Title:
Optische Anordnung für ein LiDAR-System, LiDAR-System und Arbeitsvorrichtung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung (10) für ein LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder für ein Fahrzeug, mit einer segmentiert mit einer – insbesondere ungeraden – Mehrzahl optisch abbildender Segmente (31) ausgebildeten Empfängeroptik (30), bei welcher die optisch abbildenden Segmente (31) der Empfängeroptik (30) nebeneinander angeordnet sind.





Inventors:
Stoppel, Klaus (74395, Mundelsheim, DE)
Kaestner, Frank (74321, Bietigheim-Bissingen, DE)
Frederiksen, Annette (71272, Renningen, DE)
Ostrinsky, Joern (71254, Ditzingen, DE)
Schnitzer, Reiner (72762, Reutlingen, DE)
Application Number:
DE102016213348A
Publication Date:
01/25/2018
Filing Date:
07/21/2016
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:
G01S7/481; G01S17/88
Domestic Patent References:
DE10161233A1N/A
DE10331074A1N/A
Foreign References:
5227784
EP2910970
Claims:
1. Optische Anordnung (10) für ein LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, oder für ein Fahrzeug,
– mit einer segmentiert mit einer – insbesondere ungeraden – Mehrzahl optisch abbildender Segmente (31) ausgebildeten Empfängeroptik (30),
– bei welcher die optisch abbildenden Segmente (31) der Empfängeroptik (30) nebeneinander angeordnet sind.

2. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1,
bei welcher die optisch abbildenden Segmente (31) der Empfängeroptik (30) angeordnet sind:
– in einer Richtung senkrecht zu einer Empfangsrichtung der Empfängeroptik (30),
– in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Strahlengangs der Empfängeroptik (30),
– entlang einer – vorzugsweise geraden – Linie,
– horizontal und/oder vertikal benachbart zueinander in Bezug auf eine Ausrichtung des zu Grunde liegenden LiDAR-Systems (1) oder einer zu Grunde liegenden Arbeitsvorrichtung.

3. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2,
– mit einer Detektoranordnung (20) und
– bei welcher die Empfängeroptik (30) zur optischen Abbildung des Sichtfeldes (50) auf die Detektoranordnung (20) ausgebildet ist.

4. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher jedes Segment (31) zur optischen Abbildung eines zugeordneten Segments (51) des Sichtfeldes (50) auf die Detektoranordnung (20) ausgebildet ist.

5. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Gesamtheit aller – den optisch abbildenden Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) zugeordneten – Segmente (51) des Sichtfeldes (50) das Sichtfeld (50) überdecken.

6. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher den optisch abbildenden Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) zugeordnete Segmente (51) des Sichtfeldes (50) keinen Überlapp oder einen Überlapp von weniger als 10 %, vorzugsweise von weniger als 5 %, weiter bevorzugt von weniger als 2 % des jeweils überstrichenen Raumwinkels miteinander aufweisen.

7. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher den optisch abbildenden Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) zugeordnete Segmente (51) des Sichtfeldes (50) direkt zueinander benachbart – insbesondere aneinander angrenzend – oder zueinander räumlich beabstandet angeordnet sind.

8. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern rückbezogen auf Anspruch 3,
bei welcher
– die Detektoranordnung (20) segmentiert mit einer Mehrzahl von Detektorsegmenten (21) ausgebildet ist und insbesondere
– eine 1-zu-1-Korrespondenz besteht zwischen den optisch abbildenden Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) und den Detektorsegmenten (21) und/oder die Detektorsegmente (21) eine zur räumlichen Anordnung der optisch abbildenden Segmente (31) der Empfängeroptik (30) korrespondierende räumliche Anordnung aufweisen.

9. Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
– mit einer segmentiert mit einer Mehrzahl optischer Segmente (61) ausgebildeten Senderoptik (60) zum Ausleuchten des Sichtfeldes (50) mit Licht, insbesondere mit aufgeteiltem Strahlengang,
– bei welcher eine 1-zu-1-Korrespondenz besteht zwischen den optisch abbildenden Segmenten (31) der Empfängeroptik (30) und den optischen Segmenten (61) der Senderoptik (60) und/oder die optischen Segmente (61) der Senderoptik (60) eine zur räumlichen Anordnung der optisch abbildenden Segmente (31) der Empfängeroptik (30) korrespondierende räumliche Anordnung aufweisen.

10. Optische Anordnung (10) nach Anspruch 9, bei welcher zur Nutzung des Parallaxeneffekts ein optisches Segment (61) der Senderoptik (60) und ein optisch abbildendes Segment (31) der Empfängeroptik (30) räumlich derart voneinander beabstandet sind in einer Richtung senkrecht zu einer Sende- und/oder Empfangsrichtung der Senderoptik bzw. der Empfängeroptik (30) und/oder in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Strahlengangs der Empfängeroptik (30) und/oder der Senderoptik (60).

11. LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder für ein Fahrzeug, mit einer optischen Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

12. Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug, mit einem LiDAR-System (1) nach Anspruch 11 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).

Description:
Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung für ein LiDAR-System, ein LiDAR-System sowie eine Arbeitsvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine optische Anordnung für ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes als solches und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen. Des Weiteren wird durch die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug geschaffen.

Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall, kommen vermehrt auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-System (englisch: LiDAR: light detection and ranging).

Bei bekannten LiDAR-Systemen besteht ein Nachteil dahingehend, dass zum Erzielen einer hohen Genauigkeit beim Abtasten des Sichtfeldes die erforderliche große Empfangs- oder Eingangsapertur des LiDAR-Systems herkömmlicher Weise nur mit einer entsprechenden Baugröße zur Ausbildung der optischen Anordnung mit der Empfangsoptik erreicht werden kann. Dies reduziert die Flexibilität des Einsatzes bekannter LiDAR-Systeme.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße optische Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sich trotz einer großen empfängerseitiger Apertur eine flexible Anordenbarkeit der optischen Anordnung bei verringerter Bauhöhe oder Baubreite ergibt. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine optische Anordnung für ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, geschaffen wird mit einer segmentiert mit einer – insbesondere ungeraden – Mehrzahl optisch abbildender Segmente ausgebildeten Empfängeroptik, bei welcher die optisch abbildenden Segmente der Empfängeroptik nebeneinander angeordnet sind. Durch (i) die segmentierte Ausgestaltung der Empfängeroptik mit einer Mehrzahl optisch abbildender Segmente und (ii) die Anordenbarkeit der Segmente der Empfängeroptik nebeneinander kann in Abhängigkeit von den baulichen Gegebenheiten des Anwendungsfalls die Mehrzahl der optisch abbildenden Segmente der Empfängeroptik in geeigneter Weise verteilt angeordnet werden, so dass der Bauraum ebenfalls entsprechend aufgeteilt werden kann.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Bei der Anordnung der Segmente der Empfängeroptik bieten sich vielfältige geometrische Möglichkeiten an, um dem jeweiligen Anwendungsfall gerecht zu werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der optischen Anordnung ist es vorgesehen, dass die optisch abbildenden Segmente der Empfängeroptik angeordnet sind oder werden

  • – in einer Richtung senkrecht zu einer Empfangsrichtung der Empfängeroptik,
  • – in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Strahlengangs der Empfängeroptik,
  • – entlang einer – vorzugsweise geraden – Linie und/oder
  • – horizontal und/oder vertikal benachbart zueinander in Bezug auf eine Ausrichtung des zu Grunde liegenden LiDAR-Systems oder der zu Grunde liegenden Arbeitsmaschine.

