[go: up one dir, main page]

DE102019112857A1 - Coaxial optical system for LIDAR measurements (Light Detection and Ranging) - Google Patents

Coaxial optical system for LIDAR measurements (Light Detection and Ranging) Download PDF

Info

Publication number
DE102019112857A1
DE102019112857A1 DE102019112857.9A DE102019112857A DE102019112857A1 DE 102019112857 A1 DE102019112857 A1 DE 102019112857A1 DE 102019112857 A DE102019112857 A DE 102019112857A DE 102019112857 A1 DE102019112857 A1 DE 102019112857A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
detectors
laser
lidar system
detector
lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019112857.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Michael Schardt
Andreas Bollu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Blickfeld GmbH
Original Assignee
Blickfeld GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Blickfeld GmbH filed Critical Blickfeld GmbH
Priority to DE102019112857.9A priority Critical patent/DE102019112857A1/en
Publication of DE102019112857A1 publication Critical patent/DE102019112857A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/08Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4812Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver transmitted and received beams following a coaxial path
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

Ein LIDAR-System (100) zur Entfernungsmessung eines Objekts (110) unter Verwendung von primärem Licht und sekundärem Licht, das am Objekt (110) reflektiert wird, ist bereitgestellt. Das LIDAR-System (100) umfasst:- einen Laser (200), der angeordnet ist, um das primäre Licht entlang eines Sendestrahls (210) zu einem Scanelement (800) zu emittieren,- eine Vielzahl von Detektoren, die angeordnet sind, um das sekundäre Licht entlang eines Empfangsstrahls vom Scanelement zu detektieren, - eine Linse (600), die zwischen (i) dem Laser und der Vielzahl von Detektoren und (ii) dem Scanelement positioniert ist. Die Linse (600) umfasst:ein Sendelenslet (610), das dem Sendestrahl zugeordnet ist, und eine Vielzahl von Empfangslenslet (621, 621a, 621b, 621c, 622, 622a, 622b, 622c), die eine Vielzahl von Empfangsteilstrahlen (330, 331, 332, 333) definieren, wobei jedes der Vielzahl von Empfangslenslets (621, 622) angeordnet ist, um den jeweiligen Empfangsteilstrahl (330, 331521, 522) auf einen entsprechenden Detektor (400, 410) aus der Vielzahl von Detektoren zu fokussieren.A LIDAR system (100) for measuring the range of an object (110) using primary light and secondary light that is reflected off the object (110) is provided. The LIDAR system (100) comprises: - a laser (200) arranged to emit the primary light along a transmission beam (210) to a scanning element (800), - a plurality of detectors arranged to detect the secondary light along a receive beam from the scanning element, a lens (600) positioned between (i) the laser and the plurality of detectors and (ii) the scanning element. The lens (600) comprises: a transmission lens (610), which is assigned to the transmission beam, and a plurality of reception lenses (621, 621a, 621b, 621c, 622, 622a, 622b, 622c), which have a plurality of reception partial beams (330, 331, 332, 333), each of the plurality of receiving lenslets (621, 622) being arranged to focus the respective receiving partial beam (330, 331521, 522) onto a corresponding detector (400, 410) from the plurality of detectors.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Verschiedene Beispiele der Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf die LIDAR (engl. Light Detection and Ranging, Lichterfassung und Entfernungsmessung). Verschiedene Beispiele der Erfindung beziehen sich im Speziellen auf ein koaxiales optisches System mit einer Vielzahl von Detektoren für LIDAR.Various examples of the invention generally relate to LIDAR (light detection and ranging). Various examples of the invention relate specifically to a coaxial optical system with a plurality of detectors for LIDAR.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Light detection and ranging (LIDAR; manchmal auch als Laser Ranging oder LADAR bezeichnet) ermöglicht, eine 3D-Punktwolke einer Szene bereitzustellen. Objekte können präzise detektiert werden. Eine Entfernungsmessung ist möglich. Gepulstes oder Dauerstrichlaserlicht wird entlang eines Sendestrahls gesendet und, nach Reflexion an einem Objekt, entlang eines Empfangsstrahls detektiert. Dies ermöglicht die Entfernung zum Objekt (z-Position) zu bestimmen.Light detection and ranging (LIDAR; sometimes also referred to as laser ranging or LADAR) makes it possible to provide a 3D point cloud of a scene. Objects can be precisely detected. A distance measurement is possible. Pulsed or continuous wave laser light is sent along a transmission beam and, after reflection on an object, is detected along a reception beam. This enables the distance to the object (z-position) to be determined.

Ein Schlüsselprozess in LIDAR-Systemen ist, das für die Entfernungsmessung bereitgestellte Licht, manchmal als primäres Licht bezeichnet, zu kollimieren und das von einem Objekt emittierte Licht, manchmal als sekundäres Licht bezeichnet, zu empfangen. Dies kann durch Fokussieren des sekundären Lichts auf einen Detektor erreicht werden.A key process in LIDAR systems is to collimate the light provided for distance measurement, sometimes called primary light, and receive the light emitted by an object, sometimes called secondary light. This can be achieved by focusing the secondary light on a detector.

In koaxialen LIDAR-Aufbauten können Off-Axis-Systeme verwendet werden, bei denen ein Detektor außerhalb der Achse (außeraxial) in Bezug auf eine durch den Laser definierte Achse angeordnet ist. Um die Kompaktheit der Laservorrichtung zu erreichen, können kurze Brennweiten eines Linsenelements im Off-Axis-LIDAR-System erwünscht sein. Die erzielbare Brennweite für eine gegebene Linsendicke kann jedoch beschränkt sein, z.B. in Off-Axis-Aufbauten, bei denen eine minimale Dicke der Off-Axis-Linse erforderlich sein kann.In coaxial LIDAR structures, off-axis systems can be used in which a detector is arranged off-axis (off-axis) in relation to an axis defined by the laser. In order to achieve the compactness of the laser device, short focal lengths of a lens element in the off-axis LIDAR system may be desirable. However, the achievable focal length for a given lens thickness may be limited, e.g. in off-axis structures where a minimum thickness of the off-axis lens may be required.

Bei ähnlichen oder anderen LIDAR-Aufbauten kann der Arbeitsbereich eines Systems durch das Vorhandensein von Umgebungslichtbedingungen, z.B. Tageslicht- oder Nachtumgebungslichtbedingungen, beeinflusst werden. Bei LIDAR-Aufbauten kann die erzielbare Reichweite durch das Vorhandensein von Hintergrundphotonen, wie z.B. Sonnenlicht bei Tagbetrieb, verringert werden. Diesem Effekt kann teilweise durch die Verwendung von Bandpassfiltern vor einem LIDAR-Detektor entgegengewirkt werden. Lasersysteme, die in LIDAR-Anwendungen verwendet werden, können jedoch eine Drift im Spektralbereich aufweisen, wodurch eine Grenze für die minimale Spektralbreite von Bandpassfiltern gesetzt wird.In similar or different LIDAR setups, the working area of a system can be affected by the presence of ambient light conditions, e.g. Daylight or night ambient lighting conditions. In the case of LIDAR structures, the achievable range can be determined by the presence of background photons, e.g. Sunlight during daytime operation. This effect can be partially counteracted by using bandpass filters in front of a LIDAR detector. Laser systems used in LIDAR applications, however, can have a drift in the spectral range, which places a limit on the minimum spectral width of bandpass filters.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Daher besteht ein Bedarf an verbesserten LIDAR-Systemen. Es besteht ein Bedarf an Techniken, die zumindest einige der oben genannten Einschränkungen und Nachteile überwinden oder abschwächen.Therefore, there is a need for improved lidar systems. There is a need for techniques that overcome or mitigate at least some of the above limitations and disadvantages.

Dieser Bedarf wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gedeckt. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.This need is met by the features of the independent claims. The features of the dependent claims define embodiments.

In einem Beispiel ist ein LIDAR-System zur Entfernungsmessung eines Objekts unter Verwendung von primärem Licht und sekundärem Licht, das am Objekt reflektiert wird, bereitgestellt. Das LIDAR-System umfasst:

  • einen Laser, der angeordnet ist, um das primäre Licht entlang eines Sendestrahls zu einem Scanelement zu emittieren, eine Vielzahl von Detektoren, die angeordnet sind, um das sekundäre Licht entlang eines Empfangsstrahls von dem Scanelement zu detektieren, und eine Linse, die zwischen dem Laser und der Vielzahl von Detektoren und dem Scanelement positioniert ist. Die Linse umfasst:
    • ein dem Sendestrahl zugeordnetes Sendelenslet und eine Vielzahl von Empfangslenslets. Die Vielzahl von Empfangslenslets definiert eine Vielzahl von Empfangsteilstrahlen, wobei jedes der Vielzahl von Empfangslenslets angeordnet ist, um den jeweiligen Empfangsteilstrahl auf einen entsprechenden Detektor aus der Vielzahl von Detektoren zu fokussieren.
In one example, a LIDAR system is provided for measuring the range of an object using primary light and secondary light reflected from the object. The LIDAR system includes:
  • a laser arranged to emit the primary light along a transmit beam to a scanning element, a plurality of detectors arranged to detect the secondary light along a receive beam from the scanning element, and a lens interposed between the laser and the plurality of detectors and the scanning element is positioned. The lens includes:
    • a transmitting lenslet assigned to the transmitting beam and a plurality of receiving lenslets. The plurality of receiving lenslets defines a plurality of receiving sub-beams, each of the plurality of receiving lenslets being arranged to focus the respective receiving sub-beam onto a corresponding one of the plurality of detectors.

Somit ist die Vielzahl der Empfangslenslets dem Empfangsstrahl zugeordnet.The plurality of receiving lenslets is thus assigned to the receiving beam.

Mit anderen Worten, die Linse ist neben dem Laser und der Vielzahl von Detektoren in einer zum Scanelement hin versetzten Richtung angeordnet.In other words, the lens is arranged next to the laser and the plurality of detectors in a direction offset towards the scanning element.

In einem Beispiel wird ein LIDAR-System zur Entfernungsmessung eines Objekts unter Verwendung von primärem Licht und sekundärem Licht, das am Objekt reflektiert wird, bereitgestellt, wobei das LIDAR-System umfasst:

  • einen Laser, der angeordnet ist, um das primäre Licht entlang eines Sendestrahls zu einem Scanelement des LIDAR-Systems zu emittieren, und eine Vielzahl von Detektoren, die angeordnet sind, um das sekundäre Licht entlang eines Empfangsstrahls von dem Scanelement zu detektieren. Das LIDAR-System umfasst ferner:
    • eine Vielzahl von Bandpassfiltern, die den Detektoren der Vielzahl von Detektoren zugeordnet sind, wobei sich Bandpassbereiche von mindestens zwei der Bandpassfilter voneinander unterscheiden.
In one example, a LIDAR system is provided for measuring the range of an object using primary light and secondary light reflected from the object, the LIDAR system comprising:
  • a laser arranged to emit the primary light along a transmit beam to a scanning element of the lidar system, and a plurality of detectors arranged to detect the secondary light along a receive beam from the scanning element. The LIDAR system also includes:
    • a plurality of bandpass filters which are assigned to the detectors of the plurality of detectors, wherein bandpass ranges of at least two of the bandpass filters differ from one another.

Verschiedene oben beschriebene Beispiele können auch zu weiteren Beispielen kombiniert werden. Zum Beispiel ist es möglich, dass die Vielzahl der Bandpassfilter in Verbindung mit der Linse verwendet wird oder dass die Bandpassfilter in ein pder mehrere Empfangslenslets integriert werden.Various examples described above can also be combined to form further examples. For example, it is possible for the plurality of bandpass filters to be used in connection with the lens or for the bandpass filters to be integrated into one or more receiving lenslets.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt schematisch ein LIDAR-System mit einem koaxialen optischen System. 1 shows schematically a LIDAR system with a coaxial optical system.
  • 2 zeigt schematisch eine beispielhafte Implementierung des LIDAR-Systems 100. 2 shows schematically an exemplary implementation of the LIDAR system 100 .
  • 3 zeigt eine weitere Seitenansicht des LIDAR-Systems 100 von 2. 3 shows another side view of the LIDAR system 100 from 2 .
  • 4a und 4b zeigen eine Vorderansicht von Beispielen von Linsen 600, die in den LIDAR-Systemen 100 gemäß der Erfindung verwendet werden können, zum Beispiel die in 1 bis 3 gezeigten LIDAR-Systeme. 4a and 4b Fig. 13 shows a front view of examples of lenses 600 that are in the LIDAR systems 100 can be used according to the invention, for example those in 1 to 3 shown lidar systems.
  • 4c zeigt einen Seitenansichtsquerschnitt der Linse 600 aus 4a. 4c Figure 3 shows a side view cross section of the lens 600 out 4a .
  • 5 veranschaulicht einen möglichen Effekt in einem LIDAR-System, zum Beispiel dem LIDAR-System 100 der Figuren 1 bis 3. 5 illustrates a possible effect in a LIDAR system, for example the LIDAR system 100 of the figures 1 to 3 .
  • 6 bis 8 zeigen unterschiedliche Konfigurationen für unterschiedliche Bandpassfiltercharakteristiken. 6th to 8th show different configurations for different bandpass filter characteristics.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Einige Beispiele der vorliegenden Offenbarung sehen im Allgemeinen eine Vielzahl von Schaltkreisen oder anderen elektrischen Vorrichtungen vor. Alle Bezüge auf die Schaltkreise und andere elektrische Vorrichtungen und die von ihnen jeweils bereitgestellte Funktionalität sollen nicht darauf beschränkt sein, nur das zu umfassen, was hier veranschaulicht und beschrieben wird. Während den unterschiedlichen offengelegten Schaltkreisen oder anderen elektrischen Vorrichtungen bestimmte Kennzeichnungen zugeordnet werden können, sind solche Kennzeichnungen nicht dazu bestimmt, den Funktionsumfang für die Schaltkreise und die anderen elektrischen Vorrichtungen einzuschränken. Solche Schaltkreise und andere elektrische Vorrichtungen können in jeder beliebigen Art und Weise auf der Grundlage der jeweiligen Art der elektrischen Implementierung, die gewünscht wird, miteinander kombiniert und/oder getrennt werden. Es wird anerkannt, dass jeder Schaltkreis oder jede andere elektrische Vorrichtung, die hier offenbart wird, jede beliebige Anzahl von Mikrocontrollern, eine Graphikprozessoreinheit (GPU), integrierte Schaltkreise, Speicherbauelemente (z.B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbare Festwertspeicher (EPROM), elektrisch löschbare programmierbare Festwertspeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software, die miteinander zusammenwirken, um die hier offengelegte(n) Funktion(en) auszuführen, umfassen kann. Darüber hinaus können eine beliebige oder mehrere der elektrischen Vorrichtungen eingerichtet sein, um einen Programmcode auszuführen, der in einem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium verkörpert ist, das programmiert ist, um eine beliebige Anzahl der hier offenbarten Funktionen auszuführen.Some examples of the present disclosure generally provide for a variety of circuits or other electrical devices. All references to the circuits and other electrical devices and the functionality they provide from each other are not intended to be limited to encompassing only what is illustrated and described herein. While specific labels may be assigned to the various circuits or other electrical devices disclosed, such labels are not intended to limit the functionality of the circuits and other electrical devices. Such circuits and other electrical devices can be combined and / or separated from each other in any manner based on the particular type of electrical implementation that is desired. It is recognized that any circuit or other electrical device disclosed herein, any number of microcontrollers, a graphics processing unit (GPU), integrated circuits, memory devices (e.g., FLASH, random access memory (RAM), read only memory (ROM), electrically programmable Read only memory (EPROM), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM) or other suitable variants thereof) and software that interact with one another in order to carry out the function (s) disclosed herein. In addition, any one or more of the electrical devices may be configured to execute program code embodied in a non-transitory computer readable medium that is programmed to perform any number of the functions disclosed herein.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist zu verstehen, dass die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen ist. Der Umfang der Erfindung soll weder durch die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen noch durch die Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung dienen sollen, eingeschränkt werden.In the following, embodiments of the invention are described in detail with reference to the accompanying drawings. It is to be understood that the following description of embodiments is not to be understood in a restrictive sense. The scope of the invention is not intended to be limited either by the embodiments described below or by the drawings, which are intended for purposes of illustration only.

