WO2023020736A1 - Lidar-vorrichtung - Google Patents

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WO2023020736A1
WO2023020736A1 PCT/EP2022/067654 EP2022067654W WO2023020736A1 WO 2023020736 A1 WO2023020736 A1 WO 2023020736A1 EP 2022067654 W EP2022067654 W EP 2022067654W WO 2023020736 A1 WO2023020736 A1 WO 2023020736A1
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laser light
laser
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lidar device
optics
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PCT/EP2022/067654
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Stefan Spiessberger
Albert Groening
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
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    • G02B19/0009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only
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    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • G02B27/0961—Lens arrays

Definitions

  • the present invention relates to a LiDAR device with a laser light source that has a plurality of laser emitters that are each set up to generate and emit a laser light signal, and with beam-shaping optics that are set up to direct the laser light signals into a field of view of the LiDAR expand device.
  • Such LiDAR devices are known in the prior art.
  • the transmission path is implemented with beam shaping optics. This means that each laser light signal is emitted into an associated solid angle depending on its position.
  • an uppermost laser emitter then illuminates the lower part of the field of view, a middle laser emitter the middle part of the field of view and a lowermost laser emitter the uppermost part of the field of view. If one of these laser emitters fails, the corresponding part of the field of view of the LiDAR device is no longer illuminated.
  • a LiDAR device in which the beam shaping optics are set up to expand each laser signal in such a way that it illuminates the entire field of view.
  • the LiDAR device has the advantage that the failure of one or more laser emitters of the laser source does not lead to a part of the field of view no longer being illuminated. The formation of blind spots in the field of view of the LiDAR device can be avoided. A high degree of homogeneity of the laser line generated by the laser light signals is achieved.
  • the beam-shaping optics it is possible for the beam-shaping optics to have microlens optics with a multiplicity of microlens elements, with each laser light signal being expanded at at least one microlens element.
  • the beam-shaping optics can be implemented in a structurally simple manner.
  • the beam shaping optics are also designed redundantly. Because if one of the laser emitters fails, the entire field of view of the LiDAR device is still illuminated. However, this happens with a little less power, which can be compensated for, for example, by increasing the power of the laser emitter.
  • the individual laser light signals expanded at the microlens element are mutually superimposed in a far field of the beam-shaping optics.
  • the beam-shaping optics can therefore, for example, be designed in such a way that they illuminate the entire vertical (or horizontal) field of view at any vertical (or horizontal) position of the beam-shaping optics.
  • the individual laser light signals are still spatially separated immediately after the individual microlens elements. However, the laser light signals are then almost completely superimposed in a far field of the beam-shaping optics (typically at distances that are greater than 50 cm). The result is a mixing of the individual laser light signals. Again, if one of the laser emitters fails, full illumination of the entire field of view can still be achieved.
  • the microlens optics are arranged on one or on both sides of a lens of the beam-shaping optics.
  • the type of mixing of the laser light signals mentioned can advantageously be achieved in a structurally simple manner in that the microlens optics are arranged on one or on both sides of a lens of the beam-shaping optics. It is also very advantageous for the microlens optics to be in the form of a honeycomb condenser or for the microlens elements to have a sinusoidal structure.
  • a honeycomb condenser represents a particularly preferred embodiment of the microlens optics, which is arranged on both sides of the lens of the beam shaping optics.
  • the sinusoidal structure of the microlens elements of the microlens optics is particularly advantageous if the microlens optics are only arranged on one side of the lens of the beam shaping optics.
  • the laser emitters are point-shaped or planar and are set up to generate and emit a laser line or a two-dimensional laser flash.
  • the laser source of the LiDAR device can consist of several individual point laser emitters. It can also have elongated flat laser emitters. The laser emitters generate a laser line by emitting the laser light signal. However, it is also possible to illuminate a two-dimensional area with a two-dimensional laser flash.
  • FIG. 1 shows the optical path of a LiDAR device according to the invention
  • FIG. 2 shows a microlens structure according to the invention.
  • FIG. 1 shows the optical path of a LiDAR device according to the invention.
  • the LiDAR device has a laser light source 1, the one Variety of laser emitters 2 includes.
  • the laser emitters 2 each emit a laser light signal 3 .
  • the LiDAR device also has beam-shaping optics 4 with a lens 5 .
  • Microlens optics 6 are arranged on lens 5 .
  • the microlens optics 6 has a multiplicity of microlens elements 7 .
  • each laser light signal 3 impinges on a plurality of microlens elements 7.
  • Each of these microlens elements 7 generates an expanded laser light signal 8 from the impinging laser light signal 3.
  • the laser light signals 8 expanded in this way overlap almost completely in a far field 9 of the beam-shaping optics 4.
  • the beam-shaping optics 4 are designed in such a way that an entire field of view 10 of the LiDAR device is illuminated by each laser emitter 2 at each vertical position of the beam-shaping optics 4 .
  • the individual expanded laser light signals 8 are still spatially separated. However, at larger distances (typically at distances greater than 50 cm), these overlap almost completely in the far field 9 . If one of the laser emitters 2 fails, the entire field of view 10 of the LiDAR device is still illuminated. This happens with a somewhat reduced performance. However, this disadvantage can be compensated for, for example, by increasing the laser power of the remaining laser emitters 2 .
  • the type of mixing of the laser light signals 3 described can best be achieved by a microlens optics 6 which—as shown in FIG. 1—is arranged on both sides of the lens 5 .
  • the microlens optics 6 can be designed, for example, as a honeycomb condenser (fly's eye lens).
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the microlens optics 6. This is only implemented on one side of the lens 5 here.
  • the structure of the arrangement of the microlens elements 7 is sinusoidal here.
  • the invention is shown using the example of a vertical field of view 10 with laser light signals 3 in the form of laser lines.
  • the invention can also be implemented as a laser light signal 3 for a horizontal field of view 10 and a two-dimensional flash.