Sämtliche Maßnahmen können beliebig miteinander kombiniert und gegebenenfalls um zusätzliche Maßnahmen ergänzt werden, insbesondere um im Vergleich zu einer herkömmlichen und nicht segmentierten Ausgestaltung eine verringerte Bauhöhe zu erzielen, z.B. mit einer vergleichsweise flachen lateral langestreckten Bauform. Stattdessen können die erfindungsgemäß möglichen Maßnahmen auch zur Reduktion einer lateralen Erstreckung der optischen Anordnung des LiDAR-Systems eingesetzt werden, um horizontal schmale und vertikal stärker ausgedehnte Struktur zu erhalten. Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen kann also eine schmale oder flache Bauform für die optischen Anordnung mit einer erzielt werden, deren Ausrichtung im Raum durch die Wahler der Segmentierung und die Anordnung nebeneinander bestimmt wird.

Die Angaben „vertikal“ und „horizontal“ beziehen sich auf die Geometrie eines Bezugssystems des jeweiligen Anwendungsfalls und insbesondere auf die Ausrichtung eines Schwerefeldes, z.B. das der Erde.

Besonders vorteilhaft ist die optische Anordnung im Zusammenwirken der Empfängeroptik mit einer Detektoranordnung.

So ist es bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung vorgesehen, dass die Empfängeroptik zur optischen Abbildung des Sichtfeldes auf einer vorgesehenen Detektoranordnung ausgebildet ist.

Entsprechend ist von besonderem Vorteil, wenn jedes Segment der Empfängeroptik zur optischen Abbildung eines zugeordneten Segments des Sichtfeldes auf die Detektoranordnung ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme findet eine Zuordnung zwischen den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik und den Segmenten des Sichtfeldes statt.

Eine besonders genaue Erfassung des abzutastenden Sichtfeldes ergibt sich dann, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung die Gesamtheit aller – den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik zugeordneten – Segmente des Sichtfeldes das Sichtfeld insgesamt überdecken.

Besonders günstige Abbildungsverhältnisse stellen sich im Hinblick auf eine gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Segmente der Empfängeroptik ein, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik zugeordnete Segmente des Sichtfeldes keinen Überlapp oder einen Überlapp von weniger als 10 %, vorzugsweise von weniger als 5 %, weiter bevorzugt von weniger als 2 % des jeweils überstrichenen Raumwinkels miteinander aufweisen.

Für ein minimales System ist eine verschwindender Überlapp am besten geeignet. Um eine Justage zu unterstützen und genauer zu gestalten, kann ein Überlapp aber auch vorteilhaft sein. Das Maß des Überlapps sollte natürlich so klein wie möglich und so groß wie nötig gewählt werden.

Es ist insbesondere denkbar, dass eine Segmentierung mit nur zwei Elementen erfolgt. In diesem Fall könnte ein größerer Überlapp gewünscht sein. Denn genau die Richtung unter 0° zur optischen Achse würde am Rand der beiden Segmente liegen. Am Rand sind Optiken hinsichtlich der Qualität der Abbildung meist schlechter, z.B. wegen der Vignettierungen etc. Dies kommt einer verringerten Reichweite gleich. Diesem Zustand könnte entgegengewirkt werden, indem z.B. der Überlappungsbereich etwas großer ausgeführt wird, damit dieser wichtige Bereich des Sichtfeldes doppelt detektiert wird.

Eine besonders kompakte optische Anordnung lässt sich erreichen, indem den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik zugeordnete Segmente direkt zueinander benachbart sind oder werden, insbesondere in aneinander angrenzende Art und Weise.

Alternativ dazu ist es möglich, dass den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik zugeordnete Segmente des Sichtfeldes zueinander räumlich beabstandet angeordnet sind oder werden. Auf diese Weise lässt sich eine räumlich verteilte Bauform erzielen, die den jeweiligen Anwendungsfällen angepasst werden kann.

Wie oben im Detail dargelegt wurde, ist ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung das Konzept der Segmentierung und Neuanordnung, hier der Empfängeroptik.