Die Zeichnungen sind als schematische Darstellungen zu betrachten, und die in den Zeichnungen dargestellten Elemente sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr werden die unterschiedlichen Elemente so dargestellt, dass ihre Funktion und ihr allgemeiner Zweck für einen Fachmann erkennbar werden. Jede Verbindung oder Kopplung zwischen Funktionsblöcken, Vorrichtungen, Bauteilen oder anderen in den Zeichnungen dargestellten oder hier beschriebenen physikalischen oder funktionellen Einheiten kann auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Kopplung zwischen Komponenten kann auch über eine drahtlose Verbindung hergestellt werden. Funktionsblöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination davon implementiert sein.The drawings are to be regarded as schematic representations and the elements shown in the drawings are not necessarily shown to scale. Rather, the different elements are shown in such a way that their function and general purpose can be recognized by a person skilled in the art. Any connection or coupling between functional blocks, devices, components or other physical or functional units shown in the drawings or described here can also be implemented by an indirect connection or coupling. A coupling between components can also be established via a wireless connection. Function blocks can be implemented in hardware, firmware, software, or a combination thereof.

1 zeigt schematisch ein LIDAR-System 100 umfassend ein koaxiales optisches System. Das LIDAR-System 100 kann zur Enfernungsmessung eines Objekts 110 unter Verwendung von primärem Licht und sekundärem Licht, das am Objekt 110 reflektiert wird, verwendet werden. Das LIDAR-System 100 umfasst einen Laser 200 (z.B. eine Laserdiode wie eine Kanten-Emitter-Diode), der angeordnet ist, um das primäre Licht entlang des Sendestrahls 210 zu einem Scanelement 800 des LIDAR-Systems 100 zu emittieren. 1 shows schematically a LIDAR system 100 comprising a coaxial optical system. The LIDAR system 100 can be used to measure the distance of an object 110 using primary light and secondary light shining on the object 110 can be used. The LIDAR system 100 includes a laser 200 (e.g. a laser diode such as an edge emitter diode) that is arranged to shed the primary light along the transmit beam 210 to a scan element 800 of the LIDAR system 100 to emit.

Das LIDAR-System 100 umfasst ferner eine Vielzahl von Detektoren, im Beispiel von 1 einen ersten Detektor 400 und einen zweiten Detektor 410. Die Vielzahl von Detektoren 400, 410 sind angeordnet, um das sekundäre Licht entlang eines Empfangsstrahls (gestrichpunktete Linien in 1) vom Scanelement 800 zu detektieren.The LIDAR system 100 further comprises a plurality of detectors, in the example of 1 a first detector 400 and a second detector 410 . The variety of detectors 400 , 410 are arranged to divert the secondary light along a receiving beam (dashed lines in 1 ) from the scan element 800 to detect.

Im Beispiel von 1 ist der Empfangsstrahl dargestellt, wie zwei EmpfangsTeilstrahlen 330, 331 umfasst.In the example of 1 the receiving beam is shown as two receiving partial beams 330 , 331 includes.

Das LIDAR-System 100 umfasst eine Mittelachse 300, die durch die optische Achse des Sendestrahls zwischen dem Laser und dem Scanelement 800 definiert werden kann.The LIDAR system 100 includes a central axis 300 passing through the optical axis of the transmission beam between the laser and the scanning element 800 can be defined.

Die Vielzahl von Detektoren kann mit einer Vielzahl von zugehörigen Bandpassfiltern F1, F2 ausgestattet sein. Im Beispiel von 1 ist der erste Detektor 400 mit einem ersten Bandpassfilter F1 und der zweite Detektor 410 mit einem zweiten Bandpassfilter F2 ausgestattet. Im Beispiel von 1 ist die Vielzahl von Bandpassfiltern F1, F2 zwischen der unten beschriebenen Vielzahl von Detektoren 400, 410 und einer Linse 600 angeordnet. Beispiele für LIDAR-Systeme mit Filtern werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 5 bis 8 beschrieben.The plurality of detectors can be associated with a variety of band pass filters F1 , F2 be equipped. In the example of 1 is the first detector 400 with a first band pass filter F1 and the second detector 410 with a second band pass filter F2 fitted. In the example of 1 is the multitude of band pass filters F1 , F2 between the plurality of detectors described below 400 , 410 and a lens 600 arranged. Examples of lidar systems with filters are given below with reference to FIG 5 to 8th described.

In anderen Beispielen können unterschiedliche Positionen für einen oder mehrere Filter gewählt werden. Zum Beispiel kann ein Filter im Detektor oder in optischen Elementen, zum Beispiel in Elementen der Linse 600, enthalten sein. In anderen Beispielen kann eine Vielzahl von Filtern im Wesentlichen identische Eigenschaften haben, die durch einen einzelnen Filter ersetzt werden, oder die Filter können überhaupt nicht vorhanden sein.In other examples, different positions can be chosen for one or more filters. For example, a filter in the detector or in optical elements, for example in elements of the lens 600 , be included. In other examples, a plurality of filters may have substantially identical properties for a single filter to replace, or the filters may not be present at all.

Das Scanelement 800 kann bewirken, sowohl das primäre Licht als auch das sekundäre Licht des LIDAR-Systems 100 abzuscannen. Dies kann den Effekt haben, dass das primäre Licht in Bezug auf die oben genannte Mittelachse 300 gescannt werden kann, um die Umgebung zu scannen, wenn das LIDAR-System 100 nicht oder nur langsam bewegt wird (im Vergleich zur Scanfrequenz). Das Scanelement 800 kann gleichzeitig bewirken, auch die Richtung, aus der das sekundäre Licht empfangen wird, in ähnlicher Weise wie das Scannen des primären Lichts zu scannen. Somit kann das Scanelement 800 fungieren, um das sekundäre Licht auf die oben erwähnte Mittelachse 300 zu lenken, was zu einem koaxialen Strahl führt, der sowohl aus dem primären als auch aus dem sekundären Licht im LIDAR-System 100 aufgebaut ist. In der Regel dient das Scanelement 800 zur Ablenkung des hindurchtretenden Lichts. Dadurch kann das primäre Licht in Richtung unterschiedlicher Bereiche in der Umgebung emittiert und das sekundäre Licht aus den jeweiligen Bereichen detektiert werden. Zum Beispiel könnten ein MEMS-Spiegel oder mehrere MEMS-Spiegel eingesetzt werden. Es wäre auch möglich, einen facettenreichen Spiegel wie z.B. einen Polygonspiegel einzusetzen.The scan element 800 can effect both the primary light and the secondary light of the LIDAR system 100 to be scanned. This can have the effect that the primary light is in relation to the aforementioned central axis 300 can be scanned to scan the area if the lidar system 100 is not moved or is only moved slowly (compared to the scanning frequency). The scan element 800 can at the same time also cause the direction from which the secondary light is received to be scanned in a similar way to the scanning of the primary light. Thus, the scan element 800 act to direct the secondary light onto the above mentioned central axis 300 directing, resulting in a coaxial beam consisting of both the primary and secondary light in the LIDAR system 100 is constructed. Usually the scanning element is used 800 to deflect the light passing through. As a result, the primary light can be emitted in the direction of different areas in the environment and the secondary light can be detected from the respective areas. For example, one or more MEMS mirrors could be used. It would also be possible to use a multi-faceted mirror such as a polygon mirror.

Das LIDAR-System 100 umfasst ferner die Linse 600, die zwischen einem ersten Ende, das durch die Position des Lasers 200 und der Vielzahl von Detektoren 400, 410 definiert ist, und einem zweiten Ende, das durch das Scanelement 800 definiert ist, positioniert ist.The LIDAR system 100 further includes the lens 600 that is between a first end that is determined by the position of the laser 200 and the multitude of detectors 400 , 410 and a second end that passes through the scanning element 800 is defined, is positioned.

In der Regel können der Empfangsstrahl und der Sendestrahl 210 koaxial angeordnet werden, zumindest in einem Abschnitt zwischen der Linse 600 und dem Objekt 110. D.h., sie können eine gemeinsame Mittelachse des Lichtfeldes haben. Die Empfangsteilstrahlen können durch die Linse 600 definiert werden.As a rule, the receive beam and the transmit beam 210 be arranged coaxially, at least in a portion between the lens 600 and the object 110 . That is, they can have a common central axis of the light field. The receiving partial beams can through the lens 600 To be defined.

Die Linse kann eine segmentierte Linse sein, z.B. eine Freiformform, die eine Kombination unterschiedlicher Linsenfunktionalitäten sein kann. Es kann sich auch eine Anordnung von mehreren Linsen sein, zum Beispiel Schaftlinsen wie Bikonvexlinsen oder Meniskuslinsen. Dies kann den Vorteil haben, dass kompakte und preiswerte Aufbauten möglich sind, zum Beispiel durch die Verwendung optischer Schaftelemente mit kurzer Brennweite und dünnem Durchmesser für On-Axis-Fokussierungsanwendungen.The lens can be a segmented lens, e.g. a free-form shape that can be a combination of different lens functionalities. It can also be an arrangement of several lenses, for example shaft lenses such as biconvex lenses or meniscus lenses. This can have the advantage that compact and inexpensive structures are possible, for example through the use of optical shaft elements with a short focal length and a thin diameter for on-axis focusing applications.

Einzelheiten in Bezug auf die Linse 600 werden nachstehend unter Bezugnahme auf 2 und die Figuren 4a bis 4c beschrieben.Details regarding the lens 600 are discussed below with reference to FIG 2 and the figures 4a to 4c described.

Die Linse 600 umfasst mehrere Linsenelemente, die als Lenslets bezeichnet werden. Jedes Lenslet kann eine einzigartige optische Oberfläche haben und seinen eigenen optischen Effekt definieren. Der Begriff Lenslet bezeichnet im Allgemeinen ein vergleichsweise kleines Linsenelement.The Lens 600 comprises several lens elements, which are referred to as lenslets. Each lenslet can have a unique optical surface and define its own optical effect. The term lenslet generally denotes a comparatively small lens element.

Ein Sendelenslet 610 kann zwischen mindestens zwei einer Vielzahl von Empfangslenslets 621, 622 in einer Richtung senkrecht zum Sendestrahl angeordnet werden.A Sendelenslet 610 can be between at least two of a plurality of receiving lenslets 621 , 622 be arranged in a direction perpendicular to the transmit beam.

2 zeigt schematisch eine beispielhafte Implementierung des LIDAR-Systems 100. 2 shows schematically an exemplary implementation of the LIDAR system 100 .

2 ist eine schematische Seitenansicht, die optische Strahlen von primärem Licht, das von einem Laser 200 emittiert wird, und sekundärem Licht, das von der Reflexion des Laserlichts durch das Objekt 110 in 1 hinter dem Abtastelement 800 stammt, zeigt. 2 Figure 3 is a schematic side view showing optical beams of primary light emitted by a laser 200 and secondary light that is emitted from the reflection of the laser light by the object 110 in 1 behind the sensing element 800 originates, shows.

Im Folgenden wird als erstes die Funktionsweise in Bezug auf das primäre Licht dargestellt. Dann wird als zweites die Funktionalität in Bezug auf das sekundäre Licht beschrieben. Es ist zu verstehen, dass zum Beispiel Merkmale in Bezug auf den Strahlengang des primären Lichts isoliert und kombiniert mit anderen Beispielen in Bezug auf den Strahlengang des sekundären Lichts betrachtet werden können. Mit anderen Worten: Kombinationen unterschiedlicher Techniken, die in Bezug auf 2 oder über die gesamte Anwendung hinweg beschrieben werden, sind möglich.In the following, the functionality in relation to the primary light is shown first. Then second is the functionality in terms of the secondary light described. It should be understood that, for example, features relating to the beam path of the primary light can be viewed in isolation and combined with other examples relating to the beam path of the secondary light. In other words: combinations of different techniques related to 2 or can be described across the entire application.

Bezüglich des primären Lichtes ist im Beispiel von 2 ein Laser 200 auf der Mittelachse 300 angeordnet, um primäres Licht für die Entfernungsmessung eines Objektes zu emittieren. Der Laser 200 kann eine schnelle Achse und eine langsame Achse haben: Die Divergenz entlang der langsamen Achse ist kleiner als die Divergenz entlang der schnellen Achse; dies kann aufgrund einer entsprechenden Form des aktiven Bereichs des Lasers 200 bedingt sein. Im Beispiel von 2 ist der Laser 200 eine Laserdiode, die einen Laserstrahl mit der schnellen Achse und einer langsamen Achse aussendet. Die schnelle Achse wird zumindest teilweise durch eine Linse 688 kollimiert. In einigen Beispielen wird die Kollimation durch zwei Linsen erreicht, nämlich durch eine erste Linse 688 und eine weitere Linse 690, die zusammenwirken, vergleichbar mit einem Teleskopaufbau, z.B. einem Newton-Teleskop oder einem Galileischen Strahlaufweiter. Die erste Linse 699 und/oder die weitere Linse 690 können auf eine oder beide der schnellen und langsamen Achsen des Laserstrahls wirken.Regarding the primary light is in the example of 2 a laser 200 on the central axis 300 arranged to emit primary light for measuring the range of an object. The laser 200 can have a fast axis and a slow axis: the divergence along the slow axis is smaller than the divergence along the fast axis; this may be due to a corresponding shape of the active area of the laser 200 be conditional. In the example of 2 is the laser 200 a laser diode that emits a laser beam with the fast axis and one slow axis. The fast axis is at least partially covered by a lens 688 collimated. In some examples, the collimation is achieved by two lenses, namely a first lens 688 and another lens 690 that work together, comparable to a telescope structure, e.g. a Newton telescope or a Galilean beam expander. The first lens 699 and / or the further lens 690 can act on either or both of the fast and slow axes of the laser beam.

