x, z) zwischen den Fernfeldstrahlen (11) durch Betriebsschwingungen und/oder durch Drehbewegungen der Sendeeinheit (2) kompensierbar sind.
4. Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens eine Strahlenquelle (6) als ein flächig ausgedehntes Array mit einer Vielzahl von Emittern (8) ausgestaltet ist.
5. Sendeeinheit nach Anspruch 4, wobei die Emitter (8) gemeinsam oder unabhängig voneinander zum Emittieren von Nahfeldstrahlen (9) ansteuerbar sind.
6. Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Linsenarray (10) eine Vielzahl von Linsen (18) aufweist, welche einen Teil der erzeugten Nahfeldstrahlen (9) kollimieren, wobei die Linsen (18) gleichmäßig, ungleichmäßig oder zufällig auf dem Linsenarray (10) verteilt sind.
7. Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Linsen (18) des Linsenarrays (10) eine an die Emitter (8) der mindestens einen Strahlenquelle (6) angepasste Größe oder eine geringere Größe als die Emitter (8) aufweisen.
8. Sendeeinheit (2), insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung (1), aufweisend mindestens eine Strahlenquelle (6) zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen, welche unbeweglich, drehbar oder schwenkbar ausgestaltet ist, wobei die mindestens eine Strahlenquelle (6) mit einem optischen Phased- Array (26) strahlenleitend gekoppelt ist und über das optische Phased- Array (26) Fernfeldstrahlen (11) zum Abtasten eines Fernfelds (AF) und Nahfeldstrahlen (9) zum Abtasten eines Nahfelds (AN) eines Abtastbereichs (A) erzeugbar sind.
9. Sendeeinheit nach Anspruch 8, wobei das optische Phased-Array (26) eine Vielzahl von Emitterantennen (28) aufweist, wobei Phasenverhältnisse zwischen den Emitterantennen (28) statisch oder einstellbar ausgestaltet sind.
10. LIDAR-Vorrichtung (1) zum Abtasten von Abtastbereichen (A), aufweisend eine Sendeeinheit (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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