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EP4018217A1 - Receiver unit for a lidar device - Google Patents

Receiver unit for a lidar device

Info

Publication number
EP4018217A1
EP4018217A1 EP20750659.3A EP20750659A EP4018217A1 EP 4018217 A1 EP4018217 A1 EP 4018217A1 EP 20750659 A EP20750659 A EP 20750659A EP 4018217 A1 EP4018217 A1 EP 4018217A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wavelength
unit
detector
beams
receiving unit
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
EP20750659.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander Greiner
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4018217A1 publication Critical patent/EP4018217A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO 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
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO 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
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO 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
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application
    • G02B27/4244—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application in wavelength selecting devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/005—Diaphragms
    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO 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
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/933—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of aircraft or spacecraft

Definitions

  • the invention relates to a receiving unit, in particular for a LIDAR device, for receiving beams reflected and / or backscattered on an object, comprising receiving optics and at least one detector.
  • the invention also relates to a LIDAR device.
  • LIDAR devices are becoming increasingly important due to the trend towards greater automation in various technical areas, such as the automotive sector.
  • LIDAR devices designed as rotating mirror laser scanners, the highest horizontal scanning range of which is limited to approx. 150 °.
  • a motor-driven deflecting mirror rotates, while the transmitting unit and the receiving unit are arranged stationary relative to the deflecting mirror.
  • the transmitting unit and the receiving unit are arranged on a motor-driven turntable or rotor.
  • Bandpass filters are usually used in the receiving unit to filter interference reflections and to increase the signal-to-noise ratio.
  • the implementation of narrow-band band-pass filters for suppressing the extraneous light can, however, be problematic, since the wavelength of the received beams can deviate from a wavelength of the emitted beams. As a result, the signal-to-noise ratio can be reduced and the range of the lidar device limited. Disclosure of the invention
  • the object on which the invention is based can be seen in proposing a receiving unit and a LIDAR device which enable the wavelength range to be matched to a wavelength range of beams generated in a transmitting unit.
  • a receiving unit in particular for a LIDAR device, is provided.
  • the receiving unit is used to receive beams that are reflected and / or backscattered on an object and which were previously emitted into the scanning area by a transmitting unit.
  • the receiving unit has a receiving optics and at least one detector, a directional filter and a wavelength-selective unit being arranged in a beam path of the beams between the receiving optics and the detector.
  • a LIDAR device for scanning scan areas.
  • the LIDAR device has at least one transmitting unit for generating and emitting generated beams into a scanning area and at least one receiving unit according to the invention for receiving and evaluating beams backscattered and / or reflected from the scanning area.
  • Such a LIDAR device can be used, for example, in the automotive sector, in aviation, in measurement technology and the like.
  • Area detectors in particular can be used as the detector of the receiving unit.
  • the at least one detector can be designed, for example, as a CCD, a CMOS or as a SPAD array.
  • the beams backscattered and / or reflected from the scanning area are received by the receiving unit.
  • a receiving optical system can be provided which can direct the rays arriving from the scanning area directly or indirectly onto the directional filter.
  • the directional filter forms a first area of the receiving unit and enables the received beams to be filtered according to their direction of incidence on the receiving unit.
  • the predefined direction can be determined, for example, by a relative alignment of the transmitting unit and the receiving unit and a resulting angle of reflection on a flat surface. Interfering light from the surroundings of the receiving unit can thus be blocked or filtered in the first area of the receiving unit.
  • only rays generated by the transmitting unit and then reflected or backscattered can pass the directional filter.
  • the wavelength-selective unit forms a second area of the receiving unit.
  • the wavelength-selective unit can preferably fan out beams transmitted through the directional filter according to their wavelength.
  • the rays impinging on the wavelength-selective unit are deflected to different degrees depending on their wavelength. This means that the beams hit different points on the detector depending on their wavelength. Multi-stage filtering of the beams can thus be implemented through the two areas of the receiving unit.
  • a location-dependent selection of measurement data from the detector a wavelength-dependent evaluation of the measurement data can be carried out. In particular, by selecting measurement data from a correct area of the detector, interfering background light can be separated from a useful signal. Depending on the configuration of the receiving unit, one or more areas of the detector can thus be selected for further evaluation of measurement data.
  • the areas of the detector can be square, linear, circular and the like. In particular, the regions can have one or more pixels.
  • the detector can be connected to an evaluation unit which, for example, can assign wavelengths to light-sensitive areas of the detector based on the properties of the wavelength-selective unit.
  • the evaluation unit can receive all measurement data from the detector and then filter it or use it for a further analysis, or it can only receive measurement data from a light-sensitive area of the detector.
  • the further evaluation of the measurement data can include, for example, executing a so-called time-of-flight method.
  • a wavelength range relevant for the evaluation can be adapted or selected by the receiving unit to a wavelength range of the beams generated by the transmitting unit. This measure can reduce a bandwidth of the receiving unit and improve the signal-to-noise ratio. Due to the reduced bandwidth, background light emitted in the direction of the receiving unit can be blocked.
  • the at least one area of the detector used for the evaluation can be selected in an automated or variable manner. In this way, an automatic adaptation of a bandwidth and the wavelength range of the receiving unit can be realized.
  • the directional filter is designed as a diaphragm or as a slit diaphragm.
  • the directional filter is designed as a diaphragm or as a slit diaphragm.
  • beams reflected and / or backscattered from the scanning area from a specific horizontal and vertical angular range can be transmitted in a technically simple and efficient manner.
  • beams from sources other than the transmitting unit can be masked out in a particularly simple manner by using the directional filter.
  • the wavelength-selective unit has a transmitting or reflecting wavelength selectivity.
  • the receiver unit can thus be designed to be particularly flexible.
  • the wavelength-selective unit can transmit or reflect the incoming rays.
  • the wavelength-selective unit can thereby act in the transmission direction or reflectively on the incoming beams in a wavelength-specific manner.
  • a wavelength-dependent refraction angle or wavelength-dependent reflection angle can be set for incoming rays by means of the wavelength-selective unit.
  • the incoming rays can be refracted to different degrees depending on the wavelength in a wavelength-selective unit acting in the transmission direction.
  • the incoming beams can be fanned out by means of a wavelength-specific reflection angle.
  • the beams influenced by the wavelength-selective unit can be directed onto the detector with a wavelength-dependent angle of refraction or with a wavelength-dependent angle of reflection.
  • measured values determined by the detector from received beams can be used for an evaluation depending on their detection location on the detector.
  • a spatial resolution of the detector can be used for an angle-dependent resolution of the received beams.
  • only those measurement data can be used for an evaluation which result from beams with a defined wavelength.
  • a bandwidth of the receiving unit can be adapted automatically, for example.
  • the measurement data can be selected selectively for the evaluation in accordance with a required wavelength.
  • the wavelength-selective unit is designed as a diffractive optical element.
  • the wavelength-selective unit can be designed as a holographic grating or as a volume holographic grating.
  • Such a wavelength-selective unit can be produced in a technically simple manner and have additional functions, such as filter functions, for example.
  • At least one first optical element designed as a lens, cylindrical lens or lens array for collimating rays which pass through the directional filter is arranged in the beam path between the directional filter and the wavelength-selective unit.