Andere Möglichkeiten und weitere Linsen können jedoch vorhanden sein. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 diskutiert.However, other options and additional lenses may exist. This is explained below with reference to FIG 3 discussed.

Das primäre Licht breitet sich entlang der Mittelachse 300 in Richtung der Linse 600 aus.The primary light propagates along the central axis 300 towards the lens 600 out.

Im Beispiel von 2 umfasst die Linse 600 ein Sendelenslet 610 und zwei Empfangslenslets 621, 622.In the example of 2 includes the lens 600 a Sendelenslet 610 and two receiving lenslets 621 , 622 .

Das Sendelenslet 610 kann ein einzelnes Linsenelement sein, zum Beispiel eine Fokussierlinse, die bewirkt, die langsame Achse des primären Lichts zu kollimieren. In anderen Beispielen kann es sich um ein komplexeres Lensletelement handeln, zum Beispiel eine Mikrolinsenanordnung.The Sendelenslet 610 may be a single lens element, for example a focusing lens, which acts to collimate the slow axis of the primary light. In other examples, it can be a more complex lenslet element, for example a microlens array.

Das Sendelenslet 610 kann angeordnet werden, um das primäre Licht zumindest teilweise zu kollimieren. Zum Beispiel kann das Sendelenslet 610 den Strahl entlang der langsamen Achse des Sendestrahls kollimieren. In anderen Beispielen kann das Sendelenslet 610 zusätzlich oder ausschließlich die schnelle Achse des Laserstrahls kollimieren oder nicht zwischen schneller Achse und langsamer Achse unterscheiden.The Sendelenslet 610 can be arranged to at least partially collimate the primary light. For example, the Sendelenslet 610 collimate the beam along the slow axis of the transmit beam. In other examples, the Sendelenslet 610 additionally or exclusively collimate the fast axis of the laser beam or do not differentiate between fast axis and slow axis.

Der Sendestrahl 210 wird so kollimiert und dem Abtastelement 800 zugeführt. Das LIDAR-System 100 kann ferner ein optisches Abschirmmaterial 1100 umfassen.The transmit beam 210 is so collimated and the sensing element 800 fed. The LIDAR system 100 can also be an optical shielding material 1100 include.

Das optische Abschirmmaterial 1100 kann in einem Bereich zwischen der Vielzahl von Detektoren 410, 400, dem Laser 200 und der Linse 600 angeordnet werden. Das optische Abschirmmaterial 1100 kann eingerichtet sein, um die Lichtausbreitung zwischen dem Sendestrahl und den Empfangsteilstrahlen zu verhindern.The optical shielding material 1100 can be in a range between the plurality of detectors 410 , 400 , the laser 200 and the lens 600 to be ordered. The optical shielding material 1100 can be set up to prevent the propagation of light between the transmission beam and the receiving partial beams.

Etwas von dem primären Licht, das am Objekt 110 in 2 reflektiert wird, kommt als sekundäres Licht zum Scanelement 800 zurück. Das Scanelement 800 kann das sekundäre Licht im Wesentlichen parallel zur Mittelachse 300 lenken. Somit ist die Mittelachse 300 mit der optischen Achse des koaxialen optischen Systems ausgerichtet.Some of the primary light that is on the object 110 in 2 is reflected, comes to the scanning element as secondary light 800 back. The scan element 800 the secondary light can be essentially parallel to the central axis 300 to steer. Thus is the central axis 300 aligned with the optical axis of the coaxial optical system.

Im Folgenden wird der Lichtpfad des sekundären Lichts beschrieben.The following describes the light path of the secondary light.

Die Vielzahl von Empfangslenslets 620, im Beispiel von 2 ein erstes Empfangslenslet 621 und ein zweites Empfangslenslet 622, kann eine Vielzahl von Empfangsteilstrahlen definieren, zum Beispiel einen ersten Empfangsteilstrahl 330 und einen zweiten Empfangsteilstrahl 331.The multitude of receiving lenslets 620 , in the example of 2 a first receiving lenslet 621 and a second receiving lenslet 622 , may define a plurality of receiving sub-beams, for example a first receiving sub-beam 330 and a second receiving sub-beam 331 .

Die Vielzahl von Empfangslenslets 621, 622 kann angeordnet werden, um die jeweiligen Teilstrahlen 330, 331 auf entsprechende Detektoren 400, 410 aus der Vielzahl von Detektoren zu fokussieren.The multitude of receiving lenslets 621 , 622 can be arranged around the respective partial beams 330 , 331 on appropriate detectors 400 , 410 focus from the multitude of detectors.

In einigen Beispielen laufen einige oder alle der jeweiligen Teilstrahlen 330, 331 durch einen entsprechenden Filter F1, F2, bevor sie den jeweiligen Detektor 400, 410 erreichen. Die Verwendung von Filtern wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren 5-8 erklärt.In some examples, some or all of the respective sub-beams are traveling 330 , 331 through an appropriate filter F1 , F2 before they use the respective detector 400 , 410 to reach. The use of filters is explained with reference to the following figures 5-8 explained.

In einigen Beispielen ist die Vielzahl von Empfangslenslets 621, 622 angeordnet, um die jeweiligen Teilstrahlen 330, 331 zu fokussieren, ohne den Sendestrahl 210 zu schneiden.In some examples, the plurality of receive lenslets is 621 , 622 arranged to the respective partial beams 330 , 331 to focus without the transmission beam 210 to cut.

In solchen Beispielen, in denen die Vielzahl von Empfangsteilstrahlen 330, 331 und der Sendestrahl 210 das Licht nicht schneiden, kann Abschirmmaterial 1100 zwischen Bereichen, die nur für primäres Licht verwendet werden, und anderen Bereichen, die nur für sekundäres Licht verwendet werden, angeordnet werden. Dies kann eine verbesserte Lichtabschirmung ermöglichen, z.B. gegen Streulicht vom Laser 200, das einen oder mehrere der Detektoren der Vielzahl von Detektoren 400, 410 erreicht. In einigen Off-Axis-Aufbauten ist dies möglicherweise nicht möglich, bei denen ein bestimmtes Volumen in der Vorrichtung erforderlich sein kann, um Licht sowohl für das primäre als auch für das sekundäre Licht auszubreiten, wodurch eine effiziente Abschirmung erschwert wird.In those examples where the plurality of receiving sub-beams 330 , 331 and the transmit beam 210 not cut the light, shielding material can 1100 between areas used only for primary light and other areas used only for secondary light. This can enable improved light shielding, for example against stray light from the laser 200 , the one or more of the detectors of the plurality of detectors 400 , 410 reached. This may not be possible in some off-axis setups that have a certain volume in the Device may be required to propagate light for both the primary and secondary light, making efficient shielding difficult.

In der Regel könnte das Abschirmmaterial aus Metall, z.B. einer Metallfolie, bestehen. Das Abschirmmaterial kann eine reflektierende Schicht oder eine lichtabsorbierende Schicht umfassen. Das Abschirmmaterial kann aus Kunststoff bestehen.Typically the shielding material could be metal, e.g. a metal foil. The shielding material can comprise a reflective layer or a light-absorbing layer. The shielding material can consist of plastic.

Dies kann nützlich sein, um interne Reflexionen von primärem Licht zu unterdrücken, das an einem der Vielzahl von Detektoren ankommt. Jedes Empfangslenslet der Vielzahl von Empfangslenslets kann im Vergleich zu einem LIDAR-System mit einem Empfangslinsendesign, zum Beispiel einer segmentierten Linse mit einem Off-Axis-Brennpunkt, eine verringerte Blendenfläche/Feldbreite haben.This can be useful to suppress internal reflections from primary light arriving at one of the plurality of detectors. Each receiving lenslet of the plurality of receiving lenslets can have a reduced aperture area / field width compared to a LIDAR system with a receiving lens design, for example a segmented lens with an off-axis focus.

Somit kann der zum Beispiel in 2 gezeigte Aufbau eine reduzierte Brennweite der optischen Komponente ermöglichen, zum Beispiel eine oder mehrere der Vielzahl von Empfangslenslets für ein gegebenes Material. Mit anderen Worten, das Beispiel in 2 kann einen kompakten optischen Aufbau ermöglichen.Thus, for example, in 2 The construction shown allow a reduced focal length of the optical component, for example one or more of the plurality of receiving lenslets for a given material. In other words, the example in 2 can enable a compact optical structure.

Verschiedene Detektoren aus der Vielzahl von Detektoren können unterschiedliche Sensitivitäten haben. Zum Beispiel können der erste Detektor 400 und der zweite Detektor 410 unterschiedliche Sensitivitäten haben. Dies kann den Vorteil haben, dass der dynamische Bereich des LIDAR-Systems 100 erweitert werden kann. Die Sensitivität kann einen Verstärkungsfaktor zwischen ankommenden Photonen und dem ausgegebenen elektrischen Signal beschreiben. Die Sensitivität kann eine minimale Anzahl von Photonen pro Probenintervall beschreiben, um ein beliebiges ausgegebenes elektrisches Signal auszulösen.Different detectors from the multitude of detectors can have different sensitivities. For example, the first detector can 400 and the second detector 410 have different sensitivities. This can have the advantage that the dynamic range of the LIDAR system 100 can be expanded. The sensitivity can describe an amplification factor between incoming photons and the output electrical signal. The sensitivity can describe a minimum number of photons per sample interval in order to trigger any electrical signal output.

Mit anderen Worten, zum Beispiel kann der erste Detektor 400 eine erste Sensitivität und der zweite Detektor 410 eine zweite Sensitivität haben. Die erste Sensitivität kann sich von der zweiten Sensitivität unterscheiden. Zum Beispiel kann die erste Sensitivität für ein Signal optimiert sein, das während des Tageslichtbetriebs empfangen wird, die zweite Sensitivität kann für ein Signal optimiert sein, das während des Nachtbetriebs empfangen wird.In other words, for example, the first detector 400 a first sensitivity and the second detector 410 have a second sensitivity. The first sensitivity can differ from the second sensitivity. For example, the first sensitivity can be optimized for a signal that is received during daylight operation, the second sensitivity can be optimized for a signal that is received during night-time operation.

Alternativ oder zusätzlich kann die erste Sensitivität optimiert werden, um eine Detektor-Totzeit zu überwinden. Bei einigen LIDAR-Anwendungen kann der Betrieb eines Detektors kurz nach der Laseremission aufgrund starker Signale, die der Detektor empfängt, aufgrund von Laserstreulicht oder Laserlicht, das von Objekten in der Nähe des LIDAR-Systems, z.B. weniger als 10 m vom LIDAR-System entfernt, reflektiert wird, schwierig sein.Alternatively or additionally, the first sensitivity can be optimized in order to overcome a detector dead time. In some LIDAR applications, a detector may not operate shortly after laser emission due to strong signals received by the detector from scattered laser light or laser light emitted from objects near the LIDAR system, e.g. less than 10 m from the lidar system, it can be difficult.

Durch die Verwendung eines ersten Detektors mit einer ersten Sensitivität und eines zweiten Detektors mit einer zweiten Sensitivität kann der dynamische Bereich des gesamten LIDAR-Systems verbessert werden. Zum Beispiel kann die erste Sensitivität, zum Beispiel durch Anpassung einer Verstärkungseinstellung des ersten Detektors, gewählt werden, dass sie sich von der zweiten Sensitivität um einen Faktor von 5-20, zum Beispiel 10, zum Beispiel um einen Faktor von 50-200, zum Beispiel 100, unterscheidet.By using a first detector with a first sensitivity and a second detector with a second sensitivity, the dynamic range of the entire LIDAR system can be improved. For example, the first sensitivity can be selected, for example by adapting a gain setting of the first detector, so that it differs from the second sensitivity by a factor of 5-20, for example 10, for example by a factor of 50-200, for example Example 100, differs.

Verschiedene Arten von Detektoren können verwendet werden. Zum Beispiel kann mindestens ein Detektor der Vielzahl von Detektoren einen Siliziumphotomultiplier umfassen.Various types of detectors can be used. For example, at least one of the plurality of detectors can comprise a silicon photomultiplier.

Siliziumphotomultiplier, SiPMs, können einige oder alle der folgenden Merkmale haben:

  • • hohe maximale Verstärkung, zum Beispiel bis zu 106. Dies kann die Detektion von wenigen oder sogar einzelnen Photonen ermöglichen,
  • • die hohe interne Verstärkung kann das Auslesen erleichtern,
  • • eine schnelle Anstiegszeit, zum Beispiel eine Anstiegszeit unter 300ps,
  • • SiPMs können niedrige Kosten pro Einheit haben,
  • • SiPMs können keine oder fast keine Temperaturkompensation benötigen,
  • • SiPMs können eine große aktive Fläche bereitstellen.
Silicon photomultipliers, SiPMs, can have some or all of the following characteristics:
  • • high maximum gain, for example up to 10 6 . This can enable the detection of a few or even single photons,
  • • the high internal amplification can make reading easier,
  • • a fast rise time, for example a rise time below 300ps,
  • • SiPMs can have a low cost per unit,
  • • SiPMs may require little or no temperature compensation,
  • • SiPMs can provide a large active area.

Einige SiPMs können jedoch den Nachteil einer geringen Photonendetektionseffizienz haben.However, some SiPMs can suffer from poor photon detection efficiency.