Das Konzept der Segmentierung lässt sich alternativ oder zusätzlich auch auf den Aufbau der Detektoranordnung übertragen.

So ist es gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der optischen Anordnung vorgesehen, dass die Detektoranordnung segmentiert mit einer Mehrzahl von Detektorsegmenten ausgebildet ist oder wird und dass insbesondere eine 1-zu-1-Korrespondenz besteht zwischen den optisch abbildenden Segmenten der Empfängeroptik und den Detektorsegmenten und/oder dass die Detektorsegmente eine zur räumlichen Anordnung der optisch abbildenden Segmente der Empfängeroptik korrespondierende räumliche Anordnung aufweisen.

Unter einer möglichen Korrespondenz der räumlichen Anordnung soll hier vorangehend und nachfolgend z.B. eine gleiche Ausrichtung der Anordnung verstanden werden, z.B. horizontal, vertikal oder eine beliebige andere Richtung.

Darüber hinaus ist es denkbar, das Konzept der Segmentierung und verteilten Anordnung alternativ oder zusätzlich auf eine oder die Senderoptik der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zu übertragen.

So ist es von besonderem Vorteil, wenn die erfindungsgemäße optische Anordnung ausgebildet ist mit einer segmentiert mit einer Mehrzahl optischer Segmente ausgebildeten Senderoptik zum Ausleuchten des Sichtfeldes mit Licht, insbesondere mit aufgeteiltem Strahlengang, bei welcher eine 1-zu-1-Korrespondenz besteht zwischen den optischen abbildenden Segmenten der Empfängeroptik und den optischen Segmenten der Senderoptik und/oder die optischen Segmente der Senderoptik eine zur räumlichen Anordnung der optisch abbildenden Segmente der Empfängeroptik korrespondierende räumliche Anordnung aufweisen.

In diesem Zusammenhang geht es insbesondere darum, dass die sendeseitige Segmentierung mit der empfangsseitigen Segmentierung übereinstimmt. Dies kann bei bestimmten Ausführungsformen so sein, ist aber nicht zwingend.

Alternativ könnte sendeseitig das z.B. gesamte Sichtfeld mit einem durch einen Mikrospiegel abgelenkten Strahl beleuchtet werden und nur empfangsseitig eine Segmentierung vorliegen.

Unter Licht soll hier neben elektromagnetsicher Strahlung im für den Menschen sichtbaren Bereich auch IR-Strahlung verstanden werden, z.B. – aber nicht ausschließlich – im Bereich von 905 nm.

In der Anwendung bietet die Segmentierung der Sendeoptik besondere Vorteile, indem nämlich zur Nutzung des Parallaxeneffekts ein optisches Segment der Senderoptik und ein optisch abbildendes Segment der Empfängeroptik räumlich derart voneinander beabstandet sind in einer Richtung senkrecht zu einer Sende- und/oder Empfangsrichtung der Senderoptik bzw. der Empfängeroptik und/oder in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Strahlengangs der Empfängeroptik und/oder der Senderoptik.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung des Weiteren ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen. Das erfindungsgemäße LiDAR-System ist mit einer optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Arbeitsvorrichtung geschaffen, welche mit einem LiDAR-System gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, welches der optischen Erfassung eines Sichtfeldes dient.

Bei der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung kann es sich insbesondere um eine Arbeitsmaschine, ein Fahrzeug, einen Roboter oder eine andere allgemeine Produktions- oder Betriebsanlage handeln.

Kurzbeschreibung der Figuren

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.

1 zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms den Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems.

2 zeigt in seitlicher Querschnittsansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit Fokus auf die Empfängeroptik.

3 bis 6 zeigen in schematischer und perspektivischer Darstellung andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems unter Verwendung einer Ausführungsform der optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.

7 und 8 zeigen in schematischer Darstellung eine vertikale bzw. eine horizontale Aufteilung eines Sichtfeldes in Segmente bei Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung.