  • the beams After passing through the directional filter, the beams can be optimally aligned to the wavelength-selective unit by the first optical element.
  • the first optical element can be made flexible.
  • the first optical element can have one or more cylindrical lenses.
  • a cylinder lens can be arranged in front of the directional filter and the received beams on the directional filter, such as a slit, focus.
  • the direction-filtered beams can be directed to the wavelength-selective unit via a further cylinder lens and then bundled onto light-sensitive areas of the detector by further optics.
  • At least one second optical unit is arranged in the beam path between the wavelength-selective unit and the detector.
  • the beams which are fanned out as a function of the wavelength, can be focused in such a way that light-sensitive areas of the detector are located at the focal point of the second optical unit.
  • this enables the measured values that result from beams with different wavelengths to be particularly clearly delimited from one another for the evaluation.
  • a second optical element configured as a microlens array is arranged between the wavelength-selective unit and the detector.
  • a particularly space-saving configuration of the receiving unit can be provided by this measure.
  • a plane of microlenses can be formed directly after the directional filter.
  • the wavelength-selective unit is preferably arranged directly behind the microlens plane.
  • a further microlens plane or microlens array can be arranged downstream of the wavelength-selective unit in order to direct the beams onto the detector.
  • the directional filter, the first optical element, the wavelength-selective unit, the second optical element and the detector are made in one piece or are integrally connected to one another.
  • the receiving unit can be designed to be particularly compact.
  • the respective components of the receiving unit can for example be connected to one another by a frame or by an adhesive.
  • a method for evaluating measurement data from a detector of a receiving unit is provided.
  • beams from a scanning area are received by the receiving unit and filtered by a directional filter.
  • the filtered beams are directed to a wavelength-selective unit directly or via at least one first optical element.
  • the filtered rays are then fanned out as a function of the wavelength by the wavelength-selective unit and radiated onto different light-sensitive areas of the detector as a function of the wavelength.
  • the fanned out beams can also be focused or deflected by at least one second optical element before they strike the detector.
  • the beams can be distributed along an available light-sensitive detector surface according to their wavelength, so that a restriction of the evaluation to certain wavelengths is possible on the basis of a location-dependent evaluation of the measured values of the detector.
  • measurement data are generated by exposing the light-sensitive areas of the detector and received by an evaluation unit, at least one light-sensitive area of the detector being selected automatically or in a predefined manner for receiving measurement data for evaluation by the evaluation unit.
  • the at least one area of the detector used for the evaluation can be selected in an automated or variable manner.
  • an automatic adaptation of a bandwidth and the wavelength range of the receiving unit can be implemented.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a LIDAR device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a receiving unit according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a receiving unit according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a receiving unit according to a third exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a LIDAR device 1 according to an exemplary embodiment.
  • the LIDAR device 1 has a transmitting unit 2 and a receiving unit 4.
  • the transmission unit 2 is used to generate and emit beams 6 along a scanning area A.
  • the beams 6 generated can be designed as laser beams.
  • the transmission unit 2 has one or more laser emitters 3.
  • the transmission unit 2 can generate and emit the beams 6 with a defined pulse frequency. This can be coordinated and initiated by a control unit 8.
  • the receiving unit 4 has a detector 10 and receiving optics 12.
  • the beams 14, 15 reflected or backscattered in the direction of the receiving unit 4 from the scanning area A are received by the receiving optics 12 and directed into the receiving unit 4.
  • the beams 14, 15 reflected or backscattered in the scanning area A are composed of reflected or backscattered beams 14 that were generated by the transmitter unit 2 and of beams 15 that originate from sources of interference.
  • the detector 10 can be designed as an area detector, such as a CCD or CMOS.
  • the detector 10 has a light-sensitive area 11, which can generate electrical signals in the form of measurement data from incoming beams.
  • the detector 10 is coupled to the control unit 8 in such a way that a location-dependent evaluation of the measurement data from the detector 10 is possible.
  • the measurement data can be assigned to the light-sensitive areas 11 in which the respective measurement data were generated by incident rays.
  • the control unit 8 can preferably be designed as an evaluation unit for evaluating the measurement data of the detector 10.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the receiving unit 4 according to a first exemplary embodiment.
  • the structure of the receiving unit 4 is illustrated in detail.
  • the receiving unit 4 has receiving optics 12, which are designed as a convex plane lens.
  • the receiving optics 12 are followed by a directional filter 16.
  • the directional filter 16 is designed as a diaphragm or slit diaphragm.
  • the reflected or backscattered rays 14, 15 are directionally filtered by a combination of the receiving optics 12 and the directional filter 16, since only rays 14 from a defined direction can pass the directional filter 16. Beams 15 from other directions are not focused by the receiving optics 12 onto the slit of the directional filter 16 and are thus blocked.
  • the receiving optics 12 and the directional filter 16 form a first area B1 of the receiving unit 4.
  • the beams 18 filtered by the directional filter 16 are then guided into a second area B2 of the receiving unit 4.
  • the beams 18 are shaped by a first optical unit 20.
  • the first optical unit 20 is designed as a plano-convex lens and focuses the filtered beams 18 onto a wavelength-selective unit 22.
  • the filtered beams 18 are collimated by the first optical unit 20 so that they have the same angle of incidence on the wavelength-selective unit 22.
  • the wavelength-selective unit 22 is designed as a holographic grating and has a degree of reflection which is dependent on a wavelength of the filtered beams 18. For example, rays with a short wavelength can be deflected more than rays with a longer wavelength.
  • the beams 24 deflected by the wavelength-selective unit 22 are then bundled onto the detector 10 by a second optical unit 26.
  • incident beams 18 with different wavelengths are deflected to different degrees with the aid of the wavelength-dependent element 22.
  • the beams 24 arrive at different points of the detector 10 depending on their wavelength.
  • interfering background light can now be separated from the useful signal. If the wavelength of the beams 6 emitted by the transmitting unit 2 changes, this area 11 can be changed accordingly.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the receiving unit 4 according to a second exemplary embodiment.
  • the wavelength-selective unit 22 acts on the filtered beams 18 in the transmission direction.
  • the filtered beams 18 are refracted or diffracted when the wavelength-selective unit 22 transmits.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the receiving unit 4 according to a third exemplary embodiment.
  • the directional filter 16, the first optical unit 20, the wavelength-selective unit 22, the second optical unit 26 and the detector 10 are made in one piece.
  • the first optical unit 20 is arranged between the directional filter 16 and the wavelength-selective unit 22.
  • the second optical unit 26 is positioned between the wavelength-selective unit 22 and the detector 10. According to the exemplary embodiment, the first optical unit 20 and the second optical unit 26 are designed as microlens arrays.

Landscapes

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Abstract

Disclosed is a receiver unit, in particular for a LIDAR device, for receiving beams that are reflected and/or backscattered by an object, said unit having receiver optics and at least one detector, a directional filter and a wavelength-selective unit being provided in a beam path of the beams between the receiver optics and the detector. Also disclosed are a LIDAR device and a method for evaluating measured data from a detector.