Abstract

Er wird eine LiDAR-Vorrichtung mit einer Laserlichtquelle (1), die eine Vielzahl von Laseremittern (2) aufweist, die jeweils dazu eingerichtet sind, ein Laserlichtsignal (3) zu erzeugen und auszugeben, und mit einer Strahlformungsoptik (4), die dazu eingerichtet ist, die Laserlichtsignale (3) in ein Sichtfeld (10) der LiDAR-Vorrichtung aufzuweiten, angegeben. Dabei ist die Strahlformungsoptik (4) dazu eingerichtet, jedes Laserlichtsignal (3) derartig aufzuweiten, dass es das gesamte Sichtfeld (10) ausleuchtet.

Description

Beschreibung
Titel
LiDAR-Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine LiDAR-Vorrichtung mit einer Laserlichtquelle, die eine Vielzahl von Laseremittern aufweist, die jeweils dazu eingerichtet sind, ein Laserlichtsignal zu erzeugen und auszugeben, und mit einer Strahlformungsoptik, die dazu eingerichtet ist, die Laserlichtsignale in ein Sichtfeld der LiDAR-Vorrichtung aufzuweiten.
Stand der Technik
Derartige LiDAR-Vorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt. In diesen LiDAR-Vorrichtungen wird der Sendepfad mit einer Strahlformungsoptik realisiert. Dies bedeutet, jedes Laserlichtsignal wird abhängig von seiner Position in einen dazugehörigen Raumwinkel ausgesendet. Dabei beleuchtet dann beispielsweise ein oberster Laseremitter den unteren Teil des Sichtfeldes, ein mittlerer Laseremitter den mittleren Teil des Sichtfeldes und ein unterster Laseremitter den obersten Teil des Sichtfeldes. Fällt einer dieser Laseremitter aus, dann wird der korrespondierende Teil des Sichtfeldes der LiDAR-Vorrichtung nicht mehr ausgeleuchtet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine LiDAR-Vorrichtung zur Verfügung gestellt, bei der die Strahlformungsoptik dazu eingerichtet ist, jedes Lasersignal derartig aufzuweiten, dass es das gesamte Sichtfeld ausleuchtet.
Vorteile der Erfindung
Die LiDAR-Vorrichtung hat den Vorteil, dass der Ausfall eines oder mehrerer Laseremitter der Laserquelle nicht dazu führt, dass ein Teil des Sichtfeldes nicht mehr ausgeleuchtet wird. Die Entstehung blinder Flecken im Sichtfeld der LiDAR- Vorrichtung kann vermieden werden. Er wird eine hohe Homogenität der durch die Laserlichtsignale erzeugten Laserlinie erreicht.
Dabei ist es möglich, dass die Strahlformungsoptik eine Mikrolinsenoptik mit einer Vielzahl von Mikrolinsenelementen aufweist, wobei jedes Laserlichtsignal an mindestens einem Mikrolinsenelement aufgeweitet wird.
Hierdurch kann zum einen die Strahlformungsoptik auf eine konstruktiv einfache Weise realisiert werden. Zum anderen ist die Strahlformungsoptik auch redundant ausgelegt. Denn falls einer der Laseremitter ausfällt, so wird nach wie vor das gesamte Sichtfeld der LiDAR-Vorrichtung ausgeleuchtet. Dies geschieht allerdings mit etwas weniger Leistung, was beispielsweise durch eine Erhöhung der Leistung der Laseremitter ausgeglichen werden kann.
In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die einzelnen an dem Mikrolinsenelement aufgeweiteten Laserlichtsignale in einem Fernfeld der Strahlformungsoptik gegenseitig überlagern.
Die Strahlformungsoptik kann daher beispielsweise derartig ausgestaltet sein, dass sie an jeder vertikalen (oder horizontalen) Position der Strahlformungsoptik das gesamte vertikale (oder horizontale) Sichtfeld ausleuchtet. Unmittelbar nach den einzelnen Mikrolinsenelementen sind die einzelnen Laserlichtsignale zwar noch räumlich getrennt. Allerdings überlagern sich die Laserlichtsignale in einem Fernfeld der Strahlformungsoptik (typischerweise bei Abständen, die größer als 50 cm sind) dann nahezu vollständig. Es entsteht eine Durchmischung der einzelnen Laserlichtsignale. Wiederum gilt, dass wenn einer der Laseremitter ausfällt, dennoch eine vollständige Ausleuchtung des gesamten Sichtfeldes erreicht werden kann.
Dabei ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Mikrolinsenoptik auf einer oder auf beiden Seiten einer Linse der Strahlformungsoptik angeordnet ist.