9 Beschreibt schematisch Aspekte der Entfernungsbestimmung durch Triangulation unter Ausnutzung des Parallaxeneffekts.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.

Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.

1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10.

Das LiDAR-System 1 gemäß 1 weist eine Senderoptik 60 auf, welche von einer Lichtquelle 65, z.B. in Form eines Lasers, gespeist wird und primäres Licht 70 – ggf. nach Durchlaufen einer Strahlformungsoptik 66 – in ein Sichtfeld 50 zur Untersuchung eines dort befindlichen Objekts 52 aussendet.

Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 gemäß 1 eine Empfängeroptik 30 auf, welche vom Objekt 52 im Sichtfeld 50 reflektiertes sekundäres Licht 80 über ein Objektiv 34 als Primäroptik empfängt und – gegebenenfalls über eine Sekundäroptik 35 – an eine Detektoranordnung 20 überträgt.

Die Steuerung der Lichtquelle 65 sowie der Detektoranordnung 20 erfolgt über Steuerleitungen 42 bzw. 41 mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 40.

In der 1 ist das Konzept der Segmentierung der optischen Komponenten des LiDAR-Systems 1 in dreierlei Hinsicht schematisch dargestellt, dies ist jedoch nicht zwingend.

Zum einen weist die Empfängeroptik 30 eine Mehrzahl optisch abbildender Segmente 31 im Bereich des Objektivs 34 auf, z.B. in Form einer Mehrzahl entsprechend geometrisch ausgebildeter Objektivlinsen. Jedem optisch abbildenden Segment 31 ist ein entsprechender Raumwinkelbereich vor dem Objektiv 34 zugeordnet, der ein Segment 51 des Sichtfeldes 50 des LiDAR-Systems 1 bildet.

Die Zuordnung erfolgt durch Ausrichtung der optisch abbildenden Segmente 31 in Bezug aufeinander und in Bezug auf das gewünschte Sichtfeldfeld 50.

Im Betrieb bildet durch diese Zuordnung durch Ausrichtung ein jeweiliges optisch abbildendes Segment 31 der Empfängeroptik 30 ein Segment 51 des Sichtfeldes 50 durch Empfang des sekundären Lichts 80 auf die Detektoranordnung 50 ab.

Die Sichtfeldsegmente 51 überdecken das Sichtfeld 50 zur Gänze, d.h. das ganze Sichtfeld 50 wird in Form der abgebildeten Sichtfeldsegmente 51 durch deren Gesamtheit erfasst.

Ein weiterer Aspekt der Segmentierung findet sich bei der Ausführungsform gemäß 1 bei dem erfindungsgemäßen LiDAR-System 1 im Bereich der Ablenkoptik 62 der Senderoptik 60, und zwar durch das Vorsehen einer Mehrzahl optischer Segmente 61. Es kann sich dabei z.B. um eine Mehrzahl voneinander unabhängig steuerbarer Spiegelelemente handeln, die voneinander unterschiedliche Raumwinkelbereiche des LiDAR-Systems mit primärem Licht 70 beaufschlagen und ggf. abtasten.

Ein dritter Aspekt der Segmentierung bei der Ausführungsform des LiDAR-Systems 1 gemäß 1 ist im Bereich der Detektoranordnung 20 durch das Vorsehen einer Mehrzahl von Detektorsegmenten 21 realisiert.

2 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform der optischen Anordnung 10 für ein LiDAR-System 1 mit Fokus auf die Empfängeroptik 30 und die Detektoranordnung 20.

Dargestellt ist ein Sichtfeld 50 des LiDAR-Systems 1 mit Sichtfeldsegmenten 51, die einander überlappen und in ihrer Kombination das gesamte Sichtfeld 50 im Raumwinkel überdecken.