Description

Beschreibung description
Titel title
Empfangseinheit für eine LIDAR-Vorrichtung Receiving unit for a LIDAR device
Die Erfindung betrifft eine Empfangseinheit, insbesondere für eine LIDAR- Vorrichtung, zum Empfangen von an einem Objekt reflektieren und/oder rückgestreuten Strahlen, aufweisend eine Empfangsoptik und mindestens einen Detektor. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine LIDAR-Vorrichtung. The invention relates to a receiving unit, in particular for a LIDAR device, for receiving beams reflected and / or backscattered on an object, comprising receiving optics and at least one detector. The invention also relates to a LIDAR device.
Stand der Technik State of the art
Durch den Trend in Richtung höherer Automatisierung in unterschiedlichen technischen Bereichen, wie beispielsweise dem automobilen Bereich, gewinnen LIDAR-Vorrichtungen zunehmend an Bedeutung. Zur Abdeckung großer horizontaler Abtastwinkel zwischen 150° und 360° sind derzeit nur mechanische Laserscanner bekannt. LIDAR devices are becoming increasingly important due to the trend towards greater automation in various technical areas, such as the automotive sector. For covering large horizontal scanning angles between 150 ° and 360 °, only mechanical laser scanners are currently known.
Es sind als Drehspiegel-Laserscanner ausgeprägte LIDAR-Vorrichtungen bekannt, deren höchster horizontaler Abtastbereich auf ca. 150° beschränkt ist. Bei einer derartigen LIDAR-Vorrichtung dreht sich nur ein motorgetriebener Ablenkspiegel, während die Sendeeinheit und die Empfangseinheit relativ zum Ablenkspiegel stationär angeordnet sind. There are known LIDAR devices designed as rotating mirror laser scanners, the highest horizontal scanning range of which is limited to approx. 150 °. In such a LIDAR device only a motor-driven deflecting mirror rotates, while the transmitting unit and the receiving unit are arranged stationary relative to the deflecting mirror.
Zum Umsetzen größerer horizontaler Abtastbereiche von bis zu 360° werden die Sendeeinheit und die Empfangseinheit auf einem motorgetriebenen Drehteller oder Rotor angeordnet. To implement larger horizontal scanning areas of up to 360 °, the transmitting unit and the receiving unit are arranged on a motor-driven turntable or rotor.
Zum Filtern von Störreflexen und zum Erhöhen des Signal-Rausch-Verhältnisses werden üblicherweise Bandpassfilter in der Empfangseinheit verwendet. Die Realisierung von schmalbandigen Bandpassfiltern zur Unterdrückung des Fremdlichts kann jedoch problematisch sein, da die Wellenlänge der empfangenen Strahlen von einer Wellenlänge der emittierten Strahlen abweichen kann. Folglich kann das Signal-Rausch-Verhältnis reduziert und die Reichweite der LIDAR-Vorrichtung eingeschränkt sein. Offenbarung der Erfindung Bandpass filters are usually used in the receiving unit to filter interference reflections and to increase the signal-to-noise ratio. The implementation of narrow-band band-pass filters for suppressing the extraneous light can, however, be problematic, since the wavelength of the received beams can deviate from a wavelength of the emitted beams. As a result, the signal-to-noise ratio can be reduced and the range of the lidar device limited. Disclosure of the invention
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine Empfangseinheit und eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welche eine Anpassung des Wellenlängenbereichs an einen Wellenbereich von in einer Sendeeinheit erzeugten Strahlen ermöglichen. The object on which the invention is based can be seen in proposing a receiving unit and a LIDAR device which enable the wavelength range to be matched to a wavelength range of beams generated in a transmitting unit.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen. This object is achieved by means of the respective subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of the dependent subclaims.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Empfangseinheit, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, bereitgestellt. Die Empfangseinheit dient zum Empfangen von an einem Objekt reflektieren und/oder rückgestreuten Strahlen, welche zuvor von einer Sendeeinheit in den Abtastbereich emittiert wurden. Die Empfangseinheit weist eine Empfangsoptik und mindestens einen Detektor auf, wobei in einem Strahlengang der Strahlen zwischen der Empfangsoptik und dem Detektor ein Richtungsfilter und eine wellenlängenselektive Einheit angeordnet sind. According to one aspect of the invention, a receiving unit, in particular for a LIDAR device, is provided. The receiving unit is used to receive beams that are reflected and / or backscattered on an object and which were previously emitted into the scanning area by a transmitting unit. The receiving unit has a receiving optics and at least one detector, a directional filter and a wavelength-selective unit being arranged in a beam path of the beams between the receiving optics and the detector.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von Abtastbereichen bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Sendeeinheit zum Erzeugen und Ausstrahlen von erzeugten Strahlen in einen Abtastbereich und mindestens eine erfindungsgemäße Empfangseinheit zum Empfangen und Auswerten von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen auf. According to a further aspect of the invention, a LIDAR device for scanning scan areas is provided. The LIDAR device has at least one transmitting unit for generating and emitting generated beams into a scanning area and at least one receiving unit according to the invention for receiving and evaluating beams backscattered and / or reflected from the scanning area.
Eine derartige LIDAR-Vorrichtung kann beispielsweise im automobilen Bereich, in der Luftfahrt, in der Messtechnik und dergleichen eingesetzt werden. Als Detektor der Empfangseinheit können insbesondere Flächendetektoren verwendet werden. Der mindestens eine Detektor kann beispielsweise als ein CCD, ein CMOS oder als ein SPAD-Array ausgeführt sein. Such a LIDAR device can be used, for example, in the automotive sector, in aviation, in measurement technology and the like. Area detectors in particular can be used as the detector of the receiving unit. The at least one detector can be designed, for example, as a CCD, a CMOS or as a SPAD array.
Die aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen werden von der Empfangseinheit empfangen. Hierfür kann eine Empfangsoptik vorgesehen sein, welche die aus dem Abtastbereich ankommenden Strahlen direkt oder indirekt auf den Richtungsfilter lenken kann. Der Richtungsfilter bildet einen ersten Bereich der Empfangseinheit aus und ermöglicht eine Filterung der empfangenen Strahlen entsprechend ihrer Einstrahlrichtung auf die Empfangseinheit. Hierdurch können nur diejenigen empfangenen Strahlen transmittiert werden, welche aus einer vordefinierten Richtung in die Empfangseinheit eintreffen. Die vordefinierte Richtung kann bei einer LIDAR-Vorrichtung beispielsweise durch eine relative Ausrichtung der Sendeeinheit und der Empfangseinheit sowie einen resultierenden Reflektionswinkel an einer ebenen Fläche bestimmt werden. Somit kann in dem ersten Bereich der Empfangseinheit Störlicht aus der Umgebung der Empfangseinheit blockiert bzw. gefiltert werden. Bevorzugterweise können nur von der Sendeeinheit erzeugte und anschließend reflektierte bzw. rückgestreute Strahlen den Richtungsfilter passieren. The beams backscattered and / or reflected from the scanning area are received by the receiving unit. For this purpose, a receiving optical system can be provided which can direct the rays arriving from the scanning area directly or indirectly onto the directional filter. The directional filter forms a first area of the receiving unit and enables the received beams to be filtered according to their direction of incidence on the receiving unit. As a result, only those received beams can be transmitted which arrive in the receiving unit from a predefined direction. In the case of a LIDAR device, the predefined direction can be determined, for example, by a relative alignment of the transmitting unit and the receiving unit and a resulting angle of reflection on a flat surface. Interfering light from the surroundings of the receiving unit can thus be blocked or filtered in the first area of the receiving unit. Preferably, only rays generated by the transmitting unit and then reflected or backscattered can pass the directional filter.