Die erwähnte Art der Durchmischung der Laserlichtsignale kann vorteilhaft auf konstruktiv einfache Weise dadurch erreicht werden, dass die Mikrolinsenoptik auf einer oder auf beiden Seiten einer Linse der Strahlformungsoptik angeordnet ist. Weiter ist sehr vorteilhaft, dass die Mikrolinsenoptik als ein Wabenkondensor ausgebildet ist oder die Mikrolinsenelemente eine sinusförmige Struktur aufweisen.
Ein Wabenkondensor (Fly’s Eye Linse) stellt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Mikrolinsenoptik dar, die auf beiden Seiten der Linse der Strahlformungsoptik angeordnet ist. Die sinusförmige Struktur der Mikrolinsenelemente der Mikrolinsenoptik ist besonders vorteilhaft, falls die Mikrolinsenoptik nur auf einer Seite der Linse der Strahlformungsoptik angeordnet ist.
Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Laseremitter punktförmig oder flächenförmig ausgebildet sind und dazu eingerichtet sind, eine Laserlinie oder einen zweidimensionalen Laserflash zu erzeugen und auszugeben.
Die Laserquelle der LiDAR-Vorrichtung kann aus mehreren einzelnen punktförmigen Laseremittern bestehen. Sie kann ebenso langgezogene flächige Laseremitter aufweisen. Die Laseremitter erzeugen eine Laserlinie durch die Aussendung des Laserlichtsignals. Es ist jedoch ebenso möglich, mit einem zweidimensionalen Laserflash einen zweidimensionalen Bereich auszuleuchten.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 den optischen Pfad einer erfindungsgemäßen LiDAR-Vorrichtung;
Figur 2 eine erfindungsgemäße Mikrolinsenstruktur.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist der optische Pfad einer erfindungsgemäßen LiDAR-Vorrichtung gezeigt. Die LiDAR-Vorrichtung weist eine Laserlichtquelle 1 auf, die eine Vielzahl von Laseremittern 2 umfasst. Die Laseremitter 2 senden jeweils ein Laserlichtsignal 3 aus. Weiter weist die LiDAR-Vorrichtung eine Strahlformungsoptik 4 mit einer Linse 5 auf. Auf der Linse 5 ist eine Mikrolinsenoptik 6 angeordnet. Die Mikrolinsenoptik 6 weist eine Vielzahl von Mikrolinsenelementen 7 auf.
Es ist nun in Fig. 1 erkennbar, dass die Laserlichtsignale 3 der einzelnen Laseremitter 2 der Laserquelle 1 in der Strahlformungsoptik 4 auf die Linse 5 mit der Mikrolinsenoptik 6 treffen. Dabei trifft im gezeigten Beispiel jedes Laserlichtsignal 3 auf mehrere Mikrolinsenelemente 7. Jedes dieser Mikrolinsenelemente 7 erzeugt aus dem auftreffenden Laserlichtsignal 3 ein aufgeweitetes Laserlichtsignal 8. Die derartig aufgeweiteten Laserlichtsignale 8 überlappen sich in einem Fernfeld 9 der Strahlformungsoptik 4 nahezu vollständig.
In dem gezeigten Beispiel der Fig. 1 ist die Strahlformungsoptik 4 derartig ausgeführt, dass an jeder vertikalen Position der Strahlformungsoptik 4 ein gesamtes Sichtfeld 10 der LiDAR-Vorrichtung von jedem Laseremitter 2 ausgeleuchtet wird. Unmittelbar nach der Mikrolinsenoptik 6 sind die einzelnen aufgeweiteten Laserlichtsignale 8 zwar noch räumlich getrennt. Diese überlagern sich aber bei größeren Abständen (typischerweise bei Abständen größer als 50 cm) im Fernfeld 9 nahezu vollständig. Fällt also einer der Laseremitter 2 aus, so wird dennoch nach wie vor das gesamte Sichtfeld 10 der LiDAR-Vorrichtung ausgeleuchtet. Dies geschieht zwar mit einer etwas reduzierten Leistung. Dieser Nachteil kann jedoch beispielsweise durch die Erhöhung der Laserleistung der verbliebenen Laseremitter 2 kompensiert werden.
Die beschriebene Art der Durchmischung der Laserlichtsignale 3 kann am besten durch eine Mikrolinsenoptik 6 erreicht werden, die - wie in Fig. 1 gezeigt - auf beiden Seiten der Linse 5 angeordnet ist. Die Mikrolinsenoptik 6 kann hierzu beispielweise als Wabenkondensor (Fly’s Eye Linse) ausgeführt sein.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Mikrolinsenoptik 6. Diese ist hier auf der Linse 5 nur einseitig ausgeführt. Die Struktur der Anordnung der Mikrolinsenelemente 7 ist hier sinusförmig ausgebildet. ln den gezeigten Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 ist die Erfindung am Beispiel eines vertikalen Sichtfelds 10 mit Laserlichtsignalen 3 in der Form von Laserlinien gezeigt. Die Erfindung kann jedoch ebenso für ein horizontales Sichtfeld 10 und einem zweidimensionalen Flash als Laserlichtsignal 3 realisiert werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