In einigen Beispielen sind ein oder mehrere Detektoren der Vielzahl von Detektoren Lawinenphotodioden, APDs. APDs können einige oder alle der unten aufgeführten Eigenschaften haben:

  • • geringe Verstärkung, daher können manche APDs nicht in der Lage sein, wenige oder einzelne Photonen zu detektieren,
  • • APDs können aufgrund der geringen Verstärkung vergleichsweise komplizierte Ausleseanforderungen haben,
  • • APDs können eine Temperaturkompensation erfordern,
  • • APDs können eine hohe Betriebsspannung erfordern, zum Beispiel im Bereich von 100 V-200 V,
  • • APDs können vergleichsweise teuer sein,
  • • APDs können eine hohe Detektionseffizienz und/oder einen hohen Dynamikbereich haben.
In some examples, one or more detectors of the plurality of detectors are avalanche photo diodes, APDs. APDs can have some or all of the properties listed below:
  • • low gain, therefore some APDs may not be able to detect a few or single photons,
  • • APDs can have comparatively complicated readout requirements due to their low gain,
  • • APDs may require temperature compensation
  • • APDs can require a high operating voltage, for example in the range of 100 V-200 V,
  • • APDs can be comparatively expensive,
  • • APDs can have a high detection efficiency and / or a high dynamic range.

In einigen Beispielen kann die Verwendung eines oder mehrerer APDs aufgrund der Ausleseanforderungen und der damit verbundenen Kosten unpraktisch sein. Somit werden in einigen Beispielen weniger APDs oder sogar keine APDs verwendet.In some examples, the use of one or more APDs may be impractical because of the readout requirements and the costs involved. Thus, in some examples, fewer APDs or even no APDs are used.

In einigen Beispielen, wie zum Beispiel in 2 gezeigt, kann das LIDAR-System 100 eine Vielzahl von Eingangslochblenden 401, 411 umfassen. Diese Eingangslochblenden können jeweils einem der Detektoren der Vielzahl von Detektoren zugeordnet werden. Jede Eingangslochblende 401, 411 kann einen Feldstopp implementieren. Zum Beispiel ist eine erste Eingangslochblende 401 dem ersten Detektor 400 und eine zweite Eingangslochblende 411 dem zweiten Detektor 410 zugeordnet. In einigen Beispielen können Filter innerhalb oder neben den Eingangsblenden 401, 411 platziert werden.In some examples, such as in 2 shown, the LIDAR system 100 a variety of entrance apertures 401 , 411 include. These entrance aperture diaphragms can each be assigned to one of the detectors of the plurality of detectors. Any entrance aperture 401 , 411 can implement a field stop. For example, there is a first input pinhole 401 the first detector 400 and a second input pinhole 411 the second detector 410 assigned. In some examples, filters can be inside or adjacent to the entrance panels 401 , 411 to be placed.

Der Laser 200 und die Vielzahl der Eingangslochblenden 401, 411 können sich auf einer Brennfläche FS befinden. Die Brennfläche FS kann durch die Brennpunkte der Vielzahl der Empfangslenslets 621, 622 definiert werden. Im Beispiel von 2 ist die Brennfläche FS eine Ebene, die senkrecht zur Mittelachse 300 des Sendestrahls angeordnet ist.The laser 200 and the variety of entrance apertures 401 , 411 can be located on a focal surface FS. The focal area FS can be through the focal points of the plurality of receiving lenslets 621 , 622 To be defined. In the example of 2 the focal surface FS is a plane perpendicular to the central axis 300 of the transmission beam is arranged.

3 zeigt eine weitere Seitenansicht des LIDAR-Systems 100 von 2. 3 shows another side view of the LIDAR system 100 from 2 .

In dieser Ansicht, die senkrecht zu der in 2 gezeigten Ansicht ist, wird eine andere Ansicht des Sendelenslets 610 gezeigt, das bewirkt, die langsame Achse des primären Lichts vom Laser 200 zumindest teilweise zu kollimieren. Die Schnelle-Achse-Kollimatorlinse 688 und/oder die optionale weitere Linse 690 können ausgestaltet sein, um nicht auf die langsame Achse zu wirken, zum Beispiel durch Verwendung einer Tubuslinse als Schnelle-Achse-Kollimator 688. Dies wird durch die quadratische Form des Schnelle-Achse-Kollimators 688 im Beispiel von 3 symbolisiert.In this view, which is perpendicular to that in 2 is a different view of the Sendelenslet 610 shown that causes the slow axis of the primary light from the laser 200 at least partially collimate. The fast axis collimator lens 688 and / or the optional additional lens 690 can be designed so as not to act on the slow axis, for example by using a tube lens as a fast axis collimator 688 . This is due to the square shape of the fast axis collimator 688 in the example of 3 symbolizes.

Im Beispiel von 3 wirkt die weitere Linse 690 sowohl auf die schnelle als auch auf die langsame Achse.In the example of 3 the other lens works 690 on both the fast and the slow axis.

In anderen Beispielen kann die weitere Linse 690 jedoch ausgestaltet, nur eine der Achsen, zum Beispiel die schnelle Achse überwiegend oder ausschließlich zu beeinflussen. Die weitere Linse 690 kann eine konkave Linse sein, zum Beispiel eine zylindrische konkave Linse. In alternativen Beispielen kann die weitere Linse 690 eine konvexe Linse sein, zum Beispiel eine zylindrische konvexe Linse, die vor der Linse einen zusätzlichen Fokuspunkt oder eine zusätzliche Fokusebene erzeugt, so dass die Linse den Laserstrahl effektiv aufweitet.In other examples, the additional lens 690 however designed to predominantly or exclusively influence only one of the axes, for example the fast axis. The other lens 690 can be a concave lens, for example a cylindrical concave lens. In alternative examples, the further lens 690 be a convex lens, for example a cylindrical convex lens that creates an additional focal point or plane in front of the lens so that the lens effectively expands the laser beam.

Hierdurch kann die Qualität der Kollimation des primären Lichts weiter verbessert werden. Wie in 3 gezeigt, kann das optische Abschirmmaterial 1100 in Übereinstimmung mit dem unterschiedlichen Platzanforderungen von schneller und langsamer Achse angeordnet werden, d.h. in der in 3 gezeigten Richtung eine größere Abmessung haben als in 2.In this way, the quality of the collimation of the primary light can be further improved. As in 3 shown, the optical shielding material 1100 be arranged in accordance with the different space requirements of fast and slow axis, ie in the in 3 direction shown have a larger dimension than in 2 .

Im Folgenden werden Beispiele für die Linse 600 diskutiert, die in den in bis gezeigten LIDAR-Systemen 100 verwendet werden kann.The following are examples of the lens 600 discussed in the in to LIDAR systems shown 100 can be used.

und zeigen eine Frontansicht von Beispielen von Linsen 600, die gemäß der Erfindung in den LIDAR-Systemen 100, zum Beispiel den in bis gezeigten LIDAR-Systemen, verwendet werden können. zeigt einen Seitenansichtsquerschnitt der Linse 600 von . and show a front view of examples of lenses 600 that according to the invention in the LIDAR systems 100 , for example the in to LIDAR systems shown can be used. Figure 3 shows a side view cross section of the lens 600 from .

Die in , und gezeigte Linse 600 hat eine scheibenartige Querschnittsform. Dies dient nur zur Veranschaulichung. Andere Formen können verwendet werden, zum Beispiel rechteckige oder quadratische Formen, aber auch beliebige Formen sind möglich.In the , and shown lens 600 has a disk-like cross-sectional shape. This is for illustrative purposes only. Other shapes can be used, for example rectangular or square shapes, but any shapes are also possible.

In , und sind die funktionalen Bereiche A, B und C angegeben. Verschiedene funktionale Bereiche können durch unterschiedliche Lenslets implementiert werden.In , and the functional areas A, B and C are indicated. Different functional areas can be implemented using different lenslets.

Die Bereiche A und C werden überwiegend oder ausschließlich zur Führung des sekundären Lichts verwendet, das sich entlang des Empfangsstrahls ausbreitet, der Bereich B wird überwiegend oder ausschließlich zur Führung des primären Lichts verwendet. Im Beispiel von 4a und 4b wird der Bereich B vollständig von einem Sendelenslet 610 abgedeckt. In diesem Beispiel haben die Sendelenslets eine größere Ausdehnung entlang der langsamen Achse, wodurch ein rechteckförmiges Strahlprofil des primären Lichts auf das Objekt kollimiert wird. Dies ist nicht als Beschränkung zu verstehen. Zum Beispiel könnten im Bereich B anstelle einer einzelnen großen Linse unterschiedliche Linsen verwendet werden, und auch die Beziehungen zwischen den unterschiedlichen Bereichen A, B, C können in unterschiedlichen Beispielen in Bezug aufeinander variiert werden.Areas A and C are used predominantly or exclusively for guiding the secondary light that propagates along the receiving beam, while area B is used predominantly or exclusively for guiding the primary light. In the example of 4a and 4b Area B is completely covered by a Sendelenslet 610 covered. In this example, the transmitting elenslets have a larger extension along the slow axis, as a result of which a rectangular beam profile of the primary light is collimated onto the object. This is not to be taken as a limitation. For example, different lenses could be used in area B instead of a single large lens, and the relationships between the different areas A, B, C can also be varied with respect to one another in different examples.

Die Bereiche A und C sind eingerichtet, um das vom Scanelement 800 empfangene sekundäre Licht zu der Vielzahl von Detektoren zu führen, zum Beispiel zum ersten Detektor 400 und zum zweiten Detektor 410 im Beispiel von .Areas A and C are set up around that of the scanning element 800 to guide received secondary light to the plurality of detectors, for example the first detector 400 and to the second detector 410 in the example of .

zeigt eine mögliche Linse 600, um das sekundäre Licht zu zwei unterschiedlichen Detektoren zu führen. Die Linse 600 von 4a kann zum Beispiel als Linse 600 in 2 verwendet werden. Ein erstes Empfangslenslet 621A definiert einen ersten Empfangsteilstrahl 330 im Bereich A und damit in 2 und ein zweites Empfangslenslet 622A definiert den zweiten Empfangsteilstrahl 331 in 2. shows a possible lens 600 to guide the secondary light to two different detectors. The Lens 600 from 4a can for example as a lens 600 in 2 be used. A first reception lenslet 621A defines a first receive sub-beam 330 in area A and thus in 2 and a second receiving lenslet 622A defines the second receiving sub-beam 331 in 2 .

zeigt eine alternative Implementierung für eine Linse 600. In diesem Beispiel ist der Empfangslensletaufbau der Vielzahl von Empfangslenslets im Vergleich zu modifiziert. Statt der Empfangslenslets 621A, 622A wie in zeigt vier Empfangslenslets 621B, 621C, 622B, 622C. Diese vier Empfangslenslets definieren wiederum eine Vielzahl von Empfangsteilstrahlen, nämlich für die Empfangsteilstrahlen 330, 331, 332, 333. Diese vier Empfangsteilstrahlen 330 bis 333 können dann auf eine Vielzahl von vier Detektoren geführt werden. shows an alternative implementation for a lens 600 . In this example, the receiving lenslet structure of the plurality of receiving lenslets is compared to modified. Instead of the receiving lenslets 621A , 622A as in shows four receiving lenslets 621B , 621C , 622B , 622C . These four receiving lenslets in turn define a large number of receiving partial beams, namely for the receiving partial beams 330 , 331 , 332 , 333 . These four receiving sub-beams 330 to 333 can then be guided to a large number of four detectors.

zeigt eine Seitenansicht der Linse 600, zum Beispiel von . Figure 3 shows a side view of the lens 600 , for example from .

In LIDAR-Systemen, zum Beispiel in den oben beschriebenen LIDAR-Systemen 100 (aber auch in anderen LIDAR-Systemen mit anderer optischer Konfiguration), die eine Vielzahl von Detektoren 400 umfassen, können 410 unterschiedliche Bandpassfilter verwendet werden. Die Verwendung von mehreren und unterschiedlichen Bandpassfiltern wird im Folgenden zusammen mit 5 bis 8 beschrieben.In LIDAR systems, for example in the LIDAR systems described above 100 (but also in other LIDAR systems with a different optical configuration) that have a large number of detectors 400 410 different bandpass filters can be used. The use of multiple and different bandpass filters is discussed below along with 5 to 8th described.

In den Beispielen der bis wird dieser Aspekt der Erfindung im Hinblick auf eine Vielzahl von Detektoren, umfassend drei unterschiedliche Detektoren, diskutiert, aber er ist keineswegs auf diesen Fall beschränkt. Die im Folgenden diskutierten Methoden und Überlegungen können auch auf nur zwei Detektoren oder auch auf eine größere Anzahl von Detektoren angewendet werden.In the examples of the to This aspect of the invention will be discussed in terms of a plurality of detectors including three different detectors, but it is in no way limited to this case. The methods and considerations discussed below can also be applied to only two detectors or to a larger number of detectors.

Um den Vorteil der Verwendung unterschiedlicher Bandpassfilter in einem LIDAR-System zu veranschaulichen, wird zunächst unter Bezugnahme auf ein möglicher Effekt in einem LIDAR-System diskutiert. Danach werden unter Bezugnahme auf Beispiele für Verbesserungen von LIDAR-Systemen diskutiert.To illustrate the advantage of using different bandpass filters in a LIDAR system, reference is first made to FIG a possible effect in a LIDAR system is discussed. Thereafter, referring to FIG Examples of improvements to lidar systems are discussed.

veranschaulicht einen möglichen Effekt in einem LIDAR-System, zum Beispiel im LIDAR-System 100 von bis . illustrates a possible effect in a LIDAR system, for example in the LIDAR system 100 from to .

zeigt die Laseremissionsintensität I als Funktion der Wellenlänge A. Wie in durch die durchgezogene Linie angedeutet, kann ein Laser, zum Beispiel der Laser 200 von , eine Lasermittenwellenlänge AL und eine Laserpeakspektralbreite W haben. Es gibt unterschiedliche Methoden zur Beschreibung der Laserparameter, im Folgenden wird der Einfachheit halber angenommen, dass W ein Maß für die volle Halbwertsbreite, FWHM des Laserspektralemissionsprofils ist. Bei einigen Lasersystemen kann die Lasermittenwellenlänge AL und/oder die Laserpeakspektralbreite W von unterschiedlichen Parametern abhängen, zum Beispiel von der Temperatur des Lasers, den Alterungsbedingungen des Lasers, der Versorgungsspannung des Lasers usw. shows the laser emission intensity I as a function of the wavelength A. As in FIG indicated by the solid line, a laser, for example the laser 200 from , have a laser center wavelength AL and a laser peak spectral width W. There are different methods for describing the laser parameters, in the following, for the sake of simplicity, it is assumed that W is a measure of the full half-width, FWHM of the laser spectral emission profile. In some laser systems, the laser center wavelength AL and / or the laser peak spectral width W can depend on different parameters, for example on the temperature of the laser, the aging conditions of the laser, the supply voltage of the laser, etc.