Die wellenlängenselektive Einheit bildet einen zweiten Bereich der Empfangseinheit aus. Die wellenlängenselektive Einheit kann vorzugsweise durch den Richtungsfilter transmittierte Strahlen entsprechend ihrer Wellenlänge auffächern. Hierzu werden die auf die wellenlängenselektive Einheit auftreffenden Strahlen abhängig von ihrer Wellenlänge unterschiedlich stark abgelenkt. Dies führt dazu, dass die Strahlen in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge an unterschiedliche Stellen des Detektors auftreffen. Durch die beiden Bereiche der Empfangseinheit kann somit eine mehrstufige Filterung der Strahlen realisiert werden. Durch eine ortsabhängige Auswahl von Messdaten des Detektors kann eine wellenlängenabhängige Auswertung der Messdaten durchgeführt werden. Insbesondere kann durch eine Auswahl von Messdaten aus einem korrekten Bereich des Detektors störendes Hintergrundlicht von einem Nutzsignal getrennt werden. Je nach Ausgestaltung der Empfangseinheit kann somit ein oder mehrere Bereiche des Detektors für eine weitere Auswertung von Messdaten ausgewählt werden. The wavelength-selective unit forms a second area of the receiving unit. The wavelength-selective unit can preferably fan out beams transmitted through the directional filter according to their wavelength. For this purpose, the rays impinging on the wavelength-selective unit are deflected to different degrees depending on their wavelength. This means that the beams hit different points on the detector depending on their wavelength. Multi-stage filtering of the beams can thus be implemented through the two areas of the receiving unit. By means of a location-dependent selection of measurement data from the detector, a wavelength-dependent evaluation of the measurement data can be carried out. In particular, by selecting measurement data from a correct area of the detector, interfering background light can be separated from a useful signal. Depending on the configuration of the receiving unit, one or more areas of the detector can thus be selected for further evaluation of measurement data.
Die Bereiche des Detektors können quadratisch, linienförmig, kreisförmig und dergleichen geformt sein. Insbesondere können die Bereiche einen oder mehrere Pixel aufweisen. Der Detektor kann mit einer Auswerteeinheit verbindbar sein, die beispielsweise basierend auf den Eigenschaften der wellenlängenselektiven Einheit lichtempfindliche Bereiche des Detektors Wellenlängen zuweisen kann. Die Auswerteeinheit kann hierbei alle Messdaten des Detektors empfangen und anschließend filtern bzw. für eine weitere Auswertung nutzen oder nur Messdaten aus einem lichtsensitiven Bereich des Detektors empfangen. Die weitere Auswertung der Messdaten kann beispielsweise ein Ausführen eines sogenannten Time-of-Flight-Verfahrens beinhalten. The areas of the detector can be square, linear, circular and the like. In particular, the regions can have one or more pixels. The detector can be connected to an evaluation unit which, for example, can assign wavelengths to light-sensitive areas of the detector based on the properties of the wavelength-selective unit. The evaluation unit can receive all measurement data from the detector and then filter it or use it for a further analysis, or it can only receive measurement data from a light-sensitive area of the detector. The further evaluation of the measurement data can include, for example, executing a so-called time-of-flight method.
Durch die Empfangseinheit kann ein für die Auswertung relevanter Wellenlängenbereich an einen Wellenlängenbereich der durch die Sendeeinheit erzeugten Strahlen angepasst bzw. ausgewählt werden. Durch diese Maßnahme kann eine Bandbreite der Empfangseinheit reduziert und das Signal-zu- Rauschen-Verhältnis verbessert werden. Durch die reduzierte Bandbreite kann in Richtung der Empfangseinheit emittiertes Hintergrundlicht blockiert werden. A wavelength range relevant for the evaluation can be adapted or selected by the receiving unit to a wavelength range of the beams generated by the transmitting unit. This measure can reduce a bandwidth of the receiving unit and improve the signal-to-noise ratio. Due to the reduced bandwidth, background light emitted in the direction of the receiving unit can be blocked.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der mindestens eine für die Auswertung genutzte Bereich des Detektors automatisiert oder variabel ausgewählt werden. Hierdurch kann eine automatische Anpassung einer Bandbreite und des Wellenlängenbereichs der Empfangseinheit realisiert werden. According to an advantageous embodiment, the at least one area of the detector used for the evaluation can be selected in an automated or variable manner. In this way, an automatic adaptation of a bandwidth and the wavelength range of the receiving unit can be realized.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Richtungsfilter als eine Blende oder als eine Schlitzblende ausgeführt. Hierdurch können technisch einfach und effizient aus dem Abtastbereich reflektierte und/oder rückgestreute Strahlen aus einem bestimmten horizontalen und vertikalen Winkelbereich durchgelassen werden. Insbesondere können Strahlen aus abweichenden Quellen als die Sendeeinheit besonders einfach durch den Einsatz des Richtungsfilters ausgeblendet werden. According to a further exemplary embodiment, the directional filter is designed as a diaphragm or as a slit diaphragm. In this way, beams reflected and / or backscattered from the scanning area from a specific horizontal and vertical angular range can be transmitted in a technically simple and efficient manner. In particular, beams from sources other than the transmitting unit can be masked out in a particularly simple manner by using the directional filter.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die wellenlängenselektive Einheit eine transmittierende oder reflektierende Wellenlängenselektivität auf. Die Empfangseinheit kann somit besonders flexibel konstruiert werden. Abhängig von einer Form und Größe der Empfangseinheit kann die wellenlängenselektive Einheit die ankommenden Strahlen transmittieren oder reflektieren können. Die wellenlängenselektive Einheit kann hierdurch in Durchlassrichtung oder reflektierend auf die ankommenden Strahlen wellenlängenspezifisch einwirken. According to a further exemplary embodiment, the wavelength-selective unit has a transmitting or reflecting wavelength selectivity. The receiver unit can thus be designed to be particularly flexible. Depending on a shape and size of the receiving unit, the wavelength-selective unit can transmit or reflect the incoming rays. The wavelength-selective unit can thereby act in the transmission direction or reflectively on the incoming beams in a wavelength-specific manner.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist durch die wellenlängenselektive Einheit ein für ankommende Strahlen wellenlängenabhängiger Brechungswinkel oder wellenlängenabhängiger Reflektionswinkel einstellbar. Hierdurch können die ankommenden Strahlen bei einer in Durchlassrichtung agierenden wellenlängenselektiven Einheit abhängig von der Wellenlänge unterschiedlich stark gebrochen werden. Bei einer reflektierend wirkenden wellenlängenselektiven Einheit kann eine Auffächerung der ankommenden Strahlen durch einen wellenlängenspezifischen Reflektionswinkel umgesetzt werden. According to a further exemplary embodiment, a wavelength-dependent refraction angle or wavelength-dependent reflection angle can be set for incoming rays by means of the wavelength-selective unit. As a result, the incoming rays can be refracted to different degrees depending on the wavelength in a wavelength-selective unit acting in the transmission direction. With a reflective one wavelength-selective unit, the incoming beams can be fanned out by means of a wavelength-specific reflection angle.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform sind die durch die wellenlängenselektive Einheit beeinflussten Strahlen mit einem wellenlängenabhängigen Brechungswinkel oder mit einem wellenlängenabhängigen Reflektionswinkel auf den Detektor lenkbar. Bevorzugterweise sind vom Detektor aus empfangenen Strahlen ermittelte Messwerte abhängig von ihrem Detektionsort auf dem Detektor für eine Auswertung verwendbar. Hierdurch kann eine Ortsauflösung des Detektors für eine winkelabhängige Auflösung der empfangenen Strahlen genutzt werden. Basierend auf einer derartigen wellenlängenabhängigen Auffächerung der Strahlen können nur diejenigen Messdaten für eine Auswertung herangezogen werden, welche aus Strahlen mit einer definierten Wellenlänge resultieren. Hierdurch kann eine Bandbreite der Empfangseinheit beispielsweise automatisiert angepasst werden. Insbesondere können die Messdaten selektiv entsprechend einer geforderten Wellenlänge für die Auswertung ausgewählt werden. According to a further embodiment, the beams influenced by the wavelength-selective unit can be directed onto the detector with a wavelength-dependent angle of refraction or with a wavelength-dependent angle of reflection. Preferably, measured values determined by the detector from received beams can be used for an evaluation depending on their detection location on the detector. In this way, a spatial resolution of the detector can be used for an angle-dependent resolution of the received beams. Based on such a wavelength-dependent fanning out of the beams, only those measurement data can be used for an evaluation which result from beams with a defined wavelength. In this way, a bandwidth of the receiving unit can be adapted automatically, for example. In particular, the measurement data can be selected selectively for the evaluation in accordance with a required wavelength.