Das Überlappen der einzelnen Sichtfeldsegmente 51 ist nicht zwingend erforderlich und ist vorteilhafterweise nur minimal, so dass keine Beobachtungslücken im Randbereich aneinander angrenzender Sichtfeldsegmente 51 des Sichtfeldes 50 entstehen. Wie oben bereits erwähnt wurde kann ein Überlapp andererseits bei bestimmten Ausführungsformen für den Ausgleich von Justagetoleranzen hilfreich sein.

Jedes Sichtfeldsegment 51 ist einem optisch abbildenden Segment 31 der Empfängeroptik 30, z.B. im Sinne eines Objektivs 34, zugeordnet. Die Zuordnung ist dergestalt, dass durch das Abbilden des optischen abbildenden Segments 31 der Empfängeroptik 30 genau das zugeordnete Sichtfeldsegment 51 optisch auf die Detektoranordnung 20 abgebildet wird. Dabei ist bei der Ausführungsform gemäß 2 wesentlich, dass eine 1-zu-1-Korrespondenz besteht zwischen einem jeweiligen Detektorsegment 21, einem optisch abbildenden Segment 31 der Empfängeroptik 30 und dem zugeordneten Sichtfeldsegment 51. Diese 1-zu-1-Korrespondenz ist zwar von Vorteil, jedoch nicht zwingen erforderlich.

Jedes Detektorsegment 21 der Detektoranordnung 20 gemäß 2 besteht aus einer Mehrzahl von Detektorelementen 22.

3 zeigt in schematischer und teilweise perspektivischer Ansicht eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 mit zwei optisch abbildenden Segmenten 31 der Empfängeroptik 30 in Form eines Objektivs 34, welche jeweils sekundäres Licht 80 aus dem Sichtfeld 50 auf ein jeweiliges Detektorsegment 21 der Detektoranordnung 20 mit einer Mehrzahl von sechs Detektorelementen 22 abbilden.

4 zeigt in schematischer und perspektivischer Ansicht eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1, bei welcher die Segmentierung im Bereich der Empfängeroptik 30 mit einer Mehrzahl optisch abbildender Segmente 31 im Zusammenhang mit der Senderoptik 60 genutzt werden kann, um über einen mit 90 bezeichneten Abstand 90 zwischen einem optischen Segment 61 der Senderanordnung 60, z.B. im Sinne einer Ablenkoptik oder eines Ablenkspiegels 62, der Parallaxeneffekt ausgenutzt werden kann, um weitere Informationen über die Geometrie des Sichtfeldes 50 und insbesondere über einen Abstand eines im Sichtfeld 50 enthaltenen Objekts 52 zu erhalten.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 gemäß 5, welches in perspektivischer Seitenansicht dargestellt ist, sind die Empfängeroptik 30 und die Senderoptik 60 jeweils mit zwei Segmenten 31 bzw. 61 ausgebildet.

6 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1.

Bei dieser findet eine Segmentierung der Senderoptik 60 über das Vorsehen eines Paares räumlich getrennter Umlenkspiegel 62 als Segmente 61 der Senderoptik 60 zur Ausstrahlung des primären Lichts 70 statt.

Eine Segmentierung der Empfängeroptik 30 zum Empfangen und Abbilden des sekundären Lichts 80 wird bei der Ausführungsform des LiDAR-Systems 1 gemäß 6 durch die Facettenoptik der Fresnellinse 32 der Empfängeroptik 30 gebildet. Dabei bilden die einzelnen Facetten die Segmente 31 der Empfängeroptik, gegebenenfalls mit einer entsprechenden Zuordnung der Segmente 51 eines Sichtfeldes 50 mit dem darin enthaltenen Objekt 52.

In 6 ist eine einzelne Fresnellinse 32 dargestellt. Diese kann z.B. genutzt werden, um die Bautiefe einer normalen Linse zu reduzieren. Hier wäre es aber auch denkbar, eine Facettenoptik – ggf. auch ohne Fresnelstruktur – vorzusehen, zumal Fresnelstrukturen Nachteile haben können, speziell bei bestimmten Beobachtungswinkeln.