In wird diese Parameterabhängigkeit des Laseremissionsprofils durch unterschiedliche gestrichelte Laserintensitätsprofile AL1 - AL6 angezeigt, die das Ergebnis unterschiedlicher Betriebsbedingungen des Lasers sein können. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann bei einem gegebenen Lasersystem diese Änderung der Emissionsmittenwellenlänge und des Spektrallaserintensitätsprofils am stärksten durch die Temperatur beeinflusst werden. Dies kann als eine Temperaturverschiebung des Lasers beschrieben werden. In einem gegebenen Beispielsystem kann die Lasermittenwellenlänge stärker beeinflusst werden, während die Laserbandbreite über einen gegebenen Temperaturbereich, zum Beispiel einen Temperaturbereich zwischen - 20°C und +80°C, im Wesentlichen konstant bleiben kann. Wenn die Betriebsbedingungen des LIDAR-Systems bekannt sind, zum Beispiel aus den Anforderungen von Automobilanwendungen, kann ein gegebenes Lasersystem durch eine Laseremissionsbandbreite BWL charakterisiert werden, die durch die minimale Wellenlänge Amin und die maximale Wellenlänge Amax, wie in angegeben, beschrieben werden kann. Die Emissionsbandbreite des Lasers kann von den Betriebsparametern abhängen.In this parameter dependency of the laser emission profile is indicated by different dashed laser intensity profiles AL1-AL6, which can be the result of different operating conditions of the laser. In one non-limiting example, for a given laser system, this change in emission center wavelength and spectral laser intensity profile can be most affected by temperature. This can be described as a temperature shift of the laser. In a given example system, the laser center wavelength can be influenced to a greater extent, while the laser bandwidth can remain essentially constant over a given temperature range, for example a temperature range between −20 ° C. and + 80 ° C. If the operating conditions of the LIDAR system are known, for example from the requirements of automotive applications, a given laser system can be characterized by a laser emission bandwidth BWL, which is determined by the minimum wavelength Amin and the maximum wavelength Amax, as in specified, can be described. The emission bandwidth of the laser can depend on the operating parameters.

Im Folgenden wird sich die Diskussion auf ein solches Beispiel beschränken, aber dieselbe Argumentation kann auch unter anderen Umständen angewandt werden, zum Beispiel wenn ein bestimmter Laser anfälliger für Änderungen der Versorgungsspannung als für Temperaturänderungen ist. In solchen Fällen kann die Emissionsbandbreite BWL überwiegend durch einen Bereich möglicher Versorgungsspannungen analog zu dem hier beschriebenen Temperaturverschiebungsfenster bestimmt werden.In the following, the discussion will be limited to such an example, but the same reasoning can be applied in other circumstances, for example when a particular laser is more susceptible to changes in supply voltage than to changes in temperature. In such cases, the emission bandwidth BWL can mainly be determined by a range of possible supply voltages analogous to the temperature shift window described here.

Die Emissionsbandbreite BWL kann angegeben werden durch B W L = λ m a x λ m i n .

Figure DE102019112857A1_0001
The BWL emission range can be specified by B. W. L. = λ m a x - λ m i n .
Figure DE102019112857A1_0001

Wenn nur ein einzelner Detektor oder eine Vielzahl von Detektoren, aber ohne Bandpassfilter oder ohne unterschiedliche Bandpassfilter verwendet werden, kann die temperaturvariable Laseremissionsintensität zwischen Amin und Amax den Nachteil haben, dass das Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu einem idealen stabilen Laser, der ein festes Spektralemissionsprofil hat und somit einen Bandpassfilter mit einer schmalen Spektralbreite erlauben würde, negativ beeinflusst wird.If only a single detector or a plurality of detectors, but without a bandpass filter or without different bandpass filters, are used, the temperature-variable laser emission intensity between Amin and Amax can be the disadvantage have that the signal-to-noise ratio is negatively affected compared to an ideal stable laser, which has a fixed spectral emission profile and thus would allow a bandpass filter with a narrow spectral width.

Stattdessen, in solchen Fällen einer signifikanten Temperaturabhängigkeit der Laseremission, eine große Spektralbreite, in der Licht vom Detektor akzeptiert werden muss, oder eine Vielzahl von Detektoren zwischen Amin und Amax. Dies kann zu einem großen Hintergrundsignal, zum Beispiel aufgrund von Umgebungslicht, und damit zu einem vergleichsweise schlechten Signal-Rausch-Verhältnis führen.Instead, in such cases of a significant temperature dependence of the laser emission, a large spectral width in which light must be accepted by the detector, or a large number of detectors between Amin and Amax. This can lead to a large background signal, for example due to ambient light, and thus to a comparatively poor signal-to-noise ratio.

Nun zu den Figuren bis ., werden mögliche Verbesserungen dieser Situation durch die Verwendung einer Vielzahl von Detektoren zusammen mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Bandpassfiltern diskutiert.Now to the figures to ., possible improvements to this situation by using a plurality of detectors together with a plurality of different bandpass filters are discussed.

In bis ist der vom Laser möglicherweise abgedeckte Spektralbereich zwischen Amin und Amax in unterschiedliche Bandpassbereiche unterschiedlicher Bandpassfilter aufgeteilt. Die Figuren 6 bis 8 zeigen die Transmission T als Funktion der Wellenlänge A, wobei λ der Wellenlänge von 5 entspricht. Die in den Figuren 6 bis 8 dargestellten Bandpassfilter werden auf unterschiedliche Detektoren angewendet. Die unterschiedlichen Detektoren können die oben beschriebene Vielzahl von Detektoren sein.In to the spectral range between Amin and Amax possibly covered by the laser is divided into different bandpass ranges of different bandpass filters. The figures 6th to 8th show the transmission T as a function of the wavelength A, where λ is the wavelength of 5 corresponds. The one in the figures 6th to 8th The bandpass filters shown are applied to different detectors. The different detectors can be the plurality of detectors described above.

Gemäß dem gezeigten Beispiel deckt jeder der Bandpassfilter eine Bandbreite BW1, BW2 und BW3 ab. Im Beispiel gilt die Beziehung BW1+BW2+BW3=BWL.According to the example shown, each of the bandpass filters covers a bandwidth BW1, BW2 and BW3. In the example, the relationship BW1 + BW2 + BW3 = BWL applies.

Die Anzahl von drei Transmissionsfiltern wird nur zur Veranschaulichung gewählt. Auch können nur zwei oder mehr Bandpassfilter zusammen mit einer entsprechenden Anzahl von Detektoren der Vielzahl von Detektoren verwendet werden.The number of three transmission filters is chosen for illustrative purposes only. It is also possible to use only two or more bandpass filters together with a corresponding number of detectors of the plurality of detectors.

Im gezeigten Beispiel ist die Spektralbreite der Bandpassfilter identisch, aber dies ist nicht notwendigerweise der Fall.In the example shown, the spectral width of the bandpass filters is identical, but this is not necessarily the case.

Eine Spektralverschiebung des Lasers aufgrund von Änderungen der Betriebsbedingungen, zum Beispiel eine Temperaturverschiebung einer Emissionsbandbreite des Lasers, die mit einem Betriebstemperaturbereich von -20°C und +80° verbunden ist, kann beide Bandpassbereiche der mindestens zwei Bandpassfilter umfassen.A spectral shift of the laser due to changes in the operating conditions, for example a temperature shift of an emission bandwidth of the laser, which is associated with an operating temperature range of -20 ° C. and + 80 °, can include both bandpass ranges of the at least two bandpass filters.

In einigen Beispielen, wenn N Detektoren mit N unterschiedlichen Filtern bereitgestellt werden, die jeweils einen Spektralbereich BWi abdecken, kann die Beziehung B W L = i = 1 N B W i

Figure DE102019112857A1_0002
erfüllt sein. In einigen Beispielen ist diese Beziehung nur näherungsweise erfüllt, zum Beispiel weil die unterschiedlichen Bandpassfilter eine Überlappung im Spektralbereich haben können, wie weiter unten besprochen wird.In some examples, if N detectors are provided with N different filters, each covering a spectral range BWi, the relationship B. W. L. = i = 1 N B. W. i
Figure DE102019112857A1_0002
be fulfilled. In some examples, this relationship is only approximately fulfilled, for example because the different bandpass filters can have an overlap in the spectral range, as will be discussed further below.

In einigen Beispielen können die Bandpassbereiche der Vielzahl von Bandpassfiltern gleichmäßig über die Emissionsbandbreite des Lasers verteilt sein, die dem Betriebstemperaturbereich zugeordnet ist. Somit kann die Filterbreite der Bandpassbereiche für die Bandpassfilter ungefähr gleich sein.In some examples, the bandpass ranges of the plurality of bandpass filters may be evenly distributed across the emission bandwidth of the laser that is associated with the operating temperature range. Thus, the filter width of the bandpass ranges for the bandpass filters can be approximately the same.

Die unterschiedlichen Bandpassbereiche BWi können den Vorteil haben, dass für gegebene Betriebsbedingungen, zum Beispiel eine Messung während eines Zeitpunkts, das Laseremissionslicht auf eine der Bandbreiten BW1 bis BW3 eingeschränkt wird. Zum Beispiel, wenn der Laser in einem Betriebszustand ist, in dem das Laseremissionsprofil AL6 von entspricht, kann im Wesentlichen das gesamte sekundäre Licht von dem Detektor empfangen werden, der mit dem Bandbreitenfilter verbunden ist, der den Bereich BW1 abdeckt. In einem anderen Beispiel, wenn der Laser unter Bedingungen mit der Laserzentralwellenlänge λL3 arbeitet, kann der Detektor, der mit dem Filter verbunden ist, der die Bandbreite BW3 abdeckt, im Wesentlichen das gesamte sekundäre Licht empfangen.The different bandpass ranges BWi can have the advantage that for given operating conditions, for example a measurement during a point in time, the laser emission light is restricted to one of the bandwidths BW1 to BW3. For example, when the laser is in an operating state in which the laser emission profile AL6 of substantially all of the secondary light can be received by the detector connected to the bandwidth filter covering area BW1. In another example, when the laser is operating under laser center wavelength λL3 conditions, the detector associated with the filter that covers bandwidth BW3 can receive substantially all of the secondary light.

Dies kann zum Beispiel bei Anwendungen mit großen Lichtsignalen zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses für das LIDAR-Signal im Vergleich zu einem einzelnen Detektoraufbau führen, der die gesamte Bandbreite abdeckt, zum Beispiel BW1 bis BW3.In applications with large light signals, for example, this can lead to an improvement in the signal-to-noise ratio for the LIDAR signal compared to a single detector structure that covers the entire bandwidth, for example BW1 to BW3.

Für ein idealisiertes Beispiel kann der Grund für die Verbesserung wie folgt angegeben werden. Wenn nur ein einzelner Detektor verwendet wird, ist die Menge des sekundären Lichts, die den Detektor erreichen kann, proportional zu der Fläche, durch die das sekundäre Licht hindurchgeht. Zum Beispiel, wenn die Fläche in einem LIDAR-System durch die Linse 600 beschränkt wird, zum Beispiel eine Linse 600, die der in gezeigten Linse 600 entspricht, ist die Menge an Licht, die von dem einzelnen Detektor empfangen wird, beschränkt durch a r e a   A 0 = a r e a   A + a r e a C

Figure DE102019112857A1_0003
For an idealized example, the reason for the improvement can be given as follows. If only a single detector is used, the amount of secondary light that can reach the detector is proportional to the area through which the secondary light passes. For example, if the area in a LIDAR system is through the lens 600 is limited, for example a lens 600 that the in shown lens 600 the amount of light that can be received by the individual detector is limited by a r e a A. 0 = a r e a A. + a r e a C.
Figure DE102019112857A1_0003

Da jedoch nur ein einzelner Detektor verwendet wird, muss ein Bandpassfilter vor dem einzelnen Detektor gewählt werden, um die volle Laseremissionsbandbreite BWL zu überspannen. Wenn wir annehmen, dass das Hintergrundlicht eine gleichmäßige Spektralverteilung über die volle Laseremissionsbandbreite BWL und eine Intensität BG hat, kommt die volle Intensität des Hintergrundlichts BG am einzelnen Detektor an. Das Detektorsignal wird dann durch eine empfangene Laserintensität IL beschränkt, die den Bereich A0 durchläuft. Das Signal-Rausch-Leistungsverhältnis PSN0 kann dann angenähert werden durch P S N 0 = I L B G .

Figure DE102019112857A1_0004
However, since only a single detector is used, a band pass filter must be used in front of the individual detector can be selected in order to span the full laser emission bandwidth BWL. If we assume that the background light has a uniform spectral distribution over the full laser emission bandwidth BWL and an intensity BG, the full intensity of the background light BG arrives at the individual detector. The detector signal is then limited by a received laser intensity IL that covers the area A0 passes through. The signal-to-noise power ratio PSN0 can then be approximated by P S. N 0 = I. L. B. G .
Figure DE102019112857A1_0004

Bei großen Intensitäten von BG kann dies zu einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis SNR0 führen.At high intensities of BG this can lead to a poor signal-to-noise ratio SNR0.

Stattdessen kann eine Vielzahl von N Detektoren verwendet werden, und jeder Detektor i kann mit einem Filter ausgestattet sein, der einen unterschiedlichen Bandpfadbereich BWi, wie oben beschrieben, sendet. Die unterschiedlichen Bandpfadbereiche können gewählt werden, um die Beziehung zu erfüllen, die durch Gl. (2) gegeben ist.Instead, a plurality of N detectors can be used, and each detector i can be equipped with a filter transmitting a different band path area BWi as described above. The different tape path areas can be chosen to satisfy the relationship given by Eq. (2) is given.

In einem solchen Fall empfängt jeder Detektor der Vielzahl von Detektoren nur eine Hintergrundlichtintensität BGi, die gegeben ist durch B G i B G N 2 .

Figure DE102019112857A1_0005
In such a case, each detector of the plurality of detectors receives only a background light intensity BGi given by B. G i B. G N 2 .
Figure DE102019112857A1_0005

Beachten Sie, dass eine Reduktion im Vergleich zu BG um einen Faktor von 1/N auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass jeder Detektor nur Hintergrundlicht von einem 1/N-Teil der Fläche A0 empfängt. Die Reduktion um einen weiteren Faktor von 1/N ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Bandpassfilter vor dem gegebenen Detektor nur den 1/N-ten Teil des Hintergrundlichts durchlässt. Hier wird angenommen, dass BWi bei der Abdeckung der Laseremissionsbandbreite BWL eine gleichmäßige Spektralbreite haben. In anderen Beispielen können ungleichmäßige Spektralbreiten von BWi verwendet werden, dann ändert sich dieser zweite Faktor entsprechend.Note that a reduction compared to BG by a factor of 1 / N is due to the fact that each detector only has background light from a 1 / N part of the area A0 receives. The reduction by a further factor of 1 / N is due to the fact that the bandpass filter in front of the given detector only lets through the 1 / Nth part of the background light. It is assumed here that BWi have a uniform spectral width when covering the laser emission bandwidth BWL. In other examples, non-uniform spectral widths of BWi can be used, then this second factor changes accordingly.