Nach einerweiteren Ausführungsform ist die wellenlängenselektive Einheit als ein diffraktives optisches Element ausgestaltet. Beispielsweise kann die wellenlängenselektive Einheit als ein holografisches Gitter oder als ein volumenholografisches Gitter ausgeführt sein. Eine derartige wellenlängenselektive Einheit kann technisch einfach hergestellt und zusätzliche Funktionen, wie beispielsweise Filterfunktionen, aufweisen. According to a further embodiment, the wavelength-selective unit is designed as a diffractive optical element. For example, the wavelength-selective unit can be designed as a holographic grating or as a volume holographic grating. Such a wavelength-selective unit can be produced in a technically simple manner and have additional functions, such as filter functions, for example.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist im Strahlengang zwischen dem Richtungsfilter und der wellenlängenselektiven Einheit mindestens ein erstes als Linse, Zylinderlinse oder Linsenarray ausgeführtes optisches Element zum Kollimieren von Strahlen, welche den Richtungsfilter passieren, angeordnet.According to a further embodiment, at least one first optical element designed as a lens, cylindrical lens or lens array for collimating rays which pass through the directional filter is arranged in the beam path between the directional filter and the wavelength-selective unit.
Nach dem Passieren des Richtungsfilters können die Strahlen durch das erste optische Element optimal auf die wellenlängenselektive Einheit ausgerichtet werden. Je nach Ausgestaltung der Empfangseinheit kann das erste optische Element flexibel ausgebildet werden. After passing through the directional filter, the beams can be optimally aligned to the wavelength-selective unit by the first optical element. Depending on the configuration of the receiving unit, the first optical element can be made flexible.
Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Ausgestaltung kann das erste optische Element eine oder mehrere Zylinderlinsen aufweisen. Beispielsweise kann eine Zylinderlinse vor dem Richtungsfilter angeordnet sein und die empfangenen Strahlen auf den Richtungsfilter, wie beispielsweise eine Schlitzblende, fokussieren. Über eine weitere Zylinderlinse können die richtungsgefilterten Strahlen auf die wellenlängenselektive Einheit gelenkt und anschließend durch eine weitere Optik auf lichtsensitive Bereiche des Detektors gebündelt werden. According to an additional or alternative embodiment, the first optical element can have one or more cylindrical lenses. For example, a cylinder lens can be arranged in front of the directional filter and the received beams on the directional filter, such as a slit, focus. The direction-filtered beams can be directed to the wavelength-selective unit via a further cylinder lens and then bundled onto light-sensitive areas of the detector by further optics.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist im Strahlengang zwischen der wellenlängenselektiven Einheit und dem Detektor mindestens eine zweite optische Einheit angeordnet. Hierdurch können die wellenlängenabhängig aufgefächerten Strahlen derart fokussiert werden, dass lichtsensitive Bereiche des Detektors sich im Brennpunkt der zweiten optischen Einheit befinden. According to a further exemplary embodiment, at least one second optical unit is arranged in the beam path between the wavelength-selective unit and the detector. As a result, the beams, which are fanned out as a function of the wavelength, can be focused in such a way that light-sensitive areas of the detector are located at the focal point of the second optical unit.
Insbesondere können sich hierdurch die Messwerte, welche aus Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen resultieren, für die Auswertung besonders deutlich voneinander abgegrenzt werden. In particular, this enables the measured values that result from beams with different wavelengths to be particularly clearly delimited from one another for the evaluation.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist zwischen der wellenlängenselektiven Einheit und dem Detektor ein als Mikrolinsenarray ausgestaltetes zweites optisches Element angeordnet. Durch diese Maßnahme kann eine besonders platzsparende Ausgestaltung der Empfangseinheit bereitgestellt werden. Dabei kann direkt nach dem Richtungsfilter eine Ebene aus Mikrolinsen ausgebildet sein. Direkt hinter der Mikrolinsen-Ebene ist vorzugsweise die wellenlängenselektive Einheit angeordnet. Der wellenlängenselektiven Einheit kann eine weitere Mikrolinsen-Ebene bzw. Mikrolinsenarray nachgeordnet sein, um die Strahlen auf den Detektor zu lenken. According to a further embodiment, a second optical element configured as a microlens array is arranged between the wavelength-selective unit and the detector. A particularly space-saving configuration of the receiving unit can be provided by this measure. A plane of microlenses can be formed directly after the directional filter. The wavelength-selective unit is preferably arranged directly behind the microlens plane. A further microlens plane or microlens array can be arranged downstream of the wavelength-selective unit in order to direct the beams onto the detector.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind der Richtungsfilter, das erst optische Element, die wellenlängenselektive Einheit, das zweite optische Element und der Detektor einteilig ausgeführt oder integral miteinander verbunden. Hierdurch kann die Empfangseinheit besonders kompakt ausgestaltet sein. Die jeweiligen Bestandteile der Empfangseinheit können beispielsweise durch einen Rahmen oder durch einen Kleber miteinander verbunden sein. According to a further embodiment, the directional filter, the first optical element, the wavelength-selective unit, the second optical element and the detector are made in one piece or are integrally connected to one another. As a result, the receiving unit can be designed to be particularly compact. The respective components of the receiving unit can for example be connected to one another by a frame or by an adhesive.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Auswerten von Messdaten eines Detektors einer Empfangseinheit bereitgestellt. In einem Schritt werden Strahlen aus einem Abtastbereich durch die Empfangseinheit empfangen und durch einen Richtungsfilter gefiltert. Die gefilterten Strahlen werden direkt oder über mindestens ein erstes optisches Element auf eine wellenlängenselektive Einheit gelenkt. Die gefilterten Strahlen werden anschließend durch die wellenlängenselektive Einheit wellenlängenabhängig aufgefächert und wellenlängenabhängig auf unterschiedliche lichtsensitive Bereiche des Detektors gestrahlt. Die aufgefächerten Strahlen können darüber hinaus durch mindestens ein zweites optisches Element fokussiert oder abgelenkt werden bevor diese auf den Detektor auftreffen. According to a further aspect of the invention, a method for evaluating measurement data from a detector of a receiving unit is provided. In one step, beams from a scanning area are received by the receiving unit and filtered by a directional filter. The filtered beams are directed to a wavelength-selective unit directly or via at least one first optical element. The filtered rays are then fanned out as a function of the wavelength by the wavelength-selective unit and radiated onto different light-sensitive areas of the detector as a function of the wavelength. The fanned out beams can also be focused or deflected by at least one second optical element before they strike the detector.