Bei der Ausführungsform gemäß 6 weist das LiDAR-System 1 zwei Detektorsegmente 21 mit einer Mehrzahl von Detektorelementen 22 in der Detektoranordnung 20 auf.

Die 7 und 8 zeigen eine vertikale bzw. eine horizontale Segmentierung eines Sichtfeldes 50 mit einzelnen Sichtfeldsegmenten 51.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung beziehen sich die räumlichen Begriffe „horizontal“, „vertikal“ und dergleichen auf eine übliche Anordnung eines LiDAR-Systems 1 im Zusammenhang mit einer zu Grunde liegenden Vorrichtung, vorzugsweise im Schwerefeld der Erde.

Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Bei LiDAR-Systemen wird oft ein Objektiv als Empfängeroptik 30 mit einer runden Apertur im Empfangspfad verwendet. Vorgesehene Detektoren 22 einer Detektoranordnung 20 liegen im Abbildungsbereich dieses einen Objektivs 34. Das gesamte Sichtfeld (FOV: field of view) wird durch dieses Objektiv 34 abgebildet.

Um eine möglichst große Anzahl Photonen einzusammeln, ist es vorteilhaft, eine große Empfangsapertur zu haben, dies führt bei einer runden Linse zu einer großen Bauform.

Es sind aber LiDAR-Sensoren in flacher, langgestreckter Bauweise gewünscht, so dass diese z.B. zwischen die Rippen eines Autokühlergrills passen.

Zudem kann bei der konventionellen Bauweise, Wärme im Inneren nicht ausreichend effektiv abtransportiert werden. Eine flache Bauweise kann das thermische Verhalten eines LiDAR-Systems dahingehend verbessern.

Eine Kernidee der vorliegenden Erfindung ist die Zerlegung von Funktionselementen der Empfängeroptik 30 – z.B. der Objektivlinsen 34 – und ggf. auch der Detektorchips 21, Laserquelle 65 und/oder des Sendepfades 60 in mindestens zwei Elemente, die insbesondere räumlich nebeneinander und/oder übereinander angeordnet werden, so dass eine flache Bauweise entsteht. Dabei kann das zuvor einheitliche Sichtfeld 50 oder Field-of-View (FoV) horizontal oder vertikal aufgeteilt werden, wie dies in den 7 und 8 gezeigt ist, so dass dabei eine flache Bauweise des Systems 1 entsteht.

Bei diesem Ansatz können auch die Linsen einer Facettenoptik in einzelne Elemente zerlegt werden um die Bautiefe zu reduzieren. Auch gekippte Linsenelemente, um eine Dimension des FOV 50 in andere zu überführen, sind denkbar.

Es ergeben sich erfindungsgemäß folgende Vorteile:

  • – Eine flache Bauform ist möglich.
  • – Es sind neue Einbaupositionen möglich, z.B. zwischen die Rippen eines Auto-Kühlergrills.
  • – Es ist verteilte Bauform möglich.
  • – Der Parallaxeneffekts kann genutzt werden.

3 zeigt eine Möglichkeit, wie durch Aufteilung von Linsen im Objektiv 34 der Empfängeroptik 30 und Detektorflächen oder -segmente 21 der Detektoranordnung 20 eine insgesamt gleich bleibende Empfangsfläche gewährleistet und gleichzeitig eine flache Bauform erzeugt werden kann.

Bei einer Aufteilung der Empfangsoptik 30 in zwei oder andere geradezahlige Anzahl von Linsen als Segmente 31 besteht die Möglichkeit die Senderoptik 60 zwischen die zwei oder mehr Elemente anzuordnen.

Es kann aber auch eine ungerade Anzahl – z.B. von drei – Linsen als Segmente 31 der Empfängeroptik 30 genutzt werden. Dabei besteht der Vorteil besonders geeigneter Abbildungseigenschaften in der Mitte.

Dieses Konzept bietet auch die Möglichkeit die Sende- und Empfangselemente oder -segmente 31 bzw. 61 und/oder die einzelnen Detektorsegmente 21 oder Detektorelemente 22 flexible anzuordnen, wie dies in den 4 und 5 angedeutet ist.

Bei einer verteilten Bauweise gemäß 4 kann auch der Parallaxeneffekt genutzt werden, um weitere Informationen zur Entfernungsbestimmung zu erhalten.

Auch eine Aufteilung des Sendepfades mit der Senderanordnung 60 ist denkbar und in 5 angedeutet. Hier kann die Empfangsoptik 30 mittig zwischen den Segmenten 61 der Senderanordnung 60 oder des Sendepfades angeordnet werden. Bei der Aufteilung des Sendepfades kann z.B. mit zwei Lasern gearbeitet werden oder mit einem Laser der vor dem Verlassen des Gerätes noch einmal gesplittet wird.

3 zeigt die Aufteilung von Linsen als optisch abbildende Segmente 31 der Empfängeroptik 30 und Detektorflächen als Detektorsegmente 21 der Detektoranordnung 20, um bei gleicher Empfangsfläche auch eine flache Bauform zu realisieren.

4 zeigt eine verteilte Bauweise, bei welcher Segmente 61 der Senderoptik 60 und Segmente 31 der Empfängeroptik 30 horizontal auseinander gezogen. Für nahe Abstände lässt sich der Parallaxeneffekt nutzen, um weitere Informationen im Hinblick auf die Entfernung zu erhalten.

5 zeigt schematisch die flexible Anordnung von Segmenten 61 der Senderoptik und von Segmenten 31 der Empfängeroptik 30.

6 zeigt die Aufteilung eines Laserstrahls mit zwei Mikrospiegeln 62 als Segmente 61 der Senderoptik 60 und dazwischen eine Empfängeroptik 30 nach Art einer Facettenoptik 32, die die verschiedenen Field-of-View-Bereiche als Segmente 51 des Sichtfeldes 50 abbildet.

Die 7 und 8 zeigen schematisch eine mögliche Aufteilung des Sichtfeldes 50 mit Segmenten 51 in horizontaler bzw. in vertikaler Richtung.

9 zeigt schematisch Aspekte der Entfernungsbestimmung durch Triangulation unter Ausnutzung des Parallaxeneffekts.

Das in 9 schematisch dargestellte LiDAR-System 1 ist mit einer Empfängeroptik 30, einer Senderoptik 60 und einer Detektoranordnung 20 mit einer Detektorebene 23 ausgebildet. Von der Senderoptik 60 ausgesandtes primäres Licht 70 trifft im Sichtfeld 50 auf ein Objekt 52, welches das empfangene primäre Licht 70 als sekundäres Licht 80 zurückwirft. Das sekundäre Licht 80 fällt auf die Empfängeroptik 30 und wird durch diese auf die Detektoranordnung 20 gerichtet.

9 zeigt schematisch, wie auf Grund des Basisabstandes 94 zwischen der Empfängeroptik und der Senderoptik 60, welcher auch mit dem Symbol b bezeichnet wird, im Zusammenhang mit dem Parallaxeneffekt durch Triangulation neben der Laufzeitmessung zusätzlich auf den Abstand 91 des Objekts 52 von der Empfängeroptik 30 geschlossen werden kann. Dieser Abstand wird auch mit z bezeichnet. Es ergibt sich im Zusammenhang mit der Brennweite 92, die auch mit dem Symbol f bezeichnet wird, und dem Abstand 93 folgende formelmäßige Darstellung, wenn dieser Abstand in der Detektorebene 23, welche identisch ist mit der Brennebene der Empfängeroptik 30, mit d bezeichnet wird: bd = zf ⇔ z = b·fd.