Wie jedoch im Zusammenhang mit diskutiert, ist der Laser, während der Laser während des Betriebs driften kann, zu einem bestimmten Zeitpunkt auf eine bestimmte Spektralverteilung beschränkt, zum Beispiel AL6 in .However, as in connection with discussed, while the laser can drift during operation, the laser is limited to a certain spectral distribution at a certain point in time, for example AL6 in .

Typischerweise driftet die Temperatur eher langsam, z.B. in der Größenordnung von Minuten.Typically the temperature drifts rather slowly, e.g. on the order of minutes.

In einem solchen Fall wird das Laserlicht nur von dem entsprechenden Detektor empfangen, zum Beispiel von Detektor i=1, für den Fall, dass der Laser in einem Betriebsregime von λL5 oder AL6 ist, und i=3, für den Fall, dass der Laser in einem Betriebsregime von AL3 oder AL2 ist.In such a case, the laser light will only be received by the corresponding detector, for example detector i = 1, in the event that the laser is in an operating regime of λL5 or AL6, and i = 3, in the event that the laser is in an operating regime of AL3 or AL2.

In einem solchen Fall kann das Detektorsignal von den Detektoren, die den Laser nicht empfangen, vernachlässigt werden.In such a case, the detector signal from the detectors which do not receive the laser can be neglected.

Wenn zum Beispiel das Laserlicht in einem Betriebsregime ist, in dem das sekundäre Licht nur den ersten Detektor erreicht, erreicht aufgrund der Bandpassfilterbreite BW1 nur das BGi-Hintergrundsignal den Detektor.For example, if the laser light is in an operating regime in which the secondary light only reaches the first detector, only the BGi background signal reaches the detector due to the bandpass filter width BW1.

Jedoch erreicht aus folgendem Grund auch nicht die volle Laserintensität IL den ersten Detektor: Um die Vielzahl von Detektoren unterzubringen, muss die verfügbare Fläche A0 der Linse auf die unterschiedlichen Teilstrahlen für die jeweiligen Detektoren aufgeteilt werden. Somit kommt an jedem Detektor ein Bruchteil des Lichts I L i = I L N

Figure DE102019112857A1_0006
an.However, the full laser intensity IL does not reach the first detector for the following reason either: The available area must be used to accommodate the large number of detectors A0 the lens can be divided into the different partial beams for the respective detectors. This means that a fraction of the light comes from each detector I. L. i = I. L. N
Figure DE102019112857A1_0006
at.

Somit ist das PSN-Verhältnis (Power of Signal over Noise) für den i-ten Detektor, der das sekundäre Licht empfängt, ausgewählt aus der Vielzahl von N Detektoren, gegeben durch: P S N = I L / N B G / N 2 = N × I L B G

Figure DE102019112857A1_0007
Thus, the PSN (Power of Signal over Noise) ratio for the i-th detector receiving the secondary light, selected from the plurality of N detectors, is given by: P S. N = I. L. / N B. G / N 2 = N × I. L. B. G
Figure DE102019112857A1_0007

Somit erhöht sich das PSN um N.This increases the PSN by N.

Wenn ein Signal-Rausch-Verhältnis SNR als das Verhältnis des durchschnittlichen Signals zur Standardabweichung des Rauschens definiert ist, gilt die Beziehung S N R O S N R i = N

Figure DE102019112857A1_0008
wobei SNRO das Signal-Rausch-Verhältnis für das Signal-Rausch-Verhältnis für den oben beschriebenen Einzeldetektor-Fall ist und SNRi das Signal-Rausch-Verhältnis für den i-ten Detektor ist, wobei i entsprechend dem aktuellen Laserintensitätsprofil gewählt ist, so dass der i-te Detektor das sekundäre Licht empfängt.If a signal-to-noise ratio SNR is defined as the ratio of the average signal to the standard deviation of noise, the relationship holds S. N R. O S. N R. i = N
Figure DE102019112857A1_0008
where SNRO is the signal-to-noise ratio for the signal-to-noise ratio for the single detector case described above and SNRi is the signal-to-noise ratio for the i-th detector, where i is chosen according to the current laser intensity profile, so that the i-th detector receives the secondary light.

Mit anderen Worten, die Verwendung einer Vielzahl von Detektoren, wie hier beschrieben, kann den Vorteil haben, dass das Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu Anwendungen mit einem einzelnen Detektor oder mit einer Vielzahl von Detektoren, die keine unterschiedlichen Bandpassbereiche für unterschiedliche Laseremissionsprofile haben, verbessert wird. Während die obige Berechnung auf den oben genannten Annahmen beruht, gilt dieses Argument im Wesentlichen auch für unterschiedliche Fälle, zum Beispiel ungleichmäßige Bandpassfilterbereiche BWi und/oder Überlappung zwischen Bandpassfilterbereichen BWi, obwohl die numerischen Werte variieren können.In other words, the use of a variety of detectors as described here can be used have the advantage that the signal-to-noise ratio is improved compared to applications with a single detector or with a large number of detectors that do not have different bandpass ranges for different laser emission profiles. While the above calculation is based on the above assumptions, this argument essentially also applies to different cases, for example uneven bandpass filter areas BWi and / or overlapping between bandpass filter areas BWi, although the numerical values can vary.

Es sollte beachtet werden, dass bei einigen Anwendungen die optimale Anzahl von N beschränkt sein kann, zum Beispiel durch Faktoren wie die Spektralbreite W des Lasers im Vergleich zur Laseremissionsbandbreite BWL, die Anzahl der am i-ten Detektor empfangenen Signalphotonen und/oder praktische Überlegungen bezüglich der Anzahl von Detektoren.It should be noted that in some applications the optimal number of N may be limited, for example by factors such as the spectral width W of the laser compared to the laser emission bandwidth BWL, the number of signal photons received at the i-th detector and / or practical considerations the number of detectors.

Somit kann in den meisten Anwendungen eine anwendungsabhängige optimale Anzahl von N bestimmt werden.Thus, in most applications, an application-dependent optimal number of N can be determined.

Im Beispiel von wird die Vielzahl von Detektoren durch N=3 Detektoren ausgeführt. Daher ist das Signal-Rausch-Verhältnis für diesen Aufbau c, wie durch Gl. (8) beschrieben, um 73% im Vergleich zu einem Einzeldetektoraufbau verbessert werden.In the example of the plurality of detectors is carried out by N = 3 detectors. Therefore, the signal-to-noise ratio for this setup is c, as shown by Eq. (8) to be improved by 73% compared to a single detector design.

In einigen Beispielen kann das Rauschsignal von den anderen Detektoren, die das Laserlicht nicht empfangen, der Vielzahl von Detektoren verwendet werden, um weitere Informationen bezüglich des Rauschens zu erhalten. In einigen Ausführungsformen kann die Spektralbandbreite berücksichtigt werden, zum Beispiel durch Korrektur des Signals unter Verwendung Spektralsensitivitätscharakteristiken und Annahmen bezüglich des Hintergrundsignals, zum Beispiel des Planck'schen Gesetzes, um das an einem ersten Detektor empfangene Rauschen auf ein entsprechendes Rauschen an einem zweiten Detektor abzubilden.In some examples, the noise signal from the other detectors that are not receiving the laser light of the plurality of detectors can be used to obtain further information regarding the noise. In some embodiments, the spectral bandwidth can be taken into account, for example by correcting the signal using spectral sensitivity characteristics and assumptions regarding the background signal, for example Planck's law, in order to map the noise received at a first detector onto a corresponding noise at a second detector.

Verschiedene Alternativen bezüglich der Form der Transmissionskurven zur Realisierung der Bandpassbereiche BW1, BW2 und BW3 sind in den Figuren bis gezeigt. Die Transmissionskurven sind in mit F1, F2 und F3, in mit F1A, F2A und F3A und in mit F1B, F2B und F2C gekennzeichnet.Various alternatives with regard to the shape of the transmission curves for realizing the bandpass ranges BW1, BW2 and BW3 are shown in the figures to shown. The transmission curves are in With F1 , F2 and F3 , in With F1A , F2A and F3A and in With F1B , F2B and F2C marked.

Die Form der Transmissionskurven werden nur zur Veranschaulichung gezeigt.The shape of the transmission curves are shown for illustrative purposes only.

Die Transmissionskurven F1, F2 und F3 sind so gestaltet, dass es keine Überlappung zwischen benachbarten Bandbreitenbereichen gibt. Dies kann den Vorteil haben, dass eine sehr klare Trennung und gute Unterdrückung von Hintergrundlicht möglich ist. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Laserzentralwellenlänge auf unterschiedliche Bereiche eingeschränkt werden kann, zum Beispiel wenn die Wellenlänge des Lasers auf unterschiedliche Betriebsfenster stabilisiert werden kann, zum Beispiel durch Anpassung der Versorgungsspannung des Lasers in Abhängigkeit von der Temperatur, um sicherzustellen, dass die Laseremission immer in den Bereich fällt, in dem die jeweilige Transmission der Filter F1 bis F3 groß ist.The transmission curves F1 , F2 and F3 are designed so that there is no overlap between adjacent bandwidth areas. This can have the advantage that a very clear separation and good suppression of background light is possible. This can be particularly advantageous if the laser central wavelength can be restricted to different ranges, for example if the wavelength of the laser can be stabilized to different operating windows, for example by adjusting the supply voltage of the laser as a function of the temperature in order to ensure that the laser emission always falls within the range in which the respective transmission of the filter F1 to F3 is great.

7 zeigt ein unterschiedliches Beispiel. Im Beispiel von haben die Transmissionskurven F1A, F2A und F3A jeweils eine Überlappung in der Transmission mit benachbarten Filterbereichen. Im Beispiel von haben die Transmissionskurven F1B, F2B und F3B, die die Bandpassbereiche BW1, BW2 und BW3 abdecken, eine größere Überlappung. Dies kann den Vorteil haben, dass kein Bereich existiert, in dem das Licht des Lasers aufgrund der Kantenform der Bandpassfilter reduziert wird. Auch Kombinationen sind möglich. Zum Beispiel könnte ein erster Filter eine Überlappung mit einem zweiten Filter haben, aber keine Überlappung mit einem dritten Filter. 7th shows a different example. In the example of have the transmission curves F1A , F2A and F3A an overlap in the transmission with adjacent filter areas. In the example of have the transmission curves F1B , F2B and F3B, which cover the bandpass areas BW1, BW2 and BW3, have a larger overlap. This can have the advantage that there is no area in which the light from the laser is reduced due to the edge shape of the bandpass filters. Combinations are also possible. For example, a first filter could have an overlap with a second filter, but not an overlap with a third filter.

Das LIDAR-System kann eine Steuerelektronik umfassen, die eingerichtet ist, um eine Auswahl eines einzelnen Detektors oder mehrerer Detektoren der Vielzahl von Detektoren durchzuführen und um die Entfernungsmessung des Objekts auf der Grundlage von Messdaten des einen oder mehrerer Detektoren aus der Vielzahl von Detektoren durchzuführen.The LIDAR system can include control electronics which are set up to carry out a selection of a single detector or a plurality of detectors from the plurality of detectors and to carry out the distance measurement of the object on the basis of measurement data from the one or more detectors from the plurality of detectors.

In Beispielen, in denen die eingerichtete Steuerelektronik eine Auswahl eines einzelnen Detektors der Vielzahl von Detektoren durchführt, kann das LIDAR-System nur eine einzelne Detektionselektronik haben, die auf den ausgewählten einzelnen Detektor abgestimmt ist. In anderen Beispielen kann die Anzahl von Detektionselektroniken entsprechend geringer sein als die Anzahl von Detektoren, zum Beispiel wenn die Steuerelektronik eingerichtet ist, um eine Auswahl von mehreren Detektoren mit einer maximalen Anzahl der mehreren Detektoren von 3 durchzuführen, können nur 3 Detektionselektroniken erforderlich sein, um zum Beispiel 6 Detektoren zu betreiben. Dies kann die Kosten und das Gerätevolumen reduzieren, da in diesen Beispielen eine geringere Anzahl von Detektionsschaltkreisen erforderlich ist. In anderen Beispielen kann die Anzahl auch identisch mit der Anzahl von Detektoren oder sogar größer sein. Dies erlaubt es, dass für jeden Detektor und/oder Betriebsbedingungen eine optimierte Detektionselektronik bereitgestellt werden kann. Wenn die Anzahl für mindestens einen Detektor größer ist, kann sogar eine optimierte Detektionselektronik für unterschiedliche Bedingungen bereitgestellt werden, z.B. eine Schwachlichtdetektionselektronik und eine Starklichtdetektionselektronik.In examples in which the installed control electronics carry out a selection of a single detector from the plurality of detectors, the LIDAR system can only have a single detection electronics that are matched to the selected single detector. In other examples, the number of detection electronics can be correspondingly smaller than the number of detectors, for example if the control electronics are set up to carry out a selection of multiple detectors with a maximum number of the multiple detectors of 3, only 3 detection electronics may be required to for example to operate 6 detectors. This can reduce cost and equipment volume, as fewer detection circuits are required in these examples. In other examples, the number can also be identical to the number of detectors or even greater. This allows optimized detection electronics to be provided for each detector and / or operating conditions. If the number for at least one detector is larger, even optimized detection electronics can be provided for different conditions, eg weak light detection electronics and strong light detection electronics.

Die Auswahl kann auf einem beliebigen oder einer Kombination von den folgenden beruhen:

  • - eine Temperatur des Lasers, vorzugsweise durch einen Temperatursensor detektiert,
  • - Intensität eines detektierten Signals auf der Vielzahl von Detektoren,
  • - Spektralinformationen bezüglich der Laserwellenlänge,
  • - Spannungs-/Strom-Kennlinien des Lasers.
The selection can be based on any one or a combination of the following:
  • - a temperature of the laser, preferably detected by a temperature sensor,
  • - intensity of a detected signal on the plurality of detectors,
  • - spectral information related to the laser wavelength,
  • - Voltage / current characteristics of the laser.

In einigen Beispielen wird die Auswahl mit Hilfe einer Nachschlagetabelle durchgeführt. Zum Beispiel kann in der Nachschlagetabelle die Auswahl gemäß einer Lasertemperatur spezifiziert werden.In some examples, the selection is made using a look-up table. For example, in the look-up table, the selection can be specified according to a laser temperature.