Hierdurch kann eine Möglichkeit der Verteilung der Lichtleistung auf mehrere lichtsensitive Bereiche, wie beispielsweise ein oder mehrere Pixel, des Detektors realisiert werden. Die Strahlen können entsprechend ihrer Wellenlänge entlang einer verfügbaren lichtsensitiven Detektorfläche verteilt werden, sodass anhand einer ortsabhängigen Auswertung der Messwerte des Detektors eine Beschränkung der Auswertung auf bestimmte Wellenlängen möglich ist. This makes it possible to distribute the light power over several light-sensitive areas, such as one or more pixels, of the detector. The beams can be distributed along an available light-sensitive detector surface according to their wavelength, so that a restriction of the evaluation to certain wavelengths is possible on the basis of a location-dependent evaluation of the measured values of the detector.
Nach einer Ausführungsform werden durch Belichten der lichtsensitiven Bereiche des Detektors Messdaten erzeugt und von einer Auswerteeinheit empfangen, wobei mindestens ein lichtsensitiver Bereich des Detektors zum Empfangen von Messdaten für eine Auswertung durch die Auswerteeinheit automatisiert oder vordefiniert ausgewählt wird. Hierdurch kann der mindestens eine für die Auswertung genutzte Bereich des Detektors automatisiert oder variabel ausgewählt werden. Darüber hinaus kann eine automatische Anpassung einer Bandbreite und des Wellenlängenbereichs der Empfangseinheit realisiert werden. According to one embodiment, measurement data are generated by exposing the light-sensitive areas of the detector and received by an evaluation unit, at least one light-sensitive area of the detector being selected automatically or in a predefined manner for receiving measurement data for evaluation by the evaluation unit. As a result, the at least one area of the detector used for the evaluation can be selected in an automated or variable manner. In addition, an automatic adaptation of a bandwidth and the wavelength range of the receiving unit can be implemented.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.In the following, preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with the aid of greatly simplified schematic representations.
Hierbei zeigen Show here
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, 1 shows a schematic representation of a LIDAR device according to an exemplary embodiment,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 2 shows a schematic representation of a receiving unit according to a first exemplary embodiment,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und 3 shows a schematic representation of a receiving unit according to a second exemplary embodiment and
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Sendeeinheit 2 und eine Empfangseinheit 4 auf. 4 shows a schematic representation of a receiving unit according to a third exemplary embodiment. FIG. 1 shows a schematic illustration of a LIDAR device 1 according to an exemplary embodiment. The LIDAR device 1 has a transmitting unit 2 and a receiving unit 4.
Die Sendeeinheit 2 dient zum Erzeugen und Emittieren von Strahlen 6 entlang eines Abtastbereiches A. Beispielsweise können die erzeugten Strahlen 6 als Laserstrahlen ausgestaltet sein. Hierfür weist die Sendeeinheit 2 einen oder mehrere Laseremitter 3 auf. Die Sendeeinheit 2 kann die Strahlen 6 mit einer definierten Pulsfrequenz erzeugen und emittieren. Dies kann durch eine Steuereinheit 8 koordiniert und initiiert werden. The transmission unit 2 is used to generate and emit beams 6 along a scanning area A. For example, the beams 6 generated can be designed as laser beams. For this purpose, the transmission unit 2 has one or more laser emitters 3. The transmission unit 2 can generate and emit the beams 6 with a defined pulse frequency. This can be coordinated and initiated by a control unit 8.
Die Empfangseinheit 4 weist einen Detektor 10 und eine Empfangsoptik 12 auf. Die in Richtung der Empfangseinheit 4 aus dem Abtastbereich A reflektierten oder rückgestreuten Strahlen 14, 15 werden von der Empfangsoptik 12 empfangen und in die Empfangseinheit 4 gelenkt. Die im Abtastbereich A reflektierten oder rückgestreuten Strahlen 14, 15 setzen sich hierbei aus reflektierten oder rückgestreuten Strahlen 14 zusammen, welche von der Sendeeinheit 2 erzeugt wurden und aus Strahlen 15 zusammen, welche Störquellen entstammen. The receiving unit 4 has a detector 10 and receiving optics 12. The beams 14, 15 reflected or backscattered in the direction of the receiving unit 4 from the scanning area A are received by the receiving optics 12 and directed into the receiving unit 4. The beams 14, 15 reflected or backscattered in the scanning area A are composed of reflected or backscattered beams 14 that were generated by the transmitter unit 2 and of beams 15 that originate from sources of interference.
Der Detektor 10 kann als ein Flächendetektor, wie beispielsweise ein CCD oder CMOS, ausgeführt sein. Der Detektor 10 weist einen lichtsensitiven Bereich 11 auf, welcher aus ankommenden Strahlen elektrische Signale in Form von Messdaten erzeugen kann. Der Detektor 10 ist derart mit der Steuereinheit 8 gekoppelt, dass eine ortsabhängige Auswertung der Messdaten des Detektors 10 möglich ist. Insbesondere können die Messdaten den lichtsensitiven Bereichen 11 zugeordnet werden, in welchen die jeweiligen Messdaten durch einfallende Strahlen erzeugt wurden. The detector 10 can be designed as an area detector, such as a CCD or CMOS. The detector 10 has a light-sensitive area 11, which can generate electrical signals in the form of measurement data from incoming beams. The detector 10 is coupled to the control unit 8 in such a way that a location-dependent evaluation of the measurement data from the detector 10 is possible. In particular, the measurement data can be assigned to the light-sensitive areas 11 in which the respective measurement data were generated by incident rays.
Die Steuereinheit 8 kann vorzugsweise als eine Auswerteeinheit zum Auswerten der Messdaten des Detektors 10 ausgeführt sein. The control unit 8 can preferably be designed as an evaluation unit for evaluating the measurement data of the detector 10.
In der Figur 2 ist eine schematische Darstellung der Empfangseinheit 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Es wird der Aufbau der Empfangseinheit 4 im Detail veranschaulicht. Die Empfangseinheit 4 weist eine Empfangsoptik 12 auf, welche als eine konvex plane Linse ausgeführt ist. Im Strahlengang der reflektierten Strahlen 14 ist der Empfangsoptik 12 ein Richtungsfilter 16 nachgeschaltet. Der Richtungsfilter 16 ist als eine Blende bzw. Schlitzblende ausgestaltet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel entsteht eine Richtungsfilterung der reflektierten oder rückgestreuten Strahlen 14, 15 durch eine Kombination aus der Empfangsoptik 12 und dem Richtungsfilter 16, da nur Strahlen 14 aus einer definierten Richtung den Richtungsfilter 16 passieren können. Strahlen 15 aus anderen Richtungen werden durch die Empfangsoptik 12 nicht auf den Schlitz des Richtungsfilters 16 fokussiert und werden somit blockiert. FIG. 2 shows a schematic representation of the receiving unit 4 according to a first exemplary embodiment. The structure of the receiving unit 4 is illustrated in detail. The receiving unit 4 has receiving optics 12, which are designed as a convex plane lens. In the beam path of the reflected rays 14, the receiving optics 12 are followed by a directional filter 16. The directional filter 16 is designed as a diaphragm or slit diaphragm. According to the exemplary embodiment, the reflected or backscattered rays 14, 15 are directionally filtered by a combination of the receiving optics 12 and the directional filter 16, since only rays 14 from a defined direction can pass the directional filter 16. Beams 15 from other directions are not focused by the receiving optics 12 onto the slit of the directional filter 16 and are thus blocked.
Die Empfangsoptik 12 und der Richtungsfilter 16 bilden einen ersten Bereich B1 der Empfangseinheit 4 aus. Die durch den Richtungsfilter 16 gefilterten Strahlen 18 werden anschließend in einen zweiten Bereich B2 der Empfangseinheit 4 geführt. Im zweiten Bereich B2 werden die Strahlen 18 durch eine erste optische Einheit 20 geformt. Die erste optische Einheit 20 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als eine plankonvexe Linse ausgestaltet und fokussiert die gefilterten Strahlen 18 auf eine wellenlängenselektive Einheit 22. The receiving optics 12 and the directional filter 16 form a first area B1 of the receiving unit 4. The beams 18 filtered by the directional filter 16 are then guided into a second area B2 of the receiving unit 4. In the second area B2, the beams 18 are shaped by a first optical unit 20. According to the exemplary embodiment, the first optical unit 20 is designed as a plano-convex lens and focuses the filtered beams 18 onto a wavelength-selective unit 22.
Insbesondere werden die gefilterten Strahlen 18 durch die erste optische Einheit 20 kollimiert, sodass sie einen gleichen Einstrahlwinkel auf die wellenlängenselektive Einheit 22 aufweisen. In particular, the filtered beams 18 are collimated by the first optical unit 20 so that they have the same angle of incidence on the wavelength-selective unit 22.
Die wellenlängenselektive Einheit 22 ist als ein holografisches Gitter ausgebildet und weist einen Reflektionsgrad auf, welcher abhängig von einer Wellenlänge der gefilterten Strahlen 18 ist. Beispielsweise können Strahlen mit einer geringen Wellenlänge stärker abgelenkt werden als Strahlen mit einer größeren Wellenlänge. The wavelength-selective unit 22 is designed as a holographic grating and has a degree of reflection which is dependent on a wavelength of the filtered beams 18. For example, rays with a short wavelength can be deflected more than rays with a longer wavelength.
Die von der wellenlängenselektiven Einheit 22 abgelenkten Strahlen 24 werden anschließend durch eine zweite optische Einheit 26 auf den Detektor 10 gebündelt. Durch diesen Schritt werden mit Hilfe des wellenlängenabhängigen Elements 22 einfallende Strahlen 18 mit unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedlich stark abgelenkt. Dies führt dazu, dass nach der erneuten Fokussierung mit Hilfe der zweiten optischen Einheit 26 die Strahlen 24 in Abhängigkeit ihrer Wellenlänge an unterschiedlichen Stellen des Detektors 10 eintreffen. Nun kann durch die Auswahl des korrekten Bereichs 11 des Detektors 10 störendes Hintergrundlicht vom Nutzsignal getrennt werden. Ändert sich die Wellenlänge der durch die Sendeeinheit 2 ausgesendeten Strahlen 6, kann dieser Bereich 11 entsprechend verändert werden. The beams 24 deflected by the wavelength-selective unit 22 are then bundled onto the detector 10 by a second optical unit 26. By means of this step, incident beams 18 with different wavelengths are deflected to different degrees with the aid of the wavelength-dependent element 22. This leads to the fact that, after refocusing with the aid of the second optical unit 26, the beams 24 arrive at different points of the detector 10 depending on their wavelength. By selecting the correct area 11 of the detector 10, interfering background light can now be separated from the useful signal. If the wavelength of the beams 6 emitted by the transmitting unit 2 changes, this area 11 can be changed accordingly.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Empfangseinheit 4 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wirkt die wellenlängenselektive Einheit 22 auf die gefilterten Strahlen 18 in Durchlassrichtung. Hierbei erfolgt eine Brechung oder Beugung der gefilterten Strahlen 18 bei einem Transmittieren der wellenlängenselektiven Einheit 22. FIG. 3 shows a schematic representation of the receiving unit 4 according to a second exemplary embodiment. In contrast to the first exemplary embodiment, the wavelength-selective unit 22 acts on the filtered beams 18 in the transmission direction. In this case, the filtered beams 18 are refracted or diffracted when the wavelength-selective unit 22 transmits.
In der Figur 4 ist eine schematische Darstellung der Empfangseinheit 4 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen, ist der Richtungsfilter 16, die erste optische Einheit 20, die wellenlängenselektive Einheit 22, die zweite optische Einheit 26 und der Detektor 10 einteilig ausgeführt. Die Komponenten 10, 16, 20,FIG. 4 shows a schematic representation of the receiving unit 4 according to a third exemplary embodiment. In contrast to the exemplary embodiments already described, the directional filter 16, the first optical unit 20, the wavelength-selective unit 22, the second optical unit 26 and the detector 10 are made in one piece. The components 10, 16, 20,
22, 26 sind beispielsweise miteinander verklebt. Zwischen dem Richtungsfilter 16 und der wellenlängenselektiven Einheit 22 ist die erste optische Einheit 20 angeordnet. Zwischen der wellenlängenselektiven Einheit 22 und dem Detektor 10 ist die zweite optische Einheit 26 positioniert. Die erste optische Einheit 20 und die zweite optische Einheit 26 sind gemäß dem Ausführungsbeispiel als Mikrolinsenarrays ausgestaltet. 22, 26 are glued together, for example. The first optical unit 20 is arranged between the directional filter 16 and the wavelength-selective unit 22. The second optical unit 26 is positioned between the wavelength-selective unit 22 and the detector 10. According to the exemplary embodiment, the first optical unit 20 and the second optical unit 26 are designed as microlens arrays.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Empfangseinheit (4), insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung (1), zum Empfangen von in einem Abtastbereich (A) reflektieren und/oder rückgestreuten Strahlen (14), aufweisend eine Empfangsoptik (12) und mindestens einen Detektor (10), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Strahlengang der Strahlen (14) zwischen der Empfangsoptik (12) und dem Detektor (10) ein Richtungsfilter (16) und eine wellenlängenselektive Einheit (22) angeordnet sind. 1. Receiving unit (4), in particular for a LIDAR device (1), for receiving beams (14) reflected and / or backscattered in a scanning area (A), having a receiving optics (12) and at least one detector (10), characterized in that a directional filter (16) and a wavelength-selective unit (22) are arranged in a beam path of the beams (14) between the receiving optics (12) and the detector (10).