- 6 - Ansprüche
1. LiDAR-Vorrichtung mit einer Laserlichtquelle (1), die eine Vielzahl von Laseremittern (2) aufweist, die jeweils dazu eingerichtet sind, ein Laserlichtsignal (3) zu erzeugen und auszugeben, und mit einer Strahlformungsoptik (4), die dazu eingerichtet ist, die Laserlichtsignale (3) in ein Sichtfeld (10) der LiDAR-Vorrichtung aufzuweiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (4) dazu eingerichtet ist, jedes Laserlichtsignal (3) derartig aufzuweiten, dass es das gesamte Sichtfeld (10) ausleuchtet.
2. LiDAR-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strahlformungsoptik (4) eine Mikrolinsenoptik (6) mit einer Vielzahl von Mikrolinsenelementen (7) aufweist, wobei jedes Laserlichtsignal (3) an mindestens einem Mikrolinsenelement (7) aufgeweitet wird.
3. LiDAR-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei sich die einzelnen an dem Mikrolinsenelement (7) aufgeweiteten Laserlichtsignale (3) in einem Fernfeld (9) der Strahlformungsoptik (4) gegenseitig überlagern.
4. LiDAR-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Mikrolinsenoptik (6) auf einer oder auf beiden Seiten einer Linse (5) der Strahlformungsoptik (4) angeordnet ist.
5. LiDAR-Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Mikrolinsenoptik (6) als ein Wabenkondensor ausgebildet ist oder die Mikrolinsenelemente (7) eine sinusförmige Struktur aufweisen.
6. LiDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Laseremitter (2) punktförmig oder flächenförmig ausgebildet sind und dazu - 7 - eingerichtet sind, eine Laserlinie oder einen zweidimensionalen Laserflash zu erzeugen und auszugeben.
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