In weiteren Beispielen oder zusätzlich können der eine oder die Vielzahl von Detektoren mindestens zwei Detektoren umfassen, wobei die Steuerelektronik eingerichtet werden kann, um die Auswahl so durchzuführen, dass die Bandpassbereiche des zugehörigen Bandpassfilters benachbart oder überlappend sind.In further examples or in addition, the one or the plurality of detectors can comprise at least two detectors, wherein the control electronics can be set up to carry out the selection in such a way that the bandpass ranges of the associated bandpass filter are adjacent or overlapping.

Dies kann den Vorteil haben, dass in Fällen, in denen die Bandpassbereiche überlappen, zum Beispiel BW1 und BW2 in , das Lasersignal vollständig zurückgewonnen werden kann, obwohl es zwischen zwei Detektionsbandbreiten aufgeteilt ist.This can have the advantage that in cases in which the bandpass ranges overlap, for example BW1 and BW2 in , the laser signal can be fully recovered even though it is split between two detection bandwidths.

Die hier beschriebenen Methoden und Techniken können kombiniert werden. Beispiele werden im Folgenden bereitgestellt.The methods and techniques described here can be combined. Examples are provided below.

Als erstes Beispiel kann es wünschenswert sein, das vorhandene, d.h. unabhängig vom Laser vorhandene Hintergrundlicht zu messen. Dies kann durch die Verwendung mindestens eines Bandpassfilters erreicht werden, der mindestens einem Detektor der Vielzahl von Detektoren mit einem Bandpassbereich außerhalb des Laserspektralbereichs zugeordnet ist. Das Signal von diesem mindestens einen Detektor kann verwendet werden, um einen Hintergrundwert zu erhalten, zum Beispiel eine Hintergrundphotonenrate pro Nanosekunde. Dieser Hintergrundwert kann dann verwendet werden, um die Pulsdetektion eines anderen Detektors aus der Vielzahl von Detektoren, der das Laserlicht detektiert, zu verbessern.As a first example it may be desirable to use the existing, i. to measure existing background light independently of the laser. This can be achieved through the use of at least one bandpass filter which is assigned to at least one detector of the plurality of detectors with a bandpass range outside the laser spectral range. The signal from this at least one detector can be used to obtain a background value, for example a background photon rate per nanosecond. This background value can then be used to improve the pulse detection of another detector of the plurality of detectors which detects the laser light.

Als zweites Beispiel, das mit dem ersten Beispiel kombiniert werden kann, kann es bei LIDAR-Anwendungen wünschenswert sein, eine Totzeit aufgrund des direkt nach der Laseremission vorhandenen starken Lichts zu überwinden. Dieses starke Licht kann durch interne Reflexionen während der Auslösung des Lasers des LIDAR-Systems verursacht werden. Das Laserlicht kann den Detektor und/oder Verstärker sättigen, was die Totzeit verursacht oder dazu beiträgt. Als Folge davon kann das LIDAR-System aufgrund der Totzeit nicht in der Lage sein, das sekundäre Licht von nahen Objekten zu detektieren.As a second example, which can be combined with the first example, in LIDAR applications it may be desirable to overcome a dead time due to the strong light present immediately after the laser emission. This strong light can be caused by internal reflections during triggering of the LIDAR system's laser. The laser light can saturate the detector and / or amplifier, causing or adding to the dead time. As a result, the LIDAR system may not be able to detect the secondary light from nearby objects due to the dead time.

Diese Einschränkung kann durch die Verwendung einer Vielzahl von Detektoren überwunden werden, die einen zweiten Detektor mit einer unterschiedlichen Sensitivität und/oder einen Bandpassfilter vor dem zweiten Detektor umfassen, wobei der dem zweiten Detektor zugeordnete Bandpassfilter in Bezug auf die Laserwellenlänge fehlausgerichtet ist. Dies kann den Effekt haben, dass der fehlausgerichtete Bandpassfilter das Laserlicht abschwächt.This limitation can be overcome by using a plurality of detectors which include a second detector with a different sensitivity and / or a bandpass filter in front of the second detector, the bandpass filter associated with the second detector being misaligned with respect to the laser wavelength. This can have the effect that the misaligned band pass filter attenuates the laser light.

Diese zwei oben beschriebenen Möglichkeiten können kombiniert werden. Zum Beispiel kann in einer ersten Option ein Detektor mit einer verringerten Sensitivität gewählt werden. In einer zweiten Option kann ein fehlausgerichteter Bandpassfilter mit einem Detektor mit identischer Sensitivität verwendet werden. In einer dritten Option kann ein Detektor mit verringerter Sensitivität zusammen mit einem fehlausgerichteten Bandpassfilter verwendet werden, der mit dem Detektor verbunden ist, wodurch das Signal noch weiter abgeschwächt wird.These two possibilities described above can be combined. For example, a detector with a reduced sensitivity can be selected in a first option. In a second option, a misaligned bandpass filter can be used with a detector with identical sensitivity. In a third option, a detector with reduced sensitivity can be used in conjunction with a misaligned band pass filter connected to the detector, thereby further attenuating the signal.

Durch Verwendung der oben beschriebenen Techniken, allein oder in Kombination, kann die Sättigung des Detektors reduziert oder vermieden werden. Dies kann die LIDAR-Ergebnisse für nahe Objekte, zum Beispiel in einem Bereich unter 10 m, verbessern.By using the techniques described above, alone or in combination, the saturation of the detector can be reduced or avoided. This can improve the LIDAR results for close objects, for example in an area under 10 m.

In einem dritten Beispiel, das mit dem ersten und/oder dem zweiten Beispiel kombiniert werden kann, kann mindestens ein Detektor der Vielzahl von Detektoren verwendet werden, um elektrischen Crosstalk im LIDAR-System, zum Beispiel durch den Laser verursachten Crosstalk, zu detektieren. Für diesen Sensor kann eine optische Detektion nicht erwünscht sein. Daher kann eine Überspannung dieses Sensors abgeschaltet werden, so dass dieser spezielle Detektor nicht für optisches Licht empfindlich ist. Zusätzlich oder alternativ kann der Lichtpfad zu diesem speziellen Detektor blockiert sein.In a third example, which can be combined with the first and / or the second example, at least one detector of the plurality of detectors can be used to detect electrical crosstalk in the LIDAR system, for example crosstalk caused by the laser. Optical detection may not be desirable for this sensor. Therefore, an overvoltage of this sensor can be switched off so that this particular detector is not sensitive to optical light. Additionally or alternatively, the light path to this special detector can be blocked.

In einigen Variationen dieses dritten Beispiels kann der Detektor, der zur Detektion des elektrischen Crosstalks verwendet wird, mechanisch blockiert sein, d.h. er kann nicht angeordnet sein, um das sekundäre Licht entlang eines Empfangsstrahls vom Scanelement zu detektieren. In einem Beispiel kann ein LIDAR-System wie folgt bereitgestellt werden:

  • Ein LIDAR-System zur Entfernungsmessung eines Objekts unter Verwendung von primärem Licht und sekundärem Licht, das an dem Objekt reflektiert wird, wobei das LIDAR-System umfasst:
    • - einen Laser, der angeordnet ist, um das primäre Licht entlang eines Sendestrahls zu einem Scanelement zu emittieren,
    • - eine Vielzahl von Detektoren, wobei mindestens ein Detektor der Vielzahl von Detektoren angeordnet ist, um das sekundäre Licht entlang eines Empfangsstrahls von dem Scanelement zu detektieren,
  • - eine Linse, die zwischen dem Laser und der Vielzahl von Detektoren und dem Scanelement positioniert ist, wobei die Linse umfasst:
    • ein Sendelenslet, das dem Sendestrahl zugeordnet ist, und
    • eine Vielzahl von Empfangslenslets, die eine Vielzahl von Empfangsteilstrahlen definieren, wobei jede der Vielzahl von Empfangslenslets angeordnet ist, um den jeweiligen Empfangsteilstrahl auf einen entsprechenden Detektor aus der Vielzahl von Detektoren zu fokussieren.
In some variations of this third example, the detector used to detect the electrical crosstalk may be mechanically blocked, ie it may not be arranged to detect the secondary light along a received beam from the scanning element. In one example, a lidar system can be deployed as follows:
  • A LIDAR system for measuring the range of an object using primary light and secondary light reflected from the object, the LIDAR system comprising:
    • - a laser which is arranged to emit the primary light along a transmission beam to a scanning element,
    • - a plurality of detectors, wherein at least one detector of the plurality of detectors is arranged to detect the secondary light along a received beam from the scanning element,
  • a lens positioned between the laser and the plurality of detectors and the scanning element, the lens comprising:
    • a transmission lens that is assigned to the transmission beam, and
    • a plurality of receive lenslets defining a plurality of receive sub-beams, each of the plurality of receive lenslets being arranged to focus the respective receive sub-beam onto a corresponding one of the plurality of detectors.

In einigen Beispielen kann die Vielzahl von Detektoren einen zweiten Detektor umfassen. Der zweite Detektor kann angeordnet sein, um kein Licht entlang des Empfangsstrahls zu empfangen. Der zweite Detektor kann angeordnet sein, um ein elektrodynamisches Signal aus der Umgebung und/oder dem LIDAR-System zu detektieren. Das elektromagnetische Signal kann ein durch den Laser verursachtes Signal und/oder Ausleserauschen und/oder Crosstalkrauschen sein. Das LIDAR-System kann eingerichtet sein, um das Signal des mindestens einen Detektors basierend auf dem vom zweiten Detektor erfassten elektrischen Signal zu korrigieren.In some examples, the plurality of detectors can include a second detector. The second detector can be arranged so as not to receive any light along the receive beam. The second detector can be arranged to detect an electrodynamic signal from the environment and / or the LIDAR system. The electromagnetic signal can be a signal caused by the laser and / or readout noise and / or crosstal noise. The LIDAR system can be set up to correct the signal of the at least one detector based on the electrical signal detected by the second detector.

Mit anderen Worten, elektrisches Rauschen kann zumindest teilweise aus dem Signal von mindestens einem Detektor entfernt werden, indem das Signal eines unterschiedlichen Detektors, der nicht zur Lichtdetektion verwendet wird, subtrahiert wird.In other words, electrical noise can be at least partially removed from the signal from at least one detector by subtracting the signal from a different detector that is not used for light detection.

Obwohl die Erfindung im Hinblick auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden Äquivalente und Modifikationen für andere, die sich auf diesem Gebiet auskennen, beim Lesen und Verstehen der Spezifikation auftreten. Die vorliegende Erfindung umfasst alle derartigen Äquivalente und Modifikationen und ist nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments, equivalents and modifications to others skilled in the art will occur upon reading and understanding the specification. The present invention includes all such equivalents and modifications and is limited only by the scope of the appended claims.

Zum Beispiel wurden unterschiedliche Beispiele beschrieben, in denen (i) mehrere Detektoren, die unterschiedlichen Bandpassfiltern zugeordnet sind, mit (ii) einer Linse umfassend zwei Empfangslenslets und einer dazwischen liegenden Sendelenslet kombiniert wurden. Es wäre jedoch im Allgemeinen möglich, dass (i) mehrere Detektoren, die unterschiedlichen Bandpassfiltern zugeordnet sind, in anderen optischen Konfigurationen verwendet werden, z.B. unter Verwendung mehrerer getrennter Detektorlinsen oder nicht koaxialer optischer Aufbauten.For example, different examples have been described in which (i) several detectors, which are assigned to different bandpass filters, were combined with (ii) a lens comprising two receiving lenslets and a transmitting lenslet lying in between. However, it would generally be possible that (i) multiple detectors associated with different bandpass filters could be used in other optical configurations, e.g. using multiple separate detector lenses or non-coaxial optical assemblies.

Claims (18)