2. Empfangseinheit nach Anspruch 1 , wobei der Richtungsfilter (16) als eine Blende oder als eine Schlitzblende ausgeführt ist. 2. Receiving unit according to claim 1, wherein the directional filter (16) is designed as a diaphragm or as a slit diaphragm.
3. Empfangseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wellenlängenselektive Einheit (22) eine transmittierende oder reflektierende Wellenlängenselektivität aufweist. 3. Receiving unit according to claim 1 or 2, wherein the wavelength-selective unit (22) has a transmitting or reflecting wavelength selectivity.
4. Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei durch die wellenlängenselektive Einheit (22) ein für ankommende Strahlen (18) wellenlängenabhängiger Brechungswinkel oder wellenlängenabhängiger Reflektionswinkel einstellbar ist. 4. Receiving unit according to one of claims 1 to 3, wherein a wavelength-dependent refraction angle or wavelength-dependent reflection angle can be set by the wavelength-selective unit (22) for incoming rays (18).
5. Empfangseinheit nach Anspruch 4, wobei die durch die wellenlängenselektive Einheit (22) beeinflussten Strahlen (24) mit einem wellenlängenabhängigen Brechungswinkel oder mit einem wellenlängenabhängigen Reflektionswinkel auf den Detektor (10) gelenkt werden, wobei vom Detektor (10) aus empfangenen Strahlen (24) ermittelte Messwerte abhängig von ihrem Detektionsort (11) auf dem Detektor (10) für eine Auswertung verwendbar sind. 5. Receiving unit according to claim 4, wherein the beams (24) influenced by the wavelength-selective unit (22) are directed onto the detector (10) with a wavelength-dependent angle of refraction or with a wavelength-dependent angle of reflection, with beams (24) received from the detector (10) ) determined measured values can be used for an evaluation depending on their detection location (11) on the detector (10).
6. Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die wellenlängenselektive Einheit (22) als ein diffraktives optisches Element ausgestaltet ist. 6. Receiving unit according to one of claims 1 to 5, wherein the wavelength-selective unit (22) is designed as a diffractive optical element.
7. Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im Strahlengang zwischen dem Richtungsfilter (16) und der wellenlängenselektiven Einheit (22) mindestens ein erstes als Linse, Zylinderlinse oder Linsenarray ausgeführtes optisches Element (20) zum Kollimieren von Strahlen (18), welche den Richtungsfilter (16) passieren, angeordnet ist. 7. Receiving unit according to one of claims 1 to 6, wherein in the beam path between the directional filter (16) and the wavelength-selective unit (22) at least one first optical element (20) designed as a lens, cylindrical lens or lens array for collimating beams (18), which pass the directional filter (16) is arranged.
8. Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Strahlengang zwischen der wellenlängenselektiven Einheit (22) und dem Detektor (10) mindestens eine zweite optische Einheit (26) angeordnet ist 8. Receiving unit according to one of claims 1 to 7, wherein at least one second optical unit (26) is arranged in the beam path between the wavelength-selective unit (22) and the detector (10)
9. Empfangseinheit nach Anspruch 7, wobei zwischen der wellenlängenselektiven Einheit (22) und dem Detektor (10) ein als Mikrolinsenarray ausgestaltetes zweites optisches Element (26) angeordnet ist. 9. Receiving unit according to claim 7, wherein a second optical element (26) designed as a microlens array is arranged between the wavelength-selective unit (22) and the detector (10).
10. Empfangseinheit nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Richtungsfilter (16), das erst optische Element (20), die wellenlängenselektive Einheit (22), das zweite optische Element (26) und der Detektor (10) einteilig ausgeführt oder integral miteinander verbunden sind. 10. Receiving unit according to claim 7 or 8, wherein the directional filter (16), the first optical element (20), the wavelength-selective unit (22), the second optical element (26) and the detector (10) made in one piece or integrally connected to one another are.
11. LIDAR-Vorrichtung (1) zum Abtasten von Abtastbereichen (A), aufweisend mindestens eine Sendeeinheit (2) zum Erzeugen und Ausstrahlen von erzeugten Strahlen (6) in einen Abtastbereich (A) und aufweisend mindestens eine Empfangseinheit (4) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.11. LIDAR device (1) for scanning scanning areas (A), having at least one transmitting unit (2) for generating and emitting generated beams (6) in a scanning area (A) and having at least one receiving unit (4) according to one of the preceding claims.
12. Verfahren zum Auswerten von Messdaten eines Detektors (10) einer Empfangseinheit (4), wobei Strahlen (14, 15) aus einem Abtastbereich (A) durch die Empfangseinheit (4) empfangen und durch einen Richtungsfilter (16) gefiltert werden, die gefilterten Strahlen (18) direkt oder über mindestens ein erstes optisches Element (20) auf eine wellenlängenselektive Einheit (22) gelenkt werden, die gefilterten Strahlen (18) durch die wellenlängenselektive Einheit (22) wellenlängenabhängig aufgefächert und wellenlängenabhängig auf unterschiedliche lichtsensitive Bereiche (11) des Detektors (10) gestrahlt werden. 12. A method for evaluating measurement data from a detector (10) of a receiving unit (4), wherein beams (14, 15) from a scanning area (A) are received by the receiving unit (4) and filtered by a directional filter (16), the filtered Beams (18) are directed directly or via at least one first optical element (20) onto a wavelength-selective unit (22), the filtered beams (18) fanned out by the wavelength-selective unit (22) depending on the wavelength and depending on the wavelength onto different light-sensitive areas (11) of the Detector (10) are blasted.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei durch Belichten der lichtsensitiven Bereiche (11) des Detektors (10) Messdaten erzeugt und von einer Auswerteeinheit (8) empfangen werden, wobei mindestens ein lichtsensitiver Bereich (11) des Detektors (10) zum Empfangen von Messdaten für eine Auswertung durch die Auswerteeinheit (8) automatisiert oder vordefiniert ausgewählt wird. 13. The method according to claim 12, wherein by exposing the light-sensitive areas (11) of the detector (10) measurement data is generated and received by an evaluation unit (8), at least one light-sensitive Area (11) of the detector (10) for receiving measurement data for evaluation by the evaluation unit (8) is selected in an automated or predefined manner.
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