LIDAR-System (100) zur Entfernungsmessung eines Objekts (110) unter Verwendung von primärem Licht und sekundärem Licht, das an dem Objekt (110) reflektiert wird, wobei das LIDAR-System (100) umfasst: - einen Laser (200), der angeordnet ist, um das primäre Licht entlang eines Sendestrahls (210) zu einem Scanelement (800) zu emittieren, - eine Vielzahl von Detektoren, die angeordnet sind, um das sekundäre Licht entlang eines Empfangsstrahls vom Scanelement zu detektieren, - eine Linse (600), die zwischen (i) dem Laser und der Vielzahl von Detektoren und (ii) dem Scanelement positioniert ist, wobei die Linse (600) umfasst: ein Sendelenslet (610), das dem Sendestrahl zugeordnet ist, und eine Vielzahl von Empfangslenslets (621, 621a, 621b, 621c, 622, 622a, 622b, 622c), die eine Vielzahl von Empfangsteilstrahlen (330, 331, 332, 333) definieren, wobei jede der Vielzahl von Empfangslenslets (621, 622) angeordnet ist, um den jeweiligen Empfangsteilstrahl (330, 331) auf einen entsprechenden Detektor (400, 410) aus der Vielzahl von Detektoren zu fokussieren.LIDAR system (100) for measuring the range of an object (110) using primary light and secondary light that is reflected from the object (110), the LIDAR system (100) comprising: - a laser (200) which is arranged to emit the primary light along a transmission beam (210) to a scanning element (800), a plurality of detectors which are arranged to detect the secondary light along a received beam from the scanning element, - a lens (600) positioned between (i) the laser and the plurality of detectors and (ii) the scanning element, the lens (600) comprising: a transmit maillet (610) associated with the transmit beam, and a plurality of receive lenslets (621, 621a, 621b, 621c, 622, 622a, 622b, 622c) defining a plurality of receive sub-beams (330, 331, 332, 333), each of the plurality of receive lenslets (621, 622) being arranged is to focus the respective receiving partial beam (330, 331) on a corresponding detector (400, 410) from the plurality of detectors. LIDAR-System nach Anspruch 1, wobei das Sendelenslet (610) zwischen mindestens zwei der Vielzahl von Empfangslenslets (621, 622) in einer zum Sendestrahl senkrechten Richtung angeordnet ist.LIDAR system Claim 1 wherein the transmitting lenslet (610) is arranged between at least two of the plurality of receiving lenslets (621, 622) in a direction perpendicular to the transmitting beam. LIDAR-System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das LIDAR-System ferner umfasst: - ein optisches Abschirmmaterial (1100), das in einem Bereich zwischen der Vielzahl von Detektoren, dem Laser (200) und der Linse (600) angeordnet ist, wobei das optische Abschirmmaterial (110) eingerichtet ist, um die Lichtausbreitung zwischen dem Sendestrahl und den Empfangsteilstrahlen zu verhindern.LIDAR system Claim 1 or 2 wherein the LIDAR system further comprises: - an optical shielding material (1100) arranged in an area between the plurality of detectors, the laser (200) and the lens (600), wherein the optical shielding material (110) is arranged to prevent light propagation between the transmit beam and the receive sub-beams. LIDAR-System nach einem beliebigen der oben genannten Ansprüche, wobei das Sendelenslet (610) angeordnet ist, um das primäre Licht entlang einer langsamen Achse des Sendestrahls zumindest teilweise zu kollimieren.The lidar system of any one of the preceding claims, wherein the transmitter lens (610) is arranged to at least partially collimate the primary light along a slow axis of the transmitter beam. LIDAR-System nach Anspruch 4, wobei das LIDAR-System ferner eine weitere Linse (690) umfasst, die zwischen dem Laser und der Linse positioniert und die angeordnet ist, um zumindest die langsame Achse des Sendestrahls aufzuweiten.LIDAR system Claim 4 , the LIDAR system also having another lens (690) which is positioned between the laser and the lens and which is arranged to expand at least the slow axis of the transmit beam. LIDAR-System nach einem beliebigen der obigen Ansprüche, wobei die Vielzahl von Detektoren (400, 410) einen ersten Detektor (400) und einen zweiten Detektor (410) umfasst, wobei der erste Detektor eine erste Sensitivität hat und der zweite Detektor eine zweite Sensitivität hat, wobei sich die erste Sensitivität von der zweiten Sensitivität unterscheidet.The lidar system of any of the above claims, wherein the plurality of detectors (400, 410) comprises a first detector (400) and a second detector (410), the first detector having a first sensitivity and the second detector having a second sensitivity has, wherein the first sensitivity is different from the second sensitivity. LIDAR-System nach einem beliebigen der obigen Ansprüche, wobei mindestens einer der Vielzahl von Detektoren (400, 410) einen Siliziumphotomultiplier umfasst.The lidar system of any of the preceding claims, wherein at least one of the plurality of detectors (400, 410) comprises a silicon photomultiplier. LIDAR-System nach einem beliebigen der obigen Ansprüche, das ferner eine Vielzahl von Eingangslochblenden (401, 411) umfasst, wobei jede Eingangslochblende jeweils einem der Detektoren der Vielzahl von Detektoren zugeordnet ist, und wobei der Laser und die Vielzahl von Eingangslochblenden auf einer Brennfläche (FS) angeordnet sind, die durch Brennpunkte der Vielzahl von Empfangslenslets (621, 622) definiert ist.The lidar system of any of the above claims, further comprising a plurality of input pinholes (401, 411), each input pinhole being associated with one of the detectors of the plurality of detectors, and wherein the laser and the plurality of input pinholes are positioned on a focal surface ( FS), which is defined by focal points of the plurality of receiving lenslets (621, 622). LIDAR-System nach Anspruch 8, wobei die Brennfläche (FS) eine Ebene ist, wobei die Ebene vorzugsweise senkrecht zu einer Mittelachse (300) des Sendestrahls angeordnet ist.LIDAR system Claim 8 , the focal surface (FS) being a plane, the plane preferably being arranged perpendicular to a central axis (300) of the transmission beam. LIDAR-System nach einem der obigen Ansprüche, das ferner eine Vielzahl von Bandpassfiltern (F1, F1) umfasst, die den Detektoren der Vielzahl von Detektoren zugeordnet sind, wobei die Bandpassbereiche (BWi, BW1, BW2, BW3) von mindestens zwei Bandpassfiltern der Vielzahl von Bandpassfiltern voneinander unterscheiden.LIDAR system according to any of the above claims, further comprising a plurality of bandpass filters (F1, F1) associated with the detectors of the plurality of detectors, the bandpass ranges (BWi, BW1, BW2, BW3) of at least two bandpass filters of the plurality of band pass filters. LIDAR-System nach Anspruch 10, wobei eine Temperaturverschiebung einer Emissionsbandbreite (BWL) des Lasers, die einem Betriebstemperaturbereich von - 20°C und +80° zugeordnet ist, die mindestens zwei Bandpassbereiche (BWi, BW1, BW2, BW3) der mindestens zwei Bandpassfilter (F1, F2) umfasst.LIDAR system Claim 10 , whereby a temperature shift of an emission bandwidth (BWL) of the laser, which is assigned to an operating temperature range of - 20 ° C and + 80 °, which comprises at least two bandpass ranges (BWi, BW1, BW2, BW3) of the at least two bandpass filters (F1, F2) . LIDAR-System nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Bandpassbereiche (BWi, BW1, BW2, BW3) der Vielzahl von Bandpassfiltern (F1, F2) gleichmäßig über die Emissionsbandbreite des Lasers (BWL), die dem Betriebstemperaturbereich zugeordnet ist, verteilt sind.LIDAR system Claim 10 or 11 , wherein the bandpass areas (BWi, BW1, BW2, BW3) of the plurality of bandpass filters (F1, F2) are evenly distributed over the emission bandwidth of the laser (BWL), which is assigned to the operating temperature range. LIDAR-System nach einem beliebigen der Ansprüche 10-12, wobei die Bandpassfilter der Vielzahl von Bandpassfiltern eine Überlappung in den Bandpassbereichen (BWi, BW1, BW2, BW3) haben.LIDAR system according to any of the Claims 10 - 12 wherein the band pass filters of the plurality of band pass filters have an overlap in the band pass areas (BWi, BW1, BW2, BW3). LIDAR-System nach einem beliebigen der Ansprüche 10-13, wobei das LIDAR-System eine Steuerelektronik umfasst, die eingerichtet ist, um eine Auswahl aus der Vielzahl von Detektoren durchzuführen und um die Entfernungsbestimmung des Objekts auf der Grundlage von Messdaten in Übereinstimmung mit der Auswahl aus der Vielzahl von Detektoren durchzuführen.LIDAR system according to any of the Claims 10 - 13 wherein the LIDAR system comprises control electronics that are configured to perform a selection from the plurality of detectors and to perform the determination of the distance of the object on the basis of measurement data in accordance with the selection from the plurality of detectors. LIDAR-System nach Anspruch 14, wobei die Auswahl auf einem beliebigen oder einer Kombination der folgenden basiert: - eine Temperatur des Lasers, optional durch einen Temperatursensor detektiert, - eine Intensität eines detektierten Signals auf der Vielzahl von Detektoren, - Spektralinformationen bezüglich einer Wellenlänge des Lasers, oder - eine Spannungs-/Strom-Kennlinie des Lasers.LIDAR system Claim 14 , the selection being based on any one or a combination of the following: a temperature of the laser, optionally detected by a temperature sensor, an intensity of a detected signal on the plurality of detectors, spectral information relating to a wavelength of the laser, or a voltage - / current characteristic of the laser. LIDAR-System nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Auswahl mindestens zwei Detektoren umfasst, wobei die Steuerelektronik eingerichtet ist, um die Auswahl der mehreren Detektoren durchzuführen, so dass die Bandpassbereiche der zugehörigen Bandpassfilter der Vielzahl von Bandpassfiltern der mindestens zwei Detektoren der Auswahl benachbart oder überlappend sind.LIDAR system Claim 14 or 15th wherein the selection comprises at least two detectors, the control electronics being set up to perform the selection of the plurality of detectors so that the bandpass ranges of the associated bandpass filters of the plurality of bandpass filters of the at least two detectors of the selection are adjacent or overlapping. Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Systems (100) zur Entfernungsmessung eines Objekts (110) unter Verwendung von primärem Licht und sekundärem Licht, das an dem Objekt (110) reflektiert wird, wobei das Verfahren umfasst: - Durchführen einer Auswahl aus einer Vielzahl von Detektoren des LIDAR-Systems, die angeordnet ist, um das sekundäre Licht zu detektieren, wobei jeder Detektor der Vielzahl von Detektoren einem jeweiligen einer Vielzahl von Bandpassfiltern des LIDAR-Systems zugeordnet ist, wobei Bandpassbereiche von mindestens zwei der Vielzahl von Bandpassfiltern voneinander unterscheiden, und - Entfernungsmessung des Objekts auf der Grundlage von Messdaten aus der Vielzahl von Detektoren in Übereinstimmung mit der Auswahl.A method of operating a LIDAR system (100) for measuring the distance of an object (110) using primary light and secondary light that is reflected off the object (110), the method comprising: Performing a selection from a plurality of detectors of the LIDAR system which are arranged to detect the secondary light, each detector of the plurality of detectors being associated with a respective one of a plurality of band pass filters of the LIDAR system, with band pass ranges of at least two differ from one another in the multitude of bandpass filters, and - Distance measurement of the object based on measurement data from the plurality of detectors in accordance with the selection. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Auswahl auf einem beliebigen oder einer Kombination von diesen basiert: - eine Temperatur des Lasers, optional durch einen Temperatursensor detektiert, - eine Intensität eines detektierten Signals auf der Vielzahl von Detektoren, - Spektralinformationen bezüglich einer Wellenlänge des Lasers, oder - eine Spannungs-/Strom-Kennlinie des Lasers.Procedure according to Claim 17 wherein the selection is based on any one or a combination of these: a temperature of the laser, optionally detected by a temperature sensor, an intensity of a detected signal on the plurality of detectors, spectral information relating to a wavelength of the laser, or a voltage - / current characteristic of the laser.
DE102019112857.9A 2019-05-16 2019-05-16 Coaxial optical system for LIDAR measurements (Light Detection and Ranging) Pending DE102019112857A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019112857.9A DE102019112857A1 (en) 2019-05-16 2019-05-16 Coaxial optical system for LIDAR measurements (Light Detection and Ranging)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019112857.9A DE102019112857A1 (en) 2019-05-16 2019-05-16 Coaxial optical system for LIDAR measurements (Light Detection and Ranging)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019112857A1 true DE102019112857A1 (en) 2020-11-19

Family

ID=73019100

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019112857.9A Pending DE102019112857A1 (en) 2019-05-16 2019-05-16 Coaxial optical system for LIDAR measurements (Light Detection and Ranging)

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102019112857A1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115053149A (en) * 2021-01-05 2022-09-13 深圳市速腾聚创科技有限公司 Laser radar and device with laser radar
CN115685218A (en) * 2021-07-21 2023-02-03 广东博智林机器人有限公司 Laser detection device
CN115932798A (en) * 2023-02-21 2023-04-07 探维科技(北京)有限公司 Laser radar transceiver, laser radar detection system and detection method
CN117518125A (en) * 2022-07-29 2024-02-06 深圳市速腾聚创科技有限公司 Lidar and lidar design methods
CN118151167A (en) * 2024-05-13 2024-06-07 杭州赛加得传感器有限公司 Laser radar optical system visualization method
WO2024146549A3 (en) * 2023-01-03 2024-08-15 Hesai Technology Co., Ltd. Lidar and detection control method
DE102024205344A1 (en) 2024-06-10 2025-12-11 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Lidar sensor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170307736A1 (en) * 2016-04-22 2017-10-26 OPSYS Tech Ltd. Multi-Wavelength LIDAR System
US20190011567A1 (en) * 2017-07-05 2019-01-10 Ouster, Inc. Light ranging device with mems scanned emitter array and synchronized electronically scanned sensor array
US20190078934A1 (en) * 2017-09-08 2019-03-14 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelectronic Sensor Device and Method to Operate an Optoelectronic Sensor Device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170307736A1 (en) * 2016-04-22 2017-10-26 OPSYS Tech Ltd. Multi-Wavelength LIDAR System
US20190011567A1 (en) * 2017-07-05 2019-01-10 Ouster, Inc. Light ranging device with mems scanned emitter array and synchronized electronically scanned sensor array
US20190078934A1 (en) * 2017-09-08 2019-03-14 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelectronic Sensor Device and Method to Operate an Optoelectronic Sensor Device

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115053149A (en) * 2021-01-05 2022-09-13 深圳市速腾聚创科技有限公司 Laser radar and device with laser radar
CN115685218A (en) * 2021-07-21 2023-02-03 广东博智林机器人有限公司 Laser detection device
CN117518125A (en) * 2022-07-29 2024-02-06 深圳市速腾聚创科技有限公司 Lidar and lidar design methods
WO2024146549A3 (en) * 2023-01-03 2024-08-15 Hesai Technology Co., Ltd. Lidar and detection control method
CN115932798A (en) * 2023-02-21 2023-04-07 探维科技(北京)有限公司 Laser radar transceiver, laser radar detection system and detection method
CN118151167A (en) * 2024-05-13 2024-06-07 杭州赛加得传感器有限公司 Laser radar optical system visualization method
DE102024205344A1 (en) 2024-06-10 2025-12-11 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Lidar sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102019112857A1 (en) Coaxial optical system for LIDAR measurements (Light Detection and Ranging)
EP1405037B1 (en) Device for optical measurement of distance over a large measuring range
EP2686700B1 (en) Measurement device for measuring a distance between the measurement device and a target object using an optical measurement beam
EP2002281B1 (en) Device for optically measuring distance
DE112011103113B4 (en) Reflectivity measurement method, membrane thickness measurement device and membrane thickness measurement method
DE69206641T2 (en) Highly sensitive multi-wavelength spectral analyzer
DE19960653B4 (en) Method and device for the detection or orientation of edges
EP0143282B1 (en) Method for the contactless, emissivity-independent radiation measurement of the temperature of an object
DE60209563T2 (en) Laser device with optical feedback to a cavity for the detection of trace gases
DE112021007600T5 (en) METHOD FOR MEASURING THE REFLECTIVITY OF A TARGET USING A LIDAR AND LIDAR
DE102016213446B4 (en) Optical system for the detection of a scanning field
EP3347673B1 (en) Position-sensitive optoelectronic detector arrangement, and laser beam receiver using same
WO2007107408A1 (en) Device for optically measuring distance and method for operating said type of device
DE102018118653B4 (en) Optoelectronic sensor and method for detecting an object
EP0283538A1 (en) Detector apparatus
DE102016221292A1 (en) Lidar sensor for detecting an object
DE102007053852A1 (en) Device for optical distance measurement
DE102018128630B4 (en) Sensors and methods for detecting objects
DE19851010A1 (en) Device for the detection and localization of laser radiation sources
WO2005096009A1 (en) Electronic distance meter featuring spectral and spatial selectivity
DE112017008083T5 (en) REMOTE INFRARED LIGHT SOURCE AND REMOTE INFRARED SPECTROMETER
DE102013219830B4 (en) Optical device for reflection measurement under diffuse lighting and method for optimizing such, and use of the device
DE102004059951A1 (en) Device for examining documents
DE102012007609A1 (en) Optical spectrometer e.g. polychromator has detectors whose optoelectronic detection elements are provided with different spectral detection regions
DE102017213729B4 (en) Method and device for providing a detection signal for objects to be detected

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified